Справочное пособие по цифровой электронике

Микросхемы для ввода-вывода. Чтобы выполнить любую полезную функцию, микропроцессор должен как-то взаимодействовать с внешним миром. Такие связи реализуются с помощью БИС, конфигурация которых определяется программно и которые называются программируемыми.

Микросхемы для ввода-вывода подразделяются на параллельные (одновременно передается байт) и последовательные (по единственной линии передается один бит за другим).

На рис. 5.3 показана базовая конфигурация микропроцессорной системы, содержащая центральный микропроцессор (ЦП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и микросхемы для ввода-вывода.

Рис. 5.3. Основные компоненты микропроцессорной системы.

Отметим наличие в системе трех шин; компоненты объединяются шинами адреса, данных и управления, поэтому одним из требований к вспомогательным микросхемам оказывается наличие у них тристабильных выходов. С их помощью обеспечивается отключение микросхемы от шины, когда последняя не требуется.

Вспомогательные микросхемы, например ПЗУ или ЗУПВ, почти всегда выбираются или разрешаются низким уровнем сигнала разрешения кристалла EN или выбора (выборки) кристалла CS.

Обычно эти сигналы формируют дешифраторы адреса, на входы которых подаются сигналы с шины адреса. Дешифратор адреса как бы разделяет имеющуюся память на блоки, каждый из которых соответствует конкретной вспомогательной микросхеме. Следовательно, когда микропроцессор считывает или записывает информацию, например в ЗУПВ, дешифратор адреса обеспечивает выбор только ЗУПВ, а внутренние буферы микросхем ПЗУ и ввода-вывода удерживают их выходы в высокоимпедансном состоянии.

Распределение пространства памяти в микропроцессорной системе удобно показывать с помощью так называемой карты памяти. 8-битный микропроцессор с 16-линиями адреса может адресовать любую из 65536 (216) ячеек памяти, поэтому диапазон адресов памяти составляет от 0 до 65535 (максимальный адрес). На рис. 5.4 показана типичная карта памяти с адресами.

Рис. 5.4. Типичная карта памяти системы управления с 8-битным микропроцессором.

5.4. Поиск неисправностей в микропроцессорах

Поиск неисправностей в микропроцессорных системах, особенно для новичков, может оказаться сложной задачей. Однако расстраиваться не нужно, потому что большинство неисправностей довольно просты и их можно обнаружить несложным прибором. До начала работы следует по возможности получить принципиальную схему и документацию по эксплуатации системы; в ней приводятся наиболее часто встречающиеся неисправности.

Отправной точкой при работе со схемной платой служит идентификация основных элементов, включая микропроцессор и вспомогательные микросхемы. Микросхемы полупроводниковой памяти обычно размещаются компактно, и их легко найти (подробнее см. в гл. 6), а микросхемы для ввода-вывода располагаются вблизи соответствующих разъемов. Генератор синхронизации легко найти по кварцу, а дешифраторы адреса выполняются на TTЛ-схемах либо на заказных логических матрицах (программируемые логические матрицы ПЛМ или нескоммутироваиные логические матрицы НЛМ).

Разобравшись в схемной плате и найдя основные микросхемы, нужно попытаться найти ответы на следующие вопросы.

1. В каком состоянии находится система — имеется ли какая-либо индикация или система выглядит полностью неработающей? В последнем случае прежде всего необходимо проверить напряжение питания +5 В. Если оно мало или отсутствует, следует отключить питание от печатной платы и установить, «виноват» блок питания или чрезмерная нагрузка из-за короткого замыкания в самой системе.

2. Нажмите кнопку сброса и посмотрите, возникают ли в системе какие-либо изменения. Если происходит частичный сброс (например, индицируется сообщение об авторском праве или появляется какой-то начальный стимул), неисправность микропроцессора маловероятна, а более правдоподобен отказ в какой-либо вспомогательной микросхеме, например в ЗУПВ.

3. Если наблюдается перемежающаяся неисправность (система какое-то время работает, а затем останавливается в непредсказуемой точке), проверьте все разъемы. Соединения в краевых разъемах довольно ненадежны, и их контакты следует периодически чистить. Аналогичная проблема возникает, если основные микросхемы вставлены в гнезда. Осторожно нажмите на каждую из «больших» микросхем и посмотрите, не возобновляется ли правильная работа. Иногда до замены микросхемы достаточно просто аккуратно вынуть ее и снова вставить, так как эта операция может прочистить контакты.

4. Если микропроцессор вроде бы работает и неисправность не перемежающаяся, целесообразно проверить сигналы управления в самом микропроцессоре. На рис. 5.6–5.8 показана разводка контактов четырех наиболее популярных 8-битных микропроцессоров.

Рис. 5.5. Разводка контактов микропроцессора 6502.

Рис. 5.6. Разводка контактов микропроцессора 6800.

Рис. 5.7. Разводка контактов микропроцессора 6809.

Рис. 5.8. Разводка контактов микропроцессора Z80.

С помощью логического пробника (см. приложение 2) убедитесь, что:

а) имеются сигналы на входе синхронизации (пробник показывает наличие импульсов). Если их нет, проверьте схему генератора синхронизации;

б) на входе сброса отсутствует сигнал низкого уровня (проверьте также действие короткого импульса при нажатии кнопки сброса). При «зависшем» входе сброса проверьте соответствующую схему формирования сигнала сброса;

в) отсутствует постоянный сигнал низкого уровня на входе немаскируемого прерывания. Если такой сигнал все же имеет место, попробуйте поочередно отключать внешние устройства до тех пор, пока сигнал немаскируемого прерывания не станет пассивным. Проверьте также микросхему ввода-вывода (можно временно вынуть ее из гнезда, не забыв, конечно, предварительно выключить питание);

г) линии считывания и записи (или одна линия считывания/записи) активны. Если микропроцессор выбирает команды и выполняет их, на этих линиях действует непрерывный поток импульсов. Если их нет, нажмите кнопку сброса и проверьте наличие кратковременной активности на линии считывания. В случае отсутствия импульсов и при срабатывании сигнала сброса, по всей вероятности, неисправен сам микропроцессор.

5. Если на предыдущих этапах проблема не выяснена, поочередно коснитесь логическим пробником каждой линии адреса и данных (при наличии осциллографа удобно использовать и его). Наблюдайте сигнал на каждой линии.

Если на какой-то линии постоянно действует сигнал низкого или высокого уровня (т. е. она «зависла») или постоянно находится в высокоимпедансном состоянии, выключите питание и попробуйте поочередно отсоединять вспомогательные микросхемы. В случае сохранения неисправности ее причиной может быть отказ в одном из внутренних буферов микропроцессора, что требует его замены.

6. Если все ваши попытки оказались тщетными, воспользуйтесь следующими «менее научными», но тем не менее эффективными приемами:

а) пусть система поработает некоторое время, затем поочередно коснитесь пальцем каждой микросхемы. Если какая-то микросхема слишком горячая, то вполне возможно, что неисправность произошла именно в ней (температуру можно сравнить, касаясь аналогичной микросхемы на этой же или другой печатной плате);

б) когда микросхемы вставлены в гнезда, поочередно вынимайте и заменяйте каждую из них (не забывая, конечно, выключать питание). Замену следует производить на заведомо работоспособную микросхему.

5.5. Логический анализатор

Данные в сложной микропроцессорной системе непрерывно изменяются с очень высокой скоростью (быстродействие многих современных микропроцессоров составляет более 1 млн. операций в секунду). Чтобы получить осмысленное представление о состоянии системы, в некоторых случаях требуется проанализировать изменение данных по командам. Для этого разработан способ восприятия данных от системы за небольшой временной интервал и запоминания их для индикации и наблюдения.

Как и многие современные контрольно-измерительные приборы, логические анализаторы содержат встроенные микропроцессоры. Стоимость этих приборов колеблется от 50 фунт. ст. (сравнительно несложный прибор с 16-ричным индикатором и небольшой памятью — 2К) до нескольких тысяч фунтов стерлингов (многофункциональный прибор с памятью 16К и дисплеем на электронно-лучезой трубке).

Логические анализаторы подключаются к исследуемой системе через входной порт и быстродействующую память для регистрации данных. Благодаря этому прибор может зарегистрировать часть изменяющихся данных, существующих в исследуемой системе.

В анализаторе обычно предусматриваются различные режимы запуска и сбора данных. Важно, чтобы он мог зафиксировать данные, имеющиеся в системе до и после определенной точки при выполнении программы. Для этого приходится сравнивать входную информацию с определенным пользователем запускающим словом. Когда в системе возникает запускающее слово (например, микропроцессор обращается по конкретному адресу памяти), схемы запуска формируют импульс, «замораживающий» состояние памяти для регистрации данных. Таким образом обеспечивается фиксация данных и их доступность для последующего анализа.

Еще один из способов запуска заключается в использовании импульса, генерируемого на одной из входных линий. Типичным примером такого запуска является регистрация данных до и после появления импульса на линии прерывания.

Большинство многофункциональных логических анализаторов обеспечивают два режима индикации — во временной области и в информационной области. В первом случае индицируется временная диаграмма в виде сигналов, показывающих состояния каждой входной лиши в выбранном временном интервале (диаграмма напоминает изображение на экране многоканального запоминающего осциллографа). Обычно допускается движение «окна» по памяти для регистрации (или перемещение курсора по неподвижному изображению), что позволяет получить более подробную информацию, включая двоичное и 16-ричное преобразования сигналов в конкретный момент времени. Индикация в информационной области производится в двоичном или 16-ричном форматах, а иногда позволяет дисассемблировать дг-.нные для различных микропроцессоров.

Глава 6

Полупроводниковая память

В гл. 5 мы говорили о необходимости схем, предназначенных для хранения последовательностей команд и изменяющейся информации (данных), используемой в процессе обработки. Выпускается несколько разновидностей микросхем полупроводниковой памяти. Некоторые из них обеспечивают постоянное хранение программ и данных, поэтому их называют энергонезависимыми. В энергозависимой памяти при выключении питания ее содержимое теряется.

Несмотря на то что в некоторых специализированных микропроцессорах (рассчитанных, например, на простые и дешевые системы управления) предусматривается небольшая внутренняя память для программ и данных, для большинства микропроцессоров обычно требуется внешняя память. Напомним, что такая память подразделяется на ЗУПВ и ПЗУ.

Память, в которую можно записывать и из которой можно считывать, — это ЗУПВ. Иными словами, мы сами изменяем ее содержимое. Из ПЗУ же можно только считывать информацию; попытка записать в такую память не изменяет ее содержимого. Примерами ПЗУ и ЗУПВ служат компакт-диски и компакт-кассеты, используемые для записи музыки и речи. После записи содержимое компакт-диска изменить нельзя, а содержимое кассеты можно стереть и записать на нее снова.

В микропроцессорных системах для хранения данных применяется малогабаритная и быстродействующая полупроводниковая память. Выпускается несколько типов микросхем ПЗУ для различных целей. В термине ЗУПВ слова «произвольная выборка» просто означают, что в такой памяти одинаково легко осуществляется обращение к любым хранимым в ней данным. В отличие от ЗУПВ имеется память с последовательным доступом, например на магнитной ленте.

6.1. Постоянные запоминающие устройства

Энергонезависимая память в микропроцессорных системах необходима для хранения управляющих программ, операционных систем и интерпретаторов языков программирования высокого уровня. Именно на такие применения и рассчитаны ПЗУ. Если требуется сменить управляющую программу или перейти к другой версии операционной системы, микросхему(ы) ПЗУ следует заменить.

В ПЗУ 8-битного микрокомпьютера примерно 4К байт отводятся для операционной системы, которая обеспечивает ввод с клавиатуры, управляет выводом на дисплей, кассетным накопителем и т. п. Интерпретатор БЕЙСИКа обычно занимает 12К байт. Реализовать ПЗУ емкостью 16К можно на одной микросхеме 16К, двух микросхемах 8К или четырех микросхемах 4К.

Программируемые маской ПЗУ. Если микропроцессорная система рассчитывается на массовый выпуск, например домашний компьютер, наиболее целесообразно применять ПЗУ, программируемые маской или фотошаблоном. Запись в такие устройства осуществляется в процессе производства — хранящиеся данные определяются применяемой маской. Разработчик системы сообщает спецификации содержимого ПЗУ фирме-изготовителю. Поскольку заказ оказывается выгодным только для партии в десятки тысяч микросхем, разработчик должен быть полностью уверен в том, что данные и программы безошибочны и не потребуют изменений.

Программируемые ПЗУ с плавкими перемычками. Такие ПЗУ (ППЗУ) оказываются экономичными при среднем объеме производства, и их программирует сам разработчик. Внутри микросхемы находится матрица из нихромовых или поликремниевых перемычек, которые можно расплавить, подав импульс тока с соответствующими параметрами. Программирование занимает значительное время, но сам прибор (программатор) оказывается простым и относительно недорогим. Довольно часто опытные образцы микропроцессорных систем поставляются с ППЗУ, которые после выявления ошибок и при переходе к массовому выпуску заменяются на ПЗУ.

Стираемые ППЗУ. После программирования изменить содержимое рассмотренных выше микросхем ППЗУ нельзя, т. е. они не допускают стирания содержимого и повторного программирования. В то же время стираемые ППЗУ (СППЗУ) обеспечивают многократные стирание их содержимого и программирование.

В корпусе СППЗУ сделано «окно», через которое на матрицу запоминающих элементов попадает свет. При экспонировании ультрафиолетовым светом в течение нескольких минут хранимые данные стираются. После этого в микросхему с помощью дешевого программатора импульсами тока можно записать новую информацию. Процесс программирования длится несколько минут, однако некоторые программаторы позволяют записывать информацию в несколько микросхем одновременно.

Стираемые ППЗУ удобно применять при мелкосерийном производстве и на этапе проектирования, однако относителыю высокая стоимость устройств препятствует их использованию в серийных изделиях. В табл. 6.1 приведены основные характеристики наиболее популярных микросхем СППЗУ, а разводка контактов их корпусов показана на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Разводка контактов распространенных микросхем СППЗУ.

Электрически стираемые ППЗУ. В относительно новых микросхемах электрически стираемых (изменяемых) ППЗУ в отличие от СППЗУ можно стереть содержимое электрическими импульсами; при этом микросхемы не нужно вынимать из гнезд. К сожалению, такие микросхемы довольно дороги и пока не получили широкого распространения, тем более что имеются экономичные КМОП-ЗУПВ, оправдывающие использование батарейного резервного питания.

Не следует полагать, что последние два вида микросхем можно отнести к памяти с записью и считыванием, т. е. к ЗУПВ. Хотя в них реализуются обе операции, следует все же отчетливо представлять себе различие между ними и истинными ЗУПВ, обеспечивающими моментальное изменение содержимого любого байта. Важными характеристиками являются также время и простота репрограммирования микросхем. Типичное время обращения к любому байту в ЗУПВ составляет около 150 нс. Следовательно, все содержимое микросхемы ЗУПВ 8К можно изменить за 150x8192 не (плюс некоторое дополнительное время на действия процессора). Общее время обращения измеряется несколькими миллисекундами.

Программирование микросхемы СППЗУ емкостью 8К байт длится несколько минут без учета извлечения ее из гнезда и стирания имеющейся информации ультрафиолетовым светом. В этом отношении микросхемы электрически стираемых ППЗУ предпочтительнее, так как их не требуется вынимать из гнезд. Но все же время их репрограммирования в несколько тысяч раз больше, чем у микросхем ЗУПВ эквивалентной емкости.

6.2. Запоминающие устройства с произвольной выборкой

Такие устройства необходимы в любой микропроцессорной системе. Часть их памяти используется операционной системой для хранения системных переменных и в качестве рабочей области. Кроме того, ЗУПВ также требуется операционной системе и управляющей программе в целях организации стека для временного хранения данных. Еще одна область ЗУПВ необходима пользователю для его программ и данных. Кроме того, при наличии растрового дисплея часть ЗУПВ выделяется для экранной памяти; обычно при этом применяется точечное отображение, т. е. каждый бит экранного ЗУПВ соответствует конкретной точке на экране (пикселу). Типичное распределение ЗУПВ в 8-битном микрокомпьютере приведено в табл. 6.2.

Биполярные ЗУПВ. Основу биполярных ЗУПВ образует обычный транзисторный триггер, схема которого показана на рис. 6.2.

Такая память потребляет значительную мощность, поэтому емкость ее ограничена. Однако быстродействие биполярных ЗУПВ очень высоко, что объясняет их применение в высокопроизводительных системах и в качестве буферов между быстродействующими устройствами и обычной более медленной памятью.

Рис. 6.2. Элемент биполярной статической памяти.