Układy mikroprocesorowe - przykłady rozwiązań.pdf - elektronika inne - elektronik-instrukcja

Przedmowa

Niniejsza książka prezentuje podstawy konstrukcji urządzeń cyfrowych i mikroprocesorowych.

Zawiera ona omówienia wybranych układów scalonych małej, średniej i dużej skali integracji oraz

liczne przykłady ich zastosowań. Pewne zdziwienie Czytelnika może wprawdzie budzić dobór

mikroprocesorów do ilustracji pewnych zagadnień — chodzi tutaj o mikroprocesory 8-bitowe: Z-80,

8048 i 8051. Jeżeli jednak głębiej przyjrzeć się współczesnym układom mikroprocesorowym, okazuje

się, że podstawowe techniki konstrukcyjne — a takie właśnie prezentuje ta książka — mimo upływu

20 lat pozostały niezmienione.

Tematyka zawarta w książce odpowiada problematyce poruszanej w ramach ćwiczeń z przedmiotów:

konstrukcja urządzeń cyfrowych, mikroinformatyka oraz układy mikroprocesorowe, prowadzonych

na kierunku informatyka na Wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej

w Gliwicach.

Książkę podzielono na 8 rozdziałów.

Rozdział pierwszy omawia właściwości elektryczne układów serii TTL, powszechnie stosowanych

w układach cyfrowych. Pokazane są tu podstawowe właściwości wejść i wyjść układów cyfrowych

oraz obszary ich zastosowań. Rozdział ten zawiera także przykłady obliczeniowe dla układów

z wyjściami typu „otwarty kolektor”.

Rozdział drugi omawia cechy funkcjonalne układów serii TTL, które są stosowane w przykładach

w tym i następnych rozdziałach. Zebrano tu m. in. opisy układów takich, jak kodery, dekodery

i transkodery, liczniki asynchroniczne i synchroniczne, bufory i rejestry, komparatory czy układy

czasowe. Przykłady ilustrują użycie niektórych z tych układów do budowy najprostszych bloków

funkcjonalnych układu cyfrowego.

Rozdział trzeci zapoznaje Czytelnika zzasadami konstrukcji jednostki centralnej woparciu

o mikroprocesory 8048, 8051 oraz Z-80. Jednostki te wykorzystane są w przykładach w następnych

rozdziałach do ilustracji sposobów dołączania do mikroprocesora układów pamięci i wejścia-wyjścia.

Rozdział czwarty wprowadza w tematykę budowy bloków pamięci. Zawiera on także liczne przykłady

konstrukcji modułów pamięci stałej i statycznej dla różnych typów mikroprocesorów. Pamięciom

dynamicznym — ze względu na odmienne zasady sterowania nimi — poświęcony jest rodział piąty.

Rozdział szósty prezentuje układy programowalne równoległego wejścia-wyjścia (8255, Z-80 PIO)

wraz z najprostszym ich zastosowaniem służącym do budowy modułu klawiatury i wyświetlacza.

Rozdział siódmy prezentuje programowalne układy czasowe (8253, Z-80 CTC) wrazzich

zastosowaniem służącym do budowy układów pomiaru uzależnień czasowych (częstotliwość, okres,

szerokość impulsów, stopień wypełnienia).

Rozdział ósmy prezentuje sposoby konstrukcji złożonych modułów wejścia-wyjścia, składających się

z kilku układów, połączonych zgodnie z przyjętymi założeniami. Pokazano tu m.in. techniki

umieszczania układów wokreślonych przestrzeniach adresowych orazgenerowania przerwań

o określonych priorytetach.

Książka ta nie powstałaby bez pomocy kilku osób. Przede wszystkim chciałbym podziękować dr. inż.

Henrykowi Małysiakowi oraz mgr. inż. Dariuszowi Byrskiemu za zainteresowanie tematyką budowy

układów mikroprocesorowych. Swój wkład wjej powstanie mają także moi najbliżsi

współpracownicy: mgr inż. Grzegorz Baron, mgr inż. Grzegorz Kacy oraz mgr inż. Krzysztof Tokarz,

z którymi dyskutowałem wiele z pokazanych w książce rozwiązań. Chciałbym także podziękować

Żonie i Rodzicom za cierpliwość i wsparcie podczas pisania książki.

