WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Технологический институт Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» ПРИОРИТЕТНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ «ОБРАЗОВАНИЕ» КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по курсам Проектирование центральных и периферийных устройств ЭВС, Микропроцессоры и ЭВМ в микросистемах Для студентов специальностей 210202, 210108 ФЭП Таганрог 2009 1 КАФЕДРА КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ Лукьяненко Е.Б.

Конспект лекций по курсам «Проектирование центральных и периферийных устройств ЭВС, Микропроцессоры и ЭВМ в микросистемах». 2009. – 105 с.:

ил.

В 1-й части конспекта рассматриваются запоминающие устройства, различные виды памяти и программирование памяти. Во 2-й части конспекта рассматриваются микроконтроллеры AVR. Изложены основные принципы функционирования и особенности архитектуры микроконтроллеров Atmel AVR. Подробно описаны приемы программирования микросхем этого семейства и их отдельных узлов. Вы найдете готовые рецепты для программирования большинства основных функций современной микроэлектронной аппаратуры: от реакции на нажатие кнопки или построения динамической индикации до сложных протоколов записи данных во внешнюю память или особенностей подключения часов реального времени. В книге учтены особенности современных моделей AVR и сопутствующих микросхем последних лет выпуска. Особое внимание уделяется обмену данными микроэлектронных устройств с персональным компьютером, основные параметры микроконтроллеров AVR, перечень команд и тексты программ для них, а также список используемых терминов и аббревиатур. Дополнением к конспекту является сборник лабораторных работ по этому же курсу: Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. – 41с., №4224.

2 Терминология 1. Процессор, ЦПУ (центральное процессорное устройство) - состоит из АЛУ (арифметико-логического устройства) и устройства управления.

2. Микропроцессор (МП) – БИС, состоящая из процессора, запоминающего устройства (ЗУ) и устройства ввода-вывода.

3. МикроЭВМ – имеет в своем составе один или несколько процессоров, БИС ПЗУ и ОЗУ, БИС управления вводом-выводом.

4. Контроллер это микроЭВМ с небольшими вычислительными ресурсами и упрщенной системой команд, ориентированный на выполнение логического управления различным оборудованием.

Области применения контроллеров 1. Изделия и услуги массового потребления: бытовые электроприборы (кондиционер, швейная машина и т.п.), досуг и развлечения (игровые автоматы, аудио- и видеотехника и т.п.).

2. Промышленные установки и приборы: станки и оборудование с цифровым управлением, роботы, управление технологическими процессами.

3. Измерительная техника, испытательное оборудование: измерительные приборы, испытательные стенды, экспериментальные установки.

4. Автомобильная промышленность: системы управления автомобильными двигателями, автоматические бензоколонки.

5. Бизнес и торговля: машинки для отсчета купюр, кассовые аппараты.

Области применения универсальных ЭВМ 1. Научно-технические расчеты: математические расчеты, статистика, математическое моделирование, расчет орбит искусственных спутников Земли.

2. Финансы, коммерция: расчет зарплаты, банковское дело, электронная коммерция.

3. Производство и управление: автоматизация производства, системы компьютерного проектирования.

4. Информационная техника и телекоммуникации: компьютерные сети, спутниковая связь, оплата телефонных разговоров.

5. Транспорт: бронирование мест, спутниковые навигационные системы, диспетчерские службы, оперативный анализ, управление городским транспортом.

6. Образование и подготовка специалистов: тренажеры, дистанционное обучение, банки информации, электронные учебные пособия.

7. Медицина: компьютерные методы обследования, анализ истории болезни.

1. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА Микросхемы памяти в общем объеме выпуска ИС занимают около 40% и играют важную роль.

1 Классификаци запоминающих устройств Важнейшим признаком ЗУ является способ доступа к данным. По этому признаку различаются 3 вида ЗУ:

1. Адресные ЗУ: код на адресном входе указывает ячейку, с которой ведется обмен.

Адресные ЗУ: делятся на RAM (Random ACCESS Memory) (ОЗУ-оперативные запоминающие устройства) и ROM (Read-Only Memory) (ПЗУ-постоянные запоминающие устройства).

RAM делятся на статические - SRAM (Static RAM) и динамические -DRAM (Dynamic RAM).

В статических ОЗУ запоминающими элементами являются триггеры. В динамических ОЗУ данные хранят в виде зарядов конденсаторов, образуемых элементами МОП-структур. Запоминающие конденсаторы разряжаются, поэтому каждые несколько миллисекунд данные должны регенерироваться Плотность упаковки динамических элементов памяти в несколько раз выше, чем статических.

