Основу пзу составляют микросхемы памяти. Микросхемы памяти ОЗУ и ПЗУ
ОЗУ (англ. RAM) и ПЗУ (англ. ROM) - это цифровые накопители информации. Их применяют, если внутренних ресурсов MK по тем или иным причинам недостаточно. Для сравнения, объём памяти данных MK составляет 0.5…8 Кбайт, объём памяти программ - 2…256 Кбайт. Подключить же к MK можно ещё одну или несколько внешних микросхем ОЗУ ёмкостью 32…512 Кбайт или флэш-ПЗУ ёмкостью 0.5…128 Мбайт. Увеличение вычислительных ресурсов налицо.
Обобщённые структурные схемы ОЗУ и ПЗУ во многом совпадают (Рис. 3.8). Базой служит прямоугольная матрица ячеек памяти, доступ к которой осуществляется через линии адреса AO…An, а чтение/запись - через двунаправленную шину данных I/OO…I/Ok. Многочисленные разновидности ОЗУ и ПЗУ отличаются друг от друга логикой формирования сигналов управления CS, WR, RD, а также наличием или отсутствием мультиплексирования адресных линий.
Рис. 3.8. Структурная схема ОЗУ (ПЗУ).
Внешние ПЗУ лучше использовать «низковольтные» электрически перезаписываемые (ключевое слово «Flash»). Напряжение программирования у них составляет 5 В в отличие от 12…27 В в старинных «высоковольтных» ПЗУ 27C256, КР573РФ6А, которые применять сейчас совместно с MK не имеет смысла.
Типовое время хранения информации в флэш-ПЗУ достигает 10…40 лет при 0.1…1 млн циклов перезаписи. Различают последовательные и параллельные флэш-ПЗУ. Первые из них малогабаритные, маловыводные, но они имеют низкую скорость доступа и невысокую ёмкость. Пример - серии 24Cxxx, 93Cxx. Для подключения таких ПЗУ к MK применяют двух или трёхпроводные интерфейсы PC, SPI. В противовес этому параллельные флэш-ПЗУ обладают большим объёмом памяти, хорошим быстродействием, но требуют для сопряжения с MK много выводов (два-три свободных 8-битных порта). Пример - серии 28Fxxx, 29Cxxx.
Внешние ОЗУ имеют высокую скорость записи и чтения, но информация в них теряется при выключении питания. Для сопряжения ОЗУ с MK используют обе линии портов. Иногда выгоднее их перевести в специальный режим «External RAM», при котором область внешнего ОЗУ включается в общую карту памяти. Поддерживает ли конкретный MK подобный режим, можно определить по специфическим названиям линий портов в его условном обозначении. Например, на Рис. 3.9 это «АР0»…«АР7» (шина данных/адреса), «А8»…«А15» (старшие разряды шины адреса), «ALE», «WR», «RD» (сигналы управления).
На Рис. 3.10, а…и приведены схемы подключения внешней памяти к MK.
а) микросхема DS1 (фирма Samsung) - это «интеллектуальное» перепрограммируемое ПЗУ с собственой системой команд. Применяется, в частности, в USB-накопителях;
Рис. 3.9. Расположение выводов и названия сигналов в MK Atmel ATmega8515.
б) 16-разрядная информация в динамическом ОЗУ DS1 (фирма OKI) передаётся/принимается через выводы «1/01»…«1/04» последовательно во времени четырьмя блоками;
Рис. ЗЛО. Схемы подключения внешней памяти к MK (продолжение):
в) шина адреса «А0»…«А18» и шина данных «Ю0»…«Ю7» статического ОЗУ DS1 (фирма Samsung) мультиплексируются регистрами DD1, DD2. По фронтам сигналов F1, F2 в регистрах за два раза защёлкивается полный адрес ячейки. Недостающие адреса формируются прямо от MK («R0»…«R2»). При чтении/записи ОЗУ («*RD»/«*WR») работают 8 верхних линий MK;
г) DS1 - это ферроэлектрическое последовательное «ОЗУ/ПЗУ» FRAM (фирма Ramtron), подключаемое к MK по шине PC. При поданном питании FRAM эквивалентна ОЗУ, а при выключенном - ПЗУ. Число перезаписей не ограничено (!), время хранения информации 45 лет;
д) подключение последовательного ОЗУ DS1 (64Kx8) к MK через трёхпроводной интерфейс и «антизвонные» резисторы R2…R4;
Рис. 3.10. Схемы подключения внешней памяти к MK (продолжение):
е) в регистре DD1 хранятся младшие 8 бит шины адреса. Старшие 7 бит подаются от MK непосредственно на ОЗУ DS1 фирмы Hitachi. MK работает в режиме «External RAM». На вход «СЕ» ОЗУ DS1 вместо общего провода можно подать сигнал разрешения со свободного выхода MK. Это позволяет снизить общий расход энергии от источника питания, поскольку при ВЫСОКОМ уровне на входе «СЕ» микросхема DS1 переходит в экономичный режим хранения данных;
ж) подключение к MK последовательного флэш-ОЗУ DS1 фирмы Atmel. Если переключатель S1 замкнут, то в ОЗУ нельзя записывать данные, это режим защиты. Резисторы R3, R4 в некоторых схемах отсутствуют. Замена DS1 - любое ОЗУ большей/меньшей ёмкости из семейства DataFlash AT45DB фирмы Atmel, включая устаревшие модели AT45DB081B-CNU;
Рис. 3.10. Схемы подключения внешней памяти к MK (окончание):
з) при прямом подключении флэш-ПЗУ DS1 (фирма AMD) к MK требуется большое количество свободных линий портов. Некоторые выходные линии MK, например, «А7», могут быть одновременно задействованы для управления другими узлами, однако делать это допускается только тогда, когда отсутствует обращение к ПЗУ, т.е. при ВЫСОКОМ уровне сигнала «ОЕ»;
и) увеличение ёмкости ОЗУ за счёт параллельного соединения микросхем DSl…DSn. Каждое из подключённых ОЗУ имеет собственный сетевой программный адрес, который определяется разными логическими уровнями на входах «АО», «А1», «А2».
