Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

..pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
15.05 Mб
Скачать

С помощью тактирующих сигналов с\ и сг формируется селекти­ рующий сигнал С1к, определяющий временные соотношения напряжений в узлах устройства. В соответствии с установленными на шинах адреса и данных напряжениями (иа, ид) код операции считывается в течение цикла Mi, адрес порта определяется в цикле Мг, считывание данных из порта и пересылка в ЦПЭ происходят в цикле М3.

Для создания требуемой последовательности управляющих импуль­ сов возможно применение двух способов:

1) реализация необходимой функции на основе схемы определенным образом соединенных между собой логических и запоминающих эле­ ментов; 2) использование универсального устройства с микропрограммным

управлением его работой.

Впервом варианте каждой команде соответствует своя схема, т.е. реализуется аппаратное управление по принципу «жесткой логики», кото­ рая характеризуется неизменным составом команд и отличается высоким быстродействием. Другой вариант организации управления основан на ис­ пользовании единой аппаратной базы для всей совокупности команд, реа­ лизованной в виде блока микропрограммного управления. При программ­ ном способе управления коды всех микрокоманд хранятся в ПЗУ МК.

Всоответствии с кодом поступившей команды, занесенной в регистр команд, схема формирования адреса выдает адрес первой из последова­ тельности микрокоманд, обеспечивающей реализацию поступившей ко­ манды (рис. 1 1 .10).

Рис. 11.10. Структура блока микропрограммного управления

Выбранная из ПЗУ микрокоманда записывается в регистр микро­ команд и затем поступает на соответствующие операционные узлы и бло­ ки. Одновременно ЗУ управления адресом под действием внешнего такти­ рующего сигнала с учетом результатов выполнения предшествующей мик­ рокоманды вырабатывает комбинацию управляющих сигналов для схемы формирования адреса следующей микрокоманды. Блок управления обычно строят на элементной базе программируемой логики. Если ПЗУ МК дос­ тупно программисту, то можно изменять набор команд МПС, что является

несомненным достоинством структуры «гибкого» управления выполнени­ ем команд.

Микрокомандная организация выполнения команд дает возможность пользователю ограничиться детализацией процесса управления на команд­ ном уровне, не вникая в сущность их микропрограммной реализации. Про­ граммная модель обычно содержит упрощенную структуру, включающую только программно доступные узлы (адресное пространство, распределе­ ние памяти, порты) и линии связи между ними.

Аппаратная реализация алгоритмов функционирования микропро цессорной системы осуществляется с помощью программы, т.е. упорядо­ ченной последовательности занесенных в ПЗУ команд (машинных кодов) При использовании машинного языка все элементы программы (коды опе­ раций, адреса ячеек, операнды) представляют в форме многоразрядных двоичных чисел. Запись команд становится несколько компактнее при за­ писи их в шестнадцатеричном коде. Программирование на машинном язы­ ке - весьма трудоемкая и сложная процедура, но она позволяет оптималь­ ным образом задействовать все ресурсы системы.

Для упрощения написания, повышения наглядности и отладки про­ грамм используют программирование на языке а с с е м б л е р а , в кото­ ром двоичные коды операций, адресов и данные представляют с помощью символических буквенных обозначений (мнемокода). Преобразование мнемокода в соответствующий двоичный эквивалент осуществляется спе­ циальной программой - транслятором ассемблера. Области применимости программ, составленных на машинно-ориентированных языках (например, ассемблере), ограничены определенными классами микропроцессоров.

Для упрощения программирования и унификации созданных про­ грамм разработаны алгоритмические языки высокого уровня, не зависящие от типа используемого микропроцессора. С помощью языков высокого уровня можно создать достаточно компактную программу и автоматически транслировать ее в последовательность машинных команд конкретной системы с помощью специальных программ (компиляторов и интерпрета­ торов). Однако объектные программы, полученные в результате транс i я ции с языка высокого уровня, требуют большого объема памяти.

11.4. Сигнальные процессоры и мультипроцессорные системы

Программное управление выполняемыми функциями сделало мик­ ропроцессор широко распространенным универсальным элементом элек­ тронно-вычислительных систем разного назначения. При этом в зависимо­ сти от сферы применения МП предъявляются специфические требования к их структуре и характеристикам. Для многих задач измерения, управления и обработки информации в реальном масштабе времени требуется высокая производительность при выполнении математических операций. Особенно

актуальными эти требования являются для таких областей, как числовое программное управление станками, обработка изображений и сжатие дан­ ных при их хранении и передаче по каналам связи, цифровая звукозапись и распознавание речи, радио- и гидролокация и т.д.

Увеличения производительности и вычислительной мощности мик­ ропроцессорной системы можно достигнуть различными способами, к ко­ торым относят: использование более быстродействующей элементной ба­ зы на основе совершенствования технологии, создание специализирован­ ных МП, ориентированных на эффективное выполнение операций обра­ ботки данных.

Важнейшей характеристикой вычислителя, отражающей его способ­ ность к быстрой обработке данных, считают скорость выполнения им ма­ тематических операций умножения, деления, вычисления функций (триго­ нометрических, логарифмических, экспоненциальных и т. п.), которые в классической архитектуре реализованы с помощью достаточно сложных подпрограмм, не обеспечивающих необходимого быстродействия. Для ре­ шения проблемы разработчики пошли по пути создания специализирован­ ных МП, называемых а р и ф м е т и ч е с к и м и с о п р о ц е с с о р а м и и ориентированных на выполнение математических операций. Вначале они выпускались в виде отдельных микросхем, а с развитием технологии были размещены на одном кристалле с основным процессором.

Как правило, цифровая обработка сигналов требует больших объе­ мов информации с огромными объемами данных, причем в реальном мас­ штабе времени скорость вычислений центрального процессора должна быть согласована с темпами поступления данных с блоков ввода-вывода. Сложность таких задач в совокупности с критерием максимальной загру­ женности аппаратных ресурсов привела к целесообразности разработки специализированных устройств для их решения.

С повышением степени интеграции ИМС увеличилось число разме­ щаемых на чипе модулей, что дало возможность оптимизировать структуру микропроцессорной системы для математической обработки числовых дан­ ных. Это привело к созданию устройств, называемых с и г н а л ь н ы м и

м и к р о п р о ц е с с о р а м и

(СМП), или ц и ф р о в ы м и с и г н а л ь ­

н ым и п р о ц е с с о р а м и

(Digital Signal Processor - DSP).

Уже первые СМП показали их значительные преимущества для реа­ лизации алгоритмов обработки сигналов по сравнению с универсальными микропроцессорами, и процесс улучшения характеристик СМП проходил очень быстрыми темпами. В настоящее время выпускается несколько со­ тен различных СМП, находящих широкое применение в различных облас­ тях техники, где производительность даже современных микропроцессо­ ров явно недостаточна. Специализированные микропроцессоры позволили при обработке сигналов разгрузить системную магистраль ЦПЭ, перенести

9ПЧ

часть операций обработки в периферийное оборудование и увеличить ско рость работы с устройствами ввода-вывода.

Большую часть объема производства СМП составляют дешевые и достаточно производительные 16- и 24-разрядные микропроцессоры с фиксированной точкой. Расширенные коммуникационные возможности наличие достаточных объемов памяти внутри чипа для данных и програм мы, возможность защиты программы от несанкционированного доступа, поддержка режима энергосбережения делают эти микропроцессоры при­ влекательными для использования в качестве не только специализирован ных вычислителей, но и контроллеров в различных электронных приборах Разработаны и применяются также более дорогие микропроцессоры, аппа ратно поддерживающие операции над данными в формате с плавающей точкой.

Типичные алгоритмы обработки данных требуют выполнения мно­ жества операций сложения и умножения, включающих многократное по­ вторение следующих действий: выборку двух операндов, их перемножение и сложение, запоминание результата. Сигнальные микропроцессоры под держивают множественный доступ к памяти за один и тот же командный цикл за счет использования раздельных ЗУ команд и данных. Это позво лило производить выборку двух операндов, чтение кода команды и сохра­ нить результат за один командный цикл.

Характерным для МПС является также наличие аппаратного умно­ жителя, выполняющего умножение чисел за один командный такт. Значи­ тельные успехи в решении проблем обработки большого числа сигналов были получены за счет высокой степени специализации архитектуры СМП. При этом уменьшение общего количества выполняемых микропро­ цессором функций дает существенный выигрыш по ряду параметров (на­ пример, скорости обмена данными с многими внешними устройствами). В них широко применяются методы сокращения длительности командного цикла, размещение операндов большинства команд в регистрах, использо­ вание теневых регистров для сохранения состояния вычислений и др.

