- •Тема 1. Характеристики сигналов в электронных
- •Тема 2. Математические и логические основы построения цифровых электронных устройств
- •Тема 3. Триггеры
- •Тема 4. Реализация логических функций с помощью интегральных микросхем.
- •Тема 1. Ситемы счисления и цифровые коды
- •Тема 2. Цифровые устройства комбинационного и типа
- •Тема 3. Цифровые устройства последовательного типа и запоминающие устройства
- •Тема 4. Микропроцессоры
- •Тема 5. Программирование микропроцессоров
- •Тема 6. Интерфейсы микропроцессорных систем
- •Задача 3
- •Задача 5
- •Вопрос 6.
Задача 5
Разработать на основе микросхемы К155ИЕ7 делитель частоты последовательности импульсов, работающий с двоичными кодами, с коэффициентом деления Кдел., заданным таблицей вариантов (табл. 5), построить и нарисовать схему и определить максимальную частоту поступления входных импульсов fmax.
Таблица 5
№ варианта |
Кдел. |
№ варианта |
Кдел. |
01 |
2783 |
16 |
2125 |
02 |
1007 |
17 |
7853 |
03 |
1562 |
18 |
1500 |
04 |
9235 |
19 |
1682 |
05 |
792 |
20 |
526 |
06 |
800 |
21 |
893 |
07 |
1002 |
22 |
1920 |
08 |
4735 |
23 |
2870 |
09 |
3250 |
24 |
3120 |
10 |
1263 |
25 |
4120 |
11 |
2786 |
26 |
5080 |
12 |
1259 |
27 |
939 |
13 |
2850 |
28 |
2222 |
14 |
561 |
29 |
3456 |
15 |
3850 |
30 |
3785 |
Методика выполнения задания.
1. В соответствии со своим списочным номером выбирают номер варианта, например, для первой по порядку группы и списочного номера 30 по таблице 5 выбирают вариант 30 согласно которому Кдел.=3785, а код двоичный.
2. Определяют необходимую разрядность двоичного счетчика для построения делителя с заданным Кдел.:
где квадратные скобки означают округленное до ближайшего целого десятичного числа.
3. Определяют число корпусов микросхем, необходимых для построения делителя
где m – число разрядов одной микросхемы.
4. Определяют максимальный коэффициент деления счетчика с числом разрядов n
5. Определяют число, которым необходимо дополнить счетчик – делитель для получения заданного коэффициента деления
6. Переводят число М в двоичный код Мдв=000100001111.
7. Рисуют схему двигателя, соединяя последовательно N микросхем К155ИЕ7 и подавая на параллельные входы число М. Входы управления С подключают через инвертор к выходу переполнения старшего разряда.
Рис. 4. Делитель частоты последовательности импульсов.
Вопрос 6.
Структура и функционирование микропроцессорной системы. Микроконтроллеры
Микропроцессоры появились, когда уровень интеграции ИС достиг значений, при которых необходимые для программной реализации алгоритмов блоки удалось разместить на одном или нескольких кристаллах. МП — центральный процессорный элемент микропроцессорной системы (микро-ЭВМ), в которую также входят память и устройства ввода/вывода (внешние устройства).
Совокупность БИС/СБИС, пригодных для совместного применения в составе микроЭВМ, называют микропроцессорным комплектом БИС/СБИС (МПК). Понятие МПК задает номенклатуру микросхем с точки зрения возможностей их совместного применения (совместимость по архитектуре, электрическим параметрам, конструктивным признакам и др.). В состав МПК могут входить микросхемы различных серий и схемотехнологических типов при условии их совместимости.
В микропроцессорной системе (МПС) организуется процесс выполнения заданной программы, и самые разные задачи решаются путем выполнения последовательности команд, свойственных данному МП (входящих в его систему команд). Вычислительные, контрольно-измерительные или управляющие системы, обрабатывающим элементом которых служит МП, относятся к числу МПС.
Практически всегда структура МПС является магистрально-модулъной. В такой структуре имеется группа магистралей (шин), к которым подключаются различные модули (блоки), обменивающиеся между собой информацией поочередно, в режиме разделения времени.
