книги / Микропроцессоры в телевидении

в.с .с ус о в а .в.храм о в

В.И.ПЕТРЕНКО

М ИКРО­ ПРОЦЕССОРЫ В ТЕЛЕВИДЕНИИ

Москва «Радио и связь»

1991

ББК 32.94 С90

УДК 621.397.2.037.372:681.325.5.181.4

Рецензент И. Н. Гуглин

Редакция литературы по радиотехнике и электросвязи

Сусов В. С. и др.

С 90 Микропроцессоры в телевидении/В. С. Сусов, А. В. Хра­ мов, В. И. Петренко. — М.: Радио и связь, 1991. —; 184 с.: ил.

ISBN 6-256-00881-1.

Приводятся основные сведения о микропроцессорах. Рассматривают­ ся возможные области их применения в телевидении: обработка и по­

узлами, блоками, устройствами. Описываются методы и перспективы применения микропроцессоров в телевидении.

Для инженерно-технических работников, специализирующихся в об­ ласти телевизионных систем.

2303040502—013

Глава 1.

ЧТО ТАКОЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОПРОЦЕС­ СОРНАЯ СИСТЕМА

1.1. СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОПРОЦЕС­ СОРОВ И микроЭВМ

Структура микропроцессора. Главный элемент всякой ЭВМ — процессор, т. е. устройство, выполняющее основные вычислитель­ ные и логические операции. Развитие технологии БИС привело к изготовлению процессоров чрезвычайно малых размеров. На­ звание таких процессоров получило приставку микро. Таким об­ разом, микропроцессор — это устройство управления или обра­ ботки данных, состоящее из размещенных на одной или несколь­ ких БИС цифровых устройств вычислений, логических операций, действий на данными под управлением программы. Микропроцес­ сор должен содержать (рис. 1Л) арифметическо-логическое уст­ ройство (АЛУ), устройство управления, несколько регистров: со­ стояния, буферные БУ, команд, адреса памяти, счетчик команд, аккумулятор и некоторые другие. Как это явствует из названия, АЛУ выполняет над данными такие арифметические действия, как сложение и вычитание, логические — И, ИЛИ, «сравнение», «инверсия», «сдвиг вправо», «сдвиг влево», «приращение положи­ тельное», «приращение отрицательное».

С х е м ы у п р а в л е н и я являются мозгом МП и командуют работой всех других его элементов. Они служат для выдачи рас­ поряжения на извлечение очередной команды из регистра команд, записанной туда ранее. Затем команда дешифрируется. Выпол­ нение команды также контролируется схемой управления. На рис. 1.1 штриховыми линиями показаны линии управления. Они соединяют устройства управления со всеми узлами МП.

Работа МП синхронизируется тактовыми импульсами, посту­ пающими в устройство управления от внешнего или встроенного в МП кварцевого генератора (таймера). Тактовые сигналы в МП преобразуются в многофазные синхросигналы. Каждая фаза син­ хросигнала определяет отдельную тактовую группу действий. Ча­ стота тактового генератора задает темп работы микропроцессо­ ра, его быстродействие.

Р е г и с т р ы разделяют на универсальные и специальные. Они участвуют в выполнении логических операций и хранят опреде­ ленное время порцию информации. Для осуществления большин-

4

ства логических и арифметических операций используют АЛУ и регистр под названием аккумулятор. В частности, при выполне­ нии операции сложения одно из слагаемых размещается в акку­ муляторе, другое — в еще каком-нибудь регистре (например, па­ мяти). Результат сложения вытесняет из аккумулятора слагаемое и размещается в нем. Непосредственно в аккумуляторе выполня­ ются такие операции, как поразрядный сдвиг данных, их инвер­ тирование, а также ряд других. При передаче данных из одного устройства МП в другое аккумулятор используют как промежу­ точную станцию между двумя пунктами, т. е. передача данных осуществляется в два этапа. Число аккумуляторов в МП бывает разным.

