Цифровая схемотехника (практикум). Учебное пособие предназначено для выполнения практикума по дис циплинам "Схемотехника электронных средств, "Схемотехника эвм, "Основы микроэлектроники для
 Скачать 0.86 Mb.
|
|
4.5 Контрольные вопросы 1 Поясните принцип работы ячейки динамического ОЗУ. 2 Начертите временные диаграммы записи и считывания. 3 Как осуществляется регенерация? 4 Чем определяется период регенерации? 5 Поясните работу ячейки ОЗУ n- и К-МОП. 6 Как производится выборка ячейки ОЗУ? 53 7 Как осуществляются запись и считывание? 8 От чего зависит энергопотребление ОЗУ? 9 Поясните методику наблюдения логических сигналов с помощью осцил- лографа. 10 Начертите временные диаграммы работы ОЗУ. 11 Поясните принцип работы ячейки ППЗУ. 12 Начертите временные диаграммы программирования и считывания мик- росхемы КР537РУ10. 13 Как осуществляется программирование? 14 Чем определяется период программирования? 15 Что такое плавающий затвор? 16 Как осуществляется стирание информации? 17 Поясните принцип работы ячейки МПЗУ микросхемы КР573РФ2. 18 Начертите временные диаграммы программирования и считывания. 19 Как осуществляется программирование МПЗУ? 4.6 Оснащение практикума Для выполнения практикума необходимо иметь: - лабораторный стенд, содержащий программатор с источником пита- ния, обеспечивающим все необходимые рабочие напряжения для работы про- грамматора; - осциллограф двухлучевой (или имеющий вход внешней синхрониза- ции) с частотным диапазоном от 0 до 50 МГц; - ПЭВМ типа IBM PC с последовательным интерфейсом RS232. 4.7 Описание программатора 4.7.1 Программатор предназначен для работы с УФ ППЗУ типа: К572РФ2, К572РФ4, К572РФ5, К572РФ6, К572РФ7, К572РФ8, 2716,2764, 27128, 27256, 27512, 8764, 87256. 4.7.2 Программатор является составной частью комплекса на базе персо- нальной ЭВМ IBM PC, имеющей последовательный интерфейс пользователя типа RS232. В программаторе предусмотрен стандартный или ускоренный ал- горитм программирования ППЗУ. Программно задаваемое напряжение программирования: +12.5 В с погрешностью не более 0.5 В; +21.0 В с погрешностью не более 0.5 В; +25.0 В с погрешностью не более 1.0 В. Работа с ЭВМ осуществляется по последовательному каналу связи RS232 со следующими характеристиками: скорость приема/передачи, бод _ _ _ _ _9600; разрядность шин данных, бит _ _ _ _ _ _8; разрядность шин управления, _ _ _ _ _ _бит 2; 54 бит паритета отсутствует. Обмен информацией между ЭВМ и программатором осуществляется ин- формационными пакетами с контрольной суммой. 4.7.3 Программатор выполнен в виде автономного модуля, подключаемо- го к ЭВМ через RS232. Функциональный программатор состоит из трех блоков: - микроконтроллер; - преобразователь напряжения; - схемы управления чтением/записью ППЗУ. 4.7.4 Микроконтроллер реализован на микросхеме К1816ВЕ48, содержа- щей микропроцессор, ПЗУ для программы (1 кбайт), ОЗУ 64 байта. Микросхе- ма содержит внутренний таймер, синхронизируемый кварцевым резонатором на 4608 кГц. Таймер обеспечивает последовательный интерфейс импульсами синхронизации с периодом следования 1/9600 с. Все алгоритмы работы цифро- вых цепей программатора обеспечиваются микропроцессором КР1816ВЕ48. Приемо-передатчик последовательного канала реализован на микросхеме КР590КН4. Обмен данными, адресными сигналами и сигналами управления осущест- вляется через три порта, реализованными на микросхеме КР580ВВ55. Напряжение питания для логических микросхем вырабатывается стабилизатором напряжения КР142ЕН5. На эмиттерном повторителе, наборе