45(*,675 5(*

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

NATIONAL SEMICONDUCTOR Americký výrobce polovodièových souèástek - firma National Semiconductor výraznì ovlivòuje trh s jednoèipovými mikropoèítaèi. Jeho pøínos je nejen v technických inovacích s nimiž pøišel, ale i cenová politika, kterou prosazuje. Snižování cen nejjednodušších mikroøadièù pod 1 $ a pak i pod 0,5 $ urychlilo jejich hromadné nasazení. V produkci National Semiconductor jsou zastoupeny mikroøadièe od nejjednodušších 4bitových až po velmi výkonné 16bitové typy.

Ètyøbitová rodina COP400 Výrobce oznaèuje rodinu COP400 jako optimalizovanou na efektivní øízení pøi nejnižších cenách mikroøadièù. Není to nejnovìjší øada, stále se však používá. Dùvodem je její univerzálnost. Je možno vybírat z øady obvodù s pamìtmi RWM už od 32x4 bity a  ROM od 0,5 KB. Každý typ obsahuje stejné procesorové jádro a má obdobné zapojení vývodù, takže je snadné pøecházet na jiný typ. Mikroøadièe mohou nahrazovat standardní logické obvody ve spotøebních výrobcích s masivní produkcí, ale i v malosériových prùmyslových zaøízeních. Mezi oblasti nejèastìjšího nasazení patøí: - spotøební elektronika, - prùmyslové øízení, - hraèky, - telefony.

COP444C Pro pøiblížení vlastností mikroøadièù COP400 popíšeme typ COP444C. Je to plnì statický jednoèipový CMOS mikroøadiè. Jednoúrovòový napájecí zdroj mùže mít napìtí od 2,4 do 5,5 V. Instrukèní soubor a vnitøní architektura jsou navrženy pøedevším pro práci s BCD èísly. Vstupy a výstupy, které má, umožòují jeho použití ve funkci øadièe menšího displeje a klávesnice (viz obr. 63). Pamì ROM adresovaná 11bitovým èítaèem instrukcí PC má velikost 2 KB. Hardwarový zásobník, do nìhož se ukládá obsah PC, má pouze 3 úrovnì. Pamì dat má velikost 512 bitù a je organizována jako 8 zápisníkù, z  nichž každý má 16 ètyøbitových èíslic. Pro její adresování je vyhrazen sedmibitový registr B. Jeho nejvýznamìjší 3 bity (BR) vybírají 1 z 8 zápisníkù a nejménì významné 4 bity (BD) vybírají èíslici v rámci zápisníku. Ke zpracování dat procesor využívá akumulátor A. Další registry zobrazené na obr. 63 jsou spojeny s periferním podsystémem a øízením celého mikroøadièe. Èítaè T je osmibitový èítaè nahoru, jehož obsah je možné èíst (a plnit) ze støadaèe A spojeného s pamìovým místem M urèeným registrem B. Èítaè T dokáže pracovat ve funkci èasovaèe z vnitøního zdroje hodinového signálu nebo èítaèe vnìjších událostí. Vývody IN0 až IN3 vytváøejí univerzální 4bitový vstup, jehož alternativní funkcí jsou øídicí signály sbìrnice Microbus (viz dále). Registr D obsahuje hodnotu 4bitového výstupu pro všeobecné použití D0 až D3. Malý poèet vývodù pouzdra se projevil v alternativním obsazení vývodu D0 pro vstup druhého hodinového oscilátoru. Na vstup D0 staèí pøipojit èlánek RC nebo pøivést vnìjší hodinový signál a nastavením datového bitu D0 registru D lze pøepínat zdroj hodinového signálu pro mikroøadiè.

134

Stanislav Pechal: Monolitické mikropoèítaèe - BEN technická literatura

Stanislav Pechal: Monolitické mikropoèítaèe - BEN technická literatura

135

,1

,1

,1

,1

=È62%1Ë.

,/ 5(*

%,7

//

%8',ý(/

45(*,675

$/8

$.808/È725

3&

6$ 6% 6&

5:0 [

,16757$.7

' /,ý

520 .%



Obr. 63 Blokové schéma COP444C

967839é67

Ë=(1Ë

(1

'(.2'e5 ,16758.&Ë

ýË7$ý 7

&.,

&

%5 %'

+2',129é *(1(5È725

6./

Ë=(1Ë +$/7

5(*,675

'

/2*,.$ 5(6(7

* 5(*,675

6e5,29é 326891é 5(*,675

&.2

**

62

6,

6.