61 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
5.2. Постоянные запоминающие устройства
5.2.1. Принципы построения схем ПЗУ
Постоянные запоминающие устройства представляют собой память с произвольным обращением, допускающую лишь считывание данных. Типовая структура ПЗУ показана на рис.5.12а. Схема ПЗУ имеет много общего со схемой ОЗУ (рис.5.5).
Рис. 5.12. ПЗУ с организацией 16 слов х 1 разряд:
а – схема, б – УГО
В узлах матрицы, образованной системой горизонтальных и вертикальных шин, включены элементы памяти - транзисторы. В качестве элементов памяти в накопителях ПЗУ могут использоваться как биполярные, так и МОП-транзисторы. Базы (затворы) транзисторов подключены к горизонтальным (адресным) шинам, эмиттеры (истоки) через перемычку соединены с вертикальными (разрядными) шинами.
Наличие перемычки означает хранение в элементе памяти 1. Если перемычка (или транзистор) отсутствуют, это означает, что в элементе хранится 0.
К адресным шинам подключены выходы дешифратора, на входы которого поступает часть разрядов адресного кода. Разрядные шины соединены с входами мультиплексора, на адресные входы которого подается вторая часть адресного кода ПЗУ. Мультиплексор имеет выход с
тремя состояниями (если G 1 = G 2 = 0 , то на выход Q проходит один из информационных сигналов, если один из сигналов не равен 0, то выход Q в третьем состоянии).
При поступлении адресного кода на одной из адресных шин Y i
установится высокий уровень напряжения, открывающий транзисторы - элементы накопителя одной строки. Транзисторы через перемычки передают высокий уровень на соответствующие разрядные шины. Если на пересечении некоторых вертикальных шин с выбранной строкой перемычки отсутствуют, то на этих шинах останется низкий уровень. Сигналы разрядных шин поступают на входы мультиплексора, который передает один из сигналов на выход Q . Какая из разрядных шин подключается к выходу, зависит от части адресного кода ПЗУ, поступающего на входы адреса мультиплексора. Таким образом, выходной сигнал ПЗУ определяется данными, хранимыми на одном из элементов накопителя.
Микросхемы ПЗУ имеют (как и ИС ОЗУ) вход выбора CS . Некоторые ИС ПЗУ имеют также вход для подачи сигнала разрешения по
входу CEO (при сигнале CEO = 1 выход переводится в третье состояние,
при CEO = 0 режим работы ПЗУ определяется сигналами на остальных входах). Условное обозначение схемы ПЗУ показано на рис. 5.12б (ROM - Read Only Memory).
Строение элемента памяти ПЗУ намного проще, чем ОЗУ. Поэтому на той же площади накопителя можно построить ЗУ с большей информационной емкостью. Записанная в ПЗУ информация сохраняется при отключении питания, что делает удобным хранение в ПЗУ стандартных программ вычислительных машин и т.п. ПЗУ можно использовать в качестве универсальной комбинационной схемы. Входные переменные схемы поступают на адресные входы ПЗУ. Значение выходной переменной, отвечающее каждой комбинации входных, должно быть записано в элементе ПЗУ с соответствующим адресом. Если таблица состояний содержит m входных переменных, то по каждому адресу записывается m -разрядное слово данных. Промышленностью
63 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
выпускаются ИС ПЗУ для использования в качестве преобразования кодов, контроллеров, знакогенераторов, формирователей сигналов и т.п.
Запись данных в ПЗУ может осуществляться в процессе изготовления микросхемы. При этом с помощью специальной металлической маски в схеме накопителя формируется требуемый вариант соединения элементов памяти с разрядными шинами. Такие микросхемы памяти называют масочно-программируемыми, или масочными ПЗУ.
Примеры ИС:
К155ПР6 и К155ПР7 - преобразователи двоично-десятичного кода в двоичный и двоичного в двоично-десятичный, построены с использованием масочного ПЗУ емкостью 256 бит на основе ТТЛэлементов.
КР1610РЕ1 - масочное ПЗУ на n-МОП структурах емкостью 16384 бит (2048 слов х 8 разрядов). Время выбора - 340 нс, время выборки сигнала разрешения по выходу - 80 нс.
5.2.2. Программируемые ПЗУ
Программируемыми называют постоянные запоминающие устройства, которые допускают запись информации после изготовления микросхемы. Принцип записи данных в такие программируемые ПЗУ (ППЗУ) можно пояснить следующим образом. В исходном состоянии во всех элементах накопителя ПЗУ (рис. 5.12) установлены перемычки (например, нихромовые), что соответствует записи 1 по всем адресам. Устанавливая адрес элемента, в котором надо записать 0, и подавая в определенной последовательности повышенные импульсные напряжения на вывод питания и выход данных (часто имеется и специальный вывод для подачи напряжения программирования), можно расплавить перемычку этого элемента. Как было показано выше, отсутствие перемычки в некотором элементе и означает, что в нем записан 0. Для записи данных в ПЗУ используют специальные устройства, называемые программаторами.
Примеры ИС:
КР556РТ5 - программируемое ПЗУ на основе ТТЛ-элементов с диодами Шоттки емкостью 4096 бит (512 слов х 8 разрядов). Время выборки адреса - 80 нс.