Типичная схема обработки аналоговых сигналов содержит СМП с аналого-цифровым (АЦП) и цифроаналоговым (ЦАП) преобразователями (рис.1 1 .1 1 ).

s ( t )

s(kT)

С >

АЦП

с(Т)

v(kT)-

_А_

 

z ( k T )

,------------------

С М П

------ —

1"М

П А П

 

------------

^

и л и

_____± ______________________ *

Рис. 11.11. Структура системы обработки аналоговых сигналов

В соответствии с заданным алгоритмом СМП осуществляет преобра­ зование последовательности взятых через интервал Т отсчетов аналогово! о

сигнала $(/) и цифровых данных v(kT) в последовательность выходных данных z(kT), из которой формируется аналоговый выходной сигнал.

Основные вычислительные процедуры при решении большинства за­ дач обработки сигналов в реальном масштабе времени могут быть сведены к набору простых операций с матрицами, описывающими цифровые дан­ ные. В вычислительной математике разработаны эффективные алгоритмы параллельной обработки путем одновременного выполнения множества простых действий. Каждая элементарная операция может быть реализова­ на на индивидуальном вычислителе (процессоре). Система, в которой с це­ лью увеличения ее производительности решаемая задача распределяется между процессорами, называется м у л ь т и п р о ц е с с о р н о й .

Цифровые сигнальные процессоры являются элементной базой для построения многопроцессорных вычислительных систем (МПВС). Архи­ тектура конкретных мультипроцессорных систем с параллельной одновре­ менной обработкой данных зависит от решаемых ими задач. Структуры МПВС отличаются от традиционной магистральной архитектуры построе­ ния однопроцессорной вычислительной системы (Single Instruction Single Data - SISD), что можно интерпретировать как однократный поток команд и данных (рис. 1 1 .12,а).

Рис.11.12. Одно- (я) и многопроцессорная (б) системы

В матричных МПВС множество микропроцессоров одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными пото­ ками обрабатываемых данных, т.е. работают с многократным потоком ко­ манд и многократным потоком данных (рис. 11.12,6). Такие системы имеют обозначение MIMD - Multiple Instruction Multiple Data.

Используются также промежуточные структуры:

1) магистральные (конвейерные), в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обраба­ тываемых данных, т.е. МПВС с многократным потоком команд и од­

нократным потоком данных, обозначаемые MISD - Multiple Instruction Single Data;

2) векторные, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными, т.е. МПВС с однократным пото­ ком команд и многократным потоком данных, обозначаемые S1MD Single Instruction Multiple Data.

Изменение архитектуры непосредственно связано с совершенствова­ нием методов и алгоритмов преобразования данных. Примерами осущест­ вления параллельной архитектуры служит применение итеративных и ре­ курсивных алгоритмов, реализуемых на систолических или сотовых мат­ рицах с высокими тактовыми частотами. При такой организации приборы взаимодействуют только со своими ближайшими соседями, что сущест­ венно уменьшает задержки сигналов.

Свойства и параметры системы обработки информации зависят от характеристик элементной базы, а также от принципов объединения и ин­ терфейса, т. е. аппаратных и программных средств, обеспечивающих пере­ дачу данных.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие электронные устройства следует отнести к микропроцессорам?

2.Чем различаются универсальные и специальные микропроцессоры?

3.Каковы признаки классификации микропроцессорных вычислительных систем?

4.Что входит в структуру микропроцессора?

5.Какие операции выполняет АЛУ?

6.Как осуществляется управление функционированием микропроцессора?

7.Каково назначение шин внутренней магистрали микропроцессора?

8.Какими параметрами характеризуется микропроцессор?

9.Что входит в состав типовой микропроцессорной системы?

10.Каков состав интерфейсных устройств и их назначение?

11.Какие режимы применяются при организации взаимодействия устройств в мик ропроцессорной системе?

12.Что такое адресное пространство микропроцессорной системы?

13.Каковы структура и назначение элементов устройства управления микропроцес­ сорной системы?

14.Как работает операционный блок устройства управления?

15.Каковы структура и назначение элементов блока микропрограммного управле­ ния?

16.Каковы особенности цифровых сигнальных микропроцессоров?

