Автоматизация измерений, контроля и испытаний

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной "настройки" цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.

Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядность обрабатываемых данных достигает 24 бит и более, большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических операций.

Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый преобразователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала.

Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени выполнения ими списков операций. Сравнение же аналоговых микропроцессоров производится по количеству эквивалентных звеньев аналого-цифровых фильтров рекурсивных фильтров второго порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяется его способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее осуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре.

Одним из направлений дальнейшего совершенствования аналоговых микропроцессоров является повышение их универсальности и гибкости. Поэтому вместе с повышением скорости обработки большого объема цифровых данных будут развиваться средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации за счет реализации аппаратных блоков прерывания программ и программных переходов.

По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.

Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

По организации структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно- и многомагистральные.

В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.

В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.

По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

4.3 Понятие о микроЭВМ на примере однокристального микроЭВМ серии К1816

МикроЭВМ этой серии разработаны для использования в качестве микроконтроллеров, для которых требуются короткие программы, небольшой объем оперативной памяти и ограниченные возможности ввода-вывода. Серия К1816 выпускается в четырех модификациях, отличающихся быстродействием, объемом программной и оперативной памяти, а также способом программирования ПЗУ (см. табл. 5). Однокристальные микроЭВМ серии К1816 размещены в 40-выводном корпусе и имеют два вывода питания +5 В, один из которых Ucc подводит питание к микроЭВМ, а другой UDD - к внутреннему ОЗУ, что позволяет сохранять в нем данные во время сбояпитания.

4.4 Архитектура микроЭВМ

Как было указано ранее, особенностью архитектуры микроконтроллера является логическое и физическое разделение памяти на программную и данных. Программная память представлена только ПЗУ, так как в К1816 отсутствуют программные средства оперативной записи команд и программ. Память может расширяться путем подключения внешних БИС: программная -- на 2 Кбайта, данных -- на 256 байт. Возможно также расширение средств ввода-вывода за счет использования интерфейсных БИС серии К580.

Таблица 5

Структурная схема однокристальной ЭВМ приведена на рис. 23. Она во многом напоминает нам схему микропроцессора серии К580. Основными отличиями К1816 от МП580 являются:

1. Увеличен объем внутренней сверхоперативной памяти данных.

2. Введена память команд.

3. Введен аппаратный таймер.

4. Используется мультиплексирование данных и адреса в порту ввода/вывода.

5. Увеличено число сигналов логического воздействия на микроЭВМ.

Элементы структурной схемы могут быть объединены в четыре блока (обведены пунктирной линией):

· центральное процессорное устройство;

· блок программного управления;

· устройство ввода-вывода;

· блок оперативных регистров.

Центральное процессорное устройство включает в себя устройство синхронизации и управления, АЛУ и схему условных переходов, которая организует условные переходы по битам регистра флажков АЛУ и внешним сигналам управления ТО и Т1. АЛУ строится аналогично МП580 -- оно выполняет операции накапливающего типа в двоичной и десятичной арифметике. Устройство синхронизации и управления связано с периферийными устройствами 13-разрядной шиной С {12: 0}, отдельные провода которой несут на себе следующие сигналы (в скобках указаны аналоги сигналов МП580):

BQ1, BQ2 - подключение кварца или LC -- цепи синхронизации встроенного тактового генератора или входа внешнего тактового генератора;

WR (WR) -- запись во внешнюю память данных, запись из порта BUS во внешнее устройство;

RD (DBIN) -- чтение из внешней памяти или из внешних устройств, подключенных к порту BUS

ALE (C) (address latch enable) -- стробирование внешней памяти;

SR (RESET) (set-reset) - инициализация микроЭВМ;

INT (INT) -- сигнал запроса на прерывание;

SS -- организация пошагового выполнения программы (используется совместно с ALE);

PME (periphery memory enable) - стробирование внешней памяти при чтении.

Рис.23.

EMA (external memory access} -- доступ к внешней памяти. Используется также при программировании и проверке ППЗУ; PR (periphery register) -- расширение каналов ввода/вывода. Используется также при программировании ППЗУ; ТО -- ввод условия для JTO/JNTO или выход тактовых сигналов после выполнения команды ENTO CLK; TI -- ввод условия для JT1/JNT1 или ввод счетчика внешних событий после выполнения команды STRT CNT.

Блок программного управления преобразует коды команд программы в сигналы управления. Он включает в себя счетчик команд (PC), дешифратор адреса команды, ППЗУ, регистр команды (IR) и дешифратор команды (IDC). В отличие от МП580, этот блок может работать как с внутренней, так и с внешней памятью. В последнем случае код адреса РС {11: 0} подается на внешнюю программную память, а байтный код команды записывается непосредственно в регистр команды.

Устройство ввода/вывода включает в себя три байтных порта BUS, PI и Р2. Порты Р\ и Р2 имеют идентичные характеристики. При выводе информации данные от ЭВМ записываются в регистры порта и остаются там неизменными до следующей записи.