Bartłomiej Zieliński

Gliwice, czerwiec 2001 r.

Rozdział 1.

Właściwości układów TTL

Podstawowym układem scalonym serii TTL jest bramka realizująca funkcję negacji iloczynu

logicznego dwóch wejść (NAND). W jej strukturze można wyróżnić stopień wejściowy i wyjściowy

oraz „wnętrze” bramki. Struktura tego „wnętrza” zależy od funkcji realizowanej przez układ, podczas

gdy stopnie wejściowy i wyjściowy są takie same w różnych układach i decydują o ich parametrach

elektrycznych.

Wejścia układów TTL

W układach TTL mamy do czynienia z dwoma typami wejść: zwykłym i Schmitta. Wejście zwykłe

stosuje się w prawie wszystkich układach. Jeżeli jednak sygnały wejściowe mogą być zniekształcone,

należy zastosować wejście Schmitta.

Wejście zwykłe

Wejście zwykłe (rysunek 1.1) może być stosowane wszędzie tam, gdzie nie zachodzi obawa, iż na-

pięcia sygnałów wejściowych mogą mieć niedozwolony poziom (U ILmax < U I < U IHmin ). Dodatkowym

warunkiem stosowania tych wejść jest odpowiednio krótki czas narastania i opadania sygnałów, który

nie powinien być dłuższy niż 1 μs. W przypadku przekroczenia tego czasu (w zakresie napięcia

wejściowego 1,3 – 1,4 V) na wyjściu bramki mogą pojawić się oscylacje. Czas narastania i opadania

sygnałów na wejściach zegarowych przerzutników nie powinien przekraczać 150 ns.

W stanie niskim na wejściu prąd wejściowy wypływa z układu, na skutek czego tranzystor wejściowy

znajduje się w stanie nasycenia. W stanie wysokim natomiast prąd wpływa do układu, a tranzystor jest

w stanie inwersyjnym.

I IH

I OH

I IL

I OL

wejście zwykłe

wyjście przeciwsobne

wyjście typu

„otwarty kolektor”

Rysunek 1.1. Wejścia i wyjścia układów TTL

Wejście Schmitta

Bramki z wejściem z przerzutnikiem Schmitta stosowane są wszędzie tam, gdzie sygnały wejściowe

nie mają odpowiednio stromych zboczy oraz jeżeli istnieje obawa, że sygnał wejściowy może być

zakłócony. Dzięki charakterystycznej dla tych układów histerezie napięć wejściowych (rysunek 1.2)

chwilowy spadek napięcia wejściowego poniżej progu przełączania nie spowoduje niepożądanego

przełączenia bramki. Przykładowy przebieg napięć wejściowego i wyjściowego bramki Schmitta

ilustruje rysunek 1.2.

U O

U I

Rysunek 1.2. Charakterystyka przejściowa bramki Schmitta

Rysunek 1.3. Przebieg na wejściu i wyjściu bramki Schmitta

Układy z wejściami Schmitta stosowane mogą być jako:

• stopnie wejściowe sygnałów wolnozmiennych lub zakłóconych;

• układy kształtowania impulsów z przebiegów analogowych, np. sinusoidalnych;

• generatory fali prostokątnej;

• układy uzależnień czasowych.

Bramka Schmitta (bramka z wejściem Schmitta) ma wejścia zwykłe, a jej charakterystyczna funkcja

realizowana jest we „wnętrzu” bramki.

Wyjścia układów TTL

W układach TTL spotyka się trzy rodzaje stopni wyjściowych: przeciwsobny, trójstanowy

i z otwartym kolektorem. Różnią się one między sobą znacznie bardziej niż stopnie wejściowe, co

wpływa na możliwość zastosowania ich w konkretnej aplikacji.

Wyjście przeciwsobne

Wyjście tego typu (rysunek 1.1) jest podstawowym typem stopnia wyjściowego bramek TTL.

Do poprawnej jego pracy nie jest konieczne dołączanie żadnych elementów zewnętrznych, tym

niemniej w pewnych zastosowaniach można użyć tzw. rezystorów podciągających, które podwyższają

poziom napięcia w stanie wysokim. Wyjść przeciwsobnych nie należy łączyć ze sobą w celu realizacji

funkcji logicznych; nie należy też ich dołączać bezpośrednio do masy lub zasilania, gdyż może to spo-

wodować trwałe uszkodzenie układu.