Глава12

АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕМИ СИГНАЛОВ

12.1. Принципы построения преобразователей

В настоящее время не вызывают сомнений достижения и успехи дискретного управления и цифровой обработки сигналов. Вместе с тем по­ давляющее большинство физических процессов по своей природе характе­ ризуется непрерывной зависимостью от времени. Обязательным условием получения высоких метрологических параметров информационной систе­ мы является предварительная обработка сигналов непосредственно в ана­ логовой форме. Это требование связано в первую очередь с необходимо­ стью усиления сигналов низкого уровня, поступающих с датчиков, для обеспечения работы АЦП и ограничения спектра сигнала методами фильтрации с целью уменьшения искажений при дискретизации непре­ рывных сигналов и их последующем восстановлении.

Одной из важных и весьма сложных проблем аналоговой обработки сигналов является достижение высокой чувствительности преобразовате­ лей в заданной полосе частот при большом динамическом диапазоне изме­ нения амплитуды сигнала. С этой целью применяют каскадное соединение ряда преобразователей, каждый из которых реализует заданную операцию усиления и фильтрации сигналов, модуляции и детектирования парамет­ ров, согласования сопротивлений и сглаживания кривых.

В зависимости от функционального назначения устройства и узлы аналоговой обработки сигналов имеют различную структуру и уровень сложности, используют разнообразную элементную базу (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Классификация аналоговых преобразователей

На начальных этапах развития электроники применяли преимущест­ венно пассивные преобразователи, построенные на базе элементов R, С, L, М

и диодов. Они составляли большую часть формирователей сигналов, час­ тотных фильтров, регуляторов.

Основным недостатком пассивных преобразователей является слож ность получения заданных параметров, которые зависят как от характери стик входящих в устройство элементов, так и от взаимовлияния блоков при их соединении. Это может приводить к изменению характеристик в раз личных режимах работы и, кроме того, существенно затрудняет проекти­ рование. Проблему уменьшения взаимовлияния (развязки) каскадов в пре­ образователях решали за счет использования буферных усилительных кас кадов, включенных на входах или выходах отдельных блоков. Так, в мно­ гокаскадных радиоприемниках резонансные контуры (частотные фильтры ) разделены усилителями на полевых транзисторах, обладающих большими входными сопротивлениями (рис. 12 .2).

Рис. 12.2. Преобразователь с буферными усилителями

Такая структура значительно упрощает проектирование и настройк) преобразователей. Однако собственные параметры усилительных каскадов существенно зависят от дестабилизирующих факторов (температуры, влажности). Эффективным способом повышения стабильности характери­ стик преобразователей с полупроводниковыми усилителями является вве­ дение цепей отрицательной обратной связи, содержащих пассивные ком­ поненты со слабой зависимостью от дестабилизирующих факторов.

Усилители, на базе которых строится преобразователь с ООС, долж­ ны обладать запасом значений параметров, подлежащих улучшению. Уни­ версальным усилительным устройством, на основе которого можно по строить практически любой преобразователь, служит операционный уси­ литель (ОУ), обладающий:

• большим коэффициентом усиления напряжения - порядка 105 108

высоким входным сопротивлением —104_109Ом;

достаточно малым выходным сопротивлением - 10 ... 103Ом;

большим динамическим диапазоном - 80... 120 дБ;

• широкой полосой частот сигналов - от = 0 до/в= 1 0 МГц. Параметры преобразователя, реализованного на основе ОУ, охвачен­

ного глубокой ООС, в основном определяются номиналами пассивных вы­ сокостабильных компонентов.

Преимущественное применение интегральных микросхем в системах обработки информации привело к необходимости решения проблемы со­ вместимости в едином устройстве цифровых и аналоговых блоков, кото­ рые не должны слишком отличаться по степени интеграции и набору вы­ полняемых функций. Вместе с тем миниатюризация аналоговых устройств ограничивалась технологическими возможностями изготовления элемен­ тов с требуемыми параметрами, и они имели более низкий уровень инте­ грации по сравнению с цифровыми приборами.

В ряде приложений с целью унификации применяемой элементной базы аналоговых устройств используются цифровые логические элементы в усилительном режиме. При этом необходимо задать стабильное положе­ ние рабочей точки на линейном участке проходной характеристики ЛЭ. В биполярных ЛЭ (например, серии ТТЛ) смещение осуществляется под­ ключением его входа к точке с нулевым потенциалом через резистор со­ противлением 200...3000м.

Наиболее часто в качестве усилителей используются микросхемы КМОП, обладающие высоким входным сопротивлением и имеющие хоро­ шую температурную стабильность параметров. Линейный режим, напри­ мер, инвертора КМОП несложно обеспечить включением резистора между входом и выходом, а согласование уровня сигналов - выбором необходи­ мого напряжения электропитания (рис. 12.3,а).

R

Рис. 12.3. КМОП-инвертор (а) и каскадное соединение (б)

Приведенный логический элемент (инвертор) имеет коэффициент усиления Ки~ 20 при входном сопротивлении RBX~R= 1.. ЛОМОм. Для уве­ личения значения коэффициента передачи следует включить последова­ тельно нечетное число инверторов (рис. 12.3,6). Усилители на базе ЛЭ, имеющих невысокие метрологические параметры, применяются только во вспомогательных устройствах с достаточно низкой стабильностью работы.

Прецизионные блоки обработки информации преимущественно строят на основе различных типов универсальных операционных усилите­ лей с цепями ОС. При этом усилитель играет роль элемента, формирующе­ го отдельный функциональный модуль. Из этих модулей составляют сис­ тему с заданными свойствами.

Для снижения уровня помех и обеспечения высоких метрологиче­ ских характеристик используют симметричные схемы преобразователей на элементах, изготовленных в едином технологическом цикле, что гаранти­ рует идентичность одноименных параметров. Высокая степень согласова­

ния параметров достигается за счет размещения на кристалле (в одно корпусе) нескольких одинаковых ОУ с пассивными компонентами.

Номенклатура и схемотехника аналоговых преобразователей расшь рялась и видоизменялась по мере совершенствования интегральной полу проводниковой технологии. На начальных этапах совместно с биполярны­ ми ОУ, имеющими средние значения параметров, использовались пассив ные высокоточные элементы (конденсаторы, резисторы), изготовленные по тонкопленочной технологии. Изделия аналоговой электроники получа лись гибридными с низкой степенью интеграции.

Применение во входных дифференциальных каскадах ОУ полевых транзисторов дало возможность существенно уменьшить номиналы кон­ денсаторов. Изготовление методами полупроводниковой технологии въ сокоомных поликремниевых резисторов позволило полностью реализовать аналоговые преобразователи в виде полупроводниковой ИМС.

Особенности выполнения компонентов методами интегральной по­ лупроводниковой технологии стимулировали создание новых схемотехни­ ческих решений. Сложности изготовления индуктивных катушек привели к построению преобразователей на основе активных ÆC-цепей с имитаци­ ей индуктивности схемными методами. Невысокая точность и стабиль­ ность параметров полупроводниковых резисторов в совокупности с боль­ шой занимаемой площадью способствовали созданию нового направления разработки схем преобразователей на основе коммутируемых конденсате ров. Преобразователи на переключаемых конденсаторах, полностью изго­ товленные с использованием полупроводниковой МДП-технологии, со­ держат ОУ, переключатели и конденсаторы небольшой емкости. Они име ют небольшие габариты, высокую надежность и обладают хорошей ста­ бильностью характеристик.

Проектирование и изготовление современных, весьма сложных сгк диализированных аналоговых устройств производится на основе базовы. матричных кристаллов, элементный состав которых дает возможность реа­ лизовать усилители, аналоговые переключатели и другие элементы в еди­ ном технологическом цикле на одном кристалле. Дальнейшее совершенст­ вование схемотехники и технологии привело к созданию программируе­ мых аналоговых матриц (,ispPAC), изготовленных по МДП-технологии с разрешением примерно 1 мкм. Программируемая аналоговая схема содер­ жит: ячейки, включающие высококачественные ОУ с программно управ­ ляемым коэффициентом усиления; конденсаторы и резисторы; элементы межсоединений, позволяющие коммутировать входы и выходы усилите­ лей; интерфейсные схемы и программируемое ЗУ (EEPROM), обеспечи­ вающие конфигурирование схемы.

Применение аналоговой аппаратуры для обработки сигналов непре­ рывного времени может быть весьма эффективным, так как не требуем сложных схем модуляции и фильтрации импульсных сигналов.

Соседние файлы в папке книги