1.1 Типы систем управления РЭА

Значительный прогресс и улучшение характеристик однокристальных микроконтроллеров (ОМК) объясняет широкое распространение их в системах управления РЭА. В микросхеме ОМК на одном кристалле расположен полный набор компонентов микропроцессора: арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры, память программ, память данных, порты ввода/вывода. Для ОМК характерно наличие небольшого объема памяти программ и данных, простой набор команд, сравнительно ограниченные возможности ввода-вывода информации. ОМК находят применение в качестве специализированного вычислителя, включаемого в контур управления объектом или процессом [9].

Обычно микроконтроллер (МК) исполняет роль процессора и периферийных устройств, может содержать оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Характерной чертой микроконтроллера является то, что вычислительное ядро, запоминающее устройство, содержащее инструкции и данные устройства ввода-вывода, набор встроенных периферийных устройств располагаются на кристалле. В микроконтроллере может использоваться статическая память для ОЗУ и внутренних регистров и встроенная энергозависимая память для хранения программы и данных. Часто встречаются контроллеры без шин для подключения внешней памяти. В случае самых дешевых типов памяти информацию можно записать только один раз. При более полной модификации контроллера энергозависимую память можно перезаписывать. Чаше всего микроконтроллеры применяются во встроенных системах управления и контроля.

Основным преимуществом микроконтроллеров является то, что его можно назвать почти самостоятельным вычислительным устройством. Для работы микроконтроллеру не требуется дополнительное оборудование. Данные команд ОЗУ и ПЗУ хранятся раздельно.

Применение одной микросхемы, вместо целого набора, как в обычных процессорах, находящихся в персональных компьютерах, позволяет:

· значительно снизить размеры готового устройства,

· уменьшить энергопотребление,

· снизить стоимость устройств.

Работу микроконтроллера можно программировать на ассемблере или Си, хотя возможно и на других языках при помощи компиляторов, получая в результате довольно сложные электронные устройства, функциональность которых в большой степени реализуется программно. Микроконтроллеры могут быть:

- перепрограммируемыми с электрическим стиранием или УФ (наиболее дорогие) применяются в случае экспериментального и мелкосерийного производства

- однократно-программируемые (более дешевые)

- масочно-программируемые (самые дешевые) применяются в случае крупносерийного производства.

Сегодня существует очень большой ассортимент микроконтроллеров для решения широкого спектра задач. Возможно подобрать микроконтроллер от различных производителей, с отличными техническими характеристиками, разным набором периферийных устройств.

В настоящее время выпускается целый ряд типов МК. Все эти приборы можно условно разделить на три основных класса:

· 8-разрядные МК для встраиваемых приложений;

· 16- и 32-разрядные МК;

· цифровые сигнальные процессоры (DSP).

Наиболее распространенным представителем семейства МК являются 8-разрядные приборы, широко используемые в промышленности, измерительной и диагностической технике. Они прошли в своем развитии путь от простейших приборов с относительно слаборазвитой периферией до современных многофункциональных контроллеров, обеспечивающих реализацию сложных алгоритмов управления в реальном масштабе времени. Причиной жизнеспособности 8-разрядных МК является использование их для управления реальными объектами, где применяются, в основном, алгоритмы с преобладанием логических операций, скорость обработки которых практически не зависит от разрядности процессора [9].

Росту популярности 8-разрядных МК способствует постоянное расширение номенклатуры изделий.

Современные 8-разрядные МК обладают, как правило, рядом отличительных признаков. Основные из них:

· модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) МК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации;

· использование закрытой архитектуры МК, которая характеризуется отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса МК. Таким образом, МК представляет собой законченную систему обработки данных, наращивание возможностей которой с использованием параллельных магистралей адреса и данных не предполагается;

· использование типовых функциональных периферийных модулей (таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, аналого-цифровые преобразователи и др.), имеющих незначительные отличия в алгоритмах работы в МК различных производителей;

· расширение числа режимов работы периферийных модулей, которые задаются в процессе инициализации регистров специальных функций МК.

МК состоит из двух основных частей: ядра и модуля ввода-вывода. Ядро МК составляют микропроцессор, системный контроллер (СК) и устройства памяти. В структуре МК микропроцессор играет главную роль: осуществляет арифметическую и логическую обработку данных, поступающих от внешних устройств (ВУ) системы, и совместно с системным контроллером управляет потоками информации между всеми устройствами МС. Связь микропроцессора с объектом управления осуществляется через узел связи с объектом (УСО) и шины системы: шину данных (ШД), шину адреса (ША) и шину управления (ШУ). Подключение УСО к шине данных системы осуществляется через порты ввода-вывода системы, которые обычно входят в состав интерфейса системы.

Информация о состоянии объекта управления передается к МП через УСО и шину данных. По этому же направлению передаются управляющие сигналы от МП к объекту управления. Поэтому шина данных МК двунаправленная. Структура модульного МК приведена на рис.1.4 [9].

При использовании контроллеров разработчик избавляется от необходимости разработки процессорной части устройства и может уделить больше внимания программному обеспечению, схемам сопряжения контроллера с датчиками, исполнительными механизмами объекта управления. При этом значительно снижаются затраты на разработку и изготовление плат, как следствие, увеличивается скорость выполнения разработки.

Рис.1.4. Модульная организация МК

Выводы по главе 1

1. Показано, что системы управления радиоэлектронной аппаратуры делятся на два класса. Системы управления первого класса строятся на базе одного управляющего устройства, соединенного с объектом управления несколькими каналами связи. Системы управления второго класса обычно объединяются в группы, которые составляют технологическую линию.

2. Установлено, что конечный выбор принципа управления проектируемых микропроцессорных систем зависит от многих взаимосвязанных факторов, важнейшими из которых являются стоимость, надежность, гибкость, способность работать в реальном масштабе времени. Для РЭА первые два показателя -- стоимость и надежность -- часто оказываются определяющими.

3. Выявлено, что основным преимуществом микроконтроллеров является то, что они являются самостоятельными вычислительными устройствами. Для работы микроконтроллеру не требуется дополнительное оборудование. Данные команд ОЗУ и ПЗУ хранятся раздельно. Применение одной микросхемы, вместо целого набора, как в обычных процессорах, находящихся в персональных компьютерах, позволяет значительно снизить размеры готового устройства, уменьшить энергопотребление, снизить стоимость устройств.

Глава 2. Типы памяти микроконтроллерных систем управления

Рис.2.1. Классификация микросхем памяти

Основным ограничением динамического ОЗУ является его производительность, которая включает несколько важнейших аспектов -- задержку доступа и длительность цикла доступа к строке и скорость передачи данных при доступе к столбцу. Первые два аспекта относятся исключительно к динамическому ОЗУ, в то время как второй -- к интерфейсу устройства памяти и является общим для всех видов полупроводниковой памяти.

2.3 Особенности флеш-памяти

Флеш-память (англ. flash memory) -- разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Это же слово используется в электронной схемотехнике для обозначения технологически законченных решений постоянных запоминающих устройств в виде микросхем на базе этой полупроводниковой технологии. В быту это словосочетание закрепилось за широким классом твердотельных устройств хранения информации.

Благодаря компактности, дешевизне, механической прочности, большому объёму, скорости работы и низкому энергопотреблению, флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах и носителях информации. Серьёзным недостатком данной технологии является ограниченный срок эксплуатации носителей, а также чувствительность к электростатическому разряду.

Принцип работы полупроводниковой технологии флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области («кармане») полупроводниковой структуры (рис.2.2).

Изменение заряда («запись» и «стирание») производится приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта тунеллирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора (эффект Hot carrier injection) (рис.2.3, рис.2.4).

Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет роль затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения.

Эта конструкция снабжается элементами, которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек [28].

Рис.2.2.Разрез транзистора с плавающим затвором

Рис.2.3.Программирование флеш-памяти

Рис.2.4.Стирание флеш-памяти

Существуют NOR- и NAND-приборы флеш-памяти, которые различаются методом соединения ячеек в массив и алгоритмами чтения-записи.

Конструкция NOR (рис.2.5) использует классическую двумерную матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключался к стоку транзистора, а столбцов -- ко второму затвору. Исток подключался к общей для всех подложке. В такой конструкции было легко считать состояние конкретного транзистора, подав положительное напряжение на один столбец и одну строку.

Конструкция NAND -- трёхмерный массив (рис.2.6). В основе та же самая матрица, что и в NOR, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой конструкции получается много затворных цепей в одном пересечении. Плотность компоновки можно резко увеличить (ведь к одной ячейке в столбце подходит только один проводник затвора), однако алгоритм доступа к ячейкам для чтения и записи заметно усложняется.

Технология NOR позволяет получить быстрый доступ индивидуально к каждой ячейке, однако площадь ячейки велика. Наоборот, NAND имеют малую площадь ячейки, но относительно длительный доступ сразу к большой группе ячеек. Соответственно, различается область применения: NOR используется как непосредственная память программ микропроцессоров и для хранения небольших вспомогательных данных.

Названия NOR и NAND произошли от ассоциации схемы включения ячеек в массив со схемотехникой микросхем КМОП-логики.

Флеш-память бывают одноуровневые (SLC) и многоуровневые (MLC).

В однобитовых ячейках или одноуровневых ячейках (single-level cell, SLC) различают только два уровня заряда на плавающем затворе. В многобитовых ячейках или многоуровневых (multi-level cell, MLC) различают больше уровней заряда. MLC-приборы более ёмкие, чем SLC-приборы, однако с большим временем доступа и меньшим максимальным количеством перезаписей (таблица 2.1).

