21.6. МОДУЛЬНОЕ ПОСТРОЕНИЕ МИКРО-ЭВМ

Ядром микро-ЭВМ являются ЦПЭ, т. е. микропроцессор, а также память программ и данных. В зависимости от назначения добавляется также ряд периферийных адаптеров, обеспечивающих внешние связи. Ниже рассмотрены вопросы аппаратной реализации, важной для построения систем из блоков, допускающих модульное наращивание.

21.6.1. ПЛАТА ЦПЭ

На рис. 21.12 изображен корпус с выводами микропроцессора типа Все его входы и выходы совместимы с ТТЛ-схемами. Назначение большинства выводов перечислено ниже и более подробно будет рассмотрено в последующих разделах.

(см. скан)

(см. скан)

Как было показано на рис. 21.1, выводы шины данных микро-ЭВМ соединены параллельно с выводами ЦПЭ, запоминающих и периферийных устройств. Такая структура называется магистральной или шинной (BUS). Ясно, что данные всегда необходимо передать на шину только для одного абонента. Для выбора этого абонента служит шина адреса. По шине управления передаются дополнительные сигналы для задания направления передачи данных и синхронизации.

К выходу микропроцессора можно подключить до 10 входов МОП-схем или 5 входов маломощных схем с диодами Шоттки. В связи с этим для создания сложных систем ко всем выходам необходимо подключить буферные усилители На рис. 21.13 показано, как они подключаются к микропроцессору. Для двунаправленной шины данных необходимо использовать двунаправленные буферные усилители. Эти усилители соединяют параллельно и встречно, причем они имеют выходы с тремя состояниями, которые подключаются попеременно с помощью переключателя направления Для переключения используется сигнал R/W микропроцессора. Вывод выбора кристалла буферного усилителя CS (Chip-Select) соединен с выходом микропроцессора. Благодаря этому шина данных отключается, если микропроцессор остановлен. Такой режим работы необходим для прямого доступа к памяти. Для этой цели к шине данных и выходу R/W тоже подключен буферный усилитель, имеющий выход с тремя состояниями. В микропроцессорной технике наиболее применимы следующие типы буферных усилителей, имеющих выход с тремя состояниями и выполненных на базе

Рис. 21.12. Выводы микропроцессора типа

маломощных ТТЛ-схем с диодами Шоттки:

(см. скан)

Установка в исходное состояние

Во многих случаях требуется, чтобы при включении напряжения питания автоматически происходил сброс. Для этой цели служит RC-цепь на входе RES, соединенная с двумя инверторами (рис. 21.13). Из рис. 21.14, на котором изображена кривая изменения напряжения, видно, что в интервале времени после

Рис. 21.13. (см. скан) Подключение микропроцессора к шинам адреса, данных и управления.

Рис. 21.14. Временная диаграмма напряжения питания и напряжения сброса при включении.

Рис. 21 15 Формирование сигнала сброса без помехи при включении.

включения производится сбоос. Когда сигнал сброса исчезает, напряжение питания достигает значения, соответствующего номинальному режиму микропроцессора.

Сразу после включения сигнал сброса нарастает вместе с напряжением питания, т.е. вентиль закрыт вследствие низкого напряжения питания. Такое возрастание напряжения может помешать работе схемы. Особенно это проявляется в тех случаях, когда система содержит ОЗУ, выполненное по КМОП-технологии и эксплуатируемое как микромощная память с резервным источником питания. Как мы увидим позже, при этом сигнал сброса должен быть равен нулю до тех пор, пока микро-ЭВМ не восстановит полностью свою работоспособность, поскольку в противном случае может произойти потеря данных. Это условие может быть выполнено, например, с помощью схемы сброса, приведенной на рис. 21.15. Нормально-замкнутый контакт реле блокирует сигнал сброса RES путем подачи нулевого потенциала, пока напряжение питания не превысит значения, равного 4,75 В. При этом RS-триггеры служат для демпфирования контактов реле в соответствии с методом, описанным в разд. 20.6.1.

На рис. 21.6 было показано, что в области памяти, начиная с ячеек до записываются начальные адреса прерывающих программ. Если в этой области располагается ОЗУ, то туда можно загружать адреса, например программы монитора. Но в начале программы монитора должен быть установлен адрес точки повторного пуска На рис. 21.16 показана возможность извлечения содержимого обеих ячеек памяти, расположенных в области ОЗУ, и замены их переключателем.

