07_07.pdf

Mikrokomputery

Kontynujemy artykuł o podstawach

budowy i działania miroprocesorów.

W tym odcinku zajmujemy się

pamięciami.

Mikroprocesor

a co to takiego?

część 2

Pamięć

Pamięć jest nieodzownym elementem

każdego systemu mikroprocesorowego,

chociaż fizycznie nie musi ona znajdować

się wewnątrz kostki mikroprocesora.

W systemie mikroprocesorowym pa−

mięć służy do przechowywania rozkazów

(kodu programu), ale też potrzebna jest

jakaś pamięć do przechowywania wyni−

ków obliczeń pośrednich, czy innych da−

nych liczbowych. Dlatego mówimy

o dwóch pamięciach: pamięci programu

i pamięci danych .

W ”prawdziwych” komputerach i nie−

których większych sterownikach przemys−

łowych, w pamięci stałej zapamiętany

jest tylko program podstawowy, zwany

czasem monitorem (w PC−tach zwany

BIOS−em). Zapisano w nim procedury ini−

cjujące działanie całego systemu mikro−

procesorowego, podprogramy współpracy

z urządzeniami zewnętrznymi. Natomiast

wykonywany program użytkowy jest łado−

wany z dysku do pamięci zapisywalnej

(RAM) i potem kolejne rozkazy pobierane

są z tej pamięci.

W prostych sterownikach cały program

zapisany jest do pamięci stałej. W takich

sterownikach całkowicie wystarcza pa−

mięć zapisywalna (pamięć RAM) o pojem−

ności dosłownie kilkudziesięciu bajtów.

Przy omiawianiu sprawy pamięci spoty−

ka się tajemnicze terminy, jak: ROM, EP−

ROM, EEPROM czy RAM. Posiadacze ja−

kiegokolwiek komputera orientują się, co

może oznaczać RAM. Znajomy czy kolega,

który też ma do czynienia z komputerami,

zawsze zapyta, ile nasz komputer ma te−

go “megaRAMu”. I tu pada jakaś liczba,

i wprost proporcjanalnie do wartości RA−

Mu rośnie szacunek dla posiadacza ta−

kiego komputera. Rzadko kto pyta, ile

“siedzi” ROMu, EPROMu czy EEPROMu.

Te tajemnicze słowa to skróty angiels−

kojęzycznych zwrotów, które oznaczają

pamięci o określonych cechach.

Pamięć ROM

Pamięć ROM to Read Only Memo−

ry, czyli jest to pamięć tylko do odczytu.

No dobrze, ktoś zapyta, po co mi taka pa−

mięć, jeśli nie można w niej nic zapisać,

bo tylko się z niej odczytuje. Zapisać

można do niej, jak najbardziej. Zawartość

pamięci ROM nie może być jednak mody−

fikowana w samym systemie mikroproce−

sorowym, czyli w niej nie przechowamy

przetwarzanych danych. Możemy za to

przechowywać nasz program. Pamięć ty−

pu ROM jest pamięcią programowaną

maską. Programowanie maską polega na

takim wytrawieniu połączeń wewnętrznej

struktury pamięci, żeby komórki pamięci

miały trwałe i określone wartości zer i je−

dynek. Robi się to na etapie produkcji pa−

mięci, zanim płyteczka krzemu zostanie

zamknięta w obudowie i połączona z ze−

wnętrznymi kontaktami.

Po co jednak trzymać program i tylko

program w pamięci, która jest taka niewy−

godna, nie może być modyfikowana,

mało tego, może być programowana tylko

u producenta pamięci? Czy nie staje się

Cały proces programowania za po−

mocą maski przypomina po trosze wy−

konanie płytki drukowanej, ale w mik−

roskopijnym wymiarze. Jak na płytce

laminatu jednolicie pokrytego miedzia−

ną folią wytrawiamy połączenia, tak

i tutaj na płytce krzemu pokrytej mikro−

skopijnie cienką warstwą aluminium,

wytrawiamy w tej warstwie układ cie−

niutkich ścieżek.

ona przeszkodą w czasie uruchamiania

systemu mikroprocesorowego?

Najważniejszą z zalet wszystkich pa−

mięci ROM jest nieulotność zapisanych

danych po wyłączeniu zasilania. Takiej

właściwości nie mają pamięci RAM. Mo−

żemy być więc spokojni o nasz program,

nie stracimy go bezpowrotnie. Pewność

przechowywanych informacji w pamięci

ROM dała tym pamięciom inną nazwę −

pamięci stałe . Możemy bowiem przecho−

wywać w nich pewne ustalone dane na

równi z samym programem.

Zbudujmy model pojedynczej komórki

pamięci ROM. Pokazano to na rysunku 7

rysunku 7

Rys. 7. Model komórki pamięci ROM.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/96

Mikroprocesor

rysunku 7.

Komórka taka może pamiętać osiem bi−

tów, czyli cały bajt. Sygnał do odczytu ko−

Mikrokomputery

Jeśli rezystor jest połączony z emiterem tranzystora, to mówimy, że rezystor jest

rezystorem emiterowym tranzystora albo rezystor znajduje się w obwodzie emitera

tranzystora. Podobnie możemy powiedzieć o rezystorze znajdującym się w obwo−

dzie kolektora czy bazy.

Grupę tranzystorów z rys. 7, które mają wspólne kolektory i wspól−

ne bazy, wykonuje się jako jeden tranzystor o jednym kolektorze

i jednej bazie, za to o tylu emiterach, ilu potrzeba. Taki jeden tranzys−

tor nazywamy tranzystorem wieloemiterowym. Symbol tranzystora

czteroemiterowego jest w tej ramce. Niech już więcej nikogo nie zdzi−

wi symbol takiego tranzystora, kiedy będzie przeglądał schematy we−

wnętrznych struktur układów scalonych.

Wadą pamięci PROM jest ich jednora−

zowość. Układ raz zaprogramowany nie

może być przeprogramowany. Nie pozwa−

lają na to przepalone w sposób nieodwra−

calny oporowe ścieżki komórek pamięci.

Pamięci PROM są to przeważnie pa−

mięci wykonane z tranzystorów bipolar−

nych, czyli są to pamięci bipolarne. Pa−

mięci te nie mogą mieć wielkich pojem−

ności ze względu na znaczną moc pobie−

raną przez komórkę pamięci oraz jej dość

duże rozmiary.

Pamięć EPROM

Kolejną odmianą pamięci PROM jest

wersja wykonana w technologii polowej

MOS. Tranzystor polowy jest mniej ener−

gożerny od tranzystora bipolarnego i do

tego może być mniejszy. W tej technologii

zapis informacji nie polega na

przepalaniu połączeń, lecz opiera się na

zjawisku tunelowego przenikania i

gromadzenia. Tranzystor polowy posiada

dwie bramki, z tego jedna nazywana jest

bramką programującą, bo na nią podaje

się napięcie programujące, zaś druga −

bramką pływającą, bo została

“zatopiona” w środku izolatora. W bram−

ce pływającej może być gromadzony ładu−

nek, “wtłoczony” przez bramkę programu−

jącą, włączający tranzystor, gdy na na

bramkę programującą podano sygnał od−

czytu. Bez tego ładunku tranzystor nie

może przewodzić, ponieważ napięcie na

bramce programującej w czasie odczytu

jest za niskie. Pokazuje to rysunek 9

mórki, który przyjdzie na bazy tranzysto−

rów jest sygnałem wysokim. Powoduje on

wprowadzenie tranzystorów w stan prze−

wodzenia. W procesie produkcji część

tranzystorów (tych, które mają mieć za−

programowane zera), nie ma wykonanych

połączeń emiterów z rezystorami, co

skutkuje niskim stanem wyjściowym, czy−

li zerem logicznym. Istniejące połączenie

z rezystorem da stan wysoki, czyli na re−

zystorze połączonym z emiterem będzie

potencjał bliski napięciu zasilania.

Do pamięci ROM, która jest programo−

wana u producenta, zapisuje się program

sprawdzony, przetestowany, którego już

nie zamierzamy poprawiać ani ulepszać.

