Mikroprotsesorni-pristroyi (1)

(плаваючому) затворі МОП-транзистора. Затвор називається плаваючим, якщо він розміщений між затвором даного транзистора, що управляє, і його каналом та оточений високоомним діелектриком.

Перепрограмуючі ПЗП – це ПЗП із змінним вмістом. На затворах матриці МОП-транзисторів тривалий час можуть зберігатися заряди, які створюють заданий код. Всі перепрограмуючі ПЗП являються МОП-приладами [15,16].

При необхідності в перепрограмуванні мікросхеми заздалегідь записану інформацію стирають ультрафіолетовим променем через прозоре кварцеве віконце на поверхні корпусу мікросхеми. Потрапляючи на плаваючий затвор і вибиваючи з нього фотоелектрони, УФ випромінювання розряджає плаваючий затвор МОП-транзистора. Час збереження інформації в мікросхемах ПЗП даного типу визначається якістю призатворного діелектрика і для сучасних мікросхем складає десять років і більше.

Мікросхеми ПЗП з електричним стиранням інформації популярні у розробників мікропроцесорної техніки завдяки можливості швидкого стирання і запису, великим допустимим числом циклів перезапису інформації (10000 разів і більше). Проте вони достатньо дорогі і складні в порівнянні з мікросхемами ПЗП з УФ стиранням і тому поступаються останнім по ступеню використання в мікропроцесорній апаратурі.

Основу комірки, що запам'ятовує, в ПЗП з електричним стиранням складає МОП-транзистор з плаваючим затвором, такий же, як і в ПЗП з УФ стиранням. Але в мікросхемах даного типу технологічними методами забезпечена можливість зворотнього тунелювання, тобто відбору електронів з плаваючого затвора, що дозволяє вибірково стирати занесену інформацію.

3.4. Зовнішні запам'ятовуючі пристрої

Зовнішні запам'ятовуючі пристрої (ЗЗП) – пристрої великого об'єму

(сотні тисяч байтів і більше), призначені для тривалого зберігання даних, створення архіву даних (у тому числі і на знімних носіях) і обміну цими даними

91

з оперативними пристроями мікропроцесорних систем, що запам'ятовують [8]. У загальному випадку ЗЗП складається з накопичувача і контролера.

Накопичувачем ЗЗП називається частина зовнішнього пристрою, що запам'ятовує, що безпосередньо приймає інформацію, та перетворює її (при необхідності) у форму, зручну для зберігання (наприклад, в магнітне поле), що здійснює зберігання цієї інформації і перетворення в електричні сигнали при прочитуванні.

Накопичувач ЗЗП складається з пристрою перетворення інформації, механізму (при необхідності) і носія інформації. Пристрій перетворення інформації включає підсилювачі запису і прочитування, магнітні головки (для магнітних ЗЗП) і інші засоби, необхідні для прямого і зворотнього перетворення цифрових кодів у форму, зручну для зберігання. Механізм, іноді званий приводом, забезпечує переміщення носія інформації щодо органів запису і прочитування. Носієм інформації є виріб, що здійснює безпосереднє зберігання інформації на основі певних фізичних явищ. Носій може бути магнітним (диск, стрічка, барабан), оптичним (фотоплівка, голограма) і т.п. Носій може бути постійним, тобто невіддільним від накопичувача, або з’ємним, що забезпечує можливість створення архіву даних довільного об'єму.

Контролером ЗЗП називається пристрій, що забезпечує управління роботою накопичувача і сполучення з інтерфейсом мікропроцесорної системи. Специфіка ЗЗП поміщена в його накопичувачі. Розглянемо типові накопичувачі ЗЗП.

Накопичувач на магнітній стрічці (НМС) – накопичувач ЗЗП, носієм інформації якого є магнітна стрічка. Такі накопичувачі котушкові і касетні. У мікропроцесорних системах застосовують переважно касетні накопичувачі на магнітній стрічці (КНМС), тобто накопичувачі, магнітна стрічка яких поміщена в спеціальну з’ємну касету. Існує два види таких касет: компакт-диск-касета, ідентична компакт-диск-касеті побутових магнітофонів, і спеціальна цифрова касета типу Картрідж.

