ПЕРЕДМОВА

Електроніка — галузь сучасної фізики та електротехніки. Вона займається вивченням і використанням явищ, приладів і систем, основою яких є проходження електричного струму у вакуумі, газі та твердому тілі, дослідження, розробка електронних засобів і систем та принципів їх використання. Обмін інформацією в електронних системах відбувається за допо­могою сигналів, носіями яких можуть бути різні фізичні вели­чини — струми, напруги, магнітні стани, світлові хвилі. Розрізняють аналогові (безперервні) і дискретні сигнали. Є два типи дискретних сигналів перший отримано за рівнем або за часом дискретизації безперервних сигналів, другий — у ви­гляді набору кодових комбінацій знаків.

Перевагами цифрових пристроїв і систем порівняно з ана­логовими є підвищена завадостійкість, висока надійність, мож­ливість тривало зберігати інформацію без її втрати, економічна й енергетична ефективність, сумісність з інтегральною техно­логією, висока технологічність і повторюваність, а недоліка­ми — мала швидкодія та точність.

Основа розвитку електроніки — безперервне ускладнення функцій. На сучасному етапі стає неможливим вирішувати нові завдання старими електронними засобами з викорис­танням існуючої елементної бази. Виникають об'єктивні умови для подальшого удосконалення елементної бази. Основними факторами є підвищення надійності, зменшення габаритних розмірів, маси вартості та споживаної потужності.

Важливе завдання вищої освіти — правильна орієнтація майбутнього фахівця па стадії вивчення фундаментальних і професійно орієнтованих дисциплін фаху де поєднується як глибина важливих фізичних процесів, так і їхній розумний обсяг. Більшість випущених підручників і навчальних посібників з аналогової та цифрової схемотехніки або присвячені викладу піше окремих розділів цієї дисципліни, або дають загальні відомості з основних розділів чи недостатньо відоб­ражають тенденції розвитку сучасної електроніки. У пропонованому підручнику автори зробили спробу ліквідації заз­начених вище недоліків.

Підручник складається з трьох книг: перша книга — «Ана­логова схемотехніка та імпульсні пристрої», друга — «Циф­рова схемотехніка», третя — «Мікропроцесори та мікроконтролери».

Перша книга — «Аналогова схемотехніка та імпульсні пристрої» містить 12 розділів з аналогової схемотехніки та 5 розділів з імпульсних пристроїв, у яких розглянуто такі питання:

основні компоненти електронних систем, підсистем і вузлів, підсилювачі;

RC- підсилювачі напруги на біполярних і польових тран­зисторах за різними схемами підключення зі спільними емі­тером, базою, колектором, стоком, витоком;

частотні характеристики RC- підсилювачів звукових час­тот, робота підсилювача в області низьких, середніх та висо­ких частот; логарифмічні амплітудно-частотні характеристи­ки, приклади розрахунків;

узгодження джерела сигналу з навантаженням, класифіка­ція одно- і двотактних підсилювачів потужності та підсилю­вачів без трансформаторів;

наскрізні характеристики каскадів, вплив температури на характеристики біполярних транзисторів, причини та методи розрахунку нелінійних спотворень;

класифікація паралельних і послідовних зворотних зв'язків: за струмом і напругою, жорстких і гнучких, їхній вплив на схемні функції, показники роботи, умови стійкості системи;

підсилення постійного струму, способи зменшення дрейфу нуля, підсилювачі на несівній частоті, з безпосередніми зв'яз­ками, паралельні балансові та диференціальні схеми;

класифікація аналогових мікроелектронних структур, опе­раційні підсилювачі на інтегральних мікросхемах, елементи їх схемотехніки;

побудова вирішальних структур на базі операційних підси­лювачів, лінійні та нелінійні функціональні перетворювачі, суматори, інтегратори, диференціатори, частотна корекція, логарифмування, помножувачі, подільники, випрямлячі, детек­тори;

загальні положення теорії селективних підсилювачів різних типів;

LC- генератори періодичних коливань на польових і біпо­лярних транзисторах;

основи теорії RC- генераторів з різними типами фазо­обертачів і без них;

проходження імпульсів через ланки інтегрування, дифе­ренціювання, розділові; фіксатори рівня;

формувачі прямокутних імпульсів, ключі, обмежувачі, мо­делі великого сигналу;

мульти- та одновібратори; регулювання частоти, термостабілізація і поліпшення форми вихідної напруги схем; гене­ратори лінійно змінюваної напруги, блокінг-генератори в автоколивальному режимі та режимі очікування;

аналіз кодувальних пристроїв, АЦП та ЦАП, пристрої ви­бірки збереження;

імпульсні джерела живлення, елементна база силової елек­троніки та перспективи розвитку.

