Thiết kế và thi công mạch cảnh báo tốc độ và tính cước taxi Nguồn, chương 2

Chia sẻ: Nguyen Van Dau | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

77
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong hệ thống vi xử lý, CPU là bộ phận quan trọng nhất. Đây là nơi tiếp nhận và xử lý thông tin liên quan đến hoạt động của cả mạch. Cho nên việc chọn bộ phận xử lý trung tâm thích hợp là yêu cầu quan trọng đầu tiên trong thiết kế, nó quyết định phần lớn khả năng hoạt động cho toàn hệ thống. 1- Phân tích yêu cầu hệ thống – chọn linh kiện: Để chọn một linh kiện thích hợp, chúng ta căn cứ vào một số yêu cầu: a- Có tính cơ bản, đặc trưng...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế và thi công mạch cảnh báo tốc độ và tính cước taxi Nguồn, chương 2

Chương 2: THIEÁT KEÁ BOÄ XÖÛ LYÙ TRUNG TAÂM Trong heä thoáng vi xöû lyù, CPU laø boä phaän quan troïng nhaát. Ñaây laø nôi tieáp nhaän vaø xöû lyù thoâng tin lieân quan ñeán hoaït ñoäng cuûa caû maïch. Cho neân vieäc choïn boä phaän xöû lyù trung taâm thích hôïp laø yeâu caàu quan troïng ñaàu tieân trong thieát keá, noù quyeát ñònh phaàn lôùn khaû naêng hoaït ñoäng cho toaøn heä thoáng. 1- Phaân tích yeâu caàu heä thoáng – choïn linh kieän: Ñeå choïn moät linh kieän thích hôïp, chuùng ta caên cöù vaøo moät soá yeâu caàu: a- Coù tính cô baûn, ñaëc tröng cho moät heä thoáng vi xöû lyù. b- Theå hieän ñöôïc khaû naêng öu vieät so vôùi heä thoáng maïch soá. c- Ñaùp öùng toát vaø laøm vieäc deã daøng vôùi caùc linh kieän trong heä thoáng. d- Deã söû duïng, cuõng nhö thieát keá caùc öùng duïng. e- Coù ñaày ñuû taøi lieäu tra cöùu. f- Khoâng yeâu caàu cao trong thieát keá. g- Chaáp nhaän ñöôïc veà giaù thaønh. Thöïc teá hieän nay, lónh vöïc vi xöû lyù ñaõ phaùt trieån raát cao, töø moät heä thoáng 16 bit ñaõ naâng leân 32 bit thaäm chí ñeán 64 bit, khaû naêng quaûn lyù boä nhôù töø 640 Kbyte hieän vöôït ñeán giôùi haïn Gbyte. Cuõng nhö toác ñoä xöû lyù tieán maïnh khoâng ngöøng ñaõ leân ñeán haøng traêm Mhz. Vaø nhö theá vieäc choïn boä xöû lyù vöøa ñaùp öùng ñöôïc yeâu caàu ñaët ra, vöøa minh hoïa ñöôïc toác ñoä phaùt trieån cuûa lónh vöïc vi xöû lyù hieän taïi laø moät ñieàu khoâng deã. Chuùng ta seõ choïn moät heä vi xöû lyù ñôn giaûn nhaát, phuø hôïp: heä vi xöû lyù 8 bit, tuy khoâng maïnh so vôùi thöïc teá hieän nay nhöng thieát nghó cuõng coù theå thoûa maõn yeâu caàu tìm hieåu veà lónh vöïc naøy. CPU 8 bit ñöôïc chia thaønh hai heä: heä 80 vaø heä 68. Heä 80 coù soá hieäu 8080 vaø 8085 cuûa haõng Intel vaø Z-80 cuûa haõng Zilog. Heä 68 coù soá hieäu 6800, 6802, 6809. . . cuûa haõng Motorola. Caên cöù vaøo caáu truùc linh kieän, khi duøng caùc vi xöû lyù nhö 8085, 8080 . . . maïch thieát keá trôû neân phöùc taïp, vì ñoøi hoûi phaûi coù maïch choát (ñoái vôùi 8085, boä ñeäm hai chieàu, nhieàu caáp ñieän aùp (8080). Nhö vaäy vaán ñeà löïa
choïn coøn laïi laø Z-80 hay CPU heä 68. Phaân tích veà maët phaàn cöùng heä 68 toû ra öu ñieåm hôn Z-80. - Heä 68 coù maïch taïo xung clock ngay beân trong IC, chæ caàn maéc theâm moät thaïch anh beân ngoaøi laø ñuû. - Ñöôïc trang bò 128 byte RAM beân trong. Tuy nhieân, caên cöù vaøo caùc yeâu caàu ñaët ra cuûa ñeà taøi, vi maïch thoâng duïng, giaù thaønh haï deã tìm treân thò tröôøng neân chuùng em quyeát ñònh choïn CPU Z-80 coù ñaëc ñieåm thanh ghi nhö sau: - 06 thanh ghi ña naêng B, C, D, E, H, L. - 06 thanh ghi döï tröõ B’, C’, D’, E’, H’, L’. - Boä tích luõy 8 bit. - Hai thanh ghi chæ soá IX vaø IY - Hai thanh ghi chöùc naêng I vaø R - Boä ñeám chöông trình PC. - Con troû SP. 2- Thieát keá maïch xöû lyù trung taâm: a- Thieát keá maïch dao ñoäng clock: Xung clock ñoùng vai troø raát quan troïng trong heä thoáng vi xöû lyù coù nhieäm vuï ñoàng boä hoaït ñoäng cuûa caùc linh kieän khaùc nhau trong maïch. Khi theát keá maïch taïo xung clock caàn phaûi thoûa ñieàu kieän: - Ñaûm baûo ñoä oån ñònh cuûa taàn soá laøm vieäc. - Thích öùng vôùi moïi linh kieän trong heä thoáng. - Taàn soá cuûa maïch dao ñoäng clock khoâng ñöôïc vöôït quaù trò soá ñaõ qui ñònh, ñeå ñaûm baûo cho CPU hoaït ñoäng ñuùng. Treân thöïc teá coù nhieàu caùch taïo maïch dao ñoäng clock: raùp baèng transistor rôøi, raùp baèng coång logic, maïch dao ñoäng thaïch anh. Tuy nhieân, duøng maïch dao ñoäng thaïch anh laø giaûi phaùp coù tính thuyeát phuïc nhaát, vì thaïch anh laø linh kieän coù tính oån ñònh cao, cho giaù trò chính xaùc, sai soá nhoû.
Nhö chuùng ta ñaõ bieát,ôû ñieàu kieän lyù töôûng taàn soá laøm vieäc cuûa CPU phaûi hoaøn toaøn töông thích vôùi toác ñoä truy xuaát döõ lieäu cuûa boä nhôù. Ñoái vôùi CPU Z-80 caàn taàn soá xung clock 2 MHz, maïch dao ñoäng thaïch anh ñöôïc laép theo sô ñoà: Tuy nhieân, hieän nay treân thò tröôøng raát hieám thaïch anh 2MHz, do ñoù ngöôøi thöïc hieän duøng thaïch anh 32 MHz ñöa vaøo IC 74163 ñeå chia taàn soá (chia 16), tín hieäu laáy treân chaân QD coù taàn soá ra laø 2 MHz. b- Thieát keá maïch taïo tín hieäu Reset: Chaân mang tín hieäu – RESET chòu taùc ñoäng töông öùng vôùi traïng thaùi “L”, coù nghóa laø khi tín hieäu ‘0’ xuaát hieän treân chaân reset seõ laøm cho caùc boä phaän sau trôû laïi giaù trò ban ñaàu 0 flip-flop cho pheùp ngaét, PC thanh ghi ñòa chæ leänh (Program counter), thanh ghi vectô ngaét (interrupt vector) vaø thanh ghi phuïc hoài boä nhôù (memory register). CPU seõ trôû veà traïng thaùi ban ñaàu (initial state). Trong thôøi gian reset, tuyeán ñòa chæ vaø tuyeán döõ lieäu trôû neân traïng thaùi toång trôû cao vaø taát caû caùc tín hieäu ñieàu khieån khaùc cuõng naèm trong traïng thaùi khoâng hoaït ñoäng. Maïch ñieän sau ñaáy ñaùp öùng ñöôïc yeâu caàu neâu ra:
Hình B.3 : Sô ñoà maïch taïo tín hieäu reset Thôøi gian reset maùy ñöôïc caùc nhaø saûn xuaát CPU khuyeân khoâng nhoû hôn xung clock cuûa heä thoáng (baèng 0.5 theo thieát keá). Döïa vaøo thôøi haèng cuûa maïch RC ñeå tính toaùn vaø giaù trò cuûa R, C ñöôïc choïn laø : R = 4.7k, C = 220F. thôøi gian Reset seõ laø T = 1.4s. tuy nhieân vôùi daïng xung laø ñaëc tính naïp ñieän cuûa tuï, do ñoù möùc logic 0 seõ khoâng baûo ñaûm. Ñeå khaéc phuïc nhöôïïc ñieåm naøy ngöôøi thöïc hieän duøng IC7414. Maïch ñöôïcc thöïc hieän nhö sau: Hình B.4: Sô ñoà maïch taïo tín hieäu Reset cho CPU vaø 8255 Chöùc naêng taïo ra moät xung taùc ñoäng vaøo chaân Reset cuûa CPU (Reset möùc cao) vaø 8255 (Reset möùc thaáp) khi môùi caáp ñieän cho heä thoáng hay ñeå khôûi ñoäng laïi khi bò treo. Do chöông trình quaûn lyù vaø ñieàu khieån heä thoáng luoân laø chöông trình ñöôïc thi haønh ñaàu tieân taïi ñòa chæ 0000h, neân thao taùc Reset seõ xoùa thanh ghi côø ñaët laïi thanh ghi PC = 0000h, xoùa thanh ghi Control word cuûa 8255.
III-THIEÁT KEÁ BOÄ NHÔÙ: Boä nhôù laø khoái quan troïng thöù hai sau khoái xöû lyù trung taâm. Caùc chöông trình ñieàu khieån, caùc döõ lieäu thu thaäp töø beân ngoaøi cuõng nhö nhöõng phaùt sinh töø beân trong chöông trình ñeàu ñöôïc löu giöõ trong boä nhôù. Coù theå noùi boä nhôù laø nôi CPU thöôøng xuyeân trao ñoåi thoâng tin nhaát. Chính vì vaäy töø khi maùy tính ra ñôøi ñeán cuøng vôùi söï caûi tieán khoâng ngöøng maïch vi xöû lyù, boä nhôù ngaøy caøng ñöôïc toái öu hoùa khoâng chæ veà maët dung löôïng, kích thöôùc maø coøn veà caû thôøi gian truy xuaát döõ lieäu nöõa. 1- Phaân tích yeâu caàu heä thoáng – choïn linh kieän: Haàu heát caùc boä nhôù ñang söû duïng laø boä nhôù baùn daãn vì coù söï töông thích veà kích thöôùc vaät lyù, toác ñoä hoaït ñoäng, naêng löôïng tieâu thuï vaø möùc logic. Nhöõng boä nhôù naøy ñöôïc söû duïng nhö nhöõng vi maïch rieâng bieät hoaëc gheùp chung treân cuøng moät chip vôùi boä vi xöû lyù. Dung löôïng boä nhôù ñöôïc xaùc ñònh baèng soá löôïng bit hay soá löôïng töø cöïc ñaïi maø boä nhôù coù theå chöùa ñöôïc. Giaû söû boä nhôù coù n bit ñòa chæ vaø moãi töø coù ñoä daøi laø m, nhö vaäy boä nhôù coù 2n.m bit, ñöôïc toå chöùc nhö 2n töø vaø moãi töø laø m bit. Boä nhôù baùn daãn, baûn thaân noù ñöôïc chia thaønh hai nhoùm chính: - ROM (Read Only Memory): chöùa saün chöông trình khôûi taïo cho maùy hoaït ñoäng ñöôïc khi môùi baät ñieän hay Reset maùy. - RAM (Read Access Memory): Duøng naïp chöông trình do ngöôøi vieát vaøo maùy laøm cho hoaït ñoäng ñöôïc. ROM coù nhieàu daïng maø teân goïi cuûa moãi loaïi ñaëc tröng cho coâng ngheä cheá taïo vaø caùch thöùc ghi döõ lieäu töông öùng. ÔÛ ñaây laø theå keå ra moät soá loaïi nhö: - PROM (Programmable Rom): loaïi ROM naøy chæ ghi döõ lieäu ñöôïc moät laàn vaø khoâng theå thay ñoåi ñöôïc nöõa. - EPROM ( Erasable Programmable Rom): ñaây laø loaïi ROM coù theå ghi xoùa ñöôïc nhieàu laàn. Linh kieän naøy toû ra öu ñieåm laø duøng ñieän thay cho tia cöïc tím ñeå xoùa döõ lieäu ñaõ ghi tröôùc ñoù, ñieàu naøy raát thuaän tieän cho ngöôøi söû duïng.
ROM noùi chung do tính chaát löu tröõ döõ lieäu baèng caùch thay ñoåi caáu truùc vaät lyù neân döõ lieäu ñöôïc toàn taïi maø khoâng caàn coù nguoàn ñieän ñeå duy trì. Khaùc vôùi ROM noäi dung chöùa trong RAM linh ñoäng hôn, noù coù theå thay ñoåi ñöôïc vaø noäi dung cuûa noù bò maát khi nguoàn ñieän nuoâi bò maát. RAM ñöôïc chia laøm 2 loaïi: - SRAM (Static RAM): RAM tónh, ñôn vò cô sôû laø maïch Flip-flop, vieäc toàn tröõ döõ lieäu döïa vaøo nguyeân taéc hoaït ñoäng cuûa Flip-flop D. Döõ lieäu ghi vaøo toàn taïi ôû moät trong hai traïng thaùi logic cuûa maïch soá vaø ñöôïc giöõ nguyeân trong quaù trình laøm vieäc. - DRAM (Dynamic RAM): RAM ñoäng, löu tröõ moät bit thoâng tin döôùi hình thöùc ñieän tích tröõ trong ñieän dung moái noái baùn daãn transistor. Ñôn vò cô sôû cuûa DRAM laø ñieän dung baåm sinh giöõa cöïc chaén vaø cöïc neàn cuûa moät transistor MOS. Do ñoù maät ñoä cuûa DRAM cao hôn SRAM. Döôùi taùc duïng cuûa doøng ræ ñieän theá tuï bò giaûm daàn. Vì theá phaûi lieân tuïc laøm töôi (Refresh) DRAM. Quy trình laøm töôi bao goàm vieäc dôøi thoâng tin khoûi ngaên