Разработка узлов микропроцессорной системы



В настоящее время цифровая техника получила бурное развитие. Аналоговая аппаратура вытесняется цифровой в самых различных областях, таких как промышленная автоматизация, управление летательными аппаратами, телевидение, телефония. Эта тенденция приобретает в последнее время массовый характер. Традиционные цифровые устройства, особенно микропроцессорные устройства (МПУ), также не стоят на месте, обусловливая совершенствование отладочных средств.

Основным отличием МПУ от традиционных электронных устройств является наличие в их структуре двух четко разграниченных категорий средств аппаратурных и программных. Поэтому МПУ обладают свойством программируемости как при разработке, так и при внесении изменений в их алгоритм функционирования. Наличие программных средств определяет особенности проектирования, производства и эксплуатации, т. е. специфику всего жизненного цикла МПУ.

Модуль центрального процессора КР580ВМ80А — функционально законченный однокристальный параллельный микропроцессор с фиксированной системой команд, применяется в качестве центрального процессора в устройствах обработки данных и управления.

Микропроцессор имеет раздельные 16-разрядный канал адреса и 8-разрядный канал данных. Канал адреса обеспечивает прямую адресацию внешней памяти объёмом до 65536 байт, 256 устройств ввода и 256 устройств вывода [3, с. 58].

МикроЭВМ на основе микросхем комплекта К580 строится по модульному принципу, который обеспечивает подключение к единой магистрали модулей центрального процессора (ЦП), запоминающего устройства (ЗУ) и устройств ввода — вывода (УВВ). Магистральная структура связей между модулями минимизирует аппаратуру, уменьшает число схем сопряжения и обеспечивает возможность простого расширения системы. Выдачу информации на магистраль в любой момент времени производит один из модулей — передатчиков. Прием информации осуществляет один или несколько приемников [2, с. 154]. Одновременная работа двух пар модулей передатчик-приемник невозможна.

Структурная схема системы управления на базе микропроцессорного комплекта БИС серии КР580 принимает вид, приведенный на данной схеме.

Рис. 1. Структурная схема МП системы управления

Тактовый генератор служит для синхронизации микропроцессорных систем на основе комплекта К580. Генератор формирует: высокоуровневые тактовые сигналы F1 и F2 с несовпадающими фазами; тактовый сигнал F2Т, по уровню совместимый с ТТЛ и синхронизированный с сигналом F2; сигнал STSTB»Строб состояния», который, поступая на системный контроллер, фиксирует состояние шины данных микропроцессора; сигнал RESET «Установка». Системный контроллер нужен для фиксации слова состояния МП, выработки системных управляющих сигналов, буферизации шины данных МП и управления направлением передачи данных. В качестве тактового генератора используем КР580ГФ24. Эта БИС дополнительно содержит схемы. Системный контроллер реализуем на БИС КР580ВК28 [1, с. 45].

Рис. 2. Схема микропроцессорной системы

В нижеприведенной таблице перечислены элементы принципиальной схемы микропроцессорной системы К580, их наименования, обозначения, количество и документ, устанавливающий технические требования, которым должен удовлетворять конкретный элемент.

Таблица 1

№	Обозначение	Элемент	Наименование	Кол-во	ТУ
1.	DD1	Микросхема	КР580ГФ24	1	ГОСТ 11305.910–80
2.	DD2	Микросхема	КР580ВМ80	1	ГОСТ 11305.910–80
3.	DD3	Микросхема	КР580ВК28	1	ГОСТ 11305.910–80
4.	DD4- DD6	Микросхема	КР580ВА86	3	ГОСТ 11305.910–80
5.	R1 — R5	Резистор	Резистор С2–33Н — 0,125–1,5кОм — ±5 %	5	АБШК.434110.046 ТУ
6.	Е1 — Е3	Резисторная сборка	НР1–19 -3–10кОм — ±2 %	3	ОЖО.467.416 ТУ
7.	С1	Конденсатор керамический	К10–17А — 8 нФ — ±5 %	1	ОЖО.460.172 ТУ
8.	С2	Конденсатор керамический	К10–12пФ — ±1пФ — П33	1	ГОСТ 25814–83
9.	Q1	Кварцевый резонатор	РК374 МД — 22500 6 В С	1	ГОСТ 21712
10.	DD7	Микросхема	К555ЛН1	1	ГОСТ 23622–79
11.	VD1	Диод	Д206	1	ГОСТ 18986.4–73
12.	S1	Кнопка	MB2400	1	ГОСТ 31.0101.01–89

Память является одним из основных структурных элементов любой ЭВМ. Микросхемы памяти представляют собой функционально и конструктивно законченные микроэлектронные изделия, предназначенные для реализации оперативных (ОЗУ) и постоянных (ПЗУ) запоминающих устройств. ПЗУ предназначено для хранения программ, констант и осуществляет только чтение данных. Отличительной особенностью ПЗУ является хранение информации без поступления питания. ОЗУ энергозависимый тип памяти, предназначен для оперативных задач чтения и записи информации. Основной способ использования такого типа памяти заключается в хранении в ней входных\выходных и промежуточных данных, обрабатываемых процессором и хранение машинного кода.

Одной из составляющих схемы является ПЗУ. Микросхема КР556РТ17 представляет собой электрически программируемое постоянное запоминающее устройство емкостью 4 кбит (512x8), с тремя состояниями на выходе. Время выборки адреса: tA(A)=50 нс.

Тип микросхем	Емкость, бит	tA(A), нс	, мВт	Тип выхода	Исходное состояние	Тип корпуса
КР556РТ17	512х8	50	900	ТТЛ-3	1	239.24─2

ОЗУ предназначено для временного хранения данных. Микросхема К537РУ6А представляет собой статическое оперативное ЗУ емкостью 4 Кбит (4Кх1) со схемой управления. Управляющие сигналы имеют следующие назначения: — информационный вход, - выбор микросхемы, - вход сигнала «запись-считывание» [1, с 282].

Тип микросхем	Емкость, бит	,нс	,нс	, нс		, мВт	Условное графическое обозначение	Тип корпуса
К537РУ6А	4Кх1	340	220	20	220	40(0,25)	Рис.5	427.18─2

Стоит отметить что, модуль связи с оператором имеет ключевое значение в микропроцессорной системе. Устройство связи с оператором состоит из устройства ввода — клавиатуры и устройства вывода — светодиодных индикаторов. Клавиатура выполнена в виде матрицы дискретных механических контактов, а блок индикации — в виде одного семисегментного светодиодного индикатора АЛС320В. Подключение этих устройств к магистралям ЭВМ целесообразно выполнить с помощью большой интегральной схемы параллельного интерфейса КР580ВВ55.

Программируемый периферийный адаптер (ППА) КР580ВВ55 представляет собой три канала ввода/вывода A, B и C по 8 бит каждый. Существует три режима работы микросхемы. В режиме 0 три упомянутых канала могут быть независимо друг от друга запрограммированы на ввод или вывод информации. Режим 1 позволяет передавать информацию по каналам A и B, используя отдельные биты канала C для управления обменом данными. В режиме 2 канал A приобретает свойство двунаправленной шины, управляемой опять же отдельными битами канала C. Кроме того, возможны установка и сброс отдельных битов канала C. Микросхема выпускается в 40-выводном DIP-корпусе.

Основные особенности микросхемы:

– 3 канала ввода/вывода, 8 бит каждый;

– 3 режима работы (1 — статический ввод/вывод, 2 — тактируемый ввод/вывод, 3 — двунаправленный ввод/вывод);

– раздельное программирование каждого канала на ввод или вывод.

В эту схему можно включить АЛС320В — одноразрядный цифробуквенный индикатор с высотой цифры 5 мм. Индикатор АЛС320В изготавливается на основе светодиодных эпитаксиальных структур галлий-фосфор. Данный индикатор предназначен для визуальной индикации.

Индикатор имеет семь сегментов, излучающих свет при воздействии прямого тока.

Различные комбинации сегментов, обеспечиваемые внешней коммутацией, позволяют воспроизвести цифры от 0 до 9. Выпускаются в пластмассовом корпусе.

Масса не более 0,3 г. Тип прибора определяется по цвету корпуса и цветным точкам.

Для индикатора АЛС320В:

1. цвет корпуса — зеленый;
2. цветные точки на корпусе — одна белая.

В системе можно использовать простую не кодирующую клавиатуру, состоящую из 8 функциональных клавиш в виде кнопок-контактов. Будем использовать параллельный ввод.

Алгоритм определения активности той или иной клавиши: в нажатом (активном) состоянии клавиши на контакт ППА, к которому эта клавиша подключена, будет поступать логическая единица, соответственно при не нажатой клавиши будет поступать логический ноль. Таким образом, при периодическом сканировании канала, к которому подключена клавиатура, система будет реагировать в соответствии с программным алгоритмом, активированным нажатой клавишей.

Клавиатура будет подключена к выходам КВ0-КВ7 канала В, программируемого периферийного адаптера, так как количество выводов канала соответствует количеству выводов клавиатуры.

При программно-управляемом вводе/выводе все связанные с этим действия выполняются процессором, по его инициативе. Процессор выполняет программу, которая в простейшем случае содержит команду ввода или вывода, и, получив такую команду, выполняет ввод или вывод.

Для подключения цифрового датчика используем канал А ППА, для подключения ЦАП используем канал В ППА.

Как и обращение к памяти, операции ввода/вывода также предполагают наличие некоторой системы адресации, позволяющей выбрать одно из УВВ и соответственно одно из внешних устройств (ВУ). Адресное пространство ввода/вывода может быть совмещено с адресным пространством памяти или быть выделенным. Принято наглядно изображать распределение адресного пространства ЭВМ в виде графической схемы, называемой картой памяти. Соответственно ЭВМ может иметь одну (совмещенную) карту памяти или две (раздельные) карты, как в разрабатываемой системе.

Адресное пространство задается системным контроллером с помощью формирования на ШУ разных сигналов записи/чтения для памяти и УВВ, а адресация устройств в выбранном адресном пространстве с помощью ША. Для обращения к УВВ, применяются специальные команды. В общем случае можно разделить шины для работы с памятью и шины ввода/вывода, что дает возможность совмещать во времени обмен с памятью и ввод/вывод. В микропроцессорах и микроконтроллерах малой разрядности предназначенных для решения задач управления используется общая система шин для памяти и УВВ.

Микропроцессорные устройства используются практически во всех областях человеческой деятельности, имеют самое разнообразное назначение и выполняют различные функции. При всем многообразии конкретных функций общими функциями МПУ являются управление устройствами ввода и вывода, обработка и преобразование информации.

Литература:

1. Хвощ С. Т., Варлинский Н. Н. Попов Е. А. “Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления” справочник,1987
2. Лебедев О. Н., Мирошниченко А. И., Телец В. А.. “Изделия электронной техники. Микросхемы памяти. ЦАП И АЦП”.М., “Радио и связь”, 1994
3. Иванов В. И., Аксенов А. И., Юшин А. М., “Полупроводниковые оптоэлектронные приборы”, справочник, М., “Энергоатомиздат”, 1988