Экзаменационный билет № 23

1.Отладочные комплексы.

Отладочные комплексы предназначены для отладки МПС на программном уровне описания. Отличаются от оценочных комплексов развитым программным обеспечением, увеличенным ЗУ и усложнённым интерфейсом.

Преимущества отладочных комплексов:

• возможность программирования на ASS или языке высокого уровня

• широкий набор ВУ (НГМД)

• тестирует развитую дисковую операционную систему

Недостатки отладочных комплексов:

• накладывают ограничения на архитектуру проектируемой системы.

2. Контроль системы синхронизации.

Генератор прямоугольных импульсов, который управ­ляет действиями микропроцессора и всех остальных ком­понентов вычислительной системы, называется системным генератором синхронизации. Он участвует в каждой операции, происходящей в системе, и формирует базовый временной интервал, в течение которого может происхо­дить событие. Отказы в генераторе либо полностью выводят систему из строя, либо приводят к бес­смысленным и неопределенным программным последо­вательностям.

Имеется множество вариантов реализации схем гене­раторов синхронизации — от простых RС-схем до высо­костабильных кварцевых генераторов. В МПС применяются генераторы с кварцевой стабилизацией, обеспечивающие точную и стабильную частоту синхронизации.

Если системный генератор синхронизации работает слишком быстро или слишком медленно, то это отража­ется на устойчивости работы микропроцессорных систем. Для достижения максимальной производительности МП обычно работает на предельно допустимой частоте синхронизации f_max и любой уход вверх может привести к неработоспособности. Большинство микропроцес­соров допускает частоту синхронизации меньше макси­мальной, но если частота слишком мала, а в системе при­меняются динамические ЗУ, то это может привести к потере информации в ЗУ. Обе рассмотренные пробле­мы возникают с большей вероятностью, когда вместо генератора с кварцевой стабилизацией используется RС-генератор. Однако и кварц иногда возбуждается на третьей гармонике, формируя более высокую, чем ожида­ется, частоту синхронизации.

Во многих МП требуются многофазные и не перекрывающиеся сигналы синхронизации, иногда имеющие несовместимые с ТТЛ уровни. Для КР580ИК80 требуется 2-х фазные сигналы синхронизации, которые формируются при помощи БИС 580.

Схемы синхронизации варьируются от прямого подключения кварца или RC-цепочки к БИС МП до специализированных БИС.

Параметры сигналов синхронизации проверяются довольно просто, с помощью частотомеров и осциллографов (универсальные приборы).

Экзаменационный билет № 24

1.Комплексы развития.

2. Логический пробник.

Логический пробник контролирует поведение одной точки в системе и с помощью нескольких индикаторов сообщает пользователю о том, находится проверяемая точка в состоянии логической 1, состоянии логического О или имеет промежуточный уровень. Большинство пробников показывают наличие также импульсов в точ­ке схемы вспышками одного из индикаторов. Для пока­за логического состояния точки применяются либо отдельные индикаторы, либо один индикатор, который ярко светится в состоянии логической 1 и выключен в состоянии логического 0. Если проверяемый узел имеет искаженный логический уровень (завышенный 0 или за­ниженная 1), единственный индикатор светится вполна­кала.

Уровни напряжения, соответствующие логическим сигналам, задаются не фиксированными потенциалами, а диапазонами напряжений.

Номинальное рабочее напряжение ТТЛ-схем со­ставляет 5 В. Диапазоны напряжений, которые пред­ставляют два логических состояния на входе и выходе схемы, показаны на рис. 1.3. Когда выходным состояни­ем ТТЛ-схемы является логический 0, фактическое на­пряжение на биполярном транзисторе, закорачивающем выходную цепь на землю, зависит от значения отводимого на землю тока. Для ТТЛ-схем максимальное га­рантированное напряжение на выходном транзисторе составляет 0,4 В при условии, что число входов, под­ключенных к данному выходу, не превышает заданного предела. Этот предел называется коэффициентом раз­ветвления элемента по выходу, и для стандартных ТТЛ-схем он равен 10, т. е. выход одного ТТЛ-элемента допускается подключить максимум к 10 входам ТТЛ-элементов.

