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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Elektrische Grundlagen eines Busses mit TTL-Pegeln


Autor: Joachim Schäfer (Gast)
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Da ich mich in den vergangenen Tagen ein bisschen mit den Eigenschaften
verschiedener Datenbusse befasst habe, bei den elektrischen Grundlagen
jedoch nicht gerade superfit bin, wollte ich einfach mal die
elektrischen Eigenschaften des in meinen Augen einfachsten Busses
testen, nämlich direkt miteinander per Kabel verbundener I/O-Pins eines
Mikrocontrollers.
Also habe ich ohne Rücksicht auf Verluste einfach mal die Pins PC0 bis
PC3 meines Atmega8 per Drahtbrücken direkt miteinander verbunden.
Ausser den direkten Verbindungen waren diese IO-Pins sonst mit nichts
verbunden, also auch keine externen Pullup/Pulldown-Widerstände oder
sowas.
Dann habe ich einfach für jeden dieser vier IO-Pins jede Kombination
von gesetzten/zurückgesetzten Bits des DDRC-/PORTC-/PINC-Registers
getestet und geschaut ob das entsprechende PINC-Bit beim Auslesen
danach gesetzt oder nicht gesetzt ist.
Beispiel:
DDRC : 0111 (PC0+PC1+PC2 = Output / PC1 + PC3 = Input)
PORTC: 0101 (PC0+PC2 = high / PC1+PC3 = low)
PINC>: 0011 (Interne Pullups von PC0+PC1 angeschaltet)
-----------
PINC<: 1111 (Eingelesener Wert an allen Pins = 1)

Das habe ich dann für alle (2^4)^3 möglichen Kombinationen ausprobiert
und mir die Ergebnisse in eine Datei schreiben lassen.
Nach kurzem Drüberschauen, jedoch ohne alle Ergebnisse überprüft zu
haben meine ich folgende Zusammenhänge erkannt zu haben:
Feststellung 1: PINC< (also der an allen Pins eingelesene Wert) ist
immer gleich - "der auf dem Bus liegende Wert" wird also offenbar von
allen IO-Pins gleich interpretiert, egal wie die Pins sonst konfiguriert
sind (soweit schon mal gut)
Feststellung 2: PINC> (also ob die internen Pullups ein- oder
ausgeschaltet sind) scheint für das binäre "Ergebnis" PINC<
vollkommen irrelevant zu sein
Feststellung 3, Zusammenfassung: Der auf dem Bus liegende Wert (=
PINC<) ist genau dann "0" wenn es unten allen als Output festgelegten
IO-Pins (DDRCx = 1) MEHR Pins mit Low-Pegel gibt als mit Highpegel,
ansonsten ist er "1"
Beispiele:
DDRC : 0011
PORTC: 0011 (zwei Ausgabepins mit high-Pegel)
-----------
PINC<: 1111 (high-Pegel)

DDRC : 1111
PORTC: 0101 (zwei Ausgabepins mit high, zwei mit low-Pegel)
-----------
PINC<: 1111 (high-Pegel setzt sich durch)

DDRC : 0111
PORTC: 0001 (ein Ausgabepins mit high, zwei mit low-Pegel)
-----------
PINC<: 0000 (low-Pegel setzt sich durch)

Nun würden mich folgende Dinge interessieren:
- Sind diese von mir festgestellten Zusammenhänge grundsätzlich bei
TTL-Pegeln so, oder liegt manches davon nur an den Eigenheiten meines
Versuchsaufbaus? Anders ausgedrückt, würde/könnte sich etwas an diesen
Zusammenhängen ändern, wenn z.B. statt der vier Pins am gleichen
Mikrocontroller 13 IO-Pins an jeweils unterschiedlichen
Mikrocontrollern benützt würden, die evtl. auch noch unterschiedlich
weit voneinander entfernt sind? (Jedoch unter der Annahme, dass die
entsprechenden Zustände/Signale lange genug (also z.B. 1 Sekunde)
gehalten werden)

- Macht es tatsächlich keinerlei Unterschied, ob die internen Pullups
ein- oder ausgeschaltet sind? Zumindest irgendeinen elektrischen
Unterschied muss es doch geben?