При вводе информации входной код, поддерживаемый неизменным на время действия импульса RD, маскируется кодом регистра порта и передается в микроЭВМ. Если код вводится без изменений, предварительно, еще до ввода, в регистре порта должен быть записан единичный код маски. Записанный в режиме вывода код регистра порта может программно модифицироваться. Порт Р2 используется также для подключения расширителя ввода/вывода и выдачи четырех старших разрядов программного счетчика РС{11: 8 }.

Порт BUS реализует двунаправленный канал передачи данных. Он передает восемь младших разрядов кода адреса команд РС{1: 0} или кода адреса данных ADRD {7: 0} при работе с внешней программной памятью или памятью данных и байт данных D{1: 0} при работе с внешней памятью или схемами расширения (интерфейсные БИС серии К580). По завершению передачи данных порт переходит в третье состояние.

Блок оперативных регистров включает в себя ОЗУ, таймер-счетчик, регистр состояния программы, схему прерывания и регистр дополнительных флажков. Оперативное запоминающее устройство имеет объем либо в 64 байта (BE 35/48), либо 128 байт (BE 39/49). Назначение отдельных ячеек ОЗУ изображено на рис. 24

Ячейки с адресами 0 + 7 и 24 + 31 образуют два банка регистров общего назначения. Выбор банка осуществляется по состоянию триггера номера банка RBF, а регистра внутри банка -- по трехбитному коду адреса регистра в банке N{2:0} (режим прямой регистровой адресации).

К любой ячейке ОЗУ (в том числе и ячейкам банка регистров) можно обратиться по их полному адресу в режиме косвенной регистровой адресации по содержимому регистров R0 или R1 выбранного банка регистров.

В отличие от МП580, в котором стековая память располагается вне микропроцессора и имеет, практически, неограниченный объем (до 64 Кбайт), стек КР816 содержит всего 16 ячеек и обеспечивает запись восьми двухбайтных слов, необходимых для возврата на основную программу после завершения подпрограммы или обработки прерывания. Каждое слово содержит значение адреса возврата PC(11:0} и старшую тетраду слова состояния программы PSW. Напомним, что в МП580 PSW характеризовало состояние аккумулятора и регистра флажков (PSW = F.A). К1816 биты PSW имеют другой смысл: PSW{2:0} (SP{2:0} -- указатель стека (адреса отсчитываются от нижней границы стека для двух соседних ячеек (см. рис. 2.2)); PSW{3} = 1 -- разряд забит единицей; PSW{4} = RBF -- номер банка регистров; PSW{5} = FO - флаг пользователя. PSW{6} = AC(adjust carry) - дополнительный флаг переноса; PSW{7} = C - флаг переноса.

Слово состояния программы хранится в регистре состояния программы и изменяется либо в процессе выполнения команд программы, либо при возврате на основную программу (только старшая тетрада PSW). Флажки пользователя (Fl, RBF, CNTF, INTF) не поместившиеся в регистре PSW, фиксируются триггерами регистра дополнительных флажков. Восьмиразрядный таймер-счетчик считает поступающие из вне через Т1 сигналы и генерирует временные задержки без отвлечения АЛУ от выполнения основной программы. Переключение режимов таймера осуществляется программно. Содержимое счетчика считывается или загружается с помощью аккумулятора. При инкрементном переполнении счетчика (FF -> 00) устанавливается флаг переполнения TF и счет продолжается. Переполнение, если есть на то разрешение, вызывает прерывание программы, которое обслуживается подпрограммой прерывания по адресу 07H. В режиме генерации временных задержек счетчик запитывается от делителя основной тактовой частоты Fbq на 480. При Fbq = 6 МГц квант задержки составляет 80 мкс. Задержки более 80x256=20480 мкс формируются программными средствами. Одноуровневая схема прерываний обеспечивает приоритет прерывания (внешнее прерывание INT -- старший, флаг таймера TF -- младший) и программное маскирование прерываний. МикроЭВМ КР1816 работает аналогично МП580. Инициализация работы КР1816 происходит при подаче импульса SR длительностью порядка 50 мкс. При этом осуществляются следующие действия:

· программный счетчик сбрасывается в О (PC = 0);

· указатель стека сбрасывается в О (SP = 0);

· выбирается нулевой банк регистров (RBF = 0);

· выбирается нулевой банк программной памяти (MBF = 0);

· блокируется внешнее прерывание (INTF=0);

· порты Р1 и Р2 устанавливаются в режим приема;

· останавливается таймер/счетчик;

· сбрасываются флаги F0 и F1.

Выполнение программы начинается с команды нулевого адреса. Каждая команда занимает от одного до двух байт программной памяти и выполняется внутри цикла команды. Этот цикл делится на машинные циклы (цикл обращения к памяти/цикл генерации ALE), длительность которых составляет 15 периодов сигнала синхронизации Tbq. Это соотношение помогает подсчитывать время выполнения программы и формировать калиброванные временные задержки.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7