Справочное пособие по цифровой электронике

Глава 9 Микропроцессорные шины

Шина STE — это сравнительно новое стандартизованное средство для микрокомпьютерных систем, которое начинает широко применяться в промышленности. Оно относится к модулям на европлатах, объединенных шиной из 64 линий и удовлетворяющих стандарту IEEE-1000. Шина рассчитана на три типа плат: для обработки, ввода-вывода и формирования сигналов. Так как процессоры управляют передачами данных по шине, их часто называют ведущими шины. Платы же ввода-вывода называются ведомыми шины.

В зависимости от назначения имеются платы ввода-вывода для цифрового ввода и вывода, аналогового ввода, аналогового ввода и вывода. В платах цифрового ввода-вывода применяются программируемые микросхемы параллельного ввода-вывода (см. гл. 7), а в платах аналогового ввода-вывода — аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи.

Выпускаются также процессоры шины STE с последовательным интерфейсом RS-232C (см. гл. 8) для подключения к терминалу или внешнему главному микрокомпьютеру. Разработана плата шины STE для подключения к универсальной приборной шине IEEE-488 (см. гл. 8). Все это делает шину STE гибкой и универсальной.

Процессоры шины STE — это одноплатные компьютеры с ЦП, ПЗУ, ЗУПВ и интерфейсными схемами. На европлате размером 100x160 мм плотность монтажа оказывается очень высокой. Например, один из наиболее популярных процессоров состоит из более чем 30 микросхем, причем не менее четырех из них — в 40-контактных корпусах типа DIP.

Структурная схема типичного процессора шины STE показана на рис. 9.1 (сравните ее с конфигурациями из гл. 5).

Рис. 9.1. Структурная схема типичного процессора шины STE

Центральный процессор (ЦП) Z80 работает с частотой синхронизации 4 МГц. Системный генератор синхронизации, стабилизированный кварцем (см. гл. 5), функционирует с частотой 16 МГц. Затем с помощью делителя формируются сигналы синхронизации 8 МГц для контроллера динамического ЗУПВ, 4 МГц для ЦП и последовательного интерфейса RS-232C, 2 МГц для контроллера диска.

Системная синхронизация с частотой 16 МГц действует также на шине STE в целях использования ведомыми шины. Так как на шине в любой момент времени должен присутствовать только один сигнал синхронизации 16 МГц, а в системе может быть несколько процессорных плат, на печатной плате предусмотрена перемычка, запрещающая выход 16 МГц.

Контроллер динамического ЗУПВ формирует сигналы мультиплексных данных, а также сигналы выбора строки и столбца для восьми микросхем динамических ЗУПВ с организацией 64КХ1 (см. гл. 6). Контроллер диска выполнен в виде одной БИС, а последовательный интерфейс реализован на базе программируемого контроллера последовательного интерфейса (см. гл. 7). В последовательном интерфейсе осуществляется сдвиг уровня для удовлетворения всех спецификаций интерфейса RS-232C (см. гл. 8).

Шины адреса и данных буферируются от шины STE с помощью двух 8-битных драйверов (шина адреса) и 8-битного приемника-передатчика (шина данных). Все эти микросхемы имеют тристабильные выходы (см. гл. 2), поэтому при необходимости их можно изолировать от внешней шины.

Разводка разъема шины STE приведена на рис. 9.2, где D0—D7 — линии данных; А0—А19 — линии адреса; — строб адреса. Сигнал низкого уровня на этой линии показывает наличие на Шине действительного адреса; — строб данных.

Рис. 9.2. Разводка контактов разъема шины STE

Сигнал низкого уровня на этой линии идентифицирует наличие на шине действительных данных; СМО — СМ2 — командные модификаторы, характеризующие тип цикла шины; — запрос шины. На этих линиях действуют сигналы низкого уровня, когда потенциальному ведущему шины необходимо получить доступ к ней; линии подтверждения шины. Сигналы низкого уровня на этих линиях показывают, что запрос шины удовлетворен. Потенциальный ведущий шины может управлять шиной, если только он получил подтверждение на запрос шины; — на эту линию квитирования выдает сигнал ведомый шины в цикле записи, показывая восприятие данных, или в цикле считывания, показывая действительность своих данных; TRFERR — ведомый шины выдает этот сигнал вместо при обнаружении ошибки; — линия внимания запроса/прерывания (сигнал имеет больший приоритет); SYSCLK — системная синхронизация 16 МГц; — системный сброс.

