Bartłomiej Zieliński - ...

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Bartłomiej Zieliński
Mikroprocesory
1
Przedmowa
Niniejsza książka prezentuje podstawy konstrukcji urządzeń cyfrowych i mikroprocesorowych. Zawiera ona
omówienia wybranych układów scalonych małej, średniej i dużej skali integracji oraz liczne przykłady ich
zastosowań. Pewne zdziwienie Czytelnika może wprawdzie budzić dobór mikroprocesorów do ilustracji
pewnych zagadnień — chodzi tutaj o mikroprocesory 8-bitowe: Z-80, 8048 i 8051. Jeżeli jednak głębiej
przyjrzeć się współczesnym układom mikroprocesorowym, okazuje się, że podstawowe techniki konstrukcyjne
— a takie właśnie prezentuje ta książka — mimo upływu 20 lat pozostały niezmienione.
Tematyka zawarta wksiążce odpowiada problematyce poruszanej wramach ćwiczeń zprzedmiotów:
konstrukcja urządzeń cyfrowych, mikroinformatyka oraz układy mikroprocesorowe, prowadzonych na kierunku
informatyka na Wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej w Gliwicach.
Książkę podzielono na 8 rozdziałów.
Rozdział pierwszy omawia właściwości elektryczne układów serii TTL, powszechnie stosowanych w układach
cyfrowych. Pokazane są tu podstawowe właściwości wejść i wyjść układów cyfrowych oraz obszary ich
zastosowań. Rozdział ten zawiera także przykłady obliczeniowe dla układów z wyjściami typu „otwarty
kolektor”.
Rozdział drugi omawia cechy funkcjonalne układów serii TTL, które są stosowane w przykładach w tym
i następnych rozdziałach. Zebrano tu m. in. opisy układów takich, jak kodery, dekodery i transkodery, liczniki
asynchroniczne i synchroniczne, bufory i rejestry, komparatory czy układy czasowe. Przykłady ilustrują użycie
niektórych z tych układów do budowy najprostszych bloków funkcjonalnych układu cyfrowego.
Rozdział trzeci zapoznaje Czytelnika z zasadami konstrukcji jednostki centralnej w oparciu o mikroprocesory
8048, 8051 oraz Z-80. Jednostki te wykorzystane są w przykładach w następnych rozdziałach do ilustracji
sposobów dołączania do mikroprocesora układów pamięci i wejścia-wyjścia.
Rozdział czwarty wprowadza w tematykę budowy bloków pamięci. Zawiera on także liczne przykłady
konstrukcji modułów pamięci stałej i statycznej dla różnych typów mikroprocesorów. Pamięciom dynamicznym
— ze względu na odmienne zasady sterowania nimi — poświęcony jest rodział piąty.
Rozdział szósty prezentuje układy programowalne równoległego wejścia-wyjścia (8255, Z-80 PIO) wraz
z najprostszym ich zastosowaniem służącym do budowy modułu klawiatury i wyświetlacza.
Rozdział siódmy prezentuje programowalne układy czasowe (8253, Z-80 CTC) wraz z ich zastosowaniem
służącym do budowy układów pomiaru uzależnień czasowych (częstotliwość, okres, szerokość impulsów,
stopień wypełnienia).
Rozdział ósmy prezentuje sposoby konstrukcji złożonych modułów wejścia-wyjścia, składających się z kilku
układów, połączonych zgodnie z przyjętymi założeniami. Pokazano tu m.in. techniki umieszczania układów
w określonych przestrzeniach adresowych oraz generowania przerwań o określonych priorytetach.
Książka ta nie powstałaby bez pomocy kilku osób. Przede wszystkim chciałbym podziękować dr. inż.
Henrykowi Małysiakowi oraz mgr inż. Dariuszowi Byrskiemu za zainteresowanie tematyką budowy układów
mikroprocesorowych. Swój wkład w jej powstanie mają także moi najbliżsi współpracownicy: mgr inż.
Grzegorz Baron, mgr inż. Grzegorz Kacy oraz mgr inż. Krzysztof Tokarz, z którymi dyskutowałem wiele
z pokazanych w książce rozwiązań. Chciałbym także podziękować Żonie i Rodzicom za cierpliwość i wsparcie
podczas pisania książki.
Bartłomiej Zieliński
Gliwice, czerwiec 2001 r.
2
Rozdział 1.
