Справочное пособие по цифровой электронике

Стандартный таймер 555 выпускается в 8-контактном корпусе типа DIP (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Разводка контактов одиночного таймера 555

Диапазон рабочего напряжения питания составляет от 4,5 до 15 В. Он перекрывает обычный диапазон TTЛ-схем, поэтому таймер может работать вместе с ними. Выпускаются также и другие разновидности стандартного таймера 555.

Маломощный КМОП-таймер 555 (например, ICM7555IPA). Эта микросхема является аналогом стандартного таймера, но изготавливается по КМОП-технологии. Благодаря этому расширяется диапазон напряжения питания (от 2 до 18 В) и уменьшается потребляемый ток (120 мкА при питании 18 В). Несмотря на то что выходная нагрузочная способность микросхемы уменьшается, все же допускается подключать к схеме до двух стандартных ТТЛ-нагрузок.

Сдвоенный таймер 555 (например, NE556A). Это просто сдвоенный вариант стандартной микросхемы 555, выпускаемый в 14-контактном корпусе (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Разводка контактов сдвоенного таймера 555

Оба таймера можно использовать независимо друг от друга; они обладают такими же электрическими характеристиками, как и стандартный таймер 555.

Маломощный сдвоенный таймер (например, ICM7556IPA). Микросхема представляет собой сдвоенный вариант КМОП-таймера 555 и оформлена в 14-контактном корпусе, так же как и приведенная на рис. 4.6. Оба таймера автономны и обладают электрическими характеристиками, аналогичными КМОП-таймеру 555.

4.3. Поиск неисправностей в схемах с таймерами

Определить неисправности в схемах с таймерами довольно просто. Прежде всего требуется выяснить, в каком режиме (астабильном или моностабильном) работает таймер. Затем следует сделать обоснованное предположение о длительности выходного импульса. При этом можно воспользоваться приведенными выше соотношениями либо номограммами, приведенными на рис. 4.7 и 4.8.

Рис. 4.7. Номограмма для определения частоты импульсов таймера 555 в астабильном режиме. При С = 0,22мкФ и R = R1 = R2 = 10 кОм частота составляет около 400 кГц.

Рис. 4.8. Номограмма для определения ширины импульса таймера 555 в моностабильном режиме. При С = 0,1 мкФ и R =47 кОм ширина импульса составляет около 5 мс.

Выходное состояние таймера (сигнал на контакте 3, см. рис. 4.6) определяется с помощью логического пробника (схема самодельного пробника дана в приложении 2) или осциллографа, если, конечно, он есть. В астабильном режиме логический пробник при касании его зондом контакта 3 стандартного таймера должен показать наличие непрерывной импульсной последовательности (индикация светодиодами логических 0 и 1). По относительной яркости свечения светодиодов можно даже грубо оценить коэффициент заполнения импульсов.

Отметим, что для обеспечения астабильного режима работы на входе Сброс (контакт 4) должен действовать сигнал высокого уровня. В некоторых устройствах этот вход используется для переключения триггера. Поэтому, если астабильная работа не обнаруживается, целесообразно проверить сигнал на входе сброса.

Для проверки моностабильной работы также достаточно одного логического пробника. Но если длительность выходного импульса невелика (например, менее 100 мс), важно, чтобы в пробнике была схема расширения импульсов. Зондом пробника следует коснуться выхода (контакт 3 в стандартном таймере 555) и осуществить запуск. В некоторых схемах запуск реализуется очень просто, например с помощью специально предусмотренной для этого кнопки.

В других случаях запуск можно смоделировать, закоротив контакт 2 на землю, как показано на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Моделирование запуска спадающим фронтом.

Подчеркнем, что при сопряжении сигнала запуска по постоянному току спадающий фронт импульса должен иметь достаточную амплитуду, чтобы напряжение на контакте 2 упало ниже одной трети напряжения питания.

Если длительность выходного импульса не совпадает с ожидаемой (особенно в схемах с электролитическим времязадающим конденсатором), приходится проверять постоянные напряжения на входах Порог и Разряд (см. рис. 4.6). Для измерения следует пользоваться только вольтметром с очень высоким входным сопротивлением.

Обычные мультиметры со входным сопротивлением около 20 кОм/В для таких измерений не подходят, так как сильно изменяют постоянные времени заряда и разряда.

Глава 5

Микропроцессоры

В этой главе рассмотрим основные характеристики четырех наиболее распространенных 8-битных микропроцессоров и некоторые приемы поиска неисправностей в микропроцессорных системах. Глава начинается с общего введения в микропроцессоры и микропроцессорные системы, рассчитанного на читателей, которые с ними еще не знакомы.

Микропроцессоры — это СБИС, которые могут воспринимать, дешифровать и выполнять команды, представленные в двоично-кодированной форме. Микропроцессор образует ядро любой микрокомпьютерной системы. Однако сами по себе микропроцессоры не являются компьютерами, поскольку требуют разнообразных вспомогательных («поддерживающих») микросхем. Среди последних важнейшую роль играют микросхемы, предназначенные для хранения последовательностей команд (т. е. программ) и изменяющейся информации (т. е. данных), привлекаемой для обработки.

Некоторые специализированные микропроцессоры снабжены внутренней памятью (для хранения программ и данных) и входными/выходными портами. Для таких микропроцессоров требуется минимальный объем внешних вспомогательных схем, и они идеально подходят для дешевых систем управления. Обычно упомянутые микропроцессоры называются однокристальными микрокомпьютерами.

Микропроцессоры в зависимости от размера двоичных чисел, которыми они оперируют, можно разделить на два класса. Большинство современных микропроцессоров выполняют операции над группами из 8 или 16 двоичных разрядов (бит). Очевидно, 16-битные микропроцессоры оказываются мощнее 8-битных. В ряде случаев их применения выбирать между этими двумя классами почти не приходится. Например, относительные стоимость и сложность 16-битных микропроцессоров препятствуют их использованию в системах управления. Поэтому будем ориентироваться на 8-, а не на 16-битные микропроцессоры.

8-битный микропроцессор вводит и выводит данные группами по 8 бит, называемых байтами. Данные передаются по восьми отдельным линиям D0—D7, образующим шину данных. Микропроцессоры определяют источник данных (откуда их нужно считать) и их получатель (куда данные нужно записать), указывая местоположение данных в форме уникального адреса. Для этого адресный двоичный набор помещается на шину адреса. В 8-битных микропроцессорах шина адреса всегда состоит из 16 отдельных линий А0—А15.

Адреса, по которым считываются и записываются данные, могут относиться к системной памяти (например, ЗУПВ или ПЗУ) либо к вводу-выводу (ВВ). Распределение адресного диапазона 64К в 8-битных микропроцессорах удобно показывать с помощью карты памяти.

Еще одна шина применяется для определения направления передачи данных (т. е. указания операции считывания или записи) и некоторых общих служебных функций, например сброса. Эта шина называется шиной управления и в зависимости от типа микропроцессора состоит из 5—15 линий.

Первое поколение 8-битных микропроцессоров появилось в середине 70-х годов, начиная с микросхемы 8008 фирмы Intel. По тому времени она казалась удивительным прибором, который мог заменить множество других микросхем и адресовать «огромную» память 16К байт.

По современным меркам микропроцессор 8008 выглядит довольно «слабым» по своим возможностям. Затем появился более «удачный» микропроцессор 8080, выполненный по NMOП-технологии (микропроцессор 8008 выпускался по РМОП-технологии). Микропроцессор 8080 имеет 16 линий адреса, обеспечивающих адресацию памяти 64К байт, и 78 команд, находящихся в распоряжении программиста. На базе этого микропроцессора были разработаны более совершенные микропроцессоры 8085 и Z80.

Наряду с фирмой Intel к производству микропроцессоров подключились и другие фирмы, например Motorola (микропроцессор 6800) и MOS Technology (микропроцессор 6502). В последующие годы было затрачено много усилий на переход к 16- и 32-битным микропроцессорам. Несмотря на новейшие разработки, первые образцы микропроцессоров, а также их модификации довольно широко применяются и в настоящее время. Цены на них значительно снизились, и теперь можно собрать микропроцессорную систему (состоящую из центрального процессора и ряда вспомогательных микросхем) за умеренную плату. Например, основой системы управления микроклиматом почти наверняка будет микропроцессор или однокристальный микрокомпьютер. Такая система не только выполнит все традиционные функции, но и обеспечит более сложные средства обработки данных, а также хранение их с возможностью использования в последующем и даже передаст информацию в удаленный компьютер. Сэкономленное при проектировании аппаратных средств время целесообразно посвятить программному обеспечению проекта, а последующие улучшения свести к замене программного ПЗУ.

5.1. Внутренняя архитектура

Главными внутренними элементами микропроцессора являются:

• регистры для временного хранения команд, данных и адресов;

• арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое реализует множество арифметических и логических функций;

• схема управления, воспринимающая и генерирующая внешние управляющие сигналы (например, считывания и записи) и формирующая сигналы для синхронизации всей системы.

Конечно, внутреннее устройство (или архитектура) микропроцессоров разных семейств различно, но в них имеется и много общих элементов. Например, в основных микропроцессорных семействах заметна тенденция сохранить «совместимость вверх» в части их внутренней архитектуры и системы команд, что, безусловно, делает новые приборы более привлекательными для потребителей.

Внутренние регистры — это просто наборы триггеров-защелок (см. гл. 3), в которые при обработке помещаются двоичные данные. Некоторые из регистров доступны программисту (т. е. он может записать в них или считать их содержимое), а другие не доступны. Регистры подразделяются на специализированные (т. е. имеющие конкретное назначение, например указание ячейки памяти или хранения результата операции АЛУ) и общего назначения.

Особенно важную роль в микропроцессоре играют следующие регистры.

Программный счетчик или указатель команды. Программный счетчик PC или указатель команды IP в 8-битном микропроцессоре — это 16-битный регистр, содержащий адрес следующего командного байта. При выборке каждого командного байта производится автоматический инкремент программного счетчика.

Аккумулятор А функционирует как регистр-источник и регистр-получатель; он одновременно является и источником одного из байт данных, которые требуются для операции АЛУ, и местом, куда помещается результат операции АЛУ. Разумеется, в 8-битных микропроцессорах длина аккумулятора составляет 8 бит.

Регистр флажков F (или регистр состояния SR, регистр кода условия CCR) содержит информацию о внутреннем состоянии микропроцессора, в частности об особенностях результата последней операции АЛУ. Подчеркнем, что регистр флажков не является регистром в обычном смысле, а представляет собой просто набор триггер-защелок, состояния которых зависят от результата операции АЛУ. Можно считать, что выход каждого триггера действует как флажок. Обычно имеются флажки нуля Z, переполнения V, отрицательного результата N и переноса С.

Указатель стека. В большинстве микропроцессоров требуется доступ к такой области внешнего ЗУПВ, которая предназначена для временного хранения данных. Эта область называется стеком и занимает от 16 до 256 байт. (Заметим, однако, что стек — это динамическая структура и его размер изменяется в процессе обработки).

Стек работает по принципу «последний пришел — первый ушел» (LIFO). Данные включаются («проталкиваются») в стек, а затем извлекаются («выталкиваются») из него. Указатель стека SP следит за положением стека, т. е. содержит адрес последней использованной ячейки стека. В некоторых микропроцессорах, например в микропроцессоре 6809, имеются два независимых указателя стека — системный указатель стека SSP и пользовательский указатель стека USР.

Регистр команды непосредственно программисту недоступен. Он содержит текущий командный байт, который декодируется дешифратором команды. Выходы дешифратора команды подаются в схему управления микропроцессора, определяющую направление передач данных и реагирующую на внешние сигналы, появляющиеся на шине управления, а также выполняет другие функции.

Упрощенная внутренняя архитектура типичного 8-битного микропроцессора показана на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Упрощенная внутренняя архитектура типичного 8-битного микропроцессора.

Отметим, что линии внешней шины управления изолированы от линий внутренней шины с помощью буферов и основные внутренние элементы связаны быстродействующей внутренней шиной данных.

5.2. Линии управления

Рассмотрим вкратце функции наиболее важных внешних линий управления, которые имеются в большинстве микропроцессоров.

Считывание/запись. На линии считывания/записи R/W¯ действует сигнал низкого уровня, когда микропроцессор выполняет операцию записи, и сигнал высокого уровня в операции считывания. В некоторых микропроцессорах, например в Z80, имеются отдельные линии считывания READ и записи WRITE.

Запрос прерывания. На входной линии запроса прерывания  или  внешнее устройство формирует сигнал низкого уровня, обращая «внимание» микропроцессора на этот сигнал. Если флажок прерывания сброшен (логический 0), запрос воспринимается и микропроцессор прерывает обычную обработку и переходит к выполнению нужной процедуры прерывания.

Немаскируемое прерывание. Реакция на обычный запрос прерывания ( или ) определяется флажком прерывания, поэтому прерывание может быть замаскировано. В программу вводятся команды, которые устанавливают и сбрасывают флажок прерывания и, следовательно, разрешают или запрещают прерывания. Такой способ позволяет гибко реагировать на прерывания — мы сами определяем, воспринимаются они или игнорируются. Однако в некоторых ситуациях требуется, чтобы прерывание обслуживалось независимо от текущих действий микропроцессора. Для этой цели предусмотрена отдельная линия немаскируемого прерывания . Когда на ней появляется сигнал низкого уровня, выполнение программы прерывается независимо от состояния флажка прерывания, т. е. независимо от того, разрешены прерывания или запрещены.

Сброс. Сигнал низкого уровня на входной линии сброса  применяется для инициализации системы, т. е. приведения ее в известное состояние, до обычного выполнения программы. При активном сигнале сброса программный счетчик PC переводится в определенное состояние (например, в него загружается нуль или конкретный адресный вектор) и прерывания запрещаются.

Выполняются и другие внутренние операции, зависящие от типа микропроцессора.

Синхронизация. Для упорядочивания передач данных внутри микропроцессора необходимо синхронизировать их специальными сигналами. Они формируются либо внешним генератором (рис. 5.2), либо аналогичным внутренним генератором. Для поддержания точности и стабильности сигналов синхронизации обычно применяется кварцевый осциллятор; диапазон частоты синхронизации составляет от 1 до 8 МГц.

Рис. 5.2. Типичная схема синхронизации.

Такт синхронизации (Т-состояние) является в микропроцессоре основным временным интервалом. Машинный цикл (М-цикл) — это минимальная неделимая единица действий микропроцессора. Обычно он состоит из 3–5 тактов синхронизации. Командный цикл, включающий в себя выборку, дешифрование и выполнение команды, обычно требует от 1 до 5 машинных циклов.

Оценим реальные временные интервалы, о которых идет речь. Предположим, что микропроцессор Z80 работает с частотой синхронизации 4 МГц. Тогда такт синхронизации (Т-состояние) соответствует 250 нс. Продолжительность машинного цикла (М-цикла) составляет от 0,75 до 1,25 мкс, а командного цикла (в зависимости от команды) — от 1,25 до 6,25 мкс. Другими словами, микропроцессор может выполнить от 160000 до 800 000 команд в секунду!

5.3. Микропроцессорные системы

Даже самый совершенный микропроцессор практически бесполезен без «поддержки» других устройств, которые подразделяются на три группы.

Запоминающее устройство с произвольной выборкой. Выше мы говорили о том, что всем микропроцессорам требуется доступ к памяти со считыванием и записью, и хотя однокристальные микропроцессоры обладают такой небольшой внутренней памятью, обычно для организации памяти требуются соответствующие микросхемы (подробнее см. в гл.6).

Постоянное запоминающее устройство. Микропроцессорам необходима некоторая фиксированная память для управляющих программ и, возможно, операционных систем и интерпретаторов языков программирования высокого уровня. Такая память обеспечивается микросхемами постоянных запоминающих устройств (см. гл. 6).