диодов и конденсаторах реализован умножитель напряжения для программирования ППЗУ. Микросхема D6 вырабатывает напряжения питания для работы с различ- ными УФ ППЗУ (+5 В, +12 В, +21 В, +25 В). Микросхема D7 с эмиттерным по- вторителем вырабатывает напряжения +5 В и +6 В для питания УФ ППЗУ. 4.7.5 Микросхемы ППЗУ с ультрафиолетовым (УФ) стиранием информа- ции могут быть запрограммированы одним из двух способов: STANDARD и FAST. STANDARD программирует каждый байт в течении 50 мс непрерывно. FAST программирует каждый байт импульсами длительностью по 1 мс с проверкой после каждого импульса. Количество импульсов не более 15. Если при этом проверка показала, что текущий байт запрограммирован, то выраба- тывается дополнительный программирующий импульс длительностью в 3n ⋅мс, где n - количество импульсов по 1 мс. 4.7.6 Комплект программного обеспечения включает следующие файлы: KROT.EXE; KROTCOL.EXE; KROT.HLP; KROT.COL; KROT.CFG. Файлы KROT.EXE и KROT.HLP необходимо поместить в одном каталоге. В процессе работы программа создает временный файл KROT.TMP, ко- торый служит буфером данных и автоматически удаляется при нормальном вы- ходе. KROT.TMP создается в том же каталоге, где находится KROT.EXE. Конфигурация программы содержится в файле KROT.CFG, где могут быть установлены подходящие параметры для программирования. 55 KROT.COL - файл цветового оформления, которое может быть изменено с помощью программы KROTCOL.EXE. При выходе из KROTCOL.EXE созда- ется новый файл KROT.COL, а старый файл переименовывается в KROT.BAK. При последующих запусках программы KROT.EXE цвета будут устанавливать- ся из KROT.COL, находящегося в каталоге, из которого производится запуск программы KROT.EXE. Допустимыми форматами файлов могут быть BIN и HEX. Двоичные фай- лы могут иметь любое расширение кроме HEX. Помощь вызывается посредством F1. Предыдущую подсказку можно вы- звать, выбрав раздел "PREVIOUS". Возможна работа с блоком данных. Выделение блока осуществляется в редакторе. При этом в левом нижнем углу появляется надпись БЛОК. С блоком возможны следующие операции в редакторе EDIT: - считать часть ППЗУ; - программировать часть ППЗУ; - сравнить часть ППЗУ с буфером; - вычислить контрольную сумму части ППЗУ. Работа с блоком заканчивается командой "удалить блок". При этом в ле- вом нижнем углу исчезает надпись БЛОК. Сочетание клавиш: ALT/F10 используется для тестирования программатора и линии связи. При ее выполнении производится непрерывная передача байта 00Н в линию. Программатор, получив данную посылку, отвечает таким же байтом. При нор- мальном прохождении теста в правом нижнем углу можно наблюдать бегущие цветные полосы, в противном случае появится надпись INVALID. Кнопка меню FILES (работа с файлами) задает работу с файлами с помо- щью опций: - LOAD FILE - загрузка файла. Производится перезапись данных из вы- бранного файла в KROT.TMP. Если выбранный файл с расширением .HEX, то он будет восприниматься как файл HEX - формата; - SAVE FILE - запись файла из KROT-TMP в файл с указанным именем; - OS SHELL - временный выход в DOS; - QUIT - выход (файл KROT-TMP) удаляется. "EDIT" - редактор, имеет следующие команды: 1) - Управление курсором: а) - ВВЕРХ, ВНИЗ, ВПРАВО, ВЛЕВО - соответствующие стрелки; б) - НАЧАЛО/КОНЕЦ строки - HOME/END; в) - слово ВПЕРЕД/НАЗАД - Ctrl+стрелка вправо/влево; г) - страница ВВЕРХ/ВНИЗ - Page Up/Page Down; д) - в НАЧАЛО/КОНЕЦ дампа - Ctrl+Page Up/Page Down; е) - по желаемому адресу – Ctrl + QF. 2) - Операции с блоком: а) - выделить начало блока – Ctrl + KB; б) - выделить конец блока – Ctrl + КК; 56 в)- модифицировать блок – Ctrl + КМ; г) - удалить выделенный блок – Ctrl + КН; д) - скопировать блок – Ctrl + КС; е)- записать блок в файл – Ctrl + KW; ж) - считать блок с позиции курсора – Ctrl + KR. Кнопка меню E - DITCONFIG задает параметры редактора: - ADDRESS RADIX - система исчисления адреса (BIN, OCT, HEX); - DATA RADIX - система исчисления данных (BIN, OCT, HEX); - WORD IN STRING - количество слов в строке редактора; - STRING IN SCREEN - количество строк на экране. Кнопка меню MAINCONFIG определяет основные параметры редактора: - DEVICE - выбор программатора RF; - LINE IN VOLUME - количество ячеек в рабочем объеме; - CHIP IN LINE - количество микросхем в линейке; - PROGRAMMING MODE - выбор алгоритма программирования; - VOLTAGE - выбор напряжения программирования; - ADDRESS INVERSION - инверсия адреса при работе с ППЗУ; - DATA INVERSION - инверсия данных при работе с ППЗУ. Кнопка меню TOOLS задает средства для работы с ППЗУ: - READ CHIP - чтение ППЗУ; - WRITE INTO THE CHIP - программирование ППЗУ; - COMPARE WITH SAMPLE - сравнение ППЗУ с буфером; - ERASE TEST - проверка ППЗУ на чистоту; - CHECK SUM - вычисление контрольной суммы ППЗУ. Кнопка меню OPTIONS устанавливает параметры программы: - SOUND - вкл/выкл звукового сигнала; - SERIAL PORT - последовательный порт (СОМ1,---,СОМ4); - SAVE OPTIONS - сохранить параметры в файле KROT.CFG; - SETRIEVE OPTIONS - восстановить параметры из файла KROT.CFG. 4.8 Порядок выполнения практикума 4.8.1 Ознакомьтесь с устройством и электрическими схемами различных типов ЗУ. 4.8.2 Изучите устройство и программное обеспечение программатора. 4.8.3 Ответите на контрольные вопросы. 4.8.4 Подключите программатор согласно руководству по эксплуатации и запустить выполнение программы KROT.EXE. 4.8.5 Установите в панель с надписью "РФ" исследуемую (программи- руемую) микросхему памяти. 4.8.6 Настройте программатор на работу с данным типом микросхемы. 4.8.7 Произведите контроль содержимого исследуемой микросхемы па- мяти. 57 4.8.8 Запишите файл, предложенный преподавателем в исследуемую мик- росхему. 4.8.9 Произведите сравнение записанного и исходного файлов. 4.8.10 Считайте файл из исследуемой микросхемы памяти. 4.8.11 Снимите осциллографом временную диаграмму напряжений на входах CS, CEO, и DO в процессе считывания. 4.8.12 Оформите отчет о выполненной работе, в котором нарисовать блок-схему программатора и привести временные диаграммы считывания и за- писи информации. 4.9 Условно-графические и буквенно-цифровые обозначения микро- схем запоминающих устройств Рисунок 4.11 – Условно – графические и буквенно-цифровые обозначе- ния интегральных микросхем памяти 58 5 Практикум "Управляющие устройства" Цель практикума: изучение принципов построения управляющих устройств различных ти- пов, сравнительное исследование их преимуществ и недостатков; приобретение навыков в сборке, наладке и анализе функционирования управляющих устройств различного вида. Раздел содержит методики выполнения следующих работ: - конечный автомат с жесткой логической структурой; - микропрограммный автомат. 