МикроЭВМ, обсуждавшиеся в предыдущей главе, представляют собой автономные вычислительные системы, скомпонованные вокруг микропроцессора и включающие обычно массовую память (диски), графические дисплеи, принтеры и, возможно, какое-то сетевое оборудование. Эти машины комплектуются терминалом, памятью и портами ввода-вывода, а также дополнительными вставными платами, расширяющими их возможности. МикроЭВМ прекрасно подходят для обработки текстов, выполнения вычислительной работы, построения систем автоматизированного проектирования (САПР) и даже автоматизированных систем управления производством (АСУП). В сочетании с коммерчески доступными аппаратными средствами микроЭВМ могут выступать в качестве программаторов логических устройств, логических анализаторов и интерфейсных процессоров в самых различных инженерных применениях. Встроив в разрабатываемый вами прибор или систему микропроцессор вместе с некоторыми дополнительными схемами, вы получите устройство, обладающее мощностью микроЭВМ. В такого рода «жестких» приложениях процессор выполняет фиксированную программу, зашитую в ПЗУ, при этом отпадает необходимость в массовой памяти (диски, лента), терминалах и т. д. Внешне прибор может иметь самый обычный вид, хотя его повышенную интеллектуальность часто выдает наличие специализированной клавиатуры. Приборы с микропроцессорным управлением, как правило, имеют лучшие характеристики при меньшей стоимости и более простом устройстве в сравнении с эквивалентными системами, выполненными на дискретных логических микросхемах. Более того, модификация или совершенствование прибора часто требует лишь написания новой программы.

Очевидно, что компетентный разработчик не может игнорировать отмеченные обстоятельства. Если вам требуются еще какие-то стимулы, можно отметить, что возня с микропроцессором — сущее удовольствие; встроив его в свой прибор, вы испытаете восхитительное чувство собственного могущества.

При разработке приборов с микропроцессорным управлением приходится уделять заметно больше внимания вопросам конструирования и программирования, чем при разработке микроЭВМ. В частности, следует выбрать тип памяти (статическое или динамическое ОЗУ, программируемое ПЗУ, электрически стираемое программируемое ПЗУ) и определить ее расположение в доступном «пространстве памяти»; определить форму ввода-вывода (включая выбор аппаратной реализации: обычные функциональные микросхемы среднего уровня интеграции или заказная БИС «периферийной поддержки»); написать и отладить встраиваемое программное обеспечение исходя из условий работы программно-управляемого прибора. Как правило, разработчики систем с микропроцессорным управлением должны свободно владеть как аппаратными средствами, так и программированием на языке ассемблера.

Большая часть концепций программирования и интерфейса с магистралью, обсуждавшихся в предыдущей главе применительно к микроЭВМ, непосредственно приложима к схемам микропроцессорного управления, и в дальнейшем мы предполагаем, что читатель знаком с содержанием гл. 10. Настоящую главу мы начнем с детального рассмотрения небольшого микропроцессора с элегантной системой команд, а именно МП Motorola 68008, который в сущности представляет собой 32-разрядный процессор (68000) с 8-разрядной внешней шиной данных.

Описав его архитектуру и систему команд, мы рассмотрим затем полный пример разработки — аналоговый «усреднитель сигналов», укомплектованный графическим дисплеем, цифровыми последовательными и параллельными портами и другими полезными деталями.

Естественно, никакая микропроцессорная система не может считаться завершенной без программного обеспечения, которое мы также рассмотрим применительно к нашему примеру. По ходу дела нам придется столкнуться с большими интегральными микросхемами — периферийными и памяти, и мы выскажем о них некоторые полезные замечания. Далее в главе будет уделено внимание синхронизации, шинам данных, а также другим популярным процессорам, включая микросхемы «микроконтроллеров» с высокой степенью интеграции. Наконец, мы отступим на шаг, чтобы обозреть весь процесс конструирования микропроцессорного устройства и коснемся систем разработки, макетных плат и эмуляторов.

 

Внимательный взгляд на МП

68008

Обилие микропроцессоров различных типов может поставить в тупик разработчика. Печальным правилом мира микропроцессоров является несовместимость различных микропроцессорных комплексов как в аппаратной реализации (сигнальные линии, интерфейсные протоколы и т. д.), так и в наборах команд. Вместо того чтобы пытаться подобрать наилучший микропроцессор для каждого применения, лучше остановиться на каком-то достаточно зарекомендовавшем себя микропроцессоре, создать для него систему разработки и накапливать с ее помощью опыт и знания. Это разумно еще и потому, что усилия и средства, затраченные на разработку программного обеспечения для микропроцессорной системы, часто превышают затраты на аппаратную разработку.

В этой главе мы рассмотрим МП Motorola 68008, являющийся младшим представителем элегантного и популярного семейства микропроцессоров 68000, находящих применение в таких микроЭВМ, как Macintosh, NeXT, Sun и Apollo. Этот микропроцессор практически идентичен МП 68000 (16-разрядная шина данных, 24-разрядная адресная шина), но упакован в 48-контактный DIP-корпус с 8-разрядной шиной данных и 20-разрядный адресной шиной. Микропроцессор выполняет те же программы, что и МП 68000; более узкая шина данных абсолютно прозрачна для использования.

11.01. Регистры, память и ввод-вывод

Регистры. На рис. 11.1 показаны внутренние регистры МП 68000 (мы будем использовать обозначение «68000» при описании черт, общих для МП 68000 и 68008).

Рис. 11.1. Регистры МП 68000 / 8 .

Процессор содержит 8 регистров данных и 7 адресных регистров, причем все они в полной мере являются регистрами общего назначения; вспомним в связи с этим, что в МП 8086/8 регистр АХ (AL) должен использоваться в операциях ввода-вывода, DX — для адресации к портам и т. д. Регистры данных могут содержать «байты» (8 бит), «слова» (16 бит) и «данные слова» (32 бит), причем тип данных в любой операции указывается непосредственно в обозначении команды на языке ассемблера (см. ниже). Все вычисления и обработка байтов выполняются в регистрах данных.

Адресные регистры используются как указатели памяти или пространства ввода-вывода в 5 из 12 возможных для МП 68000 способов адресации; в адресных регистрах допустимо выполнение лишь нескольких арифметических операций (сложение, вычитание, сравнение, пересылка). Сегменты, как и сегментные регистры, отсутствуют; в микропроцессорах семейства 68000 всегда возможен доступ ко всему адресному пространству (1 или 4 Мбайт для МП 68008 в DIP — или четырехстороннем корпусе, 16 Мбайт для 68000, 4 Гбайт для 68020/30).

В микропроцессоре также имеются: указатель стека (фактически их два, но в каждый данный момент активен только один), программный счетчик PC (именуемый в МП 8086/8 «указатель команд») и регистр состояния SP. Последний содержит флаги (нуля, переноса, переполнения и др.), а также маску прерываний и биты режима.

Память и ввод-вывод. В отличие от МП 8086/8 в процессорах 68000 не предусмотрены отдельные сигналы магистрали ввода-вывода и в их системе команд отсутствуют команды ввода-вывода типа IN и OUT. Ввод-вывод осуществляется так же, как и обращение к памяти, с использованием адресов полной длины и стробирующих сигналов. Для подключения порта ввода-вывода вам следует декодировать адресные линии и сделать так, чтобы регистры ваших портов выглядели, как несуществующая память. Такой метод называется отображением ввода-вывода на пространство памяти; он используется во многих микропроцессорах. (Впрочем, даже в случае самостоятельного протокола ввода-вывода МП 8086 всегда можно отобразить ввод-вывод на пространство памяти с помощью стробирующих сигналов MEMR' и MEMW'.)

Преимущество отображения ввода-вывода на пространство памяти заключается в том, что для операций над регистрами портов можно использовать все команды, предназначенные для работы с памятью. Специальные команды IN/OUT МП 8086/8 заменяет команда MOVE; кроме этого, непосредственно над содержимым портов можно выполнять операции арифметические (сложения, вычитания, циклического сдвига, сравнения, проверки), логические (И, ИЛИ), а также над битами (установка бит, проверка бит). Единственный недостаток отображения ввода-вывода на пространство памяти заключается в необходимости декодировать много адресных линий; практически здесь не возникает трудностей, поскольку при большом адресном пространстве и малом числе портов ввода-вывода нет необходимости декодировать полный адрес (примеры см. ниже).

11.02. Система команд и способы адресации

В табл. 11.1 приведен полный набор команд МП 68000. Чтобы образовать правильный оператор (команду) языка ассемблера, следует указать операнды (с помощью одного из 12 режимов адресации) и тип данных (байтов, слово или длинное слово). На языке ассемблера фирмы Motorola оператор выглядит следующим образом:

ОПЕРАЦИЯ . размер источник, приемник

Здесь ОПЕРАЦИЯ берется из табл. 11.1, размер есть В, W или L (байт, слово или длинное слово соответственно), а источник и приемник могут представлять регистры, непосредственные константы или ячейки памяти. Ниже приведено несколько примеров с указанием способов адресации.

Таблица 11.1. Набор команд МП 68000/8

Операция · Описание

Арифметические

ABCD Сложение упакованных двоично-десятичных чисел

ADD Сложение

ASL Арифметический сдвиг влево

ASR Арифметический сдвиг вправо

CLR Очистка операнда

DIVS Деление (знаковое)

DIVU Деление (беззнаковое)

EXT Расширение знака

LSL Логический сдвиг влево

LSR Логический сдвиг вправо

MOVE Пересылка

MULS Умножение (знаковое)

MULU Умножение (беззнаковое)

NBCD Отрицание упакованного двоично-десятичного числа

NEG Отрицание

SBCD Вычитание упакованного двоично-десятичного числа

SUB  Вычитание

Логические

AND Логическое И

BCHG Проверка и изменение бита

BCLR Проверка и очистка бита

BSET Проверка и установка бита

BTST Проверка бита

CHK Проверка регистра на границы

CMP Сравнение

EOR Исключающее ИЛИ

EXG Обмен регистров

NOT Побитовое дополнение

OR Логическое ИЛИ

RESET Возбуждение линии RESET

ROL  Циклический сдвиг влево без расширения

ROR Циклический сдвиг вправо без расширения

ROXL Циклический сдвиг влево с расширением

ROXR Циклический сдвиг вправо с расширением

Scc 1) Установить байт по условию

SWAP Обмен половин регистра

TAS Проверка и установка операнда

TST Проверка операнда и установка флагов

Управления

Всс 1) Условный переход

BRA Безусловный переход (относительный)

BSR Переход на подпрограмму (относительный)

DBcc 1) Проверка, декремент и переход

JMP Безусловный переход (7 режимов)

JSR Переход на подпрограмму (7 режимов)

LEA Загрузка эффективного адреса

LINK Подсоединение стека

NOP Холостая команда

PEA Загрузка в стек эффективного адреса

RTE Возврат из исключения

RTR Возврат, восстановление кодов условий

RTS Возврат из подпрограммы

STOP Останов

TRAP Ловушка (векторизованное исключение)

TRAPV Ловушка по переполнению

UNLK  Отсоединение стека

Коды условий ("сс")

СС Перенос сброшен

CS Перенос установлен

EQ Равенство нулю

F Никогда не истина 2)

GE Больше или равно нулю

GT Больше нуля

HI Выше

LE Меньше или равно нулю

LS Ниже или равно

LT Меньше нуля

MI Минус

NE Не равно нулю

PL Плюс

T Всегда истина 2)

VC Переполнение сброшено

VS Переполнение установлено

____

1) См. «Коды условий».

2) Не используется в командах В cс; вместо « ВТ » используйте BRA . 

MOVE .W (непосредственная,

# $FFFF,D0 регистровая)

MOVE .B (А0), (А1) (косвенная, косвенная)

ADD .L D5, (А2) + (прямая, косвенная с постинкрементом)

BTST .B #2$C0000 (непосредственная, абсолютная длинная)

В первом примере устанавливаются в 1 все 16 бит регистра D0 (символ «$» обозначает «шестнадцатиричное», а «#» указывает на «непосредственную» константу); вторая команда копирует байт из ячейки памяти, адрес которой находится в А0, в ячейку памяти, адрес которой находится в А1; третья прибавляет 32-разрядное знаковое целое к 4-байтовому («длинному») целому, которое начинается в памяти с байта, адресуемого через А2, после чего содержимое А2 увеличивается на 4; последняя команда проверяет бит 2 в ячейке памяти С0000Н, устанавливая соответствующим образом флаг нуля Z (для последующей команды условного перехода). Заметьте, что операнды cледуют в порядке — источник, приемник, что противоположно нотации МП 8086.

МП 68000 позволяет использовать почти все режимы адресации и размеры операндов с любой командой («Справочное пособие программиста МП 68000» исчерпывающе описывает все допустимые сочетания; наиболее полезная информация собрана в табл. 11.2). В результате написание изящных и эффективных программ на языке ассемблера оказывается относительно простой задачей. Например, работая с МП 8086 и желая проанализировать состояние флага порта ввода-вывода, вы должны будете сохранить и восстановить содержимое регистра AL и в сумме использовать 5 команд (PUSH, IN, TEST, POP, Jcc). МП 68000 позволяет выполнить ту же операцию с помощью всего двух команд: BTST и Всс; никакие регистры не нужны, потому что бит памяти (и, следовательно, регистры порта) можно проанализировать непосредственно. Более того, «автоинкрементный» режим адресации вроде «(А2) +» дает возможность работать с массивами. Хотя мы еще не описали все режимы адресации и команды, вы вполне сможете выполнить следующее упражнение.

Упражнение 11.1. Скопировать массив длиной $100 байт из таблицы, начинающейся в ячейке $А0000 в таблицу, начинающуюся в ячейке SA8000. При решении этой задачи будет полезна команд WGT метка (переход если больше нуля).

Режимы адресации. В приведенных выше примерах команд операции выполнялись над константами, содержимым регистров и содержимым ячеек памяти (или портов). Архитектура МП 68000 предусматривает богатый набор «режимов адресации» для определения этих операндов. В табл. 11.3 перечислены 12 режимов адресации, которые рассматриваются фирмой Motorola как 14. Вот что они значат:

Регистровая прямая адресация

Синтаксис: Dn (или An)

Пример: MOVE.W D0,D1

Операндом является содержимое указанного регистра

Непосредственная адресация

Синтаксис: #хххх

Пример: MOVE.B #$FF,D0

Операндом является указанная константа

Абсолютная адресация к памяти

Синтаксис: xxxx.W или xxxx.L

Пример: ADD.W D0JB000.W

Адрес операнда указан как непосредственная константа

Косвенная адресация

Синтаксис: (An)

Пример: SUB.W D0, (А0)

Указанный регистр содержит адрес операнда

Косвенная постинкрементная адресация

Синтаксис: (Аn) +

Пример: MOVE.B (А0) +, (А1) +

Аналогична косвенной, но после выполнения операции An инкрементируется на величину размера

Косвенная предекрементная адресация

Синтаксис: — 1Аn)

Пример: MOVE.W D0,-(A7)

An сначала декрементируется на величину размера, затем выполняется косвенная адресация

Косвенная адресация со смещением

Синтаксис: d16(An)

Пример: MOVE.L (А0),100(А0)

Адрес операнда определяется как (An) плюс 16-разрядное знаковое смещение d16

Косвенная индексная адресация со смещением

Синтаксис: d8(An,Xn.W [или. L]) (Хn может быть либо Dn, либо An)

Пример: MOVE.L 100(A0),100(A0,D7)

Адрес операнда определяется как (An) плюс (Хп) плюс 8-разрядное знаковое смещение d8

PC-относительная адресация со смещением

Синтаксис: d16(PC)

Пример: LEA 100(РС), АЗ

Адрес операнда отличается от адреса этой команды на величину 16-разрядного знакового смещения

PC-относительная адресация с индексом и смещением

Синтаксис: d8(PC,Xn.W или. L)

Пример: MOVE.W 100(PC,D0.W),D1

Адрес операнда отличается от адреса этой команды на величину суммы 8-разрядного знакового смещения и содержимого Хn.

Несколько пояснений: в первых двух режимах не адресуется память; адресуются регистры или непосредственные константы (т. е. константы, включенные в поток команд; они могут быть только источниками, но никогда не приемниками). Все остальные режимы служат для адресации памяти. Абсолютная адресация удобна для обращения к портам ввода- вывода или к отдельным ячейкам памяти.

Косвенная (особенно с постинкрементом или предекрементом) хороша для работы с массивами или стеком; кроме того, если адрес уже находится в адресном регистре, такая адресация быстрее абсолютной, так как при выполнении команды адрес (абсолютный) не требуется извлекать из памяти. PC-относительные режимы адресации особенно удобны при написании «позиционно-независимых» программ, поскольку все адреса определяются относительно самих программных строк; заметьте, что 8- и 16-разрядные смещения представляют собой знаковые целочисленные дополнения до 2, позволяя описывать ячейки, отстоящие от точки отсчета на ±127 или ±32767 байт соответственно. Обратите еще внимание на то, что непосредственные или РС-относительные операнды нельзя модифицировать (они «неизменяемы»).

11.03. Представление команд на машинном языке

Как уже упоминалось выше, язык ассемблера, использованный нами в примерах, не является «объектным кодом», фактически выполняемым микропроцессором. Скорее это мнемоническое представление, удобное для написания программ. Последовательность команд языка ассемблера, составляющая программу, должна быть преобразована в последовательность двоичных байт, выполняемых процессором. Как и в случае МП 8086, каждая команда языка ассемблера МП 68000 преобразуется (ассемблируется) в несколько байт машинного кода. Код операции (коп) всегда занимает 2 байт, но в тех случаях, когда требуется определить режимы адресации, к нему могут добавляться дополнительные слова (двухбайтовые). В зависимости от вида операции и режимов адресации команда может иметь длину от 2 до 10 байт. Например, команда

ADD .W (A1) +,D3

ассемблируется в код минимальной длины (2 байта), именно (D6 59)н, причем и номера регистров, и режимы адресации указываются (вместе с кодом операции) в самой 2-байтовой команде. С другой стороны, команда MOVE.W $FFFF,$A0000 ассемблируется в 8-байтовый код, а именно (33 FC FF FF 00 0А 00 00)н, причем в первых двух байтах указываются операция и режимы адресации, в следующих двух байтах — непосредственная константа, а в последних четырех байтах — абсолютный адрес (длинный) приемника.

ЦП, естественно, по самой своей конструкции умеет интерпретировать этот результирующий машинный код. Рассмотрение структуры машинного кода конкретной команды может помочь вам в понимании логики работы ЦП. На рис. 11.2 развернута структура самой употребительной команды МП 68000 MOVE.

Рис. 11.2. Структура команды MOVE .

Пройдемся по ней. Два лидирующих нуля идентифицируют (почти) команду, как операцию MOVE; следующие два бита определяют размер операндов, как это показано на рисунке. Любопытно отметить, что поскольку комбинация бит 00 не используется для описания размера, код 0000ххх…хх не входит число кодов команды MOVE (однако не думайте, что этот код пропадает — фирма Motorola использует его для других команд). Следующие 6 бит описывают режим адресации и регистр (если таковой используется) операнда-приемника, а последние 6 бит заключают ту же информацию об операнде-источнике; на рис. 11.2 показано, как кодируется эта информация. Заметьте, что последние 5 режимов адресации, не использующие регистр, разделяют между собой оставшийся номер режима (111) и различаются «фальшивыми» номерами регистра. Если режим адресации какого-либо из операндов требует дополнительной информации (непосредственные данные, абсолютные адреса, смещения), к коду команды добавляются дополнительные байты, как это показано на рис. 11.2.

Любопытно заметить, что МП 68000 расходует 1/4 х 3/4 = 19 % всех возможных кодов команд на команду MOVE, предоставляя все сочетания режимов адресации и для источника, и для приемника. Фирма Motorola не могла быть столь же расточительной для остальных 50 с лишком команд табл. 11.1, и возможности их адресации пришлось урезать.

К примеру, если использовать фирменное обозначение <еа> для полного набора команд, то можно образовать команды ADD < еа >, Dn или

ADD Dn, <еа>

но не все варианты полного сочетания

ADD <еа>, <еа>

В реальной жизни вы всегда пользуетесь ассемблером (который работает на компьютере или микропроцессорной «системе разработки») для выполнения черной работы по конструированию этих команд. Однако, чтобы убедиться, что мы действительно поняли суть дела, попробуем свои силы в «ручном ассемблировании». Закодируем команду

MOVE .W #$3FFF,(A1) +

Код размера равен 11 (слово); код режима приемника равен 011, а регистра — 001; для приемника код режима равен 111, а «регистра» — 100. Таким образом, код команды составляет

00 11 001 011 111 100, или 32FCH

а полностью команда кодируется как

32 FC 3F FF

Мы не без основания подозреваем, что дальнейшие абстрактные обсуждения системы команд и режимов адресации заставляет вас закрыть эту книгу навсегда. Поэтому давайте рассмотрим прострой пример программирования, после чего перейдем к сигналам магистрали МП 68008. После этого мы сможем выполнить полное проектирование микропроцессорного устройства на базе МП 68008, включая его программное обеспечение.

Иллюстрация команд и режимов адресации МП 68000 дана в программе 11.1, где показаны два способа копирования таблицы из 100Н байт, начинающейся в ячейке $8000, в непосредственно прилегающую область памяти (с адреса $8100).

В первом варианте для пересылки из памяти в память мы использовали косвенную адресацию со смещением (удобное средство, отсутствующее в МП 8086), а также инкремент указателя, декремент счетчика и условный переход. При частоте генератора 10 МГц цикл занимает 6,2 мкс, и вся таблица пересылается за 1,6 мс. Во втором варианте в программу введен второй адресный регистр, указывающий на приемник. В этом случае можно использовать постинкрементную адресацию и отказаться от команды ADDQ, что увеличивает скорость пересылки. Анализ на выход из цикла мы выполняем с помощью более эффективной (но рискованной) команды «декремент и условный переход» DBcc. В результате цикл выполняется почти в два раза быстрее (3,4 мкс на шаг, 0,87 мс на всю пересылку).

Упражнение 11.2. Напишите программу для вычисления суммы 16-разрядных слов в таблице, начинающейся с адреса $10000. Пусть длина таблицы в словах хранится в качестве первого элемента таблицы (он не должен входить в сумму); предположите также, что суммирование не приведет к переполнению.

Упражнение 11.3. Напишите программу для изменения порядка байтов в таблице, имеющей длину $100 байт и начинающуюся с адреса $1000.

Прямолинейный (но медленный) способ решения задачи заключается в изменении порядка байтов в процессе копирования во вспомогательный массив, который затем копируется на место исходного. Более быстрый способ предполагает изменение порядка байтов «на месте» (следите только, чтобы, шагая по таблице, не наступить себе же на ноги). Запрограммируйте оба метода.

11.04. Сигналы магистрали

Если вы усвоили взаимодействие сигналов на магистрали IBM PC, то разобраться с сигналами МП 68008 не составит труда — они схожи. Мы описали их в табл. 11.4 (имеющей тот же формат, что и табл. 10.1) и на рис. 11.3.

Рис. 11.3. Сигналы МП 68008 .

Лучше всего воспользоваться уже испытанной последовательностью изучения и рассмотреть сначала программно-управляемую передачу данных («программно-управляемый ввод-вывод»), затем прерывания и, наконец, ПДП. Это не займет много времени.

Программно-управляемая передача данных. Программно-управляемая передача данных показана на рис. 11.4; мы также изобразили сигналы (CLK и AS'), которые в процессе проектирования схемы обычно можно игнорировать.

Рис. 11.4. Циклы чтения/записи МП 68008 (8 МГц, без состояний ожидания).

В МП 68008 используется один сигнал, стробирующий данные (DS'), а также линия направления чтения-записи (R/W) в отличие от IBM PC, где предусмотрены два стробирующих сигнала (IOR', IOW'). В цикле записи ЦП переводит сигнал R/W в низкое состояние, устанавливает адрес и данные и, выждав некоторое время, переводит в низкое состояние сигнал DS'. Приемник (память или устройство ввода-вывода) фиксирует данные, которые (в отличие от IBM PC) гарантированно установлены еще перед фронтом сигнала DS', и подтверждает прием, устанавливая в низкое состояние сигнал DTACK'. ЦП завершает цикл, снимая сигнал DS' и затем (выждав некоторое время на случай использования приемником Прозрачных фиксаторов) снимает адрес и данные. Таким образом, достоверность данных гарантируется в течение DS' плюс короткие интервалы до и после сигнала. Цикл чтения отличается лишь тем, что ЦП поддерживает линию R/W' в высоком состоянии (указывая тем самым, что выполняется чтение) и, к тому же, устанавливает сигнал DS' на один такт раньше, чтобы дать возможность источнику данных отозваться на требование данных. Данные должны быть установлены до окончания сигнала DS'; детали взаимодействия показаны на рис. 11.4.

Действие сигнала DTACK' требует дальнейшего обсуждения. Шина МП 68008 является асинхронной (см. разд. 10.14): установив сигнал DS', ЦП, перед тем, как завершить цикл, ожидает от адресуемого устройства сигнала подтверждения DTACK' (через проводное ИЛИ). Если сигнал DTACK' поступает перед концом такта S4, состояния ожидания не включаются в протокол, и последовательность сигналов выглядит точно так, как показано на рис. 11.4; если же DTACK' задерживается, ЦП удерживает все свои выходные сигналы в стабильном состоянии (включая в протокол магистрали после такта S4 «состояния ожидания») до появления сигнала DTACK', после чего завершает цикл тактами S5-S7. Состояния ожидания требуются только при работе с очень медленными устройствами, поэтому адресуемое устройство должно устанавливать сигнал DTACK' сразу же после распознания им на шине своего адреса (устройство может установить DTACK' по результатам декодирования адреса или образовав логическое И из сигнала декодирования и полученного им из ЦП сигнала AS', который указывает на достоверность адреса). Вообще говоря, если все устройства, подключенные к шине, являются быстрыми, вы можете, с известной долей риска, постоянно удерживать линию DTACK' в низком состоянии и полностью избавиться от состояний ожидания; эта методика отразилась в названии журнала, посвященного высокопроизводительным приложениям семейства МП 68000: «DTACK' заземлен».

Все это выглядит несколько запутанно, но в действительности сопряжение с МП 68008 выполняется очень просто. На рис. 11.5 изображен простейший порт ввода-вывода.

Рис. 11.5. Параллельный порт ввода-вывода, а — базовая схема; б — схема с реально существующими вентилями;  в — реализация на основе ПЛМ.

