конмпект лекций

УрФУ Кафедра Автоматизированные электрические системы

Микропроцессорные системы управления

Конспект лекций

Котов О.М.

Екатеринбург 2014

1

	Содержание
1 Структура цифровой системы управления. Микропроцессор как
специализированная интегральная схема. Информация в процессах
управления. Сигнал, формы сигналов. Разрешенные уровни и зоны
цифрового сигнала. .................................................................................................		4
1.1 Основы биполярной логики. Биполярный насыщенный ключ.
Элементы биполярной логики: схемы , особенности функционирования,
достоинства и недостатки. ..................................................................................		9
1.1.1	РТЛ - инвертор....................................................................................	15
1.1.2	РТЛ элемент 2ИЛИ-НЕ.....................................................................	16
1.1.3	РТЛ элемент 2И-НЕ ..........................................................................	16
1.1.4	ДТЛ элемент 2И-НЕ..........................................................................	17
1.1.5	ТТЛ элемент 2И-НЕ ...........................................................................	18
1.1.6	ТТЛШ – элемент.................................................................................	20
1.1.7	ИИЛ элемент.......................................................................................	21
1.1.8 Инвертор и базисный элемент эмиттерно-связной логики............		22

1.2Основы полевой логики. МОП – ключ и элемент, КМОП – ключ и

элемент, буфер с высокоимпедансным состоянием.......................................			24
2 Логические схемы ..........................................................................................			27
2.1	Комбинационные схемы ..........................................................................		28
2.1.1 Полный одноразрядный последовательный сумматор ..................			29
2.1.2 Сумматор с параллельным переносом .............................................			31
2.1.3 Сумматор с условным переносом.....................................................			33
2.1.4		Дешифратор ........................................................................................	33
2.1.5		Мультиплексор ...................................................................................	34
2.1.6 Одноразрядное арифметико – логическое устройство...................			34
2.1.7		Компаратор .........................................................................................	35
2.1.8		Мажоритарный элемент ....................................................................	36
2.2	Элементарные цифровые автоматы........................................................		36
2.2.1		Асинхронный RS-триггер..................................................................	37
2.2.1		Статический синхронизируемый RS-триггер .................................	38
2.2.2 Статический JK – триггер..................................................................			38
2.2.3		Динамический однотактный CRSтриггер .....................................	39
2.2.4		Динамический двухтактный CRSтриггер ...................................	41
2.2.5 D и T триггеры, счетчики на Т – триггерах .....................................			42
2.2.6		Регистры ..............................................................................................	43
2.3	Устройства внутренней памяти ..............................................................		44
2.3.1		Основные параметры устройств (микросхем) памяти ...................	45
2.3.2 Технологии изготовления ROM – памяти .......................................			46
2.3.3 Технологии изготовления RАM – памяти .......................................			47
2.3.4 Запоминающие устройства с одномерной адресацией (2D)..........			50
2.3.5 Запоминающие устройства с селектором данных (2DM) ..............			55
2.3.6 Запоминающие устройства с двумерной адресацией (3D) ............			57
2.3.7 Устройства памяти с мультиплексированием адресного слова ....			58
			2

3	Периферийные устройства МПС..................................................................			60
	3.1	Цифроаналоговые преобразователи .......................................................		61
	3.1.1 ЦАП со сложением токов ..................................................................			61
	3.1.2 ЦАП со сложением напряжений.......................................................			62
	3.1.3 ЦАП с делением напряжений ...........................................................			62
	3.1.4 ЦАП на основе резистивной матрицы R-2R ...................................			62
	3.1	Аналого-цифровые преобразователи .....................................................		64
4	Микропроцессорный счетчик электроэнергии ...........................................			65
5 Микропроцессорная система на базе 8-разрядного процессора ...............				66
	5.1	Общая характеристика и упрощенная схема микропроцессора..........		66
	5.1.1		Структурная схема: ............................................................................	67
	5.1.2		Описание интерфейса микропроцессора .........................................	68
	5.1.3 Форматы команд и режимы адресации памяти...............................			69
	5.2	Структурная схема комплекса ................................................................		70
	5.3	Состав устройств памяти комплекса Микролаб....................................		71
	5.4	Организация машинного цикла M1 ........................................................		72
	5.5	Обработка прерываний ............................................................................		74
	5.6	Режим «захват шин».................................................................................		76
	5.7	Режим останова.........................................................................................		76

3

1Структура цифровой системы управления. Микропроцессор как специализированная интегральная схема. Информация в процессах управления. Сигнал, формы сигналов. Разрешенные уровни и зоны цифрового сигнала.