Динамические ОЗУ характеризуются наибольшей информационной емкостью и невысокой стоимостью, но имеют большее энергопотребление и меньшее быстродействие.

Постоянная память типа ROM имеет следующие разновидности:

1. Программируемые при изготовлении ИМС с помощью одной из масок. Эта память типа ПЗУМ (ПЗУ масочные). [ROM(M)] 2. Память, программируемая пользователем (ППЗУ – программируемые ПЗУ):

- PROM – содержимое записывается однократно в память.

- EPROM и EEPROM – содержимое может быть заменено путем стирания информации и записи новой.

В EPROM – стирание путем облучения кристалла ультрафиолетовыми лучами (РПЗУ-УФ – репрограммируемые ПЗУ с УФ стиранием).

В EEPROM – стирание происходит электрическими сигналами (РПЗУ-ЭС – репрограммируемые ПЗУ с электрическим стиранием).



Запись данных для EPROM и E2PROM производится элетрическими сигналами.

2. Последовательные ЗУ:

- FIFO;

- Стековые (LIFO);

- Файловые;

- Циклические.

В FIFO запись в буфер становится сразу доступной для чтения, т.е. поступает в конец цепочки (First In - First Out) – «первый пришел – первый вышел».

В файловых – данные поступают в начало цепочки.

В циклических ЗУ – слова доступны одно за другим с постоянным периодом, определяемым емкостью памяти. К такому типу относится видеопамять (VRAM).

В стековых ЗУ считывание происходит в обратном порядке (последний принят – первый вышел) – LIFO (Last In – First Out).

3. Ассоциативные ЗУ.

Поиск информации происходит по некоторому признаку, а не по ее расположению в памяти.

1.2. Структуры ЗУ Для ПЗУ и статических ОЗУ характерны структуры 2D, 3D и 2DM 1.2.1. Структура 2D m n А DC ЗЭ ЗЭ k CS R/W Усилители записи/чтения Данные Рис.k – число хранимых слов;

m – разрядность слов;

M=km – информационная емкость памяти (в битах).

Дешифратор адресного кода при наличии разрешающего сигнала CS активизирует одну из выходных линий, разрешая доступ ко всем элементам выбранной строки. Элементы одного столбца соединены вертикальной линией -внутренней линии данных (разрядной линией, линией записи/считывания). Направление обмена определяется усилителями записи/чтения под воздействием сигнала R/W (Read – чтение, Write - запись).

Структура 2D применяется только в ЗУ малой емкости из-за чрезмерного усложнения дешифратора при росте числа хранимых слов.

1.2.2. Структура 3D Позволяет упростить дешифраторы адреса с помощью двухкоординатной выборки запоминающих элементов.

Пример ЗУ типа ROM (только чтение данных, одноразрядная организация):

DC y А DC n/x ЗЭ ЗЭ CS Бит данных Рис. Выбирается ЗЭ, находящийся на пересечении линий выходов дешифраторов.

Например для ЗУ емкостью 1 К слов потребуется для 2D – дешифратор с 1024 выходами, а для 3D – 2 дешифратора с 32 выходами.

1.2.3. Структура 2DM (модифицированная) Сочетаются достоинства обеих структур: упрощается дешифрация адреса и не требуются запоминающие элементы с двухкоординатной выборкой.

Рассмотрим ЗУ типа ROM.

A =A... Ak DC 2n-k Матрица ЗЭ 1 n-n-k 2 x m 2k 2k 2k 2k A =A... Ak-k k k MUX MUX MUX 2k-1 2k-1 2k-Рис. Дешифратор выбирает в матрице ЗЭ целую строку (как в 2D). Однако длина строки многократно превышает разрядность хранимых слов. При этом увеличивается число строк матрицы и уменьшается число выходов дешифратора.

1.3. Типы ЗУ 1.3.1. Масочные ЗУ [ROM(M)] Элементами связи могут быть диоды, биполярные транзисторы, МОП-транзисторы. Программируются с помощью одной из масок при изготовлении ЗУ.

Диодные ЗЭ Шлинии Швыборки слов Шn линии считывания Рис. При наличии диода высокий потенциал выбранной горизонтальной линии передается на соответствующую вертикальную линию и в данном разряде появляется «1».

При возбуждении (высокий потенциал) линии Ш считывается слово 11010001. При возбуждении Ш считывается слово 10101011. Линии выборки (Ш -Ш ) являются выходами дешифратора адреса.

