Лекция 4. СХЕМОТЕХНИКА ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

В результате изучения главы 4 студент должен:

знать

• основы построения запоминающих устройств;

• структуру микропроцессорных систем и режимы обмена;

• работу основных узлов микропроцессора;

• работу основных интерфейсных устройств;

• виды программируемых логических интегральных схем;

• принципы функционирования микропроцессоров как программируемых устройств;

• поколения микропроцессоров и их отличия;

уметь

• использовать полупроводниковые запоминающие устройства различного назначения;

• выполнять сопоставительный анализ микропроцессоров различных поколений;

владеть

• приемами разработки простейших ассемблерных программ.

Запоминающие устройства

Работа программно-управляемых цифровых вычислительных устройств и систем заключается в последовательном выполнении команд программы. В процессе работы происходит обращение за данными, при этом результаты работы одних устройств часто являются исходной информацией для работы других. Постоянно происходит обмен информацией между отдельными частями системы. Таким образом, для функционирования цифровых систем обработки информации необходимы устройства, которые обеспечивали бы хранение программы работы, хранение исходных данных и результатов обработки, обмен цифровой информацией между отдельными частями системы. Эти функции выполняют полупроводниковые запоминающие устройства (ЗУ). Микросхемы памяти в общем объеме выпуска ИС занимают около 40% и играют важнейшую роль во многих системах различного назначения. Микросхемы и системы памяти постоянно совершенствуются. Повышается быстродействие микросхем ЗУ, растут объемы информации, которые могут храниться в одной микросхеме, совершенствуется архитектура ИС. В настоящее время созданы и используются десятки различных типов ЗУ.

Важнейшие параметры ЗУ

Информационная емкость – максимально возможный объем хранимой информации. Выражается в битах или словах (в частности, в байтах). Бит хранится запоминающим элементом (ЗЭ), а слово – запоминающей ячейкой, т.е. группой ЗЭ, к которым возможно лишь одновременное обращение. Добавление к единице измерения множителя "К" (кило) означает умножение на 210 = 1024, а множителя "М" (мега) – умножение на 220 = 1 048 576.

Организация ЗУ определяет, сколько слов и какой разрядности хранит запоминающее устройство. ЗУ одинаковой емкости могут иметь разную организацию. Например, ЗУ, хранящее 64 8-разрядных слова, имеет емкость 512 бит. Ту же емкость имеет ЗУ, хранящее 128 4-разрядных слов.

Быстродействие (производительность) ЗУ оценивают временем считывания, записи и длительностью циклов чтения/записи. Время считывания – интервал между моментами появления сигнала чтения и слова на выходе ЗУ. Время записи – интервал после появления сигнала записи, достаточный для установления запоминающей ячейки в состояние, задаваемое входным словом. Минимально допустимый интервал между последовательными чтениями или записями образует соответствующий цикл.

Для любой цифровой вычислительной системы характерна шинная структура (подробнее см. параграф 4.4). Чтобы процессор мог однозначно выбрать нужную команду или данные, он обращается к определенной ячейке ЗУ, которая имеет свой номер. Этот номер называется адресом. Адрес ячейки передается по шине адреса А. Очевидно, что число различных адресов, которые могут быть переданы по шине, содержащей п проводников, равно

N= 2n.

При этом самый младший адрес ячейки состоит из одних нулей А = 00...0, а самый старший – из одних единиц А = 11...1 = 2n-1. Поэтому нумерация ячеек начинается с нуля.

Типичный набор сигналов полупроводникового ЗУ (рис. 4.1) включает следующие сигналы:

• А – адрес, разрядность которого п определяется максимально возможным числом хранимых в ЗУ слов. Для полупроводниковых ЗУ число ячеек, размещаемых в одной ИС, должно быть кратно целой степени числа 2, например: 29 = 512; 210 = 1 Кбайт = 1024; 220 = 1 Мбайт = 1 048 576. Разрядность адреса п связана с числом ячеек N соотношением п = log2N. Например, ЗУ с информационной емкостью 64 Кбайт с байтной организацией имеет 16-разрядные адреса, выражаемые словами А = A15A14A13...A0;

• DI (Data Input) и DO (Data Output) – шины входных и выходных данных, разрядность которых т определяется организацией ЗУ (разрядностью его ячеек). В некоторых ЗУ для входных и выходных данных используется одна и та же шина, обозначаемая как DIO;

• R/W (Read/Write) – задает выполняемую операцию (при единичном значении – чтение, при нулевом – запись);

• CS (Chip Select) или СЕ (Chip Enable) – разрешает или запрещает работу данной микросхемы. Для организации памяти вычислительного устройства одной микросхемы ЗУ обычно недостаточно. В этом случае с помощью сигнала CS обеспечивается обращение к нужной микросхеме, на остальные же микросхемы при этом подается запрещающий уровень сигнала CS;

• ОЕ (Output Enable) – осуществляет управление выходными буферными каскадами. Чтобы И С не нагружала выходные линии, ее выходные каскады кроме обычных состояний лог. 1 и лог. О имеют еще третье состояние высокого выходного сопротивления, эквивалентного отключению ИС от шины данных. Вход ОЕ обеспечивает перевод выходных буферных каскадов в третье состояние.

Рис. 4.1. Типичные сигналы ЗУ

Очередность поступления рассмотренных выше сигналов Вперед. Прежде всего, подастся адрес, чтобы последующие операции не коснулись какой-либо другой ячейки, кроме выбранной. Затем сигналом CS (СЕ) разрешается работа микросхемы, после чего подается сигнал чтения/записи R/W. Если задана, например, операция чтения, то после подачи перечисленных сигналов ЗУ готовит данные для чтения, что требует определенного времени, спустя которое на выходах DO появляются данные. По заднему фронту сигнала R/W производится считывание данных. Если же задана операция записи, то данные, подлежащие записи, подаются на входы DI и по заднему фронту сигнала R/W происходит запись данных в ЗУ.

Для полупроводниковых ЗУ характерна специфическая характеристика – свойство энергонезависимости – способность ЗУ сохранять данные при отключении напряжения питания. Если ЗЭ обладают свойством энергонезависимости, то память, построенная на их основе, будет хранить информацию при отключенном питании неограниченно долгое время. Если же ЗЭ этим свойством не обладают, а информацию необходимо сохранять, в память вводят резервные источники питания, автоматически подключаемые при снятии основного питания.