Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные устройства автоматики основы цифровой электроники. Курс лекций
.pdf
должен быть меньше максимального уровня нуля, допустимого на
входе ИМС, и выходное напряжение логической единицы, снимаемой с выхода нагруженной ИМС, должно быть выше допустимого
значения входного напряжения ИМС. Эти разности и определяют
запас помехоустойчивости. Это так называемая статическая помехоустойчивость, показатели которой приводят в справочниках.
Рис. 6.2. Уровни напряжений ТТЛ
Существует также динамическая помехоустойчивость, определяемая уровнем кратковременных помех, не нарушающих нормальное функционирование ИМС. Но этот показатель зависит от многих
причин, в том числе и от условий работы данной ИМС, и в справочниках не приводится.
Энергия переключения определяется произведением потребляемой
мощности на время средней задержки распространения сигнала.
Обычно стремятся к минимизации этой величины, однако большое
значение этого параметра является хорошей защитой от высокоамплитудных низкоэнергетических помех.
Надежность логических ИМС, как и других изделий, обычно определяется средней интенсивностью отказов, или наработкой на отказ, или вероятностью безотказной работы в течение заданного времени. Надежность определяется совершенством конструкции и технологии. После того как ИМС произведены, они подвергаются меха-
111
ническим, термическим и электрическим испытаниям. Схемы, прошедшие строгие испытания, практически не выходят из строя. Однако такие испытания выдерживают лишь несколько процентов произведенных ИМС, и эти изделия идут на военные и космические объекты, в которых отказы обходятся очень дорого. В промышленность
и ширпотреб пускают ИМС, обладающие работоспособностью, но не
удовлетворяющие строгим требованиям.
В табл. 6.1 приведены средние значения основных характеристик
логических элементов.
Таблица 6.1
Напряже-
Тип логики
ДТЛ +5 9 мВт 25 225 7
Высокопорого-
вая ДТЛ
ТТЛШ +5 10 мВт 10 100 10
Микромощная
ТТЛ
ЭСЛ +5 2 мВт 10 20 10
Быстродействующая ЭСЛ
2
И
Л –5,2 40 мВт 0,75 30 10
n–МОП +1 1…100 мкВт 1000…10 1 3
КМОП*
ние пита-
ния, В
+12 30 мВт 120 3600 10
+5 20 мВт 3 60 10
–5,2 25 мВт 2 50 10
+5 0,5 мВт 30 15 20
+5...+15 0,3…..3 мкВТ 90…30 0,05 50
Потребляемая
мощность
Время за-
держки, нс
Энергия
переклю-
чения,
пДж
Коэффи-
циент разветвления
______________
*Для КМОП логики показатели приведены при частоте переключения 1 кГц.
112
С увеличением частоты потребляемая мощность КМОП логики
растет, так как эти элементы потребляют энергию только в момент
переключения.
Технология ДТЛ считается устаревшей. Высокопороговые ДТЛ
заменяют на КМОП, в которых для повышения помехоустойчивости
максимально увеличивают напряжения питания.
Наиболее современные серии отечественных ИМС имеют достаточно высокие параметры (табл. 6.2).
Таблица 6.2
Серии/технологии
Параметр
Напряжение питания, В 5±5% 5±10% 2…6
Диапазон температуры, °С –10…+70 –10…+70 –40…+85
Входное напряжение, В
Логическая 1 2,0 2, 3,15
Логический 0 0,8 0,8 1,35
Выходное напряжение, В
Логическая 1 2,7 2,7 U
Логический 0 0,5 0,5 0,1
Запас помехоустойчивости, В 0,3 0,4 1,25
Мощность, мВт 2,0 1,2 0,0025
Энергия переключения, пДж 14 6 0,01
Максимальная частота пере-
ключения триггера, МГц
Время задержки сигнала рас-
пространения (схемы ЛА3), нс
К555 ТТЛШ
33 50 150
10 5 4
КР1533
ТЛШ
КР1554
КМОП
– 0,1
пит
В таблицах не отражены показатели логических структур, рабо-
тающих в ИМС сверхвысокой степени интеграции.