92

У касеті компакт-диска приймальна і подаюча котушки магнітної стрічки розміщені в одній площині, привід здійснюється провідним валиком за магнітну стрічку з фрикційною підмоткою обох котушок.

У касетах типу Картрідж приймальна і подаюча котушки магнітної стрічки розміщені в паралельних площинах одна під іншою. Привід здійснюється провідним валиком за допомогою нескінченної стрічки, що огинає приймальну і таку, що подає, котушки. Такий привід значно спрощує механізм (виключається фрикційний привід котушок) і підвищує стабільність швидкості обертання стрічки, але ускладнює касету.

Накопичувач на магнітних дисках (НМД) – накопичувач ЗЗП, носієм інформації якого є диск, що обертається, покритий тонкою плівкою магнітного матеріалу. Такі накопичувачі бувають з жорсткими або гнучкими дисками. У НМД з жорсткими дисками носієм інформації є металевий диск (звичайно з міцного алюмінієвого сплаву) або пакет дисків. Ці накопичувачі відрізняються найвищою швидкістю обміну інформації зі всіх видів магнітних ЗЗП з рухомим носієм. У мікропроцесорних системах широке розповсюдження одержали НМД типу Вінчестер, які відрізняються тим, що жорсткий диск з полегшеними плаваючими головками виконаний в єдиному (іноді знімному) герметизованому кожусі, що значно спрощує його експлуатацію і забезпечує можливість отримання максимально можливої щільності запису інформації.

Накопичувач на гнучких магнітних дисках (НГМД) – НМД, змінним носієм інформації якого є магнітний диск, виконаний на гнучкій полімерній основі.

Накопичувач на магнітних картах – накопичувач ЗЗП, носієм інформації якого є змінна магнітна карта, виконана на гнучкій полімерній основі.

Накопичувачі на циліндрових магнітних доменах (ЦМД) – накопичувач ЗЗП, носієм інформації якого є циліндрові магнітні утворення (доменні структури), сформовані в монолітному кристалі. Носії інформації на ЦМД виконуються у вигляді інтегральних мікросхем, що містять 256К, 1М, 4М біт

93

інформації і більш.

Накопичувач на компакт- дисках (СD - дисках) – накопичувач ЗЗП, носієм інформації якого є рельєфна підкладка з полікарбонату, на яку нанесений тонкий шар металу (зазвичай – алюмінію), що відбиває світло. При записі матриці компакт-диска лазерний промінь пропалює в ній крихітні ямки. Після цього з матриці штампуються в цеху безліч полікарбонатних копій. Потім рельєфна основа металізується, додається ще один, тонший шар лаку, що захищає тонку металеву поверхню.

При читанні диска інший промінь, що «читає», відображається від ямок і «чистих» ділянок по-різному. Ямка дає сигнал «нуль», оскільки ямки розсіюють промінь і не дають йому повернутися, а ділянка, що відображає світло, – «одиницю». Читання даних, які записані на компакт-диску, проводиться за допомогою пристрою (дисковводу), що задовільняє виробленому єдиному стандарту CD-ROM. «Класичним» вважається компакт-диск діаметром 12 см, який може вміщувати до 650 Мб даних або 74 хвилини аудіо інформації. На ринку є компакт-диски із збільшеною місткістю, вміщаючих 700 Мб даних або 80 хвилин і 800 Мб даних або 90 хвилин, і диски-малятка з діаметром 8 см і місткістю 340 Мб даних.

Більш ємкими в порівнянні з CD-ROM і перспективними є нові носії інформації на DVD-дисках. Накопичувачі на DVD-дисках навіть в найпростішому варіанті – у вигляді одностороннього одношарового диска мають місткість від 3,2 Гб до 4,7 Гб, що у вісім разів перевищує місткість сьогоднішніх дисків. Місткість диска DVD, багатошарового і двостороннього, може досягати 17 Гб.