Рис. 1.3. Характеристики входного и выходного напряжений в ТТЛ-элементе

ТТЛ-схемы имеют запас помехоустойчивости из-за того, что стандартный ТТЛ-вход воспринимает напря­жение до 0,8 В как уровень логического 0. Аналогично минимальный выходной уровень логической 1 составля­ет 2,4 В, а вход воспринимает как уровень логической 1 напряжение более 2 В.

Для ТТЛ-элемента, представленного на рис. 1.3, оп­ределяются следующие напряжения:

V_ih — входное напряжение внутри диапазона, отве­денного для представления состояния логической 1; обычно указывается минимальное значение, т. е. 2 В для стандартных ТТЛ-схем;

v_il — входное напряжение внутри диапазона, отве­денного для представления логического 0; обычно опре­деляется максимальное значение, т. е. 0,8 В;

v_oh — напряжение высокого уровня на выходе; обыч­но задается минимальное значение, т. е. 2,4 В;

v_ol — напряжение низкого уровня; обычно указыва­ется максимальное значение, т. е. 0,4 В.

Разности между гарантированными входными и вы­ходными высоким и низким уровнями определяют возможности элемента подавлять возникающие в систе­ме помехи.

Влияние помех можно показать на простой схеме из двух элементов, приведенной на рис. 1.4. Предположим, что выход элемента G₁ формирует низшее гарантиро­ванное напряжение v_oh высокого уровня, т. е. имеет значение 2,4 В. Источник помех, представленный на рис. 1.4 идеальным генератором напряжения v_n, включен последовательно с выходом элемента G₁, поэтому напряжение на входе элемента g₂ равно сумме Vон и v_n :

Рис. 1.4. Два ТТЛ-элемента, соединенных линией с поме­хами

V_IH = V_OH ± V_N.

Напряжение V_IH для гарантированной работы эле­мента G₂ должно быть минимум 2 В, поэтому, если v_n будет больше —0,4 В, входное напряжение G₂ упадет ниже гарантированно входного минимума и может вызвать хаотичное поведение G₂. Значение v_n, ко­торое вызывает такое нежелательное явление, называется границей помех, и в случае ТТЛ-схем оно равно 0,4В. Другими словами, ТТЛ-схемы допускают уровни наводимых помех 0,4 В и менее, прежде чем будут пре­вышены гарантированные рабочие параметры. Анало­гично, если выход G₁ имеет низкий уровень, входное на­пряжение элемента G₂ равно:

V_IL = V_OL ± V_N.

­Если v_ol имеет максимальное значение 0,4 В и v_n превышает 0,4 В, напряжение v_IL будет больше макси­мального значения 0,8 В, и элемент будет работать вне гарантированных пределов. Граница помех в состоянии логического 0 равна 0,4 В. Следовательно, ТТЛ-схемы в любом логическом состоянии допускают уровни помех до 0,4В, прежде чем будут превышены их рабочие пара­метры.

Между максимальным напряжением логического 0 и минимальным уровнем логической 1 имеется диапазон напряжений, в котором работа схемы не определена. Обычно при переходе из одного логического состояния в другое вход или выход .быстро проскакивает эту область неопределенности. Если, например, внутренний провод­ник, соединяющий кристалл с выводом корпуса, оборван, все подключенные к этому выводу входы бу­дут иметь напряжение внутри области неопределенно­сти, что в предельном случае может вызвать генерацию. Логический пробник для исследования ТТЛ-схем должен различать три возможных состояния схемы — 1, 0 и напряжение внутри области неопределенности. Для достижения универсальности пробник должен про­верять и КМОП-схемы, логические пороги которых от­личаются от порогов ТТЛ-схем. В отличие от ТТЛ-схем, работающих с фиксированным напряжением питания 5 В, КМОП-схемы могут работать при напряжении пита­ния в диапазоне 3—18 В. Пороговые уровни и границы помех обычно задаются в долях номинального напряже­ния питания V_dd, причем типичное значение для v_il равно 0,3 V_dd, а для V_IH — 0,7 V_dd. В статическом режи­ме выходные пороги являются почти идеальными: 50 мВ для V_ol и на 50 мВ ниже V_dd для V_OH. Типичное значе­ние границы помех для КМОП-схем составляет 45 % от V_dd, что намного больше, чем у ТТЛ-схем. Это объяс­няет выбор КМОП-схем для применения в условиях с высокими уровнями помех. Однако полное выходное со­противление КМОП-схем примерно в 10 раз больше, чем у ТТЛ-схем, а это делает их более подверженными на­водимым помехам, хотя высокая помехоустойчивость КМОП-схем не приводит к серьезным проблемам.

