В этом книге собраны описания ряда структурных и схемных решений, относящихся к микропроцессорной технике. Эти решения в большинстве своем являются изобретениями, т. е. отвечают критериям мировой новизны, существенных отличий и полезности. Поэтому данная книга, строго говоря, не является «справочником» в общепринятом смысле — это, скорее, собрание «жемчужин передовой схемотехнической мысли». Иными словами, это — «справочник идей», и в нем пет ни одной схемы с указанием конкретных типов элементов с их цоколевкой и т. п.
Тем не менее приведенная в книге информация вполне достаточна для воплощения схем в «железе» с учетом конкретных конструктивно-технологических ограничений, используемой элементной базы и т.п. Едва ли не каждое решение можно усовершенствовать, поэтому многие из них могут послужить аналогами и прототипами при создании новых изобретений
Тем, кто мало знаком с микропроцессорной техникой, можно порекомендовать прочесть первый раздел книги, в котором приведены сведения, облегчающие понимание смысла решений, рассматриваемых во втором ее разделе.
Описания технических решений и рисунки даны о максимально упрощенном виде и, как правило, не совпадают с материалами первоисточников по форме. Что же касается содержания, то автор надеется, что привнесенные при упрошенном описании искажения (а они, к сожалению, неизбежны) не затрагивают сути решений.
В заключение хотелось бы пожелать читателю оптимизма и хорошего делового настроения, которое поможет оценить «красоту» и «мощь» некоторых приведенных здесь схем.
Оглавление
Предисловие , , ,........., f g
РАЗДЕЛ I ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНИКУ МИКРОЭВМ
Глава I
Выбор микропроцессорной системы и организация адресного взаимодействия ее составных частей
1.1. С чего начать проектирование микропроцессорной системы? .............. 4
1.2. Типовая структура микроЭВМ, принцип адресного взаимодействия ее составных частей ...... 7
1.3. Методы дешифрации адресов . ..... 13
1.4. Схемы адресных дешифраторов . ..... 26
1.5. Методы расширения адресного пространства .... 37
Глава 2
Обеспечение связи микропроцессорной системы с «внешним миром*
2.1. Интерфейс «общая шина» (упрощенная версия) . . 50
2.2. Арбитры, реализующие гибкое обслуживание запросов 63
2.3. Типы контроллеров.......... 68
2.4. Примеры пассивных контроллеров ...... 70
2.5. Методы поиска источников прерывания ..... 8'
2.6. Канал прямого доступа в память....... °*
Глава 3 Последовательные каналы связи
3.1. Методы кодирования цифровой информации для ее пе-редачи по последовательным каналам связи ... °°
3.2. Примеры микроЭВМ с магистралями последовательного типа...............]"
3.3. Каналы, использующие код «Манчестер-Л» ... <"
3.4. Каналы для одновременной двунаправленной передачи информации по одному кабелю......
3.5. Канал для одновременной передачи напряжения пита-
ния, синхроимпульсов и информации по одному кабелю |«2
3.6. Асинхронные двунаправленные приемопередатчики ,
Глава 4
Рекомендации по обеспечению помехозащищенности цифровых устройств
4.1. Подавление помех по первичной питающей сети . . 111
4.2. Правила заземления, обеспечивающие защиту от помех
по «земле»............ 114
4.3. Подавление помех по цепям вторичного электропитания 115
4.4. Правила работы с согласованными линиями связи . . 116
4.5. О защитных свойствах кабелей....... 122
4.6. Использование оптронных развязок для подавления помех ,,, ..... «,..... 125
РАЗДЕЛ II
ПРИМЕРЫ ПОСТРОЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ И ИХ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ
Глава 5 Взаимодействие с объектами
5.1. Опрос удаленного источника информации по двухпроводной линии связи..........127
5.2. Схема связи микроЭВМ с мощным потребителем энергии...............159
5.3. Передача запросных и ответных сигналов прерывания
по двухпроводной линии связи ....... 166
5.4. Передача вектора в процессор, не обладающий способностью реакции на векторные прерывания .... 167
5.5. Минимизация числа внешних связей устройств при задании их собственных адресов.......169
5.6. Определгние состояния переключателя без использования схемных элементов опроса ,...,...,. 172
5.7. Использование двухвекторных источников прерываний