Необходимо отметить, что линии командных модификаторов показывают операции считывания, записи ввода-вывода и памяти в соответствии с табл. 9.1.

Типичная конфигурация шины STE приведена на рис. 9.3. В ней используются одна процессорная и две ведомые платы: плата аналогового ввода и плата цифрового ввода-вывода. Для хранения программ и данных предусмотрен дисковый накопитель; система воспринимает команды по линии последовательного интерфейса RS-232C от терминала или главного микрокомпьютера, работающего в режиме эмуляции терминала.

Все платы, показанные на рис. 9.3, соединяются друг с другом с помощью системной («материнской») платы, которая представляет собой печатную плату с вмонтированными в нее 64-контактными разъемами DIN 41612 с шагом 20,3 мм. На системной плате соединены одноименные контакты всех разъемов и размещены терминаторы, минимизирующие рассогласование линий и «звон» сигналов. Системная плата обычно монтируется в корпусе с фиксирующими направляющими для печатных плат.

Рис. 9.3. Типичная конфигурация шины STE

Читателя не должна пугать кажущаяся сложность микрокомпьютерной системы, показанной на рис. 9.3. Систему можно разделить на несколько взаимосвязанных подсистем, а каждая подсистема аналогичным образом делится на составляющие ее компоненты. Более того, шинная организация упрощает поиск неисправностей: можно изолировать различные части системы, просто удалив подозрительную плату и вставив на ее место заведомо работоспособную.

Дополнительные трудности возникают, когда несколько потенциальных ведущих, т. е. процессоров, разделяют шину. Если какой-либо процессор не в состоянии получить доступ к шине, он может «зависнуть», так как другой ведущий уже управляет шиной и не освобождает ее. В этом случае необходимо проверить линии и с помощью логического пробника или осциллографа. Если они разрешены, проверяют линии модификаторов и убеждаются, что цикл шины не является циклом подтверждения, а «обиженный» процессор выдает строб данных. Если сигнал выдается, от ведомой платы должен поступать сигнал или . В противном случае следует убедиться, что ведомая плата реагирует на адрес, выдаваемый процессором. Отметим, что для многих ведомых плат необходимо наличие на шине сигнала STSCLK и поэтому возникают дополнительные сложности, связанные с тем, что несколько процессоров одновременно генерируют эти сигналы.

Важно также отметить, что платы ввода-вывода обычно имеют перемычки для выбора адресов и линий внимания запроса. Перемычки следует устанавливать таким образом, чтобы между платами не возникало «конфликтов». Перед заменой в системе вышедших из строя плат следует убедиться в правильной установке перемычек. Несоблюдение этого простого правила может стоить многочасовых усилий при выявлении неисправности.

Наконец, при диагностике неисправностей в сложных системах не забывайте об очевидных вещах. В любом случае прежде всего необходимо оценить состояние системы, руководствуясь нижеприведенными тестами.

1. Правильно ли работала система до возникновения неисправности или неисправность проявилась сразу же после включения системы?

2. Имеется ли журнал регистрации функционирования системы, не могут ли привести к неисправности плохое проектирование или дефектный элемент при изготовлении платы?

3. Если неисправность появилась недавно, в каком режиме работала система до ее возникновения?

4. Является ли неисправность постоянной или перемежающейся?

5. При каких обстоятельствах возникает перемежающаяся неисправность? Зависит ли она от температуры?

6. Можно ли предсказать, когда возникнет неисправность?

7. Если это так, можно ли воспроизвести такие условия, что неисправность будет постоянной?

8. Какие платы в системе работают правильно?

9. Можно ли локализовать неисправность до конкретной платы?

10. Задокументирована ли где-нибудь возникшая неисправность?

На все эти вопросы необходимо ответить прежде, чем приступать к измерениям и удалению подозрительных плат. Опытный исследователь осуществляет подобную оценку почти автоматически, а новичку мы советуем как можно скорее усвоить предложенный алгоритм.