5.1 Практикум "Конечный автомат с жесткой логической структу- рой" Управляющий автомат (УА) может рассматриваться как некоторое уст- ройство, реализующее алгоритм функционирования системы управления. УА вырабатывает последовательность управляющих сигналов в соответствии с ал- горитмом управления, которые воздействуют на объект управления (ОУ). При этом вырабатываемая последовательность сигналов зависит как от состояний объекта или окружающей среды, так и от состояний самого УА. Взаимосвязан- ные УА и ОУ образуют систему управления. В качестве системы УА-ОУ мож- но рассматривать, например, систему процессор-память в компьютере. Система УА-ОУ хорошо представляется в виде системы из двух автоматов - управляю- щего и операционного, где операционный автомат есть объект управления. Операционные автоматы могут обладать различной структурой. Напри- мер, это может быть комбинационная схема такая, как арифметико-логическое устройство либо оперативное запоминающее устройство, либо шина передачи данных и т.п. Управляющие автоматы имеют, как правило, структуру с достаточно вы- деленными частями - логической (комбинационной) и памятью. Простейшей моделью управляющего автомата является дискретное уст- ройство, показанное на рисунке 5.1 с n входами, k выходами и s внутренними цепями обратных связей. Часть такого n, k - полюсника, в которой сосредото- чены логические элементы, образующие однотактную схему, принято называть логическим преобразователем (ЛП). Множество ячеек памяти с соответствую- щими цепями обратных связей, каждая из которых имеет задержку, образуют элемент памяти (ЭП) управляющего автомата. На входы ЭП действуют сигна- лы, поступающие с s выделенных внутренних выходов ЛП. С выходов ЭП сигналы поступают на выделенные внутренние входы ЛП. В простейшем случае каждый ЭП может находиться в одном из двух со- стояний. Формальной моделью таких дискретных устройств в теории автоматов является конечный автомат. 59 ЛП - логический преобразователь; ЭП - элемент памяти; Х - поле входных воздействий; n = 1, 2, 3, ... - число входов; Y - поле выходных откликов; k =1, 2, 3, ... - число выходов; Z(t i +1) – выходы кодового слова перехода автомата в момент времени (t i +1); S - 1, 2, 3, ... - число внутренних связей; Z(t i ) - входы кодового слова внутренних состояний автомата. Рисунок – 5.1 Структурная схема управляющего автомата Конечным автоматом называется устройство, определяемое конечным множеством кодовых состояний входа Р ={p1, p2,...pN}, конечным множеством кодовых состояний выхода А ={a1, a2, ...aK},конечным множеством внутрен- них состояний H ={h1, h2,...hS} и двумя функциями: функцией переходов и функцией выходов. Из множества внутренних состояний выделяется некоторое состояние hi, называемое начальным состоянием автомата. Предполагается, что автомат функционирует в дискретные моменты вре- мени, т.е. непрерывная шкала времени разделена на множество интервалов (t i+1 -t i ), которые занумерованы целыми положительными числами Т={t 0 , t 1 , t 2 ,.., t i ,.. t m } и которые называются тактами работы автомата. В промежутках време- ни между тактами сохраняются неизменными все состояния автомата. В зави- симости от того, чем определяется длительность такта, автоматы разделяются на два класса: синхронные и асинхронные. Синхронный автомат имеет генератор тактовых импульсов и входные сигналы могут воздействовать на автомат лишь при наличии тактового сигнала. 60 В асинхронных автоматах длительность интервала времени, в течении которого остается неизменным состояние входа, является величиной перемен- ной и определяется только моментами изменений входных состояний. В классе синхронных конечных автоматов рассматривают два типа авто- матов: модель Мили и модель Мура. Автомат Мили описывается функцией переходов и функцией выходов: h(t i +1) =Ф[p(t i +1), h(t i )], Y(t i ) = F[p(t i );h(t i )] где: h(t i +1) – кодовое слово перехода автомата в новое состояние, которое зависит от внутреннего состояния автомата h(t i ) непосредственно перед перехо- дом и нового воздействия p(t i +1) в следующий момент времени Автомат Мура отличается от автомата Мили функцией выходов, которая записывается как: Y(t i ) =F[h(t i )] Существуют различные способы задания конечных автоматов. Наиболее известные способы - это таблицы и матрицы переходов, диаграммы переходов и автоматные уравнения. 