Гласман К.Ф., Покопцева М.Н. Цифровые устройства и микропроцессоры (часть 1)

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО КУЛЬТУРЕ И КИНЕМАТОГРАФИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Кафедра видеотехники

Гласман К.Ф., Покопцева М.Н.

Цифровые устройства и микропроцессоры

Учебное пособие

для студентов специальности 210312

«Аудиовизуальная техника»

Часть 1

Санкт-Петербург

2008

УДК 778

Рекомендовано к изданию методической комиссией

факультета аудиовизуальной техники СПбГУКиТ.

Протокол № 5 от 19 февраля 2008 г.

Учебное пособие «Цифровые устройства и микропроцессоры»

предназначен для студентов факультета аудиовизуальной техники

дневного, вечернего и заочного отделений, обучающихся по

специальности

210312 «Аудиовизуальная техника».

В части 1 учебного пособия содержится сведения по системам

счисления и кодам, базовым логическим схемам, комбинационным

устройствам и триггерам, применяемым в микропроцессорных системах и

в цифровой обработке сигналов звука и изображения.

телевидения, 2008 г.

ВВЕДЕНИЕ

Системы формирования, записи, передачи и воспроизведения

сигналов изображения и звука могут представлять собой весьма длинные

цепи устройств. Например, получаемый с помощью микрофона сигнал -

электрический аналог звука - проходит через различные усилительные

устройства. Он может записываться с помощью многоканального

магнитофона. Каждая дорожка первичной записи обрабатывается по-

разному. Сигнал подвергается частотной фильтрации, шумоподавлению,

сжатию динамического диапазона, реверберации и т.п. Число

преобразований сигнала изображения, которые нужно сделать в процессе

формирования, записи, монтажа и передачи телевизионной программы,

также очень велико. Каждое из звеньев систем выполняет свою полезную

функцию, но при этом вносит искажения и помехи. При аналоговых

методах обработки сигналов эти помехи накапливаются от звена к звену.

Пока количество звеньев не велико, суммарные искажения могут быть

незаметны. Но с развитием звукотехники и телевидения число

необходимых преобразований сигнала быстро возрастает, что затрудняет

разрешение проблемы помехоустойчивости. Накопление искажений в

аналоговых системах, в конечном счете, ставит предел расширению

функциональных возможностей аппаратуры.

Существенно уменьшить искажения, заменить слабые звенья и

расширить функциональные возможности звукотехнической и

видеотехнической аппаратуры позволяет внедрение цифровых методов

записи, обработки и передачи сигналов.

Для преобразования сигнала из аналоговой формы представления в

цифровую необходимо выполнить ряд операций, основными из которых

являются дискретизация, квантование и кодирование (рис.В.1).

Дискретизация - это представление непрерывного сигнала

последовательностью своих значений (отсчетов) в дискретные моменты

времени. Промежуток времени между соседними отсчетами времени

называется интервалом дискретизации T

, а величина ему обратная –

частотой дискретизации F

. Интуитивно ясно, что отсчеты должны

следовать достаточно часто. Рассчитать интервал дискретизации позволяет

теорема Котельникова. Эта теорема утверждает, что любой непрерывный

сигнал с ограниченным по частоте спектром может быть точно

восстановлен по своим отсчетам, если частота дискретизации, по крайней

мере, в два раза превышает граничную частоту спектра.

Рис. В.1. Аналого-цифровое преобразование:

а – аналоговый сигнал;

б – дискретизированный сигнал;

в – квантованный сигнал;

г – тактовые импульсы;

д – цифровой сигнал

Квантование представляет собой замену полученных отсчетов

ближайшими значениями из набора фиксированных величин, называемых

уровнями квантования. Уровни квантования делят весь диапазон

возможного изменения значений отсчетов на конечное число интервалов -

шагов квантования. Каждому уровню квантования соответствует

определенная область отсчетов. Границы этой области определяются

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 1

ВВЕДЕНИЕ

порогами квантования. Возникающие в процессе квантования искажения

сигнала называют шумом квантования.

Квантованный сигнал в отличие от исходного (аналогового) может

принимать только конечное число значений. Это позволяет представить

его в пределах каждого интервала дискретизации числом, равным,

например, порядковому номеру уровня квантования. Число это может быть

выражено комбинацией некоторых знаков или символов.

Совокупность знаков (символов) и система определенных правил, при

помощи которых информация может быть представлена в виде набора из

таких символов, называется кодом. Конечная последовательность кодовых

знаков называется словом.

Квантованный сигнал можно преобразовать в последовательность

кодовых слов, каждое из которых передается в пределах одного интервала

дискретизации. Эта операция называется кодированием.

Для кодирования сигналов звука и изображения наиболее широко

применяют двоичный код. Если квантованный сигнал может принимать N

значений, то число двоичных символов в каждой кодовой комбинации, т.е.

длина слова

n ≥ log

N. Обычно число уровней квантования кратно целой

степени числа 2. Для передачи слова интервал дискретизации можно

разделить на

n тактов. Начало каждого такта определяется тактовыми

импульсами. В пределах такта передается один символ слова. Один разряд

или символ слова, представляющий двоичный код, называют битом.

Каждый символ слова передается с помощью одного или нескольких

дискретных сигналов, например, импульсов. Форма представления

исходного кода определенными сигналами называется форматом кода.

Можно, например, устанавливать в пределах такта высокий уровень

сигнала, если в данном такте передается символ "1", и низкий (нулевой),

если передается символ "0". Такой способ представления называют

форматом БВН (без возвращения к нулю). Этот формат отражает режим

работы логических схем.

Временная диаграмма рис.В.1д показывает сигнал в цифровой форме,

или данные, представляющие информацию об исходном аналоговом

сигнале в двоичном коде БВН (в данном примере длина кодового слова

n = 2). Операции, связанные с преобразованием аналогового сигнала в

цифровую форму (дискретизация, квантование и кодирование),

выполняются одним устройством - аналого-цифровым преобразователем

(АЦП). Обратная операция, т.е. превращение цифрового сигнала в

аналоговый, производится в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП).

АЦП и ЦАП входят в состав любой системы цифровой обработки сигналов

звука и изображения. Обобщенная схема системы цифровой обработки

сигналов звука и изображения показана на рис.В.2. Входной и выходной

сигналы являются аналоговыми. Цифровой процессор осуществляет

обработку сигнала, представленного в цифровой форме. Алгоритм

обработки может быть описан в виде последовательности некоторых

вычислительных операций. Обработка в процессоре сводится к такому

преобразованию данных, при котором результирующий сигнал численно

равен итогу соответствующих вычислительных операций.

Рис. В.2. Обобщенная схема системы цифровой обработки

сигналов.

Важным показателем цифровых систем является скорость передачи

данных. Если длина слова равна , а частота дискретизации:

то скорость передачи данных, выраженная в числе двоичных

символов в секунду (бит/с), находится так:

C ⋅==

В системах цифровой передачи речевых сигналов (в телефонии)

используется частота дискретизации 8 кГц. Максимальная частота

передаваемого сигнала не превышает 4 кГц, что вполне достаточно для

обеспечения разборчивости речи. Длина кодового слова - , что

означает квантование на 256 уровней. Скорость передачи данных в таких

системах = 64 кбит/с.

8=n

Для обеспечения высокого качества звуковоспроизведения цифровой

сигнал, записанный на компакт-дисках лазерных проигрывателей,

квантуется на 50 000 уровней (длина слова

) с частотой

дискретизации около 40 кГц. Скорость передачи равна 640 кбит/с.

Сигнал изображения в цифровом телевидении дискретизируется с

частотой 13,5 МГц при 256 уровнях квантования (кодовое слово имеет

длину ). Скорость передачи данных весьма высока - 108 Мбит/с. Для

передачи информации в цвете она должна быть удвоена.

8=n

Цифровые системы достаточно сложны в реализации. Но

перспективность их внедрения в звукотехнику и видеотехнику

АЦП

Цифровой

процессор

ЦАП

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 1

ВВЕДЕНИЕ

предопределена рядом преимуществ цифровых методов представления и

обработки сигналов, из которых важнейшими являются следующие:

• возможность большого числа обработок цифрового сигнала,

включая процессы монтажа и тиражирования, с сохранением

высокого качества воспроизведения аналогового сигнала;

• повышения качества записи и передачи сигналов, благодаря

значительному уменьшению накопления искажений (в

сравнении с аналоговыми системами) и применением кодов с

обнаружением и исправлением ошибок;

• высокая технологичность производства и возможность

длительного бесподстроечного режима работы цифрового

оборудования за счет применения методов автоматической

диагностики неисправностей.

1. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ И КОДЫ

1.1. Системы счисления

Запись числа в десятичной системе счисления подразумевает

представление его в виде многочлена по степеням числа 10. Например,

число 1987 является многочленом:

1987 = 1⋅10

+ 9⋅10

+ 8⋅10

+ 7⋅10

Для записи числа в десятичной системе счисления требуются 10

символов (от 0 до 9). В системе счисления с основанием положительное

число

представляет собой многочлен

∑

−

−=

−

⋅=

⋅++⋅+⋅++⋅+⋅=

qaA

qaqaqaqaqaA KK

где – целое число, большее 1;

– целые числа в диапазоне

(

)

−

≤

Последовательность образует целую часть числа

,...,aa

n−

, а

последовательность – дробную часть

−−

,...,

. и обозначают

количество цифр в целой и дробной частях. Цифры и называют

старшими и младшими значащими разрядами.

n m

1−n

−

Для выполнения операций над числами с помощью логических схем

удобным является представление чисел в двоичной системе счисления, или

в двоичном коде. При этом = 2 и число представляет собой многочлен

по степеням числа 2:

22222

∑

−

−=

−

⋅=

⋅++⋅+⋅++⋅+⋅=

aaaaaA KK

где принимает только два значения – 0 и 1.

