Ден Томел - Поиск неисправностей в электронике

Тему сервисного обслуживания микропроцессоров можно разделить на две части:

♦ системы с встроенными микропроцессорами;

♦ персональные компьютеры.

В данной главе рассмотрены оба аспекта. Представленные методы сервисного обслуживания помогут восстановить вышедший из строя персональный компьютер. Системы со встроенными микропроцессорами также могут потребовать ремонта. Кроме того, порой необходимо разработать и изготовить специальное приспособления на основе микропроцессора. Методы сервисного обслуживания в каждом из вариантов несколько различаются.

Все компьютеры имеют одинаковую базовую архитектуру. Блок-схема состоит из центрального процессорного устройства (кратко — процессора) CPU (ЦПУ), памяти и какого-либо набора устройств ввода/вывода, как показано на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Три основных блока компьютера

Микрокомпьютеры содержат одну интегральную микросхему, которая работает в качестве ЦПУ и называется микропроцессор. Другими словами, микропроцессор, память и устройства ввода/вывода образуют микрокомпьютерную систему. Этот раздел рассказывает о том, как должен работать компьютер.

Центральный процессор

Центральное процессорное устройство содержит три основных подсистемы: арифметическое логическое устройство (АЛУ), набор регистров для хранения и специальных операций и схемы синхронизации и управления. Длина слова ЦПУ определяет размер (число бит) самой большой величины, с которой может работать процессор. Первый микропроцессор Intel 4004 использовал слова длиной 4 бита. Самые последние модели работают со словами 64 бита.

Арифметическое логическое устройство служит для выполнения двоичных операций сложения, вычитания и различных логических функций: И, ИЛИ, НЕ, Исключающее ИЛИ и т. д. Обычно оно работает совместно с регистром, который называется «аккумулятором» и хранит один из операндов арифметических операций, заменяя его результатом. Регистры предназначены для временного хранения данных или специальных адресов памяти, к которым часто обращаются, подсчета событий. Многие регистры имеют специальное назначение при использовании с определенными инструкциями.

Узел синхронизации и управления представляет собой устройство, организующее работу и взаимодействие всех составляющих системы и определяет порядок и время начала операций. Обращаясь к очередному кодовому слову в памяти программ, он декодирует двоичные числа, которые являются инструкциями типа «взять и выполнить» для реализации соответствующих задач. Многие микропроцессоры сегодня могут повторять эту процедуру более 2 000 000 раз в секунду.

Память

Во всех микрокомпьютерных системах необходимо хранить большое количество двоичной информации. Аппаратные решения задачи хранения двоичных чисел рассмотрены в главе 8 , где обсуждались триггеры-защелки. Регистр хранения может быть создан с помощью соединения группы триггеров, количество которых зависит от длины слова в системе. Например, каждый регистр в 8-разрядной микропроцессорной системе 8031 должен иметь 8 триггеров, соединенных таким образом, чтобы все 8 бит могли быть записаны одновременно.

Прибор с полупроводниковой памятью представляет собой группу объединенных в едином кристалле регистров. Каждый регистр памяти имеет собственный уникальный адрес, как показано на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Конфигурация памяти 8x8

Для того чтобы обеспечить доступ к конкретной информации, на адресные входы поступает соответствующее адресное число, тогда данные, которые расположены по этому адресу, появятся на выходных выводах данных. Адрес представляет собой число, которое указывает расположение данных в памяти. Данные — это двоичное число, которое содержится по выбранному адресу памяти.

Обратите внимание, что в предыдущем описании микросхем памяти предполагалось, что данные уже записаны по определенному адресу. Единственное, что пользователь может сделать с таким типом памяти, это считать содержимое по каждому адресу, но не может изменить сами данные которые там записаны. Поэтому такой тип устройств называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Двоичные величины обычно однократно записываются в микросхемы такого типа при изготовлении.

Поскольку микросхемы, в которые бы ваши пользовательские программы были уже встроены, рассчитаны на сравнительно большой объём изделий и не допускают быстрого изменения программного обеспечения в процессе модернизации, менее крупные проекты часто используют программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ). С этими устройствами пользователь может сохранить соответствующие двоичные значения по определенным адресам, используя специальные аппаратно-программные средства, как показано на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Программируемая постоянная память и прибор для ее программирования

Эти приборы с «электрическим программированием» имеют плавкие элементы, которые представляют каждый бит. Если программист «пережигает плавкий предохранитель», то это соответствует значению бита «0». Если предохранитель не пережжен, он представляет «1». Как и в случае любого предохранителя, когда используется логический ноль, его уже нельзя вернуть назад в состояние логической единицы. По этой причине такие устройства называются однократно записываемой памятью, поскольку можно только один раз запомнить необходимую программу. Ошибка означает, что вы должны выбросить эту микросхему и запрограммировать другую.

Так как ошибки возникают часто, то с учетом дальнейшего усовершенствования программного обеспечения обычно используется программируемая постоянная память. Приборы с ультрафиолетовым стиранием имеют кварцевое окно, которое позволяет свету попадать на кремниевую пластину с ячейками памяти внутри корпуса интегральной схемы. Если эта пластина подвергается воздействию высокоинтенсивного ультрафиолетового света в течение нескольких минут, содержимое всех заполненных ячеек памяти будет стерто (установлено в положение логической единицы). Для перепрограммирования микросхемы используется специальная программа, как было указано выше.

Стираемая программируемая постоянная память позволяет уничтожать содержимое памяти и заново программировать ее. Прибор можно запрограммировать, при этом схема обеспечивает хранение информации в течение многих лет. Данные можно изменить только с помощью аппаратно-программного обеспечения. Неизменное хранение означает, что при выключении компьютера содержимое памяти не исчезнет. Все приборы памяти типа «только для чтения», описанные здесь, обладают характеристикой неизменности.