Раздел1. Арифметические и логические принципы

Раздел1. Арифметические и логические принципы

Работы цифровых интегральных схем и микропроцессоров

Лекция 1. Введение. Основные задачи.

Основное содержание курса. Перечень лабораторных работ.

Курсовой проект. Список литературы

Общеизвестно, что в настоящее время большинство изделий РЭС, вычислительных систем, систем передачи и обработки информации выполняются на устройствах цифровой техники либо полностью, либо частично. В качестве основной элементной базы упомянутых изделий и систем являются цифровые интегральные схемы различной степени сложности, наибольшее распространение среди которых получили микропроцессоры и микроконтроллеры , использование которых приводит не только к повышению технико-экономических показателей изделий (стоимости, надёжности, потребляемой мощности, габаритных размеров) и позволяет многократно сократить сроки разработки и отодвинуть сроки “морального” старения изделий, но и придаёт им принципиально новые потребительские качества (расширенные функциональные возможности, модифицируемость, адаптивность и т.д.).

На современном этапе к радиоинженеру как разработчику микропроцессорных РЭС и систем автоматизации технологических процессов производства РЭС предъявляются требования, не только глубокого знания особенностей работы РЭС, но и специфики применения микропроцессоров (МП) и микроЭВМ (МЭВМ) в РЭС, а также современных средств программирования и приёмов совместной настройки аппаратной и программной частей микропроцессорных систем (МПС).

Цель преподавания дисциплины.Изучение основ проектирования микропроцессорных РЭС и систем автоматизации технологических процессов производства РЭС, специфики применения МП и МЭВМ в РЭС, а также современных средств программирования и отладки программ, приёмов совместной настройки аппаратной и программной частей МПС.

Основными задачами, которые ставятся при изучении данной дисциплины, является:

- изучение принципов построения и работы различных МПС и конкретно на базе МП К1821ВМ85А (Intel 8085А ) с необходимой “обвязкой” из БИС для построения МПС , которая послужит основой при выполнении курсового проекта;

- ознакомление с перспективными направлениями развития МП техники;

- знать структурную организацию МПС на базе различных МП и МК;

- знания элементной базы этих систем (кроме МП ещё нужны БИС памяти, ввода-вывода и т.д.);

- приобретение навыков в составлении и отладки простейших программ для этих систем с использованием языков Ассемблера и машинных кодов.

- знать основные характеристики и области применения наиболее популярных МП и МК.

Основные темы и вопросы, которые будут рассмотрены на лекциях:

- основные сведения о ЦИС малой степени интеграции и таких БИС как МП и МК (и наиболее конкретно МП 1821ВМ85А как наиболее простой для изучения объект, который до сих пор выпускается некоторыми фирмами и используется в аппаратуре где его возможностей хватает);

- представление информации в ЭВМ;

- арифметические и логические принципы работы МП.;

- триггеры, как элементы памяти МПС;

- типичная структура МПС;

- типы архитектур МПС;

- структура и функции современного процессора;

- архитектура однокристального восьмиразрядного МП;

- форматы данных и команд микропроцессоров и микроконтроллеров;

- выполнение 3-х байтной команды в однокристальном МП;

- система команд восьмиразрядного МП;

- организация временных задержек программным способом;

- организация ввода-вывода в МПС;

- запоминающие устройства МПС;

- восьмиразрядные микроконтроллеры и принципы их построения;

- средства разработки и отладки устройств на микроконтроллерах (программные симуляторы. внутрисхемные эмуляторы, внутрисхемное программирование и отладка);

- популярные семейства 8-разрядных МК: МК фирмы Microchip (PIC 16F84), МК фирмы Intel (8051), МК фирмы Motorola (МС 68НС 908);

- архитектуру и систему команд этих МК;

- основные этапы разработки систем на базе МП и МК

При изучении курса мы не будем ставить своей целью рассматривать такие мощные и универсальные МПС как ПК. Наша цель несколько иная: рассмотрение МПС, встраиваемых в различные приборы, бытовую технику и “растворенных” в ней. Как увидим, такие системы строятся на базе МП (и МК) небольшой разрядности, большей частью 8-разрядных. Основная цель: в течение этого семестра выполнить курсовой проект.

Лабораторные занятия будут посвящены, в основном, знакомству с архитектурой 8-разрядной ЭВМ и составлению и отладке программ на языке Ассемблера для этой ЭВМ. Мы научимся составлять простейшие программы на языке Ассемблера для 8- разрядного МП, отлаживать их с помощью программных средств и вручную на уровне ячеек памяти. Знакомство с работой такого простейшего МП и ЭВМ на его основе даст достаточно полное представление о работе любого сложного МП и послужит основной для выполнения курсового проекта.

В процессе изучения теоретического материала предусмотрен контроль знаний в виде небольших заданий во время проведения лекций. В конце семестра мы проведём конференцию по теме курса.

Курсовой проект предусматривает разработку функциональной (или принципиальной) схемы МПС для автоматизации некоторого технологического процесса. Лекционного материала для выполнения курсового проекта будет , в основном, достаточно, темы будут предложены. Возможны индивидуальные темы, по согласованию со мной, которые могут в последствии быть и темой дипломного проекта. Таккие темы, как правило, несколько выходят за рамки вопросов, которые мы будем рассматривать на лекциях, но это для отдельных лиц.

В основном для построения МПС будет предложено использовать МП К1821ВМ85А (Intel 8085А) , МК PIC16F84А (К1878 - российский “PIC”) фирмы Microchip или МК фирмы Intel (8051), так как они наиболее полно описаны в отечественной литературе. Следует сказать, что МК PIC16F84А пользуется наиболее высокой популярностью в России. МП К1821ВМ85А сильно устарел, практические схемы с его использованием уже редкость, но для получения первого опыта программирования он вполне подойдёт, к тому же он до сих пор используется в некоторых отечественных разработках.

Курс базируется на знаниях дисциплин «Электротехника», «Схемотехника электронных средств» .

 

Литература

Основная:

1. Микропроцессорные системы: учебное пособие для ВУЗов под редакцией Д.В. Пузанкова, Спб. Политехника, 2002 г. – 935 с

2. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. С. Петербург, 2001 г.

3. Ю.В. Новиков, П.К. Скоробогатов Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М. 2003 г.

4. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника. М.. Горячая линия, 2002,768 с.

Дополнительная:

1. С.В.Тюрин, В.А.Кондусов, А.В.Турецкий. Элементы проектирования МПУ и систем. Учебное пособие. Воронеж. гос. техн. ун-т, 2006,89 с.

2. Бойко В.И. и др. Схемотехника электронных систем. Микропроцессоры микроконтроллеры. Спб. 2004 г. – 464 с.

3. Корнеев В.В., Киселев А.В. Современные микропроцессоры. Спб: БХВ-Петербург, 2003 – 448 с.

4. Григорьев В.А. Программирование однокристальных микропроцессоров. М.: Энегроатомиздат 1988.

5. Балашов Е.П., Пузанков Д.В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы М.: Радио и связь, 1981 – 328 с.

6. Гилмор. Введение в микропроцессорную технику. Перевод с английского. М.: Мир 1984

7. Программирование МПС под редакцией В.Ф. Шаньгина. М., 1990г.

8. Сташин В.В.и др. Проектирование цифровых устройств на однокристальных МК. М.,Энергоатомиздат,1990г.

9. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Т 1-13. М.: Радиософт, 1999 (т 1 классификация, условные обозначения типов, габаритные размеры корпусов, особенности применения и основные параметры).

10. Нефедов и др. Зарубежные интегральные микросхемы. Справочник/А.В. Нефедов, А.М. Савченко, Ю.Ф. Феоктистов. Под редакцией Ю.Ф. Широкого. – М..: КУбК-а,1996,288с.

11. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам «ЦИС и МП» № 676 - 2005, составители В.А. Кондусов, В.И. Кравченко.

12. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «ЦИС и МП» № 674 – 2005 составители В.А. Кондусов, В.И. Кравченко.

13. Кучугумов А.И. Электроника и схемотехника: Уч. пос.М., Гелиос, 2005

14. Токхейм Р. Основы цифровой электроники .Пер с англ.1988.М.Х.

15. Джонс. Электроника –прктический курс. Пер с анг М., 1999г.

16. Новожилов О.П Основы цифровой техники 2004

17. . Новожилов О.П Основы микропроцессорной техники 2007 (т1)

18. . Новожилов О.П Электротехника и электроника 2008

 

 

1.1. Основные причины появления микропроцессоров и их развитие.

 

Прежде чем рассматривать этот вопрос вспомним, когда появился первый транзистор, первые интегральные микросхемы (МС), чтобы проследить динамику развития МП техники. Транзистор изобретен в 1948 году американцами (У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. Первые зарубежные лабораторные образцы простейших ИМС (триггера и генератора) были созданы в США в 1958 году (фирмой Texas Instruments). В 1961 были выпущены серийные логические ИС (регистр и триггер, содержащий 4 биполярных транзистора и два резистора). В 1962 году появились первые аналоговые ИС серии SN52 (маломощный усилитель НЧ, операционный усилитель и видеоусилитель).

Радикальное изменение принципов создания ИМС произошло после разработки фирмой Fairchid в 1960 году планарной технологии создания полевых транзисторов.

Транзистор с р-n – переходом появился в 1957 году. МОП транзистор в 1962 г. В начале 70-х годов появилась много вариантов схемотехнических и физических принципов, идей и технологических процессов (методов), используемых для создания схем ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ – схемы, р - МОП, n – МОП, КМОП схемы и их усовершенствование. Т.е. конец 60-х годов – начало 70-х характеризуется бурным развитием полупроводниковой электроники.

