Общие принципы работы микропроцессорной системы
Ранее были рассмотрены принципы работы микропроцес-
сора — универсального устройства, позволяющего выполнять различные
виды операций. Теперь, с его помощью можно реализовывать цифровые устройства различного назначения.
Однако мы пока не умеем использовать микропроцессор. Теперь
будут рассмотрены структурные схемы подключения к нему различных
устройств. Структурные схемы приводятся с уровнем легализации, по-
зволяющим легко превратить их в принципиальные схемы.
Не следует забывать, что микропроцессор сам по себе никого не
интересует. Это только инструмент решения задач управления какими-
либо объектами или обработки сигналов. Теперь мы рассмотрим
узлы микропроцессорной системы, позволяющие микропроцессору по-
лучать информацию извне и воздействовать на окружающую среду (в
том числе и на человека). При решении задач управления или обработки
сигналов очень важно, чтобы решения процессора были согласованы во
времени с окружающими событиями. Поэтому будут рассмотрены узлы
микропроцессорной системы, позволяющие организовывать взаимодей-
ствие с окружающей средой в реальном времени.
Пожалуй, одним из самых значительных событий в развитии цифровой
техники была разработка системной шины, позволяющей передавать
информацию между различными блоками цифрового устройства. Имен-
но с нее и начнем изложение материала.
Системная шина предназначена для обмена информацией между микро-
процессором и любыми внутренними устройствами микропроцессорной
системы (контроллера или компьютера). В качестве обязательных уст-
ройств, которые входят в состав любой микропроцессорной системы,
можно назвать ОЗУ, ПЗУ, таймер и порты ввода-вывода. Структурная
схема простейшей микропроцессорной системы, включающей перечис-
ленные устройства, приведена на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Структурная схема простейшей микропроцессорной системы
В состав системной шины в зависимости от типа процессора входит одна
или несколько шин адреса, одна или несколько шин данных и шина
управления. Несколько шин данных и адреса применяются для увеличе-
ния производительности системы и используются, как правило, в сиг-
нальных процессорах. В универсальных процессорах и контроллерах
обычно применяется одна шина адреса и одна шина данных даже при
реализации гарвардской структуры.
По шине данных информация передается либо к процессору, либо от
процессора в зависимости от операции (записи или чтения), выполняемой микропроцессором в данный момент.
В любом случае все сигналы, необходимые для работы системной шины,
формируются или опрашиваются микросхемой процессора, как это рассматривалось при изучении операционного блока. То есть без микро-
процессора системная шина функционировать не может. Более того, ко-
гда в микропроцессорной системе говорят об операции чтения, то пред-
полагается, что это микропроцессор читает данные. Если в этой системе
говорят об операции записи, то запись данных осуществляет именно
микропроцессор.
Иногда, для увеличения скорости обработки информации, функции
управления системной шины берет на себя отдельная микросхема
(например, контроллер прямого доступа к памяти или сопроцессор), и
тогда операции записи или чтения будет осуществлять именно эта мик-
росхема. В современных микроконтроллерах или сигнальных процессо-
рах эти устройства могут находиться непосредственно в составе микро-
схемы.
Подключение внешних устройств к микропроцессору
Микропроцессорные системы часто используются для управления уст-
ройствами, блоками или системами связи. При этом в качестве микро-
процессорного устройства может выступать универсальный компьютер
или группа компьютеров, объединенных локальной или глобальной се-
тью (для больших и дорогих систем связи, таких как автоматические те-
лефонные станции или коммутационные центры сотовых систем связи),
или специализированное микропроцессорное устройство, в качестве ко-
торого для дешевой и портативной аппаратуры чаще всего выступает
однокристальный микроконтроллер.
Внешними устройствами называются любые устройства, которыми
управляет, от которых получает или которым передает информацию
микропроцессор. В качестве внешних устройств может выступать прин-
тер или дисплей, клавиатура или модем, но для устройств связи в качест-
ве внешних устройств чаще выступают микросхемы приемников, пере-
датчиков (в том числе построенные на базе сигнальных процессоров),
микросхемы синтезаторов частоты или постоянные запоминающие уст-
ройства с электрическим стиранием.
Согласование сигналов цифровых микросхем между собой не представ-
ляет трудностей, т. к. практически все современные цифровые микросхе-
мы по входу и выходу согласованы с TTL-уровнями. Если же это не так,
то для согласования нестандартных уровней с TTL-уровнями выпуска-
ются специальные микросхемы. Несколько иначе обстоит дело с индика-
торами и исполнительными устройствами.
В качестве простейшего единичного индикатора рассмотрим светодиод-
ный индикатор. Схема его подключения показана на рис. 5.Ю. Транзи-
стор служит для увеличения тока, которым микропроцессор зажигает
светодиодный индикатор. Кроме того, транзистор позволяет согласовать
уровни выходного напряжения цифровых микросхем, к которым отно-
сятся и микропроцессорные устройства, и напряжения, необходимого
для работы светодиодного индикатора. Гальванической развязки тран-
зисторный ключ не обеспечивает. Светодиод питается постоянным то-
ком, поэтому для его работы требуется генератор тока, а не напряжения.
В простейшем случае необходимый ток может обеспечить токоограни-
чивающии резистор R3. Если этот резистор не поставить, то ток по цепи
индикатора может достигнуть недопустимой величины и светодиод или
транзистор выйдут из строя.
Рис. 5.10. Подключение одиночного светодиодного индикатора
Простой светодиодный индикатор позволяет отображать двоичную ин-
формацию, такую как состояние устройства (включено или выключено),
наличие или отсутствие сигнала и т. д. Для отображения цифровой ин-
формации используются 7-сегментные индикаторы. Подключение одно-
го сегмента такого индикатора не отличается от схемы, приведенной на
рис. 5.Ю. Каждый сегмент представляет собой обычный светодиод.
Практически так же выглядят схемы подключения индикаторов на газо-
разрядных лампах и лампах накаливания к выходному порту микропро-
цессорной системы. Единственным отличием является то, что для лампы
накаливания не нужен токоограничивающии резистор, ограничение тока
обеспечивает внутреннее сопротивление самой лампы.
Несколько сложнее выглядит схема подключения внешних исполнитель-
ных электромеханических устройств. Чаще всего такие исполнительные
устройства являются индуктивной нагрузкой. В качестве примера можно
назвать такие устройства, как электромагнитное реле или электромаг-
нит. Схема, позволяющая работать на индуктивную нагрузку, приведена
на рис. 5.11. Диод VD1 в этой схеме служит для ограничения напряжения
импульсов эдс самоиндукции, которые могут вывести из строя силовой
транзистор VT1.
Рис. 5.11. Подключение внешнего устройства с индуктивной нагрузкой
При вводе информации из внешнего устройства возникают подобные
проблемы. Источники дискретной информации могут иметь различную
физическую природу. Они могут находиться на значительном расстоя-
нии от контроллера, иметь различное напряжение питания, но их данные
должны быть безошибочно считаны управляющей программой микро-
процессорной системы. Практически всегда при работе с внешними дат-
чиками требуется гальваническая развязка датчиков и управляющей
микропроцессорной системы.
Для решения указанных проблем все датчики выполняются так, что с
точки зрения электрической схемы представляют собой контакты, рабо-
тающие на замыкание. Поэтому схемы подключения датчика и кнопки не
различаются. Со стороны микропроцессорного устройства надо преоб-
разовать замыкание/размыкание контактов в логические уровни, необ-
ходимые для правильной работы микропроцессорного устройства. Эту
функцию выполняет схема, приведенная на рис. 5.12.
Иногда требуется вводить информацию с большого количества кнопок.
В этом случае для уменьшения количества линий ввода-вывода использу-
ется клавиатура, представляющая собой двухмерную матрицу кнопок,
организованных в ряды и колонки. Для подключения клавиатуры ис-
пользуется два порта: ввода и вывода. Схема подключения клавиатуры
приведена на рис. 5.13.
Рис. 5.12. Подключение источника дискретной информации
Рис. 5.13. Подключение клавиатуры к микропроцессорному устройству
Подключение клавиатуры отличается от схемы подключения одиночной
кнопки тем, что потенциал общего провода на опрашиваемые кнопки
подается не непосредственно, а через порт вывода. В каждый момент
времени сигнал логического 0 подается только на один столбец кнопок.
Двоичные сигналы, присутствующие при этом на строках клавиатуры,
считываются через порт ввода микропроцессорной системы.