Рис.2.5.Компоновка шести ячеек NOR flash

Рис.2.6.Структура одного столбца NAND flash

Обычно под MLC понимают память с 4 уровнями заряда (2 бита) на каждую ячейку, память с 8 уровнями (3 бита) иногда называют TLC (Triple Level Cell) или 3bit MLC, с 16 уровнями (4 бита) -- 16LC.

Существует два основных применения флеш-памяти: как мобильный носитель информации и как хранилище программного обеспечения («прошивки») цифровых устройств.

Таблица 2.1. Сравнение характеристик технологий SLC и MLC

NOR флеш-память применяется в устройствах энергонезависимой памяти относительно небольшого объёма, требующие быстрого доступа по случайным адресам и с гарантией отсутствия сбойных элементов:

· Встраиваемая память программ однокристальных микроконтроллеров. Типовые объёмы -- от 1 кбайта до 1 Мбайта.

· Стандартные микросхемы ПЗУ произвольного доступа для работы вместе с микропроцессором.

· Специализированные микросхемы начальной загрузки компьютеров (POST и BIOS), процессоров ЦОС и программируемой логики. Типовые объёмы -- единицы и десятки мегабайт.

· Микросхемы хранения среднего размера данных, например DataFlash. Обычно снабжаются интерфейсом SPI и упаковываются в миниатюрные корпуса. Типовые объёмы -- от сотен кбайт до технологического максимума.

NAND флеш-память в устройствах, где необходим большой объем памяти. В первую очередь -- это всевозможные мобильные носители данных и устройства, требующие для работы больших объёмов хранения. В основном, это USB-брелки и карты памяти всех типов, а также мобильные медиаплееры.

Флеш-память типа NAND позволила миниатюризировать и удешевить вычислительные платформы на базе стандартных операционных систем с развитым программным обеспечением. Их стали встраивать во множество бытовых приборов: сотовые телефоны и телевизоры, сетевые маршрутизаторы и точки доступа, медиаплееры и игровые приставки, фоторамки и навигаторы (рис.2.7) [28].

Рис.2.7. Типичные приложения памяти SLC- и MLC_типа

Преимущества флэш-памяти по сравнению с другими средствами переноса и хранения данных очевидны -- высокая надежность и ударопрочность (из-за отсутствия движущихся компонентов и простоты механической конструкции носителей и накопителей), малое энергопотребление, компактность. Однако у нее есть недостатки -- ограниченное количество циклов перезаписи (от 10 000 до 1 000 000) и относительно медленная работа.

Выводы по главе 2

1. Установлено, что в микроконтроллерной системе используется четыре основных вида памяти. Память программ представляет собой постоянную память (ПЗУ), предназначенную для хранения программного кода (команд) и констант. Ее содержимое в ходе выполнения программы не изменяется. Память данных предназначена для хранения переменных в процессе выполнения программы и представляет собой ОЗУ. Регистры МК - этот вид памяти включает в себя внутренние регистры процессора и регистры, которые служат для управления периферийными устройствами (регистры специальных функций). Внешняя память - дополнительная память, которая подключается к микроконтроллерной системе для расширения функциональных возможностей.

2. Приведены типы памяти, используемых в МКС и предложена классификация микросхем памяти.

3. Рассмотрены особенности флеш-памяти.

Глава 3. Методы проверки работоспособности микросхем памяти МКСУ РЭА

Важная роль в обеспечении надежности запоминающих устройств (ЗУ) отводится методам и средствам их контроля на различных этапах производства и эксплуатации.

Различают следующие виды контроля ЗУ [16-18]:

- контроль статических параметров -- входных и выходных напряжений, входных и выходных токов, токов потребления от источников питания и т. д.;

- контроль динамических параметров -- времени выборки, параметров временной диаграммы входных сигналов и т. д.;

- контроль функционирования (или функциональный контроль), обеспечивающий проверку работоспособности ЗУ в заданных условиях эксплуатации.

С увеличением степени интеграции ЗУ все большее значение приобретает функциональный контроль, при котором проверяется работоспособность всех узлов ЗУ, а также взаимовлияние pазличных его элементов. Проверка функционирования ЗУ при предельных значениях параметров временной диаграммы позволяет отбраковывать ЗУ и по динамическим параметрам.

При проведении функционального контроля на входы ЗУ выдается тестовая последовательность, состоящая из набора элементарных тестов. Каждый элементарный тест представляет собой совокупность сигналов, подаваемых на входы ЗУ в фиксированный момент времени. Реакция ЗУ на элементарный тест, проявляющаяся в виде сигналов на его выходах, фиксируется и сравнивается с эталонной информацией, соответствующей исправному устройству.

Тестовые последовательности или тесты для ЗУ ориентированы на выявление характерных видов отказов. Вследствие большой емкости современных ЗУ тесты для контроля отличаются большой длительностью и сложностью. Различные требования к времени прохождения теста и ориентация на преимущественное выявление определенных, наиболее характерных для данного типа ЗУ, дефектов породили большое разнообразие используемых тестов.

Существенные различия имеются между способами функционального контроля оперативных ЗУ и ЗУ -с постоянной или редкоизменяемой информацией (ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ).

При контроле оперативных ЗУ с помощью устройства контроля формируются входные тестовые последовательности. Считывамые из ЗУ данные, (при исправном ЗУ) полностью определяются сформированной устройством контроля тестовой информацией.

При контроле ПЗУ необходимо учитывать, что информация записана в них при их изготовлении и задачей контроля является сравнение считанных данных с теми, которые заносились при программировании ЗУ. Для контроля ПЗУ широко используется метод контрольного суммирования.

Тесты для ЗУ могут отличаться от тестов запоминающей матрицы (ЗM). При проверке ЗУ нет необходимости проверять взаимовлияние между запоминающими элементами (ЗЭ) различых микросхем, так как оно отсутствует. Вследствие этого продолжительность контроля может быть уменьшена.

3.2 Тесты для полупроводниковых микросхем памяти

3.2.1 Тесты для одноразрядных запоминающих микросхем

Для контроля полупроводниковых 3M используются различные тестовые последовательности. Каждый тест характеризуется различной длительностью и степенью выявления отказов. В зависимости от числа циклов обращения при контроле тесты можно условно разделит на следующие группы: типа N циклов, типа N2 циклов, типа N3 циклов, типа N3/2 циклов, тесты регенерации. В таблице 3.1 приведены наиболее распространенные тесты и отказы, которые они выявляют [20- 22 ]. Полная последовательность обращений к ЗМ для всех рассматриваемых тестов, кроме теста <Дождь>», выполняется как с прямой, так и с инверсной информацией.

К тестам типа N циклов относятся следующие тесты.

1.Последовательная запись и считывание» (рис.3.1,а). В матрицу ЗЭ последовательно записываются 1 (0). Затем информация последовательно считывается. Тест обладает слабыми контролирующими свойствами, так как проверяет лишь схемы записи и считывания информации ЗМ.

2. «Шахматный код» (рис.3.1,б). В соседние ЗЭ матрицы записывается противоположная информация. Затем все адреса последовательно считываются. Тест выявляет короткие замыкания между соседними по строке и столбцу ЗЭ, а также обнаруживает отказы в младших разрядах адреса строки и столбца. Известны две модификации данного теста. Противоположная информация записывается либо в соседние столбцы («Шахматный код» между столбцами), либо в соседние строки матрицы ЗЭ («Шахматный код» между строками). Таким образом выявляются короткие замыкания между столбцами и между строками. В последнем случае при считывании по столбцам обеспечивается максимальное число переключений в усилителе считывания.

Рис.3.1 Диаграммы логических состояний матрицы ЗЭ и порядок считывания информации для тестов типа N циклов: а) Последовательная запись и считывание; б) «Шахматный код»; в) «Считывание -- запись в прямом и обратном направлениях»; г) «Диагональ»; д) «Четность. (нечетность) адреса е) «Обращение к прямому и дополняющему адресам»; ж) «Обращение к соседним адресам з) «Считывание по столбцам»

3. «Считывание-запись в прямом и обратном направлении (рис.3.1,в). В матрицу ЗЭ последовательно записываются нули. Затем в каждом ЗЭ считывается 0 и записывается 1 при изменении адресов от А₀ до А_N-1. После этого, начиная с адреса А_N-1, считывается 1 и записывается 0 в каждый адрес при изменении адресов от А_N-1 до А₀.

4. «Последовательное заполнение со считыванием» (рис.3.1,в) является модификацией предыдущего теста с целью улучшения проверки матрицы ЗЭ. Алгоритм проверки для данного теста приведен в таблице 3.2.

5. «Диагональ» (рис.3.1,г). В матрицу ЗЭ последовательно записываются 0 (1). Затем во все ЗЭ, у которых адреса строк и столбца совпадают, записывается 1 (0). Считывание npoисходит по столбцам матрицы. Тест выявляет отказы дешифратора.

Таблица 3.1. Характеристики тестов ЗУ

Здесь: + эффективный контроль; - частичный контроль; 0- не контролирует

6. «Четность (нечетность) адреса» (рис.3.1,д). В каждый адрес матрицы запоминающих элементов записывается 0, если число единиц в адресном коде четно, и 1, если нечетно. Затем информация в матрице считывается последовательно по адресу. После этого аналогичным образом матрица заполняется нулям если число единиц в...