Технология изготовления п/п БИС таких как калькуляторов, ЗУ была уже достаточно высокой, позволяющей создавать как запоминающие так и обрабатывающие БИС с высоким уровнем интеграции (3000 и более компонентов в кристалле _˜ 65 мм²). Повышение уровня интеграции компонентов в кристалле привело к снижению степени универсальности функционирования обрабатывающих БИС и сделало их более специализированными. Вследствие этого появилось большое количество разнотипных заказных БИС, предназначенных для выполнения конкретных функций обработки и управления.

Толчком к появлению МП явилась конкурентная борьба между производителями РЭА. Высокая стоимость и длительный срок разработки каждого типа БИС обусловили стремление разработчиков по возможности сократить число типов БИС. Сокращение числа типов БИС потребовало перехода от специализированных заказных БИС к многофункциональным или универсальным БИС. Так возникла идея создать МС, которые имели бы единую внутреннюю архитектуру, а функционирование их определялось бы программой, составленной под каждое конкретное изделие. Наличие таких МС сократило бы и удешевило разработку, а также дало бы существенный выигрыш в борьбе с конкурентами, их не использующими. Разработкой МС подобного назначения занялись несколько американских фирм.

В 1971 году одна из них (фирма Intel) объявила о рождении новинки – МПi4004. Первый МП представлял собой 4-рязрядное вычислительное устройство с 2300 транзисторами и выполнял всего лишь 4 арифметических операции, по 10 мкм технологии с тактовой частотой fт = 108 КГц. Поначалу применялся в карманных микрокалькуляторах, позднее в системах управления, в частности в светофорах. Это было первое поколение МП.

Создание этого МП явилось поистине революционным событием, открывшим путь к созданию искусственных интеллектуальных систем вообще и персонального компьютера, в частности.

В 1972 году фирма INTEL выпускает 8-разрядный МП i8008с адресацией внешней оперативной памяти 16 кБ. Неожиданный успех этого МП подтолкнул разработчиков к новым изысканиям. В 1974 году фирма INTEL выпускает МП i8080, который мог адресовать 64 кБ оперативной памяти. Для того времени – это была революция. Он начал выпускаться миллионными тиражами (сотнями миллионов) (по сравнению с i8008 производительность выросла в 10 раз). Это был самый удачный 8-разрядный МП. В СССР его аналог (К580ВМ80А) появился в 1978 году, стоил 400 долларов. На базе этого МП появилось большое количество первых ЭВМ. Его архитектура и система команд оказались настолько удачными, что спустя многие десятилетия после его появления он не кажется архаичным.

В 1976 году фирма INTEL немного усовершенствовала этот МП и выпустила его под названием i8085 (у нас К1821ВМ85А, описан у Угрюмова «Цифровая схемотехника»). На этом МП разработка 8-разрядных МП фирмой INTEL была завершена (шло его производство).

Очередной революционный процессор i8086появился в 1978 году: 20-ти разрядная ША, 29 тыс. транзисторов, 1 МБ оперативной памяти, 3мкм технология. Более дешевая версия этого МП i8088 стала применяться фирмой IBM для первых ПК. Остальные разработки МП фирмой INTEL сведем в таблицу, которую самостоятельно необходимо заполнить (ресурсы интернет).

 

Разработки МП других фирм

Мы проследили историю развития МП на примере МП, выпущенных фирмой INTEL.Но фирма INTEL не единственная, кто занимается производством МП. Коротко… Когда фирма INTEL создала свой первый МП, многие фирмы в то время взялись… Справедливости ради следует также сказать еще об одном превосходном 8-разрядном МП Z80фирмыZILOG, созданной в 1977…

Конец 80-х годов. Конкурентная борьба на рынке производства МП и поиск пути повышения производительности МП привели ряд фирм к созданию МП с так называемой RISC – архитектурой или МП с сокращенным набором команд. Противовес господствующей стратегии, положенной в основу CISC – архитектуру: «короткая программа – длинная команда» в RISC – архитектуре была сформулирована совершенно новая стратегия: «длинная программа – короткая команда».

Основной принцип, положенный в основу процессоров RISC:

- любая операция должна выполняться за один такт

- операции обработки данных реализуются только в формате “регистр – регистр”

- система должна содержать минимальное число часто используемых простейших команд.

Набор наиболее употребляемых команд (сокращенный набор) определился в результате статистического анализа большого числа программ для основных областей применения МП. Простота структуры и небольшой набор команд позволяет организовать эффективный конвейер при выполнении программ, поэтому RISC процессоры в два раза работали быстрее, имеющих ту же тактовую частоту CISC процессоров с обычной системой команд и значительно производительней последних, несмотря на большей (в среднем на 30%) объем программы. RISC процессоры, как реальная альтернатива процессором семейства Х86, это продукция альянса Apple – IBM – Motorola, объединенных общим названием POWER – PC (1991год). Был создан POWER – PC 601 – 32-разрядный МП. На его основе создан ПК: Power – Macintosh, но этот МП не совместим с многими программами для семейства Х86 и это серьезный фактор, который сдерживает его применение.

