تحقیقی درمورد طراحی تایمر دیجیتالی

این فایل با فرمت Word بوده و قابل ویرایش است و همچنین آماده پرینت می باشد

موضوع : تحقیق طراحی تایمر دیجیتالی

كامپيوترها را به عنوان جزء مركزي بسياري از فرآورده هاي صنعتي و مصرفي از جمله ، در سوپرماركت ها داخل صندوق هاي پول و ترازوها ، درخانه ، دراجاق ها ، ماشين هاي لباسشويي ، ساعت هاي داراي سيستم خبردهنده و ترموستات ها ، در وسايل سرگرمي همچون اسباب بازي ها ، VCR ها ، تجهيزات استريو و وسايل صوتي ، در محل كار در ماشين هاي تايپ و فتوكپي ، و در تجهيزات صنعتي مثل مته هاي فشاري و دستگاههاي حروفچيني نوري مييابيم . در اين مجموعه ها كامپيوترها وظيفه «كنترل» را در ارتباط با «دنياي واقعي» ، براي روشن و خاموش كردن وسايل و نظارت بر وضعيت آنها انجام ميدهند . ميكروكنترلرها (برخلاف ميكروكامپيوترها و ريزپردازنده ها) اغلب در چنين كاربردهايي يافت ميشوند . با وجود اين كه بيش از بيست سال از تولد ريزپردازنده نميگذرد ، تصور وسايل الكترونيكي و اسباب بازيهاي امروزي بدون آن كار مشكلي است . در 1971 شركت اينتل ، 8080 را به عنوان اولين ريزپردازنده موفق عرضه كرد . مدت كوتاهي پس از آن ، موتور ولا ، RCA و سپس MOS Technology و Zilog انواع مشابهي را به ترتيب به نامهاي 6800 ، 1801 ، 6502 ، Z80 عرضه كردند . گرچه اين مدارهاي مجتمع (IC) ها به خودي خود فايده چنداني نداشتند اما به عنوان بخشي از يك كامپيوتر تك بورد (SBC) ، به جزء مركزي فرآورده هاي مفيدي براي آموزش طراحي با ريزپردازنده ها تبديل شدند . از اين SBC ها كه بسرعت به آزمايشگاههاي طراحي در كالج ها ، دانشگاهها و شركت هاي الكترونيك راه پيدا كردند ميتوان براي نمونه از D2 موتورولا ، KIM-1 ساخت MOS Technolog و SDK-85 متعلق به شركت اينتل نام برد .

ميكروكنترلر قطعه اي شبيه به ريزپردازنده است . در 1976 اينتل 8748 را به عنوان اولين قطعه خانواده ميكروكنترلرهاي MCS-48TM معرفي كرد . 8748 با 17000 ترانزيستور در يك مدار مجتمع ، شامل يك CPU 1 كيلو بايت EPROM ، 64 بايت RAM ، 27 پايه I/O و يك تايمكر 8 بيتي بود . اين IC و ديگر اعضاي MCS-48TM كه پس از آن آمدند ، خيلي زود به يك استاندارد صنعتي در كاربردهاي كنترل گرا تبديل شدند جايگزين كردن اجزاء الكترومكانيكي در فرآورده هايي مثل ماشين هاي لباسشويي و چراغ هاي راهنمايي از ابتداري كار ، يك كاربرد مورد توجه براي اين ميكروكنترلرها بودند و همين طور باقي ماندند . ديگر فرآورده هايي كه در آنها ميتوان ميكروكنترلر را يافت عبارتند از اتومبيل ها ، تجهيزات صنعتي ، وسايل سرگرمي و ابزارهاي جانبي كامپيوتر . (افرادي كه يك IBM PC دارند كافي است به داخل صفحه كليد نگاه كنند تا مثالي از يك ميكروكنترلر را دريك طراحي با كمترين اجزاء ممكن ببينند).