ППЗУ с плавкими перемычками, пережигаемые мощными импульсами тока, могут программироваться только один раз. Устройства, допускающие многократную запись данных, называются репрограммируемыми ПЗУ (РПЗУ). Элементом памяти РПЗУ является лавинно-инжекционный МОП-транзистор с двумя затворами, один из
которых подключается к горизонтальной адресной шине, а второй изолирован и является плавающим. Пороговое напряжение МОПтранзистора в исходном состоянии близко к нулю. При подаче высокого уровня на затвор, соединенный с адресной шиной, транзистор открывается и на соответствующей вертикальной шине появляется сигнал, соответствующий записанной в элементе 1. При программировании прикладывается большое напряжение между стоком и истоком. Это вызывает инжекцию электрического заряда в область плавающего затвора, в результате чего пороговое напряжение МОП-транзистора увеличивается. Когда при выборке элемента на затвор через адресную шину поступает высокий уровень напряжения, транзистор остается закрытым и на соответствующей разрядной шине напряжение не увеличивается. Это означает, что в элементе записан «0». Заряд в плавающем затворе сохраняется очень долго (десятки тысяч часов). Записанная в РПЗУ информация может быть стерта, если кристалл накопителя осветить ультрафиолетовым излучением. При этом заряд плавающего затвора исчезает и во всех элементах памяти восстанавливается 1. После стирания РПЗУ может быть снова запрограммировано.
Кроме РПЗУ со стиранием ультрафиолетовым облучением, имеются устройства постоянной памяти с электрическим стиранием. В таком РПЗУ элемент памяти представляет собой МОП-структуру с изоляцией нитридом кремния.
Примеры ИС:
К573РР2 - репрограммируемое ПЗУ с электрическим стиранием. Информационная емкость 16384 бит (2048 слов х 8 разрядов). Время выборки адреса - 350 нс. Время хранения информации - не менее 15 тыс. часов.
К573РФ2 - репрограммируемое ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием. Информационная емкость - 16384 бит (2048 слов х 8 разрядов). Время выборки адреса - 450 нс. Время хранения информации - не менее 25 тыс. часов. Микросхема имеет специальное окно для ультрафиолетового облучения (в режиме хранения оно должно быть закрыто). Условное обозначение РПЗУ приведено на рис. 5.13 (EPROM – Erasable Programmable ROM), UPR – напряжение программирования. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу ЗУ в режиме считывания, показаны на рис. 5.14.
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ ЧАСТЬ 2
65 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
Рис. 5.13. Репрограммируемое ПЗУ К573РФ2 емкостью 16384 бит (2048 слов х 8 разрядов)
Рис. 5.14. Временные диаграммы работы РПЗУ К573РФ2 в режиме считывания
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Курсовая работа на тему
Разработка микропроцессорной системы с заданными параметрами ОЗУ и ПЗУ
Введение
2. Расширение адресного пространств
Заключение
Список литературы
Введение
Замечательным свойством микропроцессорных систем является их высокая гибкость, возможность быстрой перенастройки при необходимости даже значительных изменений алгоритмов управления. Перенастройка осуществляется программным путем без существенных производственных затрат. Создание микропроцессоров позволяет уменьшить стоимость и размеры технических средств обработки информации, увеличить их быстродействие, снизить энергопотребление.
Характерные особенности микропроцессорных информационно-управляющих систем, предназначенных для автоматизации технологических процессов:
*наличие ограниченного набора четко сформулированных задач;
*требования оптимизации структуры системы для конкретного применения;
*работа в реальном масштабе времени, т.е. обеспечение минимального времени реакции на изменение внешних условий;
*наличие развитой системы внешних устройств, их большое разнообразие;
*существенное различие функциональных задач;
*высокие требования по надежности с учетом большой продолжительности непрерывной работы;
*сложные условия эксплуатации;
*обеспечение автоматического режима работы или режима с участием оператора как элемента системы.
Целью данной курсовой работы является разработка микропроцессорной системы с заданными параметрами ОЗУ и ПЗУ, а также расчет и проектирование дополнительного ОЗУ и проверка компонентов системы на электрическое взаимодействие.
1. Деление адресного пространства
Существует микропроцессорная система с модулем процессора, обладающим характеристиками:
· тип системной магистрали - с раздельными шинами;
· размер адресного пространства запоминающих устройств (объем ЗУ) - 64 к;
· разрядность шины данных запоминающих устройств - 16;
организация системы ввода/вывода:
· количество портов ввода/вывода - 2048;
· разрядность шины данных портов ввода/вывода - 16;
сигналы шины управления:
· - запись в запоминающее устройство;
· - чтение из запоминающего устройства;
· - запись во внешнее устройство;
· - чтение из внешнего устройства;
Подсоединим к микропроцессорной системе модуль памяти, содержащий: ПЗУ, ОЗУ1 и ОЗУ2.
Количество слов ПЗУ (ПЗУкс) вычислим по формуле:
ПЗУкс=2 ММ =2 01 =2
Количество слов ОЗУ2 (ОЗУ2кс) вычисляем следующим образом:
1. вычислить возможное количество слов Y по формуле:
Y = (ЗУап - ПЗУкс) / 3=(64*1024-2*16)/3=21 (к)
2. полученное количество слов Y округлить до ОЗУ2кс, удовлетворяющей следующим условиям:
а) ОЗУ2кс? Y;
б) ОЗУ2кс кратен 2 n (n = 0, 1, 2, …).
n=4, 2 n =16 ? 21.
Количество слов Y = 16
Количество слов ОЗУ1 (ОЗУ1кс) вычислить по формуле:
1. вычислить возможный объем Y по формуле:
Y = (ЗУап - ПЗУкс - ОЗУ2кс) / 3=(64*1024-2*16-16*16)/3=21 (к)
2. полученное количество слов Y округлить до ОЗУ1кс, удовлетворяющей следующим условиям:
а) ОЗУ1кс? Y;
б) ОЗУ1кс кратен 2 n (n = 0, 1, 2, …)
n=4, 2 n =16 ? 21.
Микросхема ПЗУ содержит: 1 адресный вход по количеству слов, подаваемых на вход, 8 выходов данных для подключения ОЗУ, входы для управляющих сигналов - выбор кристалла и EO - состояние выхода.
Микросхемы ОЗУ1 и ОЗУ2 содержат: по 4 адресных входа, совмещенные входы/выходы данных, входы для управляющих сигналов CS - выбор кристалла, /R-запись/чтение.
Спроектируем элемент микросхемы ПЗУ с помощью инструментария приложения MS Visio 2010 как показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Проект микросхемы ПЗУ
Подберем подходящий аналог, воспользовавшись . Предварительно отобразим в таблице назначение выводов микросхем, как показано в Табл. 1.
Таблица 1. Обозначение выводов микросхем памяти
|
Наименование |
Обозначение |
|
|
Тактовый сигнал |
||
|
Строб адреса столбца |
||
|
Строб адреса строки |
||
|
Выбор микросхемы |
||
|
Разрешение |
||
|
Считывание |
||
|
Запись - Считывание |
||
|
Разрешение записи |
||
|
Разрешение по выходу (считывания) |
||
|
Данные (информация) |
||
|
Входные данные |
||
|
Выходные данные |
||
|
Адрес, данные:вход, выход |
||
|
Данные: вход, выход |
||
|
Регенерация |
||
|
Программирование |
||
|
Стирание |
||
|
Напряжение питания |
||
|
Напряжение программирования |
||
|
Общий вывод микросхемы |
Микросхемы ПЗУ по способу занесения в них информации делятся на три группы: масочные ПЗУ, однократно программируемые по способу шаблона (маски), однократно программируемые по способу прожигания перемычек на кристалле ППЗУ, многократно программируемые пользователем РПЗУ.
При проектировании микросхем, если объем RAM невелик (до 1024 бит), то память набирают из отдельных триггеров. В ином случае пользуются библиотеками готовых модулей памяти. При разработке проекта для ПЛИС готовые модули памяти имеют объем 16, 32, 2048, 4096 бит. В последних сериях ПЛИС объем модуля RAM возрос до 16К или 18К бит. Разрядность модуля RAM может задаваться из ряда: 1,2,4,8 и 16 бит. Запись данных и адреса в модуль RAM всегда выполняется по фронту синхросерии или сигнала записи, т.е. вход модуля можно рассматривать как вход синхронного регистра. Чтение данного чаще всего выполняется в следующем такте после такта приема адреса. Иногда на выходе модуля RAM стоит синхронный регистр, запоминающий прочитанное слово. Запись и чтение из модуля может выполняться по конвейерному принципу: в одном такте записывается адрес нового данного и выдается прочитанное данное по предыдущему адресу. Для формирования RAM большого объема собирают систему из нескольких готовых модулей, дешифратора адреса для селекции модуля и выходного мультиплексора. Различные варианты RAM в лабораторной работе имеют три, две или одну шину. В первом случае шины входного, выходного данного и адреса - раздельны, во втором случае шина входного и выходного данного совмещены и в третьем случае и адрес, и данные передаются по одной шине мультиплексированно.
В соответствии с заданием выберем масочную ПЗУ, структурная схема, которой показана на рисунке 2.
Рисунок 2. Структурная схема масочной ПЗУ
Программирование микросхем ПЗУМ осуществляется однократно. Микросхема обладает свойством энергозависимости. Микросхемы ПЗУМ работают в режимах: считывания и хранения. Для считывания информации необходимо подать код адреса и разрешающие сигналы управления.
Подобранный тип микросхемы и соответствующие характеристики изображены на рисунке 3.
Рисунок 3. Вид микросхемы
Выбираем микросхему KP1610PE1. Характеристики микросхемы показаны в таблице 2.
Таблица 2
|
Тип микросхемы |
Емкость, бит |
P пит, мВт |
Тип выхода |
|||
Спроектируем элемент микросхемы ОЗУ с помощью инструментария приложения MS Visio 2010 как показано на рисунке 4.
микросхема запоминающий электрический
Рисунок 4. Проект микросхемы ОЗУ
2. Расширение адресного пространства
К микропроцессорной системе, спроектированной в прошлом разделе, подсоединяем дополнительный модуль оперативного запоминающего устройства (ОЗУд), содержащее N слов. Для определения количества слов памяти необходимо:
1. определить размер свободного, наибольшего, участка адресного
пространства запоминающих устройств, Y;
Y=(ЗУап - ПЗУкс - ОЗУ2кс- ОЗУ1кс) / 3=(64*1024-2*16-16*16-16*16)/3=21 (к)
2. размер Y округлить до N слов удовлетворяющих следующим условиям:
б) N кратен 2 n (n=0,1,2,…).
ОЗУд содержит: 7 адресных входов, совмещенные входы/выходы данных, входы для управляющих сигналов - выбор кристалла, -запись, -чтение.
3. Электрическое взаимодействие микропроцессорных компонентов
Произведем проверку электрического сопряжения элементов микропроцессорной системы, используя принципиальную электрическую схему микропроцессорной системы, реализованную на базе реальных элементов.
В расчетах используем характеристики приведенные ниже.
1. Модуль процессора:
I0вх, мА? - 2
I1вх, мА? 0,05
Uпит, В = 5 ± 5%.