Фирма INTEL в 1989 году также начала выпускать МП с RISC – архитектурой (16 – и 32-разрядные: i980, i376) и частично применять RISC - архитектуру и другие усовершенствования своих процессорах. Н-р в процессоре i80486 уже частично была применена RISC – архитектура и по сравнению с чисто CISC МП 80386 производительность поднялась в два раза.

Необходимо отметить, что МП с чисто RISC – архитектурой и ПК, созданные на их основе в первое время большого распространения не получили. Например Power – PC завоевал пример 10% рынка, а остальные 90% принадлежало наследникам 8086 вплоть до конца 2000 года. Широкое распространение последних связано в первую очередь с гигантским объемом программного обеспечения, совместимого с Х86 (Радио №10, 1997 с.31). Это обстоятельство позволило корпорации INTEL прочно удерживать первое место в мире по объему выпуска процессоров.

Начиная примерно с середины 1999 года сравнительно молодая фирма AMD (Advanced Micro Device) вышла на второе место в мире по выпуску МП, а впервые в мире начала выпуск процессора седьмого поколения К7, которому дано имя Athlon(в переводе с греческого «победитель»). Основа AMD Athlon – высокопроизводительная RISC процессор полностью совместимый с семейством Х86. Тестирование (первый квартал 2000 года) МП Athlon (1 ГГц) и Pentium III (1 ГГц) привели к тому, что первый опережал на 10 – 20%, т.е. примерно одинаковая производительность, но себестоимость Athlon в 1,5 – 2 раза ниже, особенно это ощутимо на “облегченной” версии Athlon – МП AMD «DURON», поэтому AMD на сегодняшний день является видимо самым грозным конкурентом фирмы INTEL.

В то время казалось, что недалек тот день, когда CISC процессоры уйдут в прошлое. Однако ожидаемого «вымирания» CISC процессоров так и не произошло, видимо это уже и не случится, тому несколько причин:

· Первая: преимущество в производительности, хотя и находящееся на стороне RISC систем, не столь уж велико, чтобы оказаться определяющим фактором. Еще более убедительным фактором может служить следующее. Power – PC 604-120 в течение полугода превосходил по производительности любой из Intel – совместимых процессоров. Только появившийся в 1996 году Pentium66 сумел превзойти его.

· Вторая: способствующая выживанию Х86 – жесткая конкурентная борьба среди производителей класса этого семейства, вследствие чего быстродействие этих процессоров повышалось и продолжает повышаться до сих пор теми же темпами, что и у RISC процессоров. Все процессоры INTEL начиная с пятого поколения в своем составе содержат устройства, преобразующие каждую команду Х86 в одно – четыре простые и регулярные команды внутреннего RISC процессора. Словом при всех различиях RISC и CISC – процессоры становятся все более и более похожими друг на друга.

· Третья причина: “бессмертие” семейства Х86 – давление миллионов разработанных для компьютеров с этими процессорами программ на рынок. Любой процессор, который претендует на то, чтобы вытеснить Х86 со сцены, должен выполнять команды Х86 без потери производительности. Если учесть, что программно-аппаратная эмуляция снижает производительность в несколько раз, то выбор однозначен – процессор должен выполнять команды Х86, а не эмулировать их.

· Четвертая причина состоит в том, что 90% сегодняшних пользователей компьютеров работают с CISC – системами, конкретнее – системами с процессорами клонов Х86. Переход с одной платформы на другую вызовет немало проблем: финансовых (необходимо приобретать новое ПО), психологических (переучиваться и привыкать: для этого должны быть достаточно веские мотивы).

Говоря о ближайших перспективах развития МП можно сказать, что различия между CISC и RISC – архитектурами должны в конце концов привести к их слиянию. Такой гибрид станет основой ПК и возможно только серверы будут на «чистых» RISC – процессорах. Однако совместные разработки INTEL и Hewlett Packard могут привести к тому, что и те и другие процессоры окажутся устаревшими и их создатели приступят к производству изделий на основе концепции VLIW (если она окажется способной дать толчок росту производительности процессоров).

 

 

Однокристальные микроконтроллеры (или однокристальные МЭВМ)

Фирма INTEL еще известна тем, что здесь появился не только первый МП, но и первая однокристальная МЭВМ или МК. Однокристальный МК представляет собой… - система команд ориентирована на выполнение задач управления и регулирования… -данные, с которыми оперирует МК, не должны иметь большую разрядность;

Место и роль микропроцессорной техники в НТП общества.

Возможности применения МП и МЭВМ безграничны. Перечислим лишь небольшую часть направлений, где они применяются сейчас: 1.Системы автоматизированного проектирования (САПР). - САПР дает возможность многократно ускорить разработку чертежей деталей и узлов, и проектирование готовой…

В системах диагности и контроля РЭС

АСК строятся, как правило, на основе измерительных приборов, содержащих МП и снабженных (или дополненных) интерфейсной картой (шиной), позволяющей… На автоматизированные системы контроля возлагаются задачи поиска… Проникновение МП в измерительную технику улучшило многие характеристики средств измерений, придало им новые свойства,…

Классификация микропроцессоров.

 

1. По разрядности: МП с фиксированной разрядностью, МП с наращиваемой разрядностью (секционированные). 580 МП - это 8-ми разрядный МП с фиксированной разрядностью, с фиксированной системой команд, которую изменить нельзя, а можно лишь изучить ее. 2-ой тип МП с различными секциями 2р-2р-2р (К 1804), но при этом возникает трудность управления, и наиболее подходят микрокоманды (простейшие). Такая система ранее использовалась в спец. назначении, там, где нужно было повысить быстродействие.

2. МП и другие МП БИС из программируемой логики можно также классифицировать по технологии изготовления.

 

 

ТИП СХЕМЫ	БЫСТРОД.	РАССЕИВ. МОЩНОСТЬ
РТЛ
ДТЛ
ТТЛ
ТТЛ-Ш
ЭСЛ
Р-МОП
П-МОП
К-МОП
И2Л

РТЛ - низкое быстродействие, ДТЛ, ТТЛ (Т²Л) - наибольший бум в электронике дов. быстр., МОП, К-МОП - чрезвычайно малое потребление энергии.

 

Лекция №2

 

Основные определения курса.

 

 

Аналог или цифра?

  • Сигнал - это любая физическая величина (например, температура, давление… •Изменению в сигнале могут подвергаться следующие параметры:

Виды дискретных (цифровых) электрических информационных сигналов.

•Дискретные сигналы могут быть постоянного и переменного токов.   •Идеальный однополярный дискретный сигнал постоянного тока (информационным параметром является амплитуда сигнала):

Соглашения о двоичной форме представления информации электрическим сигналом постоянного тока.

•В природе не существует истинных дискретных процессов и явлений, поэтому в качестве дискретных сигналов используются аналоговые сигналы, но специальной формы.

Любой цифровой элемент, в конечном счете, реализуются на аналоговых приборах и свойства этих цифровых элементов во многом определяются свойствами электро-радио элементов, на основе которых реализуется схема.

Аналоговый сигнал любой формы характеризуется дрейфом, который обусловлен статической и динамической неустойчивостью параметров электро-радио элементов, преобразующих или формирующих данный аналоговый сигнал.

При цифровой форме представления информации, с целью обеспечения любой, наперёд заданной точности в области существования цифрового сигнала (по напряжению или току) вводятся специальные зоны, значение сигналов в которых считаются либо равнозначным (разрешенные зоны), либо не имеющими однозначного толкования (запрещённые зоны). Понятие запрещённой зоны не означает, что в запрещённых зонах физически не существует тока или напряжения. Речь идёт о некоторых соглашениях (договоренностях) среди разработчиков цифровой аппаратуры о том, как должны интерпретироваться те или иные значения токов или/или напряжений сигналов в реальных цифровых устройствах.

Введение разрешённых и запрещённых зон эквивалентно введению информационной избыточности в аналоговый сигнал, который принимается за дискретный. Именно этим достигается высокая достоверность цифровой обработки информации, но одновременно уменьшается и информационный объём дискретных сообщений.

Количество запрещённых и разрешённых зон в дискретном сигнале может быть произвольным, но однозначно согласуется с выбранной системой счисления. При этом каждой из разрешённых зон присваивается некоторое цифровое значение и выбранной системы счисления.

При современном уровне развития электроники компромисс между желаемым и возможным реализован на двоичном представлении цифровой информации, причём не потому что это оптимально, а потому что по другому не получается. При двоичном представлении выделяют две разрешённых зоны, одну запрещённую зону и две дополнительные зоны – зоны допустимых помех.

• Типичная форма аналогового сигнала, принимаемого за дискретный сигнал, представлена на рисунке:

min

U_пор. – напряжение порога.

U_п – напряжение питания.

•Скорость нарастания фронта и среза аналогового сигнала при прохождении запрещённой зоны должна превышать некоторую заданную величину, значение которой однозначно связано с быстродействием электронной схемы, реализующей преобразование такого сигнала. В противном случае возможно возникновение помех.

•Различают статическую и динамическую помехоустойчивость цифровых элементов.

•При определении статической помехоустойчивости не учитываются временные параметры помехи, т.е. время действия помехи считают существенно превышающим время переключения цифрового элемента.

•Если длительность действия помехи сравнима с временем переключения цифрового элемента, то это динамическая помехоустойчивость.

 

•В ЭВМ широко применяют два способа физического представления сигналов: импульсный и потенциальный. При импульсном способе пред­ставления сигналов единичному значению некоторой двоичной пере­менной ставится в соответствие наличие импульса (тока или напряже­ния), нулевому значению — отсутствие импульса (рис. 3.1, а). Дли­тельность импульсного сигнала не превышает одного такта синхроим­пульсов.

•При потенциальном или статическом представлении сигналов единичное значение двоичной переменной отображается высоким уровнем напряжения, а нулевое – низким уровнем (рис.3.1,б. Пятибратов, с.66)

 

Рис. 3.1. Представление информации в ЭВМ: а '— импульсные сигналы; б — потенциальные сигналы

 

• основные параметры импульсных сигналов

 

 

 

•В соответствии с принятыми соглашениями различают два типа логики:

 

Положительная и отрицательная логика

 

• Логика называется положительной, если высокий потенциал отображает единицу, а низкий, – ноль. Если наоборот, высокий потенциал отображает ноль, а низкий, – единицу, то логика называется отрицательной. Данное правило называют логическим соглашением. • Самым важным следствием применения отрицательной логики является то, что при переходе от положительной логики к отрицательной функция И превращается в ИЛИ, и наоборот

 

 

· Микросхема (интегральная микросхема) – неделимое твердотельное электронное изделие с высокой плотностью упаковки электрически соединенных элементов, реализующих функции транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т.д., которое предназначено для выполнения определенных операций в электронных устройствах и ЭВМ (ПС с.194, Тарабрин.с5 )

· Степень интеграции интегральной микросхемы – показатель степени сложности микросхемы, характеризующийся числом содержащихся в ней элементов и компонентов.( Тарабрин.с5) . Различия в уровнях интеграции делят ИС на:

МИС 1-100 элементов на кристалл (простейшие логические

преобразователи);

СИС 101-1000 элементов на кристалл (малоразрядные регистры, счётчики, дешифраторы. сумматоры и т.д. Номенклатура СИС широкая, так как они не универсальны; в некоторых сериях сотни типов СИС);

БИС 10001-10000 элементов на кристалл

СБИС > 10000 элементов на кристалл (аналоговые СБИС >300 элементов на кристалл ).

БИС и СБИС могут содержать миллионы ЛЭ на кристалле, как правило с программируемой логикой, и поэтому они являются универсальными и дешёвыми, в противном случае (жёсткая логика) их цена была бы огромна. Наиболее ярким представителем СБИС являются МП и МК.

· Аналоговая интегральная микросхема – интегральная микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов по закону непрерывной функции (т.е. микросхема с линейной характеристикой – линейная микросхема, широко применяются в автоматике, технике связи, электронных приборах различного назначения. Пример: операционный усилитель К140УД8 , мощ. усил. ТDA и т.д)

· Цифровая интегральная микросхема – интегральная микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции (частным случаем цифровой микросхемы является логическая микросхема. (триггеры, счетчики, мультиплексоры, БИС памяти микропроцессоры, микроконтроллеры и т.д.).

· Система. В общем случае это что-то целое, составленное из частей, закономерно связанных друг с другом и предназначенное для выполнения определенных функций. В нашем случае – это множество элементов (узлов, приборов и т.п.), связей между ними, образующих некоторую целостность (ПС. с.478)

· Электронная система – в данном случае это любой электронный узел, блок, прибор или комплекс, производящий обработку информации.

· Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом микропроцессорных: микропроцессора и/или микроконтроллера.

· Цифровое устройство – устройство, предназначенное для приема, обработки и выдачи цифровой информации. Включает в себя интегральные схемы различной степени интеграции (Бойко В.И. и др. Схемотехника ЭС. Цифровые устройства с.59)

· Микропроцессорное устройство (МПУ) представляет собой функциональное и конструктивно законченное изделие, состоящие из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определенного набора функций: получения, обработка, передача, преобразование информации и управление.

· Микропроцессорная техника включает технические и программные средства, используемые для построения различных МПС.

· Под микропроцессором (МП) будем понимать программно-управляемое устройство, осуществляющие процесс обработки цифровой информации и управление им и построенное, как правило, на одной БИС.

· Задача – это набор функций, выполнение которых требуется от МПС.

· Быстродействие – это показатель скорости выполнения электронной системой ее функций.

· Гибкость – это способность системы подстраиваться под различные задачи.

· Избыточность – это показатель степени соответствия возможностей системы решаемой данной системой задачи.

· Интерфейс – соглашение об обмене информацией, правила обмена информацией, подразумевающие электрическую, логическую и конструктивную совместимость устройств, участвующих в обмене. Другое название – сопряжение.

Можно дать несколько другое определение интерфейсу, которое поможет несколько глубже понять это слово: интерфейс – совокупность линий, шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов, предназначенных для осуществления обмена информацией между устройствами, т.е. это совокупность аппаратных и программных средств.

· Микроконтроллер (МК) или микроЭВМ (МЭВМ) – устройство, выполненное конструктивно в одном корпусе БИС, содержащем все компоненты МПС: процессор, память данных, память программ, программируемые интерфейсы. Термин «микроконтроллер» постепенно вытесняет из употребления термин «однокристальная микроЭВМ».

· Микропроцессорная серия БИС – серия интегральных микросхем (ИМС), в состав которой входят одна или несколько БИС.

