Занимательно о микроконтроллерах

Рис. 1.7. Носимая радиостанция с применением микроконтроллеров

Как выглядит носимая радиостанция внутри, показывает фотография, приведенная на рис. 1.8. Практически во всех узлах радиостанции используются микроконтроллеры.

Рис. 1.8. Печатная плата приемопередатчика носимой радиостанции

Наиболее распространенными в настоящее время являются микроконтроллеры семейства MCS-51. Они выпускаются рядом фирм — производителей микросхем. Не менее распространенными в мире, но не в России являются микроконтроллеры фирмы Motorola. Это такие семейства 8-разрядных микроконтроллеров, как НС05, НС07, HC11 и многие другие. Пожалуй, не менее популярными являются микроконтроллеры AVR фирмы Atmel. Одно перечисление семейств микроконтроллеров может занять несколько страниц текста, поэтому ограничимся приведенным перечнем.

Сигнальные процессоры

Сигнальные процессоры, как следует из названия, предназначены для обработки сигналов. Важнейшей их задачей является реализация частотной фильтрации входного сигнала. При реализации этого алгоритма требуется обеспечить максимальное быстродействие. Для данного класса микропроцессоров потребление энергии часто не является определяющим требованием.

Анализ алгоритмов цифровой обработки сигналов показывает, что основной вклад в вычислительные затраты вносит умножение отсчетов входного сигнала на весовые коэффициенты. Поэтому основным блоком для сигнального процессора является аппаратный умножитель.

Еще одной особенностью выполнения алгоритма фильтрации является возможная потеря точности при многократном суммировании результатов перемножения. Поэтому обычно в сигнальных процессорах используются многоразрядные перемножители, сумматоры и соответствующие им многоразрядные регистры-аккумуляторы. Обычно разрядность таких сумматоров составляет сорок двоичных разрядов.

При выполнении любого циклического алгоритма, а к этой категории, несомненно, относятся алгоритмы цифровой фильтрации, значительное время расходуется на организацию самого цикла. Требуется изменение счетчика циклов, проверка содержимого счетчика на равенство заданному значению, изменение содержимого указателей на текущий адрес памяти отсчетов сигнала цифрового фильтра и на текущий адрес памяти коэффициентов.

Внутренняя структура сигнальных процессоров построена так, что все перечисленные задачи выполняются за один машинный такт. Это позволяет значительно повысить алгоритмическое быстродействие сигнальных процессоров. Именно наличие модулей умножения с накоплением вместе с аппаратной поддержкой циклического выполнения алгоритма позволяет отнести микропроцессор к классу сигнальных процессоров.

Чрезвычайно важной для сигнального процессора является также возможность легко соединяться с микросхемами аналого-цифровых (АЦП) и цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). В ряде относительно дешевых сигнальных процессоров используются встроенные АЦП и ЦАП, но системы, построенные на таких микросхемах, обычно обладают средними характеристиками.

Первоначально сигнальные процессоры подключали модули АЦП или ЦАП через системную шину (такой подход сохраняется до сих пор для очень высоких скоростей обмена информацией), однако в дальнейшем наибольшее распространение получило подключение через универсальный синхронный последовательный порт. Наличие параллельных портов, в отличие от микроконтроллеров, не является обязательным для сигнальных процессоров.

Наиболее сильные позиции на рынке сигнальных процессоров в настоящее время занимают такие фирмы, как Analog Devices и Texas Instruments. Именно они предлагают в настоящее время наиболее производительные модели сигнальных процессоров. Не менее сильными являются позиции фирмы Motorola, но в нашей стране процессоры этого производителя менее распространены.

Итак, подведем итоги

Разнообразие микропроцессоров поражает, но все они построены по одинаковым принципам, которые будут рассмотрены в данной книге. При этом микропроцессоры будут рассматриваться на примере микроконтроллеров. Причем микроконтроллеров очень распространенного в настоящее время семейства — MCS-51. Однако прежде чем начать подробное изучение принципов работы с микропроцессорами, рассмотрим основы работы цифровых систем, частью которых являются микропроцессоры.

Глава 2

Цифровая техника

Итак, рассмотрев какие виды микропроцессоров бывают и для решения каких видов задач они применяются, можно приступить к решению вопроса — как же они устроены? Как уже говорилось, микропроцессорная техника является частью цифровой техники. Поэтому, не зная основ цифровой техники, невозможно понять, как работает микропроцессор.

