Разработка внутренней памяти микропроцессорной системы

Содержание

Введение ………………………………………………………………... ..…4

1 Общая структура МПС  и Устройство памяти ……………………….....5                                         

2 Принцип зпписи и чтения информации…..……………………………..10                                                      

3 Задание на курсовую работу….………………………………….………12                                                                        

4 Определение ПЗУ и ОЗУ………………………………………….……...14                                                                              

5 Структура ПЗУ………………………….………………………………...14                                                                                              

6 Структура ОЗУ………………………….………………………………...15                                                                                             

       Общая структура памяти…………………………………………………...16                                                                             

      Заключение ………..……………………………………….……………….17                                                                                                            

      Список литературы………………...……………………………………....18                                                              

       Приложение А – Общая структура проектируемой памяти

Введение

Достижение интегральной технологии привели к пояалению больших интегрльных схем с протностью размещение компонентов до десятков и сотен тысяч транзисторов на одном кристале. Реализации системы на заказной БИС со специальными логическими устройствами с постоянной структурой, которые характеризуются сложностью, однородностью, связанная с трудностями и значительными расходами, которые определяются себестоимостью отдельного образца, на которую влияет объем партии,    которая выпускается. Вывод из ситуации, которая создалась, заключается в новом подходе проектирования цифровых систем, в основе которого лежит использование свойств программируемости на уровне логического элемента.Появление микропроцессоров сыграло большую роль в развитии вычислительной техники, средств обработки информации и управляющих устройств, которые являются основой автоматизации в разных сферах человеческой деятельности. История развития микропроцессоров представляет собой достаточно интересную самостоятельную тему. Здесь упомянем только, что пионер в создании процессорных микросхем фирма “Intel” по-прежнему сохраняет свои лидирующие позиции в этой области. Ее программно-совместимое семейство последовательно усложняющихся МП (16-разрядные 8086, 80286 и 32-разрядные 80386, 80486, “Pentium”) являются “мозгом” значительной части использующихся компьютеров. Именно на базе этих микропроцессоров собраны все широко распространенные в нашей стране IBM-совместимые компьютеры.

Общая структура МПС

Микропроцессор (МП) – центральная часть любой микропроцессорной системы (МПС) – включает в себя арифметико-логическое устройство (АЛУ) и центральное управляющее устройство (ЦУУ), реализующее командный цикл. МП может функционировать только в составе МПС, включающей в себя, кроме МП, память, устройства ввода/вывода, вспомогательные схемы (тактовый генератор, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти (ПДП), шинные формирователи, регистры-защелки и др.

В любой МПС можно выделить следующие основные части (подсистемы):

   процессорный модуль;

   память;

   внешние устройства (внешние ЗУ + устройства ввода/вывода);

   подсистему прерываний;

   подсистему прямого доступа в память.

Рисунок 1 – Структура МПС с интерфейсом "Общая шина"

Связь между процессором и другими устройствами МПС может осуществляться по принципам радиальных связей, общей шины или комбинированным способом. В однопроцессорных МПС, особенно 8- и 16-разрядных, наибольшее распространение получил принцип связи "Общая шина", при котором все устройства подключаются к интерфейсу одинаковым образом (Рисунок 1).

Все сигналы интерфейса делятся на три основные группы – данных, адреса и управления. Многочисленные разновидности интерфейсов "Общая шина" обеспечивают передачу по раздельным или мультиплексированным линиям (шинам). Например, интерфейс Microbus, с которым работают большинство 8-разрядных МПС на базе i8080, передает адрес и данные по раздельным шинам, но некоторые управляющие сигналы передаются по шине данных. Интерфейс Q-bus, используемый в микро-ЭВМ фирмы DEC (отечественный аналог – микропроцессоры серии К1801) имеет мультиплексированную шину адреса/данных, по которой эта информация передается с разделением во времени. Естественно, что при наличии мультиплексированной шины в состав линий управления необходимо включать специальный сигнал, идентифицирующий тип информации на шине.

Обмен информацией по интерфейсу производится между двумя устройствами, одно из которых является активным, а другое – пассивным. Активное устройство формирует адреса пассивных устройств и управляющие сигналы. Активным устройством выступает, как правило, процессор, а пассивным – всегда память и некоторые ВУ.

Концепция "Общей шины" предполагает, что обращения ко всем устройствам МПС производится в едином адресном пространстве, однако, в целях расширения числа адресуемых объектов, в некоторых системах искусственно разделяют адресные пространства памяти и ВУ, а иногда даже и памяти программ и памяти данных.

Распределение адресного пространства

Объем адресного пространства МПС с интерфейсом "Общая шина" определяется главным образом разрядностью шины адреса и, кроме того, номенклатурой управляющих сигналов интерфейса. Управляющие сигналы могут определять тип объекта, к которому производится обращение (ОЗУ, ВУ, стек, специализированные ПЗУ и др.). В случае если МП не выдает сигналов, идентифицирующих пассивное устройство (или они не используются в МПС), – для селекции используются только адресные линии. Число адресуемых объектов составляет в этом случае 2k, где k - разрядность шины адреса. Будем называть такое адресное пространство "единым". Иногда говорят, что ВУ в едином адресном пространстве "отображены на память", т.е. адреса ВУ занимают адреса ячеек памяти. Пример организации селекции устройств в едином адресном пространстве МПС на базе i8080 и распределение адресного пространства показаны на рисунке 2 и рисунке 3 соответственно.

