Рис. 9.3.Программируемая постоянная память и прибор для ее программирования
Эти приборы с «электрическим программированием» имеют плавкие элементы, которые представляют каждый бит. Если программист «пережигает плавкий предохранитель», то это соответствует значению бита «0». Если предохранитель не пережжен, он представляет «1». Как и в случае любого предохранителя, когда используется логический ноль, его уже нельзя вернуть назад в состояние логической единицы. По этой причине такие устройства называются однократно записываемой памятью, поскольку можно только один раз запомнить необходимую программу. Ошибка означает, что вы должны выбросить эту микросхему и запрограммировать другую.
Так как ошибки возникают часто, то с учетом дальнейшего усовершенствования программного обеспечения обычно используется программируемая постоянная память. Приборы с ультрафиолетовым стиранием имеют кварцевое окно, которое позволяет свету попадать на кремниевую пластину с ячейками памяти внутри корпуса интегральной схемы. Если эта пластина подвергается воздействию высокоинтенсивного ультрафиолетового света в течение нескольких минут, содержимое всех заполненных ячеек памяти будет стерто (установлено в положение логической единицы). Для перепрограммирования микросхемы используется специальная программа, как было указано выше.
Стираемая программируемая постоянная память позволяет уничтожать содержимое памяти и заново программировать ее. Прибор можно запрограммировать, при этом схема обеспечивает хранение информации в течение многих лет. Данные можно изменить только с помощью аппаратно-программного обеспечения. Неизменное хранение означает, что при выключении компьютера содержимое памяти не исчезнет. Все приборы памяти типа «только для чтения», описанные здесь, обладают характеристикой неизменности.
Во многих компьютерных приложениях нередко хранят весьма значительное количество информации, которую необходимо регулярно изменять. Центральный процессор должен иметь возможность записывать данные, а также считывать их. Для этого нужно, чтобы регистры состояли из триггеров с защелкой, а не из плавких элементов, которые были описаны для постоянной памяти. Эти схемы памяти обычно называются памятью с произвольным доступом. Их характеристики таковы: могут быстро записывать и выводить информацию, но требуют постоянного питания для сохранения данных. Если устройство выключается, информация будет потеряна. Обратите внимание, что схема программируемой памяти может хранить и находить данные, но цикл хранения относительно длинный. Потеря питания не означает потери информации.
Большинство встроенных контроллеров в настоящее время использует микросхемы с возможностью чтения и записи, которые называются статической памятью с произвольным доступом. Статическая память с произвольным доступом хранит каждый бит информации в триггере. Большинство крупных микрокомпьютерных систем, которые требуют значительного количества памяти с чтением и записью, такие как персональные компьютеры, используют динамическую память с произвольным доступом, которая позволяет хранить каждый бит информации в конденсаторе. Идеальный конденсатор с нулевым током утечки изготовить невозможно, поэтому конденсаторы, которые хранят данные, должны периодически подзаряжаться. Этот процесс называется обновлением памяти.
Динамическая память может быть изготовлена с большим количеством битов по сравнению со статической и в меньшем корпусе, поскольку конденсатор занимает меньше места, чем триггер. Динамическая память также потребляет меньше энергии и дешевле в производстве. Недостаток се заключается в том, что она требует более сложных схем для организации цикла обновления приблизительно каждую миллисекунду.
Каждая микросхема памяти организованна определенным образом. Эта информация всегда указывается в виде общего количества ячеек запоминания (со своим адресом), а также общего количества бит, которые могут храниться по этому адресу (длина слова). Поскольку устройство памяти часто содержит много ячеек хранения, это помогает указать общее количество адресов в несколько тысяч ячеек. Поскольку десятичная тысяча не является степенью числа 2, основной единицей измерения объема бит является 210 или 1024 килобит — сокращенно 1К). Например, микросхема статической памяти с произвольным доступом, показанная на рис. 9.4, имеет организацию 8Кх8. Общее количество элементов хранения составляет:
8 х 1024 = 8192
Число бит в каждом элементе хранения 8. Обратите внимание, что микросхема имеет 13 адресных шин. Просто подсчитав число выводов адресов, мы можем определить общее количество ячеек памяти, составляющее 213 = 8192.
Обратите также внимание, что микросхема имеет 8 линий данных. Это говорит о том, что в заданную на адресной шине ячейку памяти могут быть одновременно записаны (или считаны из нее) 8 бит данных. Линия WE (разрешение записи) активируется для записи данных. Линия ОЕ (разрешение выхода) активируется для чтения данных. Две линии CS (выбор ИМС) должны быть активированы (одна активируется высоким уровнем, другая низким) для выбора режима работы данной ИМС. Эти входы могут помочь при определении адреса, как будет показано ниже.
Рис. 9.4. ИС статического ОЗУ 8Кх8
Устройства ввода/вывода
Третьей составной частью компьютерной системы является блок ввода/вывода (см. рис. 9.1). Любой компьютер будет бесполезен, если вы не можете обрабатывать данные. Наиболее распространенным для персональных компьютеров устройством ввода является клавиатура, а устройством вывода — экран ЭЛТ.
Большинство компьютеров изготавливаются со стандартным портом LPT для принтера (вывод) и последовательным COM-портом (ввод и вывод). Накопители (CD, дискеты, флэш-карты и т. д.) также представляют собой устройства ввода/вывода, которые позволяют осуществлять перенос и обмен данными между компьютерами.
Во встроенных системах управления входными устройствами могут быть ограничительные, микропереключатели, кнопки и т. д., позволяющие центральному процессору получать информацию. Выходы могут быть подключены к интерфейсам системы питания для запуска различных устройств: двигателей, соленоидов, ламп. Аналого-цифровой преобразователь может служить входным устройством, формирующим 8-битовый сигнал, представляющий физическую переменную (например, температуру или давление) в какой-либо момент времени. Аналогично, цифро-аналоговый преобразователь может использоваться как выходной устройство для управления аналоговым прибором.
Шины и логические устройства с тремя состояниями
Микропроцессор использует три основных типа сигналов для связи с памятью и устройствами ввода/вывода: сигналы адреса, сигналы данных и управляющие сигналы. Вспомним, что в обычной микропроцессорной системе очень много различных областей памяти и устройств ввода/вывода, каждый их которых должен иметь свой адрес. Все эти устройства должны быть соединены общими линиями подачи сигналов, поступающих от процессора.
Группа проводников, которая используется для подачи сигналов одного типа, называется шиной. Существуют несколько подобных элементов.
Шина адреса состоит из 16-ти или более проводников, которые начинаются от ЦПУ и указывают, к какой ячейке памяти или к какому устройству ввода/вывода происходит обращение в настоящий момент.
Набор проводников, которые несут двоичную информацию кили от микропроцессора, — это шина данных. Количество проводников здесь обычно такое же, как и длина слова микропроцессора.
Шина управления несет информацию о времени и синхронизирует все операции периферийных устройств с работой ЦПУ. Число проводников и названия сигналов различаются в зависимости от типа микропроцессора и конкретного применения.
Рассмотрим проблему соединения нескольких ИМС памяти и устройств ввода-вывода с использованием одного набора из восьми линий передачи данных, как показано на рис. 9.5.
Рис. 9.5.Микрокомпьютерная система
Если каждый из выводов выхода данных ОЗУ, ПЗУ и ИМС ввода-вывода имеет два состояния (высокий и низкий), будет невозможно соединить устройства параллельно, как это показано на рисунке. Любой выходной контакт с низким уровнем может находиться в противоречии с выходными сигналами других ИМС, которые могут иметь высокий уровень. Для решения этой проблемы все приборы, подключаемые к шине, имеют специальные выходы с тремя состояниями: логический высокий уровень, логический низкий уровень, состояние высокого импеданса. Когда прибор с гремя состояниями не действует, его выходы находятся в третьем состоянии, что электрически равносильно полному удалению прибора их схемы. При запуске устройства, на выходные контакты подастся уровень ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ.
Шина адреса используется для определения, к какой именно ИМС происходит обращение в соответствии с текущим адресом, выдаваемым ЦПУ. Это очень похоже на то, как мы находим конкретный квартал в городе и нужное здание.
Старшие цифры указывают квартал, а младшие — дом. Аналогично, старшие биты адреса используются для выбора конкретной ИС, а младшие — определяют, к какой ячейке ИМС происходит доступ.
Адресная шина на рис. 9.5 представлена в виде «жгута» проводов, в котором неразличимы отдельные проводники. Это обычный метод изображения шин на диаграммах. Когда провод входит или отходит от жгута, он помечается своим номером, названием или символом идущего по нему сигнала.
Инструкции и машинный код
Теперь, когда некоторые основные аппаратные схемы описаны и даны определения многих терминов, мы можем начать рассматривать, как же в действительности работает микрокомпьютер. Понимание того, как должна функционировать система, что можно ожидать, абсолютно необходимо для правильной диагностики проблем. Чтобы заставить компьютер сделать нечто полезное, его надо запрограммировать, то есть организовать набор допустимых команд или инструкций, представляющих двоичный код, расположенный в памяти ЭВМ, которым должен следовать компьютер. Ест и машина рабо