DE3850808T2

DE3850808T2 - Erzeugung von Taktimpulsen.

Info

Publication number: DE3850808T2
Application number: DE3850808T
Authority: DE
Inventors: Nobuhisa Watanabe
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1987-05-14
Filing date: 1988-05-13
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2008-05-14
Also published as: DE3850808D1; EP0291335B1; EP0291335A3; JP2643146B2; KR960003061B1; US5167031A; EP0291335A2; JPS63282511A; KR880014446A; CA1288828C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Taktimpulsen, insbesondere auf Einchip-Mikroprozessor-Taktimpulsgeneratoren und auf Verfahren zur Erzeugung von Taktimpulsen in Mikroprozessoren.
Siliziumchip-Mikroprozessoren mit einer Zentralverarbeitungseinheit (CPU), einen Nurlesespeicher (ROM), einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) und einer Eingangs- /Ausgangssignalschnittstelle (I/O) werden im allgemeinen auf einem Einzelchip gebildet, um so einen Einchip-Mikrocomputer zu bilden, der so eingerichtet ist, daß er mit einer Versorgungsspannung von 5 V arbeitet. Vor einiger Zeit ist jedoch gefordert worden, daß ein Einchip-Mikroprozessor unter Verwendung von Batterien betrieben werden kann. Dies kann jedoch bedeuten, daß die Versorgung, mit der die Einrichtung betrieben wird, von 5 V auf 3 V reduziert werden muß. Diese Spannungsreduzierung hat eine Änderung bei der Erzeugung der Taktimpulse zur Folge, die im Zusammenhang mit der Arbeit der CPU verwendet werden. Wenn diese Änderung vorkommt, kann jedoch eine falsche Arbeitsweise auftreten.
Folglich wird gefordert, daß langsame Taktimpulse erzeugt werden können, wenn eine solche Verminderung in der Versorgungsspannung in einer Weise auftritt, die es ermöglichen, einen ordentlichen Betrieb beizubehalten. Es ist zusätzlich erforderlich, langsame Taktsignale vorsehen so können, wenn die Versorgungsspannung reduziert wird, um die elektrische Spannungsversorgung im Falle eines Leistungsausfalls aufrechtzuerhalten.
In den Patent Abstracts of Japan, Vol. 9, No. 137 (p. 363), (1860), June 12, 1985 ist eine Takterzeugungsschaltung beschrieben, die einen Takt für einen Mikrocomputer durch Auswählen eines Signals von einem Taktsignal liefert, das mehrere Frequenzen gemäß einem digitalen Signal hat, das vom Wert der Versorgungsspannung hergeleitet wird, das an einen Eingangsanschluß angelegt wird.
Weiter ist es wünschenswert, eine Steuerung über die Lese- und Schreibzyklen auszudehnen, wenn man auf einen langsamen externen Erweiterungsspeicher zugreift.
Um das obige zu erreichen, ist vorgeschlagen worden, zwei Taktimpulsgeneratoren zu verwenden, einen für Hochgeschwindigkeitsimpulssignale und einen für langsame Impulssignale. Diese Anordnung ist jedoch so, daß, wenn einer in Gebrauch ist, der andere redundant gemacht wird. Wenn weiter vom einen zum anderen geschaltet wird, kann ein Asynchronismus oder ein Versatz der gegenseitigen Lage zwischen den Impulsen auftreten.
Der Artikel "Designing with the 80C88- A Fully Static CMOS Processor" (New Electronics, Vol. 17, (1984) July, No. 14) offenbart eine Schaltungsanordnung, bei der ein Mikroprozessortaktsignal elektronisch zwischen einer "Normal"-Taktgeschwindigkeit und einer "Langsam"-Taktgeschwindigkeit umgeschaltet werden kann.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Einchip-Mikroprozessor-Taktimpulsgenerator vorgesehen mit einer Quelle von Taktimpulsen, Mitteln zur aufeinanderfolgenden Teilung der Taktimpulse im gleichen Verhältnis und zur Erzeugung einer Anzahl von Taktimpulssignalen, deren Impulsbreiten verschieden sind, wobei die Anzahl der Taktimpulssignale in einer Weise so geteilt ist, daß eine der Anstiegs- und Abfallflanken der Impulse der Anzahl der Taktimpulssignale gleichzeitig auftreten und somit ein Schalten vom einen zum anderen Signal ermöglicht wird, ohne daß Phasendifferenzen auftreten, mehreren Gatterschaltungen, die selektiv angeordnet sind, um eines der