Структурная схема идеализированного MK

February 19, 2014 by admin Комментировать »

Сколько существует разновидностей MK, столько существует и вариантов их внутреннего устройства. Тем не менее, если ограничиться широко распространёнными моделями, усреднить параметры и обобщить особенности архитектуры, то можно вывести образ некоего идеализированного MK. На Рис. 1.1 показана его структурная схема.

Рис. 1.1..

Краткое описание составных частей идеализированного MK.

ЦПУ и память — это процессорное ядро, которое включает в себя вычислительное устройство с шинами данных, синхронизации, управления, оперативную память, регистры общего назначения и регистры специальных функций.

Процессорное ядро — это основной отличительный признак архитектуры MK. По его характеристикам (и названию) судят о потенциальных вычислительных возможностях. Ядро обслуживается несколькими периферийными модулями или, по-другому, подсистемами. Именно к ним пользователь имеет доступ извне, именно они подлежат детальному изучению.

Подсистема программирования служит своеобразным мостом между файлом, подлежащим прошивке, и энергонезависимой памятью MK. Процедура программирования производится без изъятия микросхемы из панельки на печатной плате. Более того, существуют новые интернет-технологии удалённого программирования MK через BootLoader из любой точки Земного шара.

Подсистема питания содержит, как минимум, два провода: положительный («плюс», Ксс, KDD, Power Supply) и отрицательный («минус», GND, Fss, Ground Reference). В зависимости от наличия АЦП, ЦАП и количества выводов MK питание может осуществляться по дву или много проводной схеме. В последнем случае надо следить за тем, чтобы цифровые и аналоговые цепи были максимально развязаны друг от друга во избежание перекрёстных помех.

Подсистема начального сброса нужна для установки внутренних счётчиков, регистров и триггеров MK в исходное состояние, иначе при включении питания ход выполнения программы станет непредсказуемым. Начальный сброс требуется в аварийных ситуациях при «просадках» питания или при «зависании» программы. В идеализированном MK сигнал сброса RES имеет активный НИЗКИЙ уровень.

Подсистема синхронизации служит для тактирования ЦПУ и узлов ввода/вывода. Чем выше частота тактовых импульсов, тем быстрее выполняются операции, а чем ниже их частота, тем меньше потребляется ток от источника питания.

В одном MK обычно имеется несколько генераторных узлов, которые подразделяются на внутренние и внешние. Как правило, внутренние узлы работают от ЛС-цепочек, а внешние — от кварцевых и керамических резонаторов.

Сигналы подсистемы синхронизации в идеализированном MK обозначаются XT1 (вход), XT2 (выход). Считается, что пользователь сам в состоянии выбрать режим генерации и правильно сконфигурировать регистры.

Подсистему портов ввода/вывода можно образно сравнить со «спинным мозгом» вычислительной системы. Именно через неё проходят команды, посылаемые «головным мозгом» (т.е. процессорным ядром), к «мышцам рук и ног» (т.е. к входным и выходным линиям портов MK).

Узлы ввода/вывода удобно рассматривать по отдельности: цифровые порты ввода (Рис. 1.2, а…в), аналоговые порты ввода (Рис. 1.3, а, б), цифровые порты вывода (Рис. 1.4, а…в), совмещённые линии портов ввода/вывода (Рис. 1.5).

Та или иная конфигурация подсистемы портов ввода/вывода задаётся при старте программы регистрами MK и в дальнейшем обычно не изменяется. Это логично, поскольку в большинстве случаев линии портов выполняют какую-то одну задачу, например, цифровой логический выход, приём сигналов от кнопки, генератор сигналов ШИМ, вход АЦП, выход ЦАП и т.д.

Рис. 1.2. Цифровые порты ввода: а) без резистора; б) с «pull-up» резистором; в) с программно переключаемым резистором.

Рис. 1.3. Аналоговые порты ввода: а) вход аналогового компаратора; б) вход АЦП.

Рис. 1.4. Цифровые порты вывода: а) двухтактный выход; б) выход с открытым стоком; в) выход с квазиоткрытым стоком.

Рис. 1.5.

Двунаправленный вход/выход.

На всех эквивалентных схемах подтягивающие полупроводниковые резисторы и управляемые ключи Sl…S3 определяют исходную конфигурацию линии порта. Активизируются они программно. Номиналы сопротивлений резисторов имеют большой технологический разброс вплоть до ±50%.

Электрические параметры входов/выходов идеализированного MK примерно соответствуют стандартным триггерам Шмитта из серии 74AC (вход КМОП, выход КМОП) или 74ACT (вход ТТЛ, выход КМОП). Нагрузочная способность симметричная при ВЫСОКОМ и НИЗКОМ уровне на выходе.

Диоды VD1… VD4 защитные, антистатические. Они присутствуют в MK так же, как и в обычных микросхемах КМОП-логики. Технология одинаковая, никуда от неё не денешься. При входном напряжении выше уровня Vcc открывается «верхний» диод. При уменьшении входного напряжения ниже уровня GND открывается «нижний» диод. Для МК  по даташитам регламентируется предельное превышение уровней KCC/GND не более +0.3/-0.3 В для семейства Microchip PIC12/16/18 или не более +0.5/-0.5 В для семейства Atmel AVR.

Аналоговые порты отличаются от цифровых, в первую очередь, уровнями подаваемых на вход сигналов. Для цифрового режима — это стандартные двоичные перепады напряжения НИЗКИЙ/ВЫСОКИЙ. Для аналогового режима допускаются сигналы любой формы в диапазоне 0… Vcc, при этом превышение уровней всё равно засчитывается как 0 и Vcc.

Переключатели 5/…55замещают реальные электронные ключи, выполненные на интегральных полевых транзисторах. Низкоомные резисторы R]H и RQL служат аналогами сопротивлений открытых каналов соответственно  -МОП и л-МОП транзисторов. В числовом выражении это единицы-десятки ом в зависимости от технологии изготовления и нагрузочной способности по току. Вот ориентировочные цифры, характерные для AVR- и Р1С-контроллеров:

•                 /,н = 20…25 мА, /OL = 20…25 мА — максимальные токи, протекающие через резисторы R1H, ROL, при которых ещё гарантируются выходные логические уровни от 0 до (0.1…0.2)КСС и от (0.6…0.8)Кссдо Vcc ;

•                  мАх= 35…45 мА — предельный ток нагрузки на одну линию порта, длительное воздействие которого может привести (хотя и не обязательно) к отказу MK. Это граничный режим с балансировкой «на лезвии ножа»;

•                 /К3 = 100… 150 мА — ток короткого замыкания выходной линии порта на общий провод или на шину питания. Если не снять замыкание в течение первых 15…20 с, то температурный перегрев транзисторов выходного каскада с большой долей вероятности приведёт к фатальным последствиям.

Схема двунаправленного порта ввода/вывода (Рис. 1.5) получается как суперпозиция схем входа (Рис. 1.2, в) и выхода (Рис. 1.4, а). Триггер Шмитта DD1 и линия задержки A1 являются стандартными для всех входов. Они не пропускают короткие импульсные помехи, устанавливая для них ограничительные пороги как по амплитуде, так и по длительности.

Переключатели Sl…S3 коммутируются двумя программно доступными регистрами MK. В разных семействах они имеют разные названия. В частности, регистр PORTx (AVR, PIC) эквивалентен переключателям S1, S2, а регистры DDRx (AVR), TRISx (PIC) — переключателю S3.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты