Разработка микропроцессорных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Теоретическая часть

микросхема резистор конденсатор микропроцессорный

Микропроцессор - процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели).

Микропроцессор (МП) - программно-управляемое универсальное устройство для цифровой обработки дискретной и (или) аналоговой информации и управления процессом этой обработки, построенное на одной или нескольких больших интегральных схемах (БИС). По существу, МП может выполнять те же функции, что и процессор ЭВМ (или его составная часть), - отсюда с учётом изготовления его по технологии микроэлектроники произошло название «МП».

Микропроцессор (CPU, Central Processor Unit - ЦПУ, или центральное процессорное устройство), электронная схема, устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем. В микрокомпьютере микропроцессор выполняет функции управления и обрабатывает большую часть информации.

Микропроцессорная система (МП-система) - специализированная информационная или управляющая система, построенная на основе микропроцессорных средств, т.е. набора микропроцессорных схем.

Состав:

Генератор тактовых импульсов задаёт временной интервал, который является единицей измерения (квантом) продолжительности выполнения команды. Чем выше частота, тем при прочих равных условиях более быстродействующей является микропроцессорная система. Микропроцессор, ОЗУ и ПЗУ - это неотъемлемые части системы. Интерфейсы ввода и вывода - устройства сопряжения МПС с блоками ввода и вывода информации. Для измерительных приборов характерны устройства ввода в виде кнопочного пульта и измерительных преобразователей (АЦП, датчиков, блоки ввода цифровой информации). Устройства вывода обычно представляют цифровые табло, графический экран (дисплей), внешние устройства сопряжения с измерительной системой. Все блоки МПС связаны между собой шинами передачи цифровой информации. В МПС используют магистральный принцип связи, при котором блоки обмениваются информацией по единой шине данных. Количество линий в шине данных обычно соответствует разрядности МПС (количеству бит в слове данных). Шина адреса применяется для указания направления передачи данных - по ней передаётся адрес ячейки памяти или блока ввода-вывода, которые получают или передают информацию в данный момент. Шина управления служит для передачи сигналов, синхронизирующих всю работу МПС.

Применение в измерительных приборах:

Главная особенность микропроцессора - возможность программирования логики работы. Поэтому МПС используются для управления процессом измерения (реализацией алгоритма измерения), обработки опытных данных, хранения и вывода результатов измерения и пр. Рассмотрим основные преимущества микропроцессорных средств измерения.

· Многофункциональность. Замена измерительного комплекса (совокупности различных измерительных приборов) одним, многофункциональным. Такая замена в приборах с «жесткой» логикой неэкономична. Так как добавление новой функции требует ввода дополнительного блока. Программируемая логика позволяет сделать это добавлением блока программы. Число программ ограничено возможностями ПЗУ и блока управления.

· Повышение точности - наиболее важный момент. Уменьшение погрешностей по сравнению с обычными цифровыми приборами при прочих равных условиях достигается за счет исключения систематических погрешностей в процессе самокалибровки: коррекция смещения нуля, учет собственной АЧХ прибора, учет нелинейности преобразователей. Самокалибровка в данном случае - это измерение поправок или поправочных множителей и запоминание их в ОЗУ с целью использования на этапе обработки опытных данных.

· Уменьшение влияния случайных погрешностей (путем проведения многократных измерений с последующей обработкой выборки - усреднением, вычислением мат. ожидания и пр.). Выявление и устранение грубых погрешностей (промахов). Вычисление и индикация оценки погрешности прямо в процессе измерения.

· Компенсация внутренних шумов и повышение чувствительности средства измерения. Простое усреднение сигнала на входе прибора требует достаточно большого времени tycp. Один из вариантов - проведение многократных измерений и усреднение результатов с целью компенсации случайной составляющей измерительного сигнала. Пример - микропроцессорный ВЧ вольтметр среднеквадратического значения.

· Расширение измерительных возможностей путем широкого использования косвенных и совокупных измерений, воспринимаемых оператором в этом случае как прямые (поскольку результат обработки появляется на индикаторе сразу после проведения измерения). Напомним, что косвенные измерения включают в себя вычисления результата по опытным данным по известному алгоритму. Совокупные измерения предполагают измерение нескольких одноименных физических величин путем решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях сочетаний этих величин. (Например, измерение сопротивления различных сочетаний резисторов - последовательное, параллельное, последовательно-параллельное, позволяют рассчитать сопротивление каждого из них). В этих случаях микропроцессор осуществляет управление процессом измерения по программе и проводит обработку опытных данных. Результат расчетов воспринимается оператором как результат прямых измерений, поскольку расчет делается быстро.

· Упрощение и облегчение управления прибором. Все управление производится с кнопочной панели, выносные клавиатуры используют редко. Чем меньше кнопок, тем более «разумным» является прибор. Автоматизация установок прибора приводит к упрощению его использования (выбор пределов измерения, автоматическая калибровка и пр.). В ряде приборов использую контроль за ошибочными действиями оператора - индикация его неверных действий на табло или экране. Упрощает измерения визуализация результатов на экране в удобном виде, с дополнительными шкалами. Ряд приборов предусматривает вывод результатов на печатающее устройство или портативный носитель информации.

Электронная вычислительная машина, ЭВМ - комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Компьютер (англ. computer, - «вычислитель») - устройство или система, способное выполнять заданную, чётко определённую последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчётов и манипулирования данными, однако сюда относятся и операции ввода-вывода. Описание последовательности операций называется программой.

В структуре ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: элементы, узлы, блоки и устройства.

Элемент предназначен для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации. Находится на самом нижнем уровне обработки информации. Примером может служить элемент сравнения двух бит информации.

Узлы обеспечивают одновременную обработку группы электрических сигналов - информационных слов.

Блоки выполняют некоторую последовательность в обработки информационных слов - функционально обособленную часть машинных операций. В качестве примера можно привести блок выборки команд.

Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей. Например, запоминающее устройство или устройства ввода-вывода.

Шина - в архитектуре компьютера подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера. Обычно шина управляется драйвером. В отличие от связи точка-точка, к шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор коннекторов (соединений) для физического подключения устройств, карт и кабелей.

Примеры внешних компьютерных шин:

· Advanced Technology Attachment или ATA (также известна, как PATA, IDE, EIDE, ATAPI) - шина для подключения дисковой и ленточной периферии.

· SATA, Serial ATA - современный вариант ATA

· USB, Universal Serial Bus, используется для множества внешних устройств

· IEEE-488, GPIB (General-Purpose Instrumentation Bus), HPIB, (Hewlett-Packard Instrumentation Bus)

· PC card, ранее известная как PCMCIA, часто используется в ноутбуках и других портативных компьютерах, но теряет своё значение с появлением USB и встраиванием сетевых карт и модемов

· SCSI, Small Computer System Interface, шина для подключения дисковых и ленточных накопителей

· Serial Attached SCSI, SAS - современный вариант SCSI

Память микропроцессорной системы - выполняет временное хранение данных и команд. Объем памяти определяет допустимую сложность выполняемую системой алгоритмов. А также в некоторой степени скорость работы системы в целом.

В МПС используются устройства ОЗУ, ПЗУ и ВЗУ или оперативная, постоянная и внешняя память.

Оперативная память (англ. Random Access Memory, память с произвольным доступом; комп. жарг. Память, Оперативка) - энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции. Обязательным условием является адресуемость (каждое машинное слово имеет индивидуальный адрес) памяти.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных.

Запоминающее устройство - носитель информации, предназначенный для записи и хранения данных. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.

Для ввода-вывода информации используются различные устройства ввода вывода.

Устройство ввода-вывода - компонент типовой архитектуры ЭВМ, предоставляющий компьютеру возможность взаимодействия с внешним миром и, в частности, с пользователями и другими компьютерами.