для демократизации их обслуживания.....173
5.8. Ввод данных в микроЭВМ с кассетного магнитофона . 177
5.9. Сопряжение микроЭВМ с клавиатурой и со стрелочными индикаторами с использованием общего порта ввода-вывода .............178
5.10. Сопряжение микроЭВМ с клавиатурой и с группой датчиков с использованием общего входного порта . . 180
5.11. Подключение клавиатуры к магистрали микроЭВМ . 180
5.12. Подсветка нажатых клавиш ответными сигналами от микроЭВМ без использования дополнительных связей
с клавиатурой ........... 181
5.13. Способ идентификации нажатых клавиш , 182
5.14. Связь микроЭВМ с удаленным активным датчиком . 183
5.15. Управление отдельными битами выходного порта с использованием адресной шины.......184
5.16. Периодическое отключение напряжения питания от энергонезависимых блоков микроЭВМ при выполнении циклических программ.........185
5.17. Связь однокристальной микроЭВМ с линейным приемопередатчиком, клавиатурой и цифровым индикатором . 185
5.18. Пример использования однокристальной микроЭВМ
в таксометре автомобиля ........ 187
507
5.19. Использование выходного порта микроЭВМ для ввода информации ......... .„о
5.20. Система адресации удаленных устройств, использующая
псевдослучайные числовые последовательности . 192
5.21. Упрощение конструкции системы электрического согласования кабеля с устройствами — источниками и приемниками Информации......... jgg
5.22. Использование сетевого таймера для синхронизации данных, поступающих в микроЭВМ от удаленного источника Информации..........jgg
5.23. Использование сетевого таймера для синхронизации обмена данными между двумя микроЭВМ .... 206
5.24. Система опроса большого числа источников информации 211
5.25. Повышение производительности микроЭВМ при рассасывании очередей из запросов на прерывания . . . 214
5.26. Параллельный опрос ряда источников векторных прерываний (применительно к каналу микроЭВМ типа «Элект-роника-60»)..........., 220
5.27. Об одной особенности подключения программно-доступных элементов к каналу микроЭВМ типа «Электрони-ка-60»..............222
5.28. Выявление конфигурации управляемого объекта с использованием диодной схемы ИЛИ......224
5.29. Поиск источника прерывания с использованием группового опроса контроллеров ......... 225
5.30. Клавиатурный блок дистанционного управления с низким потреблением энергии в паузах между сеансами связи..............226
5.31. Схема связи микроЭВМ с удаленными абонентами . 229
5.32. Связь микроЭВМ с клавиатурой с использованием цифро-аналоговрго преобразователя......231
5.33. Уменьшение аппаратных затрат при задании собственных номеров однотипных устройств ..... 233
5.34. Обработка прерываний в многопроцессорной системе . 234
5.35. Программно-управляемое назначение собственных адресов контроллеров ........... 235
5.36. Формирование импульснах сигналов запросов прерываний в потенциальной линии связи типа Монтажное ИЛИ 238
Глава 6
Контроль, диагностика, восстановление, защита и поиск информации
6.1. Метод следящегр самоконтроля микроЭВМ на основе предварительного прогнозирования вариантов ее «поведения» ............."4°
6.2. Устройство для контроля работы микроЭВМ путем ана-
л.иза времени выполнения программного цикла . . . "4^
6.3. Программно-управляемая замена одного из блоков па-мяти на резервный блок.........***
6.4. Однокристальная (или одноплатная) микроЭВМ, «создающая себя» при включении напряжения питания из имеющихся исправных блоков......_• ™"
6.5. Коррекция постоянных ошибок в ОЗУ методом двойной _ инверсии « , .,,,,,,»«•» •"
6.6. Устройство для обнаружения ошибок — двух последовательных записей в одну и ту же ячейку ОЗУ . . . 247
6.7. Устройство для оперативного контроля магистрали микроЭВМ, использующее паузы в ее работе .... 248
6.8. Оперативный контроль магистрали микроЭВМ с возможностью адаптации к отказам информационных и адресных линий............249
6.9. Исправление постоянной ошибки в линии магистрали за счет «логической поддержки» ближайших соседних линий............... 250;
6.10. Коррекция одиночных отказов информационно-адресной шины путем инвертирования передаваемых кодов . . 252
6.11. Подключение абонентов к адресной шине с возможностью коррекции ошибок в ее линиях.....252
6.12. Устройство для контроля управляющей вычислительной машины.............255
6.13. Передача управления при «зависаниях» путем доопределения магистральных сигналов.......258
6.14. Контроль сохранности данных в статическом ОЗУ с резервным источником питания ........ 259
6.15. Устройство для коррекции ошибок при передаче или хранении информации.........271
6.16. Защита программы от ее прогона на «чужой» микро-ЭВМ, однотипной со «своей».......274
6.17. Перемещение отказавших страниц динамического ОЗУ
в конечную гго часть..........277
6.18. Резервированная система из трех микроЭВМ . . . 281
6.19. Точный или приближенный поиск желаемой последовательности символов в проходящем потоке символов . 283
6.20. Поиск в ОЗУ слова, минимально отличающегося от эталонного слова............287
6.21. Устройство для защиты информации в коллективной памяти от посторонних пользователей......288
6.22. Повышение обнаруживающей способности системы контроля, использующей код Хэмминга......289
6.23. Повышение вероятности обнаружения ошибок путем их размножения........... . 291
6.24. Схема защиты информации в ОЗУ от ошибочной записи 296
6.25. Контроль выполнения программы с использованием таймера ..............298
6.26. Контроль передачи адресных сигналов к микросхемам памяти.............299
6.27. Контроль передачи сигналов из микроЭВМ к управляемому объекту........... 301
6.28. Контроль данных по четности с повышенной вероятностью обнаружения групповых ошибок , 304
6.29. Контроль информации, считываемой из ОЗУ, без снижения его быстродействия.........306
6.30. Восстановление информации, поступающей в микроЭВМ
из нескольких каналов связи........307
6.31. Восстановление информации при ее приеме из параллельного канала связи ........ .312
6.32. Схема регистрации устойчивых одиночных ошибок в динамическом ОЗУ...........314
6 33. Схема слежения за адресами команд, выполняемых процессором ............ gjr
6.34. Байтовый канал связи с чередованием во времени проверок нечетности и четности числа передаваемых единиц 317
Глава 7 Адресация, обмен данными
7.1. О преимуществах псевдослучайной адресации памяти . 319
7.2. Размещение оперативной памяти данных микроЭВМ вне
ее адресного пространства ........ 320
7.3. Расширение адресного пространства микроЭВМ при плотном его заполнении «окнами»....., 321
7.4. Преобразователь логических адресов в физические, обеспечивающий конвейерный режим работы блоков памяти 322
7.5. Повышение производительности микроЭВМ за счет опережающего выбора команд и данных из памяти . . 323
7.6. Гибкое использование абсолютных адресов, хранимых
в программном ПЗУ..........326
7.7. Улучшенная структура буфера типа FIFO .... 328
7.8. Оперативная память с возможностью одновременного чтения нескольких ячеек ......... 331
7.9. Определение истинности передаваемой по магистрали информации без использования сопровождающего синх-ро'сигнала.............332
7.10. Автоматическое назначение собственных адресов блоков памяти микроЭВМ при включении напряжения питания 333
7.11. Помехоустойчивая магистраль типа Монтажное ИЛИ
с использованием дифференциальных пар .... 338
7.12. Арбитр распределенного типа.......338
7.13. Четырехпроводная магистраль для двунаправленной передачи информации в вычислительной системе . . . 339
7.14. Перемещение свободных областей памяти в конечную
ее часть без приостановки выполнения рабочих программ 343
7.15. Сокращение числа выводов однокристальной микроЭВМ
за счет преобразования адресных сигналов .... 345
7.16. Уменьшение числа линий адресной шины при подключении ОЗУ к процессору.........346
7.17. Компактное размещение пользовательских адресных пространств в общей физической памяти.....349
7.18. Схемное определение наиболее «устаревшего» блока буферной памяти...........351
7.19. Варианты построения арбитров, реализующих гибкое обслуживание абонентов.........352
7.20. Устройство для быстрого стирания информации в памяти микроЭВМ ............366
7.21. Использование освободившихся при частичной дешифрации разрядов адресной шины для передачи данных . 371
7.22. Трехпроводная магистраль для передачи переменного напряжения питания, информации и стартовых меток . 372