Цель дисциплины «Микропроцессорные системы управления»– изучить особенности конструкции, принципы функционирования, и специфику применения

o Элементов, o Узлов,

o Устройств,

составляющих микропроцессорные (цифровые) системы управления.

Как известно, управление – это воздействие на объект для реализации ранее принятых целей на основе анализа получаемой информации об объекте, окружающей внешней среде, а также данных, полученных от других систем управления. В системе управления, в общем случае, объединены две подсистемы:

Управляющая; Управляемая.

Цель

	Воздействия
Управляющая		Управляемая
система		система (объект)

Данные для внешних систем

Данные об объекте

Информация об окружающей (внешней) среде, воздействия внешних систем управления

Рисунок 1. Структура системы управления При этом одной из функций управляемой системы (объекта) должна быть

способность переходить в требуемое состояние под воздействием управляющей системы. Ведущие (основные) задачи в рассмотренном тандеме решает управляющая система. Адекватно соответствовать

4

требованиям, предъявляемым к управляющим системам, в настоящее время способны только цифровые микропроцессорные системы.

Микропроцессором принято называть полупроводниковый кристалл (иногда комплект кристаллов), который выполняет автоматизированную обработку информации.

В минимальном вариант микропроцессор состоит из o Регистров;

o АЛУ (вычислителя);

oСхемы управления (дешифраторы, буферы, мультиплексоры и т.д.).

При этом характеризуется прежде всего:

Архитектурой (гарвардская или принстонская). В общем случае, архитектура - это некий набор свойств и качеств, присущий определённому семейству процессоров, внутренняя конструкция, организация этих процессоров.

Разрядностью (как правило, от 8 до 64 разрядов); Тактовой частотой;

Набором команд (универсальный: CISC – Complete Instruction Set Computer, сокращённый: RISC - Reduced Instruction Set Computer);

Поддерживаемыми режимами адресации; Типами (форматами) обрабатываемых данных.

Микропроцессорная система управления состоит в общем случае из :

Микропроцессора,

Микросхем RAM памяти,

Микросхем ROM памяти,

Интерфейсов внешних устройств (порты ввода-вывода, контроллеры прерываний, прямого доступа),

Служебных микросхем:

ГТИ - генератор тактовых импульсов,

ШФ – шинный формирователь,

специализированные регистры,

сторожевой таймер,

контроллер событий,

АЦП и ЦАП,

контроллер последовательных интерфейсов.

Для выполнения именно управляющих функций (связь с объектом) в состав МПСУ на уровне периферийных (внешних) устройств, как правило, входят преобразователи (АЦП, ЦАП).

По назначению микропроцессоры делятся на:  Универсальные;

5

Специализированные (сигнальные, медийные, транспьютеры и др.).

По конструкции (состав и количество микросхем)

Однокристальные микропроцессоры;

Секционные (разрядно-модульные) микропроцессоры;

Однокристальные микроконтроллеры. В данном случае в одной микросхеме объединены все основные части микропроцессорного комплекта.

Поскольку процесс управления можно представить, как последовательность этапов движения и преобразования данных, информацию часто называют универсальным атрибутом управления.

Информация существует в виде сигналов. Сигнал может быть определён, как технически различимый параметр некоторого физического процесса. Чаще всего в цифровых системах используют потенциальные сигналы и поэтому говорят о прикладной универсальности электрического напряжения.

По природе сигналы делятся на два типа аналоговые (или непрерывные) и цифровые (или дискретные).

Для аналоговых сигналов (АС) характерно следующее: большой объем информации (теоретически – бесконечный);

ограниченная точность сигнала (погрешность) вследствие внешних (наводки) и внутренних (дрейфы, помехи) факторов;

ограниченность диапазона изменения параметра (частотные свойства, мощностной диапазон);

неидеальность передаточных функций (преобразователей). Представление информации в форме цифровых сигналов прежде

всего, решает проблемы размерности информации. Кроме этого, цифровой сигнал обладает большей помехоустойчивостью, идеален для обработки, а погрешность преобразования определяется сложностью и, соответственно стоимостью системы.