КМОП-схемы часто предпочитают из-за малого по­требления энергии по сравнению с ТТЛ-схемами, что особенно важно при питании от аккумуляторов. Логи­ческие элементы работают в динамических схемах, где происходят частые переключения состояний. Потребле­ние энергии КМОП-элементов быстро увеличивается с ростом частоты переключения и на частотах в диапазо­не 500 кГц — 2 МГц превышает потребление энергии эквивалентных маломощных ТТЛШ-элементов. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектирова­нии систем, рассчитанных на малое потребление энер­гии, но с высокой частотой переключения, так как КМОП-схемы могут проиграть по сравнению с другими логическими семействами.

Универсальный логический пробник должен работать с ТТЛ- и КМОП-схемами, хотя во многих системах, по­строенных на основе КМОП-схем, применяется питание 5 В. Пробник должен индицировать логические состоя­ния ВЫСОКИЙ и НИЗКИЙ, а также «плохие» уровни, включая выходы с разрывом и выходы типа открытого коллектора без нагрузочных резисторов. Кроме индика­ции статических состояний пробник должен показывать пользователю также динамическое поведение узла.

Пробник должен индицировать не только наличие коротких импульсов с высокой частотой повторения, но и прохождение одиночных коротких импульсов. Оба ви­да динамических сигналов индицируются посредством расширения любого короткого импульса до 50—60 мс, которых достаточно, чтобы пользователь заметил изме­нение состояния индикатора с «выключено» на «вклю­чено» и наоборот.

Рис. 1.5. Простой логический пробник

Логические пробники варьируются от простых уст­ройств до сложных приборов, содержащих специально для них разработанные микросхемы. На рис. 1.5 показа­на схема логического пробника, предназначенного для проверки ТТЛ-схем.

Питание пробника осуществляется через гибкий про­вод от проверяемой системы. Диод 1N4001 в цепи пита­ния предотвращает повреждение при неправильном подключении питания. С помощью резисторного делите­ля, незначительно нагружающего узел, вход пробника смещен примерно на уровень 1,6 В, который находится в области неопределенности для ТТЛ-схем. Вход проб­ника подан на сдвоенный операционный усилитель, вы­полненный по КМОП-технологии, который сравнивает входное напряжение пробника с фиксированными на­пряжениями, полученными от делителя.

Выход верхнего операционного усилителя переходит из состояния логического 0 в состояние логической 1, когда входное напряжение превышает 2 В. Выход ниж­него операционного усилителя изменяется из состояния логического 0 в состояние логической 1, когда входное напряжение пробника ниже 0,8В. Если вход пробника свободен, выходы обоих операционных усилителей нахо­дятся в состоянии логического 0, что вызывает включе­ние желтого светодиода, показывающего «плохой» уро­вень. Когда напряжение на входе больше 2 В, желтый светодиод выключается, а красный светодиод светится, показывая уровень логической 1. Если входное напряже­ние ниже 0,8 В, светится только зеленый светодиод, пока­зывая уровень логического 0. Любой импульсный сигнал в проверяемом узле вызывает изменение выхода верхнего операционного усилителя из одного логического состоя­ния в другое. Положительный фронт сигнала от этого операционного усилителя запускает одновибратор 4047 В примерно на 60 мс, что дает вспышку красного светодиода. Таким образом, пробник индицирует стати­ческие логические уровни высокого, низкого и промежу­точного уровней напряжения, а также прохождение им­пульсных сигналов в узле. КМОП-схемы обеспечивают малое потребление тока от проверяемой системы (около 12 мА). Вся схема пробника размещается в корпусе с раз­мерами 30x20x140 мм. Основным недостатком схемы является узкая полоса пропускания — 500 кГц, которая ограничивается частотными характеристиками сдвоенных операционных усилителей ICL7621, и поэтому пробник не фиксирует помехи с длительностью в десятки и сотни на­носекунд.