113
7. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ
И ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
7.1. Структурная схема микропроцессора
Современные
микропроцессоры (МП) делаются на одном крем-
ниевом кристалле по n-МОП технологии (реже по КМОП технологии) и позволяют обрабатывать 8-, 16-, 32- и даже 64-разрядные числа. Структура наиболее распространенных в настоящее время МП
типа i486 или Pentium достаточно сложна. Поэтому в данном пособии будет рассмотрен более простой, но популярный в прошлом
8-
разрядный МП типа i8080 фирмы Intel, который у нас выпускается
в серии ИМС К580 и используется, например, в регулирующих контроллерах типа «Ремиконт».
Структурная схема такого МП показана на рис. 7.1. Микропроцессорная ИМС состоит из следующих функциональных блоков:
арифметико-логического устройства (АЛУ); регистрового блока с
логическими устройствами для выбора регистров; блока управления
с регистром и дешифратором команд.
114
Рис. 7.1. Блок-схема 8-разрядного микропроцессора
Арифметико-логическое устройство состоит из следующих узлов:
8-
разрядного сумматора; основного регистра МП – аккумулятора;
двух буферных регистров, в которых находятся операнды; регистра
флагов, в которых фиксируются некоторые результаты вычислений;
схемы десятичной коррекции, которая включается по команде при
обработке двоично-десятичных чисел. АЛУ может выполнять следующие операции: арифметическое сложение и вычитание, логические операции (И, ИЛИ, исключающее ИЛИ) и сдвиг содержимого
аккумулятора вправо и влево.
Блок регистров содержит: два 8-разрядных программно недоступных регистра W и Z для записи промежуточных результатов вычислений; шесть 8-разрядных регистров общего назначения В, С, D, Е, Н
и L, выполняющих роль внутренней памяти МП; 16-разрядный регистр для хранения адреса команд РС (этот регистр иначе называют
программным счетчиком, так как его показания автоматически изменяются после выполнения команды); 16-разрядные регистры для
хранения адреса вершины стека SP.
Устройство управления после приема кода команды (регистр РК)
и дешифрации управляет работой всех блоков МП. На него также
подается ряд сигналов от внешних устройств и внешнего генератора
синхронизирующих импульсов. В свою очередь устройство управления посылает из МП на внешние устройства сигналы о характере выполняемой команды.
Все основные блоки устройства МП связаны между собой 8разрядной магистралью для передачи данных.
Итак, АЛУ и регистровый блок состоят из знакомых читателю
устройств. Устройство управления содержит также знакомые комбинационные и временные схемы.
Функционирование МП можно разделить на несколько этапов.
1.
Из внешней памяти (ОЗУ или ПЗУ) по адресу, записанному в
программном счетчике, в регистр команд переносится код очередной
команды выполняемой программы.
2.
После дешифрации кода команды устройство управления настраивает все узлы МП на выполнение команды.
3.
Происходит выполнение команды, т.е. арифметических или логических действий, перемещение данных и т.п. Одновременно с выполнением данной команды происходит изменение содержания программного счетчика на столько единиц, сколько байт занимала команда в запоминающем устройстве. Команды МП 8080 бывают одно-,
двух- и трехбайтные. Таким образом, МП после выполнения данной
115
команды готов по измененному адресу принять код следующей команды.
Для функционирования МП необходимы дополнительные устройства, такие как устройства памяти, устройства ввода-вывода информации и ряд других. Все эти устройства, объединенные в одну общую систему, образуют микропроцессорную систему.
Для уменьшения рассеиваемой мощности все логические схемы
выполнены в микромощном варианте. Наиболее мощные регистры
БРД и БРА, допускающие внешний ток 1,6 мА, служат для вывода из
МП данных (8 разрядов) и адреса (16 разрядов).