При наличии нескольких аккумуляторов данные могут пере­ даваться между ними. Так результат действия из первого ак­ кумулятора может временно разместиться в другом и исполь­ зоваться по мере надобности в дальнейшем, первый же аккуму­ лятор при этом освобождается для участия в выполнении других операций. В ряде случаев наличие нескольких аккумуляторов по­ зволяет сократить время выполнения группы действий над дан­ ными.

Счетчик команд предназначен для соблюдения правильной последовательности выполнения действий, совершаемых МП. Он как бы всегда «знает», что делать дальше, какой шаг сделать следующим. В «ем в каждый данный .момент содержится инфор­ мация о том, какая операция-команда должна выполняться на следующем шаге. Эта информация представляет собой адрес ме­ ста в блоке памяти, где хранится команда. После извлечения оче­ редной команды из блока памяти МП автоматически к содер­ жимому регистра команд добавляется некоторая величина и, та­ ким образом, формируется адрес следующей очередной команды.. Поэтому в течение времени выполнения очередной команды и счетчике команд уже находится адрес следующей команды.

В процессе выполнения команды содержимое счетчика команд не изменяется. Но в ряде случаев требуется повторное обраще­ ние к памяти в ходе реализации команды. Причем указание о месте в блоке памяти, к которому следует обратиться, может формироваться достаточно произвольно. Для реализации таких действий служит регистр адреса памяти. При каждом обраще­ нии к памяти в регистре адреса памяти находится адрес той ча­ сти блока памяти, к которой направлено это обращение. В пе­ риод выполнения команды регистр адреса памяти содержит ту же информацию, что и счетчик команд перед выполнением этой команды, т. е. приращение к содержимому регистра адреса па­ мяти не добавляется. Регистр адреса памяти можно заполнять информацией из любого регистра МП или из блока памяти. Су­ ществуют команды, позволяющие изменять содержимое регист­ ра адреса памяти путем сложения или вычитания содержимого счетчика команд с числом, указанным в самой команде. Такая, команда называется адресацией с использованием смещения.

6Г

Для выполнения какой-либо команды после извлечения из блока памяти, где она постоянно хранится, ее необходимо куда-то разместить, чтобы можно было дешифрировать, т. е. понять, ка­ кие действия надо совершить для ее выполнения. Функции хра­ пения текущей команды как раз и выполняет регистр команд.

От выполнения одной команды к выполнению другой можно перейти не только естественным порядком, но и порядком, оп­ ределяемым некоторыми условиями. Эти условия определяют заранее и включают в программу решения задачи. Перед выпол­ нением очередного действия проверяется наличие условия нару­ шения естественного хода действия с помощью регистра состоя­ ния. Этот регистр хранит результаты проверок на наличие усло­ вий перехода к новому порядку выполнения команд. Если в про­ цессе проверки перед выполнением очередного шага обнаружит­ ся наличие определенной информации в регистре состояния, то переходят к новому порядку выполнения команд.

В МП имеется несколько буферных регистров, назначение которых явствует из их названия. Они временно хранят данные. Например, буферный регистр, находящийся между АЛУ и ак­ кумулятором, позволяет избежать ситуации, при которой вход и выход АЛУ одновременно подсоединены к одной и той же точке МП. В МП имеются и регистры общего назначения. Как правило, они служат для запоминания, временного хранения информации.

Для соединения между собой АЛУ и регистров передачи дан­ ных внутри МП служит внутренняя шина передачи данных. Все функциональные блоки МП всегда подключены к внутренней ши­ не данных. Получить с нее или передать на нее данные блок может, только получив сигнал от устройств управления.

Микропроцессоры характеризуются различными параметрами, основными из которых являются длина слова данных, число ад­ ресуемых слов памяти и скорость выполнения команд.

Д л и н а с л о в а , ч и с л о а д р е с у е м ы х к о м а н д . Рабо­ тает МП с данными в виде слов фиксированной длины (биты), что упрощает его построение. Длины употребляемых слов сос­ тавляют 4, 8, 12, 16 и 32 бита (разряда). За эталон принято слово длиной в 8 бит, которое называется байт. Числом байтов измеряют объем программы МП, объем его памяти. Каждому слову в памяти присваивают номер его местоположения, т. е. адрес. Адреса памяти начинаются с нуля и представляются в дво­ ичной форме. Чем больше максимальное значение адреса памя­ ти, тем больше вычислительная мощность МП. Диапазон адреса­ ции 4-битового слова равен 16 словам (табл. 1.1) [5]. Память со- ■стоит из 16 слов, которая адресуется 4-битовым словом. Каж­ дому двоичному адресу соответствует слово данных содержимо­

го памяти.

Диапазон адресации 8-битового слова — байта — равен 256 словам памяти, 16-битового слова — 65 536. Конечно, возможность адресации к данным, находящимся в памяти большинства про­ фессоров, не ограничена единственным словом, поэтому и диапа-

7

сируют, а зависит он от сложности аппаратных решений, быстро­ действия и обычно изменяется в пределах 30—70 разрядов; чис­ ло слов определяется объемом микропрограмм. Выходные сигна­ лы этого блока памяти непосредственно управляют аппаратными Средствами системы ,[10]. Возможность доступа к блоку памяти, в котором находятся микропрограммы, позволяет конструировать структуру МП с учетом специфики конкретного применения (на­ пример, для телевидения), а также оптимизировать ее. При не­ обходимости функциональные возможности системы можно из­ менять (в том числе в сторону расширения) заменой блока па­ мяти, содержащего микропрограммы, или изменением отдельных микрокоманд.

Операционное устройство секционированных МП изготавли­ вают 1на нескольких одиночных БИС. Создаются 8- и 16-раз- рядные процессорные модули [10]. Действия в определенном уст­ ройстве выполняются под управлением микропрограмм. Блок ми­ кропрограммного управления, формирующий адреса памяти мик­ ропрограмм, реализуется на одном или нескольких кристаллах. Соединяя несколько секций управления, молено увеличивать объ­ ем управляющего блока памяти, увеличивая объем и длину па­ мяти с микропрограммами, повышая возможность обрабатывать данные с большим числом разрядов — информационную мощность системы. Структура построения системы на базе секционирован­ ных МП такова, что молено добавлять к ней дополнительные арифметические процессоры, другие элементы.

Микропроцессорные секции *совместно с другими БИС (опе­ ративным запоминающим устройством (ОЗУ), постоянным запо­ минающим устройством (ПЗУ), интерфейсом, тактовым генера­ тором, БИС прерывания) образуют микропроцессорный комплект (МПК), компонуя .который .можно -создавать микроЭВМ или МПС с заданными вычислительными возмоленостямн. Парамет­

О

В табл. 1.3 показаны МПК, имеющие общие признаки: ми­ кропрограммное управление, модульный принцип построения, воз­ можность увеличения разрядности обрабатываемых данных, сов­ местимость по уровням сигналов со всеми серийными ТТЛ ИС,. большим диапазоном температуры внешней среды, при которой: они сохраняют работоспособность.

Секционированные МП из-за высокого быстродействия, гиб­ кой архитектуры, отсутствия фиксированного набора команд при­ меняют там, где требуется очень большая производительность, обработки информации: в процессорах обработки сигналов и изо­ бражений в реальном масштабе времени, устройствах спектраль­ ного анализа и т. п. {10].

Основными элементами системы (рис. 1.2) являются узлы уп­ равления, операционный, сопряжения с устройством ввода-выво­ да, блок синхронизации.

Узел управления (УУ) координирует работу всех остальных: узлов, обеспечивая выборку и дешифрирование микрокоманд, раз­ мещенных в блоке оперативной памяти, и вырабатывая сигналы.

Рис. 1.2. Структурная схема вычислительной системы на базе секционированяых МП

10