Taktimpulssignale zu einer Ausgangssignalanschlußeinrichtung zu liefern, einem Diskriminatoreingangssignalanschluß, der mit der Anzahl der Gatterschaltungen verbunden ist und der in Abhängigkeit von einem Steuersignal von einem Speicheradreßdecoder ein automatisches Schalten der Taktimpulssignale bei der Ausgangssignalanschlußeinrichtung von einem Hochgeschwindigkeits- Impulssignalverarbeitungszyklus in einen externen langsamen Speicher-Impulssignal-Zugriffszyklus erlaubt, und der automatisch den Hochgeschwindigkeits-Impulssignalverarbeitungszyklus bei einer Beendigung des Steuersignals wieder aufnimmt, und Steuermitteln zum Steuern der Gatterschaltungen, um von einem zum anderen der Taktimpulssignale nur umzuschalten, wenn eine von den Anstiegs- und Abfallflanken der Impulse der Taktimpulssignale zusammenfallen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die danach ausführlicher beschrieben wird, sieht einen Taktimpulsgenerator mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau, durch den das Schalten zwischen schnellen und langsamen Impulsen ohne eine unerwünschte Unterbrechung der CPU-Aktivität ermöglicht wird.
Damit ein Einchip-Mikroprozessor mit zwei verschiedenen Spannungsquellen wie der Haushaltsversorgung und Batterien betrieben werden kann, und um einen externen langsamen Speicherzugriff zu erleichtern, wird das Ausgangssignal einer einzelnen Impulsquelle nacheinander frequenzgeteilt und werden Gatterschaltungen so angeordnet, daß eine von einer Anzahl von Divisionen wahlweise an einen Ausgangssignalanschluß der Einrichtung geliefert werden kann.
Die Teilungsmittel weisen vorzugsweise eine Anzahl von Frequenzteilern auf, die in einer Weise verbunden sind, daß ein erster Frequenzteiler so eingerichtet ist, daß er die Impulse teilt, die von einer Quelle in einer vorgegebenen Weise geliefert werden, und daß ein nächster Frequenzteiler so eingerichtet ist, daß er das Ausgangssignal des ersten Frequenzteilers empfängt und im wesentlichen die gleiche Division durchführt.
Vorzugsweise wird die Anzahl der Taktimpulssignale in einer Weise geteilt, daß einer der führenden und einer der Schlußränder der Impulse gemeinsam auftreten und somit ein Schalten vom einer zur anderen Flanke ermöglicht wird, ohne daß Phasendifferenzen auftreten.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Taktimpulssignalen in einem Mikroprozessor und Schalten zwischen den Signalen vorgesehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Verwendung einer Einzelquelle zur Erzeugung eines Basistaktimpulssignals;
aufeinanderfolgendes Teilen des Basistaktimpulssignals, um eine Serie von Impulssignalen zu bilden, die jeweils aufeinanderfolgend längere Impulsbreiten haben, wobei eine der Anstiegs- und Abfallflanken der Serien der Impulssignale so angeordnet ist, daß sie synchron auftreten;
selektives Verwenden einer der Serien der Impulssignale in Verbindung mit der Steuerung des Mikroprozessors, und Erzeugen einer automatischen Schaltung von einem Hochgeschwindigkeits-Impulssignalverarbeitungszyklus in einen externen langsamen Speicher-Impulssignal-Zugriffszyklus in Abhängigkeit von einem Steuersignal von einem Speicheradreßdecoder zu einem Diskriminatoreingangssignalanschluß, wobei der Hochgeschwindigkeits-Impulssignalverarbeitungszyklus bei Beendigung des Steuersignals automatisch wiederaufgenommen wird; und
Steuern des Schaltens von einem zum anderen der Taktimpulssignale, das nur stattfinden soll, wenn die eine der Anstiegs- und Abfallflanken der Impulse der Taktimpulssignale zusammenfallen.
Vorzugsweise ist eine von den Anstiegs- und den Abfallsflanken so angeordnet, daß sie synchron auftreten.
Die Erfindung wird nun durch ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm ist, das den Aufbau eines Taktimpulsgenerators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