7.23. Микропроцессорная управляющая система с битовой
и байтовой адресацией ОЗУ . . .......375
7.24. Использование страничного режима работы микросхем динамической памяти для повышения производительно-
ста микроЭВМ...........6"
510
7.25. Управление программным семафором без использования режима Чтение — модификация — запись .... 395
7.26. Использование динамического ОЗУ для хранения констант, «не разрушающихся» при выключении напряжения питания............397
7.27. МикроЭВМ с программируемыми адресами контроллеров ..............404
7.28. Ускорение записи неполноразрядных слов в память
с большой разрядностью шины данных.....405
7.29. Схема формирования ответных сигналов от абонентов, учитывающая различие их быстродействия .... 408
7.30. Уменьшение потерь производительности микроЭВМ, связанных с регенерацией динамической памяти . . . 409
7.31. Управление программными семафорами в многопроцессорной системе...........412
7.32. Повышение производительности двухмашинной системы
с общим блоком памяти.........416
7.33. Изменение параметров устройства, задаваемых микропереключателями, в отсутствие доступа к этим микропереключателям ............417
7.34. Подключение памяти на магнитных дисках к многопроцессорной системе...........419
7.35. Обмен информацией между процессорами через буфер
типа FIFO............-421
7.36. Многопроцессорная система, использующая табличную память для выбора страницы в главной памяти . . 422
7.37. Уменьшение аппаратуры дополнительной памяти микроЭВМ ............. 422
7.38. Коррекция информации, хранимой в ПЗУ, с помощью дополнительной аппаратуры ........ 424
7.39. Простой интерфейс с совмещенной шиной адресов — данных..............430
7.40. Персональная микроЭВМ с возможностью использования процессоров разных типов........432
7.41. ПЗУ со страничной организацией......433
7.42. Расширение памяти микроЭВМ подключением дополнительных блоков разного объема ....... 437
7.43. Программируемый адресный дешифратор . . . . 441
7.44. Взаимодействие между центральной и периферийными микроЭВМ с использованием общего ОЗУ .... 442
7.45. Повышение быстродействия кэш-памяти.....446
7.46. Магистраль с электрическими характеристиками, не зависящими от числа подключенных к ней устройств . 451
7.47. Арбитр двухпортового ОЗУ........452
7.48. Конструкция магистрали, допускающая ее разделение
на изолированные друг от друга части.....455
7.49. Быстродействующий распределенный арбитр . . . 457
7.50. Ускорение программно-управляемой пересылки данных
при использовании операции фиктивного чтения . . 460
7.51. Подтверждение истинности передаваемых данных попеременно фронтом и срезом синхросигнала .... 465
Глава 8
Аппаратная поддержка вычислений, цифровые фильтры, узлы микроЭВМ
8.1. Расширение системы команд процессора путем подключения к нему программно-доступных элементов . , 469
8.2. Распараллеливание выбора двух операндов при выполнении двухадресных команд ,.......470
8.3. Аппаратная поддержка механизма вызова подпрограмм 470
8.4. Аппаратная реализация вызова произвольных участков программ, не являющихся «оформленными» подпрограммами ..............472
8.5. Микропрограммная поддержка механизма выбора из памяти «разбросанных» данных.......473
8.6. Цифровой фильтр для сглаживания ступенчатых воздействий на механические исполнительные органы . . 474
8.7. Цифровой фильтр для усреднения значений входных сигналов.............475
8.8. Схемное решение задачи кусочно-линейной аппроксимации нелинейных функций.......« , 476
8.9. Быстродействующий генератор кодов маски . . . 477
8.10. Устройства для быстрого подсчета числа входных единичных сигналов...........479
8.11. Цифровой фильтр для подавления высокочастотной составляющей сложного сигнала......._ 479
8.12. Устройство для инерционной фазовой автоподстройки частоты..............481
8.13. Устройство для регистрации попадания числа в заданный диапазон.........., 488
8.14. Устройство для быстрой сортировки чисел .... 490
8.15. Генератор псевдослучайных чисел......492
8.16. Аппаратная поддержка операции транспонирования матрицы...............497
8.17. Быстродействующий компаратор двух чисел , , , 499 Список литературы............502
