面對不斷發展和多樣化的應用程序需求，數據中心面臨著提高運營效率并最大化其在硬件基礎設施中的 IT 投資的艱巨任務。僅去年一年，全球數據中心在服務器和存儲基礎設施上的支出就超過140億美元，但仍然沒有以最高效率運行。

需要新的架構來更好地利用和優化跨越計算、內存和存儲的硬件資產。在將物理計算、內存和存儲資源視為可組合構建塊的情況下，實現資源敏捷性是提高效率和消除閑置和未充分利用資產的關鍵。

微控制器 （MCU） 最基本的元素之一是 I/O – 引腳數量、灌電流和拉電流強度以及可用的功能。在某些情況下，系統的I/O需求與微控制器的內存大小之間可能會出現不匹配。通常，可用的I / O越多，包含的內存就越多，這使得微控制器更加昂貴。

I/O 擴展器通過串行通信（通常為 I 2C 或 SPI）為主微控制器提供額外的 I/O 組。I/O擴展器的常見用例包括簡化PCB布線、改善功耗和物理縮小主微控制器。

參見圖1。I/O 擴展器的使用示例

I/O擴展器ASIC是一種常見的商品，但是每個ASIC的功能和用例略有不同，這可能會在設計過程中引起頭痛。然而，I/O擴展器是一種相對簡單的數字設備，可以使用微控制器進行仿真，例如新的PIC16F15244系列。與相關的基于 ASIC 的解決方案相比，這可以產生更大的設計靈活性、功能，甚至更低的物料清單 （BOM） 成本。然而，由于更專業的硬件，基于ASIC的解決方案在空間和功率效率方面占上風。

為了演示此概念的靈活性，我們創建了 2 個單獨的代碼示例。第一個代碼示例是一個非常簡單的 I/O 擴展器。與該項目相關的固件可以輕松定制，以進一步簡化通信。第二個代碼示例是一個非常靈活的“高級”I/O 擴展器，它旨在允許通過 I2C 控制幾乎所有 I/O 設置，而不是依賴于預設功能。

兩個 I/O 擴展器示例具有共同的功能和大部分代碼庫。與許多I2 C器件一樣，尋址線分配給一些未使用的I/O，以設置I2C地址的一些位，這提供了設計靈活性，無需額外編程。與ASIC不同，這些分配可以在軟件中更改，重新路由或重新排序。此外，該器件還提供一條外部中斷線 （INT），以發出 I/O 電平變化的信號。對于公共線路，INT 可以是漏極開路，也可以是推挽式（如果該線路是專用的）。

簡單的 I/O 擴展器

在深入了解高級 I/O 擴展器之前，讓我們看一下簡單的擴展器。在此示例中，每個 I/O 線都有兩種連續狀態（假設代碼未修改）：弱上拉輸入或輸出 LOW。弱上拉允許I/O擴展器在用作輸入時定義邏輯電平，并且它還關閉通常會將電流吸收到擴展器中的連接電路。該器件內部弱上拉的強度約為 10 或 100 μA。

低輸出是一個更強大的驅動器，每個I/O能夠吸收高達25mA的電流，整個器件的電流為300mA（-40C至+85C）。有關這些限制的更多信息，請參閱器件數據表的電氣特性部分。從輸出狀態轉換到輸入狀態時可能遇到的一個問題是I/O線路上寄生電容的充電時間。該電容會導致從0到1的轉換延遲，這可能會觸發變化時中斷電路。為了將這些影響降至最低，可以將簡單的I/O擴展器配置為暫時打開高端I/O驅動器，以便在切換到弱上拉之前快速對該電容進行充電。

參見圖2。I/O 線的轉換

高端 I/O 驅動程序的運行時間可在軟件中配置，如果需要，可以禁用。下圖顯示了使用這種方法增強的上升時間 - 注意圖像中時間尺度從20μs/div到40ns/div的變化。注意：我們不建議在任何配置下直接驅動電容器。

參見圖 3。無高端 I/O – 1nF 負載

參見圖 4。高端 I/O 開啟 – 1nF 負載

簡單的 I/O 擴展器 – 通信

I2C與這個例子的通信也非常簡單。完整的I 2 C通信只需要2個字節的讀寫。在I2C寫入中，數據的第一個字節是一個位圖，它將每個I/O行（由單個位表示）設置為輸入或輸出。發送的所有其他數據字節都將被丟棄，開發人員可以省略。

參見圖 5。簡單的 I/O 擴展器，I2C 寫入

在I2C讀取中，從器件讀取的字節是一個位圖，表示每個I/O行的數字值，可通過PORT寄存器在內部訪問。

參見圖 6。簡單 I/O 擴展器，I2C 讀取

高級 I/O 擴展器

開發高級 I/O 擴展器的目標是提供比上面顯示的簡單變體功能更全面的程序。由于串行通信極其簡單，簡單的I/O擴展器具有許多局限性，并且無法利用PIC16F15244系列中可用的以I/O為中心的功能，例如輸入電平控制、漏極開路輸出、變化時可屏蔽中斷和弱上拉使能。

相比之下，這個更復雜的示例可以配置板載I/O的幾乎所有功能。為了實現此功能集，程序使用查找表來確定要訪問的寄存器或要執行的功能。圖7顯示了一個示例應用，其中微控制器充當鍵盤控制器，在按下按鍵時通知主微控制器。（此示例將在以后的帖子中展開。

參見圖 7。高級 I/O 擴展器作為帶鎖定指示器的鍵盤控制器

高級 I/O 擴展器 – 程序結構

圖8是器件中“寄存器”的查找表。表中的某些寄存器實際存在于每個PIC16F15244系列器件上，例如TRIS和LAT，而其他寄存器（如ERROR）是“虛擬的”。虛擬寄存器特定于此程序，僅存在于RAM中。

