Память микроконтроллера

На кристалл микроконтроллера интегрированы два блока памяти: память программ и память данных. В связи с ориентацией МК на функционирование в автономном режиме память программ должна сохранять содержимое в от­сутствие напряжения питания (т. е. память должна являться энергонезависи­мой), а для упрощения внутренней архитектуры МК и возможности работы в широком диапазоне частот тактового генератора память данных должна об­ладать статической архитектурой (т. е. не требовать регенерации).

Обобщенная структура модуля памяти показана на рис.. Модуль памяти состоит из матрицы запоминающих элементов, организованной в виде N m-разрядных строк, дешифратора адреса ячейки и буферного каскада.

Разрядность шины адреса такого модуля памяти составляет n = log2N, а раз­рядность шины данных— т. Информация о номере подлежащей выборке ячейки в виде кода адреса поступает на дешифратор, активизирующий одну из строк матрицы запоминающих элементов генерацией высокого логическо­го уровня на одном из своих выходов. При этом (в зависимости от посту­пающих сигналов управления) логические уровни всех запоминающих эле­ментов выбранной строки поступают через буферный усилительный каскад на шину данных (ситуация чтения состояния ячейки), либо передаются с ши­пы данных через буферный усилительный каскад на запоминающие элемен­ты выбранной строки (ситуация записи состояния ячейки). Логические со­стояния запоминающих элементов прочих строк не изменяются и не оказы­вают влияния на выходные логические уровни.

Энергонезависимая память программ является постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Каждый запоминающий элемент ПЗУ находится в том логическом состоянии, в которое он был переведен при занесении информа­ции в ПЗУ (программировании).

Рис. 1. Обобщенная структура модуля памяти

В зависимости от количества допустимых циклов записи управляющей про­граммы в ПЗУ различаются однократно и многократно программируемые модули.

В однократно программируемых ПЗУ каждый запоминающий элемент мат­рицы допускает только одну смену состояния. Запись программы в ПЗУ мо­жет производиться либо в условиях промышленного производства при изго­товлении кристалла микроконтроллера ("по маске"), либо пользователем с помощью программатора. ПЗУ такого типа наиболее дешевы, т. к. каждый элемент матрицы предельно прост (рис. 1.5).

При программировании ячейки на разряды шины данных прикладывается повышенное напряжение к тем линиям, которые должны быть переведены в состояние логической единицы. Так как в это же время на строку матрицы, задающую программируемую ячейку, поступает высокий уровень от дешиф­ратора адреса, через плавкие перемычки протекает сильный ток, необратимо разрушающий их. Элементы, программируемые в состояние логического ну­ля, не подвергаются воздействию повышенных напряжения и тока, в связи с чем остаются в исходном состоянии.

При чтении на строку матрицы, задающую считываемую ячейку, поступает высокий уровень от дешифратора адреса. Если при программировании пере­ход столбца в данной ячейке был разрушен, то на столбце будет присутствовать высокий логический уровень, формируемый при помоши резистора. Если при программировании переход столбца в данной ячей­ке был сохранен, то на столбце будет присутствовать низкий логический уро­вень, величина напряжения которого определяется соотношением сопротив­лений подтягивающего резистора столбца и открытого перехода активною элемента.

В многократно программируемых ПЗУ каждый запоминающий элемент мат­рицы допускает несколько смен состояний. В связи с этим усложнен как за­поминающий элемент, представляющий собой транзистор с плавающим за­твором (рис.), так и последовательность программирования, состоящая из нескольких этапов.

Технология изготовления запоминающего элемента допускает принудитель­ное введение (инжекцию) в околозатворную область транзистора при про­граммировании дополнительного количества отрицательного заряда, препят­ствующего наведению канала в транзисторе при подаче на затвор напряже­ния высокого уровня. В этом случае запоминающий элемент Матрицы постоянно хранит состояние логической единицы. В случае если инжекция.лряда не проводилась, то при подаче на затвор напряжения высокого уровня о.крыг-ается канал "сток-исток", и выходное напряжение в столбце снижается до нулевого логического уровня. -

Для обеспечения возможности проведения повторной записи в ПЗУ необхо­дим предварительный перевод всех запоминающих элементов матрицы в ис- хфдиое ^запрограммированное) состояние, заключающийся в выведении введенного при предыдущем программировании избыточного заряда из око- лозатворного пространства транзистора (г. с в стирании ячеек памяш). Сш рание может производиться с помощью электрических импульсов или ульт­рафиолетового излучения (в последнем случае на поверхности микросхемы МК располагается окно для пропускания УФ-излучения). Число циклов про­граммирования ПЗУ с УФ-стиранием составляет несколько сотен, с электри­ческим стиранием — несколько тысяч, что объясняется более щадящим ре­жимом стирания во втором случае, дольше сохраняющем нормативные ха­рактеристики функционирования транзисторов запоминающих элементов.

Память данных МК является оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) со статической организацией запоминающего элемента (рис.). Та­кая организация дает возможность хранить записанную информацию неогра­ниченно долго без необходимости регенерации, что позволяет-МК функцио­нировать в широком диапазоне частот от 0 Гц до МГц

Параллельные порты ввода-вывода предназначаются для обмена микрокон­троллера и внешнего объекта данными, представленными в виде логических сигналов, передаваемых линий ввода-вывода микросхемы МК. В общем слу­чае с каждым портом связаны регистр данных (для хранения выводимой из МК на объект информации или для хранения информации, введенной в МК с объекта), система управления (для задания режимов работы порта) и выход­ной каскад, решающий задачи усиления и сопряжения сигнатов. Структура порта показана на рис..

