Сушкин И.Н. Вычислительная техника и информационные технологии
Подождите немного. Документ загружается.
7
мультиплексированную с ША. Микропроцессор К1810ВМ88 (I8088) имеет
20-разрядную ШД и 8-разрядную ШД, мультиплексированную с ША.
Отмеченные звёздочкой модули в различных сочетаниях (один или
более) входят в состав базовой МПС. Остальные модули в разных вариантах,
зависящих от конкретного задания, подключаются к базовой МПС. В общем
случае взаимодействие МПС с конкретными внешними устройствами
выполняется на уровне функционального определения этих устройств.
Рассмотрим краткую характеристику используемых ВУ.
Модуль
МП
Модуль
ОЗУ
Модуль
ПЗУ
Таймер
Контрол.
прерыван
Контрол.
ПДП
Послед.
Проигр.
ИФ
Паралл.
Проигр.
ИФ
ИФ
клавиат.
ИФ
индикац.
ИФ АЦП
Клавиат. Индикац. АЦП
ИФ ЦАП
ИФ
комп.
ИФ
програм.
усилит.
ЦАП Комп.
Программ
делитель
ИФ
электр.
реле
ИФ
измерит.
счетчика
Электр.
реле
Измер.
счетчик
∗
пуск
Конец
преобр.
Выход
Вход
Ио
Ивх.
Выход
Выход
Вход
магистраль
Такт. послед.
З.ПДП П.ПДП
Вкл.
Выкл.
Конец
счета
Рис.1. Структурная схема МПС
2.2. Функциональное описание используемых
внешних устройств
2.2.1. Аналого – цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП)
преобразователи
АЦП и ЦАП в микропроцессорных системах выполняют функции
сопряжения аналоговых и цифровых систем. АЦП содержит аналоговый
вход, цифровой параллельный выход, вход запуска и выход конца
преобразования. АЦП характеризуется разрядностью, временем
преобразования и погрешностями преобразования. Параметры управляющих
сигналов (пуска, конца преобразования) для АЦП при проектировании
выбирают произвольно.
В настоящее время промышленностью выпускается большая
номенклатура микросхем ЦАП серий К594ПА1, К1108ПА, К1118ПА,
8
К572ПА и АЦП серий К1107ПВ1, К572ПВ, К1113ПВ и др. Для построения
современных вычислительных систем обработки информации широко
применяются быстродействующие ЦАП (К1118ПА2, К1118ПА3) и АЦП
(К1107ПВ3, К1107ПВ4 и т. д.).
Уровень и направления развития микроэлектронных ЦАП и АЦП в
значительной степени определялись и продолжают определяться
требованиями к техническим и эксплуатационным характеристикам
радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в которой они применяются. Широкое
распространение микросхемы ЦАП и АЦП получили в приеме, обработке и
передаче большого объема информации в реальном масштабе времени при
решении задач радиолокации, телевидения, навигации и др.
АЦП используются также в устройствах для измерения и снятия
характеристик аналоговых цепей, с последующей обработкой данных на
ЭВМ. На рис. 2 показана структурная схема для автоматического
измерения АЧХ аналоговых систем с последующей обработкой данных на
вычислителе и возможностью перестройки входного сигнала по амплитуде и
частоте.
Вычислитель Интерфейс АЦП
Аналогово
е
устройство
Перестраиваемый
генератор
Рис. 2. Структурная схема для измерения АЧХ
Низкий уровень шумов, обеспечиваемый интегрирующими АЦП в
процессе преобразования аналоговых сигналов, делает их незаменимыми для
применения в щитовых приборах, мультиметрах, цифровых термометрах и т.
п.
С увеличением разрядности и быстродействия АЦП и ЦАП области их
применения значительно расширились. На рис. 3 представлена структурная
схема блока цифровой обработки сигналов. Структурная схема ЦОС
реализуется аналого–цифровым преобразователем (АЦП), цифровым
вычислительным устройством (ЦВУ), цифроаналоговым преобразователем
(ЦАП) и сглаживающим фильтром (СФ).