- Was würde sich ändern (auch aus elektischer Sicht, wie z.B.
Stromverbrauch oder so), wenn ich die benutzte Datenbusleitung
zusätzlich noch mit einem Widerstand gegen GND und/oder VCC verbinden
würde? (Auch mit eventuell leicht verändertem Versuchsaufbau wie etwas
längeren Distanzen, Pins an verschiedenen Mikrocontrollern etc.) Ich
habe gesehen dass bei vielen oder gar den meisten Bussen solche
Widerstände benutzt werden, nur der Sinn ist mir noch nicht so ganz
klar.

Sorry für die vielen Fragen, bin schon dankbar wenn mir Jemand nur
Teile davon beantworten kann - oder einen Link parat hat, der geeignet
ist mir diese Fragen zu beantworten...

Autor: Christof Krüger (Gast)
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Verstehe ich das richtig, dass du ALLE 4 Portpins zusammen verbunden
hast?
Du hast also u.a. alle Pins als Ausgänge geschaltet und sie
gegeneinander Treiben lassen, indem die Hälfte gegen Masse und die
andere Hälfte gegen VCC geschaltet war. Da frage ich mich, ob du jetzt
elektrische Eigenschaften eines Busses oder eher die
Fehlbeschaltungs-Resistenz einer AVRs testen wolltest.
Ein Bus macht nur dann Sinn, wenn immer maximal ein Teilnehmer als
Ausgang definiert ist, während alle anderen "zuhören".
Die Pullups machen auch sinn, die werden übrigens durch PORTC
geschaltet, wenn ein Pin als Eingang definiert ist, vielleicht hast du
dich ja nur verschrieben.

Wenn du obiges beachtest (immer nur ein Ausgang gleichzeitig auf der
Leitung), dann wird alles sehr viel einfacher zu überblicken.

Autor: Joachim Schäfer (Gast)
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"Du hast also u.a. alle Pins als Ausgänge geschaltet und sie
gegeneinander Treiben lassen, indem die Hälfte gegen Masse und die
andere Hälfte gegen VCC geschaltet war. Da frage ich mich, ob du jetzt
elektrische Eigenschaften eines Busses oder eher die
Fehlbeschaltungs-Resistenz einer AVRs testen wolltest."
Ich wollte ersteres testen, eventuelle "Zerstörungen" habe ich
lediglich in Kauf gewonnen. Bisher konnte ich allerdings auch keine
Anzeichen von Zerstörung erkennen, von daher hatte ich hoffentlich
Glück!

"Ein Bus macht nur dann Sinn, wenn immer maximal ein Teilnehmer als
Ausgang definiert ist, während alle anderen "zuhören"."
Das stimmt so ja aber auch auch nicht 100%ig. Es kann ja durchaus
vorkommen dass auf einem Bus zwei Devices gleichzeitig senden - ob das
nun unerwünscht ist (Kollision) oder sogar erwünscht (bei bestimmten
Arten des Busarbitrierung/Interruptpriorisierung). Natürlich ist der
Regelfall, dass immer nur einer senden darf, aber es KANN ja durchaus
vorkommen, dass mehr als einer zur gleichen Zeit sendet - daher wollte
ich auch für solche Fälle testen, was passiert.

"Die Pullups machen auch sinn, die werden übrigens durch PORTC
geschaltet, wenn ein Pin als Eingang definiert ist, vielleicht hast du
dich ja nur verschrieben."
Nein, da hatte ich wirklich grad einen Denkfehler. Stimmt, die Pullups
werden ja auch durch PORTC geschaltet. Dementsprechend macht es dann
auch vollkommen Sinn, dass es egal ist was ich mittels "out PINC, x"
ausgegeben habe - PINC ist ja ein Register, auf das eh nur nur lesender
Zugriff Sinn macht, richtig?

Zu welchem Zweck benutzt man denn nun bei Bussen externe Widerstände
die gegen VCC und/oder GND verbunden sind? (in meinem Versuchsaufbau
ging es ja auch ohne)
Was könnte in meinem Versuchsaufbau an Schäden passieren, wenn mehr als
einer gleichzeitig sendet?

Autor: Tobi (Gast)
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eigentlich macht man das bei bussen doch so, dass garkeiner wirklich
sendet, d.h spannung auf den bus gibt sondern nur den bus auf gnd
ziehen darf. dadurch ist schon per definition ausgeschlossen, dass zwei
gleichzeitg ihre ausgänge an den bus hängen. dann machen auch die
widerstände einen sinn, denn das sollten dann die pull-ups sein, die
den bus auf einem definierten high pegel halten, wenn gerad keiner
sendet.