7.2. Микропроцессорная система
состав МП системы (рис. 7.2) входит в качестве основного узла
В
модуль МП, включающий ИМС МП и несколько других ИМС, таких
как генератор синхроимпульсов, шинные формирователи (см. разд. 3.2),
системный контроллер, вырабатывающий сигналы управления
внешними устройствами.
Рис. 7.2. Микропроцессорная система
Модуль МП связан с остальными модулями МП системы с помощью магистральных линий связи. Для передачи адреса используется
16
проводов (по числу разрядов адресного регистра МП), образую-
щих магистраль адреса (МА). Для передачи данных используется
8
проводов, образующих магистраль данных (МД).
Для согласованной работы МП с внешними устройствами передаются сигналы управления по магистрали управления (МУ).
Количество проводов в МУ зависит от состава МП системы. Основными сигналами МУ являются: чтение из памяти, запись в память, чтение из устройств ввода и запись в устройства вывода информации. Длина магистралей МП не должна превышать несколько
десятков сантиметров. Это ограничение вызвано тем, что импульсы,
116
передаваемые по этим проводам, имеют длительность долей микросекунды. Для передачи сигналов на большие расстояния используются другие методы передачи (более длинные импульсы, последовательная во времени передача сигналов по паре проводов). К этим
трем магистралям подсоединяются ПЗУ, ОЗУ, устройства (порты)
ввода информации, порты вывода информации, таймеры и другие
устройства, необходимые для нормального функционирования МП
системы.
МП серии 8080 допускает адресацию 2
16
ячеек памяти по одному
байту, 256 портов ввода, 256 портов вывода информации. Портом
МП системы называют адресуемый 8-разрядный регистр. Для упрощения построения МП системы выпускают ИМС, представляющие
собой три регистра с устройством управления, позволяющим переводить эти порты в разные режимы работы (ввод, вывод и др.). Для работы с определенным портом МП посылает его номер на МА, и для
нормального функционирования порт должен иметь собственный
дешифратор адреса. В качестве дешифратора адреса порта в ряде
случаев может быть использована ИМС 8И – НЕ с несколькими инверторами (по числу нулей в адресе порта). Магистральная организация связи в МП системе предлагает отключение от проводов магистрали тех внешних устройств, которые в данный момент не связаны с
МП. С этой целью используются логические схемы, выходы которых
могут переходить в высокоимпедансное состояние. Микропроцессорные системы с 8-разрядными МП широко используются для
управления технологическими агрегатами и процессами. ЭВМ, созданные для управления техническими объектами, получили название
контроллеров, а если эта ЭВМ сделана на базе МП, то – микроконтроллерами (МК).
В последние годы технология производства ИМС настолько усовершенствовалась, что на одном кристалле кремния удалось создать
целую ЭВМ с памятью, портами ввода-вывода информации, таймерами и другими устройствами. Такие ИМС получили название однокристальных микроЭВМ (ОМЭВМ). Наша промышленность выпускает такие ОМЭВМ (серия ИМС К1816 и др.). В одном корпусе ИМС
расположены 8-разрядный микропроцессор, ПЗУ объемом несколько
кбайт, ОЗУ объемом несколько десятков или сотен байт (большого
ОЗУ для ОМЭВМ, выполняющей функцию МК, обычно не требуется), один или несколько таймеров, три-четыре порта, система прерываний и т.д. Обычно предусматривается возможность расширения
117
таких ОМЭВМ введением добавочных ИМС памяти, портов вводавывода.
Основной проблемой, возникающей при передаче информации о
непрерывных технологических процессах (например, о температуре,
давлении и т.п.), является стыковка аналоговых сигналов от датчиков
с цифровым входом ЭВМ. И с другой стороны, из цифровых обработанных данных часто надо получить аналоговый сигнал, например, в
виде изменяющегося напряжения. Реализация сопряжения аналоговых и цифровых устройств будет рассмотрена в следующем разделе
учебного пособия.
