Искусство схемотехники. Том 3 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

Второй вопрос, на который следует ответить, — это насколько низкой может быть частота тактовой синхронизации, чтобы при этом сохранялись разумные рабочие характеристики? В состав некоторых процессоров могут входить динамические регистры, для которых предписана высокая минимальная частота тактовой синхронизации. При низкой частоте тактовой синхронизации некоторые процессоры (в частности, типа «контроллеров» — см. ниже) могут реагировать очень медленно; вы можете получить при прерываниях время задержки до 10 мс.

Зависимость компьютера от контроллера. Как правило, микропроцессоры делятся на две категории, согласно тому для каких целей они спроектированы. Типы, ориентированные на вычисление, имеют адресное пространство по крайней мере в 64К и используют только несколько циклов тактовой синхронизации на инструкцию (для достижения высокого быстродействия). Для них требуются внешние периферийные устройства, а именно: порты, таймеры, преобразователи и т. д. Ориентированные на управление типы предназначены для целевого использования в определенных приборах и обычно имеют небольшое адресное пространство (в типовом случае 2К или 4К), и выполнение одной инструкции проводится за много циклов тактовой синхронизации. С другой стороны, для них характерно наличие многочисленных встроенных параллельных портов, большого числа контактов прерываний и внутреннего формирователя тактовой синхронизации. В них часто входят таймеры, УАПП и даже аналого-цифровые преобразователи и энергонезависимое ОЗУ.

Некоторые примеры. Схемы 80C85, 80C86 и 80C88 представляют собой КМОП-аналоги популярных n-МОП вычислительных процессоров. ИС 80C85 (фирма Oki) при остановленной тактовой синхронизации потребляет ток 2 мА и 10 мА — при частоте тактовой синхронизации 6 МГц. Он может быть непригоден для микромощных применений, если только вы не используете его в режиме с отключением питания. Схемы 8C86 и 80C88 (фирмы Harris, Intel) лучше — имеют статический ток потребления ~0,1 мА (хотя он задается как 0,5 мА, макс). У них вы можете с целью экономии мощности останавливать тактовую синхронизацию, при этом сохраняется содержимое регистров и программных счетчиков.

Имеется тонкость в восстановлении на входе остановленного процессора сигнала тактовой синхронизации. Для обеспечения низкого значения мощности потребления в режиме резервирования вы должны выключать кварцевый генератор, а не только стробировать его выходной сигнал (конечно, вместе со схемой синхронизации; см. разд. 8.19). Однако из-за высокой добротности кварцевый генератор не может запуститься мгновенно, и генератор мегагерцевого диапазона частот в типовом случае имеет время восстановления от 5 до 20 мс; генератор с частотой 32 кГц может иметь это время до секунды (Q = 105). Следовательно, для восстановления сигнала тактовой синхронизации вы можете или подождать пока генератор «наберет скорость» перед стробированием его с помощью микропроцессора, или вы можете установить процессор в исходное состояние в течение этого периода. Первый метод обычно лучше, поскольку вы можете и не захотеть проводить перезагрузку каждый раз, как нужно запустить обработку (см. ниже «Отключение источника питания» — метод «теплой» загрузки).

Схема 82С85 (фирма Harris) представляет собой маломощный формирователь тактовой синхронизации, ориентированный на работу с микропроцессорами 80C86/88; его внутренняя схемотехника выполняет выключение тактовой синхронизации, остановку генератора (~25 мкА), работает на низких частотах и имеет дополнительные средства для микропроцессорного программного управления.

Схемы 80CЗ1/51 — это примеры популярных процессоров типа контроллера, спроектированные со специальными характеристиками и ориентированные на батарейное питание. В эти процессоры входит вплоть до 32 программируемых контактов шины ввода-вывода (ВВ), пара 16-разрядных таймеров, 128-байт встроенное ПЗУ (они могут использовать порты как мультиплексные шины для адресации 64К внешней памяти; схема 80C51 имеет, кроме того, масочное программируемое ПЗУ объемом 4К байт), 5 прерываний и программируемый последовательный порт. Они могут быть переведены в маломощный режим «ожидания» (< 1 мА при частоте тактовой синхронизации 1 МГц), в котором прерывания, последовательный порт и таймеры продолжают функционировать, в то время как тактовая синхронизация самого процессора прервана; содержимое всех регистров и встроенного ОЗУ сохраняется. Они также могут быть переведены в режим «выключения питания» с нулевым током, из которого их можно вывести только путем полного сброса, но при котором сохраняется содержимое внутреннего ОЗУ.

Схема 146805Е2 представляет собой аналогичный контроллер с прекрасной способностью по восстановлению из режима «остановки» с нулевой мощностью потребления через прерывание. В нем имеется внутренняя схемотехника формирования периода ожидания перед возобновлением обработки после запуска генератора. В технических условиях на него записано, что время запуска в типовом случае составляет 30 мс (300 мс макс.) при fтакт = 1 МГц, UCC = 3 В. Это, очевидно, непригодно для прикладной задачи, где требуется многократный запуск, скажем, 10 раз в секунду, но это было бы прекрасно при запуске системы раз в минуту. В серию 14805 входят различные модификации (определяется суффиксом) с отличными конфигурациями порта и памяти, маскируемым ПЗУ и т. д. Мы используем его в приведенном в следующем разделе примере проектирования.

В табл. 14.9 приведено большинство из наиболее интересных маломощных микропроцессоров, имеющихся в наличии на момент сдачи этого издания в печать.

Отключение источника питания. Конечно, вы можете заставить любой микропроцессор работать при низкой средней мощности, если включать источник питания только в течение короткого рабочего цикла. Это более просто сделать для n-МОП-схем, чем для КМОП, поскольку входы, такие, как WR', могут оставаться в ВЫСОКОМ состоянии при выключенном питании (для КМОП-схем такая ситуация привела бы к появлению питания на кристалле через входные диоды защиты), препятствуя подложным циклам записи. Следовательно, для КМОП-схем необходимо использовать внешние логические схемы, которые обеспечат аккуратное выключение. В любом случае надлежит решить вышеупомянутую проблему запуска тактовой синхронизации, которую вы можете решить с помощью внешних логических схем задержки, либо с помощью кристалла типа 82С85.

Мало кому понравится проводить полную «холодную» перезагрузку программного обеспечения на каждом цикле перезапуска. Лучший способ справиться с этим — это заставить ЦПЭ считывать с триггера «флаг включения питания» (постоянно включенные КМОП-схемы) на каждом перезапуске, проводя холодную загрузку только первый раз, после которого он устанавливает этот триггер.

Для n-МОП-процессоров с отключаемым источником питания вы должны во время «спячки» процессора хранить запускаемые фронтом запросы прерывания во внешних логических схемах, обслуживая их, когда процессор снова запущен. Вам возможно потребуется использовать этот же прием и для некоторых КМОП-процессоров, а именно для тех, которые теряют запускаемые фронтом прерывания в течение режима ожидания и остановки.

При отключении питания от n-МОП-процессоров, которые в типовом случае потребляют ток 100 мА или больше, позаботьтесь о применении хорошего «дюжего» полевого МОП-транзистора с сопротивлением Rвкл < 3 Ом при 5 В возбуждения на затворе.

Периферийные КМОП-устройства. Многие маломощные КМОП-кристаллы периферийных устройств представляют собой просто КМОП-копии их n-МОП аналогов, например параллельные порты 81С55 и 85С55. Их технические условия тоже почти точная копия исходных материалов по n-МОП-аналогам, правда с некоторыми изменениями. Зачастую эти технические условия не вполне корректны. Например, в них может задаваться выходной втекающий ток 2 мА при напряжении 0,4 В и вытекающий ток 100 мкА при напряжении 2,4 В, тогда как в действительности их формирователи с p-каналом могут обеспечивать вытекающий ток 2 мА, в частности, при напряжении 2,4 В. Входные пороги также могут быть перепутаны. Другая вещь, о которой следует побеспокоиться при использовании КМОП-приборов, является склонность к наводке плавающих потенциалов на входах при третьем состоянии шины. Фирма Harris и Intel добавляют в схему цепь «поддержки шины», которая вводит небольшую положительную обратную связь на вход для предотвращения появления тока режима класса А из-за плавающего потенциала на входах.

Остерегайтесь периферийных КМОП-устройств, которые потребляют ток «покоя», поскольку в них имеется тактовая синхронизация. Например, УАПП типа 65С51 и 82С52 потребляют ток около 2 мА на их рекомендованной частоте генератора (1,84 МГц при 1,4 мА/МГц для 65С51). Вы могли бы и выключить генератор, но тогда УАПП не смог бы принимать данные, например команду на включение. Другими периферийными КМОП-устройствами с токами покоя от 1 до 5 мА являются аналого-цифровые преобразователи, модемы видеоадаптеры, ЭСППЗУ и шифраторы клавиатуры. Сложные системы с несколькими такими приборами могут потреблять ток покоя 25–50 мА, что приводит к сроку службы 9-вольтовой батареи всего 10 ч. Если это вас устраивает, то прекрасно; в противном же случае необходимо отключать источник питания. Но будьте внимательны — входы и выходы могут себя вести дурно; например, шинные формирователи АЦП с третьим состоянием могут перейти в НИЗКОЕ состояние, когда отсутствует питание этого АЦП (в этом случае используйте отдельный КМОП формирователь третьего состояния).