參見圖 8。I/O 高級擴展器的寄存器映射

這種查找表結構的一個好處是可以靈活地重新排列寄存器，這可用于優化串行通信或減少軟件故障干擾關鍵設置的機會。

查找表分為兩個單獨的函數，用于讀取和寫入。這將創建一個簡單可靠的權限方案，但代價是代碼大小。例如，要創建只讀函數，只需從寫入查找表中省略地址即可。

高級 I/O 擴展器 – 通信

與此示例的通信比簡單的 I/O 擴展器更復雜。在執行讀取或寫入之前，控制器必須指示要開始讀取或寫入的地址。

I2C 寫入使用第一個數據字節來設置要開始的地址。然后，下一個字節用于加載該地址的數據。然后，地址將遞增以發送數據的下一個字節。只要地址仍然可寫且有效，此過程就可以重復，如下所示。如果寫入了無效或只讀地址，則地址不會遞增，并且設備不會確認 （NACK） 以指示發生了錯誤。

參見圖 9。高級 I/O 擴展器，I2C 寫入流程圖

參見圖 10。高級 I/O 擴展器，I2C 寫入

對于 I2C 讀取，必須首先設置要讀取的地址。通常，這是通過寫入設備的單個數據字節完成的，盡管某些操作可能會為方便起見自動設置地址。I2C 總線停止，然后在讀取模式下再次啟動。

讀取的第一個數據字節發生在地址集。讀取此字節后，地址將遞增，因此下一次讀取發生在地址 + 1、地址 + 1 處，依此類推。如果遇到無效區域或只寫區域，則程序將停止遞增地址并返回2x0，直到停止讀取。圖00顯示了兩個寄存器的示例讀取。

參見圖 11。高級 I/O 擴展器，I2C 讀取流程圖

請參見圖 12。高級 I/O 擴展器，I2C 讀取

高級 I/O 擴展器 – 功能

該程序存儲 8 個 I/O 相關設置，所有這些設置都更詳細地記錄在器件數據表中。唯一未保存的 I/O 設置是模擬選擇 （ANSEL） 和端口。假設 I/O 擴展器始終是數字的，因此 ANSEL 是一個常量值。PORT 值是 I/O 組的邏輯電平，取決于電路條件。

當引用這些寄存器時，“x”（例如：TRISx）是指可以分配的可選I/O組。默認情況下，此示例使用銀行 C。

? 三態方向控制 ［TRISx］ – 控制線路是輸出 （0） 還是輸入 （1）。

·鎖存器 ［LATx］ – 設置 I/O 驅動程序的輸出值。

·更改時中斷正邊沿 ［IOCxP］ – 啟用所選引腳上的上升沿是否生成中斷。

·更改時中斷負邊沿 ［IOCxN］ – 啟用所選引腳上的下降沿是否生成中斷。

·弱上拉 ［WPUx］ – 為每個選定的 I/O 啟用弱上拉。

? 輸入電平控制 ［INLVLx］ – 為每個引腳選擇 TTL 或施密特觸發器 CMOS 輸入閾值。

? 漏極開路控制 ［ODCONx］ – 為所選引腳啟用漏極開路輸出功能。

? 壓擺率控制 ［SLRCONx］ – 啟用壓擺率限制，以提高所選引腳的 EMI 性能。

高級 I/O 擴展器 – 內存操作

作為附加功能，此代碼示例支持還原默認設置、保存、加載或保存并將其設置加載到內部非易失性存儲器的功能。PIC16F15244系列沒有EEPROM，但是通過啟用存儲區域閃存（SAF），可以將一小部分程序閃存（PFM）標記為不可執行。

參見圖 13。內存存儲

圖 13 顯示了內部存儲配置的方式。僅使用單個內存行（32 個 14 位字）來存儲設置。此配置簡化了內存管理，并將剩余的不可執行內存留給其他用途。

可配置的 I/O 設置與簡單的（軟件創建的）CRC-8 校驗和一起保存到 PFM 中，以驗證配置的完整性。為了將CRC打包到可用空間中，它被分成2位的塊，并附加到每個配置的前4個設置。

參見圖 14。內存操作字節

如果加載的配置未通過校驗和驗證，則不會將其加載到相應的寄存器中。對于內存負載，I/O引腳行為可以在內存操作字節中指定，如圖14所示。如果負載失敗，引腳將保持該狀態，直到重新配置。

I/O 設置可以保存并加載到運行時四種配置中的任何一種。作為編譯選項，開發人員或設計人員可以將設備設置為在啟動時嘗試加載配置 0，而不是默認值，這可以用作不需要完全重新編程操作的簡單固件更新。如果配置 0 未通過 CRC 驗證，程序將使用默認 I/O 設置啟動。

設備上的默認 I/O 設置定義為常量，開發人員可以根據應用程序的需要設置這些常量。程序不會修改這些默認值，并被視為已知的良好值。運行內存操作“加載默認值”將使用這些默認值加載寄存器。

作為故障保護，所有內存操作（不包括啟動時的負載）都需要特定的字節序列來“解鎖”操作。這減少了軟件故障擦除或覆蓋設置的可能性。

結論

如本文所示，在需要I/O配置靈活性或在單個系統中利用大量I/O擴展器的應用中，簡單的8位微控制器可以合理地替代通用I/O擴展器ASIC。這兩個示例所需的固件可通過以下鏈接在 Github 上找到。Github中還提供了使用Arduino Uno的高級I / O Expander的演示庫和代碼。

審核編輯：郭婷