'

'

'

'

5(6(7

Registr G je spojen s obousmìrnou 4bitovou bránou. Je také využit pro podporu sbìrnice Microbus. I když je celý øadiè 4bitový, má jednu obousmìrnou 8bitovou bránu L0 až L7. Bránu L lze pøímo èíst nebo plnit z A a pamìové buòky M. Druhou možností použití je datová èást sbìrnice Microbus. Funkce registru SIO je pøepínatelná - buï je využit pro pøenos na sériové sbìrnici MICROWIRE, nebo jako 4bitový binární èítaè. Posledním registrem je øídicí registr EN. Každý z jeho bitù øídí èinnost periferií v mikroøadièi - registr SIO, bránu L a  pøerušovací podsystém. COP444C má jednoduchý pøerušovací podsystém reagující na negovaný signál na vstupu IN1. Jednoduchost pøerušovacího podsystému je omezena øadou podmínek, které je nutno dodržet, aby pøerušení fungovalo správnì. Na obr. 64 je znázornìno pøipojení mikroøadièe COP444C pøes sbìrnici Microbus k nadøízenému poèítaèi. Jde o paralelní 8bitovou sbìrnici, pomocí níž je možné pøedávat pøíkazy a  data. Tato vlastnost mikroøadièù COP400 je využívána k  jejich použití ve funkci inteligentních øadièù periferií. Programové vybavení vložené do COP444C z nìj vytvoøí napø. samostatnì pracující øadiè LED displeje. Zákazník má možnost vytvoøit si vlastní programovatelné periferní obvody, které se k øídicímu mikroprocesoru pøipojí podobnì jako standardní obvody nabízené v rámci univerzálních mikropoèítaèových stavebnic. Nízká cena a snadná zmìna funkce zámìnou programového vybavení znamenají výhodný, vysoce flexibilní prvek systému. Ze zbylých blokù na obr. 63 je zajímavý obvod hodinového generátoru. Mùže pracovat ve 4 rùzných konfiguracích: a) s krystalovým oscilátorem, b) s externím zdrojem kmitoètu, c) RC oscilátor, d) dvojitý oscilátor využívající i vývod D0. Úsporný režim (IDLE) je nastaven instrukcí IT (Idle till Timer), není-li èítaè zapojen

&23& 3 (58â(1Ë

*

%,729È // Ë',&Ë 0,.52352&(625

'$729È6% 51,&( 5'

,1

&6

,1

:5

,1

5(6(7

5(6(7

5(6(7

Obr. 64 Pøipojení COP444C na sbìrnici MICROBUS

136

Stanislav Pechal: Monolitické mikropoèítaèe - BEN technická literatura

pro èítání vnìjších událostí. Úplné zastavení èinnosti pak nastane v režimu HALT. Odbìr proudu je kritický pøedevším u bateriovì napájených pøístrojù. Výrobce umožòuje konstruktérùm pøedbìžnì spoèítat odbìr. Napø. pro výpoèet odebíraného proudu pøi externím budícím signálu platí: I = IQ + V . 40 . Fi + V . 1400 . Fi/DV kde IQ je klidový zbytkový proud (pøibližnì 20 µA pro napájení 5 V), V je napájecí napìtí, Fi je vstupní kmitoèet v MHz a DV je dìlicí pomìr dìlièe.

Osmibitové mikroøadièe COP800 Støednì výkonné øadièe jsou u  National Semiconductor zastoupeny rodinou COP800, která nachází úspìšnì použití v: - automobilových systémech, - robotech, - telekomunikacích, - øízení stejnosmìrných a støídavých motorù, - øadièích klávesnic a modemù. Výrobce charakterizuje COP800 jako optimalizovanou na jejich hodnotu, tj. vysoký pomìr výkon/cena. Jako vzorek pro popis byl zvolen typ COP840C. Je to plnì statický monolitický mikroøadiè postavený na základì jádra spoleèného rodinì COP800. Jeho instrukèní cyklus je 1 µs a pøes 70 % instrukcí jsou jednobajtové a jednocyklové. Mimo procesorové jádro s  modifikovanou harvardskou architekturou jsou na èipu pamìti ROM, RWM, øídicí obvody a  periferní moduly (viz obr. 65). Programátorské schéma registrù na obrázku nezachycuje strukturu pøesnì, protože registry kromì A a PC jsou mapovány v rámci bloku datové pamìti RWM podobnì jako øídicí registry periferií. Registry B a X mají funkci podobnou ukazateli SP, slouží jako ukazatele do pamìti RWM. Aritmetické operace se tedy neprovádìjí s obsahem A a B, ale s obsahem A  a  pamìového místa, na které B ukazuje. Instrukèní soubor umožòuje testovat, nastavit nebo nulovat libovolný bit pamìti. To znamená, že v registrech je možné pracovat s jednotlivými bity. Orientace na práci s ukazateli se projevila v sestavì adresových módù instrukèního souboru: - registrové nepøímé adresování je základní zpùsob. Operand v pamìti je adresován B nebo X, - registrové nepøímé adresování s automatickým inkrementováním nebo dekrementováním obsahu ukazatele. Jde o modifikaci pøedcházejícího zpùsobu. Obsah ukazatele je o 1 zvýšen nebo snížen po provedení instrukce, - pøímé adresování - instrukce obsahuje adresu operandu, - bezprostøední - operand je obsažen v instrukci, - relativní - pouze pro skokové instrukce. Zdrojem synchronizaèních impulzù pro COP840C je oscilátor, který lze volit mezi RC, krystalovým nebo vnìjším. Pomìrnì vysoký kmitoèet (až 20 MHz) je dìlen 10 Stanislav Pechal: Monolitické mikropoèítaèe - BEN technická literatura

137

138

Stanislav Pechal: Monolitické mikropoèítaèe - BEN technická literatura

Obr. 65 Blokové schéma COP840C

'(.2'e5 ,16758.&Ë

36:

&175/

63

;

%

$/8

'



 /

9é6783

Ë=(1Ë +$/7

*(1 +2',1

96783 9é6783

5(*$'5(6<

3&

$

5:0

520

&.,

*



6.