Два нині використовуваних стандарти оптичних носіїв CD і DVD базуються на червоних лазерах з довжиною хвилі 789 нм і 650 нм відповідно. Для того щоб збільшити ємність диску і зберігти його невеликий розмір, застосовують короткохвильові лазери. Нові стандарти – Blu-ray i HD DVD – передбачають на випромінювання з довжиною хвилі 405 нм, яка знаходиться у блакитному секторі спектру. Ця специфікація HD DVD-ROM у версії 1.0

94

вийшла в світ в червні 2004 року. Диски HD DVD-ROM мають ємність 15 Гб на шар. Таким чином, односторонній двохшаровий носій здатний вмістити 30 Гб. Такі ж показники мають заготовки HD DVD-R і HD DVD-R DL. Перезаписувані HD DVD-RW дозволяє зберігати до 20 Гб на одній стороні. Перевагою дисків є те, що в них використовуються захисний шар товщиною 0,6 мм, такий же як і в звичайних DVD. Тому оптична система головки HD DVD майже не відрізняється від DVD.

Тоді ж, у вересні 2004 року, появився формат Blu-ray Disc (BD). BDROM версії 1.0 має ємність одного шару 25 Гб, а двох – 50 Гб, що значно більше ніж у носіїв HD DVD. Другою важливою відмінністю BD від попередників є те що захисний шар дисків з великою ємністю, під яким зберігається регістраційна плівка, значно тонший – всього 0,1 мм. Тому оптична головка приводів Blu-ray має більш складний устрій, здатний випромінювати лазерний промінь на трьох довжинах хвиль (не одночасно). В перспективі, до 2007 року, передбачається розробити чотирьох шарові диски Blu-ray, які після ще одного подвоєння числа шарів здатні вмістити 200 Гб.

Flash пам'ять – зовнішня для МП пам'ять, що реалізована мікросхемно і виконує функції твердого жорсткого диску та має високу вібро і ударостійкість.

Контрольні питання і завдання

1.Викладіть принцип дії і структуру ОЗП.

2.Назвіть особливості енергозалежної і незалежної динамічної і статичної

пам'яті.

3.Перерахуйте типи ПЗП і дайте їм характеристику.

4.Для чого використовується прямий доступ до пам'яті?

5.Приведіть класифікацію систем пам'яті і порівняйте їх швидкодію.

6.На яких елементах побудовані статичні і динамічні ОЗП?

7.Назвіть основні характеристики пристроїв пам'яті та приведіть приклади сучасних пристроїв пам'яті і їх питомі показники.

95

8.Визначте інформаційну місткість в бітах і кількість ліній шини даних для пристроїв пам'яті, позначених: 1) 1024 • 8; 2) 4048 • 16.

9.Визначте питому вартість модуля динамічної пам'яті, якщо її місткість складає 128 Мб, а вартість рівна 166 грн.

10.Назвіть особливості СD-R, CD-RW і DVD компактдисків.

11.Викладіть особливості накопичувачів на магнітних картах.

12.Приведіть пристрій, принцип дії і особливості накопичувачів на магнітних дисках типу Вінчестер.

13.Назвіть відміні особливості накопичувачів на гнучких дисках.

14.Назвіть особливості Flash-пам'яті.

15.Який об'єм пам'яті вміщається на класичному компакт-диску CD-ROM діаметром 12 см?

16.Назвіть місткість одношарових і багатошарових дисків DVD.

17.Викладіть технологію запису інформації на компакт-диск CD-R, CD-

RW, і DVD.

18.Викладіть призначення і особливості кеш-пам'яті.

19.Приведіть типи сучасних вінчестерів і їх характеристики.

20.Які пристрої використовуються для запису інформації на дискети і компакт-диски?

21.Назвіть пристрої, використовувані для прочитування інформації з дискет, компакт-дисків і порівняйте їх технічні характеристики.

22.Охарактеризуйте пристрої, використовувані для читання і запису інформації на DVD диски, і приведіть їх технічні параметри.

23.Викладіть призначення, побудову і особливості надоперативної

пам'яті.

24.Порівняйте місткості компакт-дисків CD-R і DVD.4.

25.Які фізичні процеси проходять у Flash-пам'яті при занесенні даних?

26.Як розміщується інформація в постійних запам’ятовуючих

пристроях?

27.Що може зберігати кожна комірка пам’яті?