Fig. 2 ein Zeitdiagramm, das die Betriebskennlinien der in Fig. 1 gezeigten Anordnung zeigt.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, und weist Eingangsanschlüsse 1 auf, die so eingerichtet sind, daß sie Taktimpulse erhalten, beispielsweise von einem Kristalltaktimpulsgenerator (nicht gezeigt), Frequenzteiler 2 bis 5, Gatterschaltungen 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b, 9a, 9b, Taktimpulsausgangsanschlüsse 10a, 10b, Gattersteuersignalgeneratorschaltungen 12 bis 15, festgelegte Signaleingangsanschlüsse 11a, 11b, 16a, 16b, und einen Diskriminator-Signaleingangsanschluß 17, der eingerichtet ist, ein Signal von einem Speicheradreßdecoder (nicht gezeigt) zu empfangen, wobei alle wie dargestellt verbunden sind.
Bei dieser Anordnung ist der erste Frequenzteiler 2 so eingerichtet, daß er eine erste Division (1/2) durchgeführt und die in Fig. 2A gezeigten Eingangsimpulse 1a in einer Weise teilt, daß er eine Impulsfolge 2a erzeugt, wie in Fig. 2B gezeigt ist. Der zweite Frequenzteiler 3 ist so eingerichtet, daß er eine zweite Division durchführt und eine Impulsfolge erzeugt, die eine Frequenz hat, die 1/4 der des ursprünglichen Eingangssignals 1a ist, um so ein Signal 3a zu erzeugen, wie es in Fig. 2C gezeigt ist.
Der dritte und vierte Frequenzteiler 4, 5 sind so eingerichtet, daß sie die nachfolgenden Frequenzdivisionen durchführen und die Signale 4a und 5a erzeugen (siehe Fig. 2D und 2E), die jeweils Frequenzen haben, die 1/8 bzw. 1/16 des Eingangssignals Ia sind. Wie man in Fig. 2 sehen kann, sind jede der jeweiligen Taktimpulsserien so eingerichtet, daß sie eine Phasendifferenz von 90º haben.
Die Ausgangssignale der Frequenzteiler 2 bis 5 werden jeweils über die Gatterschaltungen 6a bis 9b zu den Taktsignalausgangsanschlüssen 10a, 10b geliefert.
Ein digitales Zweibitsignal von der Computersteuerschaltung wird zu den vorgesehenen Signaleingangsanschlüssen 11a, 11b geliefert. Dieses Signal hat die Aufgabe, wahlweise die Gatterschaltungen 6a bis 9b in einer Weise zu steuern, daß, wenn beide Signale, die an den Anschlüssen 11a und 11b auftreten, einen niedrigen Pegel "0" annehmen, die Gatterschaltung 6a, 6b so geschaltet wird, daß sie einen EIN-Status annimmt, wodurch die Taktimpulse 2a, die durch zwei geteilt wurden, an den Taktimpulsausgangsanschlüssen 10a, 10b erscheinen. Wenn die Anschlüsse 11a und 11b einen niedrigen oder hohen Pegel (0,1) annehmen, wird die Gatterschaltung 7a, 7b wahlweise in den Zustand versetzt, daß sie einen EIN- Status annimmt. Unter diesen Bedingungen wird die Taktimpulsfolge 3a (geteilt durch vier) zu den Taktimpulsausgangsanschlüssen 10a, 10b geliefert.
Wenn die Signale, die an den Anschlüssen 11a und 11b erscheinen, den Pegel 1 oder 0 annehmen, nimmt die Gatterschaltung 8a, 8b den EIN-Status an, und die Taktimpulse 4a (geteilt durch acht) werden selektiv an die Ausgangsanschlüsse 10a, 10b angelegt. Wenn schließlich die Signale, die an den Anschlüssen 11a und 11b auftreten, beide einen hohen Pegel (1,1) annehmen, nimmt die letzte der Gatterschaltungen 9a, 9b einen EIN-Status an und liefert die um 1/16 dividierte Impulsfolge 4a zu den Ausgangsanschlüssen 10a, 10b.
Wenn ein Zweibitsignal von einem externen Speicher an die Anschlüsse 16a und 16b angelegt wird, können die Gattersteuerschaltungen 12 bis 15 so gesteuert werden, daß sie wahlweise die Gatterschaltungen 6a bis 9b auf eine ähnliche Weise öffnen.
In dem Fall, wo der externe Speicher gewählt wird und ein Diskriminatorsignal an den Anschluß 17 angelegt wird, werden die Gattersteuerschaltungen 12 bis 15 wahlweise in die Lage versetzt, daß sie die Gatterschaltungen 6a bis 9b öffnen.
Wenn die Schaltungsanordnung in einer Weise betrieben wird, daß die Hochgeschwindigkeitstaktimpulse in die in Fig. 2E gezeigten Impulse 5a geändert werden sollen, werden Signale mit einem niedrigen Pegel sowohl den Anschluß 11a als auch an den Anschluß 11b angelegt. Dies veranlaßt die Gattersteuerschaltung 12, daß sie ein Signal mit einem hohen Pegel (1) anlegt und die Gatterschaltung 6a, 6b in die Lage versetzt, einen EIN-Status anzunehmen. Unter diesen Bedingungen werden Hochgeschwindigkeitsimpulse 2a an die Ausgangsanschlüsse 10a, 10b in einer Weise angelegt, wie es in Fig. 2F gezeigt ist, und von da zur CPU des Mikroprozessors.
Wenn die Steuerschaltung des Mikroprozessors Signale mit einem hohen Pegel (1,1) sowohl an den Anschluß 11a als auch an den Anschluß 11b anlegt, wird die Gatterschaltung 15 in die Lage versetzt, ein Signal mit einem hohen Pegel an die Gatterschaltung 9a, 9b anzulegen und somit die Gatterschaltung zu öffnen. Dies hat zur Folge, daß die Impulse, die an den Taktimpulsausgangsanschlüssen 10a, 10b erscheinen, die Form 5a annehmen, die in der letzten Hälfte von Fig. 2F gezeigt ist.
Da diese beiden Signale 2a, 5a aus dem gleichen Basissignal 1a hergeleitet werden, wenn der Wechsel auftritt, fluchten die Abfallflanken der beiden Signale im Augenblick des Schaltens, und es kann keine Verschiebung im Signalzeitablauf auftreten und dadurch die Arbeit des Mikroprozessors gestört werden.
Wenn der umgekehrte Wechsel veranlaßt werden soll und die langsamen Taktsignale in Hochgeschwindigkeitsimpulse geändert werden sollen, werden die Pegel der Signale, die an die Anschlüsse 11a und 11b angelegt werden, entsprechend von 1,1 in 0,0 geschaltet. In diesem Zeitpunkt wird die Gatterschaltung 9a, 9b nichtleitend, während die Gatterschaltung 6a, 6b geöffnet wird. Das Ergebnis ist in Fig. 2G gezeigt. Man sieht, da die CPU abhängig von den Taktimpulsen ist, das Schalten gemäß der laufend gelieferten Impulsfolge gesteuert wird, und folglich in diesem Fall auf eine Abfallflanke der langsamen Impulse warten wird, bevor der Signalpegelwechsel herbeigeführt wird, der die Lieferung der Hochgeschwindigkeitsimpulse veranlassen wird. Da die Abfallflanken der Impulse 2a und 5a ihrer Natur nach fluchten, passen wie vorher die Phasenlagen der beiden Signale beim Schalten vollkommen zusammen, wodurch ein fehlerfreier CPU-Betrieb sichergestellt ist.
Wenn ein langsamer externer Speicherzugriffszyklus herbeigeführt werden soll, wird ein Signal mit einem hohen Pegel von einem Speicheradreßdecoder (nicht gezeigt) an den Anschluß 17 angelegt. Vor diesem Zeitpunkt wird das Programm, das gerade in der CPU läuft, gemäß den Hochgeschwindigkeitsimpulsen 2a gesteuert. Beim Anlegen des Signals mit dem hohen Pegel an den Anschluß 17 wird jedoch die Gatterschaltung 6a, 6b geschlossen und die Gatterschaltung 9a, 9b wird leitend. Unter diesen Umständen ändern sich die Taktimpulse, die geliefert werden, in der Fig. 2H gezeigten Weise, und die langsamen Taktimpulse 5a werden dann zur CPU geliefert.
Das Signal mit dem hohen Pegel, das an den Anschluß 17 angelegt ist, wird einen Speicherzyklus lang beibehalten und dann automatisch in den niedrigen Pegel umgeschaltet. Dieses Schalten ermöglicht die Wiederaufnahme der Lieferung der Hochgeschwindigkeitstaktimpulse 2a an die CPU, um eine geeignete Verarbeitung zu ermöglichen, wie im Schlußteil von Fig. 2H gezeigt ist.
Mit der obenbeschriebenen Anordnung ist es möglich, wahlweise vier verschiedene Taktimpulse lediglich durch Ändern eines Zweibitsignals zu liefern. Wenn es erforderlich ist, daß eine Einrichtung mit einer Niederspannungsquelle wie Taschenlampenbatterien oder dgl. betrieben werden soll, ist es möglich, die Impulse 2a in die Impulse 5a zu ändern. Es ist ebenfalls möglich, zu den langsamen Impulsen 5a zu schalten, wenn ein Spannungsausfall auftritt, ohne die Arbeit des Prozessors nachteilig zu beeinflussen. Weiter ist eine langsame externe Speicherzugriffs-Buszyklussteuerung mit dem gleichen einfachen Bauteileaufwand möglich. Wenn darüberhinaus ein System einen Hochgeschwindigkeitsspeicher zusätzlich zu dem obenerwähnten langsamen Speicher aufweist, kann eine geeignete Taktsignalsteuerung ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Schaltung ausgeführt werden, wodurch die Systemleistung erhöht wird.

Claims

1. Einchip-Mikroprozessor-Taktimpulsgenerator mit einer Quelle von Taktimpulsen (1a), Mitteln (2 bis 5) zur aufeinanderfolgenden Teilung der Taktimpulse (1a) im gleichen Verhältnis und zur Erzeugung einer Anzahl von Taktimpulssignalen (2a bis 5a), deren Impulsbreiten verschieden sind, wobei die Anzahl der Taktimpulssignale (2a bis 5a) in einer Weise so geteilt ist, daß eine von den Anstiegs- und Abfallflanken der Impulse der Anzahl der Taktimpulssignale (2a bis 5a) gleichzeitig auftreten und somit ein Schalten vom einem zum anderen Signal ermöglicht wird, ohne daß Phasendifferenzen auftreten, mehreren Gatterschaltungen (6a bis 9b), die selektiv angeordnet sind, um eines der Taktimpulssignale (2a bis 5a) zu einer Ausgangssignalanschlußeinrichtung (10a, 10b) zu liefern, einem Diskriminatoreingangssignalanschluß (17), der mit der Anzahl der Gatterschaltungen (6a bis 9b) verbunden ist und der in Abhängigkeit von einem Steuersignal von einem Speicheradreßdecoder ein automatisches Schalten der Taktimpulssignale (2a bis 5a) bei der Ausgangssignalanschlußeinrichtung (10a, 10b) von einem Hochgeschwindigkeits-Impulssignalverarbeitungszyklus (2a) in einen externen langsamen Speicher- Impulssignal-Zugriffszyklus (5a) erlaubt, und der automatisch den Hochgeschwindigkeits-Impulssignalverarbeitungszyklus (2a) bei einer Beendigung des Steuersignals wieder aufnimmt, und Steuermitteln zum Steuern der Gatterschaltungen, um von einem zum anderen der Taktimpulssignale (2a bis 5a) nur umzuschalten, wenn eine von den Anstiegs- und Abfallflanken der Impulse der Taktimpulssignale (2a bis 5a) zusammenfallen.

2. Taktimpulsgenerator nach Anspruch 1, wobei die Teilungsmittel mehrere Frequenzteiler (2 bis 5) aufweisen, die in einer Weise verbunden sind, daß der erste Frequenzteiler (2) so angeordnet ist, daß er die Impulse (1a) teilt, die von der Quelle in einer vorgegebenen Weise geliefert werden, und daß der nächste Frequenzteiler (3) so angeordnet ist, daß er das Ausgangssignal des ersten Frequenzteilers (2) empfängt und im wesentlichen die gleiche Teilung durchführt.

3. Taktimpulsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, der erste und zweite Sätze von Eingangssignalanschlüssen (11a, 11b; 16a, 16b) aufweist, über die Zweibit-Steuersignale in einer Weise geliefert werden können, daß eine selektive Steuerung der Gatterschaltungen (6a bis 9b) ermöglicht wird.

4. Verfahren zur Erzeugung von Taktimpulssignalen in einem Mikroprozessor und Schalten zwischen den Signalen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Verwendung einer Einzelquelle zur Erzeugung eines Basistaktimpulssignals (1a);

aufeinanderfolgendes Teilen (2 bis 5) des Basistaktimpulssignals (1a), um eine Serie von Impulssignalen (2a bis 5a) zu bilden, die jeweils aufeinanderfolgend längere Impulsbreiten haben, wobei eine der Anstiegs- und Abfallflanken der Serien der Impulssignale (2a bis 5a) so angeordnet ist, daß sie synchron auftreten;

selektives Verwenden (6a bis 9b) einer der Serien der Impulssignale (2a bis 5a) in Verbindung mit der Steuerung des Mikroprozessors, und Erzeugen einer automatischen Schaltung von einem Hochgeschwindigkeits-Impulssignalverarbeitungszyklus (2a) in einen externen langsamen Speicher-Impulssignal- Zugriffszyklus (5a) in Abhängigkeit von einem Steuersignal von einem Speicheradreßdecoder zu einem Diskriminatoreingangssignalanschluß (17), wobei der Hochgeschwindigkeits- Impulssignalverarbeitungszyklus (2a) bei Beendigung des Steuersignals automatisch wiederaufgenommen wird; und

Steuern des Schaltens von einem zum anderen der Taktimpulssignale (2a bis 5a), das nur stattfinden soll, wenn die eine der Anstiegs- und Abfallflanken der Impulse der Taktimpulssignale (2a bis 5a) zusammenfallen.