U1вых, В? 2,7
U0вых, В? 0,5
I0вых, мА? 100
I1вых мА? -5
Cвых, пФ? 10
Устройство ввода, устройство ввода/вывод:
I0вх, мА? -1,6
I1вх, мА? 0,04
Uпит, В = 5 ± 5%.
U1вых, В? 2,7
U0вых, В? 0,5
I0вых, мА? 48
I1вых мА? -2,4
Cвых, пФ? 10
Остальные микросхемы в соответствии с паспортными данными.
Заключение
В настоящее время доля электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается. Это является результатом развития интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск дешевых, высококачественных, не требующих специальной настройки и наладки микроэлектронных функциональных узлов различного назначения, основой которых являются такие элементы электроники как полупроводниковые приборы. Создание разнообразных и замечательных по своим свойствам полупроводниковых приборов обусловили современные успехи электроники.
Чтобы изучить современную электронику, надо, прежде всего, познать принципы устройства и физические основы работы этих приборов, их характеристики, параметры и важнейшие свойства, определяющие возможности их применения. При этом очень важным являются оперативность и точность получения информации, чему должно способствовать использование различных технических средств.
В данной курсовой работе были разработаны принципиальные электрические схемы и подобраны компоненты микросхем в соответствии с заданным вариантом, а также исследованы возможности их замены и расширения.
Список литературы
1. Лучший поисковик электронных компонентов
2. ***RUSSIAN ELECTRONIC***
3. РадиоФанат
4. Телемастер
5. Промэлектроника
6. РЫНОК МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ (справочник)
7. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ СО ВСЕГО МИРА
8. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
9. РадиоЛоцман -- Схемы
10. Митинский радиорынок
11. Конференция «Микроконтроллеры и их применение»
12. ООО "Микро-Чип"
13. Виртуальный магазин DESSY
14. Русскоязычная страница ATMEL
15. Schemes Site (принцип.схемы)
16. СПРАВОЧНИК ПО РАДИОДЕТАЛЯМ
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Применение цифровых микросхем для вычисления, управления и обработки информации. Назначение микропроцессора и устройств микропроцессорной системы, их структурная и принципиальная схемы. Системная шина процессора и распределение адресного пространства.
курсовая работа , добавлен 29.02.2012
Расчет статического модуля оперативной памяти и накопителя. Построение принципиальной схемы и временной диаграммы модуля оперативного запоминающего устройства. Проектирование арифметико-логического устройства для деления чисел с фиксированной точкой.
курсовая работа , добавлен 13.06.2015
Иерархия запоминающих устройств ЭВМ. Микросхемы и системы памяти. Оперативные запоминающие устройства. Принцип работы запоминающего устройства. Предельно допустимые режимы эксплуатации. Увеличение объема памяти, разрядности и числа хранимых слов.
курсовая работа , добавлен 14.12.2012
Разработка структуры корпоративной информационной системы. Проектирование адресного пространства. Обоснование выбора аппаратной конфигурации клиентских станций и серверного оборудования. Расчет стоимости оборудования и программного обеспечения системы.
курсовая работа , добавлен 15.02.2016
Рассмотрение структурной схемы микропроцессорной системы обработки данных. Описание архитектуры микроконтроллера ATmega161. Расчет оперативного запоминающего устройства. Строение, назначение адаптера параллельного интерфейса, способы его программирования.
курсовая работа , добавлен 24.09.2010
Назначение и устройство микропроцессорной системы контроля. Описание функциональной схемы микропроцессорной системы контроля. Расчет статической характеристики канала измерения. Разработка алгоритма функционирования микропроцессорной системы контроля.
курсовая работа , добавлен 30.08.2010
Разработка структурной схемы и обобщенного алгоритма работы прибора. Оценка максимальной погрешности линейного датчика давления и нормирующего усилителя. Разработка элементов принципиальной электрической схемы микропроцессорной системы сбора данных.
курсовая работа , добавлен 08.02.2015
Анализ вариантов проектных решений и выбор на его основе оптимального решения. Синтез функциональной схемы микропроцессорной системы на основе анализа исходных данных. Процесс разработки аппаратного и программного обеспечения микропроцессорной системы.
курсовая работа , добавлен 20.05.2014
Структура аппаратуры передачи информации. Разработка передающей и приемной части в соответствии с заданными параметрами. Разработка функциональной схемы устройства преобразования сигналов и устройства защиты от ошибок, алгоритм его функционирования.
курсовая работа , добавлен 12.03.2009
Структура корпоративной информационной системы организации. Разработка адресного пространства и системы DNS. Структура домена КИС. Выбор аппаратной и программной конфигурации рабочих станций и серверного оборудования. Конфигурирование типовых сервисов.
Память , как и следует из ее названия, предназначена для запоминания, хранения каких-то массивов информации, проще говоря, наборов, таблиц, групп цифровых кодов. Каждый код хранится в отдельном элементе памяти, называемом ячейкой памяти. Основная функция любой памяти как раз и состоит в выдаче этих кодов на выходы микросхемы по внешнему запросу. А основной параметр памяти - это ее объем, то есть количество кодов, которые могут в ней храниться, и разрядность этих кодов.
Для обозначения количества ячеек памяти используются следующие специальные единицы измерения:
- 1К - это 1024, то есть 2 10 (читается "кило-"" или "ка-"), примерно равно одной тысяче;
- 1М - это 1048576, то есть 2 20 (читается "мега-"), примерно равно одному миллиону;
- 1Г - это 1073741824, то есть 2 30 (читается "гига-"), примерно равно одному миллиарду.