Если микропроцессор выдает адреса и а также сигнал считывания, то провод через открытый коллектор элемента соединяется с нулем. Для этого необходимо на плате ЦПЭ в качестве формирователя провода использовать элемент с открытым коллектором (рис. 21.13). Поскольку то адресация производится не к памяти, т.е. не к содержимому ячейки и Вместо этого состояние переключателя подается через буферный усилитель с тремя состояниями на шину данных, а именно: старший байт по адресу а младший байт по адресу Если использовать совокупность переключателей, формирующих двоичный код, то можно задавать адрес повторного пуска непосредственно в шестнадцатеричном коде.

Рис. 21.16. Схема повторного пуска с регулируемым начальным адресом.

21.6.2. ПЛАТА ОЗУ

В табл. 21.12 перечислены характеристики ОЗУ, которые являются наиболее подходящими для работы с микро-ЭВМ.

При этом мы ограничились рассмотрением только статических ОЗУ, требующих меньших аппаратурных затрат. Основные преимущества динамических ОЗУ проявляются только в системах с очень большим объемом памяти, поскольку регенерация данных требует дополнительных затрат и сокращает скорость вычислений.

При соединении ОЗУ с модульно-расширяемой микро-ЭВМ необходимо принимать во внимание следующие соображения, которые поясним с помощью рис. 21.17. На этом рисунке изображен блок памяти емкостью 4 Кбайт. Если использовать, например, ОЗУ с организацией бит, то к каждой линии данных можно подключить от одного до восьми ОЗУ. Для повышения нагрузочной способности по выходу они, как и микропроцессор, должны подсоединяться к шине через двунаправленный формирователь данных. Последний позволяет изменять направление передачи информации. В режиме чтения, когда формирователь данных включается в направлении передачи данных на шину.

Выбор ячейки ОЗУ, имеющего объем памяти 4 К, производится с помощью разрядов адреса, которые через отдельные формирователи соединены с линиями шины адреса. С помощью -разрядной шины адреса можно адресовать объем памяти до К слов. Следовательно, если разделить ОЗУ на зоны объемом 4 К, то количество таких зон будет равно 16. Переключение зон требует дополнительной дешифрации адреса. Для этой цели каждая плата имеет схему сравнения, к которой подключены старшие четыре разряда шины адреса. Они сравниваются с установленным вручную числом которое равно одному из значений от О до 15 и может непосредственно интерпретироваться как номер платы. При этом получается следующее распределение памяти (все числа в шестнадцатеричном коде):

Таблица 21.12 (см. скан) Статическое ОЗу на базе МОП - технология и их типовые параметры

(кликните для просмотра скана)

Схема сравнения только тогда выдает сигнал равенства когда соответствующий адрес равен адресу заданной зоны. Кроме того, необходимо обеспечить использование соседних адресов. Это случай, когда Для выполнения этого соотношения можно, как показано на рис. 21.17, использовать два свободных разряда схемы сравнения, тогда как в соседних выводах установлена единица. С появлением сигнала выбора платы подключаются соответствующие интегральные схемы запоминающего устройства и формирователь данных.

Благодаря логической схеме ИЛИ сигнал R/W в линии R/W можно задержать в положении «Считывание». Это дает возможность предохранить зону памяти от непреднамеренной перезаписи, например при отладке новой программы.

При выборе запоминающего устройства важную роль играет время выборки, величина которого существенно влияет на стоимость. На рис. 21.18 приведена временная диаграмма выходного сигнала микропроцессора 6802 в режиме считывания. При определении временных соотношений принято, что частота тактовых импульсов системы равна Микропроцессор считывает получаемые из ОЗУ данные по отрицательному фронту тактового импульса Для этого данные должны быть установлены за 150 не перед появлением отрицательного фронта. Указанный момент времени обозначен на рис. 21.18. Исходя из этого и учитывая время задержки выходного сигнала микропроцессора, можно определить максимальное время надежной выборки данных из ОЗУ. Адреса устанавливаются в течение 320 не после окончания отрицательного фронта тактового импульса Сигнал выбора кристалла появляется через 500 не после окончания отрицательного фронта тактового импульса так как он определяется сигналом Поэтому ОЗУ должно установить данные не позднее чем через 530 не после установления адреса и через 350 не после подачи сигнала выбора кристалла. Второе условие в большинстве случаев выполняется просто, поскольку время выбора кристалла многих ОЗУ значительно меньше времени выборки адреса.

Микромощные запоминающие устройства

ОЗУ, выполненные на базе КМОП-тех-нологии, характеризуются тем, что в состоянии покоя, т.е. при постоянных входных сигналах, потребляют ток в пределах микроампер. Следовательно, в этом состоянии длительное время их можно питать от батареи; при этом получается функциональный аналог ПЗУ, который в отличие от репрограммируемых обеспечивает более простую процедуру программирования и стирания информации.