Programowanie maską jest najtańszym

sposobem programowania pamięci, pod

warunkiem, że zamówimy olbrzymią ich

ilość, rzędu dziesiątek i setek tysięcy

sztuk. Na to mogą sobie pozwolić tylko

wielkie montownie komputerów. Dla nas

ten rodzaj pamięci jest więc mało przydat−

ny. Należało go jednak wymienić, ponie−

waż pamięć ROM programowana u produ−

centa funkcjonuje do dziś i stała się pod−

stawą do kolejnych technologicznych mo−

dyfikacji sposobu zapisu do niej, bardziej

przyjaznego dla konstruktora małego sys−

temu mikroprocesorowego.

Pamięć PROM

Idea prostszego zapisu do pamięci

ROM szybko doczekała się realizacji

w postaci pamięci PROM ( Programmable

ROM) , programowalnych pamięci ROM.

Pamięci typu PROM cechuje zdolność do

zaprogramowania w programatorze, który

może stać u użytkownika na stole. Pa−

mięć nie zaprogramowana jest pamięcią,

której komórki wypełniono tylko zerami al−

bo tylko jedynkami. Programowanie pole−

ga więc na fizycznej zmianie zawartości

komórki pamięci stanu na przeciwny,

oczywiście tylko w tych miejscach, gdzie

to jest konieczne. Jeśli stan niezaprogra−

mowania jest stanem właściwym, to taka

komórka jest uznawana za prawidłowo

zaprogramowaną.

Popatrzmy z powrotem na rysunek 7.

Gdyby udało nam się umieścić coś w ro−

dzaju bezpiecznika pomiędzy każdym

tranzystorem a rezystorem emiterowym,

to przepalając ten bezpiecznik moglibyś−

my zmienić w sposób trwały stan każde−

go bitu. Jeśli zrobimy to wybiórczo, to za−

chowamy się tak samo jak projektant

maski dla pamięci ROM: wykonamy,

a właściwie pozostawimy te połączenia,

które należy pozostawić.

Samo programowanie komórki polega

więc na trwałym uszkodzeniu każdego bi−

tu pamięci w taki sposób, aby stan tej ko−

mórki zmienił się na przeciwny. Można to

wykonać poprzez przepalenie tego

“bezpiecznika” (rys. 8

rysunek 9.

Zaletą tej komórki pamięci jest zdol−

ność do zaprogramowania bez fizycznego

uszkodzenia układu. Usunięcie ładunku

z bramki pływającej jest możliwe poprzez

dostarczenie energii w postaci promie−

niowania ultrafioloetowego.

Opisana wyżej komórka pamięci stała

się podstawowym elementem budowy pa−

mięci EPROM ( Erasable PROM ). Pamięci

EPROM są programowane w programato−

rach, z reguły uniwersalnych, bo przysto−

sowanych do wielu typów pamięci i ich

wielkości. Kasowanie pamięci odbywa

się za pomocą lamp jarzeniowych, które

rys. 8). Przeważnie jest

to zwężony odcinek ścieżki połączenio−

wej, wykonany z materiału o dużej rezys−

tancji własnej, np. ze stopu niklu i chro−

mu. Na cały układ podaje się przez chwilę

podwyższone napięcie, wymuszając tym

samym zwiększony pobór prądu i lokalne

rozgrzanie wąskiej ścieżki oporowej.

Ścieżka ta przepala się w taki sam spo−

sób, jak bezpiecznik topikowy przeciążo−

nej instalacji elektrycznej. Układ scalony

jest specjalnie przygotowany na to i jemu

jako całości to nie szkodzi.

Wprawdzie do pamięci stałych mo−

żemy zaliczyć również inne rodzaje pa−

mięci, np. pamięci ferrytowe, ale tylko

elektronicy zaawansowani wiekiem

mogą kojarzyć ten termin, więc go po−

miniemy. Ale pamięcią stałą jest też zna−

na wszystkim mikrokomputerowcom

pamięć magnetyczna, do której zalicza

się wspomniana pamięć ferrytowa. Oni

jednak tak jej nie nazywają. Znają ją

pod postacią dyskietek i dysków twar−

dych czy kaset do streamerów.

Rys. 8. Model komórki pamięci PROM.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/96

rysunek 9

rys. 8

Mikrokomputery

Rys. 9. Tranzystor polowy.

mórki pamięci EEPROM polega na skaso−

waniu wybranego bajtu, a potem selek−

tywnej modyfikacji wybranych bitów ko−

mórki.

Komórki pamięci z czasem starzeją

się i tracą własności utrzymywania ładun−

ku w bramce pływającej. Proces przepro−

gramowywania to przyspiesza. Dlatego

warto wiedzieć, jaką liczbę programowań

zapewnia producent pamięci. Wartość

10 5 jest wynikiem przyzwoitym.

Wadą typowych pamięci EEPROM jest

czas kasowania komórki, który dochodzi

do 20ms. Jesli przemnożymy ten czas

przez liczbę komórek (np. 65536) to

otrzymujemy czas przeprogramowania ca−

łej pamięci porównywalny z czasem kaso−

wania pamięci EPROM. Z tego powodu

pamięci EEPROM znalazły zastosowanie

jako pamięci pamiętające dane ważne,

których nie chcemy stracić po wyłączeniu

zasilania. Takie pamięci mają małe po−

jemności w porównaniu z pamięciami EP−

ROM, które pamiętają kod programu.

Pamięci Flash EEPROM

Długi czas kasowania całej pamięci

EEPROM zmusił producentów do opraco−

wania odmiany pamięci EEPROM zwanej

Flash EEPROM. W pamięci Flash EEP−

ROM proces kasowania zachodzi całymi

blokami komórek, do tego bez wyjmowa−

nia kostki z urządzenia, w czasie kilku se−

kund.

Pamięci Flash osiagają znaczne po−

jemności i ich podstawowym zastosowa−

niem jest pamiętanie dużych bloków da−

nych, w tym zastępowanie w niektórych

wykonaniach pamięci masowych (np. dys−

kietek).

System

mikroprocesorowy

Nawet najprostszy system mikroproce−

sorowy musi składać się więc z mikropro−

cesora, pamięci programu i pamięci da−

nych, ale istnieją mikroprocesory zawiera−

jące pamięć programu i pamięć danych

w jednej kostce − nazywamy je mikrokom−

Jeszcze nie tak dawno, kiedy mikro−

procesory posiadały słowo co najwyżej

8−bitowe, obok nich spokojnie egzysto−

wały układy mikroprogramowane jako

osobne układy scalone. Układ mikro−

programowany wymaga zewnętrznej

pamięci ROM, w której były zapisane

mikroinstrukcje, tworzące mikropro−

gram. Taka mikroinstrukcja zawierała

kod bardzo prostej czynności, z reguły

były to sygnały zezwolenia na te czyn−

ności, ewentualny adres następnego

rozkazu, czasem kilka bitów reprezen−

tujących stany warunkowe. Z chwilą,

gdy mikroprocesory robiły się coraz

tańsze i gwałtownie zaczęły rosnąć ich

możliwości, zaniechano produkcji poje−

dynczych układów mikroprogramowa−

nych. Układy mikroprogramowane na−

dal są, stały się fragmentem ... mikro−

procesorów. Właściwie bez nich nie

można byłoby dekodować instrukcji

przychodzących do mikroprocesora.

Pamięć mikroprogramu też została

scalona w strukturze mikroprocesora

i teraz cały układ mikroprogramowany

nazwiemy dekoderem rozkazów.

wydzielają silne promieniowanie ultrafio−

letowe. Kostka pamięci EPROM jest za−

opatrzona w okienko wykonane ze szkła

kwarcowego, przez które promienie ultra−

fioletowe przenikają do struktury.

Dość popularną odmianą pamięci EP−

ROM jest wersja OTP ( One−Time Program−

mable) . Jest to pamięć EPROM umiesz−

czona w obudowie bez okienka, czyli nie

może ona być przeprogramowana i służy

do jednokrotnego zapisu. Projektant mo−

że do takiej kostki zapisać końcową wers−

ję oprogramowania. Zaletą tej odmiany

pamięci EPROM jest niska cena w porów−

naniu z obudową z okienkiem.

Wadą pamięci EPROM jest koniecz−

ność kasowania całej zawartości pamię−

ci, nawet jeśli ma być zmieniony tylko je−

den bit. Dodatkowo obudowa z okien−

kiem kwarcowym jest technologicznie

trudna do wykonania i droga.

Pamięć EEPROM

Producenci pamięci wpadli więc na po−

mysł, aby zmodyfikować tak komórkę pa−

mięci EPROM, aby każda komórka mogła

być kasowana elektrycznie niezależnie od

innych, sąsiednich komórek. Przebudo−

wali oni komórkę pamięci EPROM w taki

sposób, że ładunek gromadzony w bram−

ce pływającej można wprowadzać i usu−

wać poprzez dren wykorzystując zjawisko

tunelowe.

Tak otrzymana komórka pamięci jest

podstawą do budowy pamięci EEPROM

( Electrically EPROM) . Programowanie ko−

puterami jednoukładowymi. Wtedy cały

system składa się naprawdę z jednej

kostki.

Mikrokomputery jednoukładowe są po−

wszechnie wykorzystywane do budowy

najróżniejszych sterowników o zastoso−

waniach niekomputerowych. Nas, amato−

rów, ta klasa mikroprocesorów interesuje

najbardziej.

Do odczytania informacji z pamięci po−

trzebne są szyna adresowa i szyna da−

nych oraz ewentualnie linie współpracy

z pamięcią. W mikroprocesorze jedno−

układowym szyny te mogłyby być całkowi−

cie ukryte w jego wnętrzu, jednak szyna

danych, a często także szyna adresowa

wyprowadzone są na zewnątrz, co umożli−

wia dołączenie zewnętrznej pamięci i róż−

nych układów współpracujących.

Popularne procesory jednoukładowe

zawierają “na pokładzie” pamięć progra−

mu ROM lub EPROM o pojemności 1...8

kilobajtów i pamięć danych RAM o pojem−

ności kilkudziesięciu, do kilkuset bajtów.

Pamiętajmy, że jeśli np. szyna adreso−

wa mikroprocesora jest 16−bitowa, to mo−

że on zaadresować 2 16 = 65536 komó−

rek pamięci. Taka jest więc wielkość ob−

szaru adresowego dla tego mikroproce−

sora, czyli potrafi on bezpośrednio obsłu−

żyć pamięć o tej wielkości. A w sześćdzie−

sięciu czterech kilobajtach pamięci moż−

na zmieścić program o naprawdę dużych

możliwościach.

Bity i bajty

Jednostką miary w informatyce jest bit. Oznacza on możliwość zapamiętania

dwóch różnych, wykluczających się wzajemnie informacji. Większą jednostką miary

jest bajt, który jest równy ośmiu bitom, na których można zapamiętać 2 8 =256 infor−

macji. Oznaczamy go jako B. Jeszcze większymi jednostkami są kilobajt, megabajt,

gigabajt i terabajt, oznaczane odpowiednio jako KB, MB, GB, TB.

1KB = 2 10 B = 1 024 bajty = 8192 bity,

1MB = 2 10 KB = 2 20 B = 1 048 576 bajtów = 8 388 608 bitów,

1GB = 2 10 MB = 2 20 KB = 2 30 B= 1 073 741 824 bajty = 8 589 934 592 bity,

1TB = 2 10 GB = 2 20 MB = 2 30 KB = 2 40 B = 1.0995 x 10 12 bajtów = 8.796 x 10 12 bi−

tów.

Przez analogię tworzymy jednostki pokrewne, takie jak kilobit, megabit, gigabit

czy terabit. Jednostki terabajtu i gigabajtu mają dla nas wymiar astronomiczny.

Trzeba jednak wiedzieć, że parametry współczesnych mikroprocesorów najnowszej

generacji muszą być opisywane takimi właśnie jednostkami. Np. przestrzeń adreso−

Mirosław Lach

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/96

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: