4 Описание структуры микроконтроллера

В Приложении А представлена обобщенная структурная схема МК серии1816. Основу структуры МК образует внутренняя двунаправленная разделяемая 8-битная шина, которая связывает между собой все устройства БИС: арифметическо-логическое устройство, устройство управления, память и порты ввода-вывода информации.

В состав аппаратурных средств МК входят: регистровое ОЗУ данных емкостью 64 байта; 8-разрядное арифметическо-логическое устройство; устройство управления; 8-битный программируемый таймер/счетчик событий; программно-управляемые схемы ввода-вывода (27 линий).

Организация МК и его система команд допускают в случае необходимости расширение функционально-логических возможностей контроллера. Архитектура МК обеспечивает возможность прямой адресации внешнего ОЗУ емкостью 128 байт. С использованием более сложных программно-реализуемых способов адресации емкость внешнего ОЗУ может быть увеличена до требуемого объема страницами по 128 байт в каждой. Кроме того, путем подключения интерфейсных БИС KP580BB55 число линий связи МК с объектом управления может быть увеличено практически без ограничений.

В МК 1816 реализована система векторного прерывания от двух источников: внутреннего таймера/счетчика событий и внешнего источника. Внутренний 8-уровневый стек обеспечивает автоматическое сохранение и восстановление основных параметров вычислительного процесса при запросах прерывания и при возврате после обслуживания прерывания.

Три 8-битных порта ввода — вывода информации, два входа тестирующих сигналов и один вход запроса прерывания обеспечивают связь МП с объектом управления по 27 линиям. Кроме того, имеются выводы для подключения осциллятора и для передачи таких сигналов, как начальная установка, строб адреса внешней памяти, чтение, запись. Выводы, через которые подаются сигналы пошаговой работы и режима внешнего доступа, используются на этапе отладки МК при тестировании прикладной программы.

Микроконтроллер 1816 конструктивно выполнен в корпусе БИС с 40 внешними выводами. Все выводы электрически совместимы с элементами ТТЛ, входы представляют собой единичную нагрузку, а выходы могут быть нагружены одной ТТЛ-нагрузкой. Цоколевка корпуса КР1816ВЕ51 показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Цоколевка корпуса КР1816ВЕ51

Ниже приводятся символические имена выводов (сигналов), в скобках указываются номера выводов корпуса и дается краткое пояснение назначения вывода.

ОБЩ (VSS) - потенциал земли (20);

+5.ОСН (VCC) - основное напряжение питания +5 В (40);

+5.ДОП (VDD) - дополнительное напряжение питания +5 В; на этот вывод при программировании попадает питание +25 В (26);

ПРОГР (PRG) - вход стробирующего сигнала для БИС расширителя ввода/вывода (25);

Х1 (2)- вход для подключения вывода кварцевого резонатора или вход для сигнала от внешнего источника синхронизации;

Х2 (3) - вход для подключения второго вывода резонатора;

*СБР (РСТ) - вход сигнала общего сброса при запуске МК (4);

*ШАГ (SS) - сигнал, который совместно с сигналом САВП позволяет при отладке выполнять программу с остановом после исполнения очередной команды (5);

*РВПП (PME) - разрешение внешней памяти программ; сигнал выдается только при обращении к внешней памяти программ (9);

САВП (ALE) - строб адреса внешней памяти; сигнал используется для приема и фиксации адреса внешней памяти на внешнем регистре; сигнал является идентификатором машинного цикла, так как всегда выводится из МК с частотой, в5 раз меньшей основной частоты синхронизации (11);

*ЧТ (RD) - стробирующий сигнал при чтении из внешней памяти данных или УВВ (8);

*ЗП (WR) - стробирующий сигнал при записи во внешнюю память данных или УВВ (10);

Т0 (1) - входной сигнал опрашиваемый по командам условного перехода JT0 и JNT0; может быть использован для вывода сигнала синхронизации после команды ENT0 CLK;

Т1 (39) - входной сигнал, опрашиваемый командами условного перехода JT1 и JNT1; кроме того, используется в качестве входа внутреннего счетчика внешних событий после исполнения команды STRT CNT;

*ЗПР (INT) - сигналы запроса прерывания от внешнего источника; вызывает подпрограмму обслуживания прерывания, если прерывание разрешено ранее по команде ENI; сигнал *СБР запрещает прерывания (6);

РВД (EA) - режим внешнего доступа; уровень 1 заставляет МК выполнять выборку команд только из внешней памяти программ; используется при тестировании прикладных программ и отладки МК; используется при тестировании прикладной программы и отладке МК (7);

Порт 1 (P10-P17) - 8-битный квазидвунаправленый порт ввода/вывода информации; каждый разряд порта может быть запрограммирован на ввод или вывод (27-34);

Порт 2 (P20-P27) - 8-битный квазидвунаправленый порт ввода/вывода информации; каждый разряд порта может быть запрограммирован на ввод или вывод; биты 0-3 этого порта во время чтения из внешней памяти программ (ВПП) содержат старшие четыре бита счетчика команд СК 8-11; используется для подключения БИС расширителя ввода/вывода (порты Р4 - Р7) (21-24, 35-38);

Порт BUS (DB) - 8-битный двунаправленный порт ввода/вывода информации; может быть отключен от нагрузки; может выполнять прием и выдачу байтов синхронно с сигналами *ЧТ и *ЗП; при обращении к ВПП содержит 8 младших бит счетчика команд и затем по сигналу *РВП принимает выбранную команду; при обращении к внешней памяти данных ВПД содержит младшие 8 бит адреса синхронно с сигналом САВП и байт данных синхронно с сигналами *ЧТ или *ЗП (12-19).

* - инверсные входы/выходы.

Микроконтроллер 1816 может работать с тактовой частотой от 1 до 12 МГц. При подключении к выводам X1 и Х2 стандартного кварцевого осциллятора цикл однобайтной команды составляет 2,5 мкс, а двухбайтной - 5 мкс.

Упрощенная схема микропроцессорной системы показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Упрощенная схема микропроцессорной системы

5 Разработка систем памяти

5.1 БИС ОЗУ К537РУ8

Наиболее развитым функциональным составом из серий КМДП микросхем обладает серия К537. Функциональ­ный ряд серии включает более 15 типов микросхем, отличающих­ся информационной емкостью (от 1024 до 16 384 бит), органи­зацией (одноразрядная и байтовая), быстродействием (более чем в 5 раз), уровнем потребляемой мощности. Назначение выводов корпусов микросхем серии К537 указано на рисунке 14. Структура статической ОЗУ показана на рисунке 15. Назначение выводов БИС ОЗУ К537РУ8 представлено в таблице 10.

Динамические параметры микросхем серии К537 в диапазоне температур —10...+ 70° С:

tц.эп не менее 350

tв. ВМ не более 200

tус. ВМ не менее 70

не менее 220

не менее 30

tсх.А ВМ не менее 60

Рисунок 3 – Микросхема памяти К537РУ8

Рисунок 4 – Структура микросхемы статической ОЗУ

Таблица 3 – Описание выводов БИС ОЗУ К537РУ8

Обозначение вывода	Номер контакта	Назначение вывода
1	2	3
DIO(0-7)	17; 16; 15; 14; 13; 11; 10; 9;	Выход данных
А (0-10)	8; 7; 6; 5; 4; 3; 2; 1; 23; 22; 19	Входы данных с локальной шины МП
W/R	21	Вход сигнала чтения/записи в память
ОЕ	20	Вход разрешения передчи
CS	18	Выбор микросхемы; L-уровень сигнала подключает ОЗУ к системной шине
5 V	26	Напряжение питания (+5 В)
0 V	7	Напряжение питания (0 В)

Общими свойствами микросхем серии К537 являются: единое напряжение питания 5В, ТТЛ-уровни входных и выходных сигналов, выход с тремя состояниями, высокая помехоустойчи­вость, допустимая значительная емкость нагрузки (200 пФ и более), небольшое энергопотребление, причем при хранении почти на три порядка меньше, чем при обращении, способность сохранять записанную информацию при пониженном до 2...3 В напряжении питания. Эту способность КМДП-микросхем всех серий широко ис­пользуют для придания устройствам памяти свойства энерго­независимости, т.е. свойства сохранять информацию при сбоях и отключении питания. С этой целью в блоке статического ОЗУ к выводам питания микросхем через ключ, например полупровод­никовый диод, подключают низковольтный буферный источник питания с напряжением 2 ... 3 В. При нормальном режиме питания диод закрыт, а при выключении основного питания диод открывается и подключает к микросхемам буферный источ­ник напряжения. В это время следует обеспечить изоляцию накопителя по информационным цепям, запрещающим значением уровня на входе CS, чтобы не повредить хранящуюся инфор­мацию. Для увеличения времени сохранения информации в аварийном режиме необходимо снижать ток потребления микро­схем, повышать емкость низковольтных малогабаритных элемен­тов питания и уменьшать ток их саморазряда.

В устройствах памяти на микросхемах серии К537 для сни­жения потребляемой мощности следует предусмотреть возмож­ность автоматического переключения питания микросхем в ре­жиме хранения с основного источника 5 В на маломощный буферный источник напряжения, который обеспечивает питание только микросхем ОЗУ на уровне, достаточном для сохранения информации. Для микросхемы КР537РУ8 допускается снижать напряжение до 3 В.

Микросхемы на МДП-транзисторах любого типа чувствитель­ны к воздействию статического электричества из-за высокого входного сопротивления. Даже кратковременное повышение входного напряжения с недопустимо высоким уровнем может вызвать электрический пробой тонкого слоя подзатворного ди­электрика. Для защиты от вредного воздействия перенапряжения все входы микросхем защищают диодно-резистивными цепями, встроенными внутрь кристалла. Защитные цепи построены по схеме последовательного соединения двух диодов VD1, VD2 и токоограничивающего резистора R. От воздействия высокого положительного потенциала на входе защищает диод VD1, который при открывании фиксирует входное напряжение на уровне напряжения питания. Высокий отрицательный потен­циал открывает диод VD2, который ограничивает его безопасным для микросхемы уровнем.

Для многих типов КМДП-микросхем, и в частности для микросхем серии К537, существует опасность теплового пробоя р-п переходов в кристалле из-за «тиристорного эффекта».

Сущность этого явления заключается в том, что при повыше­нии напряжения в шине питания до 11-12 В из-за бросков тока при включении и влияния индуктивностей шин, а также при превышении входным сигналом напряжения питания внутри кристалла активизируются паразитные биполярные р-п-р-п структуры и из-за наличия положительной обратной связи по цепям токов утечки может появиться эффект неуправляемого нарастания тока стока, близкий по механизму к аналогичному явлению в тиристорах в момент их переключения. Поскольку в КМДП-структурах отсутствуют токоограничивающие резисторы нагрузки, то нарастание тока приводит к развитию теплового пробоя в кристалле и, как следствие, к неисправности микро­схемы.

При применении микросхем памяти, изготовленных по КМДП-технологии, в частности микросхем серии К537, необхо­димо соблюдать порядок включения питания и подачи входных сигналов: вначале должно быть включено напряжение питания. При выключении блока ОЗУ следует снять входные сигналы (адресные, управляющие и информационные) и затем отключить источник напряжения питания. Необходимо обеспечить также выполнение условия, по которому напряжение сигналов не долж­но превышать напряжения питания микросхемы.

Микросхемы серии К537 работают в режимах записи, счи­тывания и хранения. Также эти микросхемы являются тактируемыми: в режимах записи и считывания необходимо сигнал подавать импульсом, а сигнал может иметь форму уровня напряжения или импульса.

Микросхема КР537РУ8 имеет дополнительный управляющий сигнал (разрешение по выходу): при подаче этого сигнала одновременно с сигналом отсчет времени появ­ления сигнала ведется от отрицательного перепада сигнала . Существует возможность стробирования выходной информации сигналом , подаваемым с некоторой задержкой относительно сигнала . В этом случае при =1, т.е. до момента подачи этого сигнала, выхо-ды находятся в третьем состоянии даже при = 0. Только в момент Поступления сигнала ОЕ выходы переходят в функциональное состояние.

5.2 БИС ПЗУ К541РТ2

Микросхемы программируемых ПЗУ по принципу пост­роения и функционирования аналогичны масочным ПЗУ, но имеют существенное отличие в том, что допускают программи­рование на месте своего применения пользователем. Операция программирования заключается в разрушении (пережигании) части плавких перемычек на поверхности кристалла импульсами тока амплитудой 30 ... 50 мА. Технические средства для выпол­нения этой операции достаточно просты и могут быть построены самим пользователем. Это обстоятельство в сочетании с низкой стоимостью и доступностью микросхем ППЗУ обусловило их широкое распространение в радиолюбительской практике.

Рисунок 5 – Микросхема ПЗУ К541РТ2

В данном курсовом проекте рассматривается применение микросхемы ПЗУ К541РТ2, представленной на рисунке 5.

Таблица 4 – Описание выводов БИС ПЗУ К541РТ2

Обозначение вывода	Номер контакта	Назначение вывода
1	2	3
DIO(0-7)	17; 16; 15; 14; 13; 11; 10; 9;	Выход данных
А (0-10)	8; 7; 6; 5; 4; 3; 2; 1; 23; 22; 19	Входы данных с локальной шины МП
CS(1-3)	18	Выбор микросхемы; L-уровень сигнала подключает ОЗУ к системной шине
UCC	26	Напряжение питания (+5 В)
0 V	7	Напряжение питания (0 В)

Микросхемы ППЗУ серии К541 выполнены по тех­нологии ИИЛ.

Матрица до программирования, т. е. в исходном состоянии, содержит однородный массив проводящих перемычек, соеди­няющих строки и столбцы во всех точках их пересечений. Пере­мычки устанавливают из поликристаллического кремния. Перемычка в матрице вы­полняет роль ЭП. Наличие перемычки кодируют логической 1, если усилитель считывания является повторителем, и логическим 0, если усилитель считывания — инвертор. Сле­довательно, микросхема ППЗУ в исходном состоянии перед программированием в зависимости от характеристики выходного усилителя может иметь заполнение матрицы либо логическим 0, либо логической 1.

Программирование микросхемы, матрица которой в исходном состоянии заполнена 0, заключается в пережигании перемычек в тех ЭП, где должны храниться 1. Если матрица в исходном со­стоянии заполнена 1, то пережигают перемычки в ЭП, где долж­ны храниться 0.

Микросхемы ППЗУ потребляют боль­шую мощность от источника питания. Поэтому представляется целесообразным использовать их свойство работать в режиме импульсного питания, когда питание на микросхему подают только при обращении к ней для считывания информации. Особенности применения микросхем ППЗУ в этом режиме состоят; в следующем: во-первых, на управляющие входы должны быть поданы уровни, разрешающие доступ к микросхеме: если не­обходим 0, то данный вывод соединяют с общим выводом, если 1, то с шиной через резистор с сопротивлением 1 кОм; в этом случае функции сигнала выбора микросхемы выполняет импульс напряжения питания Ucc; во-вторых, для обеспечения1 режима импульсного питания применяют транзисторные ключи, на переходах которых падает часть напряжений, поэтому напря­жение, подаваемое к внешним ключам, должно быть выбрано с учетом требования иметь на выводе питания микросхемы номинальное напряжение 5 В; в-третьих, из-за инерционности процессов коммутации цепи питания время выборки адреса микро­схемы увеличивается в 2—3 раза.

При использовании импульсного режима питания среднее значение потребляемого тока и, следовательно, уровень потреб­ляемой мощности существенно уменьшаются.