3/86

,



96783

3 (58â(1Ë

62 0,&52:,5( 6,

%,729é ýË7$ý ý$629$ý

96783 9é6783

5(6(7

Stanislav Pechal: Monolitické mikropoèítaèe - BEN technická literatura

139

,

&/.

5(*,675

326

Obr. 66 Blokové schéma zapojení COP840C v „ROMLESS“ režimu

,

,

'

&/.

5(*,675

'

'

326

&/.

5(*,675

326

'

,

&23&

1È+5$'$ ' %5$1 ,

5(*

&(

2(

(3520





&/.

5(*

ýË7$ý

&/5

08;

08;

nebo 20, aby byla vytvoøena èasová základna instrukèního cyklu. Z periferních modulù je sériové rozhraní zastoupeno modulem MICROWIRE/PLUS. Je to synchronní obousmìrné rozhraní s velmi jednoduchou blokovou strukturou, které má sloužit k pøipojení externích periferií - napø. A/D pøevodníku, øadièe displejù, pamìti EEPROM apod. Rozhraní využívá 3 vodièe - výstup sériových dat (SO), vstup sériových dat (SI) a zdroje synchronizace pro posuv (SK). 16bitový èítaè/èasovaè dokáže pracovat v rùzných režimech: - èasovaè s  automatickým obnovením obsahu z 16bitového registru, - 16bitový èítaè vnìjších událostí, - èasovaè s 16bitovým záchytným registrem. Øadiè pøerušení obsluhuje žádosti z vnìjšího zdroje signálu, z jednotky èítaèe/èasovaèe nebo tzv. softwarové pøerušení. Velmi zajímavý je systém pracovních režimù mikroøadièe COP840C. Standardní je jednoèipový režim, v nìmž je využívána vnitøní pamì programu o  velikosti 2 KB. Pro ladìní a  rozšiøování pamìti nad 2 KB je možné pøepnout mikroøadiè do tzv. „ROM-less“ režimu. Je-li v prùbìhu RESET signálu vývod D2 držen na úrovni log. „0“, zaène COP840C vybírat instrukce z vnìjší pamìti, která mùže mít až 32 KB. Tato pamì je ale pøipojena složitým zpùsobem a  informace jsou z  ní vybírány pomocí posuvných registrù a dalších pomocných obvodù (viz obr. 66). Hlavním dùvodem tohoto øešení je malý poèet vývodù pozdra (28), které by nevystaèily na pøipojení externí pamìti a souèasnì na ovládání øízeného zaøízení. V uvedeném zapojení je poèet vstupních/ výstupních vývodù plnì zachován. Firma National Semiconductor považuje za perspektivní pøedevším rodinu 8bitových mikroøadièù, v níž se objevují stále nové typy. Vylepšení se týkají nejen technologických postupù a obvodového zapojení, ale rozšiøuje se i poèet rùzných periferních modulù. Mezi nové moduly, které se objevily v poslední dobì patøí napø.: - øadiè sbìrnice CAN odpovídající specifikaci sbìrnice CAN 2.0 èást B, - „Brown-out“ detektor monitoruje napájecí napìtí a komparuje je s minimálním definovaným napìtím. Je navržen tak, aby provedl RESET, jestliže napájecí napìtí poklesne pod hlídanou mez. Pro zaøízení, v nichž se pøedpokládá práce s širším rozsahem napájecího napìtí, je nutné Brown-out detektor pøi programování obvodu vypnout, - generátor skupin impulzù je modul umožòující vysílat z mikroøadièe série impulzù. Dobu periody a poèet vyslaných pulzù je možné nastavit v registrech modulu. Generuje pulzy se støídou 1 : 1, - Hardwarová násobièka a dìlièka provádí operace násobení v rozsahu 1 a 2 bajty pro operandy a 3 bajty pro výsledek. Pøi dìlení je èíslo o rozsahu 3 bajty dìleno èíslem dvoubajtovým a výsledek je rovnìž dvoubajtový. Pro zpracování analogového signálu mohou být mikroøadièe COP800 vybaveny moduly od nejjednoduššího analogového komparátoru až po komplexní analogový funkèní blok. - komparátor je reprezentován jednoduchým diferenèním komparátorem s typickým ofsetem asi 10 mV. Výstup komparátoru je možné pøivést na jeden z vývodù mikroøadièe. Celý komparátor lze programovì zapnout nebo vypnout, - A/D pøevodník je osmibitový s postupnou aproximací,

140

Stanislav Pechal: Monolitické mikropoèítaèe - BEN technická literatura