Начнем с самых элементарных вопросов: из каких элементов строятся цифровые схемы и как они устроены? Затем научимся реализовывать на основе этих простейших элементов цифровые устройства любой сложности. Следует отметить, что в данной книге вы не получите обзора всего разнообразия цифровых устройств. Будут рассмотрены только те цифровые устройства, которые используются непосредственно в микропроцессорной технике.

В данной главе будут рассмотрены только сумматоры и устройства коммутации цифровых сигналов. Однако, при необходимости, можно и разобраться в оставшихся за рамками данной книги разделах цифровой техники, применив рассмотренные методы построения цифровых устройств.

Обычно любые устройства предназначены для преобразования входных сигналов в выходные. Свойства аналоговых схем описываются рядом общепринятых параметров (например, коэффициентом усиления и динамическим диапазоном) и характеристик (амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики).

Иначе обстоит дело с параметрами цифровых микросхем. Для идеализированных цифровых устройств коэффициент усиления не нормируется — он реализуется достаточным для того, чтобы сигнал на выходе не затухал. И только! Логические уровни на входе и выходе цифровых микросхем одинаковы. Если логический элемент обладает запасом по коэффициенту усиления, то выходной сигнал просто ограничивается. Конкретное значение логических уровней зависит от напряжения питания цифровых микросхем и примененной схемотехники, но это не меняет принципов работы цифрового устройства.

Цифровые схемы наиболее полно описываются таблицей истинности.

Таблица истинности позволяет поставить выходные сигналы в соответствие входным сигналам. Обычно каждый из выходных сигналов цифрового устройства зависит от нескольких входных сигналов этого цифрового устройства. Поэтому в таблице истинности перечисляются все возможные комбинации входных сигналов и записывают соответствующий каждой комбинации входных сигналов выходной сигнал.

Достаточно часто одним и тем же комбинациям входных цифровых сигналов соответствуют несколько выходных сигналов. Тогда для всех выходных сигналов записывается одна таблица истинности.

Для простейших цифровых логических элементов таблица истинности состоит из одного выходного и одного или двух входных сигналов. Рассмотрим эти элементы.

Простейшие логические элементы

Любые цифровые устройства строятся на основе простейших логических элементов: «НЕ», «ИЛИ», «И». Самым простым логическим элементом является инвертор (элемент «НЕ»), который работает в соответствии с табл. 2.1. Он просто изменяет значение входного сигнала на прямо противоположное. В качестве инвертора можно использовать обычный транзисторный усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером или общим истоком. Схемы, позволяющие реализовать функцию логического инвертирования, изображены на рис. 2.1. На рис. 2.1, а приведена схема инвертора на обычном биполярном транзисторе, а на рис. 2.1, б приведена схема инвертора, выполненного на комплементарных МОП-транзисторах.

Рис. 2.1. Схемы, реализующие функцию логического инвертирования

Условное графическое обозначение инвертора на схемах не зависит от схемотехники, использованной для его реализации, оно приведено на рис. 2.2. С этого момента инвертор будет изображаться исключительно в таком виде.

Рис. 2.2. Условное графическое обозначение инвертора

Следующий распространенный элемент цифровой техники реализует логическую операцию «И», однако чаще всего в качестве готовых микросхем существуют не отдельные схемы логического «И», а более сложные устройства, выполняющие одновременно две логические функции: «И» и «НЕ». Таблица истинности элемента, выполняющего логическую функцию «2И-НЕ», приведена в табл. 2.2.

Проще всего построить такой элемент на самых обыкновенных ключах, как это показано на рис. 2.3, а. В этой схеме ток будет протекать только в том случае, если оба ключа окажутся замкнутыми (будем считать, что такое их состояние достигается при управлении логической единицей). Это означает, что нулевой уровень на выходе схемы появится только при двух логических единицах на входе, т. е. приведенная схема реализует логическую функцию «2И-НЕ» (табл. 2.2). Точно таким же образом выполняется элемент «2И-НЕ» и в микросхемах, построенных на КМОП-транзисторах, только в качестве ключа используется транзистор. Схема логического элемента «2И-НЕ», выполненного на комплементарных МОП-транзисторах, приведена на рис. 2.3, б.

Рис. 2.3. Принципиальные схемы цифровых элементов, реализующих логическую функцию «2И-НЕ»

Условное графическое обозначение элемента, выполняющего логическую функцию «2И-НЕ», приведено на рис. 2.4, и с этого момента элементы, выполняющие данную функцию, будут изображаться именно в таком виде. Это обозначение не зависит от конкретной схемы построения цифрового элемента.

Рис. 2.4. Условное графическое обозначение цифрового элемента, выполняющего логическую функцию «И-НЕ»

Точно так же, как редко можно встретить отдельный элемент логического «И», практически не производятся отдельные элементы логического «ИЛИ». Чаще встречаются элементы «2ИЛИ-НЕ», таблица истинности которых приведена в табл. 2.3.

Как и в предыдущем случае, воспользуемся для реализации элемента «2ИЛИ-НЕ» ключами. На этот раз соединим ключи параллельно. Схема, реализующая таблицу истинности табл. 2.3, приведена на рис. 2.5, а. Схема логического элемента «2ИЛИ-НЕ», выполненного на КМОП-транзисторах, показана на рис. 2.5, б. Как видно из приведенных схем, уровень логического нуля появится на выходе любой из этих схем, как только любой из ключей будет замкнут, т. е. приведенные схемы реализуют таблицу истинности табл. 2.3.

Рис. 2.5. Принципиальные схемы элемента, реализующего логическую функцию «2ИЛИ-НЕ»

Так как один и тот же логический элемент может быть реализован различными способами, для его изображения на схемах используется специальное условное графическое обозначение, приведенное на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Условное графическое обозначение элемента, выполняющего логическую функцию «2ИЛИ-НЕ»

Принципы реализации цифровых устройств по произвольной таблице истинности

Любое цифровое устройство полностью описывается таблицей истинности. При построении сложных устройств с произвольной таблицей истинности используется сочетание простейших элементов: «И» «ИЛИ» «НЕ». Если устройство имеет несколько выходов, то формирование сигнала для каждого из них анализируется отдельно и для каждого из них строится отдельная схема.

Для реализации устройства можно воспользоваться как элементами «И», так и элементами «ИЛИ». В настоящее время наиболее распространены микросхемы, совместимые с ТТЛ, а в ТТЛ проще всего получить элементы «И», выходы которых объединены по функции «ИЛИ», поэтому рассмотрим способ реализации произвольной таблицы истинности, основанный на комбинации логических элементов «И-ИЛИ».

Для реализации таблицы истинности при помощи логических элементов «И» достаточно рассмотреть только те ее строки, которые содержат логические единицы в выходном сигнале. Строки, содержащие в выходном сигнале логический ноль, в построении схемы не участвуют. Каждая строка, содержащая в выходном сигнале логическую единицу, реализуется элементом логического «И» с количеством входов, совпадающим с количеством входных сигналов в таблице истинности. Входные сигналы, описанные в таблице истинности логической единицей, подаются на вход этого элемента непосредственно, а входные сигналы, описанные в таблице истинности логическим нулем, подаются на вход этого же элемента «И» через инверторы. Объединение сигналов с выходов элементов «И», реализующих отдельные строки таблицы истинности, производится при помощи элемента логического «ИЛИ».

Количество входов элемента «ИЛИ» определяется количеством строк таблицы истинности, в которых в выходном сигнале присутствует логическая единица.

Для сокращения количества инверторов имеет смысл выделить их в отдельный блок, который сразу сформирует сигналы, инверсные по отношению к входным сигналам цифрового устройства. Теперь для реализации строки таблицы истинности достаточно соединить входы логического элемента «И» с соответствующими инвертированными и неинвертированными входными сигналами.

Рассмотрим конкретный пример. Пусть необходимо реализовать устройство с таблицей истинности, приведенной в табл. 2.4. Для построения схемы, реализующей сигнал Out1, достаточно рассмотреть строки, выделенные жирным шрифтом. Эти строки реализуются микросхемой D2 на рис. 2.7. Каждая строка реализуется своим многовходовым элементом «И», затем выходы этих элементов объединяются по «ИЛИ». Количество входов элемента «И» однозначно определяется числом входных сигналов в таблице истинности. Количество этих элементов, а значит и входов в логическом элементе «ИЛИ», определяется количеством строк с единичным сигналом на реализуемом выходе цифрового устройства.

Рис. 2.7. Принципиальная схема устройства, реализующего таблицу истинности, приведенную в табл. 2.4

Для построения схемы, реализующей сигнал Out2, достаточно рассмотреть строки, выделенные курсивом. Соответствующая логическая функция реализуется микросхемой D3. Принцип построения этой схемы такой же, как в примере, рассмотренном выше, и поэтому повторяться не будем.