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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die
Erzeugung von Taktimpulsen, insbesondere auf
Einchip-Mikroprozessor-Taktimpulsgeneratoren und auf Verfahren zur Erzeugung von
Taktimpulsen in Mikroprozessoren.
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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.
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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.
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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.
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Weiter ist es wünschenswert, eine Steuerung über die
Lese- und Schreibzyklen auszudehnen, wenn man auf einen
langsamen externen Erweiterungsspeicher zugreift.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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Verwendung einer Einzelquelle zur Erzeugung eines
Basistaktimpulssignals;
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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;
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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
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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.
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Vorzugsweise ist eine von den Anstiegs- und den
Abfallsflanken so angeordnet, daß sie synchron auftreten.
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Die Erfindung wird nun durch ein Ausführungsbeispiel
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen
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Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm ist, das den Aufbau
eines Taktimpulsgenerators gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung zeigt; und
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Fig. 2 ein Zeitdiagramm, das die Betriebskennlinien
der in Fig. 1 gezeigten Anordnung zeigt.
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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.
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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.
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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.
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Die Ausgangssignale der Frequenzteiler 2 bis 5 werden
jeweils über die Gatterschaltungen 6a bis 9b zu den
Taktsignalausgangsanschlüssen 10a, 10b geliefert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.