Подразделяются на:

Устройство ввода

Устройство вывода

Устройства ввода-вывода - компоненты ЭВМ с переносными носителями (дисководы), двунаправленные интерфейсы (различные порты компьютера, различные сетевые интерфейсы)

Устройства ввода:

· Клавиатура

· Мышь, трекбол и тачпад

· Планшет

· Джойстик

· Сканер

· Цифровые фото, видеокамеры, веб-камеры

· Микрофон

Устройства вывода:

· Монитор

· Принтер

· Акустическая система

Устройства ввода / вывода

· Стример

· Дисковод

· Сетевая плата

· Модем

В составе МПС выделяют 3 группы УВВ: устройства интерфейса пользователя, устройства для длительного хранения информации, таймерные устройства. Таймерные устройства отличаются от других устройств ввода / вывода тем, что они могут не иметь внешних выводов для подключения к внешним устройствам. Эти устройства предназначены для того, чтобы микропроцессорная система могла выдерживать заданные временные интервалы, следить за реальным временем, считать импульсы и т.д.

Кроме этих устройств в состав микропроцессоров входят специальные контролеры, процессоры других специальных устройств, например таких, как микроконтроллеры, контроллер прерываний, контроллер прямого доступа, таймеры.

Микроконтроллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

Контроллер прерываний (англ. Programmable Interrupt Controller, PIC) - микросхема или встроенный блок процессора, отвечающий за возможность последовательной обработки запросов на прерывание от разных устройств.

Контроллер прямого доступа к памяти (англ. DMA - Direct Memory Access) - механизм, использующийся для непосредственного обмена данными между устройством и оперативной памятью компьютера, минуя центральный процессор.

Таймеры предназначены для формирования временных интервалов, позволяя микропроцессорной системе работать в режиме реального времени. Таймеры представляют собой цифровые счётчики, которые подсчитывают импульсы либо от высокостабильного генератора частоты, либо от внешнего источника сигнала, в этом случае таймер называют счетчиком внешних событий. К системной шине микропроцессора таймеры подключаются при помощи параллельных портов.

Структурная схема №1 состоит из следующих элементов:

· ШУ - шина управления

· ША - шина адреса

· ШД - шина данных

· Микропроцессор КР580ВМ80

· ТГ - тактовый генератор

· ПЗУ - постоянное запоминающее устройство

· СК и ДШУ - системный контроллер и шинный усилитель и формирователь

· ДЗ - дешифратор зон

· ППВВ - параллельный порт ввода вывода

· ПП - последовательный порт ввода вывода

· СТ - счетчик таймера

· У1 и У2 - усилители

· СД1 и СД2 - светодиоды

· ДШ - дешифратор

Структура схем имеет три шины которые указаны на рисунке.

Шина адреса служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству (кроме процессора), каждой ячейке памяти в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Когда код какого-то адреса выставляется процессором на шине адреса, устройство с таким адресом понимает, что ему предстоит обмен информацией. Шина адреса определяет максимально возможную сложность микропроцессорной системы, то есть допустимый объем памяти и, следовательно, максимально возможный размер программы и максимально возможный объем запоминаемых данных.

Шина управления служит для передачи различных управляющих сигналов, часть которых является выходными сигналами, а другая часть - входными сигналами. Конкретный состав этих сигналов зависит от типа процессора. Основными сигналами, передаваемыми по этой шине, являются сигналы управления записью-чтением из памяти и сигналы управления вводом-выводом данных из соответствующего порта.

Шина данных используется для передачи информационных кодов между всеми устройствами микропроцессорной системы.

Процессор может выбрать из ОЗУ код команда и данных, а также обработку поместить в ОЗУ, таким образом ОЗУ работает в режиме чтения и записи.

В ПЗУ информация записывается один раз при изготовлении, а при работе только считывается, такие ПЗУ имеют аппаратную сложность, чем ОЗУ. В состав входит счетчик таймер. Это устройство которое во первых позволяет отсчитывать заданное число импульсов поступающих от генератора, а во вторых уменьшает частоту входных импульсов заданное число раз. В состав МПС также входит дешифратор, который преобразует двоичные коды, подаваемые на вход.

2. Расчетная часть

2.1 Расчет числа микросхем требуемых для реализации блоков ОЗУ, ПЗУ, УВВ, обоснование их выбора, распределение зон адресов

Подключение микросхем ОЗУ и ПЗУ к адресному пространству микропроцессорной системы состоит из следующих пяти этапов:

1. Используя справочную литературу для выбора подходящих схем ОЗУ и ПЗУ обозначим число слов в микросхеме за L₁, а длину слова за D₁. Емкость микросхемы V₁ вычисляется как число слов умноженное на длину слов D - разрядность шины данных, и оно равно D₁. (Выбираем микросхемы К537РФ2 для блоков ПЗУ, и микросхему КР537РУ8).

2. Необходимо подключить микросхему к адресному входу шины адреса начиная с самого младшего разряда. Если микросхем несколько, то необходимо разработать схему, которая будет включать в себя микросхему, у которой обращение идет к той зоне, которую они закрывают, вход «выбор кристалла» т.е. CS подключаем к выводу ДЗ адресов, где каждая зона соответствует одной микросхеме. Вход DE подключаем к стробу чтения памяти системного контроллера.

3. Емкость проектированного ОЗУ 2 кб, а выбранная микросхема L₁ равная 2048 слов, а D₁ равная 8 двоичных разрядов. V₁=L₁*D₁; V₁=2048*8=16384? 2 кб - емкость одной микросхемы.

4. Обозначим число требуемых микросхем за N которые найдем по формуле, где в квадратных скобках обозначено большее ближайшее целое число, V_ВЗУ - это емкость проектируемого ОЗУ. Рассчитаем необходимое количество микросхем ОЗУ

5. Аналогичным образом производим расчёт и подключение микросхем блока ПЗУ. При этом необходимо учитывать, что из постоянного запоминающего устройства информация только считывается, но не записывается.

Емкость ПЗУ - 8 кб, емкость данной микросхемы 2 кб. Число требуемых микросхем блоков ПЗУ найдем по формуле,

Для реализации дешифратора выбираем микросхему марки К561ИД7. Это дешифратор на 2 входа и 8 выходов, оставшиеся неподключенные разряды шины подключаем по порядку к входам дешифратора. К шине адреса подключается дешифратор, который выбирает нужные микросхемы при обращении к ячейкам памяти. После подключения дешифратора к микросхемам ОЗУ и ПЗУ подключается необходимые линии связи к шине управления. Для реализации портов ввода вывода выбираем микросхему КР580ВМ55. Эта микросхема содержит четыре шестнадцати рядных счетчиков, работающих в режиме вычитания, т.е. уменьшают на 1, каждый входной импульс.

2.2 Описание функций микросхем и их характеристик

Функциональным назначением микросхемы КР580ВМ80 является разрядность обрабатываемой информации 8 бит, число выводов порта равняется 40, максимальная тактовая частота 2 МГц, среднее время выполнения команд составляет 2-3 мкс, напряжение питания микросхемы +5В,-5В, +12В. Максимальная разрядность микросхемы КР580ВМ80 16 бит.

Описание DD₁:

Функциональным назначением микросхемы КР580ГФ24 является Тактовый Генератор для микросхемы КР580ВМ80, который имеет 15 выходов, напряжение +5В или +12В, ток потребления 12 мА.

RDIN - входной сигнал готовности системы. Высокий уровень на этом входе свидетельствует о том, что все системы готовы для работы с микропроцессором. Он используется в особых случаях. В данном случае на вход постоянно подается высокий уровень через регистр R1 от источника питания +5В. Таким образом, предполагается, что все устройства синхронны вместе с процессором

- вход начальной установки. Низкий уровень на этом входе заставляет микросхему вырабатывать высокий уровень на выходе с синхронно тактовыми импульсами.

SYNC - предназначен для синхронизации системы с микропроцессором.

TAL1, TAL2 - выводы предназначены для подключения кварцевого резонатора с частотой от 9 до 18 мГц.

Выходные сигналы справа:

2TГL - специальный тактовый сигнал, специальный стандарт на конструкцию и уровни входа и выхода сигналов

RDY - выходной сигнал готовности системы.

F1, F2 - выходные тактовые импульсы фазы 1 и фазы 2.

RES - выходной сигнал начала установки.

- сигнал синхронизации для системного контроллера

Описание DD₂:

Микропроцессор, микросхема КР580ВМ80

D0 - D7 - двунаправленные входы - выходы для подключения к шине данных

INT - вход запроса на прерывание

HLD - специальный сигнал управления, который называется «запрос на захват шины». Он использует контроллер прямого доступа к памяти.

строб записи - чтения

SYNC - специальный сигнал синхронизации

DBIN - сигнал, который указывает направление передачи данных по шине данных

WATE - выходной сигнал, высокий уровень которого говорит о том, что микропроцессор находится в состоянии ожидания

Описание DD₃:

Функциональное назначение микросхемы КР580ВК28 является шинный усилитель и формирователь сигналов управления, который имеет 26 выводов, напряжение +5В и ток потребления 190 мА

D₀ - D₇ - двунаправленные входы - выходы для подключения к шише данных микропроцессора

HLDA - вход для подтверждения захвата системной шины предназначенный для подключения к соответствующему выводу микропроцессорной системы

DBIN - вход управления направлением передачи данных по шине данных

- вход строба записи

STB - вход сигнала синхронизации от тактового генератора.

- вход разрешения работы системного контроллера

D₀ - D₇ - двунаправленные входы - выходы для подключения к шине данных микропроцессорной системы

INTA - выход на разрешение прерывания

- выход строба чтения из памяти

- выход строба чтение из УВВ

- строб записи в памяти

- строб записи УВВ

Описание DD4, DD10:

Функциональное назначение микросхемы К561ИД7 дешифратор нижнего уровня с тремя входами, обозначенными 1,2,4, а входы 0-7 используется как стробирующий. Работа этих входов разрешена, если на них подается уровень логический 0, поэтому на выход 0 дешифратора подается через инвертор. Ток потребления 55 мА, потребляемая напряжение +5В.

Описание DD₅-DD₈:

Функциональное назначение микросхемы КР537РФ2 постоянное запоминающее устройство. Напряжение питания, которого +5В, ток потребления 70 мА.

Микросхема ПЗУ очень похожа на ОЗУ, но так как нет режима записи, то вход на управление режимом отсутствует

А₀ - А₁₄ - выводы для подключения к шине адреса

- выбор кристалла - означает, что активный уровень низкий, т.е. логический уровень 0. Его подача на вход заставляет микросхему выполнить функцию чтения / записи в зависимости от значения

- вход разрешения работы, выход усилителей микросхемы по выводам А₀-А₁₄ Логический 0 означает разрешение работы усилителей, логическая 1 - запрет работы усилителей

- двунаправленные входы - выходы микросхемы, предназначенные для подключения к шине данных.

Описание DD₉:

Функциональное назначение микросхемы КР537РУ8 ОЗУ статического типа. Напряжение питания +5В, ток потребления 2 мА, время доступа 220 наносек., трех стабильные выходы, входной ток «логическая 1» - 5 мА, входной ток «логический 0» - 5 мА, емкость вывода 8 Кб

А₀ - А₁₄ - выводы для подключения к шине адреса

- - выбор кристалла - означает, что активный уровень низкий, т.е. логический уровень 0. Его подача на вход заставляет микросхему выполнить функцию чтения / записи в зависимости от значения

- вход разрешения работы, выход усилителей микросхемы по выводам А0-Ап. Логический 0 означает разрешение работы усилителей, логическая 1 - запрет работы усилителей

- двунаправленные входы - выходы микросхемы, предназначенные для подключения к шине данных.

Описание DD₁₁:

Счетчик-таймер - это устройство, которое, во-первых, позволяет отсчитывать заданное число импульсов, поступающих от генератора импульсов и, во-вторых, уменьшает частоту импульсов в заданное число раз, т.е. делит входную частоту на входящее число.

Функциональное назначение микросхемы КР520ВИ53 - это программируемый пятнадцати разрядный счетчик-таймер с 8-мя выводами - напряжение +5В, ток 85 мА

А₀ - А₁₄ - выходы для шины адреса

- низкий уровень на входе заставляет МС выполнить операцию записи / чтения через 1 из счетчиков

- строб записи

- строб чтения ввода

G₀ - G₂ - вход разрешения работы нулевого, первого, второго счетчиков

C₀ - C₂ - выход для входной частоты или импульсов соответственно

- двунаправленные входы / выходы для подключения к шине данных

- входы нулевого, первого и второго таймеров соответственно

Описание DD₁₂-DD₁₅:

Функциональное назначение КР580ВМ55 четыре восьмиразрядных параллельных порта ввода / вывода, напряжение питания +5В, ток потребления 120 мА.

А₀ - А₁₄ - выход для подключения к шине адреса.

- низкий уровень на входе заставляет микросхему выполнить операцию записи, т.е. вывод данных в порты или чтения, т.е. ввода данных через один из портов a, b, c при высоком уровне происходит чтение одного из портов.

- строб чтения или ввода. Высокий уровень на входе сообщает микросхеме, что она должна выполнить операцию, т.е. вывода данных.

- строб записи.

RES - вход начальной установки микросхемы. Высокий уровень ко входу настраивает все порты на ввод.

PA₀ - PA₇ - входы для подключения светодиодов.

Функциональное назначение микросхемы является схема управления светодиодными индикаторами, которые широко используются для индикации работы микропроцессорной системы.

В данной микросхеме количество светодиодов равняется двум. Поскольку подключать светодиоды «на прямую» к параллельному порту нельзя, то необходимо использовать усилители, в качестве которых можно использовать любой вентильный элемент с транзисторно-транзисторной логикой, с номинальным выходным током 10-20 мА.

Описание DD_15.1-DD_15.2:

Функциональное назначение микросхемы светодиодный индикатор, в данной микросхеме их 2 штуки, группа сигналов от двоичных датчиков уровня скорости

К1533ЛН1 - это логический элемент «не».

Описание DD₁₆:

Последовательный порт ток потребления 3 мА

ТИ - тактовая частота системы;

Чт - команда «чтение»;

Зп - команда «запись»;

С/Б - команда «сброс»;

Д/У - команда, указывающая на тип передаваемых данных (данные или команда управления);

В/К - команда включения ЧИПа (микросхемы) в работу.

Регистр управления модемом последовательного интерфейса связан с системной шиной управления по следующим входам:

DSR - сигнал готовности передатчика к передаче данных;

DTR - сигнал запроса на прием информации;

RTS - сигнал готовности к приему информации;

CTS - сигнал разрешения передачи информации.

Передача информации в линию связи производится сигналом «TD», который появляется на выходе регистра сдвига передатчика. В свою очередь передатчик согласует свою работу с приемником противоположного последовательного порта через сигналы:

TxRDY - сигнал готовности передатчика принять символ данных от процессора в шину данных;

TxE - сигнал «буфер шины данных пустой»;

TxC - сигнал синхронизации передатчика с приемником.

Прием информации из линии связи в регистр сдвига приемника производится сигналом «RD». В свою очередь приемник согласует свою работу с передатчиком противоположного последовательного порта через сигналы:

RxRDY - сигнал готовности приемника передать символ данных процессору через шину данных;

RxC - сигнал синхронизации приемника с передатчиком.

2.3 Расчет необходимых резисторов, конденсаторов и других элементов

Резистор R и конденсатор С выполняют двоичную функцию, они выполняют подачу сигнала начальной установки переключения сигнала и обеспечивают фильтрацию дребезжания кнопки S при ее отпускании

С₁=0,1 мкФ?1,0 мкФ

R_1, R₂=3.3 кОм ?5,1 кОм

Так как в системе не предусмотрено прерывания, то вход INT микропроцессора подключают к «земле» через резисторы R₃

R₃=5.1?20 кОм

Входы G₀-G₂ подключаются к заземлению через резистор

R₄ = 5.1?10 кОм

Ток на светодиоде I_g=10 мА?20 мА

Номинальное напряжение питания

U_g=2.5?3.5В

Светодиод начинает светиться когда напряжение на входе инвертора будет равнять «логическому нулю» с транзисторно-транзисторной логикой.

+Е_п - напряжение питания схем

U_g - падение напряжения после сопротивления

-выходное напряжение «логического нуля» не должно превышать 0,5В.

2.4 Текстовое описание принципиальной схемы

Микропроцессор КР580ВМ80, реализующий программный способ обработки цифровой информации, располагает заданным составом команд, которые он может выполнять. Эти команды хранятся в специальной области памяти в виде цифровых кодов. Считывание и выполнение команд осуществляется в микропроцессоре по тактовым импульсам высокочастотного генератора сигналов. Информация внутри микропроцессора пересылается по специальным многопроводным шинам, которые имеют связь с внешними устройствами через выводы корпуса микропроцессора. Таких шин в микропроцессоре три: шина данных, адреса и управления. Для функционирования микропроцессора управляющая программа должна задавать очередную команду указанием ее адреса в памяти. Тогда код этой команды, извлекаемый из памяти, по шине адреса пересылается в регистр команд и записывается в нем. Далее дешифратор команд его расшифровывает и пересылает в АЛУ для организации соответствующей операции над операндами. Подлежащие обработке данные поступают на вход АЛУ через буферный регистр данных, обеспечивающий временное хранение введенной информации.

Полученный результат через выход АЛУ поступает в устройство оперативного хранения, представленное регистром - аккумулятором. Из этого регистра данные по ШД поступают к выходу микропроцессора. Взаимосвязанная работа всех устройств микропроцессора обеспечивается УУ, снабженным автономной шиной управления. Устройство управления совместно с ТГ обеспечивает требуемую последовательность работы элементов микропроцессора на всех этапах обработки информации. Особая роль в этом процессе отводится счетчику команд, соединенному с ШД и обеспечивающему совместно с УУ контроль за исполнением текущей команды. Одновременно СК организует периодическую подготовку микропроцессора к выполнению каждой последующей команды. Для этого СК имеет непосредственную связь с ША и, получив адрес очередной команды, фиксирует начало процесса ее выполнения. С этого момента СК изменяет свое значение, формируя адрес следующей команды, и др.

Любой, даже самый простой, микропроцессор имеет сложную структуру. В его состав входит большое количество узлов и блоков, таких, как сумматоры, дешифраторы, всевозможные регистры, триггеры, логические схемы и т.п. Конструктивно микропроцессор может быть выполнен на одной или нескольких БИС.

Условно можно выделить два основных функциональных блока, из которых состоит микропроцессор, - блок обработки команд и блок обработки данных.

Программный счетчик предназначен для хранения адреса ячейки памяти, из которой будет извлекаться очередная команда. Регистр команд используется для хранения кодовой и адресной частей команды

Блок обработки данных обеспечивает прием данных из ОП, помещает его на временное хранение в один из регистров, производит операции над данными и осуществляет пересылку результатов обработки в основную память.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) (англ. arithmetic and logic unit, ALU) - блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными называемыми в этом случае операндами. Разрядность операндов обычно называют размером машинного слова.

Регистры общего назначения используются для записи и хранения переменных и констант. Регистры общего назначения также находятся в области оперативной памяти и нумерация их адресов продолжает нумерацию регистров специального назначения.

Регистр адреса, адресный регистр (address register). Регистр внутренней памяти центрального процессора, содержимое которого соответствует некоторому адресу. Это может быть адрес команды, вызываемой для выполнения, или адрес операнда, указанный в команде. Адресный регистр служат для вычисления физических адресов команд и операндов выполняемой программы. Иногда адресный регистр рассматривается как часть регистра команды.

2.5 Расчет потребляемой мощности

Потребляемая мощность одна из основных характеристик потребления мощности, чем меньше потребляемая мощность, тем лучше. Обычно наименьшую мощность имеют микросхемы, изготовленные по К-МОП - технологии. Расчет потребляемой мощности проводится для каждого отдельного источника питания, если в микропроцессорной системе несколько источников питания, затем для всех источников питания одновременно. Произведем расчет источников питания с напряжением +5В, к которому подключаются следующие микросхемы:

КР580ГФ24 - 12 мА

КР580ВК28 - 190 мА

КР580ВМ80 - 70 мА

К537РФ2 - 70 мА

КР1533ИД7 - 55 мА

К155ЛА10 - 2,5 мА

КР580ВВ55 - 120 мА

КР580ВИ53 - 85 мА

К1533ЛН1 - 4мА

КР537РУ8 - 2 мА

К155ЛА3 - 4,4 мА

КР1810ВВ51А - 3 мА

Для расчета мощности источника питания с напряжением +5В воспользуемся формулой:

Произведем расчет потребляемой мощности источников питания с напряжением +12В, к которому подключаются следующие микросхемы:

КР580ВМ80 50 мА

КР580ГФ24 115 мА



Произведем расчет потребляемой мощности источников питания с напряжением -5В, к которому подключаются следующие микросхемы:

КР580ВМ80 50 мА

Произведем расчет суммарной потребляемой мощности источниками питания

Заключение

В ходе создания курсового проекта на тему: «Разработка микропроцессорной системы» я убедился что микропроцессорная система КР580ВМ80, со следующими параметрами: разрядность шины данных -8 двоичных разрядов; разрядность шины адреса 15 двоичных разрядов; емкость ОЗУ -2 кбайт; емкость ПЗУ - 8 кбайта; число параллельных 8-разрядных портов ввода-вывода данных 4 штуки; число счетчиков таймеров 1 штука; число последовательных портов ввода-вывода данных 1 штука; число подключенных светодиодных индикаторов 2 штука, может использоваться в различных системах электронно-вычислительных машинах, комплексах и системах, а также в различных сферах ее применения для автоматизации машин, оборудования и различных приборов, так как она удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым как программному, так и аппаратному обеспечению. Данная микропроцессорная система КР580ВМ80 имеет маленькие габариты, маленькую потребляемую мощность около 8,5 Вт, высокое быстродействие и обеспечивает простоту работы, легкость программирования и технического обслуживания.

Так как в последнее время происходит резкое увеличение доли микропроцессорной техники в составе вычислительных средств. Это обусловлено, в первую очередь, тем, что микропроцессоры позволяют использовать вычислительную и иную управленческую технику в самых различных отраслях народного хозяйства.

Широкое применение микропроцессоров обусловлено следующими особенностями: выполнением на основе больших интегральных схем (БИС); наличием стандартной конфигурации (процессор - постоянное запоминающее устройство); универсальностью; программируемостью; встраиваемостью.

Выполнение микропроцессора на основе БИС позволяет обеспечить простоту производства (малое число корпусов, единая технология), низкую стоимость, малые габариты и потребляемую мощность, высокую надежность, а также простоту обслуживания.

Современный уровень комплексной автоматизации производства и обработки данных, применение вычислительных средств во всех отраслях народного хозяйства, науки, культуры, экономики предъявляет повышенные требования к жизнеспособности микроЭВМ.

Основными перспективами использования микропроцессоров в приборостроении являются расширение функций микропроцессора, упрощение его программного обеспечения, создание новых форм общения с приборами, повышение универсальности благодаря модульному принципу построения и гибкости программного обеспечения. Актуальной задачей является организация информационной службы на производстве. ЭВМ накапливает информацию о всех технических проектах, тем самым устраняя дублирование соответствующих расчетов. Опыт такого использования компьютеров в электронике, самолетостроении, автомобилестроении показал, что общие расходы на научно-техническую подготовку производства сокращаются на 40%, кроме того, резко сокращаются и сроки исследований и разработок. Перечисленное приводит к объединению микроЭВМ в микропроцессорные системы обработки информации, к эффективному использованию микропроцессорных средств в составе абонентских пунктов и в режиме телеобработки данных, в различных сферах человеческой деятельности - научного исследования, обучении школьников и студентов, досугу, интеллектуальному развитию личности и т.п.

Микропроцессорная техника сейчас все активнее входит в нашу жизнь, постепенно замещая и вытесняя традиционную цифровую технику на «жесткой логике». Универсальность, гибкость, простота проектирования аппаратуры, практически неограниченные возможности по усложнению алгоритмов обработки информации - все это обещает микропроцессорной технике большое будущее.

Список литературы

1. А.И. Юдина «Курс лекций по микропроцессорным системам», 2012

Размещено на Allbest.ru

...