Друга книга — «Цифрова схемотехніка» — охоплює 12 розділів, у яких розглянуто такі питання:

математичні основи цифрової схемотехніки, системи чис­лення, коди, двійкова арифметика та форми подання чисел; теоретичні основи синтезу цифрових автоматів та алгебра логіки;

аналіз методів мінімізації булевих функцій, методи Кар­но — Вейча, Квайна, Мак-Клаксі;

класифікація логічних елементів цифрових пристроїв (ба­зові логічні елементи);

синтез комбінаційних схем, мульти- та демультиплексори, суматори, шифратори, дешифратори, компаратори, перетворю­вачі кодів;

асинхронні, синхронні тригерні елементи, RS-, D-, JR- тригери; синтез цифрових автоматів, регістри зсуву, лічильники, цифрові фазообертачі;

логічні розширювачі, перетворювачі рівнів, таймери; статичні, динамічні оперативні та мікросхеми постійних запам'ятовувальних пристроїв;

проектування логічних схем, перехідні процеси, гонки, одно- та двофазова синхронізація;

застосування цифрових інтегральних мікросхем, завади і завадостійкість, монтаж цифрових інтегральних мікросхем.

Третя книга — «Мікропроцесори та мікроконтролери» — складається з 9 розділів, у яких розглянуто такі питання:

загальні принципи побудови мікропроцесорних систем, організація шин, поняття про архітектуру мікропроцесорів та основні принципи побудови мікропроцесорних систем, ос­нови програмування мовою асемблер;

однокристальні 8- та 16-розрядні мікропроцесори, відомості про систему команд мікропроцесора і8086;

старші моделі однокристальних універсальних мікропро­цесорів (i80286, і386, i486, архітектура мікропроцесорів Pentium);

системи пам'яті: класифікація постійних та оперативних запам'ятовувальних пристроїв, побудова модулів пам'яті, прин­ципи організації стекової та кеш-пам'яті;

інтерфейс пристроїв введення-виведення — паралельний та послідовний інтерфейс, контролер клавіатури та індикації, програмовний таймер, контролер прямого доступу до пам'яті, контролер переривань;

архітектура, функціональні можливості та система команд однокристальних мікроконтролерів з CISC-архітектурою, роз­ширення можливостей, приклад застосування для керування двигуном постійного струму;

однокристальні мікроконтролери з RISC-архітектурою: РІС-контролери, AVR - мікроконтролери;

сигнальні мікропроцесори оброблення даних у форматі з фіксованою та плаваючою комою, їхні характеристики і функ­ціональні можливості;

нейронні обчислювачі та їхні функції, основи побудови нейронних мереж, алгоритми навчання, апаратна реалізація. У підручнику в стислому вигляді та доступній формі ви­кладено всі розділи програми підготовки бакалаврів, інжене­рів та магістрів напряму «Електроніка» спеціальності «Елек­тронні системи» і «Фізична та біомедична електроніка» згід­но з вимогами державного стандарту України. Це може під­вищити ефективність не лише аудиторних занять, а й само­стійної роботи студентів. Матеріал скомпонований так, що кожний наступний розділ є логічним продовженням попе­реднього.

У результаті вивчення курсу студенти засвоюють принци­пи функціонування, вибору, практичної реалізації пристроїв та систем електроніки різного призначення, методи їх аналі­зу і розрахунку за заданими статичними й динамічними па­раметрами та принципи розроблення систем керування електронними системами. Студент має знати: принципи побудо­ви та функціонування пристроїв аналогової і цифрової схе­мотехніки; принципи вибору методів аналізу і розрахун­ку електронних пристроїв із заданими характеристиками; принципи побудови і функціонування мікропроцесорних та мікроконтролерних систем, а також уміти: розрахувати елек­тронні ланки; узагальнити динамічні показники електрон­них пристроїв; виконати розрахунки різних електронних пристроїв з організацією банку даних, розробити структурні та принципові схеми, а також програмне забезпечення мікропроцесорних систем керування пристроями електро­ніки.

Підручник написано на основі досвіду викладання дис­циплін згідно з програмами підготовки бакалаврів, інженерів та магістрів напряму «Електроніка» в Національному технічному університеті України «КШ», Донецькому національно­му технічному університеті та Дніпродзержинському держав­ному технічному університеті.

Курс забезпечується основними дисциплінами: математи­ка, фізика, теоретичні основи електротехніки, твердотіла елек­троніка.

Автори висловлюють вдячність співробітникам кафедр «Промислова електроніка» Київського НТУУ «КПІ», «Елек­тронна техніка» Донецького НТУ і «Електроніка та автома­тика» Дніпродзержинського ДТУ за допомогу під час підго­товки оригіналу-макета та обговорення навчального мате­ріалу.

Автори щиро вдячні рецензентам за цінні зауваження та рекомендації щодо вдосконалення окремих розділів рукопису, які вони врахували під час його доопрацювання, що сприяло поліпшенню змісту підручника.

ВСТУП

Важливе місце у схемотехніці електронних систем посіда­ють системи керування з мікропроцесорами і мікро контролерами, які дають змогу реалізувати складні закони керуван­ня електронними пристроями. Знання схемотехніки анало­гових і цифрових систем створює базу для вивчення прин­ципів побудови мікропроцесорних систем керування. Пере­вагою мікропроцесорних систем керування є їх гнучкість, тобто систему, розроблену для розв'язання певної задачі керуван­ня, легко пристосувати для розв'язання інших задач, змінив­ши програмне забезпечення.

Перший мікропроцесор Intel 4004 було створено у 1971 р. Він працював на частоті 750 кГц, мав 2300 транзисторів і чотири розрядну шину даних. Цей винахід визнано одним з найбільших досягнень XX ст. Сучасні мікропроцесори — великі інтегральні схеми (ВІС) або однокристальні мікро-контролери — містять усі складові ЕОМ (мікропроцесори, пам'ять даних та пам'ять програм, інтерфейсні схеми) і їх ефективно використовують у системах керування промисло­вого та побутового обладнання.

Розширення функцій мікропроцесорних систем потребу­вало вдосконалення знань спеціалістів різноманітних профілів у цьому напрямі. Тому вивчення основ побудови і програму­вання мікропроцесорів — необхідна складова підготовки спеціалістів у вищих навчальних закладах. Незважаючи на велику різноманітність типів мікропроцесорів та функцій, що виконуються ними, логіка побудови систем і створення про­грамного забезпечення залишається незмінною. Вивчення загальних принципів побудови, особливостей архітектури, використання різних видів пам'яті та програмування мікро­процесорних комплектів дає теоретичну базу для розробки і використання мікропроцесорних систем.

Мета підручника — набуття студентами теоретичних знань і практичних навичок побудови та програмування мікропро­цесорних систем керування, проектування інтерфейсів введення-виведення, спеціалізованих пристроїв на мікропроце­сорах різних серій та мікро-ЕОМ. Підручник складено за матеріалами лекцій з дисциплін, пов'язаних з мікропроце­сорною технікою та її використанням і включених у навчаль­ний процес Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут».

У підручнику наведено загальні принципи побудови МП, мікроконтролерів та мікропроцесорних систем; розглянуто особливості архітектури і функціональні можливості 8-розрядних (і8080, і8085), 16-розрядних (і8086/88, і80186/188, і80286), 32-розрядних мікропроцесорів (і386, i486, Pentium) та 64-розрядних процесорів (ІА-64, McKinley, Itanium); спо­соби організації і побудову модулів пам'яті; принципи про­грамування і системи команд мови асемблер для різних типів МП; роботу інтерфейсів пристроїв введення-виведення (ПВВ) інформації. Подано матеріал з архітектури, функціонального призначення і способів розширення функціональних можли­востей однокристальних мікроконтролерів (ОМК), керуючих контролерів та спеціалізованих мікросхем, а також РІС-контролерів, сигнальних процесорів і нейропроцесорів. З метою кращого сприйняття матеріалу в підручнику наведено при­клади складання програм, проектування мікропроцесорних систем, використання методів розширення можливостей сис­теми, а після кожного підрозділу дано контрольні запитання. Автори висловлюють подяку за допомогу в підготовці та оформленні матеріалу підручника студентам-магістрам ка­федри промислової електроніки НТУУ «КПІ» Т. В. Хижняк і Д. Д. Кункіну.

Розділ 1 загальні принципи побудови мікропроцесорних систем

1.1. Основні поняття і визначення

Мікропроцесор (МП) — пристрій, який здійснює прий­мання, оброблення і видачу інформації. Конструктивно МП містить одну або кілька інтегральних схем і виконує дії за програмою, записаною в пам'яті.

Мікропроцесорна система — обчислювальна, контрольно-вимірювальна або керуюча система, в якій основним пристроєм обробки інформації є МП. Мікропроцесорна система складається з набору великих інтегрованих схем (ВІС).

Мультимікропроцесорна, або мультипроцесорна, систе­ма — система, яка утворюється об'єднанням деякої кількості універсальних або спеціалізованих МП, завдяки чому забезпечується паралельна обробка інформації і роздільне керу­вання.

Мікропроцесорний комплект (МПК) — сукупність інтег­ральних схем, сумісних за електричними, інформаційними та конструктивними параметрами і призначених для побудови електронно-обчислювальної апаратури й мікропроцесорних систем керування. Типовий склад МПК: ВІС МП (один чи кілька корпусів інтегральних схем); ВІС оперативних запам'ятовувальних пристроїв (ОЗП); ВІС постійних запам'ято­вувальних пристроїв (ПЗП); інтерфейси, або контролери, зовнішніх пристроїв; службові ВІС (тактовий генератор, ре­гістри, шинні формувачі, контролери та арбітри шин).

Мікропроцесори та мікропроцесорні комплекти класифі­кують за такими ознаками: призначенням, кількістю ВІС, спо­собом керування, типом архітектури та типом системи подавання команд.

За призначенням МП поділяють на універсальні та спе­ціалізовані. Універсальними мікропроцесорами є мікропро­цесори загального призначення, які дають змогу розв'язува­ти широкий клас задач — обчислення, оброблення та керуван­ня. Спеціалізовані мікропроцесори призначені для розв'язання задач лише певного класу. До них належать сигнальні, медійні та мультимедійні МП; трансп'ютери.

Сигнальні процесори призначені для цифрового оброблення сигналів у реальному масштабі часу (наприклад, фільтрація сигналів, обчислення згортки, обчислення кореляційної функції, підсилення, обмеження і трансформація сигналу, пряме і зво­ротне перетворення інтегралів Фур'є). До сигнальних про­цесорів належать процесори фірм Texas Instruments — TMS320C80, Analog Devices - ADSP2106x, Motorola -DSP560xx та DSP9600x.

Медійні й мультимедійні процесори використовують для оброблення аудіосигналів, графічної інформації, відеозображень та для розв'язання задач у мультимедіакомп'ютерах, іграшко­вих приставках, побутовій техніці. До медійних і мультиме­дійних процесорів належать процесори фірм MicroUnity — Mediaprocessor, Philips — Trimedia, Cromatic Reserch — Mpact Media Engine, Nvidia — NV1, Cyrix — MediaGX.

Трансп'ютери застосовують для масових паралельних обчислень і роботи у мультипроцесорних системах. Для них характерним є наявність внутрішньої пам'яті та вбудованого міжпроцесорного інтерфейсу, тобто каналів зв'язку з іншими ВІС МП. До трансп'ютерів належать процесори фірм Inmos — Т-2, Т-4, Т-8, Т9000.

За кількістю ВІС у МПК розрізняють багатокристальні МПК та однокристальні мікроконтролери (ОМК). Багатокристальні комплекти — це МПК з однокристальними і секційними МП.

Однокристальний мікропроцесор, або мікропроцесор з фіксованою розрядністю даних, є конструктивно заверше­ним виробом у вигляді однієї ВІС. До цього типу належать процесори фірм Intel — Pentium (Р5, Р6, Р7), AMD — К5, К6,Cyrix — 6x86, Diqital Equipment — Alpha 21064, 21164A, Silicon Graphics - MIPS R10000, Motorola - Power PC 603, 604, 620, Hewlett Packard - PA-8000, Sun Microsystems -Ultra SPARC II.

У секційних мікропроцесорах в одній ВІС реалізується лише деяка функціональна частина (секція) процесора. Інша назва секційних МП — розрядно-модульні мікропроцесори, або мікропроцесори з нарощенням розрядності. Секційність ВІС МП зумовлює значну гнучкість МПС, можливість наро­щення розрядності даних, створення специфічних технологіч­них команд із набору мікрокоманд. До секційних належать МП серій К589, К1804.

Однокристальний мікроконтролер — пристрій, що кон­структивно виконаний в одному корпусі ВІС і містить основні складові МПК. До таких мікроконтролерів належать ОМК фірм Intel - MCS-196/296, Microchip - РІС17С4х, РІС17С75х, Mitsubishi Electric - М3820, Motorola -MC33035, MC33039.

За способом керування розрізняють МП зі схемним та МП з мікропрограмним керуванням. Мікропроцесори зі схемним керуванням мають фіксований набір команд, розроблений фірмою-виробником, який не може змінюватися спо­живачем. У мікропроцесорах з мікропрограмним керуван­ням систему команд розробляють під час проектування кон­кретного МПК на базі набору найпростіших мікрокоманд з урахуванням класу задач, для розв'язання яких призначений МПК.

За типом архітектури, або принципом побудови, роз­різняють МП з фоннейманівською архітектурою і МП з гар­вардською архітектурою.

За типом системи команд розрізняють CISC (Com­plete Instruction Set Computing) — процесори з повним набо­ром команд і RISC (Reduced Instruction Set Computing) — процесори зі зменшеним набором команд.

Слід зазначити, що багато МПК підпадають під різні кла­сифікаційні ознаки, оскільки здатні вирішувати задачі різ­них класів. Так, існують універсальні МП з мультимедійним розширенням наборів команд, наприклад, Pentium MMX, Pentium П, Cyrix 6x86MX, AMD K6, Ultra SPARC. У CISC- процесорах Pentium PRO реалізовано ядро з RISC-архітек­турою.