Właściwości układów TTL
Podstawowym układem scalonym serii TTL jest bramka realizująca funkcję negacji iloczynu logicznego dwóch
wejść (NAND). W jej strukturze można wyróżnić stopień wejściowy i wyjściowy oraz „wnętrze” bramki.
Struktura tego „wnętrza” zależy od funkcji realizowanej przez układ, podczas gdy stopnie wejściowy
i wyjściowy są takie same w różnych układach i decydują o ich parametrach elektrycznych.
Wejścia układów TTL
W układach TTL mamy do czynienia z dwoma typami wejść: zwykłym i Schmitta. Wejście zwykłe stosuje się
w prawie wszystkich układach. Jeżeli jednak sygnały wejściowe mogą być zniekształcone, należy zastosować
wejście Schmitta.
Wejście zwykłe
Wejście zwykłe (rysunek 1.1) może być stosowane wszędzie tam, gdzie nie zachodzi obawa, iż napięcia
sygnałów wejściowych mogą mieć niedozwolony poziom (U
ILmax
< U
I
< U
IHmin
). Dodatkowym warunkiem
stosowania tych wejść jest odpowiednio krótki czas narastania i opadania sygnałów, który nie powinien być
dłuższy niż 1 µs. W przypadku przekroczenia tego czasu (w zakresie napięcia wejściowego 1,3 – 1,4 V)
na wyjściu bramki mogą pojawić się oscylacje. Czas narastania i opadania sygnałów na wejściach zegarowych
przerzutników nie powinien przekraczać 150 ns.
W stanie niskim na wejściu prąd wejściowy wypływa z układu, na skutek czego tranzystor wejściowy znajduje
się w stanie nasycenia. W stanie wysokim natomiast prąd wpływa do układu, a tranzystor jest w stanie
inwersyjnym.
L
I
IH
I
OH
I
OH
I
IL
I
OL
I
OL
wejście zwykłe
wyjście przeciwsobne
wyjście typu
„otwarty kolektor”
Rysunek 1.1. Wejścia i wyjścia układów TTL
Wejście Schmitta
Bramki z wejściem z przerzutnikiem Schmitta stosowane są wszędzie tam, gdzie sygnały wejściowe nie mają
odpowiednio stromych zboczy oraz jeżeli istnieje obawa, że sygnał wejściowy może być zakłócony. Dzięki
charakterystycznej dla tych układów histerezie napięć wejściowych (rysunek 1.2) chwilowy spadek napięcia
wejściowego poniżej progu przełączania nie spowoduje niepożądanego przełączenia bramki. Przykładowy
przebieg napięć wejściowego i wyjściowego bramki Schmitta ilustruje rysunek 1.2.
3
 U
O
U
I
Rysunek 1.2. Charakterystyka przejściowa bramki Schmitta
Rysunek 1.3. Przebieg na wejściu i wyjściu bramki Schmitta
Układy z wejściami Schmitta stosowane mogą być jako:
•
stopnie wejściowe sygnałów wolnozmiennych lub zakłóconych;
•
układy kształtowania impulsów z przebiegów analogowych, np. sinusoidalnych;
•
generatory fali prostokątnej;
•
układy uzależnień czasowych.
Bramka Schmitta (bramka z wejściem Schmitta) ma wejścia zwykłe, a jej charakterystyczna funkcja realizowana
jest we „wnętrzu” bramki.
Wyjścia układów TTL
W układach TTL spotyka się trzy rodzaje stopni wyjściowych: przeciwsobny, trójstanowy i z otwartym
kolektorem. Różnią się one między sobą znacznie bardziej niż stopnie wejściowe, co wpływa na możliwość
zastosowania ich w konkretnej aplikacji.
Wyjście przeciwsobne
Wyjście tego typu (rysunek 1.1) jest podstawowym typem stopnia wyjściowego bramek TTL. Do poprawnej
jego pracy nie jest konieczne dołączanie żadnych elementów zewnętrznych, tym niemniej w pewnych
zastosowaniach można użyć tzw. rezystorów podciągających, które podwyższają poziom napięcia w stanie
wysokim. Wyjść przeciwsobnych nie należy łączyć ze sobą w celu realizacji funkcji logicznych; nie należy też
ich dołączać bezpośrednio do masy lub zasilania, gdyż może to spowodować trwałe uszkodzenie układu.