Отдельные цифры в записи, представляющей собой двоичный код

числа, называют битами. Кодовое слово длиной 8 бит называют байтом.

Преобразование чисел из двоичной формы в десятичную осуществляется

весьма просто. Двоичное число представляется в виде многочлена по

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 1

СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ И КОДЫ

степеням числа 2 и этот многочлен вычисляется с помощью десятичной

арифметики. Например, число 1101,1

в десятичной системе счисления:

1101,1

= 1⋅2

+ 1⋅2

+ 0⋅2

+ 1⋅2

-1

= 13,5

Переход от десятичной формы к двоичной выполняется различным

образом для целой и дробной частей числа. Целая часть десятичного числа

(или целое число) переводится в двоичную форму путем

последовательного деления на 2 и записи остатков. Остаток первого

деления образует младший двоичный разряд целой части . Деление

продолжается до тех пор, пока частное не обратится в 0. Остаток от

последнего деления равен старшему значащему разряду двоичного числа.

Старшая цифра дробной части двоичного числа может быть

найдена умножением дробной части десятичного числа на 2. Если это

произведение меньше 1, то =0, если же оно больше или равно 1, то =1,

т.е. равна целой части произведения. Следующая цифра определяется

путем умножения дробной части полученного ранее произведения на 2 и

выделения его целой части и т.д. Этот процесс может быть бесконечным,

так как не всегда конечная десятичная дробь может быть представлена

конечной двоичной. Тогда процесс последовательного умножения

прекращается при достижении необходимой точности.

1−

a a

2−

Для компактной записи двоичных чисел часто используются

восьмеричная и шестнадцатеричная форма представления. Преобразование

чисел, записанных в двоичной и восьмеричной или в шестнадцатеричной

системах счисления, могут выполняться достаточно просто. Это

обусловлено тем, что основания восьмеричных и шестнадцатеричных

систем представляют собой целые степени числа 2. Для того чтобы

записать двоичное число в восьмеричной системе, надо разбить его на

группы по 3 бита, начиная с двоичной запятой, и заменить каждую группу

соответствующей восьмеричной цифрой:

= 1100

= 001 100

= 14

Обратное преобразование основано на том, что каждая цифра

восьмеричного числа может быть представлена тремя двоичными

разрядами.

Для записи двоичного числа в шестнадцатеричном коде исходное

число разбивается на группы по 4 бита, начиная с двоичной запятой, и для

каждой группы находится шестнадцатеричный эквивалент (величины от 10

до 15 обозначаются буквами латинского алфавита от А до F):

=11110

= 0001 1110

= 1Е

Шестнадцатеричная запись двоичного числа предпочтительнее

восьмеричной, так как современные ЭВМ манипулируют словами длиной

8, 16 или 32 разряда, т.е. словами, длина которых кратна 4. В табл. 1.1

даны представления чисел от 0 до 15 в различных системах.

Таблица 1.1

Основание системы

10 2 8 16 2-10

0 0000 0 0 0000

1 0001 1 1 0001

2 0010 2 2 0010

3 0011 3 3 0011

4 0100 4 4 0100

5 0101 5 5 0101

6 0110 6 6 0110

7 0111 7 7 0111

8 1000 10 8 1000

9 1001 11 9 1001

10 1010 12 A 0001 0000

11 1011 13 B 0001 0001

12 1100 14 C 0001 0010

13 1101 15 D 0001 0011

14 1110 16 E 0001 0100

15 1111 17 F 0001 0101

16 0001 0000 20 10 0001 0110

17 0001 0001 21 11 0001 0111

18 0001 0010 22 12 0001 1000

19 0001 0011 23 13 0001 1001

20 0001 0100 24 14 0010 0000

1.2 Двоично-десятичные коды

Большая часть данных, которые вводятся в вычислительные машины,

обычно представлена в десятичной форме. Поэтому находят применение

коды, в которых каждая десятичная цифра представлена группой двоичных

разрядов.

Для раздельного представления 10 цифр в двоичной форме

необходимо иметь 4 двоичных разряда. Так как для 4 разрядов возможны

16 комбинаций, из которых используются только 10, то можно построить

большое число различных кодов. Наиболее широкое распространение

получил способ кодирования, при котором каждая десятичная цифра

представлена в двоичной системе счисления:

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 1