Регистр данных представляет собой двунаправленный N-разрядный регистр ввода-вывода с линиями управления записью и чтением, позволяющими за­носить в регистр информацию с внутренней шины МК или выдавать на внут­реннюю шину состояние регистра. Момент обмена информацией между про­цессором ядра МК и регистром порта через внутреннюю шину определяет контроллер шины ядра. В зависимости от типа команды обмена (пересыпка из процессора в порт или из порта в процессор) формируются сигналы WR (Write) или RD (Read), после чего обмен стробируется сигналом управления CS (Chip Select).

В общем случае, для возможности решения более сложных задач обмена в структуру порта ввода-вывода вводится система управления, представляю­щая собой комбинационную схему обнаружения и изменения состояний сиг­налов а также для чтения доступный регистр, сохра­няющий эти состояния. Таких задач две: это задача мультиплексирования линий ввода-вывода и задача поддержки расширенных протоколов обмена.

Рис. 2. Структура параллельного порта ввода-вывода

Помимо регистра данных, одни и те же контакты МК могут потребоваться некоторому периферийному устройству (например, таймеру) для обмена ин­формацией с объектом (это так называемые альтернативные функции ввода- вывода). При этом необходимо определить, за каким устройством (портом или другим периферийным модулем) будет закреплен каждый конкретный контакт микросхемы МК. Такая настройка проводится записью в регистр системы управления специального кода, определяющего положение комму­татора сигналов (см. рис). В зависимости от положения контактов комму­татора, каждый внешний контакт микросхемы МК будет физически подсо­единен либо к линиям ввода-вывода регистра порта, либо к линиям ввода- вывода иного периферийного устройства.

Расширенные протоколы обмена требуются для организации надежной пере­дачи данных между МК и объектом. В простейшем случае, при выполнении командыпересылки из процессора МК в регистр данных порта RG, после ус­тановки на внутренней шине информации, подлежащей записи, контроллер шины формирует сигналы WR и CS, после чего данные в виде совокупности двоичных сигналов будут занесены в регистр, выведены на контакты МК и восприняты объектом. Факт записи в порт, а следовательно, и изменения вы­ходных данных не индицируется на внешних контактах, в связи с чем объек­ту неизвестен момент времени обновления информации. Так как вновь запи­сываемые данные заменяют собой ранее присутствовавшие на контактах МК неодновременно по всем разрядам (в связи с разным временем протекания переходных процессов, обусловленным различной токовой нагрузкой кон­тактов, гонками в комбинационных схемах и др.), может возникнуть ситуа­ция чтения объектом ложной информации: частично измененных данных.

В связи с тем, что факт прочтения объектом передаваемой ему информации недоступен для МК, возможна ситуация, при которой частота обновления информации МК превышает частоту восприятия этой информации объектом, что приводит к потерям в посылках

При чтении информации из объекта возможны ситуации недостоверного чте­ния и пропуска посылок, аналогичные описанным выше.

Для устранения подобных коллизий в структуру порта вводятся две внешних линии, по которым передаются служебные сигналы обмена. Изменение дво­ичного состояния первой линии кодирует момент завершения обновления новых данных источником (это позволяет исключить чтение ложной инфор­мации приемником в момент переключения выводимых данных). Изменение двоичного состояния второй линии кодирует факт прочтения данных прием­ником (это позволяет сбалансировать частоту ввода информации приемником и частоту вывода информации источником). Обобщенный протокол обмена показан на рис..

Коммутация (с необходимой выдержкой времени) сигналов WR, RD и CS между внутренней шиной МК и внешними контактами в этом случае также осуществляется системой управления.

При передаче прикладной программой данных из МК на объект, сигнал WR, зафиксировавший данные в регистре ввода-вывода, после выдержки паузы, необходимой для завершения типовых по длительности переходных процес­сов на контактах МК (указывается в паспортных данных па микросхему МК, указывается значение максимальной емкости нагрузка, превышение которой может затянуть переходные процессы и нарушить обмен по рассмат­риваемому протоколу), коммутируется на линию "Данные записаны", после чего объект воспринимает корректные данные и формирует сигнал подтвер­ждения чтения "Данные прочитаны". Сигнал от объекта "Данные прочитаны" запоминается в регистре системы управления, и может быть проанализирован прикладной программой для определения возможности передачи следующей порции N-разрядных данных на объект.

При передаче данных из объекта на МК сигнал "Данные записаны", форми­руемый объектом, коммутируется системой управления на вход CS регистра данных; системой управления формируется и сигнал WR. Кроме того, сигнал "Данные записаны" запоминается в регистре системы управления. Приклад­ная программа перед чтением регистра данных порта опрашивает регистр системы управления на предмет наличия новых данных от объекта, и после обнаружения этого факта осуществляет чтение регистра данных, в ходе кото­рого контроллер шины формирует сигналы RD и CS. Система управления коммутирует сигнал RD на линию "Данные прочитаны", сообщая объекту о готовности МК к приему следующей порции данных.

Расширенные протоколы обмена применяются, в частности, в МК Scenix.

Обобщенная структура разряда выходного каскада показана на рис..

Парафазный информационный сигнал управляет выходными транзисторами, обеспечивающими необходимую мощность сигнала. Для работы с выходами объекта типа "открытый коллектор" или "открытый эмиттер" по сигналам программно настроенной системы управления коммутируются подтягиваю­щие резисторы. Направление обмена (ввод или вы­вод) по линии также задается программно путем настройки системы управ­ления портом.

Дата добавления: 2014-12-10