Wyjścia przeciwsobne dwóch układów mogą być połączone ze sobą wyłącznie w celu zwiększenia ich

obciążalności. Zaleca się wówczas, aby wszystkie wyjścia należały do tego samego układu scalonego.

Czas propagacji sygnału przez poszczególne bramki jest wówczas zbliżony, co wpływa

na zmniejszenie poziomu zakłóceń w układzie.

W stanie niskim na wyjściu dolny tranzystor jest nasycony i zwiera wyjście do masy (napięcie wynosi

około 0,2 – 0,3 V), a górny jest zatkany. Prąd wyjściowy wpływa do układu. W stanie wysokim

zatkany jest dolny tranzystor, a górny jest nasycony, zatem na wyjściu utrzymuje się napięcie rzędu

3,3 V, a prąd wyjściowy wypływa z układu.

Wyjście z otwartym kolektorem

Konstrukcja wyjścia z otwartym kolektorem umożliwia łączenie wyjść różnych układów w celu

realizacji funkcji logicznej lub konstrukcji magistrali. Do poprawnej pracy układu wymagane jest

jednak dołączenie zewnętrznego rezystora pomiędzy wyjście układu a napięcie zasilania (rysunek 1.1).

Rezystor ten musi być dobrany w zależności od liczby oraz typu wejść i wyjść dołączonych

do rozpatrywanego węzła.

W stanie niskim na wyjściu tranzystor jest nasycony i zwiera wyjście do masy. W stanie wysokim

natomiast tranzystor ten jest zatkany. W obu przypadkach prąd wyjściowy wpływa do układu,

przy czym I OL << I OH (np. dla układów serii TTL I OL = 16 mA, natomiast I OH = 250 μA).

Połączenie wyjść typu „otwarty kolektor” umożliwia realizację tzw. iloczynu montażowego . Jeżeli

we wszystkich wyjściach tranzystory są zatkane (nie przewodzą), to w węźle mamy stan wysoki („1”

logiczna). Wystarczy jednak, aby chociaż jeden z tych tranzystorów wszedł w stan nasycenia, aby

w węźle pojawił się stan niski („0” logicznego).

Dobór rezystora dla wyjścia z otwartym kolektorem

Wartość rezystora R , łączącego węzeł z napięciem zasilającym, musi być tak dobrana, aby zarówno

w stanie „0”, jak i „1”, w węźle utrzymywały się odpowiednie poziomy napięć. Jest to względnie

proste, jeżeli wszystkie bramki dołączone do węzła mają takie same parametry prądowe i napięciowe.

Najczęściej warunek ten jest spełniony. Może się jednak zdarzyć i tak, że każda bramka będzie miała

inne parametry (np. wyjście o zwiększonej obciążalności, różne serie układów TTL, współpraca

z układami CMOS).

Niezbędne obliczenia wykonuje się w dwóch etapach, obliczając największą i najmniejszą

dopuszczalną wartość opornika — odpowiednio R max i R min .

Obliczenie maksymalnej wartości opornika

Wartość R max obliczamy dla stanu wysokiego w węźle (rysunek 1.4). W tym stanie napięcie w węźle

powinno być nie mniejsze niż najniższe napięcie w stanie wysokim, dopuszczalne dla wszystkich

dołączonych układów. Zazwyczaj jest ono równe U OHmin . Jeżeli mamy kilka różnych wartości tego

napięcia, to wybieramy największą z nich, ponieważ będzie ona dopuszczalna dla wszystkich wyjść.

Czasami jednak jest to napięcie niższe niż najniższe dopuszczalne dla zastosowanych wejść —

z przypadkiem tym mamy do czynienia przy stosowaniu wejść CMOS. Ogólnie można więc

powiedzieć, że do obliczeń należy wykorzystać najwyższe z minimalnych napięć wejściowych i

wyjściowych dla stanu wysokiego. Napięcie na oporniku jest różnicą między napięciem zasilania a

pożądanym napięciem w węźle.

stan wysoki

stan niski

Rysunek 1.4. Przepływy prądów w stanie wysokim i niskim w węźle

Układy mikroprocesorowe - przykłady rozwiązań.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: