Курсовая работа: Микропрограммный автомат на постоянном запоминающем устройстве для кодирования манчестерского кода
1.3 ПЗУ
Память — это всегда очень сложная структура, включающая в себя множество элементов. Правда, внутренняя структура памяти — регулярная, большинство элементов одинаковые, связи между элементами сравнительно простые, поэтому функции, выполняемые микросхемами памяти, не слишком сложные.
Память предназначена для запоминания, хранения каких-то массивов информации, проще говоря, наборов, таблиц, групп цифровых кодов. Каждый код хранится в отдельном элементе памяти, называемом ячейкой памяти. Основная функция любой памяти как раз и состоит в выдаче этих кодов на выходы микросхемы по внешнему запросу. А основной параметр памяти — это ее объем, то есть количество кодов, которые могут в ней храниться, и разрядность этих кодов.
Принцип организации памяти записывается следующим образом: сначала пишется количество ячеек, а затем через знак умножения (косой крест) — разрядность кода, хранящегося в одной ячейке. Например, организация памяти 64Кх8 означает, что память имеет 64К (то есть 65536) ячеек и каждая ячейка — восьмиразрядная.
В зависимости от способа занесения (записи) информации и от способа ее хранения, микросхемы памяти разделяются на следующие основные типы:
- Постоянная память (ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, ROM — Read Only Memory — память только для чтения), в которую информация заносится один раз на этапе изготовления микросхемы. Такая память называется еще масочным ПЗУ. Информация в памяти не пропадает при выключении ее питания, поэтому ее еще называют энергонезависимой памятью.
- Программируемая постоянная память (ППЗУ — программируемое ПЗУ, PROM — Programmable ROM), в которую информация может заноситься пользователем с помощью специальных методов (ограниченное число раз). Информация в ППЗУ тоже не пропадает при выключении ее питания, то есть она также энергонезависимая.
- Оперативная память (ОЗУ — оперативное запоминающее устройство, RAM — Random Access Memory память с произвольным доступом), запись информации в которую наиболее проста и может производиться пользователем сколько угодно раз на протяжении всего срока службы микросхемы. Информация в памяти пропадает при выключении ее питания.
Существует множество промежуточных типов памяти, а также множество подтипов, но указанные — самые главные, принципиально отличающиеся друг от друга. Хотя, разница между ПЗУ и ППЗУ с точки зрения разработчика цифровых устройств, как правило, не так уж велика. Только в отдельных случаях, например, при использовании так называемой флэш-памяти (flash-memory), представляющей собой ППЗУ с многократным электрическим стиранием и перезаписью информации, эта разница действительно чрезвычайно важна. Можно считать, что флэш-память занимает промежуточное положение между ОЗУ и ПЗУ.
В общем случае любая микросхема памяти имеет следующие информационные выводы:
- Адресные выводы (входные), образующие шину адреса памяти. Код на адресных линиях представляет собой двоичный номер ячейки памяти, к которой происходит обращение в данный момент. Количество адресных разрядов определяет количество ячеек памяти: при количестве адресных разрядов n количество ячеек памяти равно 2n.
- Выводы данных (выходные), образующие шину данных памяти. Код на линиях данных представляет собой содержимое той ячейки памяти, к которой производится обращение в данный момент. Количество разрядов данных определяет количество разрядов всех ячеек памяти (обычно оно бывает равным 1, 4, 8, 16). Как правило, выходы данных имеют тип выходного каскада ОК или 3С.
- В случае оперативной памяти, помимо выходной шины данных, может быть еще и отдельная входная шина данных, на которую подается код, записываемый в выбранную ячейку памяти. Другой возможный вариант — совмещение входной и выходной шин данных, то есть двунаправленная шина, направление передачи информации по которой определяется управляющими сигналами. Двунаправленная шина применяется обычно при количестве разрядов шины данных 4 или более.
- Управляющие выводы (входные), которые определяют режим работы микросхемы. В большинстве случаев у памяти имеется вход выбора микросхемы CS (их может быть несколько, объединенных по функции И). У оперативной памяти также обязательно есть вход записи WR, активный уровень сигнала на котором переводит микросхему в режим записи.
ППЗУ делятся на репрограммируемые или перепрограммируемые ПЗУ (РПЗУ, EPROM — Erasable Programmable ROM), то есть допускающие стирание и перезапись информации, и однократно программируемые ПЗУ. В свою очередь, РПЗУ делятся на ПЗУ, информация в которых стирается электрическими сигналами (EEPROM — Electrically Erasable Programmable ROM), и на ПЗУ, информация в которых стирается ультрафиолетовым излучением через специальное прозрачное окошко в корпусе микросхемы (собственно EPROM — Erasable Programmable ROM). Запись информации в любые ППЗУ производится с помощью подачи определенных последовательностей электрических сигналов (как правило, повышенного напряжения) на выводы микросхемы.
Различаются микросхемы постоянной памяти своим объемом (от 32 байт до 8 Мбайт и более), организацией (обычно количество разрядов данных бывает 4, 8 или 16), способами управления (назначением управляющих сигналов), типами выходных каскадов (обычно ОК или 3С), быстродействием (обычно задержка составляет от единиц до сотен наносекунд). Но суть всех микросхем ПЗУ остается одной и той же: имеется шина адреса, на которую надо подавать код адреса нужной ячейки памяти, имеется шина данных, на которую выдается код, записанный в адресуемой ячейке, и имеются входы управления, которые разрешают или запрещают выдачу информации из адресуемой ячейки на шину данных.
На рис. 1.3.1 представлены для примера несколько простейших и типичных микросхем постоянной памяти.
Рисунок 1.3.1 - Примеры микросхем ППЗУ отечественного производства
Микросхема К155РЕ3
(аналог — N8223N) представляет собой однократно программируемое ППЗУ с
организацией 
. Исходное состояние (до
программирования) — все биты всех ячеек нулевые. Для программирования (записи
информации) используется специальный программатор, подающий на разряды данных
импульсы высокого напряжения. Тип выходных каскадов — открытый коллектор, то
есть обязательно надо включать на выходах резисторы, подсоединенные к шине
питания. Имеется один управляющий вход –CS, при положительном уровне сигнала на
котором на всех выходах устанавливаются единицы.
Основные временные характеристики микросхем ПЗУ — это две величины задержки. Задержка выборки адреса памяти — время от установки входного кода адреса до установки выходного кода данных. Задержка выборки микросхемы — время от установки активного разрешающего управляющего сигнала CS до установки выходного кода данных памяти. Задержка выборки микросхемы обычно в несколько раз меньше задержки выборки адреса.
Содержимое ПЗУ обычно изображается в виде специальной таблицы, называемой картой прошивки памяти. В таблице показывается содержимое всех ячеек памяти, причем в каждой строке записывается содержимое 16 (или 32) последовательно идущих (при нарастании кода адреса) ячеек. При этом, как правило, используется 16-ричное кодирование.
1.4 Микропрограммный автомат на ПЗУ
На основе микропрограммных автоматов можно строить устройства, которые работают по довольно сложным алгоритмам, выполняют различные функции, определяемые входными сигналами, выдают сложные последовательности выходных сигналов. При этом алгоритм работы микропрограммного автомата может быть легко изменен заменой прошивки ПЗУ.
В отличие от устройств на "жесткой" логике, принцип работы которых однозначно определяется используемыми элементами и способом их соединения, микропрограммные автоматы с помощью одной и той же схемы могут выполнять самые разные функции. То есть они гораздо более гибкие, чем схемы на "жесткой" логике. К тому же проектировать микропрограммные автоматы с точки зрения схемотехники довольно просто. Недостатком любого микропрограммного автомата по сравнению со схемами на "жесткой" логике является меньшее предельное быстродействие и необходимость составления карты прошивки ПЗУ с микропрограммами, часто довольно сложными.
Наиболее распространенная структура микропрограммного автомата (Рисунок 1.4.1) включает в себя всего лишь три элемента: ПЗУ, регистр, срабатывающий по фронту, и тактовый генератор.
Рисунок 1.4.1 - Структура микропрограммного автомата
ПЗУ имеет (
) адресных разрядов и N разрядов
данных. Регистр применяется с количеством разрядов (
). Разряды данных ПЗУ записываются в
регистр по положительному фронту тактового сигнала с генератора. Часть этих
разрядов (М) используется для образования адреса ПЗУ, другая часть (
) служит для формирования выходных
сигналов. Входные сигналы (L) поступают на входы регистра и используются
совместно с частью выходных разрядов ПЗУ для получения адреса ПЗУ.
Схема работает следующим образом. В каждом такте ПЗУ выдает код данных, тем самым определяя не только состояние выходных сигналов схемы, но и адрес ПЗУ, который установится в следующем такте (после следующего положительного фронта тактового сигнала). На этот следующий адрес влияют также и входные сигналы. То есть в отличие от формирователя последовательности сигналов, рассмотренного в предыдущем разделе, в данном случае адреса могут перебираться не только последовательно (с помощью счетчика), но и в произвольном порядке, который определяется прошивкой ПЗУ, называемой микропрограммой.
Для обеспечения правильной работы необходимо обеспечить, чтобы за один период тактового сигнала должны успеть сработать регистр и ПЗУ. Иначе говоря, сумма задержки регистра и задержки выборки адреса ПЗУ не должна превышать периода тактового сигнала.
1.5 Код Манчестер-II
Код Манчестер-II широко используется при передаче сигналов на большие расстояния, в частности, в локальных сетях.
Суть манчестерского кодирования иллюстрируется рисунком 1.5.1. Входной сигнал представляет собой последовательность бит равной длительности. В каждом такте передается один бит информации. Манчестерский код заменяет единичный информационный бит на отрицательный переход в центре битового интервала, а нулевой информационный бит на положительный переход в центре битового интервала. Таким образом, в центре каждого битового интервала сигнала в манчестерском коде обязательно имеется фронт (положительный или отрицательный), который может быть использован приемником этого сигнала для синхронизации приема каждого информационного бита. Поэтому манчестерский код называется самосинхронизирующимся кодом.
Рисунок 1.5.1 - Манчестерское кодирование
1.6 Протокол передачи данных
Набор правил, по которому выполняется передача информации между двумя устройствами, называется протоколом передачи данных. Грамотно разработанный протокол передачи данных может существенно упростить устройство. Для правильного декодирования манчестерского кода протокол должен содержать следующую информацию о передаваемых данных: частота (или период) манчестерского кода; количество передаваемых данных (битов) за один цикл передачи; направление передачи данных (от младших разрядов входного параллельного кода к старшим или наоборот); бит синхронизации (необходим для активации работы декодера, поскольку последний находится в состоянии ожидания к моменту получения байта информации).
Разработанный протокол передачи данных представлен в таблице 1.6.1.
Таблица 1.6.1 – Протокол передачи данных
| Параметр | Значение |
| Частота манчестерского кода | 1 Гц |
| Размер передаваемого пакета данных | 8 Бит |
| Направление передачи данных | От младших разрядов к старшим |
| Бит синхронизации | "0", младший разряд передаваемого кода |
2 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА
Структурная схема разрабатываемого устройства представлена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Структура кодировщика манчестерского кода
Генератор тактового сигнала представляет собой устройство, генерирующее управляющий сигнал (CLK), который определяет момент выполнения элементом или узлом его функции. Пример реализации тактового генератора с использованием двух инверторов (в нестандартном включении) представлен на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 – Пример реализации тактового генератора на инверторах
Период тактового сигнала
на выходе генератора определяется постоянной времени RC-цепочки, равной
произведению сопротивления одного из резисторов (
) на емкость конденсатора 
. Так как необходимо, чтобы
устройство работало на частоте 1 Гц, то емкость конденсатора 
, например, может быть равна 2мФ, а значения
сопротивлений резисторов R1 и R2 по 500 Ом. В данном устройстве тактовый
генератор в основном используется для синхронизации работы микропрограммного
автомата, который собственно и выполняет кодирование входного кода.
Устройства ввода представляют собой набор DIP-переключателей ВДМ1-8, при помощи которых формируется передающийся восьмиразрядный код и тактильную кнопку ТС-0403, которая запускает цикл передачи устройством одного байта информации. После завершения передачи данных устройство переходит в состояние ожидания инициализации следующего цикла передачи данных (следующего нажатия тактильной кнопки).
Блок стробирования передающегося кода представляет собой параллельный регистр К555ИР27, срабатывающий по фронту. По нажатию тактильной кнопки код с DIP-переключателей защелкивается в регистр. Таким образом, есть возможность формировать следующий байт информации на входе устройства, еще до завершения передачи текущего байта информации.
Манчестерское кодирование (Подраздел 1.5) подразумевает представление входного (передающегося) кода в последовательном виде. Для выполнения этой функции предназначен блок преобразования параллельного кода в последовательный, который реализован в виде восьмиканального мультиплексора К155КП7. Управление работой мультиплексора (выбор номера канала) осуществляется с помощью входного кода адреса. Входной код адреса формирует микропрограммный автомат (последний выполняет перебор адресов мультиплексора от 0 до 7).