Рисунок 2 – Структура единого адресного пространства

Рисунок 3 – Пример распределения единого адресного пространства

При небольших объемах памяти в МПС целесообразно использовать некоторые адресные линии непосредственно в качестве селектирующих (Рисунок 4), что позволяет уменьшить объем оборудования МПС за счет исключения селектора адреса. При этом, однако, адресное пространство используется крайне неэффективно.

При использовании информации о типе устройства, к которому идет обращение, можно одни и те же адреса назначать для разных устройств, осуществляя селекцию с помощью управляющих сигналов.

Так, большинство МП выдают в той или иной форме информацию о типе обращения. В результате в большинстве интерфейсов присутствуют отдельные управляющие линии для обращения к памяти и вводу/ выводу, реже - стеку или специализированному ПЗУ. В результате суммарный объем адресного пространства МПС может превышать величину 2k.

Рисунок 4 – Использование адресных линий для прямой селекции устройств

УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ

Устройства памяти микропроцессорной системы (МПС) могут быть внешними (винчестер, дисковод, CD-ROM и т.д.) и внутренними (ОЗУ, ПЗУ).

В данной курсовой работе рассматривается внутренняя память МПС, которая может быть:

 постоянной (ROM) или ПЗУ,

 оперативной (RAM) или ОЗУ.

В свою очередь ПЗУ по способу записи/перезаписи информации различаются следующим образом.

ПЗУ – постоянные запоминающие устройства, в основу которых положены диодные матрицы. Матрицы прожигаются на заводе-изготовителе, пользователь ничего изменить не может (рисунок 5). При подаче U > Uдоп диод сгорает, остается перемычка; при сгоревшем диоде Uузла = 0; при функционирующем диоде Uузла = 1

ППЗУ – перепрограммируемые ПЗУ (матрицы поставляются пользователю с уровнем 1 во всех узлах, пользователь может только один раз прожечь матрицу по своей программе).

РПЗУ – репрограммируемые (т.е. многократно программируемые) ПЗУ.

Рисунок 5 – Элемент диодной матрицы:

По способу стирания информации РПЗУ могут быть: ультрафиолетовыми и электрическими.

Оперативные запоминающие устройства ОЗУ могут быть: динамическими (DRAM) и статическими (SRAM).

В динамических ОЗУ, построенных на МОП-транзисторных ячейках с дополнительной емкостью, информация после считывания пропадает, поэтому требуется ее регенерация (восстановление), а значит, такие ОЗУ при своей очевидной дешевизне имеют низкое быстродействие.

Статические ОЗУ, построенные на триггерных ячейках, хранят информацию после считывания и регенерации не требуют, имеют высокое быстродействие, хотя и существенно дороже динамических ОЗУ.

Современные схемы ОЗУ сочетают в себе обе технологии (SDRAM).

Статические ОЗУ. Принципы построения

Рисунок 6 – Микросхема статической памяти

Шина адреса (рисунок 6) подключается к микросхеме памяти по N адресным входам: A0 – AN –1.

Шина данных подключается по входам/выходам D, количество которых зависит от того, сколько матриц размещено в кристалле.

CS – вход выборки кристалла, управляет подключением буфера данных к шине.

– вход запись/чтения, определяет подключение входного или выходного буфера данных к шине данных.

Рассмотрим принцип выбора ячейки памяти по адресу.

Входы адресной шины подключаются к дешифраторам (DC) строки и столбца матрицы. Предположим, что к микросхеме подключается четыре адресных линии (А0 – А3), причем линии А0, А1 подаются на DC строки, а линии А2, А3 – на DC столбца.

а)

Рисунок 7 – Выбор ячейки по адресу: а – триггера; б – элемента матрицы

Предположим, что на адресных входах указан адрес 9, т.е. 1001.

Таким образом, DC строки по А0 =1, А1 =0 установит 1 на выходе 1, а DC столбца по А2 =0, А3 =1 установит 1 на выходе 2.

Во всех узлах матрицы расположены триггеры. Вход синхронизации триггера и его выход на общую для данной матрицы линию данных подключаются, как показано на рисунке 7, а.

Очевидно, что функционировать будет только тот триггер, у которого на входы элемента И от DC строки и DC столбца попадут 1.

В нашем случае будет выбран элемент матрицы, обведенный в кружок (рисунок 7, б).

Принцип записи и чтения информации

Инициализируем элемент матрицы, подав адрес на адресные входы. Теперь покажем, как будет происходить процесс записи/чтения данных. Заметим, что каждая матрица имеет один общий провод данных, т.е. каждый разряд данных записан в своей матрице. Адресация таких матриц производится параллельно.

Рассмотрим обращение к одному разряду данных. Только при подаче на вход CS уровня 0 (рисунок 7) на выходе управляющих схем буферов чтения и записи может появиться 1. Причем на выходе управления буфером записи 1 появится при 0 на входе , а на выходе управления буфером чтения – при 1 на .

Рисунок 8 – Функции входов CS и

Построение пространства памяти заданного объема

Из микросхем SRAM небольшой емкости можно составить память любого заданного объема. Предположим, что в нашем распоряжении есть микросхемы SRAM емкостью 256×4. Необходимо составить память устройства емкостью 1 Кбайт или 1К×8. Схема 256×4 имеет 4 матрицы по 256 ячеек (256 = 28), т.е. схема имеет 8 адресных входов.