5.1.1 Таблицы переходов Таблицы переходов задают функцию перехода автомата. Каждый столбец таблицы соответствует внутреннему состоянию автомата, каждая строка - определенному состоянию входа. Клетка таблицы переходов соответствует со- стоянию автомата, определяющему внутреннее состояние, в которое автомат должен перейти в следующий момент времени. Таблица 5.1 является таблицей переходов полного синхронного автомата. Из таблицы видно, что автомат име- ет четыре состояния входа p1, p2, p3, p4 и четыре внутренних состояния h1, h2, h3, h4. В каждой клетке таблицы указывается номер внутреннего состояния, в которое автомат должен перейти в следующий момент времени. Если в какой- либо клетке таблицы состояние не указано, то это состояние называется неоп- ределенным, а такой автомат называется недоопределенным. Недоопределен- ные автоматы могут существовать только теоретически. Практически же любая реальная схема автомата, построенная из логических элементов, соответствует полностью определенному конечному автомату. Для задания функции выходов автомата в таблицу переходов добавляют дополнительный столбец (автомат Мили) или выходные состояния указываются дополнительно в каждой клетке таблицы (таблица 5.2). 61 Таблица.5.1 - Таблица переходов Состояние автомата (после перехода) при установке состояний входа Внутреннее состояние (до перехода) p1 p2 p3 p4 h1 h1 h3 h2 h1 h2 h2 h1 h4 h2 h3 h3 h3 h3 h2 h4 h4 h1 h2 h4 Таблица 5.2 - Таблица переходов с дополнительным столбцом, указы- вающим функцию выхода Состояние автомата (после перехода) при установке состояний входа Функция выхода Внутреннее состояние (до перехода) p1 p2 p3 p4 h1 h1 h3 h2 h1 Y1 h2 h2 h1 h4 h2 Y2 h3 h3 h3 h3 h2 Y3 h4 h4 h1 h2 h4 Y4 Таблица 5.3 - Таблица переходов с указанием в каждой ячейке таблиц функции выхода после перехода Состояние автомата (после перехода) при установке состояний входа Внутреннее состояние (до перехода) p1 p2 p3 p4 h1 h1/y1 h3/y2 h2/y1 h1/- h2 h2/y3 h1/y1 h4/- h2/- h3 h4/- h3/y4 h3/- h2/y3 h4 h3/y4 h1/- h2/y2 h4/y1 Асинхронные автоматы тоже можно задавать с помощью таблицы пере- ходов. Поскольку асинхронный автомат не имеет тактового входа, т.е. не под- чиняется какому-то выделенному сигналу синхронизации, то его поведение всецело зависит от дисциплины изменения входных состояний. В результате чего все состояния, располагаемые в клетках таблицы переходов, разделяются на два вида: устойчивые и неустойчивые. В таблице переходов (таблица 5.4) ус- тойчивые состояния заключены в скобки. Переход асинхронного автомата из одного устойчивого состояния в другое всегда связан с переходом его в неус- тойчивое состояние. При переходе автомата в неустойчивое состояние могут возникнуть гонки из-за нарушения дисциплины смены входных состояний или 62 из-за состязаний в комбинационной схеме, что в свою очередь может привести к недетерминированному поведению автомата. Поэтому таблицу переходов (функцию переходов) необходимо строить так, чтобы не возникало гонок. Таблица 5.4 - Таблица переходов с указанием устойчивых состояний асинхронного автомата |