9
Дискретизаци
я по времени
Квантование
по уровню
Кодирование
СФ ЦАП ЦВУ
АЦП
X(t)
Y(t)
Рис.3. Структурная схема блока цифровой обработки сигналов
2.2.2. Принципы организации связи АЦП с микропроцессором
Для обеспечения логической совместимости АЦП и МП должны
работать в одинаковых или близких кодах и иметь одинаковые логические
уровни 0 и 1. Электрическая совместимость предусматривает одинаковые с
МП значения уровней сигналов как по цепям управления АЦП, так и
выходных на шине данных.
Часто в микропроцессорных системах, в которых применяются
внешние схемы малой и средней степени интеграции, к которым относится
АЦП, используют изолированный ввод-вывод. В этом случае используется
раздельное декодирование при обращении к внешним устройствам с
помощью отдельной схемы дешифрации.
От дешифратора к каждому порту ВУ идут изолированные линии, по
которым передаются соответствующие сигналы управления, при этом МП
использует специальные команды ввода-вывода. Такой способ
взаимодействия характерен для МП семейства Intel.
Дешифратор порта формирует управляющие сигналы для чтения или
записи в порт ввода-вывода. Чтение данных из АЦП производится через порт
ввода, порт вывода предназначен для формирования управляющих сигналов
для АЦП.
10
Рис.4. Раздельное декодирование адреса
В качестве примера организации изолированного ввода-вывода
рассмотрим взаимодействие МП и схемы АЦП. Микропроцессор имеет две
команды ввода-вывода: команда IN передаёт данные из адресуемого порта в
аккумулятор МП; команда OUT передаёт данные из аккумулятора в
адресуемый порт вывода.
На рис. 5 показана функциональная схема сопряжения АЦП с
микропроцессором через порты ввода младшего и старшего байтов (LPORT и
HPORT), причём HPORT водит сигнал готовности АЦП.
Рис.5. Функциональная схема сопряжения АЦП с микропроцессором
На рис. 6 приведена схема сопряжения АЦП и ЦАП с
микропроцессором в режиме прямого доступа к памяти (ПДП).
11
Рис. 6. Схема сопряжения АЦП и ЦАП с микропроцессором в режиме ПДП
Сигнал запуска АЦП формируется таймером, одновременно
устанавливается триггер, формирующий сигнал запроса ПДП на контроллер.
По окончании режима ПДП контроллер формирует сигнал «Конец передачи»
и снимает сигнал «Запрос ПДП». Контроллер находится в режиме
«ожидания» в момент преобразования аналогового сигнала в цифровой АЦП.
Объём передаваемой информации задаётся при программировании
контроллера ПДП. В данном режиме обеспечивается максимальная скорость
записи данных в ОЗУ. К недостаткам использования можно отнести
«отключение» микропроцессора на весь цикл записи данных. Аналогично
происходит вывод данных из ОЗУ в ЦАП.
2.2.3. Принципы организации связи ЦАП с микропроцессором
При организации сопряжения МП с ЦАП, как и при сопряжении с
АЦП, возникают схожие задачи. Проблема сопряжения АЦП и ЦАП с
микропроцессором существенно облегчается, если использовать
интерфейсные схемы, имеющиеся в большинстве микропроцессорных
комплектов, такие, например, как программируемый параллельный
интерфейс КР580ВВ55 или программируемый синхронно-асинхронный
приёмопередатчик для последовательной связи КР580ВВ51. Эти устройства
специально проектируются так, чтобы обеспечить возможность различных
вариантов сопряжения; с этой целью в них предусмотрено наличие двух
линий запроса на прерывание. На рис.7 приведён пример использования
12
программируемого параллельного интерфейса КР580ВВ55 для подключения
к МП схем АЦП типа К1113ПВ1 и ЦАП типа К572ПА2.
Рис.7. Использование программируемого параллельного интерфейса для
подключения к МП АЦП и ЦАП
Сигнал «Пуск преобразования» (ГиП), поступая на АЦП, запускает
внутреннюю схему управления преобразованием. Этот сигнал может
вырабатываться как аппаратно – от внешнего программируемого таймера,
так и с помощью программной установки от МП и сброса одного из разрядов
вспомогательного регистра ППИ, используемого в качестве одноразрядного
порта вывода. Для этого пригоден регистр С, так как каждый из его
регистров может быть установлен в состояние 1 или 0 одной командой. По
сигналу готовности ГД данные с АЦП переписываются во внутренний
регистр ППИ, затем устанавливается флаг готовности и может
генерироваться сигнал прерывания. ППИ работает в первом режиме, при
этом ввод данных осуществляется в режиме «прерывание». Обмен МП и
ППИ идёт по командам IN и OUT. Обмен МП с ЦАП протекает аналогично.
С помощью программируемого параллельного интерфейса возможна
организация различных режимов обмена.
2.2.4. Компаратор
К о м п а р а т о р обеспечивает сравнение аналогового входного
сигнала с некоторым пороговым значением, в т. ч. и с нулевым, и формирует
13
на выходах логические уровни нуля и единицы, если сигнал соответственно
меньше или больше заданного порога. Компараторы используются в
измерительных системах для анализа случайных сигналов, в системах
контроля и управления.
Пороговое напряжение для компаратора задаётся программно с выхода ЦАП.
На основе сочетания ЦАП и компаратора можно построить программный
(микропроцессорный) АЦП последовательных приближений.
2.2.5. Измерительные счётчики
И з м е р и т е л ь н ы е с ч ё т ч и к и, широко применяемые в МПС в
качестве ВУ, имеют счётный вход, цифровой параллельный выход, которым
подключаются к системе через буферный регистр с тремя выходными
состояниями. Кроме того, возможны вход разрешения счёта и выход
окончания счёта, который может опрашиваться программно; сигнал с этого
выхода может являться также сигналом запроса прерывания.
2.2.6. Программируемый таймер
Многофункциональной схемой в МПС является п р о г р а м м и р у е
м ы й т а й м е р. Он может выполнять функции синхронизирующего
устройства, формирующего временные метки, устройства регулируемой
задержки, счётчика, делителя частоты с переменным коэффициентом
деления. В качестве таймера рекомендуется использовать микросхему
К1810ВИ54 [Л1, Л6, Л7].
2.2.7. Интерфейсы ввода-вывода
При функционировании МПС возникает необходимость приёма
данных от различных устройств ввода. Принятые данные подвергаются
обработке. Полученные в результате обработки данные выводятся из МПС и
передаются в различные устройства вывода. Для обеспечения такого обмена
данными требуются определённые средства – система команд и
соответствующие устройства сопряжения. Эти средства объединяются под
наименованием интерфейс ввода-вывода. Обмен данными может быть
программно управляемым или может осуществляться способом так
называемого прямого доступа к памяти (ПДП).
Программно управляемая передача данных может быть осуществлена в
последовательном или параллельном виде. В качестве примера интерфейсной
микросхемы, осуществляющей последовательную связь, рассматривается
микросхема I8251А (КР580ВВ51А) [Л1, Л6, Л7, Л18, Л19, Л20; методические
разработки кафедры – Л1]. Как пример устройства параллельного интерфейса
рекомендуется микросхема I8255 (КР580ВВ55) [Л1, Л6, Л7, Л18, Л19, Л20 ].
Большая скорость обмена данными между микросхемами памяти и
внешними устройствами (ВУ) может быть обеспечена в режиме прямого
14
доступа к памяти (ПДП). В этом режиме микропроцессор отключается от
шин адреса и данных (переходя в режим захвата) и не принимает участия в
процессе обмена. Обмен между памятью и внешним устройством
осуществляется непосредственно. Управление процессом передачи берёт на
себя контроллер ПДП I8237 (К1810ВТ37) [Л1, Л6, Л7, Л18, Л19, Л20] .
В рассмотренных случаях обмен данными инициировался
микропроцессором. Часто обмен данными должен осуществляться в
произвольных точках программы в моменты, определяемые периферийным
устройством. При выполнении такого вида обмена данными по запросу,
поступающему из внешнего устройства, осуществляется прерывание
выполняемой программы и переход к выполнению специальной программы
обмена. При поступлении нескольких запросов прерываний одновременно
должен быть установлен приоритет, а после этого осуществлён переход на
обслуживание соответствующей подпрограммы. Для реализации описанных
задач предназначен контроллер I8259А (К1810ВН59А) [Л1, Л6, Л7, Л18, Л19,
Л20].
Рассмотренные выше ВУ обычно относят к устройствам связи с
объектом.
2.2.8. Контроллер клавиатуры и индикации
Для связи МПС с пользователем предназначены к л а в и а т у р а и ц и
ф р о в о й и н д и к а т о р, образующие пульт оператора (человеко –
машинный
интерфейс). Клавиатура представляет собой набор переключателей,
организуемых в матрицу, число строк и столбцов которой определяется
общим числом клавиш. Например, для ввода цифровых данных в 16-ричной
системе достаточна матрица переключателей с организацией 4х4. Для
индикации данных
в МПС чаще всего используют матричные или сегментные светодиоды и
жидкокристаллические индикаторы. Применяют также газоразрядные
индикаторы и газоразрядные индикаторные панели. Принципы построения
клавиатуры и индикации МПС рассмотрены в [Л7, Л18, Л19]. Интерфейс
клавиатуры и индикатора обычно реализуют на основе программируемого
контроллера клавиатуры и дисплея КР580ВВ79, описание этого контроллера
можно найти в выше предлагаемом списке методических разработок
кафедры [ Л.1].
2.3. Порядок выполнения курсовой работы
Примерный порядок выполнения работы следующий:
1. Описание функционального назначения МПС в соответствии с
техническим заданием на курсовую работу. Анализ возможных путей
решения поставленной задачи.
15
2. Составление общей структурной схемы проектируемой МПС с учётом
её функционального назначения и конкретных типов ВУ.
(Конкретизация обобщённой структурной схемы рис.1).
3. Выбор способа ввода – вывода данных для различных ВУ (синхронно–
асинхронный, программно – управляемый, по прерыванию или в
режиме ПДП). Если способ ввода–вывода задан, следует сопоставить
его с другими возможными, отметив преимущества и недостатки
реализуемого.
4. Разработка схем сопряжения ВУ с МПС и управления вводом –
выводом. Выбор элементной базы для интерфейсных и контроллерных
схем. Оценка общего числа программно опрашиваемых или
управляемых (программно–доступных) устройств (портов) ввода –
вывода.
5. Выбор раздельной или совмещённой адресации памяти и устройств
ввода – вывода. Распределение адресного пространства МПС.
6. Разработка схем дешифрации адреса (формирование линий выбора
памяти и УВВ).
7. Составление полной структурной или функциональной схемы МПС.
8. Разработка принципиальной схемы МПС.
9. Составление общей граф–схемы алгоритма (ГСА) работы МПС.
10. Составление ГСА ввода–вывода данных.
11. Программирование ввода–вывода в символических кодах
микропроцессора.
12. Составление ГСА обработки данных.
13. Составление программы обработки данных в символических кодах
микропроцессора.
14. Оценка затрат машинного времени на реализацию ввода–вывода и
обработку данных и ожидаемых технических характеристик
проектируемой МПС.
15. Рекомендации по повышению быстродействия и улучшению других
характеристик МПС.
16. Описание методики и возможных средств для отладки аппаратуры и
программного обеспечения проектируемой МПС.
Указания по выполнению курсовой работы
При выборе элементной базы и разработке принципиальных схем
следует исходить из условий согласования элементов по быстродействию и
нагрузочной способности.
Разрабатываемую программу разделяют на отдельные программные
модули, объединяемые управляющей или фоновой программой. С
составления этой программы и начинают программирование, переходя далее
к программным модулям, которые, в свою очередь, также могут быть
разбиты на более мелкие модули или подпрограммы.
В случае сложных алгоритмов обработки можно ограничиться
обращением к соответствующим программным модулям, не составляя их
полных программ.
16
Требования к оформлению курсовой работы
Курсовую работу представляют в виде пояснительной записки и
чертежей.
Пояснительная записка объёмом не более 20 страниц включает оглавление,
исходные данные, основные этапы разработки, список литературы и
перечень элементов по ЕСКД.
Графический материал (два листа формата А1) состоит из структурной
или функциональной схем, граф–схем алгоритмов управления и обработки
(первый лист) и принципиальной схемы (второй лист). Чертежи оформляют в
соответствии с требованиями ЕСКД.