Принцип организации памяти записывается следующим образом: сначала пишется количество ячеек, а затем через знак умножения (косой крест) - разрядность кода, хранящегося в одной ячейке. Например, организация памяти 64Кх8 означает, что память имеет 64К (то есть 65536) ячеек и каждая ячейка - восьмиразрядная. А организация памяти 4М х 1 означает, что память имеет 4М (то есть 4194304) ячеек, причем каждая ячейка имеет всего один разряд. Общий объем памяти измеряется в байтах (килобайтах - Кбайт, мегабайтах - Мбайт, гигабайтах - Гбайт) или в битах (килобитах - Кбит, мегабитах - Мбит, гигабитах - Гбит).
В зависимости от способа занесения (записи) информации и от способа ее хранения, микросхемы памяти разделяются на следующие основные типы:
- Постоянная память (ПЗУ - постоянное запоминающее устройство , ROM - Read Only Memory - память только для чтения), в которую информация заносится один раз на этапе изготовления микросхемы. Такая память называется еще масочным ПЗУ . Информация в памяти не пропадает при выключении ее питания, поэтому ее еще называют энергонезависимой памятью.
- Программируемая постоянная память (ППЗУ - программируемое ПЗУ , PROM - Programmable ROM), в которую информация может заноситься пользователем с помощью специальных методов (ограниченное число раз). Информация в ППЗУ тоже не пропадает при выключении ее питания, то есть она также энергонезависимая.
- Оперативная память (ОЗУ - оперативное запоминающее устройство , RAM - Random Access Memory - память с произвольным доступом), запись информации в которую наиболее проста и может производиться пользователем сколько угодно раз на протяжении всего срока службы микросхемы. Информация в памяти пропадает при выключении ее питания.
Существует множество промежуточных типов памяти, а также множество подтипов , но указанные - самые главные, принципиально отличающиеся друг от друга. Хотя, разница между ПЗУ и ППЗУ с точки зрения разработчика цифровых устройств, как правило, не так уж велика. Только в отдельных случаях, например, при использовании так называемой флэш-памяти (flash- memory ), представляющей собой ППЗУ с многократным электрическим стиранием и перезаписью информации, эта разница действительно чрезвычайно важна. Можно считать, что флэш-память занимает промежуточное положение между ОЗУ и ПЗУ .
В общем случае любая микросхема памяти имеет следующие информационные выводы (рис. 11.1):
Рис.
11.1.
- Адресные выводы (входные), образующие шину адреса памяти. Код на адресных линиях представляет собой двоичный номер ячейки памяти, к которой происходит обращение в данный момент. Количество адресных разрядов определяет количество ячеек памяти: при количестве адресных разрядов n количество ячеек памяти равно 2 n .
- Выводы данных (выходные), образующие шину данных памяти. Код на линиях данных представляет собой содержимое той ячейки памяти, к которой производится обращение в данный момент. Количество разрядов данных определяет количество разрядов всех ячеек памяти (обычно оно бывает равным 1, 4, 8, 16). Как правило, выходы данных имеют тип выходного каскада ОК или 3С.
- В случае оперативной памяти, помимо выходной шины данных , может быть еще и отдельная входная шина данных , на которую подается код, записываемый в выбранную ячейку памяти. Другой возможный вариант - совмещение входной и выходной шин данных, то есть двунаправленная шина, направление передачи информации по которой определяется управляющими сигналами. Двунаправленная шина применяется обычно при количестве разрядов шины данных 4 или более.
- Управляющие выводы (входные), которые определяют режим работы микросхемы. В большинстве случаев у памяти имеется вход выбора микросхемы CS (их может быть несколько, объединенных по функции И). У оперативной памяти также обязательно есть вход записи WR, активный уровень сигнала на котором переводит микросхему в режим записи.
Мы в данной лекции не будем, конечно, изучать все возможные разновидности микросхем памяти, для этого не хватит целой книги. К тому же эта информация содержится в многочисленных справочниках. Микросхемы памяти выпускаются десятками фирм во всем мире, поэтому даже перечислить все их не слишком просто, не говоря уже о том, чтобы подробно рассматривать их особенности и параметры. Мы всего лишь рассмотрим различные схемы включения типичных микросхем памяти для решения наиболее распространенных задач, а также методы проектирования некоторых узлов и устройств на основе микросхем памяти. Именно это имеет непосредственное отношение к цифровой схемотехнике. И именно способы включения микросхем мало зависят от характерных особенностей той или иной микросхемы той или иной фирмы.
В данном разделе мы не будем говорить о флэш-памяти, так как это отдельная большая тема. Мы ограничимся только простейшими микросхемами ПЗУ и ППЗУ, информация в которые заносится раз и навсегда (на этапе изготовления или же самим пользователем). Мы также не будем рассматривать здесь особенности оборудования для программирования ППЗУ (так называемых программаторов ), принципы их построения и использования, - это отдельная большая тема. Мы будем считать, что нужная нам информация может быть записана в ПЗУ или ППЗУ, а когда, как, каким способом она будет записана, нам не слишком важно. Все эти допущения позволят нам сосредоточиться именно на схемотехнике узлов и устройств на основе ПЗУ и ППЗУ (для простоты будем называть их в дальнейшем просто ПЗУ ).
Упомянем здесь только, что ППЗУ делятся на репрограммируемые или перепрограммируемые
3.1.Микросхемы памяти
Преимущество памяти, изображенной на рис. 3.28, состоит в том, что подобная структура применима при разработке памяти большого объема. Мы нарисовали схему 4x3 (для 4 слов по 3 бита каждое). Чтобы расширить ее до размеров 4x8, нужно добавить еще 5 колонок триггеров по 4 триггера в каждой, а также 5 входных и 5 выходных линий. Чтобы перейти от размера 4x3 к размеру 8x3, мы должны добавить еще четыре ряда триггеров по три триггера в каждом, а также адресную линию А2. При такой структуре число слов в памяти должно быть степенью двойки для максимальной эффективности, а число битов в слове может быть любым. Поскольку технология изготовления интегральных схем хорошо подходит для
производства микросхем с внутренней структурой повторяемой плоской поверхности, микросхемы памяти являются идеальным применением для этого. С развитием технологии число битов, которое можно вместить в одной микросхеме, постоянно увеличивается, обычно в два раза каждые 18 месяцев (закон Мура). С появлением больших микросхем маленькие микросхемы не всегда устаревают из-за компромиссов между преимуществами емкости, скорости, мощности, цены и сопряжения. Обычно самые большие современные микросхемы пользуются огромным спросом и, следовательно, стоят гораздо дороже за 1 бит, чем микросхемы небольшого размера.