Использование логического пробника

Главное назначение логического пробника — прове­рить подачу питания на микросхемы, проконтролировать статические уровни в логических элементах на пра­вильность функционирования и установить наличие им­пульсов в проверяемых цепях.

С помощью логического пробника удобно проверить наличие питания на микросхемах. Почти во всех ТТЛ-элементах питание V_CC=5 В обычно подается на вывод 14 (корпус DIP с 14 выводами) или на вывод 16 (кор­пус DIP с 16 выводами). Земля обычно подается на вы воды 7 и 8 соответственно. Впрочем, имеются и исклю­чения из приведенных правил, например микросхема десятичного счетчика 7490, но в подавляющем боль­шинстве ТТЛ-микросхем правила соблюдаются. Если коснуться зондом пробника выводов 14 и 16, его инди­катор при наличии питания ярко засветится. Конечно, пробник не показывает значения напряжения питания, а просто сигнализирует о наличии электропитания; фак­тическое значение напряжения питания можно измерить с помощью цифрового вольтметра. Когда же зонд проб­ника касается выводов 7 или 8, индикатор должен быть выключен. Если в любом случае индикатор светится «вполнакала», следует предположить обрыв цепей, и необходимо просмотреть печатные проводники от выво­дов микросхемы к блоку питания.

Рис. 1.8. Резервный элемент исключающего ИЛИ работает как инвертор

С помощью логического пробника можно прове­рить правильность функционирования логического эле­мента.

Когда место на печатной плате ограничено, вместо попыток разместить на ней дополнительные микросхемы часто оставляют незадействованными (резервными) ло­гические элементы в работающих микросхемах. Рассмот­рим, например, элемент исключающего ИЛИ на рис. 1.8. Микросхема 7486 содержит в одном корпусе четыре та­ких элемента, из которых, возможно, задействованы только три. Если в системе потребуется инвертор, его можно реализовать с помощью резервного четвертого элемента микросхемы. Касание логическим пробником вывода 1 покажет ярким свечением индикатора состоя­ние логической 1, а касание вывода 2 — наличие им­пульсов. Функция элемента должна быть такой, что на выходе должна получаться инвертированная входная последовательность, поэтому при касании пробником выхода также должно быть индицировано наличие им­пульсов. Тот факт, что последовательность импульсов ин­вертирована относительно входной, по индикатору ло­гического пробника определить невозможно. Если вместо сигнализации о наличии импульсов на выходе элемента индикатор остается выключенным, то в схеме имеется отказ, которым может быть либо отказ в самом элемен­те, либо закорачивание на землю вне элемента. Корот­кое замыкание может быть вызвано либо неаккуратной пайкой, приводящей к соединению между линией с вы­хода элемента и землей, либо замыканием на землю входа внутри любой из микросхем, к которой подключен выход элемента. Для определения фактического отказа необходимо либо изолировать выходной вывод либо с помощью индикатора тока установить, через какую микросхему течет ток.

В микропроцессорной системе логический пробник удобно применять для первоначального контроля стати­ческих логических уровней и проверки работоспособно­сти шины. Следует проверить линии шины управления, чтобы убедиться в том, что отказ на одной из критиче­ских управляющих линий не препятствует работе систе­мы, а это может случиться, если, например, на входе за­проса прямого доступа к памяти ( ), имеющегося во многих микропроцессорах, постоянно действует низ­кий уровень. С помощью логического пробника можно проверить и целостность печатных проводников; если, например, микросхема памяти не выбирается, следует проверить наличие импульсов на ее входе (разре­шение работы кристалла) и проследить по печатному проводнику до того выхода дешифратора адреса, на ко­тором формируется сигнал . На печатных платах с высокой плотностью упаковки микросхем применяются очень узкие проводники, на которых могут появляться микроскопические разрывы. Ведя пробник по проводни­ку, можно обнаружить разрыв, незаметный для нево­оруженного глаза.

62