Устройстро автоматического выхода процессора

На основании анализа  области использования была построена  электрическая структурная схема персонального компьютера, которая приведена на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Структурная  схема ПК

В состав схемы входят следующие узлы и устройства: микропроцессор, состоящий из арифметико-логического  устройства, регистров, устройства управления, схемы управления шиной и портами; шины(системной магистрали): управляющая, адресная и шина данных; внутренняя(основная) память, ROM (ОЗУ) и RAM (ППЗУ); контроллер (порты ввода-вывода) с динамиком, клавиатурой и дополнительными устройствами, видеоадаптер (видеокарта) и монитор; контроллер накопителя на жёстких магнитных дисках и сам НЖМД; контроллер гибких дисков, накопитель на гибких магнитных дисках и стример; контроллер портов (последовательные и параллельные коммуникационные порты), а также мышь или трекбол, модем и плоттер, принтер и сканер и другие устройства; сетевой адаптер и локальная сеть; а также к данной схеме подключается устройство автоматического выхода процессора.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Выбор и обоснование схемы Э2 разрабатываемого устройства         

 

 

На схеме Э2 (АКВТ.230113.КП35.21Э2) представлено устройство начального пуска для встраиваемых микроЭВМ. Это устройство обеспечивает автоматический выход процессора на стартовый адрес программы, хранящейся в ПЗУ встраиваемой системы, при включении питания и перезапуске микроЭВМ.

Функционально оно представляет собой две ячейки памяти с адресами 24₈ и 26₈, программно доступные для чтения только во время выполнения режима начального пуска ( при этом предполагается, что на процессоре выбран режим начального пуска с адреса 24₈ ).

Для подключения к ЭВМ вход Пуск соединяется с одноимённым входом микроЭВМ. Свободные входы D4 подключаются ко входам выборки регистров умножителя SEL1, SEL3, D11; а выход D4 – ко входам выборки шинных формирователей D3, D6, D9 (элемент D12.2 из схемы микроЭВМ исключается).

Все остальные цепи-сигналы  интерфейса МПИ связаны с соответствующими выходами БИС АЛУ К588ВС2 и системного контроллера

    К588ВГ1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Выбор и обоснование схемы Э3 разрабатываемого устройства

 

4.1 Выбор элементной  базы 

 

                Сравним основные характеристики ТТЛ и КМОП микросхем.

Основной родовой признак  ТТЛ — использование биполярных транзисторов, причем структуры только п-р-п. КМОП же, как следует из ее названия, основана на полевых транзисторах с изолированным затвором структуры МОП, причем комплементарных, то есть обоих полярностей. На западе их еще называют вентилями.

Входной многоэмиттерный  транзистор ТТЛ может иметь сколько  угодно (на практике — до восьми) эмиттеров, и элемент тогда будет иметь соответствующее число входов. Если любой из эмиттеров транзистора VT1 замкнуть на «землю», то транзистор откроется, а фазорасщепляющий транзистор VT2 (с его работой мы знакомы по рис. 6.8) — закроется. Соответственно, выходной транзистор VT3 откроется, а VT4 — закроется, на выходе будет высокий логический уровень, или уровень логической единицы. Если же все эмиттеры присоединены к высокому потенциалу (или просто «висят» в воздухе), то ситуация будет обратная — VT2 откроется током через переход база-коллектор VT1 (такое включение транзистора называется «инверсным»), и на выходе установится ноль за счет открытого транзистора VT4. Такой ТТЛ-элемент будет осуществлять функцию «И-НЕ» (логический ноль на выходе только при единицах на всех входах).

Выходной каскад ТТЛ-элемента представляет собой некое подобие комплементарного («пушпульного») каскада класса В, знакомого нам по аналоговым усилителям. Однако воспроизведение р-п-р-транзисторов оказалось для ТТЛ-технологии слишком сложным, потому такой каскад носит еще название псевдокомплементарного— верхний транзистор VT3 работает в режиме эмиттерного повторителя, а нижний — в схеме с общим эмиттером.

ТТЛ-элемент существенно  несимметричен и по входам, и по выходам. По входу напряжение логического  нуля должно быть достаточно близко к «земле», при напряжении на эмиттере около 1,5 В (при стандартном для ТТЛ питании 5 В) входной транзистор уже запирается. Причем при подаче нуля нужно обеспечить отвод довольно значительного тока база-эмиттер— около 1,6 мА для стандартного элемента, отчего для элементов ТТЛ всегда оговаривается максимальное количество одновременно подсоединенных к выходу других таких элементов (стандартно — не более десятка). В то же время логическую единицу на входы можно не подавать вовсе. Практически, однако, подавать ее следует — по правилам незадействованные входы ТТЛ должны быть присоединены к питанию через резисторы 1 кОм.

Самым крупным (и даже более серьезным, чем остальные) недостатком ТТЛ является высокое  потребление — до 2,5 мА на один такой  элемент, это без учета вытекающих токов по входу и потребления нагрузки по выходу. Так что приходится только удивляться, почему микросхемы ТТЛ, содержащие много базовых элементов, вроде счетчиков или регистров, не требуют охлаждающего радиатора. Сочетание низкой помехоустойчивости с высоким потреблением — смесь довольно гремучая, и при разводке плат с ТТЛ-микросхемами приходится ставить по развязывающему конденсатору на каждый корпус. Все перечисленное в совокупности давно бы заставило отказаться от технологии ТТЛ вообще, однако у них до некоторого времени было одно неоспоримое преимущество: высокое быстродействие, которое для базового элемента в виде, показанном на рис. 15.1, может достигать десятков мегагерц.

КМОП-элементы намного  ближе к представлению о том, каким должен быть идеальный логический элемент. Они практически симметричны, как по входу, так и по выходу. Открытый полевой транзистор на выходе (либо /?-типа для логической единицы, либо «-типа для логического нуля) фактически представляет собой, как мы знаем. Для схемы «ИЛИ» такие транзисторы будут стоять в верхнем плече — она полностью симметрична схеме «И», что тоже плюс технологии КМОП по сравнению с ТТЛ. Обратите также внимание, что выходной каскад инвертора построен не по схеме «пушпульного» каскада, то есть это не потоковые повторители напряжения, а транзисторы в схеме с общим истоком, соединенные стоками, что позволяет получить дополнительный коэффициент усиления по напряжению. На практике особенности построения элемента приводят к тому, что в КМОП-микросхемах:

• На ненагруженном выходе напряжение логической единицы практически равно напряжению питания, а напряжение логического нуля

практически равно потенциалу «земли»;

• Порог переключения близок к половине напряжения питания;
• Входы практически не потребляют тока, так как представляют собой изолированные затворы МОП-транзисторов;
• В статическом режиме весь элемент также не потребляет тока от источника питания.

Из последнего положения  вытекает, что схема любой степени  сложности, построенная с помощью КМОП-элементов, в «застывшем» состоянии и даже при малых рабочих частотах, не превышающих десятка-другого килогерц, практически не потребляет энергии! Отсюда ясно, как стали возможными такие фокусы, как наручные часы, которые способны идти от малюсенькой батарейки годами, или sleep-режим микроконтроллеров, в котором они потребляют от 1 до 50 мкА на все десятки тысяч составляющих их логических элементов.

Другое следствие вышеперечисленных  особенностей — исключительная помехоустойчивость, достигающая половины напряжения питания. Но это еще не все преимущества. КМОП-микросхемы «классических» серий могут работать в диапазоне напряжений питания от 2 до 18 В, а современные быстродействующие — от 2 до 7 В. Единственное, что при этом происходит — при снижении питания довольно резко— в разы— падает быстродействие и ухудшаются некоторые другие характеристики.

Кроме того, выходные транзисторы  КМОП, как и любые другие полевые  транзисторы, при перегрузке (например, в режиме короткого замыкания) работают как источники тока — при напряжении питания 15 В этот ток составит около 30 мА, при 5 В — около 5 мА. Причем это в принципе может быть долгосрочный режим работы таких элементов, единственное, что при этом надо проверить — не превышается ли значение суммарного допустимого тока через вывод питания, которое обычно составляет около 50 мА. То есть, возможно, придется ограничить число выходов, одновременно подключенных к низкоомной нагрузке. Естественно, о логических уровнях в таком режиме уже речи не идет, только о втекающем или вытекающем токе.

И тут мы подходим к  основному недостатку «классической» КМОП-технологии — низкому в сравнении  ТТЛ быстродействию. Это обусловлено  тем, что изолированный затвор МОП-транзистора  представляет собой конденсатор довольно большой емкости— в базовом элементе до 10—15 пФ. В совокупности с выходным резистивным сопротивлением предыдущей схемы такой конденсатор образует фильтр низких частот. Обычно рассматривают не просто частотные свойства, а время задержки распространения сигнала на один логический элемент. Задержка возникает из-за того, что фронт сигнала не строго вертикальный, а наклонный, и напряжение на выходе еще только начнет нарастать (или снижаться), когда напряжение на входе достигнет уже значительной величины (в идеале— половины напряжения питания). Время задержки могло достигать у ранних серий КМОП величины 200—250 НС (сравните — у базовой серии ТТЛ всего 7,5 не). На практике при напряжении питания 5 В максимальная рабочая частота «классического» КМОП не превышает 1—3 МГц— попробуйте соорудить на логических элементах генератор прямоугольных сигналов по любой из схем, которые будут разобраны в главе 16, и вы увидите, что уже при частоте 1 МГц форма сигнала будет скорее напоминать синусоиду, чем прямоугольник.

 

 

 

    Таблица 1 – Сравнительные характеристики

Элемент
И-НЕ серии 533	0,5	5	2,5
И-НЕ серии 155	2	5	10
НЕ серии 564	0,002	5	0,01
НЕ серии 155	12	5	60
D-триггер серии 1564	0,008	5	0,04
D-триггер серии 155	30	5	150

 

Исходя из технических характеристик, представленных в таблице 1, потребляемая мощность микросхем серии 155 значительно выше микросхем серий 533, 564 и 1564, поэтому я выбираю микросхемы этих серий.

Проектируемое устройство будет состоять из следующих элементов:

Микросхема К588ВГ1 - представляет собой системный контроллер и предназначен совместно с К588ВУ2 и К588ВС2 для применения в процессоре 16 - разрядной микро - ЭВМ. ИС являются микропрограммно управляемым асинхронным модулем, обеспечивающим взаимосвязь микросхем процессора на базе микропроцессорного комплекта и организующим интерфейс процессора, и выполняют ввод, вывод 16 - разрядного слова или байта, обслуживание внешних и внутренних прерываний, управление прямым доступом к памяти, управление двунаправленными приемопередатчиками. В состав ИС входят: блок прерываний; блок управления приемопередатчиками; блок ввода/вывода; блок внутреннего управления; блок прямого доступа к памяти. Содержит 2500 интегральных элементов. Корпус типа 429.42 - 3, масса не более 4 г, 4222.48 - 2 и 2206.42 - 2, масса не более 8 г.

Рисунок 2 – Условное графическое обозначение К588ВГ1

 

Назначение выводов: 1 — вход Т — бита слова состояния  процессора; 2 — вход Р — бит слова состояния процессора; 3 — вход RC —- контроль ошибок; 4...7 — выходы В4...В1 кода прерывания, разряды 4...1; 8 — вход/выход Р — сигнала пуск; 9 — вход/выход КВ1 — квитирование выдачи; 10 — выход КВ2 — квитирование выдачи; 11 — выход КВЗ — квитирование выдачи; 12 — вход/выход КР — квитирование приема; 13... 17 — входы МК разряды 4...0 микрокоманды; 18 — вход CS — сигнал “начать”; 19 — выход F1 — сигнал “исполнено"; 20 — вход PUM — начальный пуск процессора; 21 — общий; 22 — выход INIT — установка; 23 — выход WTBT — признак записи/байта; 24 — выход SYNC — синхронизация обмена; 25 — выход DIN — чтение данных; 26 — выход DOUT — запись данных; 27 —* вход RPLY — ответ устройства; 28 — вход IRQ — запрос на прерывание; 29 — выход IAKO разрешение прерывания; 30 — вход РОК — авария источника питания; 31 — вход INTO — требование прерывания от внешнего устройства; 32 — вход INT3 — требование прерывания от внешнего устройства; 33 — вход INT2

— требование прерывания от внешнего устройства; 34 — вход INT1 — требование прерывания от внешнего устройства; 35 — вход EVNT — прерывание по внешнему событию; 36 — вход HALT остановка; 37 — выход DMG — разрешение на захват магистрали; 38 — вход SACK — подтверждение запроса; 39 — вход DMR — запрос магистрали; 40 — выход С1 — сигнал управления магистральными приемопередатчиками; 41 — выход С2 — сигнал управления магистральными приемопередатчиками; 42 — напряжение питания.

 

Рисунок 3 – Временные  диаграммы выполнения

микрокоманд DAT1 (а) и DAT0 (б) микросхемы К588ВГ1 

 

Микросхема К588ВС2 –представляет собой 16-разрядное арифметическое устройство микропроцессора и предназначен для применения совместно с K588BУ2 и К588ВГ1 в процессоре 16 - разрядной микро-ЭВМ и для построения операционных блоков различных цифровых устройств. Содержит 6000

 

интегральных  элементов. Корпус типа 429.42 - 3, масса не более 5 г, 4222.48 – 2

и 2204.42 - 2, масса не более 8 г.

Рисунок 4 – Условное графическое обозначение К588ВС2

 

Назначение  выводов: 1...4 — магистрали микрокоманд 7…10 разрядов; 5...20 — входы/выходы магистрали данных К1 0…15 разрядов; 21 — общий; 22...25 — выходы магистрали состояний (соответственно знак результата, равенство результата нулю, признак переполнения, признак расширения); 26…29 — свободные (подключаются к U_n через резистор 4, 7...10 кОм); 30— вход сигнала синхронизации работы; 31 — выход сигнала синхронизации управляющей памяти; 32 — вход/выход сигнала квитирования выдачи по К1; 33 — вход/выход сигнала квитирования приема по К1; 34…41 — входы магистрали микрокоманд, разряды 0…6, 11; 42 — напряжение питания.