· Серия интегральных микросхем – совокупность различных по функциональному назначению МС, предназначенных для совместного применения и имеющих единое конструктивное исполнение.

· Микропроцессорный комплект БИС – совокупность микропроцессорных БИС и др. интегральных МС, совместимых по конструктивному исполнению, электрическим параметрам и обоспечивающих возможность совместного примения в конкретной МПС.

· Память – функциональная часть МПС (ЭВМ), предназначенная для хранения информации (и ее выдачи в кодовой форме).

· МикроЭВМ – это ЭВМ, построенная с использованием микропроцессорного комплекта (или МК) и представляющая собой совокупность МП, памяти и средств связи с внешними объектами с помощью интерфейса (имеет небольшие размеры, микрокомпьютер).

· МикроЭВМ могут быть встраиваемые и автономные.

· Автономная микроЭВМ (микрокомпьютер) – это законченное конструктивное исполнение с источником питания, пультом управления и средствами отображения информации (МЭВМ на столе, меньше ноутбука, микрокомпьютер, наладонная).

· Встраиваемая МЭВМ не имеет своего источника питания, пульта управления и т.д. (“растоворена” в устройстве, аппарате).

· МЭВМ могут быть одноплатные (с использованием МП комплекта) и однокристальные (с использованием МК: 1816, PIC и т.д.)

 

 

Сравнительная оценка цифровых и аналоговых устройств микроэлектронной техники

- аналоговые (непрерывные), - дискретные (прерывистые (или цифровые). · Решая вопрос о построении или проектировании, какого либо устройства, следует предварительно принять решение о…

Традиционная цифровая электронная система обработки информации

   

Микропроцессорная система обработки информации

   

Общая характеристика цифровых микросхем

· Цифровые микросхемы предназначены для обработки, преобразования и хранения цифровой информации. Выпускаются они сериями. Внутри каждой серии… · Микросхемы, входящие в состав каждой серии, имеют единое… · Основой каждой серии цифровых микросхем является базовый логический элемент. Как правило, базовые логические…

Система условных буквенно-цифровых обозначений ИМС

  Рис. 2.6. Обозначения отечественных микросхем

КР155ЛА3

обозначает полупроводниковую (цифра 1) ИМС серии 155 широкого применения (символ Кпрефикса), размещенную в пластмассовом корпусе типа 2 (символ Рпрефикса), реализующую логическую операцию И-НЕ (ЛА), третья разработка данного типа в составе серии.

или , КР1533ЛА3, КР531ИЕ17, КР1554ИР47.

 

 

Функциональные подгруппы и разновидности интегральных микросхем.

  Таблица С1. Индекс Функциональное назначение …  

Первая буква

D – с двухрядным параллельным расположением выводов (DIP) S – с однорядным расположением выводов Т – трехрядное расположение выводов

On_load_lecture() Корпуса цифровых микросхем

Рис. 2.8. Примеры корпусов DIL и Flat Корпус с двухрядным вертикальным… Номера выводов всех корпусов отсчитываются начиная с вывода, помеченного ключом, по направлению против часовой стрелки…

Правила оформления схем цифровых устройств

В лекции рассматриваются обозначения цифровых микросхем, их выводов и сигналов на принципиальных схемах, особенности основных серий простейших цифровых микросхем, базовые типы корпусов микросхем, а также принципы двоичного кодирования и принципы работы цифровых устройств.

Требования к построению схем цифровых устройств изложены в соответствующих стандартах. Мы остановимся лишь на некото­рых вопросах, необходимых при синтезе схем.

 

Основные обозначения на схемах

Для изображения электронных устройств и их узлов применяется три основных типа схем:

• принципиальная схема;
• структурная схема;
• функциональная схема.

Различаются они своим назначением и, самое главное, степенью детализации изображения устройств.

Принципиальная схема — наиболее подробная. Она обязательно показывает все использованные в устройстве элементы и все связи между ними. Если схема строится на основе микросхем, то должны быть показаны номера выводов всех входов и выходов этих микросхем. Принципиальная схема должна позволять полностью воспроизвести устройство. Обозначения принципиальной схемы наиболее жестко стандартизованы, отклонения от стандартов не рекомендуются.

Структурная схема — наименее подробная. Она предназначена для отображения общей структуры устройства, то есть его основных блоков, узлов, частей и главных связей между ними. Из структурной схемы должно быть понятно, зачем нужно данное устройство и что оно делает в основных режимах работы, как взаимодействуют его части. Обозначения структурной схемы могут быть довольно произвольными, хотя некоторые общепринятые правила все-таки лучше выполнять.

Функциональная схема представляет собой гибрид структурной и принципиальной. Некоторые наиболее простые блоки, узлы, части устройства отображаются на ней, как на структурной схеме, а остальные — как на принципиальной схеме. Функциональная схема дает возможность понять всю логику работы устройства, все его отличия от других подобных устройств, но не позволяет без дополнительной самостоятельной работы воспроизвести это устройство. Что касается обозначений, используемых на функциональных схемах, то в части, показанной как структура, они не стандартизованы, а в части, показанной как принципиальная схема, — стандартизованы.