1 n Матрица МОП-транзисторных элементов U cc Ш 1 1 Рис. В МОП-транзисторах, соответствующих хранению нуля, увеличивают толщину подзатворного окисла, что ведет к увеличению порогового напряжения транзистора. В этом случае рабочие напряжения не могут открыть транзистор, что соответствует его отсутствию.

Масочные ЗУ отличаются высоким уровнем интеграции.

Область применения: хранение стандартной информации, имеющей широкий круг потребителей. Это прошивка кодов букв русского и латинского алфавита, таблицы типовых функций (sin, квадратичной функции и др.), стандартное программное обеспечение и т.п.

1.3.2. ЗУ типа PROM Такие ЗУ программируются пользователем устранением или созданием перемычек.

Устранение части перемычек свойственно ЗУ с 1) плавкими перемычками (типа fuse – предохранитель). В исходном состоянии ЗУ имеет все перемычки, а при программировании часть их ликвидируется путем расплавления импульсами тока (большой амплитуды и длительности).

Эти перемычки включаются в электроды диодов или транзисторов. Изготавливаются металлическими (нихром) и поликристаллическими (кремниевыми).

Исходное состояние перемычка удалена Рис. Перемычка образована Рис. 2) другой тип перемычки: два встречно включенных диода. В исходном состоянии цепь можно считать разомкнутой. Для записи «1» к диодам прикладывается высокое напряжение, пробивающее диод, смещенный в обратном направлении. Диод пробивается с образованием в нем короткого замыкания.

3) схемы с тонкими пробиваемыми диэлектрическими перемычками (типа antifuse) более компактны и совершенны. Применяются в ПЛИС.

Представителем ЗУ с плавкими перемычками является м/сх К155РЕ3 (ТТЛ).

Плавкие перемычки занимают довольно много места, поэтому уровень (степень) интеграции ниже, чем у масочных ЗУ. Однако имеют невысокую стоимость, т.к. изготовитель выпускает микросхему без учета конкретного содержимого ЗУ.

Программирует ЗУ пользователь.

Среди отечественных PROM ведущее место занимают микросхемы серии К556. Емкость 1-64 Кбит и =70-90 нс.

доступа 1.3.3. ЗУ типов EPROM и E PROM Это репрограммируемые ЗУ.

В EPROM (РПЗУ-УФ) – информация стирается ультрафиолетовыми лучами, а в E2PROM (РПЗУ-ЭС) – электрическими сигналами.

Запоминающими элементами (современных) РПЗУ являются транзисторы типов МНОП (метал-нитрид-окисел-полупроводник) и ЛИЗМОП (лавинная инжекция заряда).





МНОП-транзистор З С И n+ n+ p-подложка Al SiOSi N 3 Рис. Над каналом расположен тонкий слой оксида кремния SiO (5 нм), далее идет толстый слой нитрида кремния Si N и Al затвор. Благодаря туннельному эф3 фекту носители заряда могут проходить через тонкую пленку SiO. Они скапливаются на границе раздела SiO -Si N, где возникают центры захвата заряда. Этот за2 3 ряд и является носителем информации, хранимой МНОП-транзистором. Заряд записывают созданием под затвором напряженности электрического поля, достаточной для возникновения туннельного эффекта. Наличие заряда влияет на пороговое напряжение транзистора. Для него отрицательный заряд увеличивает пороговое напряжение (транзистор закрыт), а положительный заряд уменьшает пороговое напряжение (транзистор открыт). Заряды создаются при приложении напряжения на затвор (±U ) (+U создает отрицательные заряды, а -U – з з з положительные). Одно из состояний МНОП-транзистора принимается за «0», другое – за «1».

+ n-канальный + При программировании используется напряжение около 20В. После 104… 106 перезаписей МНОП-транзистор перестает устойчиво хранить заряд.

РПЗУ на МНОП-транзисторах энергонезависимы и могут хранить информацию десятками лет. Старая информация стирается записью нулей во все ЛЭ. Тип ЗУ - РПЗУ-ЭС.

ЛИЗМОП-транзистор З С SiO2 И SiOn+ n+ плавающий затвор p-подложка Al SiOполикремний Рис. Транзисторы имеют плавающий затвор из поликремния. На рис. он является вторым, дополнительным к управляющему затвору.

Такие транзисторы используются в РПЗУ-УФ и в РПЗУ-ЭС.

Принцип работы: в плавающий затвор вводится заряд, влияющий на величину порогового напряжения. Он сохраняется там в течении длительного времени.