Процедура аналого-цифрового преобразования, в общем случае, состоит из следующих этапов:

дискретизация. На этом этапе входной сигнал преобразуется из функции непрерывного времени в набор значений в фиксированные моменты времени. Дискретизация обычно выполняется равномерной с периодом 1/(2*fmax), где fmax – максимальная частота в спектре исходного аналогового сигнала.

квантование по уровню. При этом диапазон значений исходного сигнала (шкала) делится на (как правило) равные части – кванты с шагом h. Преобразование сигнала сводится, по сути, к сведению значений сигнала в дискретные моменты времени к разрешённым.

6

	u
u4
u3
u2
u1
u0	t

T=1/(2fmax)

Рисунок 2. Преобразование аналогового сигнала Более двух разрешённых уровней имеется только у преобразователей.

Остальные цифровые устройства и системы работают в системе двух разрешённых уровней. Наиболее удобным способом формализации при этом является кодирование в канонической двоичной системе, которая характеризуется следующим образом:

-с натуральным основанием;

-однородная;

-весомозначная с естественным порядком весов;

-правосмещенная;

Естественное кодирование осуществляется в соответствии с формулой:

								n	1
(a	n 1	a	n	2	...a a	0	)	2	a	i	2i	(1)
					1
								0

Шестнадцатеричная система используется для промежуточного представления данных. Вследствие родственности оснований (24=16) тетрада двоичных разрядов эквивалентна одному шестнадцатеричному разряду (□□□□2 = □16.) Наряду с двоичным кодом, полученным в соответствии с формулой (1), в ряде случаев используется так называемый двоично – десятичный код (BCD - binary code decimal), получаемый заменой четырёх двоичных разрядов одной десятичной цифрой по аналогии преобразования между двоичной и шестнадцатеричной системами (□□□□2 = □10).

Интерпретация входных или выходных напряжений определяется, прежде всего, схемотехническими решениями. Так для позитивной пятивольтовой логики уровни и зоны сигнала (ТТЛ-уровни) изображены на рисунке 3.

7

5,5 В	u	Uп
		Зона высоких уровней
2 В		Зона запирающей помехи

Зона порога

0,8 В

Зона отпирающей помехи

«1»

0 В Зона низких уровней t -0,5 В

Рисунок 3. ТТЛ-уровни цифрового сигнала Примечание. Название зон помех определяется состоянием ключевого

(выходного) транзистора, который формирует выходной сигнал.

Таблица 1 Уровни сигнала для некоторых наборов микросхем

Логика	«0»	«1»
ТТЛ	< 0,8 В	>= 2 В
ТТЛШ	< 0,4 В	>= 2,5 В
ЭСЛ	< - 1,65 В	>= -0,96 В
КМОП	< 0,5 В	>= 0,8 Uп
…

Логика - это о микропроцессорный комплект или совместимый по электрическим, конструктивным, технологическим параметрам набор микросхем.

Как следует из таблицы, ТТЛШ – логика характеризуется улучшенной помехозащищённостью, так как увеличена суммарная ширина зон порога и помех.

Кроме разрешённых уровней сигналов классифицирующими параметрами для логик являются следующие характеристики:

Uпитания;

Нагрузочная способность (Rmin нагр);

Быстродействие (f max);

Потребляемая мощность;

Степень интеграции K = lg N, где N – количество элементов (активных);

Сам набор определяется, прежде всего, типом и схемой соединения транзисторов:

 Биполярная логика:

РТЛ – резисторнотранзисторная, ДТЛ – диодно - транзисторная, ТТЛ – транзисторно - транзисторная,

ТТЛШ – транзисторно – транзисторная с диодом Шоттки,

8

ЭСЛ – эмиттерно - связная, И2Л – интегральная инжекционная логика,

И2ЛШ - интегральная инжекционная логика с диодом Шоттки;

Полевая логика:

МОП – металл-оксид-полупроводниковая,

КМОП– комплементарная металл-оксид-полупроводниковая,

nМОП– металл-оксид-полупроводниковая на n- канальных транзисторах.

1.1Основы биполярной логики. Биполярный насыщенный ключ. Элементы биполярной логики: схемы , особенности функционирования, достоинства и недостатки.

Основой полупроводниковой техники на сегодняшний день остается кремний, элемент IV группы таблицы Менделеева, который относиться к природным полупроводникам. Полупроводники, как известно, это класс веществ, по своему удельному сопротивлению (от 10-8 до 106 Ом*см) занимающих промежуточное место между проводниками и диэлектриками (изоляторами).

Различие электрических свойств у металлов, полупроводников и диэлектриков обеспечивается разной величиной энергии, которая необходима для освобождения валентных электронов от связей с атомами, расположенными в узлах кристаллической решётки. Электрическая проводимость полупроводников обусловлена наличием одновременно свободных носителей заряда разных знаков вследствие теплового заброса части электронов (концентрация которых очень велика, 1023 см-3) из валентной зоны в зону проводимости вследствие сравнительной небольшой ширины т.н. энергетической щели между этими зонами (0,1 – 3 эв). При этом концентрации электронов и дырок в объёме полупроводника оказываются равными ni = pi (ni = pi = 0 при Т = 0К). Дыркой, как известно, называют вакантное, не занятое электроном место в ковалентной связи (т.н. квазичастица), с помощью которой описывают коллективное движение электронов. Существовать дырки могут только внутри объёма полупроводника, в то время как электрон может быть инжектирован из полупроводника наружу. Подвижность дырок в среднем в 2-3 раза ниже, чем электронов, и поэтому электрические свойства полупроводника определяются, в первую очередь, движением электронов.

При увеличении температуры полупроводника на каждые 10°С концентрации собственных носителей заряда увеличиваются в 2-3 раза, соответственно увеличивая проводимость полупроводника. В дальнейшем они будут называться концентрациями неосновных носителей заряда, потому что основные носители получают путем легирования.

9

Для изготовления интегральных схем используют химически чистый кремний (один атом примеси приходится не менее чем на 1013 атомов вещества). Технологией легирования получают примесный полупроводник или n – типа (примесь - донор) или p – типа (примесь - акцептор). В частности, если в 1 кг расплавленного кремния (Si) добавить 20 мкг фосфора (P), концентрация свободных электронов в нём вырастет в 105 раз.

e

e

e

e

Si

e

e

Si

e

e

Si

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e Si e

e

Si e

e Si e

e Si e

e

P e

e Si e

e Si e

e

B

e Si e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

Si

e

e

Si

e

e

Si

e

e

e

e

а) природный полупроводник

б) полупроводник n - типа

б) полупроводник p - типа

Рисунок 4. Легирование природного полупроводника Концентрация примесных носителей заряда превосходит

концентрацию природных носителей заряда от 100 до 100 000 раз и поэтому примесные носители становятся для легированного объёма полупроводника основными. При этом во сколько раз увеличивается концентрация основных носителей, во столько же раз уменьшается концентрация неосновных. Объясняется это увеличением вероятности рекомбинации в легированном

объёме полупроводника. В результате выдерживается соотношение: n*p = ni * pi = ni2 = pi2,

где n и p, соответственно, концентрации электронов и дырок в легированном полупроводнике. Показательно, что концентрация основных носителей, а, значит, и проводимость легированного полупроводника, практически, не зависит от температуры.

По способу управления проводимостью примесных полупроводников и различают биполярную (электрическим током) и полевую (электрическим полем) логики. Биполярная логика основана на свойствах pn – перехода.

Неуправляемый pn – переход представляет собой устройство из двух разнопроводящих объёмов полупроводника, в приграничных областях которых за счёт диффузионного потока электронов образуются обеднённые слои, имеющие большое удельное сопротивление и нескомпенсированный объёмный заряд. Концентрации основных носителей заряда в смежных зонах pn – перехода, как правило, различна, поэтому более протяжённым оказывается слой в зоне с меньшей концентрацией. Напряжённость поля объёмного заряда (Еграницы) препятствует дальнейшему взаимному проникновению электронов и дырок из приграничных зон, обеспечивая т.н. дрейфовый поток:

10