Wyjścia przeciwsobne dwóch układów mogą być połączone ze sobą wyłącznie w celu zwiększenia ich
obciążalności. Zaleca się wówczas, aby wszystkie wyjścia należały do tego samego układu scalonego. Czas
propagacji sygnału przez poszczególne bramki jest wówczas zbliżony, co wpływa na zmniejszenie poziomu
zakłóceń w układzie.
4
W stanie niskim na wyjściu dolny tranzystor jest nasycony i zwiera wyjście do masy (napięcie wynosi około
0,2 – 0,3 V), a górny jest zatkany. Prąd wyjściowy wpływa do układu. W stanie wysokim zatkany jest dolny
tranzystor, a górny jest nasycony, zatem na wyjściu utrzymuje się napięcie rzędu 3,3 V, a prąd wyjściowy
wypływa z układu.
Wyjście z otwartym kolektorem
Konstrukcja wyjścia z otwartym kolektorem umożliwia łączenie wyjść różnych układów w celu realizacji
funkcji logicznej lub konstrukcji magistrali. Do poprawnej pracy układu wymagane jest jednak dołączenie zew-
nętrznego rezystora pomiędzy wyjście układu a napięcie zasilania (rysunek 1.1). Rezystor ten musi być dobrany
w zależności od liczby oraz typu wejść i wyjść dołączonych do rozpatrywanego węzła.
W stanie niskim na wyjściu tranzystor jest nasycony i zwiera wyjście do masy. W stanie wysokim natomiast
tranzystor ten jest zatkany. W obu przypadkach prąd wyjściowy wpływa do układu, przy czym
I
OL
<<
I
OH
(np.
dla układów serii TTL
I
OL
= 16 mA, natomiast
I
OH
= 250 µA).
Połączenie wyjść typu „otwarty kolektor” umożliwia realizację tzw.
iloczynu montażowego
. Jeżeli
we wszystkich wyjściach tranzystory są zatkane (nie przewodzą), to w węźle mamy stan wysoki („1” logiczna).
Wystarczy jednak, aby chociaż jeden z tych tranzystorów wszedł w stan nasycenia, aby w węźle pojawił się stan
niski („0” logicznego).
Dobór rezystora dla wyjścia z otwartym kolektorem
Wartość rezystora
R
, łączącego węzeł z napięciem zasilającym, musi być tak dobrana, aby zarówno w stanie „0”,
jak i „1”, w węźle utrzymywały się odpowiednie poziomy napięć. Jest to względnie proste, jeżeli wszystkie
bramki dołączone do węzła mają takie same parametry prądowe i napięciowe. Najczęściej warunek ten jest
spełniony. Może się jednak zdarzyć i tak, że każda bramka będzie miała inne parametry (np. wyjście
o zwiększonej obciążalności, różne serie układów TTL, współpraca z układami CMOS).
Niezbędne obliczenia wykonuje się w dwóch etapach, obliczając największą i najmniejszą dopuszczalną wartość
opornika — odpowiednio
R
max
i
R
min
.
Obliczenie maksymalnej wartości opornika
Wartość
R
max
obliczamy dla stanu wysokiego w węźle (rysunek 1.4). W tym stanie napięcie w węźle powinno
być nie mniejsze niż najniższe napięcie w stanie wysokim, dopuszczalne dla wszystkich dołączonych układów.
Zazwyczaj jest ono równe
U
OHmin
. Jeżeli mamy kilka różnych wartości tego napięcia, to wybieramy największą
z nich, ponieważ będzie ona dopuszczalna dla wszystkich wyjść. Czasami jednak jest to napięcie niższe niż
najniższe dopuszczalne dla zastosowanych wejść — z przypadkiem tym mamy do czynienia przy stosowaniu
wejść CMOS. Ogólnie można więc powiedzieć, że do obliczeń należy wykorzystać najwyższe z minimalnych
napięć wejściowych i wyjściowych dla stanu wysokiego. Napięcie na oporniku jest różnicą między napięciem
zasilania a pożądanym napięciem w węźle.
stan wysoki
stan niski
Rysunek 1.4. Przepływy prądów w stanie wysokim i niskim w węźle
W stanie wysokim zarówno prądy wyjściowe, jak i wejściowe, wpływają do układów, zatem prąd płynący
przez opornik jest równy sumie prądów wejściowych i wyjściowych. Wynika z tego następująca zależność:
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]