Autor: Joachim Schäfer (Gast)
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@Tobi: Dann gibt es für jedes IO-Pin x nur exakt zwei
Konfigurations-Möglichkeiten, sehe ich das richtig?
DDR?x = 1 / PORT?x = 0 : Pin als Ausgang, Pegel des Busses wird auf GND
gezogen -> Alle Ports lesen einen logischen "0"-Pegel
DDR?x = 0 / PORT?x = 1 : Interne Pullups eingeschaltet, Pin als Input
definiert -> Sofern kein anderer Pin den Pegel auf GND zieht, liest
jeder eine logische "1"

Entspricht das dann nicht einem "wired-and" (lang lang ist's her,
dass ich das mal gelernt habe), wenn dann doch zwei oder mehr
gleichzeitig "senden", also den pegel auf GND ziehen?
Und noch weitere Fragen: Genügt ein einziger gegen GND ziehender
Output-Pin, um den Pegel des ganzen Busses sicher auf einen low-level
zu ziehen - egal wieviele Pins an den Bus angeschlossen sind etc.?
Was für einen Unterschied würde es machen, wenn die Pins im
"Input-Modus" den internen Pull-Up ausschalten, dafür jedoch ein
externer Pullup-Widerstand zwischen der Datenbusleitung und VCC liegt?
Macht ein externer Widerstand zwischen Datenbusleitung und VCC bei
EINGESCHALTETEN internen Pullups irgend einen Sinn?
Macht ein externer Widerstand zwischen Datenbusleitung und GND hier
irgend einen Sinn?

Autor: Chris (Gast)
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> DDR?x = 0 / PORT?x = 1 : Interne Pullups eingeschaltet, Pin als Input
> definiert -> Sofern kein anderer Pin den Pegel auf GND zieht, liest
> jeder eine logische "1"
Nein. Eine Voraussetzung für solche Busse ist die Fähigkeit der
Teilnehmer, ihre Pins in den Tristate-(High-Impedance)-Modus zu
schalten.
Beim AVR geht das, indem man DDxn auf 0 und PORTxn ebenfalls auf 0
setzt (siehe Datenblatt).

Der Bus benötigt dann natürlich externe pullup-Widerstände. Externe
Widerstände haben ganz einfach den Vorteil, dass der Bus eine bestimmte
Geschwindigkeit immer halten kann; die Maximalgeschwindigkeit hängt
nämlich z.T. von den Widerständen ab.
Wenn nun jeder Teilnehmer eigene Pullups benutzen würde, würde schon
bei wenigen Pins ein ziemlich großer Strom fließen. Zudem wäre der
Gesamtwiderstand unberechenbar und unstabil (variiert mit der Anzahl
der Teilnehmer).

Ich empfehle dir "The Art of Electronics", Band 2.

Autor: Joachim Schäfer (Gast)
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Vielen Dank, Chris! Ich denke jetzt habe ich es verstanden, ich fasse
mal zusammen:
Man verbindet alle IO-Pins, die an den Bus angeschlossen werden sollen,
mit einer Leitung. Ausserdem wird noch ein Pullup-Widerstand zwischen
diese Leitung und VCC gehängt, damit auch wenn keiner sendet der Bus
einen definierten Pegel (1) hat. Der Wert des PORT?x - Registers aller
an den Bus angeschlossenen Pins ist IMMER 0. Im normalen (nicht
sendenden) Modus wird das DDR?x-Register auf 0 gesetzt (Eingang, da
PORT?X = 0 / interner Pullup nicht aktiviert -> Hochohmig). Schreiben
kann man auf den Bus indem man das DDR?x-Register auf 1 setzt (Ausgang,
da PORT?x = 0 -> Ausgang auf Masse). "Auf den Bus schreiben" bedeutet
immer eine logische 0 zu schreiben. Schreiben mehrere auf einmal auf
den Bus, so ist das (bei dieser Beschaltung) auch elektrisch betrachtet
kein Problem. Der Bus hat immer logischen 0-Pegel, sobald mindestens
einer gleichzeitig "schreibt" - nur wenn keiner "schreibt" liegt
eine logische 1 an.

Korrekt?

Autor: Chris (Gast)
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