Для использования этих преимуществ ОЗУ. выполненных по КМОП-технологии.

Рис. 21.18. Временная диаграмма процесса считывания информации микропроцессором при тактовой частоте системы, равной крми предустановки, -время хранения, время выборки адреса, facc( S - время выбора кристалла.

(кликните для просмотра скана)

необходимо предпринять ряд дополнительных схемотехнических мер (рис. 21.19). Переключение питания между сетью и батареей осуществляется с помощью диодов Шоттки При снижении питающего напряжения до 3,6 В диод запирается и питание ОЗУ производится от батареи. При изменении напряжения батареи в пределах 2 В содержимое памяти не теряется.

Однако необходимо все же принять дополнительные меры для сохранения записанных данных. Если напряжение питания меняется от до 4,5 В, то состояние линейных формирователей и микропроцессора не определено. При этом возможна запись неверных данных в ОЗУ. Для того чтобы избежать этого, целесообразно использовать сигнал RES, формируемый платой ЦПЭ (рис. 21.15). Этот сигнал устанавливается в нуль, когда напряжение питания меньше 4,75 В. т.е. до того, как появится неопределенное состояние.

С помощью этого сигнала переключаемый выход R/W блокируется в положении «Считывание». Однако перечисленных мер оказывается недостаточно. Потеря данных происходит также из-за того, что выводы выбора кристалла могут выдавать неопределенные воздействия. Поэтому сигнал во время перехода тоже блокируется сигналом RES с помощью двух логических элементов При этом необходимо выполнить следующее граничное условие выходные сигналы при снижении напряжения питания должны быть определены и иметь высокий уровень, если В связи с этим применяют логический элемент И-НЕ с открытым коллектором, в котором выходной транзистор закрыт во всех случаях, когда напряжение на входе равно нулю. Поэтому батарея не остается нагруженной на гасящие резисторы, когда отключается напряжение питания.

Сопротивления на линиях данных и адресов устанавливаются так, что все входы ОЗУ имеют определенный потенциал и после того, как напряжение питания отключается; при этом ОЗУ переходит в режим резерва с малым потреблением тока.

21.6.3. ПЛАТА РЕПРОГРАММИРУЕМЫХ ПЗУ (РПЗУ)

Для постоянной записи применяют ПЗУ. При серийном производстве, исчисляемом тысячами экземпляров, программируемые маской ПЗУ являются недорогими, однако при штучном производстве целесообразно применение репрограмми-руемых ПЗУ. Информацию в РПЗУ можно стирать с помощью ультрафиолетового излучения и снова программировать через внешние выводы. Перечень наиболее употребительных типов РПЗУ представлен в табл. 21.13. Для некоторых из них требуется только одно напряжение питания программаторы для таких РПЗУ довольно просты. Как можно увидеть из таблицы, обычно РПЗУ имеют побайтовую организацию. Следовательно, их код адреса состоит из 8 бит. Поэтому РПЗУ имеют меньше адресных входов, чем ЗУ такой же емкости, но с однобитной организацией. В связи с этим необходимо дополнительное кодирование адреса. На рис. 21.20 приведен пример реализации платы РПЗУ объемом 16 Кбайт. Нижние 11 адресных линий подключены параллельно к восьми РПЗУ объемом по 2 Кбайт каждая. Переключение интегральных схем памяти производится тремя разрядами адреса с помощью дешифратора 1 из 8. Для этого целесообразно использовать демультиплексор. Можно также подключить выход схемы сравнения номера платы к входу данных согласно рис. 21.20. При этом на всех выходах появится высокий уровень, если плата не адресуется при помощи трех старших адресных бит. Поскольку выводы выбора кристалла работают на основе негативной логики (активный уровень - низкий), то в этом случае интегральная схема ЗУ не выбирается.

Подключение выходов ЗУ возможно также через вывод отпирания выхода При управлении РПЗУ через вывод выбора кристалла обеспечивается автоматическое переключение в режим резерва, если кристалл не выбран. Потребление тока при этом сокращается на одну четверть.

Схема сравнения номера платы дешифрирует, кроме и также сигнал

Таблица 21.13 (см. скан) Наиболее употребительные РПЗУ и их типовые параметры

записи-считывания. Реализации этого способа препятствуе то, что при ошибочной команде записи формирователи данных платы ЦПЭ действуют встречно.