Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микропроцессорное управление устройствами преобразования электрической энергии и передачи электротехнической информации. Учебное пособие
.pdf
2. УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ
Как для самостоятельного использования, так и для наращивания объемов
памяти микроконтроллеров часто используются отдельные микросхемы памяти. Для памяти типа ПЗУ и динамических ОЗУ характерны структуры 2D, 3D,
2DM.
В настоящее время чаще всего используется структура 2DM (рис. 2.1), где
память состоит из субмодулей, адресуемых по m-разрядной шине.
Рис. 2.1. Структура памяти 2DM
Пример. Имеются субмодули с байтовыми выходами (n = 8), объем одного
субмодуля 16 байт, адресная шина ― восьмибитовая (m = 8). На адресацию
байта внутри субмодуля идет 4 линии (А0, А1, А2, А3), на адресацию субмодуля остается 4 линии (А4, А5, А6, А7), то есть k = 4.
Объем дешифратора: входы ― (m − k) = 4, выходы ― 24 =16, то есть выходов у DC (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15) всего шестнадцать.
11
Каждый субмодуль имеет объем 8×24 бит, всего субмодулей ― 16, общий
объем = 8×16×16 = 2048 бит или 256 байт или 0,25к (в определении объемов
памяти в справочной литературе, как правило, слово байт не пишут).
Память типа ROM
Память только для чтения. Энергонезависимые, информация сохраняется
при снятии питания.
Масочные ПЗУ
Для масочных ПЗУ информация записывается на предприятии с помощью
шаблона (маски), запоминающим элементом может быть диод, биполярный
или МОП-транзистор. Например, при диодах в узлах сетки высокий потенциал
выбранной горизонтали передается на соответствующую вертикаль, там, где
нет диода, потенциал близок к нулю.
Масочные ПЗУ используются чаще всего как стандартное обеспечение,
они полностью заказные, предназначены для серийного или массового производства. Пример хранящейся информации ― генераторы символов, функции,
ассемблеры, операционные системы и другие неизменяемые программы. В качестве примера приводится ПЗУ КР568РЕ2 (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Микросхема КР568РЕ2. Объем адресуемых ячеек = 213 = 8к
Память типа RAM (ОЗУ)
Для чтения и записи. Неэнергонезависимые.
Делятся на два класса ― статические и динамические.
12
В статических ОЗУ (SRAM) для хранения 1 бита информации использу-
ется триггер, и информация сохраняется, пока обеспечивается питание.
Так как для транзисторов характерно очень низкое энергопотребление,
длительность их переключения очень мала. Но поскольку ячейка памяти
SRAM состоит из нескольких транзисторов, — обычно четырех или шести, —
ее площадь больше, чем у ячейки памяти типа DRAM. Это делает память
SRAM более дорогостоящей, поэтому она используется только в малых объемах, — в качестве особо быстродействующей памяти, как, например, кэшпамять и процессорные регистры в большинстве современных моделей центральных процессоров.
Структура статических ОЗУ чаще всего, такая же, как и у ПЗУ. Вместо ЗУ
нужно поставить триггер и добавить вход запись/чтение.
Пример ― ОЗУ статического типа 573РУ9А (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Микросхема 573РУ9А. Кроме входа CS имеются еще входы
управления WR — запись, RD — чтение, а также вход ОЕ — разрешение
считывания данных на шину данных (схема с тристабильными выходами,
следовательно, может работать непосредственно с шиной. 0 на этом входе
переводит выходы в третье состояние)
В динамических ОЗУ 1 бит хранится в виде электрического заряда емкости
сток-подложка или затвор-подложка МОП-транзистора, через несколько миллисекунд емкость разряжается, и требуется подзарядка или регенерация. Но
так как в динамических ОЗУ требуется меньше элементов на 1 бит, то можно
достичь больших объемов микросхем.
13
ОЗУ динамического типа настолько малы, что на их работу стали влиять
даже -частицы, излучаемые элементами корпуса ИС.
Для обеспечения адресации ЗУ большого объема используют мультиплексирование адресов во времени. Сначала подаются m младших разрядов, сопровождая их стробом RAS (строб адреса строки), затем m старших, сопровождая стробом CAS (строб адреса столбца). Мультиплексирование позволяет
уменьшить число адресных выводов в 2 раза (для того же объема). В качестве
примера рассмотрим микросхему К565РУ6 (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Микросхема К565РУ6
Для управления дин. ОЗУ используются специальные контроллеры типа
К1810ВТ3. Контроллер формирует адресные и управляющие сигналы в режимах работы и регенерации, формирует сигнал готовности памяти к обмену.
Память типа PROM (ППЗУ)
Память типа PROM является, как и память типа ROM, энергонезависимой.
Программируется и стирается в лабораторных условиях простыми программаторами с помощью создания или удаления перемычек. Плавкие перемычки включаются в электроды диодов или транзисторов. Изготавливают из
титановольфрамовых сплавов или кремния.
PROM просты в применении, но обладают малой емкостью. При прожига-
нии перемычек используют импульсы тока в десятки мА, которые подаются на
линии данных. В качестве примера рассмотрим микросхему К565РУ6 (рис. 2.5).
14
Рис. 2.5. Микросхема КР556РТ15
Память типа (EPROM) РПЗУ
Запоминающий элемент — транзистор с плавающим затвором.
Стирание производится или ультрафиолетовым облучением, или электрическим сигналом. Транзисторы с плавающим затвором имеют в подзатворном
диэлектрике замкнутую проводящую область, в которую может быть введен
заряд, способный сохраняться в ней в течение очень длительного времени.
При стирании УФ лучами лучи вызывают фототоки и тепловые токи, что позволяет заряду покинуть плавающий затвор. Нужно окошко (10―1000 циклов). Не применяют в авиации и космосе. При стирании электрическими сигналами технология программирования проще, можно стирать отдельные слова,
число циклов — 104…106, но площадь элемента больше, а стоимость его изготовления выше.
EEPROM
Английский Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, элек-
трически стираемое перепрограммируемое ПЗУ, ЭСППЗУ). Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях. Одной из разновидностей EEPROM
является флеш-память (англ. Flash Memory).
Флеш-память (FLASH)
Флеш-память построена на транзисторах с плавающим затвором, но с некоторыми особенностями. Используются в 90 % всех ПК, более 90 % сотовых
телефонов и т.д.
15
Стирание осуществляется для отдельных блоков, а не отдельных слов, что
позволяет исключить схемы управления записью/стиранием с разрешающей
способностью до 1 байта и тем самым повышает быстродействие при снижении стоимости. Флеш-память имеет блочную структуру.
Микросхемы имеют специализированные блоки, т.е. несимметричные
блочные структуры, так называемые Boot-блоки, где информация надежно защищена от стирания. Они хранят программы инициализации системы после
включения питания (BIOS).
FRAM — (ферроэлектрические ИС памяти) в кристалле находится бистабильный атом. От его положения зависит знак диполя. Быстродействие, неограниченность циклов записи-чтения, малые размеры и потребление мощности,
энергонезависимость, радиационная стойкость.
PFRAM — (поляризованные ферроэлектрические ИС памяти) на основе
пленок с двумя стабильными состояниями поляризации. Нет транзисторных
структур. Перспективны для замены дисковой памяти (не ОЗУ). Подсчитано,
что плата PFRAM размером с кредитку может заменить 400 тыс. CD.
MRAM — (магниторезистивные ИС памяти) на материалах, обладающих
остаточной намагниченностью, т.н. «микромагнитки». Используется туннелирование носителей заряда через тонкий слой, управляемый магнитным полем.
Время записи/считывания предполагается до 2,3 нс. Заявлены в 2004 г.
Студентам предлагается выполнить ряд тестовых заданий из Прило-
жения 2.
16
3. МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ МЛАДШЕГО УРОВНЯ
3.1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СОСТАВ МП
Микропроцессор — устройство, осуществляющее прием, обработку и вы-
дачу информации по программе, записанной в его памяти.
Микропроцессорный комплект — совокупность ИС, совместимых по
электрическим, информационным и конструктивным характеристикам. В типичный состав МПК входят БИС памяти, БИС интерфейсов внешних устройств, служебные БИС.
Однокристальный микроконтроллер — специализированное устройст-
во, выполненное в одном корпусе и содержащее все основные составляющие
МПК.
Организация шин
Шина информационная (в отличие от электротехнической) это информаци-
онный канал, который объединяет определенные функциональные блоки микропроцессора (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Системная шина
Первый микропроцессор (Intel 4004), был изготовлен в 1971 г. Он содержал 2300 транзисторов и имел рабочую частоту 108 кГц.
Сегодня это самый употребляемый термин в современной микроэлектронике. Само понятие «микро» излишне, так как не «микро» процессоров не бывает. Современные МП содержит более 200 млн транзисторов и работает на
тактовой частоте до десятков ГГц и выше. В самом общем виде структура
микро-ЭВМ представлена на рис. 3.2.
17
Рис. 3.2. Обобщенная структура микро-ЭВМ или микропроцессорной системы
Первые МПС строились по так называемой Принстонской (г. Принстон
в США) архитектуре (или архитектуре фон Неймана), в которой память команд и данных является общей. И в настоящее время эта структура широко
используется.
Команды можно рассматривать как данные, и машина способна сама менять свои команды. Это позволяет повысить эффективность использования
дорогостоящей памяти. Существует возможность оперативно перераспределять память между областями хранения команд и данных, например, среди
решаемых ею задач могут быть задачи научных расчетов, где много команд и
мало исходных данных и наоборот, задачи статистического или бухгалтерского плана, где по простым алгоритмам обрабатывают большой объем данных.
Минус архитектуры ― ограничена производительность, так как используется
одна шина.
Чуть позже появилась архитектура, называемая Гарвардской (Гарвардский
университет в Кембридже США). Память разделена на память команд и память данных, причем каждая имеет свою шину для общения с процессором.
При этом можно выполнять параллельные действия. Плюс архитектуры ―
выше производительность и быстродействие. Минус ― сложнее структура,
так как используется больше шин.
18
Прежде, чем можно будет перейти к вопросам программирования МП, необходимо иметь общее представление о функциях отдельных основных элементов процессора.
АЛУ — комбинационная схема на основе сумматора, которая сигналами
управления настраивается на выполнение определенной арифметической или
логической операции, а также сдвиги, сравнения и другие.
АЛУ осуществляет действия над операндами, поступающими из памяти
или регистров: операнд — данные — содержимое регистров или памяти. Например, при сложении — это слагаемые и т.д.
Устройство управления — вырабатывает управляющие сигналы для всех
блоков МПС в соответствии с кодами команд, внешними управляющими воздействиями и сигналами синхронизации.
По архитектурному признаку, связанному с характером системы команд,
МП делятся на:
1. CISC (Complex Instruction Set Computer) — сложная система команд,
большой набор разноформатных команд, много способов адресации. Плюс —
позволяет использовать эффективные алгоритмы решения, минус — сложность системы и высокая стоимость.
2. RISC (Reduced Instruction Set Computer) — сокращенная система команд, уменьшено число используемых способов адресации. Плюс системы —
проще, и, следовательно, дешевле, выше быстродействие для простых задач;
минус — ниже производительность при решении сложных задач.
3. VLIW (Very Long Instruction Word ) — системы появились последними
(примерно 20 лет назад), используют очень длинные команды (16 и более
байт), отдельные операции которых могут выполняться одновременно; имеют
очень высокую производительность.
3.2. PIC-МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
Блок-схема микроконтроллера младшего подсемейства фирмы Microchip
изображена на рис. 3.3.
WDT «сторожевой пес» — сторожевой таймер. Это RC ― одновибратор
(RC-ждущий мультивибратор) с перезапуском, формирующий импульс дли-
тельностью примерно 18 мс.
Если работа WDT разрешена (а она может быть и запрещена), то после
старта программы он запускается, и если его в интервале времени 18 мс не
перезапустить, то он окончит формирование импульса, и по его заднему фронту сформируется сигнал сброса, после чего программа начнет исполняться со
своего начала.
19
13
12
11
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Код операции
d
Адрес данных
6 бит 1 7 бит
13
12
11
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Код операции
Константа
6 бит
8 бит
Рис. 3.3. Структура PIC16F84A
Зачем это нужно?
В случае «зависания» программы, WDT, сбросив программу на начало,
может вывести ее из этого «нехорошего» состояния. Именно поэтому таймер
WDT и назван сторожевым.
PIC ― микроконтроллеры являются машинами Гарвардского класса. Шина
данных и команд разъединена.
Формат команды
Команда без констант
Команда с константой
П р и м е чан ие: d = 1 результат сохраняется в регистре.
d = 0 результат сохраняется в аккумуляторе.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]