Элементы микропроцессоров

ЛЕКЦИЯ

ТЕМА №9 «ЭЛЕМЕНТЫ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ»

ВОПРОСЫ

1. Элементы микропроцессоров:

· Программно-доступные регистры;

· Организация памяти МП;

· Динамический запоминающий элемент;

· Статические запоминающие элементы;

· Оперативное запоминающее устройство;

· Дешифратор;

· Постоянные запоминающие устройства.

2. Методы и средства программирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Парахуда Р.Н., Шевцов В.И. Автоматизация измерений и контроля: Письменные лекции. – СПб., СЗТУ, 75 с.

1.1. Программно-доступные регистры микропроцессоров

Микропроцессор (МП) выполняет простейшие арифметические и логические операции, осуществляет общее управление работой компьютера ПК, дает разрешение на ввод и вывод информации и производит обмен информацией.

Структура МП обеспечивает выполнение операций обработки, обмена, хранения над тремя видами слов: данными, управляющими словами (командами, микрокомандами) и адресами (формализованными информационными словами, указывающими местоположение данных команд), которые передаются соответственно по шинам:

ШД - шина данных для передачи команд управления работой МП и обрабатываемой информации; разрядность шины данных 8 бит;

ША - шина адреса для передачи адресов ячеек памяти и номеров интерфейсов, к которым обращается МП; разрядность шины адреса -16 бит;

ШУ - шина управления для передачи команд режимов работы блоков МГТС.

Из всего многообразия возможных принципов вычисления в МП, которые нашли отражение в структурно-логической организации различных типов микропроцессорных БИС, можно выделить следующие наиболее общие элементы МП:

АЛУ - арифметико-логическое устройство для выполнения простейших арифметических и логических операций;

А - аккумулятор (регистр) для хранения первого операнда и результата обработки информации в АЛУ; в А возможно сдвигать информацию вправо и влево; прибавлять и отнимать единицу от содержимого регистра; объем А 8 бит;

РОН - регистры общего назначения для хранения промежуточных результатов; РОН содержит шесть регистров - В, С, D, Е, Н, L; объем каждого регистра 8 бит;

PC-регистр состояний, вырабатывающий сигналы, характеризующие результаты стандартных операций в АЛУ (например, результат больше, меньше или равен нулю);

CP - стековый регистр для хранения адреса ячейки памяти фоновой программы при возвращении из подпрограммы;

Сч А - счетчик адреса для выработки адресов ячеек памяти и номеров интерфейсов, к которым обращается МП; разрядность шины адреса 16 бит;

РМК - регистры хранения микрокоманд управления работой МП;

УУ - устройство управления работой МП;

1.1.1. Организация памяти МП

Каждая интегральная схема (ИС) памяти содержит строго определенное количество ячеек памяти. Это количество выражается как

1024x2

где = 0-к. Например, 1024, 2048, 4096, 8196 и т. д.

Каждая ячейка памяти запоминает только одну команду разрядностью 8 бит (1байт).

МП, обращаясь к ячейке памяти, посылает по шине адреса адрес этой ячейки памяти. Разрядность ША 16 бит. Разряды ША обозначаются А15-А0 (АО-младший разряд, А15-старший разряд). Максимальный адрес ячейки памяти, к которой МП может обратиться при разрядности ША в 16 бит - 65567.

Если в МПС используются ИС памяти одинакового объема, например в 1024 байта, то каждая ИС памяти содержит адреса ячеек памяти начиная с нуля и кончая 1023 (1023 адреса плюс нулевой адрес). В этом случае каждой ИС присваивают номер тысячи. Например, если в МПС используются четыре ИС памяти объемом по 1024 байта каждая, то всем ИС присваивают следующие номера: 0-я тысяча, 1-я тысяча, 2-я тысяча и 3-я тысяча. Чтобы МП обратился к той или иной ячейке памяти, ему необходимо указать номер тысячи и номер ячейки памяти внутри этой тысячи. Например, необходимо обратиться к ячейке памяти с адресом 96. В этом случае на ША должен поступить адрес 0096, т.е. 0-я тысяча, ячейка памяти 096.

Рассмотрим таблицу адресного поля памяти МПС (табл. 6.1). В верхних частях столбцов указаны разряды шины адреса (А15-А0) и весовые коэффициенты двоичных чисел адресов ячеек памяти (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 и т. д.). В первом столбце указаны номера тысяч. Во втором столбце указаны адреса ячеек. В основном пространстве столбцов с АО по А15 указаны адреса ячеек памяти в двоичной системе счисления.

Если в МПС используются ИС памяти объемом 1024 байта каждая, то на каждую ИС памяти заводятся разряды шины адреса с А0 по А9. При этом на каждую ИС памяти поступают адреса, начиная с нулевого и кончая адресом 1023. В этом случае на дешифратор адреса заводятся разряды шины адреса,

начиная с А10 и кончая А15, которые характеризуют номера тысяч. Дешифратор адреса включает в работу ту ИС, номер тысячи которой поступил на дешифратор адреса.

Если бы в МПС использовались ИС памяти объемом 2048 байт каждая, то на каждую ИС памяти заводились бы разряды шины адреса с АО по А10. При этом на каждую ИС памяти поступали бы адреса начиная с 0 и кончая 2047, а на дешифратор адреса поступали разряды с Al 1 поА15. При этом ИС памяти 0-й и 1-й тысяч имели бы адрес 0, ИС памяти 2 и 3 тысяч имели бы адрес 1, ИС памяти 4 и 5 тысяч имели бы адрес 2 и т. д.

1.1.1.1. Динамический запоминающий элемент

На рис. 6.2 показано условное обозначение МДП- транзистора. Буквами И, С и 3 обозначены, соответственно исток, сток и затвор. Длинная вертикальная черта обозначает подложку (штриховая, если канал индуцированный и непрерывная - если канал встроенный). Маленькая стрелка указывает на тип канала. Если канал типа п - она направлена к подложке, а если канал типа р - от подложки.

Промежуток между истоком и стоком представляет собой аналог электрического контакта. Если на затворе положительное напряжение относительно подложки - контакт замкнут, если отсутствует - разомкнут. Затвор изолирован от подложки тончайшим (доли мкм) слоем окиси кремния. Это значит, что затвор и подложка представляют собой две пластины конденсатора. Поскольку расстояние между пластинами очень мало, емкость такого конденсатора относительно велика. Если приложить к затвору положительное напряжение, а затем отсоединить источник этого напряжения, конденсатор остается заряженным и промежуток исток-сток будет проводящим. Если же замкнуть затвор и подложку, конденсатор мгновенно разрядится и промежуток исток-сток станет непроводящим.

Таким образом, МДП - транзистор способен запомнить тот факт, что к его затвору был подсоединен источник положительного напряжения. Подобная память получила название динамической. Иными словами процесс запоминания - забывания динамичен: он изменяется во времени и это изменение связано с разрядкой конденсатора. Для описания системы одной функции запоминания недостаточно. Полная функция динамического запоминающего МДП элемента, реализующего функции памяти и выбора показан на рис. 6.3.

Здесь транзистор Vj осуществляет функцию запоминания, транзистор V₂ делает выборку при запоминании (записи).

Чтобы запомнить, необходимо подать положительное напряжение на провод "Адресный провод записи"". При этом затвор транзистора V₂ окажется под положительным напряжением и, следовательно, затвор транзистора V! через промежуток исток-сток окажется подсоединенным к проводу "Запись ".

Все зависит от того, каково состояние провода "Запись". Если на нем имеется положительное напряжение, затвор транзистора Vi также окажется под положительным напряжением и это его состояние запомнится (запись 1).

Если провод "Запись" находится под нулевым напряжением, то затвор транзистора V₂ разрядится (запись 0).

Если же адресный провод записи находится под нулевым напряжением, то состояние запоминающего элемента (0 или 1) не будет зависеть от состояния провода записи.

Чтобы прочесть то, что записано в динамическом запоминающем элементе (рис. 6.3.) нужно подать положительное напряжение на "Адресный провод чтения ". При этом на затворе V₃, будет положительное напряжение и провод "Чтение" окажется подсоединенным к стоку Vi.

Теперь все зависит от состояния транзистора Vi. Если он помнит 1, то провод для чтения окажется замкнутым с точкой нулевого потенциала (землёй). Если транзистор V] помнит нуль, такого замыкания не произойдет.

Динамические запоминающие элементы способны помнить в течение нескольких долей секунды, что является их недостатком.

Для длительного хранения информация периодически должна обновляться с помощью устройств регенерации (из-за чего устройства памяти быстро выходят из употребления).

1.1.1.2. Статические запоминающие элементы

Статические запоминающие элементы способны помнить неограниченно долго - до тех пор, пока не будет отключен источник питания. Основу его составляет триггер. Существует множество схем триггера. Рассмотрим схему на так называемых комплементарных транзисторных парах.

На рис. 6.4а приведена структура, у которой подложка выполнена из полупроводника типа п, а области истока и стока - из полупроводника типа р. Т.е. промежуток исток-сток проводит электрический ток при отрицательном напряжении на затворе. Такой транзистор (6.4,6) называется транзистором с индуцированным каналом типа р.

Рис. 6.4. Транзистор с индуцированным каналом типа р (а) и его условное обозначение (б)

На рис.6.5 показана структура комплементарной пары. Между стоком транзистора V2 и истоком Vj включен источник питания.

Когда на объединенных затворах транзисторов Vj и V2 напряжение равно нулю, точку а можно считать соединенной и источником питания и напряжение на ней будет +9 В.

Действительно, подложка транзистора V₂ соединена через сток с плюсом источника питания. На затворе V₂ нулевое напряжение относительно земли и, следовательно, отрицательное напряжение относительно подложки. Транзистор V₂ проводит, а транзистор Vj не проводит, т.к. его подложка соединена с истоком (землёй) и на его затворе нулевое напряжение относительно подложки.

Когда на объединенных затворах действует положительное напряжение, точку а можно считать соединенной с точкой нулевого потенциала (землёй). Напряжения на ней равно нулю (Vi проводит, а V₂ — не проводит, т.к. на его затворе положительное напряжение относительно земли и нулевое - относительно подложки).

На рис. 6.6 изображены две комплементарные пары. Пусть на затворах транзисторов Vi и V₂ установилось нулевое напряжение. Тогда точка ai находится под напряжением источника и под этим же напряжением находятся затворы транзисторов V3 и V₄. Точка а₂ находится под нулевым напряжением и под этим же напряжением находятся затворы транзисторов (Vi, V₂). Состояние первой комплементарной пары (Vi, V₂) как бы поддерживает такое состояние второй (Уз^Д которое в свою очередь поддерживает исходное состояние первой пары.

Рис. 6.6. Схема триггера

Триггер может находиться в одном из двух симметричных состояний, при этом энергия в цепи источника питания не потребляется. Энергия потребляется только в моменты переключения (несколько десятков наносекунд).

Полная схема запоминающего устройства на рис. 6.7. Здесь транзисторы V1-V4- составляют схему триггера.

Если Vj - запоминающий транзистор V₂-V₄ - служат для поддержания транзистора Vi в одном их двух возможных состояний: проводящем (1) и непроводящем (0).

Транзисторы V5-V6 выполняют ту же функцию что и V2 на рис. 6.3.

Когда на затворы обоих транзисторов поданы положительные напряжения, точка а2 триггера соединяется с проводом записи. При наличии на этом проводе положительного напряжения триггера запоминает 1, а при наличии нулевого напряжения - О.Транзисторы V7 и V8 играют ту же роль, что и V3 на рис. 6.3. При наличии положительных напряжений на затворах обоих этих транзисторов точка ai триггера соединяется с проводом чтения. Если триггер помнит 1, провод чтения оказывается замкнутым на землю, а если помнит 0, провод чтения оказывается замкнутым на положительный полюс источника питания. Провода, обозначенные буквами X и У, должны быть под положительным напряжением при осуществлении операций записи или чтения. Если хотя бы на одном из них наполнение равно нулю, данный запоминающийся элемент оказывается отключенным от внешней цепи. На рис. 6.8. - условное обозначение статического запоминающего элемента. Это означает, что нас будет интересовать не электрическая схема элемента, а только его функции, однозначно определяющиеся состоянием проводов X, У, "Чтение"и "Запись".

1.1.1.3. Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ)

Рассмотренный статический запоминающий элемент состоит из восьми транзисторов. Нет никакого смысла изготавливать его в виде отдельного компонента. Экономически оправданным оказывается изготовление микросхем, содержащих не менее 1000 запоминающих элементов.

Пусть имеется кристалл (полупроводниковая пластинка), содержащий 1000 элементов. Провода "Чтение" всех 1000 элементов можно соединить и сделать общий вывод, поскольку при отсутствии напряжения хотя бы на одном их проводов X и У провода "Запись" и "Чтение" оказываются изолированными от всей схемы запоминающего устройства. В любом случае вывод "Чтение" окажется подсоединенным только к выбранному элементу, т.е. к тому, у которого имеется положительное напряжение одновременно на входах X и У. Все это справедливо для проводов записи всех элементов.

Провода X и У нельзя соединять. Изготовлять микросхемы с 20000 выводов - нереально. Как обеспечить выбор одного лишь запоминающего элемента? Для этого используется дешифраторы.

На рис. 6.9а представлен переключательный элемент, состоящий из транзистора V2 с индуцированным каналом типа п и подложкой, соединенной с истоком, а другой VI с индуцированным каналом типа р и подложкой, соединенной со стоком.

Стоки обоих транзисторов подсоединены к источнику питания, а истоки представляют собой выходы схемы, обозначенные буквами а и б. Затворы обоих транзисторов соединены и являются входом схемы, обозначенным буквой А.

Если на входе схемы напряжение высокого уровня, с источником питания соединен выход Ь, а если напряжение низкого уровня, то с источником питания соединен выхода.

На рис. 6.10 каждый квадратик представляет собой схему, показанную на рис. 6.9. Если на входе А4 действует 1 - к источнику питания оказывается подключенной правая часть схемы (отделена штриховой линией).

Если на А4 действует 0 - подключена левая половина. При комбинации 00000 - подключен выход, помеченный цифрой 0 и на этом выходе будет действовать положительное напряжение.

При комбинации 11111 - на выходе 31 положительное напряжение. Подобная схема называется дешифратором.

Рис. 6.10. Схема дешифратора

Дешифратор позволяет выбрать один из 32 проводов, задавая комбинацию на 5-ти входах. На рис. 6.11 приведено условное обозначение дешифратора.

На рис. 6.12 приведена функциональная схема модуля ОЗУ. Она содержит 1024 статических запоминающих элемента ЗЭ- ЗЭ. Выводы "Чтение" и "Запись" всех элементов соединены и подключены к соответствующим выводам.

Иначе дело обстоит с выводами X и У. Выводы У объединяются для каждого столбца и подсоединяются к выводам дешифратора D2. Выводы X объединяются в пределах каждой строки и подсоединяются к выводам Di.

Пусть на входах А5 - А9 дешифратора действует некоторая комбинация 01010 - на 11 слева выходе дешифратора D2 появится положительное напряжение.

Это напряжение будет действовать на входах У всех запоминающих элементов 11-го слева столбца матрицы. Предположим, что на входах А0 - А4 действует комбинация 01101 - при этом положительное напряжение появится на 14 сверху выходе дешифратора и будет действовать на всех входах X 14-ой сверху строки.

Таким образом, среди всех элементов матрицы окажется один, расположенный на пересечении 11-го слева столбца и 14-й сверху строки. Для выбора одного из 1024 элементов нужно задать комбинацию положительных и нулевых напряжений на десяти входах Ао - А9. (микросхема 537РУ1). Емкость в 1024 (1024 бит) далеко не предел.

Каждая микросхема памяти представляет собой основную структурную единицу ОЗУ. Оперативными они названы потому, что сохраненные в них данные можно в любой момент изменить, затрачивая на это сотни и даже десятки наносекунд.

На рис. 6.13 - структура ОЗУ, состоящая из 10 микросхем, входы которых А0 - А9 соединены параллельно. Такая совокупность позволяет на выходах "Чтение" и "Запись" получать 10 бит (длина слова). Т. о. ОЗУ -совокупность запоминающих ячеек, каждая из которых характеризуется своим адресом. Невыгодно иметь длину слова в ОЗУ больше, чем 32 бита. Алгоритм просмотра расположения слов в ячейках реализуется организацией стеков.

1.1.1.4. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)

Основная идея построения ПЗУ весьма простая (рис. 6.14). Имеются набор горизонтальных (адресных) и вертикальных (разрядных) проводов. Число разрядных проводов соответствует числу разрядов (бит) в запоминаемых словах (чаще 8 или 16). Число адресных равно объему памяти или емкости модуля ПЗУ. Пусть на горизонтальный провод "Слово 1" подано положительное напряжение. На остальные горизонтальные провода - не подается. Аноды всех диодов, подсоединенных к этому проводу, окажутся под положительным напряжением, т.е. способны проводить электрический ток. Следовательно, на всех вертикальных проводах, соединенных с горизонтальным проводом "Слово 2" установится такое же напряжение (т.е. на вертикальных проводах 1,2,4 и 5). Следовательно, в ПЗУ можно прочитать 8- разрядное слово 01101100.

Когда на каком-либо вертикальном проводе устанавливается положительное напряжение, катоды всех остальных диодов, подсоединенных к этому проводу, оказываются так же под напряжением. Следовательно, они не проводят электрический ток и не участвуют в работе ПЗУ.

Первичную информацию в ПЗУ записывают в процессе изготовления и выпускают ПЗУ с уже записанной информацией. В ПЗУ могут быть записаны: рекомендации по выбору наилучших режимов работы, программы работы станков с ЧПУ, справочные данные.

Первый способ иллюстрирует схема на рис. 6.15 - диоды расположены во всех без исключения точках пересечения вертикальных и горизонтальных проводов; последовательно с каждым диодом включена плавкая перемычка.

В ПЗУ с плавкими перемычками записываются нули. Для этого между адресным проводом данного слова и вертикальным проводом того разряда, в котором в данном слове имеется нуль, прикладывается большая разность напряжений и выжигается плавкая перемычка. Диоды, оставшиеся подключенными, соответствуют единицам.

Второй способ - на рис. 6.16. Здесь во всех без исключения точках пересечения проводов включены пары диодов. В каждой паре диоды включены навстречу другу. Такая цепь не проводит тоже ни в одном из возможных направлений.

В ПЗУ подобного типа в момент выпуска его записаны одни нули. Для записи единицы в данный разряд данного слова между вертикальным и горизонтальным проводом прикладывается большая разность напряжений. Тот из двух диодов, который оказывается смещенным в обратном направлении, пробивается и в дальнейшем представляет собой электрическое соединение. ППЗУ - позволяют многократно записывать информацию. В точках пересечения - транзисторы с плавающим затвором. Запись единиц осуществляется приложением напряжения (около 80 В). Стирание осуществляется облучением ультрафиолетовым светом или рентгеновскими лучами.

Вопросы для самоконтроля усвоения знаний:

1. Каким образом реализуются алгоритмы?

2. Поясните структурную схему МП. Как осуществляется выполнение операций обработки, обмена и хранения информации?

3. Поясните принцип записи и чтения информации на примере динамического запоминающего элемента.

4. Поясните структурную схему и принцип действия статического запоминающего элемента. Как организуется оперативная память?

5. Приведите структурные схемы ПЗУ и ППЗУ. В чем их отличие от ОЗУ и каковы принципы построения и особенности изготовления?

6. Перечислите факторы, влияющие на показатели качества и MX базовых элементов.

Дата добавления: 2013-12-13