توان ، ابعاد و پيچيدگي ميكروكنترلرها با اعلام ساخت 8051 ، يعني اولين عضو خانواده ميكروكنترلرهاي MCS-51‏ء در 1980 توسط اينتل پيشرفت چشمگيري كرد . در مقايسه با 8048 اين قطعه شامل بيش از 60000 ترانزيستور ، K 4 بايت ROM ، 128 بايت RAM ، 32 خط I/O ، يك درگاه سريال و دوتايمر 16 بيتي است . كه از لحاظ مدارات داخلي براي يك IC بسيار قابل ملاحظه است ، (شكل 1-1 را ببينيد). امروزه انواع گوناگوني از اين IC وجود دارند كه به صورت مجازي اين مشخصات را دوبرابر كرده اند . شركت زيمنس كه دومين توليدكننده قطعات MCS-51TM است SAB80515 را به عنوان يك 8051 توسعه يافته دريك بسته 68 پايه با شش درگاه I/O 8 بيتي ، 13 منبع وقفه ، و يك مبدل آنالوگ به ديجيتال با 8 كانال ورودي عرضه كرده است . خانواده 8051 به عنوان يكي از جامعترين و قدرتمندترين ميكروكنترلرهاي 8 بيتي شناخته شده و جايگاهش را به عنوان يك ميكروكنترلر مهم براي سال هاي آينده يافته است .

اين كتاب درباره خانواده ميكروكنترلرهاي MSC-51TM نوشته شده است . فصل هاي بعدي معماري سخت افزار و نرم افزار خانواده MCS-51TM را معرفي ميكنند و از طريق مثالهاي طراحي متعدد نشان ميدهند كه چگونه اعضاي اين خانواده ميتوانند در طراحي هاي الكترونيكي با كمترين اجزاء اضافي ممكن شركت داشته باشند . 

در بخشهاس بعدي از طريق يك آشنايي مختصر با معماري كامپيوتر ، يك واژگان كاري از اختصارات و كلمات فني كه دراين زمينه متداولند (واغلب باهم اشتباه ميشوند) را ايجاد خواهيم كرد . از آن جا كه بسياري اصطلاحات در نتيجه تعصب شركتهاي بزرگ و سليقه مؤلفان مختلف دچار ابهام شده اند ، روش كار ما در اين زيمنيه بيشتر عملي خواهد بود تا آكادميك . هر اصطلاح در متداول ترين حالت با يك توضيح ساده معرفي شده است .

2-1 اصطلاحات فني

يك كامپيوتر توسط دو ويژگي كليدي تعريف ميشود : (1) داشتن قابليت برنامه ريزي براي كاركردن روي داده بدون مداخله انسان و (2) توانايي ذخيره و بازيابي داده . عموما يك سيستم كامپيوتري شامل ابزارهاي جانبي براي ارتباط با انسان ها به علاوه برنامه هايي براي پردازش داده نيز ميباشد . تجهيزات كامپيوتر سخت افزار ، و برنامه هاي آن نرم افزار نام دارند . در آغاز اجازه بدهيد كارخود را با سخت افزار كامپيوتر و با بررسي شكل 2-1 آغاز ميكنيم .

نبود جزئيات درشكل عمدي است و باعث شده تا شكل نشان دهنده كامپيوترهايي درتمامي اندازه ها باشد . همانطور كه نشان داده شده است ، يك سيستم كامپيوتري شامل يك واحد پردازش مركزي (CPU) است كه از طريق گذرگاه آدرس2 ، گذرگاه داده3 و گذرگاه كنترل4 به حافظه قابل دستيابي تصادفي 5  (RAM) و حافظه فقط خواندني 6 (ROM) متصل ميباشد . مدارهاي واسطه 7 گذرگاه هاي سيستم را به وسايل جانبي متصل ميكنند . حال اجازه بدهيد تا هريك از اينها را بطور مفصل بررسي كنيم .

3-1 واحد پردازش مركزي 

CPU ، به عنوان «مغز» سيستم كامپيوتري ، تمامي فعاليتهاي سيستم را اداره كرده و همه عمليات روي داده را انجام ميدهد . انديشه اسرارآميز بودن CPU در اغلب موارد نادرست است زيرا اين تراشه فقط مجموعه اي از مدارهاي منطقي است كه بطورمداوم دو عمل را انجام ميدهئد : واكشي 8  دستورالعمل ها ، و اجراي آنها . CPU توانايي درك و اجراي دستورالعمل ها را براساس مجموعه اي از كدهاي دودويي دارد كه هريك از اين كدها نشان دهنده يك عمل ساده است . اين دستورالعمل ها معمولا حسابي (جمع ، تفريق ، ضرب و تقسيم) ، منطقي NOT , OR , AND) وغيره) ، انتقال داده يا عمليات انشعاب هستند و با مجموعه اي از كدهاي دودويي با نام مجموعه دستورالعمل ها9 نشان داده ميشوند .