96

4 ІНТЕРФЕЙС МІКРОПРОЦЕСОРНИХ СИСТЕМ

Основною функцією інтерфейсу є організація взаємодії із зовнішніми пристроями (джерелами і приймачами даних). МП вступає у взаємодію із зовнішнім середовищем за допомогою периферійних пристроїв (пристроїв вводу-виводу). До найбільш часто використовуваних пристроїв вводу відносяться: клавіатура, перемикачі, двійкові датчики, аналого-цифрові перетворювачі, а до пристроїв виводу – дисплеї, індикатори, світлодіоди, цифроаналогові перетворювачі, друкарські пристрої, реле. Прикладом пристроїв вводу-виводу є накопичувачі на магнітній стрічці, а також гнучких і твердих магнітних дисках і ін. Пристрої вводу-виводу відрізняються швидкодією, розрядністю, протоколами обміну, сигналами, що управляють, особливостями програмування. Звичайно інтерфейс складається з одного або декількох портів вводу-виводу і їх схем управління.

4.1. Визначення і функції інтерфейсу

Для включення мікропроцесора в будь-яку мікропроцесорну систему необхідно встановити єдині принципи і засоби його сполучення з рештою пристроїв системи. Для цих цілей служить уніфікований інтерфейс, що є сукупність правил, які встановлюють єдині принципи взаємодії пристроїв мікропроцесорної системи. До складу інтерфейсу входять: апаратурні засоби з'єднання (роз'єм і зв'язки), номенклатура і характер зв'язків, програмні засоби, що описують характер сигналів інтерфейсу і їх тимчасову діаграму, а також опис електрофізичних параметрів сигналів.

Для інтерфейсу вводу-виводу характерні чотири функції [4]: буферування інформації; дешифрування адреси або вибір пристрою; дешифрування команди; синхронізація і управління. Буферування необхідне для синхронізації обмінів даними між процесором і периферійними пристроями. Дешифрування адреси потрібне для вибору конкретного пристрою вводу-виводу в системах, що

97

використовують декілька периферійних пристроїв. Дешифрування команди проводиться для пристроїв, які окрім передачі даних виконують і інші дії, наприклад зворотнє перемотування стрічки. При реалізації будь-якої з перерахованих вище функцій, проводиться синхронізація і управління процесами.

Складність виконання розгалужених зв'язків між різними вузлами при проектуванні ВІС і пристроїв на їх основі привела до того, що практично реалізовані і набули широкого поширення магістральні структури зв'язків, до яких підключені входи і виходи електронних вузлів (блоків).

Єдина інформаційна магістраль мікропроцесорної системи зв'язує між собою всі пристрої і функціонально складається з інформаційних шин адрес, даних і сигналів управління. Часто обмін адресами і даними здійснюється по одній групі шин в режимі розділення часу.

Шина адрес. У простій мікропроцесорній системі тільки мікропроцесор може виробляти адреси передаваної в системі інформації. Тому шина адрес однонаправлена. Мікропроцесор генерує сигнали коду адреси, а решта пристроїв, підключених до шини адрес, може тільки сприймати їх, виконуючи безперервно мікрооперацію пізнання коду адреси. Кількість ліній шини адрес співпадає з розрядністю передаваного коду адреси. Якщо використовується 16розрядний код, то в системі дозволяється вироблення 216 = 65536 адрес. Вони можуть всі відноситися до адрес елементів пам'яті або до адрес елементів пам'яті і адрес регістрів даних пристроїв вводу-виводу.

Шина даних. Мікропроцесор, а також ОЗП, ЗЗП, дисплеї можуть сприймати або передавати дані. Інші пристрої можуть або тільки приймати дані (наприклад, пристрій друку), або тільки видавати їх (наприклад, ПЗП).

Шина даних є двонаправленою, оскільки необхідно забезпечити всі можливі зв'язки системи. Її розрядність визначається розрядністю мікропроцесора і дорівнює 2, 4, 8, 16, 32 біт. Якщо в мікропроцесорі обробляються дані за програмами подвійної розрядності, то подвійне слово пересилається за два цикли, тобто в цьому випадку має місце тимчасове

98

мультиплексування. Воно застосовується також, коли використовується загальна (мультиплексована) шина адрес і даних.