При подачи напряжения на управляющий затвор, сток и исток импульса положительного напряжения 20…25 В в р-n-переходах возникает лавинный пробой, область которого насыщается электронами. Часть электронов с высокой энергией проникает через потенциальный барьер в плавающий затвор, где и сохраняется многие годы.

Отрицательный заряд плавающего затвора увеличивает пороговое напряжение настолько, что транзистор всегда закрыт.

При отсутствии заряда транзистор работает в обычном ключевом режиме.

Для стирания информации УФ лучами в корпусе делают окошко. УФ лучи вызывают фототоки и тепловые токи и заряды покидают плавающий затвор. Время стирания – десятки минут. Число циклов – 10…100.

При электронном стирании на затвор подается ноль Вольт, а на сток и исток – высокое напряжение. Число циклов 104…106.

ЭС стирание вытесняет УФ стирание.

Среди отечественных РПЗУ-УФ известна серия К573, а среди РПЗУ-ЭС – серии КР558 (n-МОП) и К1609, К1624, К1626 на ЛИЗМОП.

1.3.4. Статические ОЗУ (SRAM) Довольно дорогостоящие, но имеющие высокое быстродействие. Широко используются в КЭШ-памяти. Имеют обычно структуру 2DM. При небольшой емкости – 2D.

Запоминающий элемент – триггер с цепями установки и сброса. Примененяются схемотехнологии: ТТЛ(Ш), И2Л, ЭСЛ, n-МОП, КМОП, AsGa и др. Это микросхемы серии К537 (КМОП) и К132 (n-МОП).

Запоминающие элементы на n-МОП транзисторах Ucc Нагрузка Нагрузка r r VVV3 VШВ D D Рис. RS-триггер выполнен на транзисторах V1, V2. Транзисторы V3 и V4 – ключи выборки.

При обращении и ЗЭ появляется высокий потенциал на шине выборки ШВ.

Этот потенциал открывает ключи выборки (транзисторы Т3, Т4) Через D и D считываются данные. Через D и D можно записывать данные в триггер, подовая низкий потенциал на шину. Тогда при подаче «0» на D снижается стоковое напряжение транзистора V1, что запирает транзистор V2. Триггер установлен в состоянии «1».

1.3.5. Статические ЗУ типа БиКМОП.

БиКМОП – биполярная и КМОП-технология.

Применительно к SRAM это реализация триггеров на КМОП, а цепей выдачи данных, имеющих значительную емкостную нагрузку – по биполярной схемотехники (ЭСЛ или ТТЛШ).

Uоп I Рис. 1.3.6. Динамические ЗУ (DRAM) Данные хранятся в виде зарядов емкостей МОП-структур. Такой ЗЭ проще триггерного, что позволяет размещать на кристалле в 4-5 раз больше ЗЭ.

ЛЗС Сл Сз ЛВ (линия выборки) Рис. Ключевой транзистор отключает запоминающий конденсатор от линии записи-считывания или подключает его к ней. Сток транзистора не имеет внешнего вывода и образует одну из обкладок конденсатора (поликремний). Между обкладками расположен тонкий слой оксида кремния.

ЛВ ЛЗ С З SiO2 И Сз n+ n+ p-подложка Al SiOполикремни й Рис. В режиме хранения транзистор заперт. При выборке данного ЗЭ на затвор подается напряжение, открывающее транзистор. Емкость С подключается к лиз нии записи-считывания. И в зависимости от того, заряжая емкость или разряжена, по разному влияет на потенциал ЛЗС.

Процесс чтения состояния ЗЭ Перед считыванием производится предзаряд ЛЗС до уровня половины Е П (U /2).

cc UЛЗС чтение Uсс/чтение t t Рис. Для считывания нуля справедливы следующие рассуждения. До выборки ЗЭ емкость ЛЗС имела заряд:

Q = CЛUcc / После выборки этот же разряд имеет суммарную емкость UCC UCC CЛ = (CЛ + СЗ )( - U ) 2 Приравнивая правые части, получим:

UCC CЛ + СЗ : Q = (CЛ + СЗ )( - U ) Откуда:

UCCСЗ UCC СЗ U = 2(CЛ + СЗ ) 2 CЛ (С >>С ) л з Считывание является разрушающим – подключение С к ЛЗС изменяет ее з заряд.

Стараются увеличивать С. Для этого применяют диэлектрик двуокись титаз на. Он имеет в двадцать раз больше, чем оксид кремния.

Т.к. емкость С имеет саморазряд, необходимо периодически (с периодом 1З 15 мс) восстанавливать напряжение на С, или говорят регенерировать.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.