Термин "шины" относится к совокупности цепей (линий), число которых определяет разрядность шины.
Типична трехшинная структура МПС с шинами адресов ША, данных ШД и управления ШУ. Наряду с русскими терминами применяются английские АВ (Address Bus), DB (Data Bus) и CB (Control Bus).
Рис. 5. Структура микропроцессорной системы
На рис. 5.[15] показана структура микропроцессорной системы с МП, имеющим мультиплексируемую шину адресов/данных (например, с МП К1821ВМ85А). Линии A15-8 являются адресными, через них в систему передается старший байт 16-разрядного адреса. В эту шину включен формирователь на постоянно открытом по входу разрешения EN буферном регистре ИР82, обеспечивающем работу шины па нагрузку, образуемую внешними цепями. Собственной нагрузочной способности у выводов МП, как правило, не хватает. Линии AD7-0 мультиплексируются. Вначале они передают младший байт адреса, признаком чего служит наличие сигнала ALE (Address Latch Enable), загружающего этот байт в регистр ИР82.
После загрузки регистра сигнал ALE снимается, и содержимое регистра остается неизменным вплоть до новой загрузки в следующем цикле работы процессора. Так формируется 16-разрядная шина адреса, содержащая адрес A15-0. Этот адрес используется блоками постоянной и оперативной памяти ROM и RAM. Адресация портов ввода и вывода данных требует восьмиразрядного адреса, что соответствует возможности работы не более чем с 256 портами каждого из типов. Адрес портов можно снимать с любой половины адресной шины (во взятом для примера МП состояния обеих полушин адреса при адресации портов дублируются).
После передачи младшего байта адреса шина AD7-0 отдается для передачи данных. Эти передачи двунаправлены, направление задается буфером данных BD в зависимости от сигнала Т (Transit). При активном состоянии сигнала чтения RD (Read) данные передаются справа налево, при пассивном — в обратном направлении. К шине данных подключены информационные выводы всех модулей МПС.
Выводы x1 и x2 служат для подключения кварцевого резонатора или иных контуров, задающих частоту тактовому генератору, расположенному в МП. Тактирование системы производится на частоте, равной половине частоты резонанса кварца или иного контура, поскольку генератор работает на триггер, с которого снимаются сигналы тактирования модулей МПС, а триггер делит частоту на 2. Вход RESIN является входом асинхронного сброса, приводящим МП в исходное состояния. Сигнал L-активный. Сброс может быть осуществлен замыканием ключа К и автоматически происходит при включении питания Ucc. В этом случае благодаря цепочке RC напряжение на входе RES1N нарастает постепенно, и в течение некоторого времени после включения питания остается низким (ниже порогового), что равноценно подаче сигнала RESIN.
Выполняя программу, МП обрабатывает команду за командой. Команда задает выполняемую операцию и содержит сведения об участвующих в ней операндах. После приема команды происходит ее расшифровка и выполнение, в ходе которого МП получает необходимые данные из памяти или внешних устройств. Ячейки памяти и внешние устройства (порты) имеют номера, называемые адресами, которыми они обозначаются в программе.
По однонаправленной адресной шине МП посылает адреса, определяя объект, с которым будет обмен, по шине данных (двунаправленной) обменивается данными с модулями (блоками) системы, по шине управления идет обмен управляющей информацией.
ПЗУ (ROM) хранит фиксированные программы и данные, оно является энергонезависимым и при выключении питания информацию не теряет.
ОЗУ (RAM) хранит оперативные данные (изменяемые программы, промежуточные результаты вычислений и др.), является энергозависимым и теряет информацию при выключении питания. Для приведения системы в работоспособное состояние после включения питания ОЗУ следует загрузить необходимой информацией.
Устройства ввода-вывода (УВВ) или внешние устройства (ВУ) - технические средства для передачи данных извне в МП или память либо из МП или памяти во внешнюю среду. Для подключения ВУ необходимо привести их сигналы, форматы слов, скорость передачи и т. п. к стандартному виду, воспринимаемому данным МП. Это выполняется специальными блоками, называемыми адаптерами (интерфейсными блоками ввода-вывода). Напомним, что интерфейсом называют совокупность аппаратных и программных средств, унифицирующих процессы обмена между модулями системы.
На схеме (рис. 5) модули системы показаны укрупненно. Кроме обозначенных блоков, в состав систем входят обычно и более сложные, чем адаптеры, блоки управления внешними устройствами — контроллеры. К их числу относятся, прежде всего, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти. Имеются также контроллеры клавиатуры, дисплея, дисковой памяти и т. д.
Контроллеры прерываний обеспечивают обмен с внешними устройствами в режиме прерывания (временной остановки) выполняемой программы для обслуживания запроса от внешнего устройства.
Контроллеры прямого доступа к памяти обслуживают режим прямой связи между внешними устройствами и памятью без участия МП. При управлении обменом со стороны МП пересылка данных между внешними устройствами и памятью происходит в два этапа — сначала данные принимаются микропроцессором, а затем выдаются им на приемник данных. В режиме прямого доступа к памяти МП отключается от шин системы и передает управление ими контроллеру прямого доступа, а передачи данных осуществляются в один этап — непосредственно от источника к приемнику.
В состав МПС часто входят также программируемые таймеры, формирующие различные сигналы (интервалы, последовательности импульсов и т. д.) для проведения операций, связанных со временем.
Микроконтроллеры
Микроконтроллеры (МК) — разновидность микропроцессорных систем (микроЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. В сравнении с универсальными микроЭВМ микроконтроллеры проще, и уже около 25 лет тому назад оказалось возможным разместить практически всю схемотехнику МК на одном кристалле, что и дало начало их развитию. Вторым названием МК стало название "однокристальная микроЭВМ". Разработка МК означала появление БИС такой функциональной законченности, которая позволяет решать в полном объеме задачи определенного класса.
Что отличает МК от микроЭВМ универсального назначения? Прежде всего, это малый объем памяти и менее разнообразный состав внешних устройств. В состав универсальной микроЭВМ входят модули памяти большого объема и высокого быстродействия, имеется сложная иерархия ЗУ, поскольку многие задачи (автоматизированное проектирование, компьютерная графика, мультимедийные приложения и др.) без этого решить невозможно. Для МК ситуация иная, они реализуют заранее известные несложные алгоритмы, и для размещения программ им требуются емкости памяти, на несколько порядков меньшие, чем у микроЭВМ широкого назначения. Набор внешних устройств также существенно сужается, а сами они значительно проще. В результате модули микроЭВМ конструктивно самостоятельны, а МК выполняется на одном кристалле, хотя в его составе имеются модули того же функционального назначения.
Первые МК выпущены фирмой Intel в 1976 г. (восьмиразрядный МК 8048). В настоящее время многими поставщиками выпускаются 8-, 16- и 32-разрядные МК с емкостью памяти программ до десятков Кбайт, небольшими ОЗУ данных и набором таких интерфейсных и периферийных схем, как параллельные и последовательные порты ввода/вывода, таймеры, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, широтно-импульсные модуляторы и др. Среди выпускаемых МК широко известно семейство восьмиразрядных контроллеров MCS-51/151 /251 и 16-разрядных MCS-96/196/296 (фирмы Intel). Очень многие производители выпускают аналоги этих семейств или совместимые с ними МК. В отечественной номенклатуре это К1816ВЕ51, К1830ВЕ51 (восьмиразрядные МК). В последнее время фирма Intel сосредоточила усилия на разработке сложных микропроцессоров для компьютеров и уступила сектор рынка простых МК другим фирмам, в частности, фирме Atmel, которая выпускает популярное семейство МК серии АТ89 с Флэш-памятью программ, являющееся функциональным аналогом семейства восьмиразрядных МК фирмы Intel.
Небезынтересно, что, несмотря на появление новых 16- и 32-разрядных МК, наибольший успех на рынке остается за 8-разрядными. Сейчас около половины рынка МК (приблизительно 6 млрд. долларов) остается за этими МК, что означает их лидирование с большим отрывом относительно представителей других семейств.
Примечание. В связи с возможными изменениями учебного графика ведущий преподаватель определяет ежегодно какие задачи выполняются в контрольной работе по МПС , а какие составляют основу курсового проекта.