Шина сигналів управління. Мікропроцесор, а також деякі з пристроїв вводу-виводу, генерують сигнали, що управляють, призначені для синхронізації і визначення типу операцій, що виконуються пристроями. Ці сигнали передаються по сукупності ліній, в цілому створюючих шину сигналів управління. Всі сигнали управління в електронній системі узгоджені з системними сигналами синхронізації. Вони задають початок і послідовність спрацьовування різних пристроїв системи, блоків і вузлів усередині всіх кристалів ВІС. Для задання головної послідовності синхронізуючих імпульсів звичайно використовують зовнішній кварц або генератор на його основі. Видавані мікропроцесором сигнали синхронізації бувають однофазними, рідше двофазними.

Кожен мікропроцесор має свою унікальну систему сигналів управління. Але практично всі мікропроцесори мають загальні сигнали, серед них, наприклад, вхідний сигнал СКИДАННЯ, який виробляється на пульті управління системи. Він приводить до скидання всіх внутрішніх регістрів мікропроцесора і завантаження лічильника команд – вузла, що визначає послідовність виконання команд програми, – початковим значенням адреси, де записана перша команда програми.

Найважливіша функція мікропроцесора, що управляє, – визначення напряму потоків даних в системі. Мікропроцесор викликає слова команд з пам'яті в процесі їх читання, звертається в пам'ять за операндами або до зовнішніх пристроїв за новими даними, може записати результат операції в пам'ять або, сформувавши масив даних, визначити необхідність їх виводу на зовнішні пристрої. Коли мікропроцесор посилає дані якомусь пристрою, відбувається операція запису даних, а коли одержує дані від якогось пристрою, то прочитує дані з його інформаційного регістра і виконує операцію їх читання. Щоб задати напрям передачі по шині даних, мікропроцесор генерує сигнали ЧИТАННЯ/ЗАПИС, передавані по одній з ліній шини управління.

99

Специфіка деяких пристроїв вводу-виводу даних така, що інформація може бути втрачена, якщо МП своєчасно не здійснить зв'язок з пристроєм. Тому ці пристрої генерують сигнали ЗАПИТ ПЕРЕРИВАННЯ ПРОЦЕСОРА, що звертають увагу мікропроцесора на стан своєї готовності (або несправності). Мікропроцесор має вхід для прийому, принаймні, одного сигналу ЗАПИТ ПЕРЕРИВАННЯ ПРОЦЕСОРА. Якщо ж запит приймається, то МП інформує систему, виробляючи у відповідь сигнал, ЗАПИТ ПЕРЕРИВАННЯ ЗАДОВОЛЕНИЙ.

Різна швидкість роботи пристроїв вводу-виводу і мікропроцесора породжує необхідність припинення роботи процесора на час підготовки даних в зовнішньому пристрої. Для цього застосовується режим роботи «Очікування» мікропроцесора, який визначається зовнішнім сигналом, ДАНІ ПІДГОТОВЛЕНІ (ДАНІ НЕ ПІДГОТОВЛЕНІ). Всього по шині управління передається до десяти різноманітних сигналів управління і більше.

Якщо необхідно перейти від одного виду інтерфейсу до іншого, то застосовують спеціальні апаратурні засоби у вигляді перетворювача інтерфейсів або інтерфейсного контролера.

При побудові мікропроцесорних систем найчастіше здійснюються перетворення, пов'язані з різними форматами електричних сигналів.

Всі МП обробляють цифрові дані, представлені в паралельній формі. В цьому випадку розряди слів даних передаються одночасно по інформаційній шині і обробляються паралельно у всіх розрядах арифметико-логічного блоку мікропроцесора, тому усередині електронної системи, всі передачі даних також проводяться в паралельному форматі. Але в периферійній частині електронних систем можуть бути різноманітні формати інформаційних сигналів, серед яких найбільш важливими є аналогові і цифрові послідовні.

Аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі у вигляді ВІС вирішують задачі перетворення аналогових сигналів в паралельні коди і навпаки. Розвиток засобів цих перетворювачів, що управляють, дозволяє не тільки спростити їх інтерфейс з МП, але практично забезпечити пряме з'єднання

100