Адресные сигналы декодируются и после поступления сигналов DS' и R/W' образуют сигналы, используемые для стробирования D-триггеров выходного регистра (для записи) и разрешения тристабильных выводов входного регистра (для чтения). Сигнал DTACK' устанавливается сразу после расшифровки адреса (если адресуется данный порт), поскольку для столь быстрых устройств, какими являются 8-разрядные регистры, состояния ожидания не требуются; мы использовали обычный прием преобразования драйвера с тремя состояниями в драйвер с открытым коллектором. Заметьте, что для стробирования D-триггеров мы использовали срез сигнала DS'; это сделано из-за того, что фронт сигнала DS' может отстоять от момента установки достоверных данных всего лишь на 35 нс (см. рис. 11.4), что опасно близко к времени упреждения многих 8-разрядных регистров (например, семейства LS и НСТ имеют минимальное время упреждения 20 нc). Так, если на шине данных используются шинные буферы (например, 8-разрядные двунаправленные буферы `245), то дополнительная задержка данных относительно сигнала DS' может привести к тому, что триггеры схемы `574 не успеют установиться. Используя срез сигнала, мы выигрываем дополнительные 140 мкc для увеличения времени упреждения. (При желании можно было использовать прозрачные фиксаторы, например `573, которые фиксируют данные по срезу сигналы фиксации; для таких фиксаторов характерное минимальное значение времени упреждения, как и времени удержания, составляет около 15 нc.)

Варианты схем, приведенные на рис. 11.5, учитывают практические детали. Оказывается, в большинстве логических семейств отсутствуют 3-входовые вентили ИЛИ! Одним из возможных решений является использование 2-входовых вентилей, как показано на рис. 11.5. Более современный способ - поместить всю вентильную логику в комбинационную ПЛМ; помимо уменьшения числа микросхем, это дает вам возможность, используя высокую плотность вентилей в ПЛМ, генерировать с помощью одной микросхемы стробирующие и разрешающие сигналы для дополнительных периферийных портов.

Одна незначительная деталь приведенного примера предвосхитила материал следующего раздела. В процессе обработки прерывания (см. ниже) МП 68008 выполняет цикл подтверждения прерывания, выглядящий, как цикл чтения самого верха памяти (линии А4-А19 установлены в 1). Если в этой области адресного пространства вы располагаете память или какие-то регистры, их надо заблокировать на время цикла прерывания, идентифицируемого по состоянию битов FC0-2 «функционального кода». Все это поясняется в следующем разделе.

Прерывания. В МП 68008 реализуются и автовекторизуемые, и полностью векторизуемые (с подтверждением) прерывания (если вы забыли, что это такое, см. разд. 10.11), для чего используется вторая группа сигналов шины из табл. 11.4. В обоих случаях вы запрашиваете прерывание, устанавливая на двух линиях приоритетного запроса (IPL') некоторую комбинацию низких уровней. Две линии определяют три уровня прерываний (четвертое состояние - на обеих линиях высокий потенциал - соответствует отсутствию прерывания). Эти линии схожи с линиями IRQ магистрали IBM PC, но поскольку они чувствительны к уровню, к каждому уровню прерываний можно подключить несколько прерывающих устройств, (Полезно заметить, что МП 68000, а также некоторые варианты МП 68008 имеют 3 линии IPL', что позволяет определить 7 уровней прерываний.)

ЦП, обнаружив запрос прерывания (по крайней мере одна линия в низком состоянии), выполняет цикл подтверждения (рис. 11.6), в течение которого идентифицируется источник прерываний.

Рис. 11.6. Цикл подтверждения прерывания.

ЦП устанавливает на линиях А1-А3 значение уровня прерывания, а на линиях А4-А19 высокий уровень; все линии функционального кода FC0-2 устанавливаются в высокое состояние. Затем ЦП выполняет цикл чтения (устанавливая сигнал R/W' в высокое состояние). Теперь ваши внешние цепи определяют вид цикла подтверждения: автовекторизуемое (переход в соответствии с уровнем IPL') или с подтверждением (переход в соответствии с вектором, установленным прерывающим устройством на линиях D0-D7). Более просто реализуется автовекторизуемое прерывание (рис. 11.7).

Рис. 11.7. Автовекторизуемое прерывание.

Внешняя цепь обнаруживает цикл подтверждения по сигналам FC0-2 и одновременно с AS' устанавливает входной сигнал VPA'. После этого ЦП осуществляет переход на программу обслуживания, соответствующую уровню IPL прерывания. Для перехода используются векторы (т. е. 32-разрядные адреса программ обслуживания), расположенные по абсолютным адресам $68, $74 или $7C. Если число прерывающих устройств не превышает трех, автовекторизация весьма удобна. Собственно говоря, устройств может быть и больше, но вам придется опрашивать регистры состояния всех «подозрительных» устройств (т. е. устройств, подключенных к обслуживаемому уровню прерываний), чтобы найти виновника. И лишь в случае, когда у вам много потенциальных источников прерываний (маловероятная ситуация в небольшом устройстве на базе МП 68008), и к тому же требуется обеспечить минимальные временные задержки, целесообразно обратиться к схеме прерываний с подтверждением.

Полностью векторизируемые прерывания реализуются следующим образом. Прежде всего оставьте сигнал VPA' на входе ЦП в сброшенном состоянии (высокий уровень). Организуйте схему таким образом, чтобы каждое устройство, работающее в режиме прерываний, выставляло бы свой вектор на линии данных в ответ на цикл чтения ЦП, выполняемый при установленных в высокое состояние сигналах FC0-2 и при уровне IPL (считываемом с линией А1-3), совпадающем с уровнем запроса устройства. При этом схема должна обеспечить выдачу вектора только одним прерывающим устройством, даже если несколько устройств одновременно выставили запросы на прерывание. Этого можно добиться, используя сигнал приоритета прерывания INPT, проходящий последовательно через все устройства, образующие, таким образом, приоритетную цепочку, как это было описано в разд. 10.11; тем самым гарантируется, что подтверждение прерывания выполняется только устройством (соответствующего уровня IPL), которое электрически расположено ближе других к ЦП, даже если запросы на прерывание поступают от нескольких устройств одного уровня IPL.

Другой, более элегантный метод показан на рис. 11.8.

Рис. 11.8. Полновекторизованное прерывание.

Здесь нет необходимости использовать неуклюжую цепочечную структуру, которая заменяется линиями запроса от каждого устройства. Состояния этих линий фиксируются в начале каждого цикла магистрали (фронтом сигнала AS) и поступают в дешифратор приоритета (который генерирует двоичный адрес возбужденного входа с максимальным номером, см. разд. 8.14). Кроме этого, дешифратор генерирует выходной сигнал (GS'), если возбуждается любой из входов; этот сигнал используется для инициации прерывания ЦП. Для простоты мы поместили прерывания от всех устройств на один уровень IPL. ЦП отзывается на прерывание, сохраняя в стеке адрес возврата, после чего инициирует цикл подтверждения (рис. 11.6). В течение цикла подтверждения наша схема устанавливает вектор (образованный в схеме приоритетного отбора), а также сигнал DTACK'. После этого ЦП выполняет векторный переход на соответствующий обработчик.

Рассмотренная схема проста в реализации, и для семейства МП 68000 она работает быстрее, чем схема автовекторизации. Далее, относительно просто достигается увеличение числа прерывающих устройств степенями 8 при использовании дополнительных микросхем `574 и `148. От каждого периферийного устройства требуется выделенная линия (не одна линия шины); хотя при этом нарушается симметрия шины данных, такой способ предпочтительнее приоритетной цепочки, которая совершенно перестает работать, если забыть надеть перемычки на неиспользуемые разъемы. Фактически в новых компьютерных магистралях (например, магистраль NuBus машины Macintosh II) все чаще используются линии прерываний, разведенные по разъемам.

Отметим любопытную (и немаловажную) деталь в приведенной схеме. Вам может показаться странным, что индивидуальные запросы прерываний, генерируемые в устройствах с помощью фиксируемых бит (см., например, рис. 10.12), повторно фиксируются в схеме — 574. Причина этого носит тонкий характер. Прерывающие устройства, как правило, являются асинхронными по отношению к тактовым сигналам ЦП, и могут генерировать прерывания в любое время. Если второе периферийное устройство пошлет запрос прерывания в тот момент, когда ЦП считывает вектор первого прерывающего устройства, а фиксаторы в схеме обработки прерываний отсутствуют, установленный на шине вектор изменится «на полдороги» (в течение цикла подтверждения прерывания и получения вектора), что приведет к непредсказуемым результатам. Вы можете возразить, что такая ситуация маловероятна, и будете правы; однако она может возникнуть и вы даже можете оценить вероятность ее появления. Откладывая момент принятия решения о «намерении прервать» на начало каждого цикла шины, мы устраняем отмеченную проблему (вообще говоря, из-за явления «метастабильности» незначительная вероятность ошибки остается; если вам не хватает поводов для беспокойства, см. разд. 8.17).

Упражнение 11. 4. Пусть мы рискнули отказаться от фиксирующего регистра `574 в установке, содержащей два асинхронных устройства, посылающих сигналы прерываний со скоростью 1000 прерываний в секунду каждое. Предположим, что цикл получения вектора имеет критическое временное окно в 1 нc, в течение которого смена установленного вектора приведет к чтению неправильного вектора (т. е. ЦП прочитает номер вектора, отличный от обоих установленных векторов). Оцените, сколь часто ЦП, осуществляя векторный переход, будет попадать пальцем в небо (с аварией системы).

Еще одно замечание по поводу нашей схемы. В процессорах серии 68000 предусмотрена команда HALT, которая прекращает все процессы на шине, но не исключает повторного пуска системы с помощью прерывания (а также, естественно, полной перезагрузки). К сожалению, наша схема не предусматривает повторный пуск по прерыванию (почему?). Таким образом, вы должны либо обойтись без команды HALT, либо использовать какой-то другой сигнал (возможно, производный от сигнала CLK) для фиксации запросов прерываний.

В МП 68000 предусмотрена возможность установки 192 различающихся векторов прерываний с номерами от 40Н до FFH; соответствующие адреса переходов (т. е. адреса соответствующих сервисных программ) хранятся в ячейках памяти 100H-3FFH.

Прямой доступ к памяти. В системах на базе МП 68000 прямой доступ не реализуется установленным на плате контроллером ПДП с адресными счетчиками и проч., как это имеет место в системах с магистралью PC. Напротив, МП 68000 полностью освобождает шину, передавая ее новому ведущему; новый ведущий шины (которым может быть как другой МП 68000, так и простенький периферийный интерфейс) может затем выполнять любые действия, включая (но не ограничиваясь ими) классические функции ПДП пересылки данных в память или из нее.

Чтобы сделаться ведущим шины, любое устройство может выдать «Запрос шины», установив на линии BR' (через проводное ИЛИ) низкий уровень. ЦП очень серьезно относится к этой процедуре, во мгновение ока (?) устанавливая на линии «шина предоставлена» BG' низкий уровень. ЦП также прекращает контролировать состояние всех линий шины (кроме BG'), включая адрес, стробы и другие управляющие линии, помеченные индексом 2) в табл. 11.4. Теперь внешнее устройство контролирует шину, и это состояние длится до снятия сигнала BR', после чего ЦП возвращает себе роль ведущего. Внешний ведущий обязан управлять шиной по тем же правилам, которым следует ЦП, чтобы не сбивалась работа остальных устройств, подключенных к шине. Собственно, они даже и не узнают, что произошло что-то необычное, если только не посмотрят на состояние линий BR'/BG'.

Если ведущими шины пытаются стать несколько устройств, они должны как-то разобраться между собой (выполнить арбитраж). Заметьте, что ЦП контролирует состояние линии BG', тем самым в какой-то мере управляя всем процессом.

Остальные сигналы магистрали. Ниже дано описание остальных сигналов, перечисленных в табл. 11.4.

CLK. Это вход для сигналов тактового генератора (см. рис. 11.3 и 11.4). Мы рекомендуем использовать какой-либо из недорогих кварцевых генераторов в DIP-корпусе, выпускаемых компаниями CTS, Dale, Motorola, Statec или Vectron. МП 68008 лучше работает с тактовыми сигналами симметричной формы, которые легко получить с помощью триггера, подключенного к выходу генератора. Максимальная допустимая частота обычно указывается в обозначении микропроцессора (и памяти тоже): последние варианты МП 68008 работают до частоты 10 МГц (МС 68008Р10). Двухбайтовые команды обычно выполняются за четыре периода тактовых импульсов (как на рис. 11.4), однако команды с более сложными способами адресации должны несколько раз обращаться к памяти, что может потребовать до 70 тактов или около того.

BERR. Вы устанавливаете этот входной сигнал, чтобы сообщить ЦП, что произошел сбой в работе шины. Например, если никто не установит сигнал DTACK' в ответ на строб данных, ЦП будет ждать его вечно; это может произойти, если программа обращается к несуществующей памяти. Установка сигнала BERR' вызывает переход (напоминающий переход при прерывании и называемый «исключением») на программу обработчика. Ниже на рис. 11.10 будет показана простая схемная реализация сигнала BERR.

RESET' и HALT'. Эти сигнальные линии необычны в этом отношении, что служат и как входы (для сброса или останова процессора), и как выходы (с помощью которых ЦП может инициализировать систему). Взгляните снова на рис. 11.10, где показан простой способ использования этих линий.

Е (разрешение). Может показаться, что этот выходной сигнал имеет большое значение, однако это не так. Сигнал Е (в комбинации с VPA' ) облегчает подключение к МП 68008 старых периферийных микросхем серии 6800 (разработанных для синхронного относительно медленного 8-разрядного микропроцессора 6800). В других случаях сигнал Е можно игнорировать.

 

Пример законченной разработки: аналоговый усреднитель сигналов

В последующих разделах мы займемся проектированием законченного прибора на базе МП 68008 — аналогового «усреднителя сигналов» (вопросы усреднения будут обсуждаться в разд. 15.13). Прибор будет включать в себя ЦП с соответствующими электронными схемами для получения сигналов DTACK, BERR и других, память (ОЗУ и ПЗУ) и много разных интерфейсов: микропереключатели в DIP-корпусе, матрица электролюминисцентных диодов (ЭЛД), последовательный и параллельный порты, календарь-часы/таймер, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП), а также твердотельное реле для переключения цепей переменного тока. Как видите, мы задумали включить в наш прибор всего понемногу, чтобы получить микропроцессорный модуль общего назначения, перенастройка которого осуществляется сменой управляющей программы.

Мы пройдем с вами процедуру аппаратного проектирования, остановившись на критериях выбора элементов и разработки схемы. Вы научитесь выбирать и подключать память и периферийные устройства и разумным образом распределять адресное пространство. Закончив аппаратное проектирование, мы займемся программным обеспечением и напишем несколько программных «модулей» (блоков) для управления выбранными процессами. Мы, однако, не будем утомлять вас детальным рассмотрением всех программных строк, поскольку программные комплексы, подобные нашему, содержат много не очень интересных (хотя и необходимых) программ, вроде программы ввода с клавиатуры установочных команд. Наконец, мы проанализируем эффективность получившегося прибора — гибкость, обусловленную применением микропроцессора, и накладываемые им ограничения скоростных характеристик.

11.05. Разработка схемы

Структурная схема. На рис. 11.9 изображена структурная, на рис. 11.10 — электрическая схемы микропроцессорного прибора.

Рис. 11.9. Структурная схема прибора общего назначения на базе микропроцессора.

Рис. 11.10. Электрическая схема прибора общего назначения на базе микропроцессора.

Рассмотрим сначала структурную схему, на которой показаны устройства, подключенные к магистрали. Если анализировать эту схему с позиции микроЭВМ, то сразу бросается в глаза «перекошенность» памяти: объем ПЗУ в 4 раза превышает объем ОЗУ. Однако в микропроцессорном приборе конкретного назначения все программы и таблицы размещаются не в ОЗУ, а в ПЗУ, а ОЗУ используется только для буферизации данных и хранения временных результатов вычислений. К тому же производители программируемых ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (РПЗУ) по мере повышения качества технологии прекращают выпуск ПЗУ малого объема; сейчас трудно найти РПЗУ с емкостью, меньшей 8Кx8 бит. Так или иначе, на схеме показана память минимально возможного объема (по одной микросхеме ПЗУ и ОЗУ); при необходимости память можно расширить.

Следующее устройство на магистрали-календарь-часы. Календарь-часы??!! Что это, просто излишняя роскошь для тех, кому лень посмотреть на собственные часы при включении прибора? Напротив, календарь-часы — существенный элемент любого прибора, выполняющего периодические измерения, или фиксирующего моменты поступления данных, или управляющего любыми другими процессами, протекающими во времени. Календарь-часы можно запрограммировать, чтобы они вызывали периодические прерывания с частотой от 100 прерываний в секунду до одного за день; можно использовать их и как будильник (конечно, без звонка; вместо звонка возникает прерывание), устанавливаемый на любой момент хотя и в следующем веке. В нашем усреднителе сигналов мы воспользуемся таймерами параллельного порта 8536, но и календарь иметь под рукой полезно.

Микросхема 8530 последовательного порта представляет собой высокопроизводительный двухканальный УСАПП (универсальный синхронно-асинхронный приемно-передатчик, см. разд. 10.19), в комплекте с парой задающих генераторов. Это очень приличная микросхема, не только знакомая со всеми хитростями обычного асинхронного интерфейса RS-232, но и обеспечивающая полный синхронный протокол "SDLC/HDLC", включающий контроль ошибок, восстановление после тайм-аута, синхронизацию кадров и т. д.; возможно слишком жирно для нашей задачи, но, в конце концов, какого черта! Микросхема 8536 является одновременно таймером и параллельным портом; ее сделали отличные ребята из фирмы Zilog, и она тоже не слабак: возможностей у нее тьма-тьмущая. Например, каждую из ее 20 линий можно запрограммировать на вход или на выход, как на прямой, так и на инверсный; каждый выход может быть с открытым стоком или с двумя состояниями, в то время как каждый вход может работать в нормальном режиме или с «запоминанием 1» (кратковременный положительный импульс устанавливает входной регистр).

Описание режимов, кажется, не имеет конца (оно занимает 26 страниц) и поражает неисчислимыми возможностями. Посмотрим теперь на верхний ряд устройств. Матрица ЭЛД представляет собой просто линейку из 8 диодов, предназначенных для индикации работы прибора; эти диоды могут оказать также существенную помощь при отладке, когда остальные средства оказываются бессильны. К одному из выходов, питающих ЭЛД, мы подключили твердотельное реле, с помощью которого можно управлять каким-то сильноточным устройством. Например, для стабилизации температуры в ванне можно подавать сигнал, характеризующий температуру, на вход АЦП, а с помощью реле переменного тока включать нагреватель. Мы еще предоставим вам возможность проявить свою смекалку в этой области при выполнении упражнений. Микропереключатель в DIP-корпусе является обычным 8-контактным переключателем, полезным для ввода в прибор настроечной информации; с его помощью можно, например, указать, какой последовательный порт (и на какой частоте) используется ЦП после включения питания. Наконец, мы подключили к магистрали по паре аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, чтобы прибор мог функционировать в мире аналоговых сигналов.

Детали схемы. Теперь начнется самое интересное. Рассмотрим электрическую схему прибора (рис. 11.10).

ЦП CLK. для работы МП 68008 требуются тактовые сигналы (CLK) прямоугольной формы (перепады логических уровней) в диапазоне от 2 до 10 МГц. Верхний предел определяется скоростью срабатывания внутренних вентилей и регистров; в настоящее время можно встретить экземпляры МП 68008 с максимальной тактовой частотой 8, 10 или 12,5 МГц. Нижний предел определяется тем обстоятельством, что в ЦП используются динамические регистры, требующие периодической регенерации, поскольку данные в них сохраняются не в триггерах, а в заряженных конденсаторах. Скорость вычислений пропорциональна тактовой частоте, поэтому естественно желание всемерно повысить тактовую частоту. Это, однако, сопряжено с некоторыми недостатками: а) более жесткие требования к временной синхронизации памяти и периферийных устройств, б) большая стоимость и в) большая рассеиваемая мощность, особенно для маломощных КМОП-процессоров и периферийных устройств. Обычно потребляемая мощность не имеет большого значения, за исключением случая батарейного питания; см. гл. 14. Мы остановились на тактовой частоте 8 МГц, так как это дает возможность использовать ту же тактовую серию (деленную на два) для микросхемы последовательного порта; в противном случае для работы УСАПП потребовался бы отдельный генератор, или пришлось бы ограничиться низкими скоростями передачи.

RESET, прерывания, стробирующие сигналы. Для того чтобы выполнить начальную загрузку МП 68008, следует установить сигналы RESET' и HALT' (обе линии двунаправленные; надо использовать схему с открытым коллектором с принудительной установкой верхнего уровня). Мы применили простую схему автозагрузки, состоящую из RC-цепи, триггера Шмитта и кнопки. Обратите внимание на диод, служащий для быстрого разряда в случае коротких выбросов напряжения питания; более совершенная схема сброса при включении питания должна использовать цепь «микропроцессорного контроля» вроде МАХ692, дающую хорошо сформированный сигнал сброса. Линия, обозначенная нами MR', переводится в высокое состояние и при начальной загрузке, и (на время 128 тактов) при выполнении ЦП команды RESET; линия INIT' переводится в высокое состояние только при загрузке.

В этой простой системы мы остановились на автовекторизуемых прерываниях; логическое И сигналов FC0 и FC1 указывает на выполнение цикла подтверждения прерывания, в течение которого мы обязаны установить сигнал VPA' одновременно со стробом адреса AS'. Мы также используем наш сигнал INTA' для запрещения нормального декодирования ввода-вывода (см. ниже). В МП 68008 предусмотрены три уровня автовекторизуемых прерываний. К нижнему уровню (IPL1) мы подключили через проводное ИЛИ «медленные» прерывания от последовательного порта и календаря; прерывания от чувствительного к задержкам таймера (называемого "СIO"-микросхемой) реализуются на следующем уровне (IPL0/2). Самый верхний уровень «немаскируемых» прерываний (установлены обе линии IPL) зарезервирован для прерывания от кнопки (немаскируемое прерывание NMI), так что вы всегда можете вывести плату из состояния зависания в процессе отладки программы.

Для образования пары стробирующих сигналов (RD', WR') мы использовали несколько вентилей. Эти сигналы будут полезны для некоторых "Intel-совместимых" периферийных устройств, для которых требуются отдельные строб-сигналы.

DTACK', BERR' и медленные периферийные устройства. Наконец, мы использовали сдвиговый регистр с параллельным выводом (`164) в качестве машины состояния для генерации последовательности нескольких требуемых сигналов. Сдвиговый регистр удерживается в исходном состоянии до установки ЦП сигнала AS', который указывает на начало цикла шины (см. рис. 11.4). После этого единицы начинают продвигаться вниз по регистру, на один шаг на каждый нарастающий фронт тактовой серии. Выход Q 0 позволяет генерировать задержанный сигнал RD' (DELRD'), который используется обоими неповоротливыми устройствами (SCC и СIO), как это будет объяснено позже. Некоторые устройства ввода-вывода работают медленно и требуют состояний ожидания; выход Q 2 сдвигового регистра позволяет сформировать задержанный сигнал DTACK и реализовать два состояния ожидания для всех портов ввода-вывода (при нашей раскладке адресов весь ввода-вывод отображается на память выше адреса $80000, т. е. при установленном сигнале А19), и отсутствие состояний ожидания для памяти (сигнал А19 не установлен). Если, однако, 1 дойдет до конца сдвигового регистра, возникнут неприятности, поскольку любые циклы магистрали завершаются (со сбросом сигнала AS) задолго до этого. Поэтому последний выход (Q 7 ) использован для установки сигнала BERR, который приводит к векторизованному переходу (через ячейку 08), что предотвращает зависание ЦП. Такой сигнал «тайм-аута» магистрали особенно важен в ЭВМ общего назначения, где в противном случае обращение ЦП к несуществующему периферийному устройству приведет к аварии машины.

Память. Получив сигнал начальной загрузки (установка RESET и HALT), МП 68008 обращается к началу памяти с целью извлечения двух важных адресов: 32-разрядного стартового адреса, хранящегося в байтах памяти $04-$07, и начального значения указателя стека, располагающегося в байтах $00-$03. Прочитав эти адреса, МП инициализирует указатель стека, после чего осуществляет переход по стартовому адресу.

Поскольку эти ячейки в начале памяти считываются ЦП еще до загрузки какой-либо программы, эта область памяти должна быть энергонезависимой, т. е. ее содержимое должно сохраняться при полном отключении питания. Естественно использовать здесь РПЗУ (репрограммируемое постоянное запоминающее устройство, см. разд. 11.12), недорогое ПЗУ с байтовой организацией, стираемое ультрафиолетовым облучением. Эти ПЗУ легко распознать по небольшому стеклянному (собственно, кварцевому) окошку, расположенному «на спине» каждой микросхемы. Стирание РПЗУ требует полчаса, а запись-около минуты. Такие ПЗУ могут иметь емкость до мегабита, и данные сохраняются в них дольше, чем будет жить конструируемый вами прибор. Единственный недостаток размещения ПЗУ в начале памяти заключается в том, что там же располагаются разнообразные векторы (прерываний, ошибок шины и других «исключений»), содержимое которых хотелось бы изменять программно.

Решение проблемы может заключаться в использовании варианта РПЗУ, называемого ЭРПЗУ (электрически стираемое репрограммируемое постоянное запоминающее устройство). Можно также организовать двухступенчатый процесс: в ПЗУ постоянно хранятся векторы, указывающие на таблицу переходов в обычной памяти (ОЗУ, см. ниже). Есть, однако, более изящный способ. Вы конструируете схему таким образом, что при загрузке в начале памяти оказывается ПЗУ, но позже оно заменяется (под управлением программы) на обычную память с возможностью записи в нее, т. е. ОЗУ. Посмотрим снова на рис. 11.10. Мы использовали РПЗУ 27256, микросхему с организацией 32Кx8, имеющую, по нынешним стандартам, умеренную емкость. У нее есть 15 адресных входов, 8 трехстабильных выходов данных, вход выбора микросхемы (CS') и вход разрешения выхода (OE'). Каждый адресуемый байт (записанный в микросхему заранее в помощью программатора и более неизменяемый) поступает на линии данных только если установлены оба входа разрешения. Обычно вход CS' устанавливается как можно раньше сигналом с дешифратора адреса, а вход ОЕ стробируется сигналом чтения. В нашем случае память (ПЗУ или ОЗУ) активизируется только если сброшен сигнал А19; другими словами, память располагается в младшей половине адресного пространства. Кроме того, чтение ПЗУ разрешается только если а) установлен сигнал А18 или б) установлен бит BOOT (устанавливается при включении, сбрасывается программой). ОЗУ также располагается в нижней половине адресного пространства, но активизируется только если чтение ПЗУ запрещено. Таким образом, когда выполняется начальная загрузка, триггер BOOT установлен, и в адресном пространстве $0000-$7FFF временно располагается ПЗУ; ОЗУ как бы не существует. Обращение к ПЗУ осуществляется также и в области его «постоянного проживания», по адресам $40000-$47FFF.

Первые 8 байт ПЗУ остроумно запрограммированы так, что осуществляется переход на продолжение программы начальной загрузки, но уже в старшем адресном пространстве, где (среди прочего) очищается порт ЭЛД (адрес $86000). Запись в порт ЭЛД имеет побочный эффект сброса триггера BOOT, в результате чего временный образ ПЗУ в начале адресного пространства замещается образом ОЗУ. Для пояснения сказанного, ниже приведено содержимое первых 24 байт ПЗУ, реализующих описанную процедуру:

Заметьте, что две последние команды выполняются по адресам $40008 и $40010 соответственно благодаря стартовому адресу, извлеченному из ячейки $0004. Подключение микросхемы ОЗУ 8Кx8 осуществляется очень просто. ОЗУ воспринимает младшие 13 бит адреса (8К) и активизируется, когда сигнал А19 снят и ПЗУ отключено. Стробирующие сигналы RD' и WR' подключены ко входам разрешения выхода (OE') и разрешения записи (WE') соответственно. Будем пока считать, что схема декодирования, обозначенная на рис. 11.10 пунктиром, отсутствует. Тогда ОЗУ располагается в самом низу адресного пространства, за исключением момента начальной загрузки, когда оно замещается временным образом ПЗУ.

Однако наша схема декодирования адресов работает странным образом. Взглянем внимательно на ОЗУ. Мы игнорировали биты адреса А13-П17! В результате байт памяти с адресом, например $0000, имеет много двойников — его можно найти по адресам $2000, $4000 и вообще по любому адресу, имеющему нули в разрядах А0-А12 и А18-А19. Байт имеет множественное представление в адресном пространстве. Чтобы устранить эту неоднозначность, можно было более узко квалифицировать сигнал CS', разрешающий работу ПЗУ, обусловив нулевое состояние бит А13-А17, но в этом нет особого смысла. Хотя наличие «призраков» памяти по всему адресному пространству может показаться свидетельством небрежности, но вреда в этом нет, и к тому же экономятся вентили. То же происходит с ПЗУ (а также и с вводом-выводом). На рис. 11.11 показана карта памяти нашего прибора, где описанные повторения обозначены явным образом.

Рис. 11.11. Карта памяти.

Разумеется, если вы захотите установить в системе дополнительную память, вам придется привлечь дополнительные адресные линии. На рис. 11.10 показано, как это можно сделать — просто подключите дешифратор 1 из 4 (`139) к двум следующим адресным линиям, активизируя его нашим сигналом разрешения ПЗУ, и без всяких хлопот вы можете добавить три блока ОЗУ. Дальнейшее расширение памяти осуществляется аналогично.

Упражнение 11.5. С помощью дешифратора 1 из 8 (`138) подключите к системе 8 блоков памяти 8Кx8.

Упражнение 11.6. Модифицируйте схему с целью подключения ОЗУ емкостью 32Кx8.

Упражнение 11.7. Теперь измените схему так, чтобы в ней работали два блока ПЗУ емкостью 64Кx8 (27512).

Упражнение 11.8. Для каждого из предыдущих упражнений нарисуйте карту памяти.

Синхронизация памяти. Перед тем, как приступать к рассмотрению ввода-вывода, полезно обратиться к вопросу синхронизации памяти. Ранее отмечалось, что наша схема генерации сигнала DTACK не создавала состояний ожидания при обращении к памяти. Это очень хорошо, но лишь в том случае, когда память обладает достаточным быстродействием, чтобы удовлетворить временным ограничением циклов чтения и записи на рис. 11.4. Но так ли это в действительности? Чтобы получить ответ на этот вопрос, надо начать с временной диаграммы МП 68008, затем вычесть наихудшие значения задержек «склеивающих» схем и посмотреть, сколько времени остается на реакцию памяти. Давайте проделаем это.

На рис. 11.12 изображен цикл чтения, для которого синхронизация обычно имеет большее значение.

Рис. 11.12. Временные соотношения цикла чтения из памяти (статическое ОЗУ, 150 нc).

Мы начали с временных характеристик ЦП для микросхемы в тактовой частотой 8 МГц, поскольку для нашей схемы мы выбрали именно эту частоту. Наиболее важным является временной интервал между правильным адресом ЦП и правильными данными памяти, так как этот интервал определяет максимально допустимое значение «времени доступа к адресу» со стороны памяти. В этом случае ЦП устанавливает правильный адрес по меньшей мере за 290 нc перед установкой правильных данных; соответствующее значение для DS' составляет 237 нc. Наша схема образования сигнала CS' для ОЗУ включает два каскада вентилей. При использовании микросхем 74НСТ02 и 74НСТ00 максимальные задержки составят 28 нc и 25 нc, что дает примерное значение 53 нc. В этом случае для времени доступа со стороны памяти (относительно фронта CS') остается 290 нc — 53 нc = 237 нc. С помощью аналогичных рассуждений (предположив, что сигнал RD' генерируется одной микросхемой 74НСТ32) получаем, что память должна выставить данные не позже 203 нc после установки ОЕ'. На рис. 11.12 также показаны наихудшие временные соотношения для самой медленной (150 нc) статической памяти (ОЗУ) с организацией 8Кx8: время доступа от фронта адреса 150 нc, от фронта CS' 150 нc и от фронта ОЕ' 60 нc. Поскольку для нашей схемы допустимы значения 290 нc, 237 нc и 203 нc, соответственно, мы имеем для наиболее критичной ситуации (время доступа от CS') запас почти 100 нc.

Мы не будем останавливаться на аналогичных рассуждениях для цикла записи, который в этом отношении является еще менее критичным. Очевидно, что с ОЗУ не возникает трудностей синхронизации, даже при использовании самой медленной памяти и при отсутствии состояний ожидания ЦП.

К сожалению, того же нельзя сказать про ПЗУ, которые обычно оказываются медленнее ОЗУ. Например, выпускаемые РПЗУ 32Кx8 характеризуются стандартными значениями времени (от адреса до данных или от CS' до данных) 150 нc, 200 нс и 250 нc. Приведенные выше выкладки сохраняют свое значение, но надо увеличить задержку CS' на 6 нс, так как изменяется логика образования этого сигнала. В результате только два более быстрых варианта РПЗУ удовлетворяют условию максимальной задержки 231 не от CS' до данных и могут использоваться в нашей схеме при отсутствии состояний ожидания. Вместо того, чтобы отбирать быстрые ПЗУ, можно было поставить более быструю «склеивающую» логику, например, 74АСТ или 74F; это дало бы возможность использовать ПЗУ с временем 250 нс. В действительности эти ПЗУ скорее всего будут работать в нашей схеме при любой логике, поскольку вычисления, выполненные на основе предельных временных характеристик, обычно дают результаты с большим запасом. Предельные значения достигаются при наихудшем сочетании температуры, напряжения питания, емкостной нагрузки и качества конкретной микросхемы; наши наихудшие условия предполагали значение напряжения питания 4,5 В, температурный диапазон от —40 °C до +85 °C, и неестественно высокую емкостную нагрузку 50 пФ. Если, однако, вы хотите быть уверенным в надежной работе аппаратуры, особенно в случае выпуска крупных серий приборов, следует вести расчеты по предельным значениям.

Периферийные цепи. В нашем приборе предусмотрено 9 периферийных устройств, поэтому в качестве «адресного коммутатора» мы использовали дешифратор «1 из 8» (`138); один из портов ввода-вывода разделяется ЭЛД-индикатором и набором микропереключателей. Сигналом разрешения дешифратора служит установка А19, что переводит нас в пространство ввода-вывода (верхняя половина адресного пространства); работа дешифратора запрещается на время цикла подтверждения прерывания, как это было объяснено ранее. К дешифратору подводятся линии А12-А14, в результате чего периферийные устройства имеют адреса $80000, $81000, $82000 и т. д.; оставшиеся старшие линии адреса мы игнорировали, как и при подключении памяти, в результате чего адреса периферийных устройств многократно появляются в адресном пространстве. В сущности, каждый адрес, превышающий 80000, до самого последнего адреса $FFFFF (а это полмиллиона адресов), отвечает какому-то периферийному устройству!

Упражнение 11.9. Расшифруйте это последнее утверждение, определив, сколько раз в точности каждое периферийное устройство появляется в адресном пространстве. После этого напишите общее выражение для адресов ЭЛД-индикатора, используя крестик (х) для тех бит, значение которых не влияет на результат дешифрации.

Упражнение 11.10. Единственным реальным недостатком нашей схемы неполной дешифрации адресов является использование понапрасну полмегабайта адресного пространства для обращения к десятку пустяковых периферийных устройств, в то время как большую часть этого пространства можно было бы отвести под память. Покажите, как следует дешифровать адреса ввода-вывода, если большую часть адресного пространства 1 Мбайт предполагается отвести под память. Наши 8 портов должны отображаться на адреса $FF000, SFF100… SFF700 и не отзываться при обращении по меньшим адресам. Теперь можно установить ОЗУ объемом 1 Мбайт, однако при обращении по адресам портов ввода-вывода будут активизироваться и ввод-вывод, и память. Найдите способ разрешить эту проблему.

Заметьте, что поскольку микросхема `138 игнорирует и младшие адресные сигналы, каждому периферийному устройству назначается целый набор смежных адресов. Некоторые устройства содержат несколько внутренних регистров, и для обращения к ним мы используем несколько младших линий адреса. Вы можете считать, что дешифратор отзывается на базовый адрес периферийного устройства. Рассмотрим теперь конкретные устройства ввода-вывода в нашем приборе.

ЭЛД и микропереключатели. Это простейшие из портов. При выводе матрица ЭЛД управляется 8-разрядным регистром из D-триггеров, для которого тактовым является сигнал декодирования адреса LEDSW', объединенный с WR'. Обратите внимание на то, что стробирование выполняется срезом сигнала; это уменьшает проблемы синхронизации, связанные со временем упреждения. Мы использовали восьмиразрядный регистр `273 с бистабильными выходами (вместо более распространенной тристабильной микросхемы `574) ради входа RESET', который мы устанавливаем на время сброса процессора или начальной загрузки; в результате при запуске световая индикация отключается. Логические микросхемы семейства НСТ имеют хорошие характеристики по скорости насыщения и выходному току (8 мА при выходном напряжении 4,5 В), что дает возможность использовать заземленную матрицу ЭЛД (с микросхемами семейства LS начальный уровень ЭЛД должен быть +5 В); это очень удобно, так как диоды индицируют единицы, а не нули. Выбранная нами матрица ЭЛД имеет встроенные резисторы, органичивающие ток до 6 мА. Заметьте, что один из битов порта ЭЛД управляет твердотельным реле переменного тока. Эти реле легко запускаются логическими уровнями (гарантированное напряжение срабатывания 3 В, сопротивление нагрузки 1,5 кОм), и, кроме того, они переключаются при нулевом напряжении (см. разд. 9.08 и 9.10). Заметьте также, что строб-сигнал WRITE порта ЭЛД выполняет дополнительную функцию, сбрасывая триггер BOOT при своей первой установке; после сброса триггера порт ЭЛД можно использовать по своему усмотрению.

Организация порта микропереключателей также не сложна. На выходе использован трехстабильный 8-разрядный инвертирующий буфер `240, управляемый уровнями от микропереключателей с принудительной установкой верхнего уровня. Разрешающим сигналом буфера служит тот же сигнал декодирования адреса LEDSW', на этот раз объединенный с RD'. Другими словами, если вы записываете по адресу $86000, данные индицируются на ЭЛД; если вы читаете, то считывается байт, характеризующий установку микропереключателей. Поскольку мы использовали инвертирующий буфер, замкнутый переключатель считывается как 1, а не 0.

АЦП и ЦАПы . Эти порты устроены так же просто. Обе микросхемы конвертеров являются «комплексными», со встроенными таймерами и опорными источниками. АЦП AD670 удовлетворяет протоколу сигналов R/W' и DS', поскольку снабжен входами направления и разрешения кристалла. Запись (разрешение микросхемы осуществляется низким уровнем R/W') начинает преобразование, в то время как чтение позволяет получить результирующий байт. В цикле записи АЦП фиксирует два бита данных: BPO/UPO' управляет диапазоном входных сигналов (высокий уровень — биполярный сигнал, низкий — однополярный), a FMT определяет формат цифрового выхода (высокий — дополнение до двух, низкий — беззнаковое двоичное представление). Выходной сигнал DONE говорит об окончании преобразования; мы отказались от использования этого сигнала, потому что, как нам кажется, проще выполнить несколько команд NOP в течение времени преобразования (длительность которого не превышает 10 мкс), чем организовывать опрос флага.

Микросхема AD670, как большинство периферийных микросхем, не отличается быстротой реакции в своей интерфейсной части. Ей требуется строб СЕ' по меньшей мере длительностью 300 нc в цикле записи, в цикле же чтения время доступа с момента установки СЕ' составляет 250 нc. Обратившись к рис. 11.4, вы увидите, что эти величины не удовлетворяют требованиям временной синхронизации МП 68008 в случае нормального (без состояний ожидания) цикла магистрали. Однако при двух состояниях ожидания (которые наша схема генерирует для всех адресов от $80000 и выше) все согласуется: сигнал DS' в цикле записи получает длительность 390 нc, а в цикле чтения он должен поддерживаться в установленном состоянии в течение 487 нc.

ЦАП AD558 также является комплексным конвертером; ему требуется единственное напряжение питания +5В, а на выходе образуется сигнал напряжения. В микросхему можно только записывать, поэтому мы использовали строб WR' для разрешения микросхемы, а сигнал декодирования адреса — для выбора микросхемы. Здесь также временные соотношения не будут удовлетворяться при отсутствии состояния ожидания: AD558 требует наличия данных за 200 нc до среза сигнала СЕ', а минимальная длительность СЕ' составляет 150 нc. Без состояний ожидания вы получите только 180 нc и 140 нc, соответственно; два состояния ожидания увеличат эти интервалы до удовлетворительных значений 430 нc и 390 нc.

Последовательный и параллельный порты. Типичными представителями перифейрийных БИС являются микросхемы Zilog 8530 SCC (последовательный порт) и 8536 СIO (параллельный порт и таймер). Такого рода микросхемы отличаются необычной гибкостью и умопомрачительным количеством рабочих режимов, программируемых путем засылки управляющих байтов во внутренние регистры. Некоторые из этих микросхем по сложности приближаются к микропроцессорам (см. рис. 11.13), и чтобы научиться программировать их работу, вам придется затратить немало времени.

Рис. 11.13. Структурная схема последовательного порта Zilog 8530 .

Примечание: BR — запрос шины; FIFO — «пеpвым вошел, первым вышел»; TxD — сигнал передачи; RxD — сигнал приема; NRZ1 — кодирование без возвращения к нулю с инверсией; CRC — контроль циклическим избыточным кодом; DPLL — фазовая автоподстройка частоты; SDLC — синхронное управление линиями передачи данных.

Хотя периферийные БИС обычно разрабатываются под конкретные микропроцессоры, общность их характеристик позволяет использовать микросхемы, предназначенные для поддержки определенного семейства микропроцессоров, с процессорами других фирм. Микросхемы Zilog 85хх претендуют на роль универсальных, «магистрально-независимых» периферийных устройств, хотя при использовании их с МП 68008 возникает некоторая несовместимость в отношении строба RD', которую мы снимем, образовав задержанный строб RD'.

Рассмотрим сначала параллельный порт/таймер 8536. В нем используется пара стробирующих сигналов RD' и WR', а также сигнал разрешения входа СЕ' (который, как и обычно, поступает с выхода дешифратора адреса). Кроме того, на соответствующий вход микросхемы подаются тактовые сигналы для синхронизации таймера и управления внутренней логикой. Микросхема 8536 включает цепи полностью векторизуемых прерываний с подтверждением, выставляющие вектор на линии данных в течение цикла подтверждения прерывания. Реализация всех этих излишних для нас возможностей требует использования приоритетной цепочки, связывающей устройства (с помощью входного сигнала IEi и выходного IEO), а также входа INTACK', управляющего установкой (программируемого) вектора. Мы же ограничимся выходным сигналом INT' для организации запроса прерывания. Из состава интерфейсной шины к параллельному порту подключаются линии данных D0-D7, а также адресные линии (А0, А1) для адресации внутренних регистров; использование двух младших адресных линий приводит к отображению внутренних регистров на адресное пространство, начинающееся с базового адреса. В нашем случае внутренние регистры располагаются по адресам $84000-$84003.

Число адресных выводов наводит на мысль, что в микросхеме имеются 4 внутренних регистра, что, однако, весьма далеко от истины: фактически порт содержит 41 регистр для записи и 48 регистров для чтения! (Мы же предупреждали, что программирование этих микросхем — кошмарное занятие!) Для доступа к регистрам вы сначала записываете в «управляющий» регистр по адресу база + 3 ($84003) байт, содержащий адрес требуемого регистра данных, а затем читаете из или записываете в выбранный регистр. В отличие от этого регистры данных параллельного порта допускают непосредственную адресацию, и в них записывают или из них читают прямо по адресам база, база + 1 и база + 2.

На рис. 11.14 показаны временные диаграммы циклов чтения и записи, позволяющие рассмотреть проблемы синхронизации строба RD'.

Рис. 11.14. Синхронизация параллельного порта Zilog 8536 .

Спецификации микросхемы 8536 дают минимальное значение интервала между установкой адресных сигналов А0-А1 и фронтом строба RD' (время упреждения) 80 нc. В спецификациях также определяется время отклика, как обычно, довольно большое — бедняге 8536 требуется 255 нc для выдачи данных; длительность же сигнала RD' должна составлять 390 нc (минимум). С большим временем отклика мы уже умеем бороться с помощью состояний ожидания. Однако состояния ожидания не решат проблему с временем упреждения адреса по отношению к RD' (из рис. 11.4 видно, что сигнал DS' может появиться всего лишь через 30 нc после установки правильного адреса). Чтобы все работало правильно, мы должны задержать RD' на один такт ЦП: это легко сделать с помощью того же сдвигового регистра, который генерирует сигнал DTACK'. Мы просто образуем логическое И «быстрого» строба RD' и (инвертированного) выходного сигнала Q 0 сдвигового регистра, который не устанавливается до перепада тактового сигнала ЦП между состояниями S3 и S4. В результате образуется задержанный строб RD' (который мы назвали DELRD'), начинающийся на один такт позже (в тот же момент, что и нормальный DS' цикла записи). Описанная процедура предоставляет порту дополнительные 125 нc для упреждения адреса (в сумме 155 нc). Генератор состояний ожидания по-прежнему вводит два состояния ожидания, что делает полную длину цикла достаточной для медленных периферийных устройств.

К счастью, для сигнала WR' не требуется аналогичная схема, потому что МП 68008 предусмотрительно увеличивает время упреждения на один такт для циклов записи (обратите внимание на задержку сигнала DS' в цикле записи на рис. 11.4), а для микросхемы 8536 требуется то же значение времени упреждения (80 нc, см. рис. 11.14).

Интерфейс последовательного порта 8530 выглядит почти так же. Отличие заключается лишь в том, что адресные входы, выбирающие внутренние регистры, называются по-другому. Сигнал А0 подается на вход А/В' (выбирающий канал А или В сдвоенного порта), а сигнал А1 — на вход D/C' (который выбирает регистры данных или управления). Эта микросхема тоже не обижена регистрами: в ней имеются в каждом канале 16 регистров для записи и 9 регистров для чтения; доступ к ним осуществляется так же, как и в микросхеме 8536, в два этапа.

Тактовая частота 8530 может достигать 6 МГц; мы выбрали частоту 4 МГц, которая позволяет установить скорость передачи до 9600 бод. Асинхронные линии данных TxD и RxD работают с уровнями ТТЛ-логики, а не с биполярными сигналами стыка RS-232 (см. разд. 9.14 и 10.19). Большинство драйверов стыка RS-232 (например, классическая микросхема 1488) требуют двух источников питания, что для нашей системы, которая целиком питается от единственного источника +5В, будет как бельмо на глазу. К счастью, сейчас доступны искусные микросхемы, содержащие емкостные преобразователи напряжения. Эта методика была предложена фирмой Maxim в серии микросхем МАХ232; она используется также в микросхемах LT1080 фирмы LTC. Заметьте, что выход запроса прерывания с открытым стоком объединен по схеме проводного ИЛИ с соответствующим выходом микросхемы календаря-часов, так что возбуждение любого выхода приводит к автовекторизуемому прерыванию уровня IPL1. Обработчик прерывания этого уровня должен определить источник прерывания с помощью процедуры опроса, выполняя программное чтение регистра состояния каждого устройства. Соответствующая программа будет описана ниже.

Календарь-часы. Это последняя из использованных в нашем приборе периферийных БИС, и с ней тоже не все просто. Интерфейс этой микросхемы с магистралью практически такой же, как у микросхем Zilog: пара стробов «типа Intel» (RD', WR') и 4 бит адресации внутренних регистров. Здесь могут возникнуть и те же проблемы с синхронизацией сигнала RD'. Мы говорим «могут», потому что спецификация микросхемы недостаточно однозначна: в ней указывается «типичное» время упреждения от сигналов адреса до RD' (100 нс), но не дается минимального значения. Что имели в виду авторы, мы не знаем, но лучше не рисковать. Поскольку задержанный строб DELRD' у нас уже есть, давайте используем его.

Микросхема ICM7170 представляет собой современную БИС календаря-часов с внутренней схемой переключения питания; вы просто привешиваете к ней трехвольтовую литиевую батарейку, как показано на рис. 11.10. Прежние варианты календаря-часов требовали от вас обеспечения заданного порядка сброса управляющих сигналов при выключении, но микросхема 7170 берет на себя заботу и об этом. Конечно, бесполезно обращаться к микросхеме, если питание +5 В выключено; батарейка лишь поддерживает безостановочный ход часов в периоды спячки, так что схема просыпается с ясной головой и острым чувством времени.

Цепи питания. Закончив разработку схемы прибора, уже не хочется обременять себя такими деталями, как питание и заземление. Не поддавайтесь этому искушению. Наша схема использует «5-вольтовую логику», что на практике часто означает 5 В ± 5 % (в нашем примере ЦП и некоторые периферийные микросхемы требуют напряжения питания от +4,75 В до +5,25 В). Далее, в цепях питания не должно быть больших импульсных выбросов, избавиться от которых можно с помощью щедрого использования керамических конденсаторов 0,1 мкФ с некоторой добавкой танталовых электролитических конденсаторов большей емкости. Крайним случаем «большого выброса» является угрожающее перенапряжение, могущее возникнуть из-за отказа последовательных стабилизаторов напряжения в цепи питания +5 В. На этот случай стоит предусмотреть схему автоматического шунтирования источника питания при перенапряжении — либо на основной плате, либо в самом источнике питания. Выбирая источник питания, учтите, что микропроцессорная плата может легко потреблять 1 А и более, а по печатным проводникам, питающим вставные платы, может протекать и много ампер. Поэтому заранее запланируйте токонесущие печатные проводники достаточно большого сечения, а также сильноточные соединительные разъемы.

Как было показано в разд. 9.11, особую важность представляют заземляющие проводники как на самих печатных платах, так и между ними. Эти проводники должны иметь минимальную индуктивность. Лучше всего отвести под них один слой многослойной печатной платы, хотя «решетчатое» заземление на двухслойной плате часто дает удовлетворительные результаты (подробнее об этом в следующей главе). Наконец, последний совет касается схемы сброса при включении питания. RC-цепочка (с диодом), изображенная на рис. 11.10, заманчиво проста, однако она не будет отзываться на короткие броски напряжения, достаточные для нарушения работы выполняемой программы. Если микропроцессор встроен в прибор, то результатом будут сбои в работе прибора, причем для восстановления его работоспособности вам придется каждый раз выключать и снова включать питание! Мы сталкивались с таким явлением и в промышленном оборудовании, и в собственных разработках. Самое надежное — использовать хорошую современную схему сброса, например серии МАХ690 фирмы Maxim.

Разделавшись с аппаратным конструированием, которое оказалось совсем несложным, перейдем к действительно твердому орешку — программированию.

Разминка: сварим яйцо. Наш усреднитель сигналов потребует весьма сложного комплекса программ, как это обычно и бывает в мире задач реального времени. Внимательное чтение последующих разделов вознаградит читателей, собирающихся разрабатывать собственные микропроцессорные системы, так как они смогут детально познакомиться с большинством особенностей программного обеспечения аппаратуры, управляемой микропроцессором.

Перед тем, однако, как нырнуть в море, полное акул, давайте намочим ноги в мелкой луже простого (и несколько легкомысленного) примера программы для нашей микропроцессорной системы общего назначения. Компьютеры, вообще говоря, предназначены для избавления нас от рутинной работы. Пусть наш прибор каждое утро в 8 часов в течение 5 минут варит нам яйцо!

Представим, что твердотельное реле (рис. 11.10) подключено к небольшому кипятильнику, опущенному в чашку с сырым яйцом. Рассмотрим программу 11.2.

Для упрощения программы будем считать, что компьютер запущен и календарь-часы установлены. (В дальнейшем мы рассмотрим, как выполнить эти малоинтересные, но немаловажные действия!) Программа начинается с засылки нулевого байта в порт ЭЛД, чтобы выключить кипятильник; далее календарь-часы устанавливаются в 24-часовой режим при выключенных прерываниях. После этого программа входит в цикл ("WAKE", пробуждение) непрерывного опроса цифры часов в микросхеме календаря-часов, пока не будет прочитана цифра «8»; в этот момент в порт ЭЛД посылается байт, заполненный единицами, в результате чего включается кипятильник и загораются все ЭЛД.

Далее программа входит во второй цикл ("COOK", кипячение) непрерывного опроса цифры минут в микросхеме календаря-часов, пока не будет прочитана цифра «5»; в этот момент в порт ЭЛД посылается нулевой байт, выключающий кипятильник и гасящий ЭЛД. Наконец, программа переходит к третьему циклу ("WAIT", ожидание) опроса, как и в первом цикле, цифры часов, пока она не перестанет быть «8». В этот момент осуществляется безусловный переход в первый цикл ожидания 8 часов (уже завтрашних).

Мы привели эту скороспелую программу только для того, чтобы показать, как просто она может выглядеть. Не перенимайте наш стиль-многое мы сделали грубо, экономя место и не желая вдаваться в пояснения. В более совершенной программе мы могли повысить «интеллектуальный уровень» таймера, например, заставив один из портов АЦП фиксировать момент закипания воды; именно в этот момент следовало начать отсчет времени кипячения яйца, а можно было ради экономики электроэнергии еще и выключить кипятильник! Естественно также предусмотреть ввод, с помощью кнопки NMI, времени пробуждения, длительности кипячения и т. д. Порт ЦАП можно использовать для индикации времени, возможно, в виде «живых цифр», в то время как другой порт ЦАП (подключенный к динамику в подушке) мягко будит вас, тихо рассказывая что-то задушевное под аккомпанемент записанной в память мелодии…, но мы отклонились от темы. Ну что же, пора нырять!

11.06. Программирование: определение задачи

Самый верный способ напрасно потерять время и запутаться раньше, чем вы сделаете что-нибудь полезное — это начать программировать, не определив заранее, что именно вам надо. Это особенно справедливо, если вы программируете прикладной контроллер на языке ассемблера, потому что программа на языке ассемблера сама по себе не отличается ясностью построения, которую ей дает структурированный язык высокого уровня; более того, желая оптимизировать действия программы в реальном времени, вы вынуждены прибегать к разного рода хитроумным приемам и относительно туманным алгоритмам. В результате ваша программа — с переходами и ветвлениями, с разделением функций между главной программой и обработчиками прерываний, с программными флагами, модифицируемыми в самых неожиданных местах, с управляющими байтами для периферийных устройств и многим другим - ваша программа быстро превращается в ужасающую мешанину, особенно если на полдороги вы все еще не представляете целиком свою задачу. Как и при покраске дома, приготовления могут занять больше времени, чем сама работа, но в итоге оказываются оправданными.

Разрабатываемый нами усреднитель сигналов является удачным примером. Он не относится к числу очень сложных приборов, однако беглый взгляд на структурную схему обработчика прерываний, приведенную на рис. 11.21, должен убедить вас, что не так уж просто разобраться в установке и чтении флагов и сигналов, изменении векторов прерываний в реальном времени и вообще в порядке выполнения программных строк. Так что стоит потратить время и разобраться, как же должен функционировать наш прибор.

Что такое усреднитель сигналов? Усреднитель сигналов, иногда называемый многоканальным накопителем, предназначен для повышения качества (т. е. увеличения отношения сигнал/шум) периодического аналогового сигнала, неизбежно смешанного с непериодическим шумом (или сигналами помех). Повышение качества осуществляется путем измерения значений сигнала много раз в течение каждого периода, занесения этих выборочных значений в набор последовательных «ящиков» или каналов и затем сложения в каждом канале соответствующих выборок от многих периодов входного сигнала. Другими словами, сигнал складывается сам с собой по модулю его периода. Как будет показано в разд. 15.13, такая процедура повышает отношение сигнал/шум для сигнала, накапливающегося в каналах, потому что суммарное значение (периодического) сигнала растет линейно со временем, а флуктуации (случайного) шума растут только как квадратный корень из времени. Будем называть каждый последовательный период накопления значений в ячейках «разверткой»; типичный сеанс накопления данных может состоять из нескольких тысяч разверток.

Хороший усреднитель сигналов постоянно показывает на экране дисплея накопленную форму сигнала (хранящуюся в 1000 или около того каналов) и предоставляет вам широкий выбор ширины каналов («задержки на ячейку»), режимов запуска, масштаба изображения и т. д. Многие из этих возможностей мы реализуем в нашей разработке, однако далеко не все, иначе описание прибора выйдет за рамки главы. Из всего многообразия возможностей мы отобрали набор функций, который позволит продемонстрировать весь диапазон программных приемов и компромиссных решений, но и не даст нам унестись на крыльях мечты в царство идеальных усреднителей сигналов.

Характеристики. По причинам, которые будут описаны позже, мы решили снабдить прибор обычной управляющей (передней) панелью с надписанными переключателями вместо того, чтобы использовать современную методику с клавиатурой и экранными меню. В результате наш усреднитель выглядит, как обычный прибор такого рода, а его органы управления имеют предопределенные функции и диапазоны. Продумывая план этой главы, мы в действительности начали с того же, с чего начинаем сейчас - с выбора реализуемых функций и диапазонов настройки.

Мы решили ограничиться фиксированным числом каналов (256) с широким диапазоном их ширин. Поскольку усреднитель сигналов используется для исследования периодических явлений двух видов - с собственным внутренним периодом (например, океанские приливы) и запускаемых периодически нами (например, нервные импульсы или резонансные явления), мы предусмотрели два режима развертки: с внешним запуском, когда прибор ждет внешнего сигнала, чтобы начать цикл развертки, и с автозапуском, когда циклы развертки следуют друг за другом непрерывно. Далее, мы предусмотрели два способа завершения процедуры усреднения сигнала: по определенному заранее числу разверток и по нажатию на кнопку «стоп». В последнем случае усреднение завершается после окончания очередной развертки. Для наблюдения усредненного сигнала на экране ЭЛТ (с непрерывным обновлением изображения) мы формируем аналоговые X и Y сигналы (вместе с сигналом подсветки Z). При этом масштаб изображения можно изменять в широких пределах умножением на 2n ; имеется также режим «автомасштабирования», в котором данные непрерывно пересчитываются (нормализуются) в соответствии с числом выполненных разверток. Наконец, на управляющую панель выведены ЭЛД, индицирующие состояние (ожидание, развертка) и логические выходные сигналы, характеризующие наличие развертки и конец развертки. Ниже приведены характеристики нашего усреднителя сигналов.

Диапазон аналогового входного сигнала: ±5В

Число каналов: 256

Внутреннее представление: 32-разрядные целые со знаком

Ширина канала: от 100 мкс до 1 с, с интервалами 1-2-5

Накопление: конечное суммирование (сумма 100 мкс-выборок)

Определяемое заранее число разверток: от 1 до 20000, с интервалами 1-2-5

Режимы развертки: внешний запуск; периодический (автозапуск)

Режимы наблюдения: с выбором масштаба (изображение, выходящее за верхнюю границу экрана, переносится вниз); с автомасштабированием

Масштаб изображения: от 1 до 16К входного диапазона, ступенями с умножением на 2

Входы: аналоговый сигнал, внешний запуск развертки

Выходы: X, Y, Z (на ЭЛТ), РАЗВЕРТКА, КОНЕЦ

Дополнительное управление: ПУСК, СТОП, СБРОС (перезагрузка)

На рис. 11.15 показаны входные и выходные сигналы микропроцессорной платы.

Рис. 11.15. Входные, выходные и управляющие сигналы усреднителя сигналов. «ЭЛД» обозначает порт индикации (см. рис. 11.10); «А», «В» и «С» относятся к битам параллельного порта 8536.

Для всех цифровых сигналов мы использовали параллельный порт 8536, причем направление и полярность сигналов соответствующим образом программируются; все цифровые входы, на которые поступают сигналы от органов управления, должны быть подключены через резисторы к уровню +5 В и заземляться при замыкании ключа. В схемах устранения дребезга нет необходимости, поскольку дребезг мы устраним программно.

Аналоговый фильтр имеет особое значение и заслуживает некоторых пояснений. Если вы получаете короткие периодические выборки значений непрерывного аналогового сигнала с частотным спектром конечной ширины (при максимальной частоте, присутствующей в сигнале, f, вы сохраняете входную информацию лишь если выборки следуют с частотой 2f макс и более. Если же этот критерий Найквиста не удовлетворяется, происходят странные вещи; конкретно, на рис. 11.16 показано явление возникновения побочной низкочастотной составляющей в результате субдискретизации, когда частоты, близкие к частоте дискретизации f д , отображаются на низкочастотную область. Для устранения этого явления входной сигнал следует пропускать через низкочастотный фильтр с граничной частотой f д /2 или меньше.

Рис. 11.16. Возникновение побочной низкочастотной составляющей в результате субдискретизации.

Это вроде бы просто, но как быть с тем обстоятельством, что ширина канала и, следовательно, частота дискретизации в нашем усреднителе перестраивается? Можно установить на входе регулируемый фильтр низких частот (например, фильтр с коммутируемыми конденсаторами и программно управляемой тактовой частотой) и настраивать его согласно ширине канала; это допустимо, так как если вы выбираете большую ширину канала, высокие частоты вас все равно не интересуют. Однако можно поступить проще. Заметьте, что при интегрировании (усреднении) сигнала в течение ширины канала вы получаете низкочастотный фильтр с автоматической регулировкой. По этой причине на входе усреднителя сигналов иногда устанавливают преобразователь напряжения в частоту (микросхема высокой степени интеграции). Мы используем, в сущности, тот же подход: дискретизация аналогового входного сигнала всегда осуществляется на частоте 10 кГц (при этом для устранения наложения спектров входной сигнал фильтруется низкочастотным фильтром с граничной частотой 5 кГц, соответствующей частоте дискретизации); при больших периодах дискретизации осуществляется эффективное интегрирование сигнала за счет сложения соответствующего числа последовательных отсчетов. На рис. 11.17 показано, как могла бы выглядеть передняя панель прибора.

Рис. 11.17. Передняя панель усреднителя сигналов.

Отсутствующие возможности. Полезно пояснить, что именно мы не включили в нашу разработку, и почему. Мы не поддались повальному увлечению экранными меню по следующим причинам. Во-первых, приборы с управлением от клавиатуры нас часто раздражают, так как все они работают по-разному, и вам приходится постоянно переучиваться. Во-вторых, они замедляют вашу работу — для того лишь, чтобы переключать шкалу, вам надо набирать команду на клавиатуре. Наконец, управление от клавиатуры с помощью экранных меню требует разработки программ анализа введенных строк и формирования на экране изображения меню — программ, не представляющих интереса с педагогической точки зрения. Поэтому мы решили считывать состояния органов управления на передней панели с помощью параллельного порта; это быстрая и простая операция, хотя она ограничивает возможности выбора режимов и уменьшает универсальность прибора.

Можно перечислить еще целый ряд дополнений, которые улучшили бы наш прибор, но мы от них отказались, чтобы не усложнять описываемую здесь программу. Можно было предусмотреть второй аналоговый вход (микросхема 670 содержит два АЦП), переменное число ячеек, несколько «банков» памяти для хранения данных, цифровые выходы для индикации номера текущей ячейки, а также аналоговые сигналы, пропорциональные номеру ячейки (для контроля аналоговых величин). Это все довольно очевидные, но не принципиальные усовершенствования; более важной является возможность пересылать накопленные данные в микроЭВМ, для чего лучше всего использовать один из последовательных портов.

Даже в рамках выбранной нами конструкции можно было ввести дополнительные режимы. В частности, микропроцессорная система с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями значительно выиграет при включении в нее аналоговых мультиплексоров, позволяющих связать выходы ЦАП со входами АЦП. В этом случае вы сможете выполнять программное тестирование всех преобразователей в качестве элемента общей процедуры тестирования при включении питания (куда также входит проверка памяти, портов и т. д.). Можно даже проверять, с помощью АЦП, напряжение (я) источника питания.

Упражнение 11.11. Покажите, как это сделать, если ко входам АЦП подключены аналоговые мультиплексоры. Вам потребуется предусмотреть адрес порта, по которому из ЦП будут направляться команды выбора мультиплексора.

11.07. Программирование: детали

Обзор. Программы обычно сложны. Программы реального времени на языке ассемблера сложны всегда. Однако вместо того, чтобы рассматривать упрощенную программу, которая в действительности работать не сможет, мы собираемся привести реальную законченную программу, годную для использования в нашем приборе, во всем ее великолепии (и безобразии). Чтобы помочь вам в ней разобраться, мы будем рассматривать ее постепенно, слой за слоем. Лучше всего воспользоваться методом «нисходящего проектирования», когда сначала определяются основные функции программы, порядок их выполнения и протокол обмена информацией между основными модулями программы. После этого можно перейти к структурным схемам конкретных программных модулей. Наконец, пишутся реальные программные строки на языке ассемблера.

Замечание: дальнейшее описание насыщено деталями. Читатели, желающие получить лишь общее представление, могут опустить обсуждение вопросов программирования, перейдя сразу к разд. 11.08 или 11.09.

На рис. 11.18 изображена общая структура, сильно упрощенная.

Рис. 11.18. Программирование: общая структура.

В ОЗУ мы организовали три массива: массив DATA из 256 32-разрядных («длинных») целых чисел для хранения текущих данных для каждого канала; массив NORM из 256 16-разрядных («слова») целых чисел для хранения количества полных разверток для каждого канала, что нужно для нормализации данных в режиме автомасштабирования; и, наконец, массив DISPLAY из 256 байт для хранения данных, непрерывно поступающих на дисплей. Основные функции программы заключаются в следующем: добавление в массив DATA новых данных из АЦП при одновременной модификации массива NORM; масштабирование этих длинных чисел с преобразованием их в байты массива (в режиме автомасштабирования — с использованием массива NORM, а при ручном задании масштаба - путем сдвига); непрерывный вывод этих байтов на экран.

Общая последовательность работы программы выглядит следующим образом. При включении питания ЦП активизирует процедуру начальной загрузки и начинает выполнять программу, записанную в ПЗУ (причем временный образ ПЗУ в самом начале адресного пространства содержит вектор перехода на истинное расположение ПЗУ, как это было объяснено в разд. 11.05). Инициализируются, при необходимости, периферийные микросхемы (посылкой соответствующих байтов в их управляющие регистры); кроме того, программа должна инициализировать массивы, указатели, начальные значения переменных и проч. Приборы вроде нашего характеризуются несколькими возможными состояниями (ожидания сигнала ПУСК, накопления данных и т. д.); мы начинаем с состояния ожидания нажатия кем-нибудь кнопки ПУСК. Однако прибор и в этом состоянии живет, выводя на экран данные, которые мы инициализировали нулями.

При нажатии кнопки ПУСК программа начинает с того, что считывает состояние органов управления на управляющей панели, чтобы получить параметры для своей работы. Затем программа переходит в режим приема данных (в соответствии с параметрами, введенными с управляющей панели), выдавая одновременно на экран текущие значения усредненного сигнала. После завершения заданного числа разверток или обнаружив нажатие кнопки СТОП, программа опять входит в режим ожидания.

Синхронизация; программное управление и управление от прерываний.

Наиболее важная задача — обеспечить выполнение АЦП преобразований каждые 100 мкс и накопление получаемых данных в массиве DATA. Следующая по важности задача - регенерация дисплея с частотой по меньшей мере 40 Гц, чтобы избежать мерцания. Менее важной является задача обновления по мере изменения содержимого массива DATA также и массива DISPLAY.

Вы можете подумать, что наиболее важная задача должна решаться средствами основной (зацикленной) программы, задачи же менее важные могут время от времени отнимать время процессора с помощью прерываний. Однако это не так. Прерывания имеют приоритет по отношению к текущей программе, поэтому срочные задачи должны выполняться обработчиками прерываний, задачи же менее важные — наоборот, «главной» программой, которая получит лишь то время ЦП, которое останется от обработки прерываний. (При этом, конечно, предполагается, что процессор обрабатывает прерывания достаточно быстро. Как мы увидим, большое число регистров МП 68008 позволяет ему исключительно быстро обрабатывать прерывания; МП 68008 прямо создан для этой задачи.)

Как было показано на рис. 11.18, данные из АЦП поступают в массив DATA с помощью прерываний, создаваемых каждые 100 мкс программируемым таймером 8536. Главная программа занимается непрерывным обновлением массива DISPLAY, используя для этого подпрограмму update (обновление) (поскольку эта подпрограмма совсем не думает о том, что у нее под носом протекает интереснейший процесс сбора данных, она вынуждена проверять флаг, устанавливаемый программой обработки прерываний и свидетельствующий об окончании измерений).

Мы сначала хотели включить в главную программу также и регенерацию дисплея, но этому помешало любопытное обстоятельство. С каждой парой сигналов X, Y, посылаемых на ЦАП для вывода на экран точки, надо формировать также и сигнал «оси Z» (подсветки). В разд. 10.20 было показано, как можно сформировать «программный сигнал», посылая в бит порта сначала 1, а затем 0. Сигналы оси Z должны иметь одинаковую длительность, иначе одни точки на экране будут ярче других. Если, однако, программа время от времени прерывается, невозможно гарантировать равную длительность программных сигналов.

Упражнение 11.12. Но почему?

Можно, конечно, выключать прерывания, генерировать сигнал, а затем снова включать прерывания. Это безобразное решение, поскольку в самый важный процесс регулярных выборок вносятся нежелательные задержки. Потом мы нашли лучший способ: вывод на экран одной точки выполнять, как вспомогательную задачу обработчиком прерываний. Обработчик срабатывает каждые 100 мкс, так что полное 256-точечное изображение будет выводиться 40 раз в секунду. При этом, поскольку прерывания возникают и в том случае, когда главная программа находится в состоянии ожидания (сигнала ПУСК), изображение на экране не будет гаснуть. Наконец, такой способ содержит в себе чудесную глюковину: ведь запустив АЦП, приходится выжидать 10 мкс перед тем, как снимать с него результат преобразования; этого времени как раз хватит, чтобы послать в ЦАП пару X, Y. Другими словами, регенерация дисплея в обработчике прерываний абсолютно не требует процессорного времени!

Главная программа: инициализация. Хватит нам ходить вокруг до около. Давайте рассмотрим подетальнее задачи, выполняемые программой. Сначала взгляните на главную программу, изображенную на рис. 11.19 в виде несколько необычной структурной схемы.

Рис. 11.19. Структурная схема главной программы.

Приведенная диаграмма весьма близко соответствует собственно программе на языке ассемблера (программа 11.3).

Текст программы начинается с определений адресов ОЗУ (включая вектор прерывания, область переменных и массивы), а также адресов (и бит) портов. В дальнейшем эти определения будут использоваться в качестве операндов команд обращения к памяти и портам, причем ассемблер подставит на их место фактические адреса. Хотя результат не зависит от того, пользуетесь ли вы определениями или непосредственно адресами, всегда следует использовать определения, так как в этом случае программа становится более наглядной и, кроме того, облегчается изменение назначения портов и битов в последующих модификациях. Адреса портов соответствуют нашей схеме и включают внутренние регистры периферийных устройств, адресуемые с помощью младших бит адреса или путем двухбайтовых пересылок.

Из текста программы также видно, как мы будем использовать регистры МП 68008. При каждом прерывании мы извлекаем данные из АЦП, добавляем их к текущему содержимому канала и проверяем, не дошли ли мы до конца канала или развертки. Можно было хранить содержимое указателей и счетчиков в памяти (так и пришлось бы поступать при использовании менее совершенного процессора типа 8086), но зарезервировав достаточное число регистров для нужд обработчика прерываний, мы существенно повышаем эффективность режима прерываний. Поэтому мы выделили регистры данных для текущего содержимого канала (D7), обратного счетчика периодов дескретизации (внутри канала) (D6) и обратного счетчика каналов внутри развертки (D5), смещения в массиве DISPLAY (D4), а также регистр для временных данных (D3). Далее, мы зарезервировали адресные регистры для трех массивов (NORM, А6; DATA, А5; DISPLAY, А4) и для наиболее используемых портов (ADC0, A3; СIO [параллельный порт], А2). Главная программа берет на себя обязательство не использовать эти регистры при включенных прерываниях.

Вам может показаться странным, что мы резервируем адресные регистры (со всеми их автоинкрементными возможностями, ориентированными на работу с массивами) для адресации отдельных фиксированных портов, когда вполне можно было обойтись абсолютной адресацией. Причина заключается в быстродействии. Команда с абсолютной адресацией

MOVE .B ADC0, D0

где ADC0 представляет длинный абсолютный адрес (в нашем случае $80000), требует 28 тактов (3,5 мкс в нашем процессоре), в то время как команда

MOVE .B (A3), D0

использующая косвенную адресацию через A3, выполняется всего за 12 тактов. Эта разница обусловлена исключительно процессами на магистрали, где для пересылки каждого байта требуются (в МП 68008) 4 такта. В процессе выполнения первой команды ЦП извлекает из памяти двухбайтовый код операции, четырехбайтовое расширение (длинного) адреса и, наконец, запрошенный байт данных, т. е. всего 7 байт, на что расходуется 28 тактов. Вторая команда требует извлечения двухбайтового кода операции и запрошенного байта данных, т. е. всего 3 байт (12 тактов). Вообще системы с узкими шинами (вроде нашего МП 68008, у которого внутренняя 32-разрядная архитектура должна себя чувствовать как в смирительной рубашке, общаясь с внешним миром через 8-разрядную шину) особенно неэффективны в условиях интенсивных передач данных.

Наконец, началась программа! Первые 8 байт ПЗУ хранят важнейший стартовый вектор: указатель стека и входную точку программы. Входная точка находится в «истинном» ПЗУ (по адресу $40008), поэтому мы можем немедленно очистить бит BOOT, что приводит к замещению временного образа ПЗУ, используемого при начальной загрузке, оперативной памятью. Теперь мы можем загружать векторы прерываний в начало ОЗУ, в конкретные ячейки, определяемые архитектурой МП 68008 (вся область векторов приведена в табл. 11.5): $68 (INT2), $74 (INT5) и $7С (NMI = INT7). Мы использовали только INT5 (от 100 мкс — таймера в микросхеме параллельного порта); в этот вектор мы загружаем адрес нашего обработчика прерываний. В зависимости от конкретного состояния прибора (ожидание пуска или внешнего сигнала запуска, начало новой развертки, процесс развертки) обработчик прерываний должен выполнять различные функции; поэтому мы написали один грандиозный обработчик со многими точками входа, соответствующими его функциям. На данном этапе мы еще не готовы принимать данные, поэтому в вектор INT5 мы загружаем входную точку idle__int (прерывание простоя). Очень полезно загрузить на всякий случай все неиспользуемые векторы прерываний адресом bad__int (ложное прерывание) (вдруг произойдет деление на нуль, ложное прерывание и т. д.); мы загружаем в них адрес программы, которая зажигает ЭЛД определенным образом (далее будет видно, каким именно).

Теперь наступает утомительный, но существенный этап инициализации портов. БИС периферийных устройств, как, например, 8536, обладают изумительной гибкостью, но за нее приходится платить тщательным планированием. Вы должны продумать, какие управляющие байты следует послать, в какие регистры и в каком порядке, чтобы получить требуемый результат. Для простых параллельных портов в процессе планирования следует выбрать направление, полярность, режим и прерывания, а для таймеров — основание счета, каскадирование, режим запуска, прерывания и проч. В программе 11.3 приведен полный текст инициализации параллельного порта/таймера. Разрешаются параллельные порты А, В и С, причем биты 4–6 порта В назначаются выходными, а остальные - входными (см. рис. 11.15). Таймер-0 настраивается на деление его тактовой частоты 4 МГц на 400 и на непрерывный перезапуск с генерацией прерывания (по INT5) каждые 100 мкс. Заметьте, что все установочные входы мы сделали инверсными, поэтому при замыкании контакта (на который изначально подано +5 В) на землю с него считывается 1, а не 0. На входе, к которому подключена кнопка СТОП, мы использовали опцию «запоминания 1», так что мгновенное нажатие фиксируется, а отрабатывается оно только в конце развертки.

Наконец, мы очищаем массивы в ОЗУ (отметьте использование подпрограммы), инициализируем регистры, разрешаем прерывания и переходим на выполнение «главного» цикла.

Главная программа: главный цикл. Завершив инициализацию, мы входим в бесконечный главный цикл main__loop. Фактически он состоит из двух циклов: цикла ожидания нажатия кнопки ПУСК и цикла непрерывного обновления памяти изображения, на фоне которого осуществляется сбор данных в режиме прерываний. Программа обработки прерываний, завершив последнюю развертку, устанавливает программный «флаг останова» stop__flag, который непрерывно проверяется вторым главным циклом. Обнаружив установленный флаг, главная программа возвращается в первый цикл ожидания нового пуска. Давайте сопоставим структурную схему и программные строки.

Главный цикл (рис. 11.19) начинается с установки на ЭЛД состояния «ожидание». Затем программа ждет нажатия кнопки ПУСК, т. е. ее перехода из разомкнутого в замкнутое состояние. Это сложнее, чем кажется, потому что кнопка не содержит цепей подавления дребезга, в результате чего вы имеете несколько десятков близко расположенных перепадов между уровнями «замкнуто» и «разомкнуто», возникающих на протяжении, возможно, 25 мс. Этого времени может хватить на завершение самого короткого цикла измерений (если вы выбрали 1 развертку и интервал дискретизации 100 мкс), после чего измерения будут ошибочно продолжены, поскольку контакт кнопки все еще колеблется между состояниями «разомкнуто» и «замкнуто». Поэтому мы написали простенькую программу подавления дребезга, которая фиксирует, что кнопка была непрерывно разомкнута в течение приблизительно 50 мс (тем временем многократно выполняется подпрограмма обновления update), а затем переходит в состояние «замкнуто». Наконец мы получили приказ на выступление!

Программа сбрасывает выходной сигнал КОНЕЦ, считывает состояние управляющей панели и использует соответствующим образом полученные значения (устанавливая программные флаги типа auto__loop и параметры вроде dwell__per__bin и num__sweeps). Обратите внимание на использование таблицы decode__tbl (и косвенной адресации с индексацией) для получения значений, соответствующих положениям переключателей.

Далее программа очищает массивы DATA и NORM, инициализирует некоторые регистры (адресов и данных) и сбрасывает флаг останова. Последний шаг заключается в изменении содержимого вектора INT5 (который пока указывает на метку idle__int в обработчике прерываний) на адрес wait__trig или sweep__start в зависимости от того, какой режим установлен на управляющей панели: внешнего запуска или автозапуска.

Наконец, главная программа входит в «рабочий» цикл, в котором многократно выполняются два действия: вызов подпрограммы update (обновления массива DISPLAY в соответствии с содержимым массива DATA) и проверка флага останова stop__flag. На фоне этого унылого цикла прерывания тайком выполняют все то, ради чего был сделан наш прибор.

Главная программа: подпрограммы. Перед тем как взяться за наиболее сложную программу нашего комплекса - обработчик прерываний, рассмотрим две подпрограммы, вызываемые главной программой (рис. 11.20).

Рис. 11.20. Структурные схемы подпрограмм.

Подпрограмма clear__arrays заполняет нулями оба массива DATA и NORM; массив DISPLAY очищать нет необходимости, потому что программа update сразу же скопирует нули из DATA в DISPLAY. Эта программа обновляет за раз одно значение из массива DISPLAY, используя для этого текущие параметры изображения с управляющей панели и входные данные из массивов DATA и NORM; она также обновляет состояние порта ЭЛД, копируя байт памяти led__store.

Рассмотрим сначала простую подпрограмму clear__arrays из программы 11.3. Регистры А0 и А1 используются, как указатели двух массивов, и все 32 разряда D0 заполняются нулями. Счетчик D1 инициализируется величиной, равной размеру массива минус один; сейчас станет понятно, зачем это нужно. В цикле слово или длинное слово нулей пересылается в массивы с помощью косвенной адресации (с постинкрементом); вспомните, что постинкрементная адресация — штука интеллигентная, она инкрементирует адресный регистр правильным образом, прибавляя в нашем случае 2 в операции со словом и 4 в операции с длинным словом. Команда DBF заслуживает особого объяснения. Она представляет собой один из вариантов команды DBcc, для которого код условия ее = «ложь» (False). Любая команда (в общем виде) DBcc Dn, метка фактически проверяет два условия.

Сначала она анализирует выполнение условия ее (т. е. состояние флагов, установленное предыдущей командой), при этом, если ее = «истина», ничего не делается (т. е. команда как бы пропускается и ЦП переходит к выполнению следующей команды). Если, однако, ее = «ложь», происходит декремент указанного регистра (как слова) и переход на метку метка, с предварительным анализом содержимого регистра. Если в регистре обнаруживается — 1, переход на метку не осуществляется, и выполняется следующая команда. В нашем случае команда DBcc действует просто как оператор цикла, так как ее = F («всегда ложь», см. табл. 11.1), поэтому декремент D1 осуществляется безусловно, до тех пор, пока не обнаружится D1 = — 1. Несмотря на эти сложности (а также и необходимость использовать счетчик длиной в слово), команда DBcc весьма удобна, так как заменяет две команды (SUBQ, Вcс), и выполняется очень быстро. Поскольку она проверяет счетчик на —1, последний следует инициализировать числом, на 1 меньшим требуемого числа шагов, чем и объясняется инициализация, использованная в программе. Подпрограмма заканчивается обычной командой RTS (возврат из подпрограммы), восстанавливающей исходное содержимое PC (программного счетчика) и осуществляющей таким образом возврат в вызывающую программу.

Заметьте, что в начале подпрограммы не понадобилось сохранять содержимое каких-либо регистров, потому что вызывающая программа не оставила ничего ценного в регистрах D0-D1 и А0-А1. Обратите также внимание на использование MOVE, а не CLR для обнуления массивов; оказывается, команда MOVE работает быстрее CLR из-за особенностей архитектуры МП 68000 — при выполнении CLR МП 68000 сначала инициализирует цикл чтения, а затем — цикл записи. Разработчики приняли такое, на первый взгляд, странное решение для упрощения логики ЦП.

Упражнение 11.13. Напишите вариант подпрограммы clear arrays с использованием команд SUBQ и Всс вместо DBF . Напишите еще один вариант, в котором вместо MOVE используется CLR .

Подпрограмма update более содержательна. Ее задача — обновлять массив DISPLAY в памяти (а также и состояние ЭЛД); она многократно вызывается в обоих циклах главной программы. Поскольку прерывания имеют приоритет, они выполняют свою работу в точном соответствии с расписанием (каждые 100 мкc), все же оставшееся время отдается подпрограмме update. Ее действия начинаются с пересылки образа ЭЛД в памяти в физический порт ЭЛД. Даже эта относительно простая операция требует некоторых пояснений. Естественный вопрос, который должен прийти вам в голову, — это почему бы, желая установить или сбросить бит ЭЛД, не обновлять ЭЛД непосредственно? В ответ надо указать на два обстоятельства. Во-первых, просто записать новый байт в порт ЭЛД нельзя, так как при этом потеряются значения остальных битов; либо мы должны иметь порт ЭЛД с возможностью как записи, так и чтения, либо надо хранить в памяти образ ЭЛД. Поскольку из нашего порта ЭЛД читать нельзя, в памяти предусмотрена ячейка led__store, хранящая копию последнего байта, посланного в порт ЭЛД. Во-вторых, раз уж такая ячейка все равно есть, мы можем сэкономить время в критических циклах обработчика прерываний, обновляя в них только ячейку led__store. Передачу же сообщения на ЭЛД-индикатор передней панели будет осуществлять подпрограмма update в ходе своего выполнения. Все это станет более понятным, когда мы приступим к рассмотрению обработчика прерываний.

Упражнение 11.14. Какие дополнительные (очень несложные) аппаратные средства требуются для того, чтобы можно было читать из порта ЭЛД? Проявите сообразительность, чтобы дополнительная дешифрация адреса получилась простой.

Оставшаяся часть подпрограммы update обновляет массив DISPLAY. Прежде всего из памяти извлекается смещение (число элементов от начала массива) очередного обновляемого элемента. (Для этого было бы неплохо использовать выделенный адресный регистр, но при распределении регистров приоритет был, конечно, отдан обработчику прерываний.) Смещение умножается на 4 (сдвигом влево на 2 бит), чтобы его можно было использовать для индексной адресации в массиве DATA длинных чисел. Переслав в D1 очередной элемент из DATA, мы считываем с управляющей панели текущее значение масштаба изображения и маскируем его, чтобы получить число от 0 до 15. Число 15 ($0F) обозначает автомасштабирование, в то время как меньшие числа определяют фиксированный масштаб в виде степени 2. Мы либо соответствующим образом сдвигаем значение элемента, либо переходим на программный блок автомасштабирования.

Для выполнения автомасштабирования нам надо значение текущего (индексированного с помощью update__offset) элемента DATA разделить на текущее значение из массива NORM (которое говорит, сколько разверток включено в значение DATA), а затем еще раз разделить на ширину канала (которая говорит, сколько выборок было сделано в каждой развертке). Перед любым делением всегда проверяйте на нуль! Наконец, как при сдвиге, так и при автомасштабировании мы должны преобразовать полученное длинное данное со знаком в байт со знаком. В случае автомасштабирования результирующее длинное число всегда находится в диапазоне ±128. В случае фиксированного масштаба, если выбрать масштаб меньше отсчета в наиболее заполненном канале, произойдет переполнение. Лучше всего сделать так, чтобы при переполнении точки, выходящие за верхний край изображения, «прокручивались» в его низ и наоборот. Написав несколько чисел и проиграв с ними разные варианты, вы легко убедитесь, что правильный алгоритм заключается в усечении числа до 8 бит и инвертировании затем старшего бита. Мы реализовали этот алгоритм с помощью команды изменения бита BCNG, после которой выполняется байтовая пересылка (командой MOVE) в массив DISPLAY. Далее мы инкрементируем и сохраняем индекс update__offset и, наконец, выполняем команду RTS.

Обработчик прерываний. Наконец мы добрались до обработчика прерываний — центральной фигуры всей программы. Перед нами четыре точки входа в обработчик, инициируемый прерываниями от таймера; перед нами также простенький обработчик bad__int ложных прерываний, а также и всех остальных векторизованных ошибок и ловушек (табл. 11.5). Займемся ради разминки программой bad__int, а когда не останется отговорок, примемся за обработчик прерываний от таймера.

МП 68008, как уже описывалось выше, распознает прерывания, а также разнообразные «исключения», перечисленные в таблице, и сохранив в стеке текущие PC и SR, осуществляет переход на команду, адрес которой извлекается из вектора, соответствующего данному исключению. Так, если вы попытаетесь разделить на нуль, ЦП сохранит в стеке содержимое счетчика команд и регистра состояния, а затем перейдет на команду, 32-разрядный адрес которой хранится в байтах памяти с абсолютными адресами $014—$017. Точно так же обслуживаются и прерывания, причем для векторов прерываний с полным подтверждением отведены ячейки с адресами $100-$3FF, а для векторов автовекторизуемых прерываний — ячейки $064-$07F. Вы можете выполнять в обработчике прерываний любые действия; завершить их следует командой RTE (возврат из исключения). Чтобы избежать путаницы, ЦП запрещает прерывания после передачи управления обработчику и разрешает их снова при выполнении команды RTE. Если у вас уж слишком закрученный обработчик, вам может понадобиться разрешить прерывания (только более приоритетных уровней) внутри обработчика, что можно сделать, послав соответствующий байт в регистр состояния.

Программа bad__int . Из рис. 11.20 и текста программы 11.3 легко представить ход выполнения программы bad__int, в задачу которой входит упорядоченный сброс выходных сигналов и вывод на ЭЛД какой-то бросающейся в глаза информации. Стартовый адрес этой программы, определяемый компоновщиком после сборки всех настраиваемых строк, загружается (главной программой в процессе начальной загрузки) во все зарезервированные для векторов ячейки (в начале памяти), перечисленные в таблице. Любое исключение или ложное прерывание (т. е. что угодно, кроме прерывания уровня 5) заставляет ЦП выполнить описанную выше процедуру с передачей управления на программу bad__int. Сначала выключается сигнал Z-оси, чтобы исключение, случайно возникшее в середине программного импульса Z-оси, не оставило луч дисплея включенным на полную яркость (к тому же в одной точке). Далее стоит сбросить сигнал на выходе РАЗВЕРТКА и установить сигнал на выходе КОНЕЦ, поскольку в предшествующих измерениях все равно нет смысла.

Теперь проявим остроумие. Пошлем в порт ЭЛД 01Н и войдем в бесконечный цикл, в котором это число циклически сдвигается влево и после биологически заметной задержки снова посылается на ЭЛД. Результатом такой операции будет «шагающий бит» на ЭЛД-индикаторе, картина, которая заставит встрепенуться самого измученного оператора. Поскольку в цикле нет команды RTE, процесс этот будет идти бесконечно. Чтобы снова начать измерения, оператор должен нажать кнопку СБРОС.

Упражнение 11.15. Придумайте более совершенный алгоритм, позволяющий оператору определить, какое исключение привело к сбою. Подсказка: всего имеется немного менее 256 исключений; ЭЛД-индикатор содержит 8 бит. Можете ли вы написать программу, реализующую ваше решение?

Прерывания от таймера: четыре точки входа. Теперь у нас не осталось никаких отговорок. Нырнем. Текст обработчика прерываний входит в программу 11.3; его структурная схема изображена на рис. 11.21.

Рис. 11.21. Структурная схема обработчика прерываний.

Обработчик имеет четыре точки входа, соответствующие различным состояниям прибора. Они обозначены idle, wait__trig, sweep__start и get__data. Программа, в зависимости от общего состояния прибора, автоматически изменяет содержимое вектора прерываний (ячейка $074), связывая прерывание с той или иной точкой входа. Если вы не желаете накапливать данные, вы входите в обработчик в точке idle; на экран выводится одна точка и осуществляется возврат. Если войти в обработчик в точке get__data, программа считывает АЦП, проверяет, не возникли ли состояния «конец ячейки» или «конец развертки» (обрабатывая их соответствующим образом) и обновляет дисплей. При входе в точке sweep__start устанавливается требуемое состояние ЭЛД и выходных сигналов и осуществляется переход в точку get__data.

Наконец, вход wait__trig служит для проверки наличия сигнала внешнего запуска и перехода либо на sweep__strat, либо на idle. В обработчике прерываний имеются и другие метки (например z__pulse), но они не являются входными точками, а служат для переходов внутри программы.

Прерывания от таймера: idle. Учитывая важность обработчика, рассмотрим его во всех деталях. Ранее в главной программе вектор прерываний был настроен на вход idle, чтобы в ожидании запуска образовать изображение на экране. Таким образом, выполнение начинается с метки idle__int. Если вспомнить назначение зарезервированных регистров, понять ход программы не сложно. В D4 хранится индекс очередной точки экрана, требующей регенерации, который мы посылаем в преобразователь Х-координаты ЦАПО (используя косвенную адресацию со смещением, которая быстрее абсолютной). В преобразователь Y-координаты ЦАП1 мы посылаем данное (используя D4 в качестве индекса массива DISPLAY, указатель базы которого находится в А4). D4 инкрементируется (но не проверяется на конец массива) и управление передается генератору импульса Z-оси.

Упражнение 11.16. Объясните, почему можно обойтись без проверки индексного регистра D4 массива DISPLAY после его инкрементирования?

К этому времени Х- и Y-ЦАП уже установились (время установки 1 мкс), поэтому генератор Z-импульса с помощью команды BSET устанавливает бит Z__BLANK (бит 4, см. определения) параллельного порта В, адрес которого, ввиду его частого использования, мы храним в регистре А2. Сбросить бит можно следующей командой, но в этом случае образовался бы слишком короткий (3 мкс) импульс, и изображение было бы бледным (подсветка на 3 мкс каждые 100 мкс). Поскольку, однако, все прерывания завершаются через этот программный блок, мы можем воспользоваться возможностью и сделать полезное дело, одновременно убив время, именно, сообщить таймеру, что он может снять свой запрос на прерывание. Запись в регистр команд и состояния таймера-1 осуществляется с помощью двухэтапного процесса (как это было и в блоке инициализации главной программы): сначала мы посылаем в управляющий регистр микросхемы (адрес $84003) внутренний адрес регистра ($0А), а затем посылаем сам управляющий байт ($20), который интерпретируется микросхемой 8536, как команда на снятие запроса прерывания от таймера-1. Больше до выхода из прерывания ничего делать не нужно, поэтому мы завершаем импульс Z-оси (командой BCLR) и выполняем команду RTE (возврат из исключения). Поместив строки подтверждения прерывания в генератор Z-импульса, мы удлинили импульс подсветки до 10 мкс, с повторением его каждые 100 мкс. Прерывание все равно надо было подтвердить, и мы нашли для этого самое подходящее место. Такая же глюковина использована нами и в другом месте, когда мы в течение аналого-цифрового преобразования посылаем в ЦАП X и Y-координаты точки. Об этом ниже.

Прерывания от таймера: get_data. Эта точка входа используется чаще других, именно, когда усреднитель сигнала выполняет развертку. Мы запускаем АЦП, посылая в его порт байт режима ($03); это число определяет биполярное преобразование в дополнительном коде. Как и раньше, для повышения скорости мы используем косвенную адресацию через регистр A3 (в котором хранится адрес АЦП).

Теперь надо подождать 10 мкс окончания преобразования — прекрасная возможность послать на ЦАП дисплея новую пару X и Y-координат точно так же, как это делается в блоке idle. Эти программные действия заканчиваются на 1 мкс раньше, чем нужно, поэтому мы тянем время с помощью команды NOP (холостая команда), а затем считываем АЦП. Заметьте, насколько это удобнее, чем вводить бит состояния, сигнализирующий о завершении преобразования в АЦП (эта возможность обсуждалась в разд. 11.05); не забудьте, однако, добавить еще несколько команд NOP, если вам захочется увеличить тактовую частоту ЦП.

Мы прочитали из АЦП байт в дополнительном (до 2) коде, но наш массив DATA и накопитель ячейки (D7) используют длинные дополнительные числа. Для получения длинного целого числа дважды выполняется команда ЕХТ (расширение знака). Расширение знака представляет собой просто копирование самого старшего бита числа влево, пока не заполнится большее по длине целое слово; эта операция сохраняет значение целого со знаком (простое заполнение нулями не сохраняет значения числа). Расширенное целое добавляется к накапливаемому содержимому ячейки в D7, а счетчик ширины канала dwell__per__bin (D6) декрементируется. Если в нем еще не нуль, возврат осуществляется через z__pulse, как описано выше. Полное время выполнения программы обработчика в этом случае составляет 32,3 мкс плюс 9 мкс на процедуру прерывания ЦП и еще 5 мкс на команду RTE, всего 46,3 мкс. Таким образом, главная программа имеет более половины процессорного времени на выполнение простой задачи обновления массива DISPLAY.

Если накопление в канале завершилось, обработчик устанавливает счетчик ширины канала, добавляет накопленное значение в D7 к соответствующему элементу массива DATA (на который указывает А5), инкрементирует соответствующий элемент массива NORM (через А6), очищает регистр-аккумулятор (D7), декрементирует счетчик каналов и (если в счетчике каналов не нуль, т. е. развертка не завершилась) переходит на z__pulse. Обратите внимание на использование автоинкрементного режима адресации. Дополнительное время, расходуемое обработчиком на выполнение этих операций, составляет 14,8 мкс.

Если завершилась и развертка, о чем говорит нуль в счетчике каналов D5, обработчик устанавливает указатели, ЭЛД-индикатор и выходные сигналы. Затем проверяется, не была ли нажата кнопка СТОП; такую проверку следует обязательно выполнять в конце (или начале) развертки, чтобы данные всегда усреднились по целому числу разверток. Если кнопка СТОП была нажата, программа переходит на метку stop sweep, в результате чего устанавливаются выход КОНЕЦ и стоп-флаг, а в вектор INT5 загружается адрес входной точки idle.

Если кнопка СТОП не нажималась, программа проверяет, не следует ли завершить измерения ввиду отработки заданного на передней панели числа разверток (число оставшихся разверток хранится в памяти в переменной num__sweeps), поскольку значение 0 обозначает «безостановочная работа», мы сначала проверяем на нуль; если num__sweeps = 0, это значение сохраняется и осуществляется переход на re__trigger, в противном случае значение num__sweeps декрементируется и снова проверяется на нуль. Если теперь оно равно нулю, это значит, что закончилась последняя запланированная развертка; в этом случае осуществляется переход на stop__sweep. Если развертки не исчерпались, выполняется программный блок re__trigger.

Блок re__trigger определяет режим запуска следующей развертки. Если переменная autoloop, установленная программой main после считывания состояния управляющей панели, имеет значение «истина», в вектор INT5 загружается адрес точки входа sweep__start, в противном случае загружается адрес wait__trig.

Заметьте, что в процессе смены вектора нет опасности прерывания, потому что пока ЦП выполняет обработку прерывания, прерывания запрещены; поскольку мы не включаем их в обработчике прерывания, они остаются запрещенными.

Прерывания от таймера: sweep__start и wait__trig. Эти входные точки используются, если следующее прерывание должно начать развертку, либо мы ожидаем импульса внешнего запуска (длительностью на менее 100 мкс!). Соответствующий адрес загружается в вектор INT5 либо в главной программе при нажатии кнопки ПУСК, либо в обработчике прерываний при завершении обработки не последней развертки (в точке re__trigger); по структурной схеме можно проследить, где это делается. Программный блок sweep__start сразу начинает развертку, и его структура проста: зажигается ЭЛД РАЗВЕРТКА, устанавливается выходной сигнал РАЗВЕРТКА, сбрасывается фиксатор бита кнопки СТОП («запоминание 1»), загружается вектор get__data, а затем происходит естественный переход на метку get__data. При последующих прерываниях вход в обработчик прерываний осуществляется через входную точку get__data.

Вход в обработчик через входную точку wait__trig осуществляется, если следующая развертка не должна начаться до получения внешнего сигнала запуска (параллельный порт А, бит 7). Поскольку нажатие на кнопку СТОП должно «пересиливать» запуск, программа сначала анализирует состояние входа СТОП (и переходит при наличии этого сигнала на метку stop__sweep), а затем входа внешнего запуска; если сигнал запуска отсутствует, происходит переход на метку idle, если присутствует - на метку sweep__start.

11.08. Характеристики

Измерительный прибор на основе микропроцессора можно сконструировать таким образом, чтобы весь сбор данных осуществлялся быстрой аппаратурой, а микропроцессор выполнял лишь функции начального запуска и вывода информации. Такой прибор будет работать с максимальной скоростью, определяемой быстродействием аппаратуры, а микропроцессор придаст ему гибкость и облегчит работу с ним. Разумеется, вы платите сложностью и стоимостью аппаратуры; кроме того, гибкость прибора может оказаться невысокой из-за фиксированной аппаратной организации. Если в противоположность такому подходу вы упрощаете аппаратуру и используете процессор для обработки данных в реальном времени, как это сделано в нашем примере, вы можете удешевить аппаратуру и повысить гибкость прибора за счет, возможно, его быстродействия. Во многих случаях, однако, быстродействие не имеет решающего значения, и выбор оказывается однозначным.

В нашем случае базовая частота выборок и, следовательно, ширина канала ограничиваются скоростью работы процессора. Программа обработки любого прерывания должна завершиться до поступления следующего. При проектировании нашего прибора мы оценили необходимый объем обработки и решили, в значительной степени интуитивно, что 100 мкс хватит для ее выполнения. Естественно, уверенности у нас не было, но в случае необходимости мы были готовы пойти на уменьшение частоты выборок.

Посмотрим теперь на числа. Технические характеристики МП 68008, которые представляют собой том объемом 100 страниц, включают таблицы времен выполнения команд (в числе тактов). С помощью этих таблиц мы рассчитали длительности выполнения программных блоков, упоминавшиеся в тексте. Ниже приведены расчетные данные (с учетом операций векторизации и возврата) для обработчика прерываний;

Входная точка · Время выполнения (мкс)

i dle               37

det__data      46,3 (внутри канала)

                    61 (конец канала)

                    92 (конец развертки, ручной СТОП)

                    105 (конец развертки, программный останов)

                    113 (конец развертки, ожидание внешнего запуска)

                    114 (конец развертки, автозапуск)

sweep__start 61

wait__trig     46 (нет запуска)

                    69 (запуск)

Большая часть приведенных длительностей не превышает «длительности пульса» усреднителя сигналов (100 мкс), что, конечно, очень хорошо. В трех случаях, однако, время обработки прерывания оказывается больше 100 мкс. Первая ситуация (конец развертки, программный останов) не страшна, поскольку затрата нескольких липших микросекунд после того, как все данные собраны, не имеет значения. Точно так же вряд ли вас обеспокоит вторая критическая ситуация (ожидание внешнего запуска), так как между сигналом внешнего запуска и началом очередной развертки всегда можно допустить некоторое время ожидания. Однако от последней ситуации (конец развертки, автозапуск) можно ожидать неприятностей, так как в режиме автозапуска мы ожидаем значение полного периода, точно равное 256 х ширина канала. В действительности, однако, здесь все в порядке по следующей причине. При использовании усреднителя сигналов в режиме автозапуска внешнее оборудование всегда запускается от усреднителя (для чего и предусмотрен выходной сигнал РАЗВЕРТКА), и если период будет отличаться на долю процента от ожидаемого, никакой беды не будет. Если, однако, вам необходимо завершать обработку за время, меньшее 100 мкс, используйте МП 68008 с тактовой частотой 10 МГц, отчего все длительности окажутся меньше на 20 %; это даст для наихудшего случая значение, меньшее 100 мкс (фактически 91 мкс). Однако при использовании более быстрого процессора не забудьте подправить программу обработчика, чтобы предоставить АЦП достаточное время для преобразования.

В целом, наше предположение, что МП 68008 позволит осуществлять выборку с частотой 10 кГц, оправдалось. Авторам это особенно приятно, так как мы написали все до последнего параграфа, и лишь тогда сами узнали, что были правы. Очевидно также, что безнадежно добиться от нашего прибора частоты 20 кГц без перехода на аппаратную обработку данных.

11.09. Некоторые дополнительные соображения

В процессе разработки прибора мы, сталкиваясь с различными возможными вариантами элементов аппаратного или программного обеспечения, должны были принять какое-то решение. Во многих случаях выбор варианта не был однозначным. Чаще всего, правда, «наилучшее решение» представлялось очевидным, но иногда альтернативный вариант был ничем не хуже; в таких случаях, как правило, мы старались выбрать решение, отличающееся максимальной простотой или иллюстрирующее наиболее употребительную методику (избегая хитроумных приемов, основанных на тонких особенностях аппаратуры), а также приводящее к упрощению программы. В реальной жизни (в противоположность книгам) вполне естественно использовать особенности аппаратуры; естественно также писать сложные программы. Рассмотрим некоторые элементы нашего проекта, допускающие альтернативные решения.

Чтение состояния органов управления с помощью таблицы. В нашей программе предусмотрен программный блок, выполняющий чтение и анализ различных битов с управляющей панели, а также соответствующую установку программных параметров. Это распространенный и удобный способ настройки программы. Имеется, однако, и другое, не менее удобное решение, и при этом допускающее простую модификацию. Организуется короткий цикл опроса битов управляющей панели, при этом адреса портов, расположение битов и соответствующие им настраиваемые переменные программы описываются с помощью таблиц. Поскольку такая методика требует особых разъяснений и в нашем случае, возможно, привела бы к усложнению программы, мы выбрали более простое решение: включение в программу однозначных строк чтения органов управления. Однако в приложениях с большим числом параметров, особенно, если вам может понадобиться изменять назначение или значения входных битов, удобнее использовать табличную методику.

Одновибратор подсветки. Мы использовали для подсветки луча дисплея «программный импульс» параллельного порта, потому что считали необходимым продемонстрировать эту полезную методику. При этом мы особо подчеркнули, что при включенных прерываниях нельзя получить надежный программный импульс. Другая возможность заключается в использовании (вместо бита параллельного порта) аппаратного импульсного генератора, например, микросхемы одновибратора. Такого рода микросхемы, вообще говоря, применять рискованно, однако для нашего случая прекрасно подходит микросхема 8536 СIO фирмы Zilog, содержащая встроенный одновибратор, с которого можно снять выходной сигнал. Этот одновибратор фактически образуется с помощью одного из трех встроенных таймеров, что позволяет программно управлять длиной его импульса (вы даже можете соединить два таймера последовательно и получить более длинный импульс). В нашем приборе используются не все таймеры; и описываемая методика оказывается весьма удобной. С ее помощью сокращается программа обработчика прерываний и возникает возможность оптимальной настройки длительности Z-импульса подсветки.

«Запоминание 1» для кнопки СТОП. При чтении состояния кнопки СТОП мы воспользовались полезным качеством микросхемы 8536, именно, наличием встроенного триггера «запоминания 1». При инициализации микросхемы 8536 можно придать свойство запоминания 1 любому биту входного порта; этот бит затем устанавливается при кратковременном нажатии на кнопку и удерживает это состояние до программного сброса при выполнении цикла записи в этот бит порта. Для нашего случая это очень удобно, потому что нам надо фиксировать нажатие кнопки СТОП только в конце развертки. Длительность развертки может составлять много секунд, и встроенная память позволяет избежать периодического считывания состояния кнопки СТОП; поэтому в нашей программе состояние бита СТОП анализируется только в конце развертки (см. рис. 11.21).

Большинство микросхем параллельных портов не содержит входной памяти, и вам может понадобиться запланировать в программе действия, которых нам удалось избежать. Сделать надо следующее. Прежде всего определите внутренний программный флаг, который можно назвать stop__at__end (останов в конце); в программе это определение следует поставить после stop__flag. Не забудьте сбросить этот флаг перед входом в цикл приема данных; удобно это сделать после считывания состояния управляющей панели. Далее добавьте в цикл update__loop несколько команд, чтобы периодически проверять вход stop__bit и, если кнопка СТОП нажата, установить флаг stop__at__end. Наконец, измените строки обработчика прерывания так, чтобы в конце каждой развертки проверялась не кнопка СТОП, а этот программный флаг.

Упражнение 11.17. Впишите карандашом предлагаемые изменения в листинг программы.

Обработчик прерывания: несколько точек входа или флаги? В программе обработчика прерываний мы предусмотрели несколько входных точек, по одной на каждое возможное состояние прибора (бездействие, ожидание сигнала запуска, начало развертки, накопление данных). Поскольку обработчик прерываний не является вызываемой подпрограммой, и вход в него осуществляется по вектору, программа при каждом изменении состояния изменяет и точку входа, загружая ее адрес в ячейки вектора (в начале памяти). Очевидно, что вместо этого можно иметь в обработчике одну точку входа, а для передачи управления на требуемый программный блок предусмотреть строки анализа флага. В этом случае программа передает обработчику информацию о требуемых действиях путем изменения состояния программного флага (вместо того, чтобы настраивать вектор прерываний). Такой метод отличается простотой, однако программа выполняется медленнее, поскольку при каждом входе в обработчик осуществляются проверки и переходы. Разница, впрочем, не так уж велика, и вы вполне можете изменять функцию драйвера с помощью флагов, если этот способ вам нравится больше.

Последовательный порт: дамп данных и управление ведомым. Как уже отмечалось в разд. 11.06, наш усреднитель сигналов не обладает важным свойством пересылки усредненных данных на другой компьютер. Программа выполнения этой операции не сложна, однако громоздка, так как должна включать процедуры инициализации (как для микросхемы 8536), упаковки данных, а также квитирования, чтобы приемник данных мог инициировать передачу данных и подтверждать их прием.

Если предположить, что связь с другим компьютером осуществляется через последовательный порт, имеет смысл использовать этот порт и в качестве альтернативной управляющей панели, чтобы внешний компьютер мог настраивать параметры и запускать накопление данных. Для этого специальная программа анализа должна «отлавливать» определенные байты, которые компьютер посылает в усреднитель, чтобы получить управление. С помощью дополнительных байтов определяются сами параметры (ширина канала, число разверток и др.), причем диапазоны изменения параметров не ограничиваются количеством фиксированных положений переключателей, как это имеет место в нашем приборе с управляющей панелью. Разумеется, надо предусмотреть программное обеспечение, переключающее прибор на управление от управляющей панели, если из компьютера не поступает запрос на управление. Это позволит нам и на земле погулять, и в рай попасть: простота настройки с помощью ручек на передней панели будет сочетаться с гибкостью компьютерного управления.

Чтение органов управления с плавной регулировкой. В описываемом микропроцессорном приборе нам удалось избежать сложностей, присущих органам управления с плавной регулировкой, так как мы использовали более простые устройства - переключатели, каждый из которых связан с одним из битов параллельного порта. Нежелание разработчиков усложнять себе жизнь привело к появлению неоправданной тенденции полного отказа от органов плавной регулировки, которые заменяются (например, в генераторе с микропроцессорным управлением) парами кнопок «вверх» и «вниз». Возможно, вы, как и мы, испытываете ностальгическое желание плавно покрутить ручки. Наш усреднитель сильно выиграл бы при наличии ручки, позволяющей выбрать определенный канал и вывести на экран его адрес и число отсчетов в нем.

Простейший способ организации плавного управления в микропроцессорном приборе заключается в использовании АЦП, преобразующего напряжение от переменного резистора, укрепленного на передней панели и подключенного между напряжением +5 вольт (или другим, более удобным) и землей. В продаже имеются небольшие дешевые микросхемы 8-битных АЦП, скомпонованных с 8-битными мультиплексорами и дискретизаторами с памятью; обычно у вас остается несколько свободных входов, которые можно использовать для чтения нескольких органов управления на передней панели. Можно даже с помощью АЦП прочитать состояние «-позиционного поворотного переключателя — достаточно подключить его выводы к цепочке из n — 1 резистора равной величины и подать на АЦП выходное напряжение!

Если вам нужно иметь лучшее разрешение, чем обеспечивает простой 8-битный АЦП, подумайте о многооборотном кодировщике. Он укрепляется на передней панели и имеет размер не больше обычного переменного резистора. Кодировщик содержит пару оптических прерывателей, формирующих, по мере вращения ручки, импульсы, сдвинутые по фазе на 90°. Сдвиг импульсов по фазе дает возможность определить, в каком направлении поворачивается ручка (см. рис. 8.97). В отличие от обычного переменного резистора, многооборотный кодировщик не имеет фиксатора, что и позволяет поворачивать его ось на много оборотов. Типичный узел такого рода серии Bourns EN формирует 256 импульсов на один оборот.

 

Микросхемы аппаратной поддержки микропроцессора

В нашем микропроцессорном приборе использованы 22 интегральные схемы, из которых 10 представляют собой мощные функциональные БИС (ЦП, память, параллельные и последовательные порты, календарь-часы, АЦП и ЦАП), а остальные 12, составляющие очевидное большинство, являются низменными вентилями, триггерами, буферами и фиксаторами. Эти микросхемы низкой и средней степени интеграции нужны для сочленения между собой больших микросхем и иногда называются «склеивающей логикой». Количество этого клея можно существенно уменьшить, если прибегнуть к помощи ПЛМ или даже (в условиях массового выпуска) заказных или полузаказных микросхем, специально разработанных под конкретную задачу. Тем не менее, фиксаторы и, особенно, тристабильные буферы используются весьма интенсивно во всех микропроцессорных системах, так что краткий обзор имеющихся возможностей вполне уместен. После этого мы коснемся некоторых распространенных поддерживающих БИС (последовательные и параллельные порты и преобразователи) и завершим главу обсуждением запоминающих устройств.

11.10. Микросхемы средней степени интеграции

Фиксаторы и D-регистры. Фиксаторы и регистры уже упоминались в разд. 8.24. Термин «фиксатор», строго говоря, относится к прозрачному фиксатору, у которого состояние выходов повторяет состояние соответствующих входов (на время действия сигнала разрешения). Так называемый фиксатор с фиксацией по фронту является, в действительности, регистром D-типа. Он состоит из D-триггеров с общим тактовым входом. Различие в функционировании этих схем приводит к важным последствиям, когда они используются для фиксации данных, поступающих с магистрали, что связано с особенностями относительной синхронизации во времени сигналов данных и строба записи. В частности, в соответствии с протоколом некоторых микропроцессорных магистралей (например, машин IBM PC), данные не обязательно будут достоверными на фронте строба записи, однако гарантируется их достоверность на срезе этого сигнала (и в течение некоторого минимального времени после него); см. рис. 10.6 и 11.22. При использовании прозрачного фиксатора с разрешением на все время стробирующего сигнала на его выходе почти наверняка появятся переходные состояния, как это показано на рис. 11.22.

Рис. 11.22. Синхронизация цикла записи, а — прозрачный фиксатор; б — регистр с фиксацией по перепаду.

С другой стороны, выходы регистра D-типа (тактируемого в нашем случае по срезу строба) изменяют свое состояние по перепаду строба и гарантированно не будут иметь ложных состояний. Важно отметить, что выходные биты, состояние которых с момента последнего цикла записи не изменялось, будут неизменно находиться в тех же состояниях, не подвергаясь действию переходных процессов; таким образом, с помощью выходных линий фиксатора можно спокойно создавать сигналы данных и стробов для управления последующими электронными цепями.

Делая выбор между фиксатором и регистром, учтите, что на выходе прозрачного фиксатора достоверные данные появляются раньше, и иногда это может оказаться решающим доводом. Учтите также, что на многих магистралях (в частности, МП 68008) правильные данные поддерживаются в течение всего стробирующего сигнала с учетом времен упреждения и удержания, и в этом случае D-peгистр можно тактировать по фронту, если для этого хватит времени упреждения.

Естественно, что на такой магистрали прозрачные фиксаторы не будут иметь на выходах переходных состояний. На рынке имеется большое разнообразие и D-регистров, и прозрачных фиксаторов, с такими характерными чертами, как вход сброса, «разнесенные» выводы (все входы на одной стороне, все выходы на другой), инверсные выходы, тристабильные выходы (удобные для подключения к шине), а также раздельные по входам сигналы разрешения. Последнее качество упрощает внешнюю логику, позволяя тактировать фиксатор сигналом строба записи, а разрешать по входу сигналом с выхода дешифратора адреса. Характеристики фиксаторов были перечислены в табл. 8.9. Всеобщими любимцами являются восьмиразрядные тристабильные микросхемы `373 (фиксатор) `374 (D-регистр) или их модернизированные варианты с разнесенными выводами `573 и `574. Все они упакованы в DIP-корпусы с 20 выводами. В таком же корпусе выпускается микросхема `273, которая представляет собой микросхему `374 с сигналом сброса (но не тристабильную), а также микросхема `377-вариант `374 с сигналом разрешения (но без трех состояний). Более новые «долговязые» DIP-корпусы с 24 выводами имеют привычную ширину 0,3 дюйма, но предоставляют несколько дополнительных выводов. Так, новейшая серия `821 включает 8- и 9-разрядные регистры и фиксаторы со входами разрешения и сброса и тристабильными выходами, и все это в корпусах с разнесенными выводами.

Заметьте, что во многих приложениях некоторые из этих узких микросхем с 20 и 24 выводами могут оказаться удобнее причудливых БИС параллельных портов с 40 выводами (шириной 0,6 дюйма). Например, в нашей разработке мы использовали для ЭЛД-порта 8-разрядный регистр `273, а для порта DIP-переключателей 8-разрядный буфер `240. Вместо этого можно взять БИС параллельного порта вроде Zilog 8536 (хотя для такого примитивного прибора хватило бы и более простой микросхемы Intel 8255), которая стоит дороже, потребляет больше места и питания и требует дополнительного программирования. Однако для БИС характерна меньшая мощность выходов (1,7 мА на выходе и ничтожный входной ток у микросхемы 8255, в сравнении с 8 мА как на входе, так и на выходе у микросхемы `НСТ273). Некоторые микросхемы фиксаторов/регистров средней степени интеграции, когда дело доходит до выходных характеристик, напоминают могучих битюгов: микросхемы семейства `АС(Т) могут принимать и отдавать до 24 мА, а для серии `AS821 характерны значения 24 мА по входу и 48 мА по выходу. С другой стороны, БИС начинают играть всеми цветами радуги, когда вам требуется богатство возможностей (прерывания, причудливые режимы входов и выходов и т. д.), а не просто грубая сила.

Буферы. Другой тип микросхем, используемый в микропроцессорных разработках целыми пригоршнями, — это тристабильные буферы. С их помощью на шине устанавливают адреса и данные. Чаще всего вы просто посылаете данные в ЦП, как это было с вашим простым вводом данных с DIP-переключателя. Как и в случае фиксаторов, имеются варианты микросхем шириной 8 бит и более, с 20 и 24 выводами. Микросхемы могут иметь такие черты, как входной гистерезис (для подавления шума), инверсные выходы, разнесенные выводы, а также раздельные входы разрешения для двунаправленной передачи. Специальные двунаправленные буферы со входами направления и разрешения (вместо пары входов разрешения) называются приемопередатчиками; в табл. 8.5 перечислены их характеристики.

На рис. 11.23 показан двунаправленный буфер, использованный для усиления относительно маломощной (~ 5 мА) шины данных микропроцессора, что позволяет нагружать ее сопротивлением и емкостью платы, заполненной микросхемами; такие буферы обязательны в микрокомпьютерах, где плата ЦП должна направлять относительно большие токи в системную шину на объединительной плате, характеризующуюся высокой емкостью.

Рис. 11.23. Шинный приемопередатчик.

Часто можно найти микросхему средней степени интеграции с тристабильным выходным буфером и другими удобными для вас чертами; например, счетчик, фиксатор или даже АЦП/ЦАП с тристабильными выходами можно непосредственно подсоединить к микропроцессорной шине. В нашем примере так подключены АЦП//ЦАП. На рис. 11.24 показан другой пример буферизации шины: в некоторых микропроцессорах (например, 8086 и 8088) для экономии места функции выводов комбинируются, и на одни и те же выводы мультиплексируются и данные, и младшие разряды адреса.

Рис. 11.24. Мультиплектированная шина данных/адреса.

Выходной сигнал ALE (address latch enable, разрешение адресных фиксаторов) сопутствует правильному адресу и используется, как это показано на рисунке, для разрешения группы фиксаторов. Однако фиксировать данные нет необходимости, потому что стробирующие сигналы RD' и WR' действуют только когда сигналы данных имеют правильное значение. Обратите внимание на использование для буферизации двунаправленных линий данных приемопередатчика `245.

11.11. Периферийные БИС

Общие характеристики. Как уже упоминалось, БИС аппаратной поддержки микропроцессора обычно выполняются на базе КМОП- или nМОП- технологии и заключаются в корпуса с 28 или 40 выводами. Для таких БИС характерна высокая степень гибкости, причем их параметры часто допускают программную настройку. Обычно эти БИС предназначаются для определенных микропроцессоров, но фактически их универсальность позволяет использовать БИС одной фирмы с микропроцессором другой; так, мы объединили в нашей разработке календарь-часы фирмы Intersil и два порта фирмы Zilog с ЦП фирмы Motorola. Новые модели периферийных БИС обычно дороги (например, цена микросхемы 8530 составляет около 25 долл.), стоя иной раз больше, чем сам ЦП. Однако постепенно цена модели падает по экспоненциальному закону, что характерно для технологии интегральных схем (и, к сожалению, мало для чего еще в этом мире!). На рис. 8.87 был проиллюстрирован этот, видимо, универсальный закон «Кремниевой Долины» (расположенной на разломе Сан-Андреас между Сан-Франциско и Сан-Хосе).

Несмотря на наши иной раз нелестные замечания в адрес периферийных БИС, они в ряде случаев абсолютно незаменимы; достаточно вспомнить дисковые и видеоконтроллеры. Другим широко распространенным типом БИС поддержки является УСАПП, универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик.

Как использовать УСАПП. УСАПП представляет собой микросхему последовательного порта с микропроцессорным управлением, например Zilog 8530 в нашей разработке. Хороший УСАПП обеспечивает программное управление скоростью передачи, многообразие форматов кадра (число бит, контроль четности и проч.), универсальные синхронные режимы работы (по протоколам вроде HDLC и SDLC), выбор метода модуляции (без возвращения к нулю, частотный, манчестерский), восстановление тактовой синхронизации, контроль ошибок и т. д. Большинство УСАПП обеспечивает режим прерываний, а многие даже блочную передачу данных по каналу ПДП. Почти любое семейство ЦП имеет собственный УСАПП, хотя о совместимости разных УСАПП мало кто думает. Например, фирма IBM для работы с МП Intel 8088 на своих компьютерах PC выбрала УСАПП National 8250 вместо Intel 8251. Мы остановились на Zilog 8530 (он используется также в компьютере Макинтош) из-за его гибкости, доступности и цены, и именно с его помощью мы рассмотрим вопросы подключения и программирования УСАПП.

УСАПП чаще всего используются для пересылки данных на или из терминалов, модемов, устройств для получения твердых копий (принтеры, плоттеры), а также для непосредственной связи компьютеров в общем во всех случаях, когда основными требованиями являются универсальная совместимость и простота соединения. Обычно по линии с помощью биполярных уровней интерфейса RS-232 последовательно передаются коды ASCII, как это было описано в разд. 9.14 и 10.19. В таких простых системах связи УСАПП эксплуатируется в асинхронном режиме, когда каждый 8-битовый символ заключается между старт- и стоп-битами и передается в виде 10-битовой строки с одной из стандартных скоростей; для такого рода применений микросхема 8530 слишком хороша.

Микросхема 8530 выпускается в корпусе с 40 выводами (рис. 11.25); она взаимодействует с ЦП с помощью набора процессорных интерфейсных линий, а с внешним миром — одновременно и независимо с помощью набора коммуникационных интерфейсных линий.

Рис. 11.25. Сигналы «последовательного коммуникационного контроллера» (УСАПП) Zilog 8530 .

Интерфейс с процессором . Для подключения к шине ЦП в микросхеме 8530 предусмотрены 8 двунаправленных линий данных, а для программно-управляемого ввода-вывода обычная пара стробирующих сигналов (RD', WR') и сигнал разрешения микросхемы (СЕ'). Вход А/В определяет, к какому из двух каналов УСАПП осуществляется обращение, а сигнал D/C' показывает, передаются ли данные (высокий уровень D/C') или информация управления/состояния (низкий уровень D/C').

Как и в микросхеме 8536, здесь предусмотрено большое количество регистров управления/состояния, доступ к которым осуществляется парами последовательных пересылок (посмотрите еще раз программные строки инициализации порта 8536). Обычно линии А/В и D/C' попросту подключаются к младшим адресным линиям ЦП, что отображает их на начало адресного пространства, начинающегося с базового адреса УСАПП (определяемого логикой декодирования адреса в устройстве). Наконец, интерфейс с процессором включает четыре линии прерываний.

Коммуникационный интерфейс. Каждый из двух каналов УСАПП (обозначаемых А и В) включает линии передачи и приема последовательных данных (TxD, RxD) вместе с линиями, обеспечивающими квитированное управление модемом (RTS, CTS и т. д.). Соответствующие этим линиям выводы можно обнаружить в разъеме на задней панели компьютера. Кроме этого, предусмотрены менее знакомые тактовые линии, используемые только для синхронной передачи (TRxC, RTxC). Наконец, УСАПП требуется внешний тактовый сигнал с частотой, в 32 раза превышающей наивысшую скорость передачи.

УСАПП не имеет никакого представления о биполярных уровнях интерфейса RS-232, поэтому на всех упомянутых линиях следует использовать драйверы и приемники уровней RS-232. В течение десятилетий в качестве интерфейсных микросхем для уровней RS-232 использовались классические модели биполярных счетверенных драйвера 1488 и приемника 1489; однако для нашего прибора мы выбрали КМОП-микросхему МАХ233 (сдвоенный драйвер/приемник), большим достоинством которой является наличие встроенных удвоителей напряжения и инверторов, что позволяет ограничиться единственным источником питания +5 В. Заметьте, что мы не связывались с линиями управления модемом (RTS, CTS, DSR, DTR); вообще их, как правило, игнорируют, используя вместо аппаратного программное квитирование (Ctrl-S, Ctrl-Q), включаемое в поток данных.

Программное обеспечение. Как уже отмечалось, режимы работы УСАПП устанавливаются командами программы. Байт, посылаемый в УСАПП в командном режиме (сигнал D/C' имеет низкий уровень), интерпретируется УСАПП, как команда управления и устанавливает рабочий режим. Таким образом можно определить вид передачи (синхронная или асинхронная), число стоп-бит, контроль четности или нечетности и т. д. Простые УСАПП вчерашнего дня имели всего один управляющий регистр и программировались легко; хитроумные микросхемы вроде 8530 содержат буквально десятки регистров и для программирования требуют квалификации доктора философии. К сожалению, такова цена, которую вы платите за исключительную гибкость мощных БИС аппаратной поддержки микропроцессора.

Для иллюстрации сказанного рассмотрим последовательность команд инициализации микросхемы 8530 для работы в следующем режиме: асинхронная последовательная передача по каналу А, скорость 1200 бод, 8 бит, без контроля четности, 1 стоп-бит; кроме того, мы запретим прерывания. Полная процедура инициализации длинна и утомительна; мы приведем программу целиком, однако во всей красе рассмотрим лишь один-два важнейших командных байта. В табл. 11.6 перечислены регистры записи и чтения микросхемы 8530, доступ к которым, как мы уже объясняли, осуществляется в два этапа: сначала передается номер регистра в качестве команды (D/C' в низком состоянии), а затем происходит запись в регистр (или чтение из него).

Таблица 11.6. Регистры микросхем Zilog 8530

Регистр · Функция

_____________________

Регистры чтения

RR0 · Состояние буферов приема-передачи и внешнее состояние

RR1 · Состояние условия специального приема

RR2 · Немодифицированный вектор прерывания (канал А); модифицированный вектор (канал В)

RR3 · Биты незавершенных прерываний

RR8 · Буфер приема

RR10 · Общее состояние

RR12 · Счетчик скорости пересылки (младший байт)

RR13 · Счетчик скорости пересылки (старший байт)

RR15 · Информация о прерывании, внешнее/состояние

Регистры записи

WR0 · Инициализация, указатели

WR1 · Прерывания и пересылка, определение режима

WR2 · Вектор прерывания

WR3 · Прием, параметры и управление

WR4 · Общие параметры и режимы

WR5 · Передача, параметры и управление

WR6 · Символы синхронизации или адресное поле SDLC

WR7 · Символ синхронизации или флаг SDLC

WR8 · Буфер передачи

WR9 · Управление и сброс прерывания ведущего

WR10 · Биты общего управления передачи/приема

WR11 · Управление режимом генератора

WR12 · Счетчик скорости пересылки (младший байт)

WR13 · Счетчик скорости пересылки (старший байт)

WR14 · Биты общего управления

WR15 · Управление прерыванием, внешнее/состояние

Для буферов передачи и приема (WR8 и RR8) двухэтапная процедура не приемлема, так как эти регистры используются при пересылке каждого байта; для них достаточно простых операций чтения или записи при D/C' в высоком состоянии. Точно так же, байт состояния буфера требует непосредственного доступа, поскольку чтение его флага обычно осуществляется при каждой пересылке байта данных; в микросхеме 8530 предусмотрено чтение RR0 с помощью простой операции чтения команды/состояния (D/C' в низком состоянии). Ниже мы рассмотрим все это подробнее на основе простых программ на языке ассемблера.

Каждый бит каждого регистра что-то означает. Например, на рис. 11.26 можно найти регистры WR3 и WR4, с помощью которых устанавливаются различные коммуникационные характеристики.

Рис. 11.26. Два регистра, используемые для инициализации микросхемы Zilog 8530 .

В регистре WR3 к асинхронным операциям относятся только биты D0 разрешения приемника, D5 разрешения аппаратного квитирования (см. след. раздел) с помощью сигналов управления модемом CTS и DCD, а также два старших бита, определяющие число бит на символ. Остальные биты связаны с синхронными режимами, которые мы собираемся выключить соответствующим выбором D2-D3 в WR4. Таким образом, мы устанавливаем (D7, D6) = (1,1), D5 = 0 и D0 = 1, т. е. в WD3 мы посылаем шестнадцатеричный байт С1. С помощью WR4 мы задаем режим генератора x16 (минимальный делитель для асинхронных операций — УСАПП должен выполнять опрос сигнала каждого бита в его середине, поэтому частота входного генератора делается кратной частоте передачи), 1 стоп-бит на символ (используется всегда, за исключением устаревшего стандарта на телетайпную передачу со скоростью 110 бод), отсутствие контроля четности; получается шестнадцатеричный байт 44. Заметьте, что состояние битов D5-D4 не имеет значения, так как они управляют синхронной передачей; произвольно также состояние D1 (контроль четности или нечетности), если D0 (включение контроля) равен 0. Заметьте также, что установка 1 стоп-бита на символ (что имеет смысл только для асинхронного режима) автоматически выключает синхронный режим, а вместе с ним и все биты регистра управления, определяющие синхронные операции (например, D4-D1 в регистре WR3). Таким же образом можно управиться и с остальными управляющими регистрами. Это довольно скучная работа, в процессе которой легко допустить ошибки.

В табл. 11.7 приведены правильные, как мы надеемся, значения байтов (мы их тщательно проверили!).

Таблица 11.7. Инициализация последовательного порта 8530 1)

Регистр · Байт 2) · Результат

________________________________ 

WR0 · (Указатель регистра) · Используется для доступа к WR1-WR15

WR1 · 00 · Запрет прерываний

WR2 · XX · Вектор прерываний (если разрешены)

WR3 · С1 · 8 бит, разрешение приема

WR4 · 44 · х15, 1 стоп-байт без контроля

WR5 · 68 · 8 бит, разрешение передачи

WR6 · XX · Символ синхронизации (только синхронный режим)

WR7 · XX · Символ синхронизации (только синхронный режим)

WR8 · (Буфер передачи) · Передаваемые данные (прямой доступ с D/C ' = 1)

WR9 · СО · Сброс

WR10 · XX · Режимы синхронных операций

WR11 · 50 · Такты приема/передачи от генератора скорости пересылки

WR12 · 102 10 · Делитель скорости пересылки - старший байт

WR13 · 00 · Делитель скорости пересылки - младший байт

WR14 · 03 · Разрешение генератора скорости пересылки

WR15  · XX · Режимы прерываний (если разрешены)

_____

1) Асинхронный режим, 1200 бод, 8 бит, без контроля четности.

2) XX-произвольное состояние; все числа шестнадцатеричные, кроме WR12. 

Обратите внимание на состояние XX (произвольное) для регистров, игнорируемых нами, в силу того, что мы не используем ни прерываний, ни синхронного режима. Регистр WR9 выполняет полный сброс микросхемы, который должен предшествовать любым другим командам. С помощью регистров WR12 и WR13 устанавливается 16-разрядное значение делителя частоты передачи, которое для микросхемы 8530 дается выражением частота передачи = f такт /[2 (режим генератора) x (делитель + 2)]. Таким образом, при частоте генератора 4 МГц и режиме генератор x16 для скорости передачи 1200 бод получаем делитель 10210 (фактически скорость передачи составит 1201,92 бод, что весьма близко к заданному значению). При выбранной нами частоте генератора возможны все стандартные скорости передачи вплоть до 9600 бод (для этой скорости делитель должен быть равен 13).

Заметьте, что в вашем распоряжении все многочисленные режимы работы УСАПП, устанавливаемые соответствующими последовательностями инициализирующих управляющих байт. Микросхема 8530, как и все УСАПП, обеспечивает также синхронную коммуникацию в различных режимах со скоростями до 1 Мбит/с; это особенно полезно для пересылки данных между двумя процессорами. Для нашего прибора такой способ пересылки не имеет смысла в силу ограниченного объема оперативной памяти, однако он может оказаться полезным при подключении жесткого диска.

Обратите внимание на необходимость пересылки из ЦП в УСАПП правильной последовательности инициализирующих байт до того, как начнут передаваться какие-либо последовательные данные, как это было и в случае параллельного порта 8536; в нашем примере последовательный порт не использовался, так что мы опустили его инициализацию. Программа 11.4 дает понятие о процедуре инициализации. Сложность программы (включая декодирование таблиц с данными с целью определения управляющих байтов) — это цена, которую вы платите за исключительную гибкость БИС поддержки микропроцессора.

После того как с помощью управляющих регистров установлен режим работы УСАПП, можно передавать и принимать байты данных с помощью циклов ЦП записи и чтения при высоком уровне сигнала D/C'. С целью определения наличия нового, ожидающего приема в ЦП байта данных или возможности пересылки в УСАПП нового байта для его дальнейшей передачи следует опрашивать регистр состояния (при низком уровне D/C'), конкретно D0 в регистре RR0 в первом случае, и D2 в том же регистре во втором.

В дополнение к этому по другим битам регистра состояния можно судить о фиксации ошибки четности, потере принимаемых данных и т. д. Часто эти страшные удары судьбы можно игнорировать и смело идти вперед. В программе 11.5 приведены фрагменты пересылки данных при том же, что и раньше, отображении регистров на адресное пространство.

Учтите, что эти примеры, в которых используется программный ввод-вывод с проверкой состояния (см. разд. 10.06–10.08), иллюстрируют работу простейших программных драйверов. В них работа ЦП останавливается на время циклического опроса флага состояния. Использование механизма прерываний позволяет повысить эффективность работы ЦП; это особенно справедливо для операций ввода. Микросхема 8530 может возбуждать прерывания по любому указанному условию; от нее даже можно получить в качестве подтверждения выбранный вами 8-битовый вектор, если использовать линии подтверждения прерывания (IEI, IEO, INTACK). Все эти возможности реализуются с помощью управляющих байтов инициализации.

Микросхемы параллельного ввода-вывода (PIO). В состав нашего микропроцессорного прибора была включена многофункциональная микросхема параллельного порта (такого рода схемы часто объединяются с одним или несколькими таймерами). Использованная нами микросхема 8536 принадлежит тому же семейству, что и микросхема последовательного порта 8530 и использует схожие интерфейс с процессором и протокол настройки. Хорошие микросхемы параллельных портов позволяют программировать для каждого бита в отдельности направление передачи и режим (с фиксацией, с открытым стоком, с инверсией). Протокол передачи данных также можно запрограммировать; например, в микросхеме 8536 можно разрешить векторизуемые прерывания по любому сочетанию входных бит. Можно также выбрать один из четырех режимов квитирования (см. ниже).

Микросхемы РIO, как и все периферийные БИС, разрабатываются на базе nМОП- и КМОП-технологий, причем в новых разработках используется в основном последняя. С выходов таких схем можно снять, как правило, несколько мА, однако nМОП-схемы, в отличие от КМОП, обеспечивают лишь доли мА. Поэтому они обычно используются совместно с микросхемами мощных драйверов, позволяющих подключать к ним нагрузку, требующую значительных токов. Не пытайтесь подключать реле непосредственно к выходу микросхемы РIO (см. наши замечания относительно микросхем среднего уровня интеграции в разделе «Фиксаторы и D-регистры»).

На рис. 11.27 показан пример реальной схемы, конкретно для управления 6-разрядным дисплеем.

Рис. 11.27. Управление мультиплексированным дисплеем от РIO.

Конечно, вам придется написать программу для периодического вывода последовательных десятичных чисел, а также и «шагающего бита» через порт А, не забыв запретить прерывания на время вывода, чтобы предотвратить мерцание. Другой, более простой способ управления многоразрядным ЭЛД-дисплеем в микропроцессорной системе заключается в использовании чего-то вроде семейства «интеллектуальных дисплеев» фирмы Siemens-дисплейных секций, отображаемых на память, и выглядящих с точки зрения ЦП просто как участки памяти (см. рис. 9.24); поскольку такие дисплеи запоминают выводимые числа, запись в них требуется выполнять только при смене отображаемого числа.

Квитирование. Процедура квитирования требует некоторых пояснений. Представьте себя на месте внешнего устройства, посылающего байты данных в процессор через порт РIO. Вы хотите узнать, готов ли РIO принять следующий байт, т. е. извлечен ли процессором предыдущий байт. Для выполнения этой операции следует предусмотреть в РIO специальный выход «готов к приему данных» (ready for data, RFD), который сбрасывается РIO после получения от вас нового байта, и вновь устанавливается после того, как этот байт забирается центральным процессором. Другими словами, вы имеете право стробировать свои данные в любой момент, если только установлен RFD.

На рис. 11.28 показано, как реализуется это «взаимное квитирование», которое является одним из четырех режимов квитирования, предусмотренных в микросхеме 8536.

Рис. 11.28. Квитирование.

При вводе данных внешний источник может установить данные, но не устанавливает строб ACKIN' (такое название этого вывода придумала фирма Zilog!) до обнаружения установленного сигнала RFD. Устройство снимает строб (и может снять данные), обнаружив сброс RFD, затем снова ожидает установки RFD. При выводе данных процессы протекают аналогично. РIO устанавливает сначала данные, затем сигнал DAV' (data available, данные установлены). Внешнее устройство фиксирует данные, после чего устанавливает сигнал подтверждения ACKIN'. Это заставляет РIO сбросить и данные, и DAV'. Последнее воспринимается внешним устройством, как команда на сброс ACKIN', чем начинается новый цикл. Заметьте, что квитирование полностью взаимно, т. е. каждый участник передачи данных на каждом шаге ждет вершения своей части операции вторым соучастником. Такое полностью взаимное квитирование гарантирует отсутствие потерь данных. Иногда, однако, протокол можно упростить. В микросхеме 8536 предусмотрен режим «импульсного квитирования», в котором сигнал ACKIN' не обязан ожидать разрешения на сброс; в этом случае сигнал ACKIN' представляет собой импульс длительностью по меньшей мере 250 нc, возбуждаемый, когда установлены RFD или DAV', как было описано выше.

Легко сообразить, что режим квитирования выбирается в процессе инициализации посылкой тех же всеобъемлющих управляющих байтов. Если выбран один из режимов квитирования, все или некоторые из четырех линий порта С используются в качестве ACKIN', DAV' и RFD. Если вы не назначаете порту режим квитирования, линии порта С можно использовать, как обычные биты ввода-вывода, точно так же, как порты А и В.

Предупреждение: общий недостаток многих периферийных БИС, особенно с тактирующим входом, заключается в непомерно большом времени успокоения после каждой операции. Весьма показателен наш опыт работы с микросхемой 8530: при использовании МП 68000 на частоте 10 МГц пришлось между последовательными циклами вывода включить несколько команд NOP, потому что скорость, с которой ЦП мог посылать последовательные байты (интервал между байтами 0,8 мкc) была выше скорости их приема микросхемой 8530 (минимальное значение «допустимого времени восстановления после доступа» для 8530 составляет 1,7 мкс). Учтите также своеобразные требования к синхронизации процессорного интерфейса. Вспомним, что в нашем микропроцессорном приборе периферийные схемы Zilog требовали необычно большого времени предустановки адреса по отношению к фронту строба чтения (80 не), что заставило нас добавить схемы для генерации задержанного сигнала RD'. Эти особенности, с которыми вы не встретитесь при использовании простых цифровых схем среднего уровня интеграции, являются результатом необходимости тактирования внутренних состояний микросхемы, относительно низкой скорости работы КМОП-схем, или и того, и другого.

Единственный путь борьбы с этими неприятностями БИС-тщательное проектирование, что включает в себя внимательное изучение технических характеристик микросхем, обмен опытом с другими пользователями и исчерпывающее тестирование. Если, испытывая опытный образец, вы замечаете какую-то аномалию, не надейтесь, что она пропадет в более тщательно разработанном конечном варианте. Как раз наоборот, именно аномалии вам и надлежит отыскивать. Обычно, отлаживая опытный образец, вы можете испытать свою схему гораздо надежнее, искусственно изменяя тактовую частоту, питающее напряжение и, возможно, температуру (с помощью тепловой пушки).

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи на микропроцессорной магистрали. Ввиду широкого внедрения устройств сбора данных с микропроцессорным управлением (в противоположность автономным приборам) новейшие модели АЦП и ЦАП стали разрабатываться с учетом возможности их подключения к микропроцессорной магистрали. Например, «микропроцессорно-совместимые» ЦАП имеют шины передачи входных данных шириной 1 байт и два входных буфера, так что вы можете зафиксировать 12-разрядную величину, поступающую по 8-разрядной шине, за два цикла записи; двойная буферизация обеспечивает одновременное поступление на вход преобразователя всех 12 разрядов преобразуемой величины, что уменьшает переходные выбросы на выходе. Аналогично этому микропроцессорно-совместимые АЦП комплектуются тристабильными выходными драйверами, организованными в группы шириной 8 бит. И АЦП, и ЦАП часто используют «магистрально-ориентированные» сигналы типа RD', WR' и CS'. Такие преобразователи можно непосредственно подключать к микропроцессорной магистрали, используя лишь незначительный объем «склеивающей» логики для декодирования адреса. Вам не приходится мучиться с обычными интерфейсными атрибутами вроде внешних фиксаторов и тристабильных драйверов. Можете вспомнить, как все просто выглядело в нашем приборе, включавшим и АЦП, и ЦАП.

Несколько примеров. Микросхема AD7537 фирмы Analog Devices представляет собой двухканальный 12-разрядный ЦАП с 8-битовой загрузкой (т. е. каждая 12-битовая величина загружается за два цикла магистрали, как 8 + 4), со средствами одновременного обновления двух 12-разрядных каналов с двойной буферизацией (рис. 11.29); вариант AD7547 снабжен входом, шириной 12 бит, предназначенным для 16-разрядных магистралей. Микросхема AD7572 той же фирмы — это 12-разрядный АЦП, не требующий «склеивающих» схем, с возможностью параллельного вывода шириной 8 или 12 бит через тристабильные драйверы; эту схему можно легко подключить к микропроцессорным магистралям шириной как 8, так и 16 бит. Некоторые преобразователи, совместимые с магистралями, даже позволяют задавать выравнивание слова, меньшего по ширине, чем магистраль, влево или вправо. Выбирая преобразователь для подключения к микропроцессорной магистрали, остерегайтесь устройств с замедленной синхронизацией процессорного интерфейса (что не имеет никакого отношения к скорости преобразования), которая может заставить вас предусматривать состояния ожидания, задержанные стробы и т. д. Например, микросхема AD558, во всех остальных отношениях превосходный автономный 8-разрядный АЦП, характеризуется минимальным временем упреждения данных по отношению к срезу сигнала WR' 200 нc, что требует, при использовании его с МП 68008, введения состояния ожидания.

Рис. 11.29. 12-разрядные двухканальные ЦАП (с любезного разрешения Analog Devices), а — микросхема 7537 с шириной загрузки 1 байт; б — микросхема 7547 с шириной загрузки 12 бит.

При подключении к микропроцессору любого АЦП с разрешением 12 бит и более подумайте об изоляции выходов микросхемы АЦП от системной магистрали с помощью буферов (или даже опторазвязок); в противном случае переходные процессы в цифровых цепях и наводки от микропроцессора могут легко ухудшить разрешение. При высоком разрешении (16 бит и более) может оказаться необходимым разместить преобразователь вне корпуса, содержащего цифровую электронику. В качестве примера возможных неприятностей мы можем описать наш опыт работы с промышленной платой 16-разрядного АЦП, предназначенного для IBM PC. Модуль преобразователя размещался прямо на плате, внутри компьютера. Мы скептически отнеслись к возможности достижения максимального 16-битового разрешения, и перед покупкой платы осведомились, какова будет реакция АЦП на приложение к его аналоговым входам постоянного напряжения. В отделе технической поддержки фирмы-изготовителя нас заверили, что колебания будут «не более двух соседних цифровых кодов». Фактически выходные показания метались в пределах семи соседних кодов, что снижало разрешение до 14 бит. По предложению фирмы мы принесли им плату для испытаний, которые лишь подтвердили проблему шума. Когда мы спросили «как же так?», нам сказали, что введший вас в заблуждение сотрудник уже у них не работает. Нам сообщили, что все их платы работают точно так же; и, добавляя оскорбления к ущербу, пригрозили взыскать с нас стоимость «обслуживания», состоявшего в испытаниях платы.

11.12. Запоминающие устройства

В обычном микрокомпьютере увеличить объем памяти несложно - вам лишь надо решить, сколько мегабайт стоит добавить, и к какому поставщику обратиться. Больше умственных усилий надо затратить при разработке прибора с микропроцессорным управлением, где распределение памяти является элементом проектирования, и где совместно используются блоки запоминающих устройств разных типов — энергонезависимые ПЗУ для хранения программ, а энергозависимые ОЗУ для временного размещения данных и стеков, а также как рабочее пространство программы. Энергонезависимые ПЗУ с «зашитыми» программами широко используются в микропроцессорных устройствах, чтобы избавиться от необходимости каждый раз при включении прибора загружать программу. В настоящем разделе мы рассмотрим различные виды памяти: статические и динамические ОЗУ (оперативные запоминающие устройства), РПЗУ (репрограммируемые постоянные запоминающие устройства), ЭРПЗУ (электрически стираемые репрограммируемые постоянные запоминающие устройства). Как только вы немного в них разберетесь, выбор уже не составит труда. Можете сразу обратиться к рис. 11.35, где мы свели воедино типы запоминающих устройств.

Статические и динамические ОЗУ. В статических ОЗУ биты хранятся в матрицах триггеров, в то время как в динамических ОЗУ-в заряженных конденсаторах. Бит, записанный в статическое ОЗУ, остается в нем до тех пор, пока не будет перезаписан, или пока не выключится источник питания. В динамическом ОЗУ данные, если их не «регенерировать», исчезнут менее чем через секунду. Другими словами, динамическое ОЗУ непрерывно забывает данные, и чтобы их сохранить, приходится периодически опрашивать «строки» двумерной матрицы битов в микросхеме памяти. Например, в ОЗУ объемом 256 кбит к каждому из 256 рядов приходится обращаться каждые 4 мс.

Вы можете задаться вопросом, кому же придет в голову выбирать динамическое ОЗУ? Дело в том, что обходясь без триггеров, динамическое ОЗУ занимает меньше места, в результате чего микросхема большей емкости оказывается дешевле. Например, популярное сегодня статическое ОЗУ емкостью 32Кх8 (256 кбит) стоит около 10 долл., в два раза больше нынешней цены динамического ОЗУ емкостью 1 Мбит. В результате, используя динамические ОЗУ, вы за половину стоимости будете иметь в 4 раза больше памяти.

Теперь, наверное, вы удивляетесь, кому же нужны статические ОЗУ (что-то вас кидает из стороны в сторону)? Основное достоинство статических ОЗУ заключается в их простоте. Отпадает необходимость в циклах регенерации, не нужно заботиться об их синхронизации (циклы регенерации конкурируют с обычными циклами обращения к памяти и должны поэтому жестко синхронизоваться). В простых системах с ограниченным числом микросхем памяти естественно использовать статические ОЗУ. К тому же большая часть нынешних статических ОЗУ используют КМОП-технологию, что существенно для приборов с батарейным питанием. Между прочим, статическое КМОП ОЗУ, автоматически переключаемое на батарейное питание при выключении основного (с помощью микросхемы управления питанием типа МАХ690), представляет неплохую альтернативу ПЗУ в качестве энергонезависимой памяти. Другим достоинством статических ОЗУ является их высокое быстродействие (выпускаются микросхемы с характерным временем 25 нc и менее), а также удобная компоновка секциями по 8 бит. Рассмотрим оба типа ОЗУ подетальнее.

Статические ОЗУ. Мы уже столкнулись со статическим ОЗУ в нашей микропроцессорной разработке, где одно такое ОЗУ емкостью 32Кх8 использовалось для размещения данных, стека и рабочей области (программа была записана в РПЗУ). Организовать обмен данными со статическим ОЗУ проще простого: в цикле чтения вы устанавливаете сигналы адреса, выбора микросхемы (CS') и разрешения выхода (OE'); запрошенные данные появляются на тристабильных линиях данных спустя максимум t aa (адресное время доступа). В цикле записи вы устанавливаете сигналы адреса, данных и CS', а затем (спустя время упреждения адреса t as ) импульс разрешения записи (WE'); достоверные данные записываются в конце импульса WE'. Действующие временные ограничения для 120 нс статического ОЗУ показаны на рис. 11.30, из которого видно, что «быстродействие» памяти — это время от установки достоверного адреса до достоверных данных (при чтении) или до завершения цикла записи (при записи). Для статических ОЗУ интервал времени между последовательными обращениями к памяти («длительность цикла») равен времени доступа; для динамических ОЗУ, как будет показано ниже, это не так.

Рис. 11.30. Синхронизация статического ОЗУ с быстродействием 120 нc. а — цикл чтения, б — цикл записи.

Микросхемы статических ОЗУ могут иметь емкость от 1 Кбит (или меньше) до 1 Мбит при ширине 1, 4 или 8 бит. Быстродействие (время доступа) колеблется от 150 до 10 нc или около того. В настоящее время широко используются недорогие статические КМОП ОЗУ емкостью 8Кx8 и 32Кx8 с временем доступа 80 нc, а также меньше по емкости, но более быстродействующие (< 3 нc) статические КМОП ОЗУ для кеш-памяти. Варианты микросхем могут иметь отдельные выводы для входов и выходов, два порта доступа и то или иное внешнее оформление (например, однорядный корпус SIP). Может быть это и существенно, однако заметьте, что вам не надо заботиться, чтобы линии данных ЦП подключались обязательно к одноименным выводам микросхемы памяти — ведь независимо от порядка соединения вы при чтении всегда получите то же, что записали! Это замечание справедливо и для адресов. Однако не пытайтесь так поступить с ПЗУ.

Упражнение 11.18. А почему?

Динамические ОЗУ. По сравнению со статическими ОЗУ динамические ОЗУ — это сплошная мигрень. На рис. 11.31 показан нормальный цикл. Адрес (содержащий, например, для ОЗУ объемом 1 Мбайт 20 бит) расщепляется на две группы и мультиплексируется на вдвое меньшее число выводов, сначала «адрес строки», стробируемый сигналом RAS' (Row Address Strobe — строб адреса строки), а затем «адрес колонки», стробируемый сигналом CAS' (Column Address Strobe — строб адреса колонки).

Рис. 11.31. Циклы чтения и записи динамического ОЗУ (Motorola, 120 нc).

Данные записываются (или читаются в соответствии с состоянием входа направления R/W') вслед за установкой CAS'. Перед началом следующего цикла памяти должно пройти некоторое время «выдержки RAS», поэтому длительность цикла больше времени доступа; например, динамическое ОЗУ может иметь время доступа 100 нc и длительность цикла 200 нc. Цикл регенерации выглядит так же, но без сигнала СAS'. Вообще-то обычные обращения к памяти отлично ее регенерируют, если только вы можете гарантировать обращения со всеми возможными адресами строк!

Динамические ОЗУ, как и статические, выпускаются с шириной данных 1, 4 и 8 бит, емкостью от 64 Кбит до 4 Мбит и с быстродействием приблизительно от 70 до 150 нc. Наиболее популярны большие 1-битовые микросхемы, что вполне объяснимо: если вам нужна большая матрица памяти, скажем объемом 4 Мбайт и шириной 16 бит, и имеются в наличии ОЗУ емкостью 1 Мбит с организацией 1Мx1 и 128Кx8, имеет смысл использовать 1-битовые микросхемы, потому что (а) каждая линия данных будет подключена только к двум микросхемам (а не к 16), что существенно уменьшит емкостную нагрузку, и (б) эти микросхемы занимают меньше места, потому что меньшее число выводов данных более чем компенсирует дополнительные адресные выводы. Кроме того, 1-битовые микросхемы, как правило, дешевле. Приведенные рассуждения справедливы, если вы строите большую память, и не относятся, например, к нашему простому микропроцессору с памятью 32Кx8. Заметьте, однако, что улучшенная технология упаковки микросхем с высокой плотностью ("ZIP" и "SIMM") уменьшает важность минимизации числа выводов.

Существует ряд способов генерации последовательности мультиплексированных адресов и сигналов RAS, CAS и R/W', требуемой для управления динамическим ОЗУ. Поскольку это ОЗУ всегда подключается к микропроцессорной магистрали, вы начинаете работу с ним, обнаружив сигнал AS' (или эквивалентный ему), говорящий о том, что установлен правильный адрес из пространства динамического ОЗУ (о чем свидетельствуют старшие адресные линии). Традиционный метод заключается в использовании дискретных компонент средней степени интеграции для мультиплексирования адреса (несколько 2-канальных 2-входовых мультиплексоров `257) и генерации сигналов RAS, CAS, а также сигналов управления мультиплексором. Требуемая последовательность создается с помощью сдвигового регистра, тактируемого с частотой, кратной тактовой частоте микропроцессора или, что лучше, с помощью линии задержки с отводами. Для организации периодических циклов регенерации (только RAS) вам потребуется еще несколько логических схем и счетчик, отсчитывающий последовательные адреса строк. На все это уйдет около 10 корпусов.

Привлекательным способом, альтернативным «дискретным» схемам управления динамическим ОЗУ, является использование ПЛМ, причем для генерации всех необходимых сигналов достаточно одной-двух микросхем. Еще проще взять специальную микросхему «поддержки динамического ОЗУ», например, АМ2968. Такого рода микросхемы берут на себя не только мультиплексирование адресов и образование сигналов RAS/CAS, но также и арбитрацию регенерации вместе с образованием адресов строк; более того, они даже включают мощные драйверы и демпфирующие резисторы, которые нужны для подключения больших матриц микросхем памяти, как это будет объяснено ниже. К таким контроллерам динамических ОЗУ обычно прилагаются дополнительные микросхемы для синхронизации, а также обнаружения и коррекции ошибок; в результате небольшой набор микросхем полностью решает проблему включения динамического ОЗУ в вашу разработку.

Впрочем, почти полностью! Основные неприятности с динамическими ОЗУ начинаются, когда вы пытаетесь освободиться от наводок на всех этих стробирующих и адресных магистральных линиях. Суть проблемы заключается в том, что несколько десятков корпусов МОП-схем оказываются разбросанными на большой площади системной платы, причем ко всем корпусам подходят управляющие и адресные шины. Для подключения к ним нескольких десятков микросхем требуются мощные выходные каскады Шоттки; однако большая длина линий и распределенная входная емкость в сочетании с крутыми фронтами выходных каскадов приводят к появлению «звона» большой амплитуды. Часто можно увидеть на адресных линиях ОЗУ отрицательные выбросы до —2 В! Типичным средством борьбы (не всегда полностью успешной) является включение на выходе каждого драйвера последовательных демпфирующих резисторов с сопротивлением около 33 Ом.

Другая проблема заключается в огромных переходных токах, часто достигающих величины 100 мА на линию. Представьте себе микросхему 8-разрядного драйвера, у которого большинство выходов случайно переключаются в одном направлении, например, с высокого уровня на низкий. Это приводит к переходному току величиной около 1 А, который на некоторое время повышает потенциал нулевого вывода, а вместе с ним и всех выходов, которые должны были иметь низкий уровень. Отмеченная проблема отнюдь не носит академического характера — однажды мы наблюдали сбои в работе памяти как раз из-за таких переходных токов на нулевом выводе, образующихся из-за выбросов токов CAS-драйвера. При этом наводки, проходящие в RAS-драйверы той же микросхемы, оказывались достаточными для завершения цикла памяти!

Дополнительным источником наводок в динамических ОЗУ являются большие переходные токи, образованные микросхемами в целом, причем наиболее честные разработчики даже включают сведения об этом явлении в свои технические материалы (рис. 11.32).

Рис. 11.32. Переходные токи динамического ОЗУ.

Обычным средством борьбы является установка шунтирующих конденсаторов, подключенных к нулевой линии с малой индуктивностью; считается разумным шунтировать каждую микросхему керамическим конденсатором с емкостью 0,1 мкФ. Мы пришли к выводу, что логические драйверы 74F с внешними резисторами хорошо работают с динамическим ОЗУ, как и специальные драйверы типа Аm2966, которые включают интегральные демпфирующие резисторы. Контроллер динамического ОЗУ Аm2968, упоминавшийся выше, по заверениям разработчиков может обслуживать до 88 микросхем памяти без внешних компонент, давая при этом отрицательные выбросы не более —0,5 В. Даже более важным, нежели выбор конкретного драйвера, является использование нулевых линий с низкой индуктивностью и частого шунтирования U + . Двухсторонние платы с узкими линиями заземления неминуемо приведут к неприятностям; макетные платы с накруткой проводов обычно немногим лучше.

Важно понимать, что сбои памяти, возникающие из-за наводок, могут в сильной степени зависеть от распределения бит в передаваемых данных и не всегда проявляются в простых тестах памяти на чтение/запись. Лучшим способом обеспечить надежную работу памяти является консервативное проектирование и исчерпывающее тестирование памяти (с осциллографическим исследованием форм сигналов).

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). ПЗУ относятся к памяти, неразрушаемой при выключении питания (энергонезависимой), и нужда в них возникает практически в любой компьютерной системе. К примеру, в микрокомпьютерах необходимо иметь по крайней мере небольшое ПЗУ для хранения последовательности команд начальной загрузки, которая включает не только строки выделения стека и инициализации портов и прерываний, но также и команды, обеспечивающие чтение операционной системы с диска. Когда ваш персональный компьютер выполняет тестирование памяти и затем загружает DOS, он выполняет приказы некоторого ПЗУ. Кроме того, для микрокомпьютера типично хранение в ПЗУ некоторой части операционной системы (обычно наиболее аппаратно-зависимых модулей); эта часть называется «базовой системой ввода-вывода» (basic I/O system, BIOS) и обеспечивает стандартный механизм для обращения операционной системы к конкретным портам.

ПЗУ широко используются для хранения различных таблиц, например, для генератора символов, отображаемых на экране дисплея. В предельном случае вообще вся операционная система, включая даже компиляторы и графические программы, может размещаться в ПЗУ. Например, в микрокомпьютере Macintosh значительная часть системного программного обеспечения записана в ПЗУ, и почти все 256 Кбайт ОЗУ отдаются пользователю. Однако такой «ПЗУ-ориентированный» подход используется в микрокомпьютерах относительно редко ввиду его негибкости; заметьте, однако, что исправление ошибок и умеренные усовершенствования программного обеспечения могут осуществляться с помощью заплат, размещаемых в ОЗУ.

В приборах с микропроцессорным управлением ПЗУ используются более широко. В ПЗУ хранится вся автономная программа, а энергозависимое ОЗУ используется только для хранения массивов и временных данных. Именно так было сделано в нашем усреднителе сигналов. ПЗУ часто оказываются полезными в дискретной цифровой аппаратуре, например, для конструирования произвольных конечных автоматов, или в качестве хранилища таблиц поправок для линеаризации функции отклика измерительной системы. Рассмотрим кратко разные виды энергонезависимой памяти: ПЗУ с масочным программированием, а также электрически стираемые ЭРПЗУ.

РПЗУ. Стираемые программируемые постоянные запоминающие устройства выполняются в виде больших микросхем с кварцевым окном. Это, несомненно, самый популярный тип энергонезависимой памяти для компьютеров. РПЗУ используют КМОП- и МОП-технологию и состоят из больших матриц полевых и МОП-транзисторов с плавающим затвором, которые можно зарядить с помощью «лавинной инжекции» — процесса пробоя слоя, изолирующего затвор, при приложении напряжения свыше 20 В. Данные хранятся в РПЗУ неограниченно долго в виде ничтожного заряда (около 106 электронов) изолированных «погребенных» затворов, которые можно рассматривать как конденсаторы с постоянной времени порядка столетий. Чтобы прочитать состояние отдельного конденсатора, ему надо выступить в качестве затвора канала полевого МОП-транзистора. Поскольку затвор электрически недоступен, стереть заряд можно лишь облучая микросхему интенсивным потоком ультрафиолетовых лучей в течение 10–30 мин, отчего запасенный заряд стекает за счет явления фотопроводимости. В результате отдельные байты РПЗУ выборочно стереть нельзя.

В первом издании этой книги мы упоминали «классическую» микросхему 2716, РПЗУ 2Кx8, стоившую 25 долл. Теперь она стала такой классической, что ее уже нигде не достанешь! Типичные РПЗУ нашего времени имеют емкость от 8Кx8 до 128Кx8 и цену несколько долларов. Время доступа обычно составляет 150–300 нc, хотя такие компании, как Cypress, предлагают ПЗУ небольшого объема с быстродействием 25 нc. Чтобы запрограммировать РПЗУ, к нему надо просто приложить повышенное напряжение (обычно 12,5 или 21 В), устанавливая при этом требуемые значения байтов.

Исходные алгоритмы требовали 50 мс на программирование каждого байта (что дает 100 с для микросхемы 2716, но для РПЗУ умеренного объема 32Кx8 превращается в полчаса). Выпуск больших ПЗУ потребовал от разработчиков изобретения более совершенных алгоритмов, в которых каждый байт программируется последовательностью импульсов длительностью 1 мс, причем после каждой записи делается попытка чтения; когда байт считывается правильно, выполняется окончательная запись, равная по длительности утроенной сумме всех предыдущих. Большая часть байтов программируется первым же импульсом, в результате на каждый байт тратится около 4 мс, а на все ПЗУ объемом 32Кx8 — 2 мин.

РПЗУ очень удобны при разработке опытных образцов, так как после стирания их можно использовать повторно. Они также применяются при выпуске небольших партий приборов. В продаже имеются более дешевые варианты РПЗУ без кварцевого окна, иногда называемые «РПЗУ однократного программирования». Хотя эти микросхемы не следовало бы называть РПЗУ, инженеры не желают изменять привычное название. Консервативные производители РПЗУ гарантируют сохранение в них информации в течение лишь 10 лет. Эта величина предполагает наихудшие условия (в частности, высокую температуру, которая приводит к утечке заряда); в действительности РПЗУ, похоже, не теряют данные, если только вам не попалась дефектная партия.

Для РПЗУ характерно ограниченное число циклов репрограммирования, т. е. стирания и программирования заново. Производители неохотно называют это число, хотя вы можете считать, что микросхема заметно ухудшит свои характеристики лишь после 100 или около того циклов стирания / программирования.

Масочные ПЗУ и ПЗУ с плавкими перемычками. Масочно-программируемые ПЗУ относятся к категории заказных микросхем, которые рождаются с указанным вами расположением бит. Фирма-производитель преобразует вашу спецификацию бит в маску металлизации, используемую далее при изготовлении ПЗУ. Такая процедура хороша для больших партий микросхем, и вам, надеемся, не придет в голову заказывать ПЗУ с масочным программированием для макетного образца. Типичная стоимость составляет от 1 до 3 тыс. долл. за производственный цикл, и фирмы неохотно берут заказы на партии ПЗУ менее тысячи штук. При таких количествах микросхема может обойтись в несколько долларов.

Многие однокристальные микроконтроллеры содержат в том же корпусе несколько кбайт ПЗУ и ОЗУ, так что законченный прибор может обходиться без дополнительных микросхем памяти. В большинстве случаев микроконтроллерное семейство включает варианты, требующие внешнего ПЗУ, а иногда и варианты со встроенным РПЗУ (рис. 11.33).

Рис. 11.33. Микроконтроллер с РПЗУ. а — 8-разрядный микроконтроллер с контактами для установки РПЗУ; б — 8-разрядный микроконтроллер со встроенным РПЗУ.

Это дает возможность при разработке прибора использовать вариант с РПЗУ (или внешним ПЗУ), куда можно записать программу, при подготовке же партии приборов обратиться к более дешевым контроллерам с масочным программированием. Другим типом ПЗУ с однократным программированием являются ПЗУ с плавкими перемычками. При выпуске в них все биты установлены, и для сброса требуемых бит ПЗУ надо подвергнуть действию электрического тока. В качестве типичного примера можно привести микросхему Harris НМ6617, КМОП ППЗУ (программируемое постоянное запоминающее устройство) объемом 2Кx8. ППЗУ с плавкими перемычками выпускаются также на базе биполярной (ТТЛ) технологии.

ЭРПЗУ. Электрически стираемые программируемые ПЗУ могут быть выборочно стерты и электрически репрограммированы прямо в той же схеме, где они используются в качестве памяти. Такого рода ПЗУ идеально подходят для хранения констант конфигурации, параметров калибровки и прочей информации, которую нельзя записать в ПЗУ до включения компьютера. ЭРПЗУ, как и РПЗУ, используют технологию МОП с плавающим затвором.

Первые ЭРПЗУ требовали повышенных напряжений и длительной процедуры программирования. Современные микросхемы используют одно напряжение питания +5 В и работают практически так же, как и статические ОЗУ-другими словами, вы можете репрограммировать любой байт с помощью одного цикла записи на магистрали. В микросхеме ЭРПЗУ предусмотрены внутренние цепи для генерации повышенного программирующего напряжения, а внутренняя логика фиксирует данные и генерирует программирующую последовательность длительностью несколько миллисекунд, в которой на время процесса устанавливается флаг BUSY' или в цикле чтения образуются инвертированные данные, чтобы показать, что идет процесс записи. Некоторые ЭРПЗУ реализуют оба этих протокола, обычно называемые "RDY-BUSY" и "DATA'-опрос". Сопряжение с этими ПЗУ осуществляется просто - достаточно подключить их так же, как обычные ОЗУ и использовать линию BUSY' для возбуждения прерываний (либо считывать состояние BUSY' или данных, и использовать его как флаг состояния) (см. рис. 11.34).

Рис. 11.34. ЭРПЗУ.

Протокол DATA' — опроса удобен тем, что ЭРПЗУ можно вставить в стандартный разъем для ОЗУ без каких-либо схемных изменений (разумеется, в ваши программы придется включить строки анализа считываемых назад данных и ожидания их совпадения с тем, что вы записываете). Поскольку запись в ЭРПЗУ выполняется относительно редко, фактически в прерываниях по линии RDY/BUSY' необходимости не возникает.

КМОП ЭРПЗУ выпускаются в виде микросхем с емкостью 2Кx8, 8Кx8 и 32Кx8 по цене примерно 10–50 долл. Время доступа (200–300 нc) и время программирования (2 мс/байт при использовании внутреннего усовершенствования алгоритма) сравнимы с показателями стандартного РПЗУ. ЭРПЗУ, как и РПЗУ, допускают ограниченное число циклов чтения/записи. Хотя производители избегают называть конкретные цифры, можно встретить упоминание о 100000 циклах чтения/записи при 25 °C.

Замечание. Хотя ЭРПЗУ уникальны в том отношении, что допускают репрограммирование в рабочей схеме, их также можно запрограммировать и отдельно от места использования, в программаторе для РПЗУ. Это делает их очень удобными для разработки встроенного программного обеспечения, так как вам не надо ждать полчаса, пока РПЗУ со старой программой прожарится под ультрафиолетовым облучателем.

Имеются два любопытных варианта ЭРПЗУ. Фирмы National, Xicor и др. выпускают маленькие микросхемы ЭРПЗУ в мини-DIP-кopпycax с 8 выводами. Емкость этих схем может составлять от 16x16 до 2Кx8 бит; они работают в режиме последовательного доступа и оснащаются тактовым входом и единственной линией данных. Эти микросхемы трудно использовать без микропроцессора; однако в приборах с микропроцессорным управлением они очень удобны для хранения небольшого количества установочных параметров и проч. Та же фирма Xicor выпускает «электрически стираемый потенциометр (ЕЕРОТ)», остроумное применение электрически стираемой памяти, в которой хранится положение «цифрового контакта». В эту микросхему встроена цепочка из 99 равных по величине резисторов, причем положение отвода от них, устанавливаемое программно, сохраняется в энергонезависимой памяти, входящей в ту же микросхему. Нетрудно представить себе прикладные задачи, в которых желательна автоматическая или дистанционная калибровка некоторого инструмента без механической настройки ручек управления.

Недавно появившаяся модификация ЭРПЗУ, называемая моментальной (flash), сочетает высокую плотность РПЗУ с репрограммированием в рабочей схеме, присущим ЭРПЗУ. Однако моментальные РПЗУ, как правило, не позволяют стирать отдельные байты, как это можно делать с обычными ЭРПЗУ. Так, моментальное ЭРПЗУ Intel допускает только полное стирание (как и РПЗУ), в то время как в микросхеме фирмы Seeq предусмотрено стирание либо посекторное (512 байт), либо целиком. Далее, большинство доступных сейчас моментальных ЭРПЗУ требуют дополнительного отключаемого источника питания +12 В на время стирания/записи, что является слишком дорогой ценой, если вспомнить, что обычные ЭРПЗУ питаются от единственного источника +5 В. Моментальные ЭРПЗУ могут выдерживать от 100 до 10000 программных циклов. Технология производства ППЗУ продолжает развиваться, и мы с любопытством ожидаем, что она нам еще преподнесет; ждите и вы!

Энергонезависимые ОЗУ. РПЗУ удобны для применения в качестве энергонезависимых ПЗУ, однако часто возникает необходимость иметь энергонезависимую оперативную память. Для этого можно использовать ЭРПЗУ, однако для них характерен очень длинный (10 мс) цикл записи (и ограниченное число циклов чтения/записи). Имеются две возможности достичь характерного для ОЗУ времени чтения/записи (100 нc) при неограниченном числе циклов чтения/записи: использовать либо статическое КМОП ОЗУ с резервным батарейным питанием, либо необычную микросхему "NOVRAM" фирмы Xicor, в которой объединены статическое ОЗУ и ЭРПЗУ.

Ранее уже обсуждался вопрос о резервном батарейном питании ОЗУ, которое убивает двух зайцев разом: низкая цена и высокая скорость чтения/записи ОЗУ сочетаются с энергонезависимостью ПЗУ. Разумеется, в этом случае следует использовать КМОП ОЗУ с известным значением критического тока. Некоторые фирмы выпускают «энергонезависимые ОЗУ», размещая в обычном DIP-корпусе вместе с микросхемой КМОП ПЗУ литиевую батарейку и логические схемы переключения питания. В качестве примера можно указать микросхемы фирмы Dallas Semiconductor DS1225 (8Кx8) и DS1230 (32Кx8); эта фирма также выпускает линейку «интеллектуальных разъемов», содержащих батарейку и логические схемы, с помощью которых обычные ОЗУ как по мановению волшебной палочки становятся энергонезависимыми. Учтите, что образованное таким образом энергонезависимое ОЗУ, строго говоря, не бессмертно; срок службы батарейки, а следовательно, и данных, около 10 лет. Как и для обычного статического ОЗУ, здесь нет ограничений на выдерживаемое памятью число циклов чтения/записи.

NO VRAM (NOnVolatile RAM-энергонезависимое ОЗУ) фирмы Xicor сочетает обычное статическое ОЗУ с «теневым» ЭРПЗУ в том же кристалле. Входной сигнал STORE' переносит содержимое ОЗУ в ЭРПЗУ при полной длительности цикла записи 10 мс; извлекаются данные быстрее, за время около 1 мкс. При наличии микросхемы контроля питающих напряжений из серии МАХ690 вы заблаговременно получаете предупреждение и можете сохранить содержимое ОЗУ еще до того, как напряжение +5 В упадет до критического значения. Объявлено, что NO VRAM выдерживают 10000 операций сохранения и, подобно обычным ОЗУ, неограниченное число операций чтения/записи в ОЗУ.

Если сравнивать два описанных варианта энергонезависимых ОЗУ, то вариант с резервной батарейкой представляется в общем предпочтительным, поскольку позволяет использовать любое наличное ОЗУ, если только в нем предусмотрен режим отключения при нулевом токе. Это значит, что вы можете использовать большие ОЗУ последних выпусков, а также, например, выбрать наиболее быстродействующие ОЗУ, если это для вас важно. Хотя батарейки имеют конечный срок эксплуатации, для большинства приложений он достаточен. Для кратковременного (сутки или менее) хранения информации вы можете заменить литиевую батарейку двухслойным конденсатором большой емкости; такие конденсаторы в очень маленьких корпусах с емкостью до фарады и более предлагаются фирмами Panasonic, Sohio и др.

Запоминающие устройства: общая сводка. Рис. 11.35 подытоживает важнейшие характеристики различных типов ЗУ.

Рис. 11.35. Типы запоминающих устройств.

Из показанных на рисунке мы рекомендуем динамические ОЗУ шириной 1 бит для больших матриц памяти с возможностью чтения и записи, статические ОЗУ шириной 1 байт для небольших матриц памяти микропроцессорных систем, РПЗУ для хранения программ и параметров, не требующих перезаписи, и либо ЭРПЗУ (если длительность процесса записи не имеет значения), либо статические ОЗУ с резервным батарейным питанием (для достижения максимального быстродействия по чтению/записи) для энергонезависимого хранения модифицируемых данных.

11.13. Другие микропроцессоры

Как и любой дарвиновский процесс, эволюция микропроцессоров протекала в нескольких расходящихся направлениях. В борьбе за выживание менее приспособленным угрожает опасность вымирания. Примером различающихся эволюционных путей являются процессоры с отдельными командами ввода-вывода и с «вводом-выводом, отображаемым на память». В последнем случае регистры периферийных устройств выглядят просто как ячейки памяти (представителем первого направления является МП 8086, второго - МП 68000). Далее, можно выделить машины, использующие для большинства арифметических операций не регистры, а память. Другая альтернатива в конструировании микропроцессоров касается использования выводов микросхемы: в некоторых ЦП выводы являются многофункциональными, что позволяет повысить гибкость микросхемы. Различаться могут размеры слов (4, 8, 16 или 32 бит) и стеков, а также элегантность (или полнота) системы команд. Каждое семейство микропроцессоров имеет собственный язык ассемблера (вечный камень преткновения для начинающих). Микропроцессоры обычно выполняются по КМОП-технологии, но можно найти и такие, которые используют nМОП-технологию или биполярную логику.

Еще большие различия можно обнаружить у микропроцессоров, предназначенных для решения разных задач. С одной стороны, имеются «однокристальные» процессоры со встроенными ОЗУ и ПЗУ, параллельными портами, УСАПП, таймерами и даже аналого-цифровыми преобразователями. Другая крайность представлена мощными 32-разрядными ЦП 80486, 68040 и АМ29000, которые перекрывают вычислительные возможности больших компьютеров, но для полной реализации своих совершенных качеств требуют обширного аппаратного и программного обеспечения. Микросхемы повышенной степени интеграции занимают золотую середину; например, микросхема Н16 представляет собой комбинацию в одном кристалле ЦП 68000 с двумя УСАПП, таймерами и каналами прямого доступа.

В настоящей главе во всех примерах использовался МП 68008, но мы не хотели бы оставить у читателя впечатление, что другие микропроцессоры хуже. В табл. 11.8 перечислены наиболее популярные из доступных в настоящее время микропроцессоров. Таблицу нельзя рассматривать, как исчерпывающий список всего имеющегося в продаже.

11.14. Эмуляторы, системы проектирования, логические анализаторы и макетные платы

Если вы разрабатываете прибор с микропроцессорным управлением, то каким образом выполнить написание, ассемблирование, отладку и загрузку в ПЗУ программы для него? Это серьезная проблема, особенно для начинающих работать с микропроцессорами. Для решения ее можно предложить целый ряд методик, от простого автономного способа под названием «прожги и ломай» (burn and crash) до изощренных систем проектирования и эмуляторов языков высокого уровня. В настоящем разделе мы попытаемся описать, чем можно сегодня воспользоваться и насколько это полезно при разработке приборов с микропроцессорным управлением.

«Прожги и ломай». Это красочное название описывает простейший способ разработки программы для микропроцессорной аппаратуры. Заключается он в следующем. Сначала с помощью ассемблера или компилятора на компьютере общего назначения (возможно вашей настольной машине) вы получаете коды выполнимой программы, которые можно записать в РПЗУ. Если процессор-мишень, т. е. микропроцессор разрабатываемого прибора отличается от процессора использованного компьютера, вам понадобится «кросс-ассемблер»; в противном случае можно воспользоваться «родным» ассемблером компьютера. Теперь можете запрограммировать РПЗУ (это «прожги») и испытать программу в вашем приборе (это «ломай»). Дальнейшая отладка заключается в обнаружении неправильностей, вызванных ошибками в программе (или в аппаратуре), исправлении программы или включении в нее диагностических тестов, и повторных испытаниях. Поиск ошибок — широкое поле для остроумных приемов. Например, вставив в отлаживаемую программу соответствующие строки, вы можете использовать ЭЛД-индикаторы или другие порты в диагностических целях, выводя информацию о том, что происходит в программе. Не забывайте и о традиционных инструментах мира электроники — логическом пробнике, осциллографе, а также (в минуту отчаяния) о логическом анализаторе (см. ниже).

Заменители ПЗУ. Методика «прожги и ломай», описанная выше, является медленной процедурой. Хотя иногда она адекватна стоящей перед вами задаче, вам, скорее всего, быстро надоест повторение одних и тех же операций стирания РПЗУ под ультрафиолетовой лампой и программирования его в программаторе. Можно предложить способы ускорения этой процедуры: (а) Вместо РПЗУ используйте ЭРПЗУ. Программируются они не быстрее, но зато не надо тратить столько времени на стирание, (б) Используйте на время разработки не РПЗУ, а КМОП ОЗУ с резервным батарейным питанием (энергонезависимое). Эти микросхемы столь же быстры, как и обычные ОЗУ (т. е. «программируются» мгновенно) и имеют выводы, совместимые с РПЗУ, так что их можно вставлять в панельку разрабатываемого вами прибора, предназначенного для установки ПЗУ с программой. ОЗУ с резервным батарейным питанием поставляют многие фирмы (Dallas, Thomson-Mostek и др.); можно их сделать и самим, (в) Используйте «эмулятор ПЗУ». Это небольшая коробочка с кабелем и 28-контактным разъемом DIP на конце. Разъем вставляется в панельку для РПЗУ в вашем приборе, и коробочка эмулирует ПЗУ. Фактически, однако, она содержит двухпортовое ОЗУ, которое вы загружаете из вашего компьютера через последовательный порт. Использование эмулятора ПЗУ обеспечивает максимальную скорость отладки; так как для изменения программы вам не надо каждый раз вынимать и вставлять микросхемы памяти — вы просто загружаете новую программу в эмулятор, который остается включенным в налаживаемый прибор. Эмуляторы ПЗУ выпускаются под названиями "Memulator" или "Romulator" (последний поставляется фирмой Onset Computer Corp., Норт-Фалмут, Миннесота).

ПЗУ-монитор. Если в вашем приборе имеется последовательный порт, можно упростить процедуру разработки программного обеспечения, запрограммировав небольшое РПЗУ — «монитор», задачей которого является не управление прибором, а лишь обеспечение связи между памятью и портом. Простейший монитор позволяет загрузить в ОЗУ программу и запустить ее выполнение. Это заметно ускоряет разработку программного обеспечения, потому что пробные программы можно загружать в ОЗУ прибора непосредственно из компьютера. Не составляет особого труда расширить функции монитора, например, чтобы он мог считывать содержимое указанных ячеек ОЗУ. С таким добавлением пробные программы получают возможность сообщать о том, что происходит, например, путем засылки чисел в определенные ячейки ОЗУ перед возвратом управления монитору (через который компьютер может проанализировать содержимое этих ячеек). Такой монитор позволяет включить в пробную программу «программные точки останова», в которых содержимое требуемых регистров или ячеек памяти копируется в неиспользуемую область ОЗУ, откуда затем считывается через монитор в компьютер. ПЗУ-монитор заметно сокращает длительность разработки, так как помогает вам быстро находить причину неправильной работы программы.

Аппаратный эмулятор. Способ «прожги и ломай», как и его усовершенствования, описанные выше, часто позволяют решить поставленную задачу. Однако этот способ не идеален. Во-первых, он требует использования дополнительных ресурсов, таких, как последовательный порт. Во-вторых, и это более важно, он не обеспечивает обнаружения ошибочных операций на аппаратном уровне. Чтобы понять это последнее утверждение, представьте себе, что в вашем приборе возникает отказ, потому что он неправильно пытается записывать в РПЗУ. Это вы уже поняли, однако дальше дело застопорилось, так как трудно с помощью программной точки останова локализовать ошибку, обнаруживаемую только аппаратно. В нашем примере ошибка могла заключаться в затирании содержимого регистра. Это весьма неприятная ошибка: сбой происходит спустя значительное время после инициировавшего затирание события, и понять, в чем дело, изучая текст программы, нельзя. В таких случаях вам требуется поставить «аппаратную точку останова».

Решение лежит в использовании аппаратного эмулятора. Это коробка (или вставляемая плата) с аппаратными средствами, эмулирующая на этот раз микропроцессор вашего прибора. Она подсоединяется к налаживаемому прибору посредством кабеля, имеющего на конце разъем, имитирующий ЦП. Аппаратный эмулятор может выполнять как программу, находящуюся в памяти налаживаемого прибора (РПЗУ или ОЗУ), так и программу, загружаемую вами в эмулятор. В любом случае эмулятор осведомлен обо всем, что происходит в ЦП; он может следить за содержимым регистров, а также устанавливать аппаратные точки останова. Например, для решения нашей гипотетической проблемы можно потребовать от эмулятора, чтобы он фиксировал циклы записи в адресное пространство, занимаемое РПЗУ, и выдавал дамп регистров и листинг последних 100 команд, выполнявшихся перед неправильной записью в РПЗУ.

Аппаратная эмуляция является наилучшим средством разработки программ, обеспечивая максимальную гибкость и скорость работы. К ее недостаткам следует отнести высокую стоимость (несколько тысяч долл., иногда гораздо больше) и необходимость приобретать новый эмулятор для каждого типа используемого вами микропроцессора. Эмулятор ПЗУ, для сравнения, не является «процессорно-зависимым», но и уступает аппаратному эмулятору по своим возможностям. Это, так сказать, аппаратный эмулятор бедняка.

Системы разработки. «Система разработки» — это обобщенный термин для комбинации кросс-ассемблера, программатора РПЗУ и аппаратного эмулятора. Традиционно такие средства выпускались в виде внушительных автономных систем, однако в настоящее время большую популярность завоевывают вставные платы, использующие компьютер в качестве вычислительной базы, и, возможно, управляющие внешним блоком, содержащим дополнительные схемы. Как бы они не выглядели, вам необходимо приобрести такого рода систему, если вы специализируетесь на разработке микропроцессорных устройств, ориентированных на конкретный микропроцессор. Обычно системы разработки предлагаются фирмами, выпускающими микропроцессорные семейства. Некоторые фирмы, кроме того, изготавливают «универсальные эмуляторы», в которые можно вставлять платы с микропроцессорами разных типов. Системы разработки выпускаются, в частности, фирмами Hewlett-Packard, Tektronix, Microcosm, Applied Microsystems.

Логические анализаторы. Логические анализаторы можно назвать «супер-осциллографами» для разработки цифровой аппаратуры. Логический анализатор выступал в качестве главного действующего лица в книге Трейси Киддера «Душа новой машины». Эти замечательные устройства выглядят, как странные осциллографы, но в действительности включают в себя десятки каналов, большие объемы памяти, сложную логику «распознавания слов», а также средства деассемблирования выполняемых команд и представления их на экране. Логический анализатор может работать в двух режимах: анализа состояний и временного анализа. Вот как вы их должны использовать.

Анализ состояний. В этом режиме на вход статического анализатора подается синхронизирующий тактовый сигнал от вашей схемы (обычно тактовый сигнал ЦП), а сонм выводов (торчащих из анализатора) подключается к линиям данных и адреса, а также к другим интересующим вас сигналам. Хороший логический анализатор обслуживает 60–80 каналов при тактовой частоте до 25 МГц или больше. Затем вы устанавливаете сигнал запуска так, чтобы зафиксировать интересующее вас программное событие. Обычно в анализаторе имеется несколько регистров распознавания слов, в которые вы можете вводить любую последовательность 0,1 и X (произвольное состояние); это, разумеется, биты адреса и данных. В хорошем логическом анализаторе предусматривается возможность комбинирования выходов регистров распознавания слов в виде булевых выражений и функций состояния; например, можно образовать сигнал запуска от десятого прохода некоторой подпрограммы.

Логический анализатор ожидает сигнала запуска, затем запоминает последовательность состояний всех входных линий. Их можно наблюдать в виде цифрового сигнала или как последовательность нулей и единиц (либо шестнадцатеричных или восьмеричных чисел), рядом с которыми приводятся результаты деассемблирования. Вы можете просматривать массив запомненных состояний (обычно 4К или больше) и, что особенно важно, двигаться по нему от сигнала запуска «назад во времени». Это дает возможность проанализировать несколько тысяч состояний, предшествующих сигналу запуска, что, как правило, позволяет найти источник неприятностей.

Временной анализ. В режиме временного анализа логический анализатор работает от асинхронного тактового сигнала высокой частоты, обычно 100 МГц, который фиксирует логические состояния меньшего числа входных линий (чаще всего 16). Логика запуска поневоле проще и допускает обычно лишь одно слово распознавания. Анализатор ожидает установленного условия запуска, после чего заполняет свою память быстрыми выборками. В режиме временного анализа вы можете наблюдать кратковременные выбросы и другие искажения формы сигнала, которые незаметны в режиме анализа состояний. Можно перейти в режим «обнаружения выбросов», когда анализатор ищет два перепада, возникающих в течение 10 нc — периода дискретизации.

Перекрестный запуск. Объединение анализа состояний и временного анализа дает мощную методику, называемую перекрестным запуском. В этом комбинированном режиме анализ состояний может инициировать временной анализ и наоборот. Так, вы можете настроить логику запуска, чтобы она фиксировала заданное состояние в конкретном программном цикле и запускала временной анализ, который после обнаружения заданного слова (условия) запуска записывает в память пакет данных. Таким образом удается обнаруживать короткие выбросы логического происхождения, возникающие редко.

Логические анализаторы с перекрестным запуском образуют расщепленный информационный кадр, что дает возможность, просматривая состояния, наблюдать также и форму сигналов. В области логических анализаторов наиболее известны имена Gould, Hewlett-Packard, Philips и Tektronix.

Макетные платы. В 70-х гг., когда широкую популярность стали завоевывать 8-разрядные микропроцессоры, такие, как 6800 и Z80, для каждого нового микропроцессора выпускалась макетная плата. Это был набор аппаратуры, куда входили небольшая клавиатура, шестнадцатеричный дисплей, ПЗУ, РПЗУ-монитор, несколько параллельных и последовательных портов, а также собственно плата для монтажа на ней схем, добавляемых пользователем. Вы могли, выполнив ручное ассемблирование небольшой программы, ввести ее посредством клавиатуры и наслаждаться результатом. Для инженерного мира, начинающего осваивать микропроцессоры, макетные платы предоставляли простой способ приобретения знаний и навыков.

Теперь инженерный мир стал более искушенным, и макетные платы почти вымерли. Однако и сейчас можно встретить в продаже макетные платы для специализированных процессоров, например БИС обработки сигналов или сложных видеопроцессоров. Такие платы содержат сам процессор, окруженный «склеивающей» логикой и аналоговыми компонентами для обработки сигналов, а часто и обычный микропроцессор, используемый для управления. Современные макетные платы обычно выполняются в виде вставных плат для персональных компьютеров и комплектуются необходимым программным обеспечением. Если принять во внимание сложность современных процессоров специального назначения, макетные платы экономят массу времени и вполне оправдывают свое существование.