В технической документации обязательно приводятся структурная или функциональная схема, а также обязательно принципиальная схема. В научных статьях и книгах чаще всего ограничиваются структурной или функциональной схемой, приводя принципиальные схемы только некоторых узлов.

А теперь рассмотрим основные обозначения, используемые на схемах.

Схема цифрового устройства представляет собой совокупность условных графических обозначений микросхем, на которых ре­ализовано это устройство, и связей между ними.

Все узлы, блоки, части, элементы, микросхемы показываются в виде прямоугольников с соответствующими надписями. Все связи между ними, все передаваемые сигналы изображаются в виде линий, соединяющих эти прямоугольники. Линии и услов­ные обозначения элементов должны иметь одинаковую толщину (0,3...0,4 мм). Входы и входы/выходы должны быть расположены на левой стороне прямоугольника, выходы — на правой стороне, хотя это правило часто нарушают, когда необходимо упростить рисунок схемы. Выводы и связи питания, как правило, не прорисовывают, если, конечно, не используются нестандартные включения элементов схемы. Это самые общие правила, касающиеся любых схем.

Элементы, используемые в разработке, изобража­ются на схемах совмещенным или разнесенным способом. Совме­щенное обозначение представляет собой функциональный вид всех элементов микросхемы, сконцентрированных в одном месте. Раз­несенное обозначение представляет собой отдельные самостоятель­ные элементы цифровой микросхемы, которые могут находиться в разных местах схемы устройства. Это облегчает работу при со­ставлении схемы и ее чтении. Всем элементам присваивается пози­ционное обозначение. В позиционном обозначении отражены вид элемента, порядковый номер корпуса в пределах данного вида и номер используемого элемента из корпуса микросхемы.

Позиционные обозначения проставляют рядом с условными графическими обозначениями элементов с правой стороны или над ними. Если используется разнесенное позиционное обозначение, то порядковый номер корпуса состоит из последовательнос­ти цифр, разделенных точкой. Первая цифра обозначает номер кор­пуса, а вторая — номер использованного элемента в корпусе. На­пример: DD2.3, где DD — интегральная схема; 2 — номер корпуса микросхемы; 3 — номер элемента в корпусе микросхемы.

Условное графическое обозначение (УГО) элемента имеет форму прямоугольника, к которому подводятся линии выводов. Геометрические размеры прямоугольника заранее не определены, они являются вычисляемыми.

 

В самом общем виде УГО цифровых микросхем представляется в виде прямоугольника, в котором выделяют:

 

1- Основное поле

2- Поле для обозначения функционального назначения микросхемы

3- Зоны

4- Дополнительные поля

 

1

2

 

2 3

 

Рисунок 2

 

Рис 7.10

 

 

УГО элемента может содержать три поля: одно основное и два дополнительных.

 

Вверху основного поля указывается (условно) функциональное назначение интегральной микросхемы. Функциональное назначение обозначается англоязычными сокращениями.

В дополнительных полях проставляются специальные метки – это буквенно-цифровые обозначения, которые характеризуют функциональное назначение выводов интегральной микросхемы.

В местах присоединения выводов к УГО проставляются так называемые указатели, характеризующие особые свойства (выводов) сигналов, поступающих (формирующихся) на соответствующих выводах. Эти свойства следующие:

Сигнал: прямой/инверсный

статический/динамический

логический/нелогический

Группы выводов, выполняющие тождественные функции, или группируются в обособленные зоны, или отделяются друг от друга увеличенным промежутком.

Выводы элементов цифровой техники делятся на входы, выходы и двунаправленные выводы. Входы всегда изображаются слева от УГО, выходы справа. Двунаправленные выводы допускается располагать как слева, так и справа. Разрешается поворачивать УГО на 90⁰ по часовой стрелке (входы сверху, выходы снизу).

 

Размеры УГО определяются по высоте в основном количеством линий выводов и количеством интервалов, а по ширине — нали­чием дополнительных полей.

Расстояние между линиями выводов должно быть не менее ве­личины С и кратно ей. Расстояние между горизонтальной сторо­ной УГО, границей зоны и линией вывода должно быть не менее величины С/2 и кратно ей. При выполнении схем вручную С = 5 мм. Размеры УГО по высоте должны быть кратны постоянной величи­не С. В табл. 7.10 представлены наиболее распространенные обозна­чения различных видов входов и выходов элементов.

 

Наименование вывода	Вход	Выход
Прямой статический вход-выход
Инверсный статический вход-выход
Прямой динамический вход
Вход, не несущий логи­ческой информации
Выход с тремя состо­яниями (лог. 1, лог. 0, разомкнуто)
Выход с открытым коллектором

Таблица 7.10

 

Англоязычные буквенно-цифровые обозначения

функционального назначения интегральных микросхем,

Используемые в УГО