При любом объеме памяти существует несколько различных способов орга-
низации микросхемы. На рис. 3.30 показаны две возможные структуры микросхемы в 4 Мбит: 512 Кх8 и 4096 Kxl. (Размеры микросхем памяти обычно даются в битах, а не в байтах, поэтому здесь мы будем придерживаться этого соглашения.) На рис. 3.30, а можно видеть 19 адресных линий для обращения к одному из 219 байтов и 8 линий данных для загрузки или хранения выбранного байта.
Сделаем небольшое замечание по поводу терминологии. На одних выводах
высокое напряжение вызывает какое-либо действие, на других - низкое напряжение. Чтобы избежать путаницы, мы будем употреблять термин «установить сигнал»,когда вызывается какое-то действие, вместо того чтобы говорить, что напряжение повышается или понижается. Таким образом, для одних выводов установка сигнала значит установку на 1, а для других - установку на 0. Названия выводов, которые устанавливаются на 0, содержат сверху черту. Сигнал CS устанавливается на 1, а сигнал CS - на 0. Противоположный термин - «сбросить».
А теперь вернемся к нашей микросхеме. Поскольку обычно компьютер содержит много микросхем памяти, нужен сигнал для выбора необходимой микросхемы, такой, чтобы нужная нам микросхема реагировала на вызов, а остальные нет.
Сигнал CS (Chip Select - выбор элемента памяти) используется именно для этой цели. Он устанавливается, чтобы запустить микросхему. Кроме того, нужен способ отличия считывания от записи. Сигнал WE (Write Enable - разрешение записи) используется для указания того, что данные должны записываться, а не считываться. Наконец, сигнал (Ж (Output Enable - разрешение выдачи выходных сигналов) устанавливается для выдачи выходных сигналов. Когда этого сигнала нет, выход отсоединен от остальной части схемы. На рис. 3.30, б используется другая схема адресации. Микросхема представляет собой матрицу 2048x2048 однобитных ячеек, что составляет 4 Мбит. Чтобы обратиться к микросхеме, сначала нужно выбрать строку. Для этого И-битный номер этой строки подается на адресные выводы. Затем устанавливается сигнал RAS (Row Address Strobe - строб адреса строки). После этого на адресные выводы подается номер столбца и устанавливается сигнал CAS (Column Address Strobe - строб адреса столбца). Микросхема реагирует на сигнал, принимая или выдавая 1 бит данных.
Большие микросхемы памяти часто производятся в виде матриц mxn, обращение к которым происходит по строке и столбцу. Такая организация памяти сокращает число необходимых выводов, но, с другой стороны, замедляет обращение к микросхеме, поскольку требуется два цикла адресации: один для строки, а другой для столбца. Чтобы ускорить этот процесс, в некоторых микросхемах можно вызывать адрес ряда, а затем несколько адресов столбцов для доступа к последовательным битам ряда.
Много лет назад самые большие микросхемы памяти обычно были устроены
так, как показано на рис. 3.30, б. Поскольку слова выросли от 8 до 32 битов и выше, использовать подобные микросхемы стало неудобно. Чтобы из микросхем 4096 Kxl построить память с 32-битными словами, требуется 32 микросхемы, работающие параллельно. Эти 32 микросхемы имеют общий объем, по крайней мере, 16 Мбайт. Если использовать микросхемы 512 Кх8, то потребуется всего 4 микросхемы, но при этом объем памяти будет составлять 2 Мбайт. Чтобы избежать наличия 32 микросхем, большинство производителей выпускают семейства микросхем с длиной слов 1,4, 8 и 16 битов.
3.2.ОЗУ и ПЗУ
Все виды памяти, которые мы рассматривали до сих пор, имеют одно общее свойство: в них можно и записывать информацию, и считывать ее. Такая память называется ОЗУ (оперативное запоминающее устройство). Существует два типа ОЗУ: статическое и динамическое. Статическое ОЗУ конструируется с использованием D-триггеров. Информация в ОЗУ сохраняется на протяжении всего времени, пока к нему подается питание: секунды, минуты, часы и даже дни. Статическое ОЗУ работает очень быстро. Обычно время доступа составляет несколько наносекунд. По этой причине статическое ОЗУ часто используется в качестве кэш-памяти второго уровня.
В динамическом ОЗУ, напротив, триггеры не используются. Динамическое
ОЗУ представляет собой массив ячеек, каждая из которых содержит транзистор и крошечный конденсатор. Конденсаторы могут быть заряженными и разряженными, что позволяет хранить нули и единицы. Поскольку электрический заряд имеет тенденцию исчезать, каждый бит в динамическом ОЗУ должен обновляться (перезаряжаться) каждые несколько миллисекунд, чтобы предотвратить утечку данных. Поскольку об обновлении должна заботиться внешняя логика, динамическое ОЗУ требует более сложного сопряжения, чем статическое, хотя этот недостаток компенсируется большим объемом.