شكل 3-1 يك تصوير بي نهايت ساده شده از داخل يك CPU است . اين شكل مجموعه اي از ثبات ها1  را براي ذخيره سازي موقت اطلاعات ، يك واحد عمليات حسابي و منطقي2 (ALU) براي انجام عمليات روي اين اطلاعات ، يك واحد كنترل و رمزگشايي دستورالعمل3 (كه عملياتي را كه بايد انجام شود تعيين ميكند و اعمال لازم را براي انجام آنها شروع مينمايد.) و دوثبات اضافي را نشان ميدهد .

ثبات دستورالعمل (IR) كد دودويي هردستورالعمل را درحال اجرا نگه ميدارد و شمارنده برنامه (PC) آدرس حافظه دستورالعمل بعدي را كه بايد اجرا شود نشان ميدهد .

واكشي يك دستورالعمل از RAM سيستم يكي از اساسي ترين اعمالي است كه توسط CPU انجام ميشود و شامل اين مراحل است : (الف) محتويات شمارنده برنامه درگذرگاه آدرس قرار ميگرد (ب) يك سيگنال كنترل READ فعال ميشود (پ) داده (كد عملياتي4 دستورالعمل) از RAM خوانده ميشود و روي گذرگاه داده قرار ميگيرد (ت) كد عملياتي در ثبات داخلي دستورالعمل CPU انجام ميشود و (ث) شمارنده برنامه يك واحد افزايش مييابد تا براي واكشي بعدي از حافظه آماده شود . شكل 4-1 نشان دهنده جريان اطلاعات براي واكشي يك دستورالعمل است . 

مرحله اجرا مستلزم رمزگشايي كد عملياتي و ايجاد سيگنالهاي كنترلي براي گشودن ثبات هاي دروني به داخل و خارج از ALU است . همچنين بايد به ALU براي انجام عمليات مشخص شده فرماني داده شود . بعلت تنوع زياد عمليات ممكن ، اين توضيحات تاحدي سطحي ميباشند و دريك عمليات ساده مثل «افزايش يك واحدي ثبات»1 مصداق دارند . دستورالعمل هاي پيچيده تر نياز به مراحل بيشتري مثل خواندن بايت دوم و سوم به عنوان داده براي عمليات دارند .

يك سري از دستورالعمل ها كه براي انجام يك وظيفه معنادار تركيب شوند برنامه يا نرم افزار ناميده ميشود ، و نكته واقعا اسرارآميز درهمين جا نهفته است . معيار اندازه گيري براي انجام درست وظايف ، بيشتر كيفيت نرم افزار است تا توانايي تحليل CPU . سپس برنامه ها CPU را «راه اندازي» ميكنند و هنگام اين كار آنها گهگاه به تقليد از نقطه ضعف هاي نويسندگان خود ، اشتباده هم ميكنند . عباراتي نظير «كامپيوتر اشتباه كرد» گمراه كننده هستند . اگرچه خرابي تجهيزات غيرقابل اجتناب است اما اشتباه در نتايج معمولا نشاني از برنامه هاي ضعيف يا خطاي كاربر ميباشد .

4-1 حافظه نيمه رسانا : RAM و ROM 

برنامه ها و داده در حافظه ذخيره ميشوند . حافظه هاي كامپيوتر بسيار متنوعند و اجزاي همراه آنها بسيار ، و تكنولوژي بطور دائم و پي در پي موانع را برطرف ميكند ، بگونه اي كه اطلاع از جديدترين پيشرفتها نياز به مطالعه جامع و مداوم دارد . حافظه هايي كه بطور مستقيم توسط CPU قابل دستيابي ميباشند ، IC هاي (مدارهاي مجتمع) نيمه رسانايي هستند كه RAM  و ROM ناميده ميشوند . دو ويژگي RAM و ROM را از هم متمايز ميسازد : اول آن كه RAM حافظه خواندني / نوشتني است درحالي كه ROM حافظه فقط خواندني است و دوم آن كه RAM فرار است (يعني محتويات آن هنگام نبود ولتاژ تغذيه پاك ميشود) درحالي كه ROM غير فرار ميباشد .

اغلب سيستمهاي كامپيوتري يك ديسك درايو ومقدار اندكي ROM دارند كه براي نگهداري روال هاي نرم افزاري كوتاه كه دائم مورد استفاده قرار ميگيرند و عمليات ورودي / خروجي را انجام ميدهند كافي است . برنامه هاي كاربران و داده ، روي ديسك ذخيره ميگردند و براي اجرا به داخل RAM بار ميشوند . با كاهش مداوم در قيمت هربايت RAM ، سيستمهاي كامپيوتري كوچك اغلب شامل ميليونها بايت RAM ميباشند .

5-1 گذرگاهها : آدرس ، داده و كنترل 

يك گذرگاه عبارت است از مجموعه اي از سيم ها كه اطلاعات را با يك هدف مشترك حمل ميكنند . امكان دستيابي به مدارات اطراف CPU توسط سه گذرگاه فراهم ميشود : گذرگاه آدرس ، گذرگاه داده و گذرگاه كنترل . براي هرعمل خواندن يا نوشتن ، CPU موقعيت داده (يا دستورالعمل) را با قراردادن يك آدرس روي گذرگاه آدرس مشخص ميكند و سپس سيگنالي را روي گذرگاه كنترل فعال مينمايد تا نشان دهد كه عمل موردنظر خواندن است يا نوشتن . عمل خواندن ، يك بايت داده را از مكان مشخص شده در حافظه برميدارد و روي گذرگاه داده قرار ميدهد . CPU داده را ميخواند و دريكي از ثبات هاي داخلي خود قرار ميدهد . براي عمل نوشتن CPU داده را روي گذرگاه داده ميگذارد . حافظه ، تحت تأثير سيگنال كنترل ، عمليات را بعنوان يك سيكل نوشتن ، تشخيص ميدهد و داده را درمكان مشخص شده ذخيره ميكند .

اغلب ، كامپيوترهاي كوچك 16 يا 20 خط آدرس دارند . با داشتن n خط آدرس كه هريك ميتوانند در وضعيت بالا(1) يا پايين (0) باشند ، n 2 مكان قابل دستيابي است . بنابراين يك گذرگاه آدرس 16 بيتي ميتواند به 65536 = 16 2 مكان ، دسترسي داشته باشد و براي يك آدرس 20 بيتي 1048576 = 20 2 مكان قابل دستيابي است . علامت اختصاري K (براي كيلو) نماينده 1024 = 10 2 ميباشد ، بنابراين 16 بيت ميتواند K 64 = 10 2 × 6 2 مكان را آدرس دهي كند درحالي كه 20 بيت ميتواند K 1024 = 10 2 × 10 2 ( يا Meg 1) را آدرس دهي نمايد .

گذرگاه داده اطلاعات را بين CPU و حافظه يا بين CPU و قطعات I/O منتقل ميكند . تحقيقات دامنه داري كه براي تعيين نوع فعاليتهايي كه زمان ارزشمند اجراي دستورالعمل ها را دريك كامپيوتر صرف ميكنند ، انجام شده است نشان ميدهد كه كامپيوترها دوسوم وقتشان را خيلي ساده صرف جابجايي داده ميكنند . ازآن جا كه عمده عمليات جابجايي بين يك ثبات CPU و RAM يا ROM خارجي انجام ميشود تعداد خطهاي (يا پهناي) گذرگاه داده در كاركرد كلي كامپيوتر اهميت شاياني دارد . اين محدوديت پهنا ، يك تنگنا به شمار ميرود : ممكن است مقادير فراواني حافظه در سيستم وجود داشته باشد و CPU از طريق گذرگاه داده – توسط پهناي گذرگاه داده محدود ميشود . به علت اهميت اين ويژگي ، معمول است كه يك پيشوند را كه نشان دهنده اندازه اين محدوديت است اضافه ميكنند . عبارت «كامپيوتر 16بيتي» به كامپيوتري با 16 خط در گذرگاه داده اشاره ميكند . اغلب كامپيوترها در طبقه بندي 4 بيت ، 8 بيت ، 16 بيت يا 32 بيت قرار ميگيرند و توان محاسباتي كلي آنها با افزايش پهناي گذرگاه داده ، افزايش مييابد .

طراحي تايمر ديجيتالي