nhôù roài vieát trôû laïi. Do coù caáu taïo nhö vaäy neân DRAM thöôøng coù dung löôïng boä nhôù cao. Choïn boä nhôù baùn daãn phaûi thoûa maõn ñöôïc caùc yeáu toá: nhoû, goïn, khoâng chieám nhieàu dieän tích, coâng suaát tieâu taùn thaáp vaø gaén ñöôïc tröïc tieáp treân bo maïch chính cuøng vôùi caùc linh kieän khaùc. Töø nhöõng nhaän ñònh treân, chuùng ta xem xeùt löïa choïn nhöõng loaïi naøo thích hôïp nhaát trong ñeà taøi, sau ñaây laø moät vaøi nhaän xeùt: - Ñoái vôùi vieäc löïa choïn ROM: + Söû duïng PROM coù leõ khoâng thích hôïp vì döõ lieäu chæ coù theå naïp ñöôïc moät laàn, ñieàu naøy khoâng tieän cho coâng taùc nghieân cöùu cuûa sinh vieân do moãi laàn thöû nghieäm laïi phaûi thay theá moät PROM môùi. Hôn nöõa hieän nay xu theá cuûa caùc nhaø saûn xuaát chæ cung caáp loaïi boä nhôù theo ñôn ñaët haøng cuûa caùc coâng ty, xí nghieäp saûn xuaát, taïi ñoù caùc chöông trình ñieàu khieån töï ñoäng ñaõ ñöôïc caùc nhaø chuyeân moân kieåm tra hoaøn chænh tröôùc khi naïp vaøo boä nhôù. + Söû duïng EPROM, vôùi ñaëc ñieåm coù theå ghi xoùa ñöôïc nhieàu laàn ñaùp öùng ñöôïc coâng vieäc nghieân cöùu thöû nghieäm chöông trình ñieàu khieån.
Beân caïnh ñoù noù deã tìm thaáy treân thò tröôøng, giaù caû laïi phuø hôïp vôùi sinh vieân. - Ñoái vôùi vieäc löïa choïn RAM: + DRAM: döõ lieäu ñöôïc löu tröõ döôùi daïng ñieän tích trong ñieän dung kyù sinh neân raát deã thaát thoaùt bôûi hieän töôïng roø ræ. Chính vì theá ñoái vôùi DRAM ñeå baûo toaøn döõ lieäu trong caáu truùc, ngoaøi caùc maïch giaûi maõ oâ nhôù thoâng thöôøng chuùng coøn coù theâm maïch laøm töôi (refresh) nhaèm duy trì ñieän tích trong caùc ñieän dung kyù sinh. Ñieàu naøy daãn ñeán caàn phaûi coù caùc tín hieäu ñieàu khieån töø beân ngoaøi phuïc vuï cho taùc vuï naøy. Ñaây chính laø haïn cheá khi söû duïng DRAM. + SRAM löu tröõ döõ lieäu theo nguyeân taéc hoaït ñoäng cuûa Flip-flop D, söï oån ñònh theo thôøi gian khaù beàn vöõng khoâng caàn coù caùc maïch hoå trôï theâm beân ngoaøi neân thieát keá raát ñôn giaûn. Maët duø dung löôïng nhoû, nhöng vaãn coù theå ñaùp öùng ñöôïc yeâu caàu nghieân cöùu cuûa sinh vieân. Töø nhöõng lyù do neâu treân cuøng vôùi yeâu caàu khoâng lôùn laém cuûa ñeà taøi, ngöôøi thöïc hieän quyeát ñònh choïn EPROM vaø SRAM laøm boä nhôù cho heä thoáng. Vaán ñeà cuoái cuøng ñaët ra laø choïn dung löôïng boä nhôù. Ñoái vôùi ñeà taøi naøy dung löôïng moãi loaïi côõ 2Kbyte laø ñuû. Tuy nhieân vì ñaây laø maïch thi coâng phuïc vuï cho coâng taùc hoïc taäp nghieân cöùu, chöông trình öùng duïng coù theå thay ñoåi lôùn nhoû vaû laïi söû duïng nhöõng linh kieän coù saün neân ngöôøithöïc hieän duøng boä nhôù 8Kbyte cho ñeà taøi nhö sau: EPROM (2764), SRAM (6264).