Поскольку динамическому ОЗУ нужен только 1 транзистор и 1 конденсатор на бит (статическому ОЗУ требуется в лучшем случае 6 транзисторов на бит), динамическое ОЗУ имеет очень высокую плотность записи (много битов на одну микросхему). По этой причине основная память почти всегда строится на основе динамических ОЗУ. Однако динамические ОЗУ работают очень медленно (время доступа занимает десятки наносекунд). Таким образом, сочетание кэш-памяти на основе статического ОЗУ и основной памяти на основе динамического ОЗУ соединяет в себе преимущества обоих устройств.
Существует несколько типов динамических ОЗУ. Самый древний тип, кото-
рый все еще используется, - FPM (Fast Page Mode - быстрый постраничный режим). Это ОЗУ представляет собой матрицу битов. Аппаратное обеспечение представляет адрес строки, а затем - адреса столбцов (мы описывали этот процесс, когда говорили об устройстве памяти, показанном на рис. 3.30, 6).
FPM постепенно замещается EDO1 (Extended Data Output - память с расши-
ренными возможностями вывода), которая позволяет обращаться к памяти еще до того, как закончилось предыдущее обращение. Такой конвейерный режим не ускоряет доступ к памяти, но зато увеличивает пропускную способность, выдавая больше слов в секунду. И FPM, и EDO являются асинхронными. В отличие от них так называемое синхронное динамическое ОЗУ управляется одним синхронизирующим сигналом. Данное устройство представляет собой гибрид статического и динамического ОЗУ. Синхронное динамическое ОЗУ часто используется при производстве кэш-памяти большого объема. Возможно, данная технология в будущем станет наиболее
предпочтительной и в изготовлении основной памяти.
ОЗУ - не единственный тип микросхем памяти. Во многих случаях данные
должны сохраняться, даже если питание отключено (например, если речь идет об игрушках, различных приборах и машинах). Более того, после установки ни программы, ни данные не должны изменяться. Эти требования привели к появлению ПЗУ (постоянных запоминающих устройств), которые не позволяют изменять и стирать хранящуюся в них информацию (ни умышленно, ни случайно). Данные записываются в ПЗУ в процессе производства. Для этого изготавливается трафарет с определенным набором битов, который накладывается на фоточувствительный материал, а затем открытые (или закрытые) части поверхности вытравливаются.
Единственный способ изменить программу в ПЗУ - поменять целую микросхему. ПЗУ стоят гораздо дешевле ОЗУ, если заказывать их большими партиями, чтобы оплатить расходы на изготовление трафарета. Однако они не допускают изменений после выпуска с производства, а между подачей заказа на ПЗУ и его выполнением может пройти несколько недель. Чтобы компаниям было проще разрабатывать новые устройства, основанные на ПЗУ, были выпущены программируемые ПЗУ. В отличие от обычных ПЗУ, их можно программировать в условиях эксплуатации, что позволяет сократить время выполнения заказа. Многие программируемые ПЗУ содержат массив крошечных плавких перемычек. Можно пережечь определенную перемычку, если выбрать нужную строку и нужный столбец, а затем приложить высокое напряжение к определенному выводу микросхемы.
Следующая разработка этой линии - стираемое программируемое ПЗУ, которое можно не только программировать в условиях эксплуатации, но и стирать с него информацию. Если кварцевое окно в данном ПЗУ подвергать воздействию сильного ультрафиолетового света в течение 15 минут, все биты установятся на 1.
Если нужно сделать много изменений во время одного этапа проектирования, стираемые ПЗУ гораздо экономичнее, чем обычные программируемые ПЗУ, поскольку их можно использовать многократно. Стираемые программируемые ПЗУ обычно устроены так же, как статические ОЗУ. Например, микросхема 27С040 имеет структуру, которая показана на рис. 3.30, а, а такая структура типична для статического ОЗУ.
Следующий этап - электронно-перепрограммируемое ПЗУ, с которого мож-
но стирать информацию, прилагая к нему импульсы, и которое не нужно для этого помещать в специальную камеру, чтобы подвергнуть воздействию ультрафиолетовых лучей. Кроме того, чтобы перепрограммировать данное устройство, его не нужно вставлять в специальный аппарат для программирования, в отличие от стираемого программируемого ПЗУ, Но с другой стороны, самые большие электронно-перепрограммируемые ПЗУ в 64 раза меньше обычных стираемых ПЗУ, и работают они в два раза медленнее. Электронно-перепрограммируемые ПЗУ не могут конкурировать с динамическими и статическими ОЗУ, поскольку они работают в 10 раз медленнее, их емкость в 100 раз меньше, и они стоят гораздо дороже. Они
используются только в тех ситуациях, когда необходимо сохранение информации при выключении питания.
Более современный тип электронно-перепрограммируемого ПЗУ - флэш-память. В отличие от стираемого ПЗУ, которое стирается под воздействием ультрафиолетовых лучей, и от электронно-программируемого ПЗУ, которое стирается по байтам, флэш-память стирается и записывается блоками. Как и любое электронно-перепрограммируемое ПЗУ, флэш-память можно стирать, не вынимая ее из микросхемы. Многие изготовители производят небольшие печатные платы, содержащие десятки мегабайтов флэш-памяти. Они используются для хранения изображений в цифровых камерах и для других целей. Возможно, когда-нибудь флэш-память вытеснит диски, что будет грандиозным шагом вперед, учитывая время доступа в 100 не. Основной технической проблемой в данный момент является то, что флэш-память изнашивается после 10 000 стираний, а диски могут служить годами независимо от того, сколько раз они перезаписывались. Краткое описание
различных типов памяти дано в табл. 3.2.
Лекция 8. Микросхемы управления и сопряжения.
1. Микросхемы процессора.
2. Шины и принципы их работы.
3. Средства сопряжения.