7.3. Программируемые логические
интегральные схемы
В
настоящее время широкое применение нашли программируе-
мые логические интегральные схемы (ПЛИС – programmable logic
device, PLD).
Номенклатура современных ПЛИС делится на две линии: микросхемы CPLD (Complex Programmable Logic Devices) и
микросхемы FPGA (Field Programmable Gateway Arrays). CPLD содержат относительно крупные программируемые логические блоки –
макроячейки, соединенные с внешними выводами и внутренними
шинами. Логика работы CPLD записывается в энергонезависимой
памяти и сохраняется при выключении питания. FPGA содержат
блоки умножения – суммирования (DSP), которые широко применяются при обработке сигналов, а также логические вентили и их блоки
коммутации. FPGA имеют больше логических элементов и более
гибкую архитектуру, чем CPLD. Программа для FPGA хранится в
распределенной памяти, которая может быть выполнена как на основе статического ОЗУ (в этом случае программа не сохраняется при
исчезновении электропитания микросхемы), так и на основе энергонезависимых ячеек Flash-памяти или перемычек antifuse (в этих случаях программа сохраняется при исчезновении электропитания). Если программа хранится в энергозависимой памяти, то при каждом
включении питания микросхемы необходимо заново конфигурировать ее с помощью начального загрузчика, который может быть
встроен и в саму FPGA.
Одним из крупнейших разработчиков ПЛИС является компания
Altera (
www.altera.com.
США), основанная в 1983 г. Официальный сайт компании –
В России авторизованным дистрибьютором Altera
является компания «ЭФО» (Санкт-Петербург). ЭФО поддерживает
118
русскоязычный ресурс www.altera.ru, посвященный продукции указанной фирмы.
Другим значимым игроком на рынке ПЛИС является компания
Xilinx (
США). Официальный сайт компании – www.xilinx.com. Фирма Xilinx производит микросхемы в различных типах корпусов и в
нескольких исполнениях, включая индустриальное, военное и радиационно-стойкое. В России продукцию Xilinx представляет Инлайн
Груп. Перечень разработчиков и изготовителей ПЛИС, конечно же,
не исчерпывается двумя упомянутыми выше фирмами.
ПЛИС применяются в весьма разнообразных приложениях: цифровой обработке сигналов, реализации коммуникационных протоколов, построении управляющих систем и т.д.
Программирование ПЛИС осуществляется в поставляемой их изготовителями среде САПР. Например, САПР Quartus фирмы Altera
реализует:
синтез (ввод) схемы проекта с помощью схемного редактора;
•
моделирование в целях проверки с нулевыми или единичными
•
задержками;
разработку или корректировку пользовательского файла огра-
•
ничений, описывающего требования к размещению компонентов и
временным соотношениям сигналов;
реализацию схемы проекта в кристалле, включая трансляцию
•
данных во внутренний формат базы данных, преобразование проектных логических элементов в физические (планировку кристалла),
размещение физических элементов и трассировку связей между ними, определение временных задержек в кристалле и генерацию файла конфигурации;
верификацию схемы проекта на модели с реальными значе-
•
ниями времен задержек;
собственно генерацию файла конфигурации;
•
программирование кристалла.
•
Quartus
предоставляет для проектирования множество библиотечных функций-примитивов, отличающихся невысокой степенью интеграции, в том числе буферы, триггеры, логические примитивы. Кроме того, в Quartus имеется свыше 300 макрофункций, в том числе
сумматоры, арифметико-логические устройства, буферы, счетчики,
шифраторы и дешифраторы, цифровые фильтры и т.д.
Цифровые устройства на базе ПЛИС являются программно-
аппаратным продуктом и потому имеют ряд сходных черт с про-
119
граммным обеспечением. Поэтому для анализа и разработки структуры жизненного цикла информационно-управляющих систем на
основе ПЛИС имеет смысл воспользоваться стандартами из области
программирования. Тем не менее проекты на ПЛИС имеют некоторые особенности, поэтому на них не могут быть полностью механически перенесены положения указанных стандартов.
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]