Проектирование устройства сбора данныхРефераты >> Программирование и компьютеры >> Проектирование устройства сбора данных
A
0 à
1
2
.
. RAM
.
9 D0
DI
WR
/
RD
CS
|
Ёмкость ОЗУ: 2к х 8 = 2048 х 8. Требуется организация двух линеек по восемь микросхем КР565РУ2А .
|
| |||||
| ||||||
4.РЕАЛИЗАЦИЯ УСД НА ПРИНЦИПАХ СХЕМНОЙ ЛОГИКИ
4.1Общая структурная схема УСД
Как и всякое процессорное устройство, УСД состоит из двух основных узлов: операционного узла (ОУ) и узла управления (УУ), который представляет собой микропрограммный автомат (рис.2.). ОУ - это устройство, в котором непосредственно выполняются операции, реализуемые процессором. Этот узел преобразует коды (операнды), поступающие на входы Р в те или иные детерминированные моменты времени, в выходной код (результат), снимаемый с выходов С. В нашем примере на входы ОУ поступают данные с выхода АЦП, представленные в виде параллельного двоичного кода, а преобразование, осуществляемое в ОУ УСД, состоит в приеме этих данных из того или иного аналогового канала и пересылки их в требуемые ячейки оперативной памяти. ОУ может включать в себя такие элементы, как регистры или иные модули ЗУ, счетчики, сумматоры, мультиплексоры, дешифраторы и др., соединенные между собой каналами связи (обычно физическими линиями), по которым двоичная информация передается, как правило, в параллельной форме.
УУ в определенной последовательности формирует управляющие сигналы У1,У2, . и с их помощью координирует работу элементов схемы ОУ, обеспечивая в ОУ требуемую обработку информации. Под действием каждого из этих сигналов в элементах ОУ производятся некоторые элементарные действия, называемые микрооперациями. К числу таких действий относятся: считывание содержимого какого-нибудь регистра, сдвиг содержимого регистра на один разряд влево или вправо, запись в регистр результата суммирования операндов, установка регистра или счетчика в требуемое исходное состояние, счет, то есть прибавление или вычитание единицы к содержимому счетчика и т.п.
В каждый тактовый период синхроимпульсов в ОУ может выполнятся одна или несколько независимых друг от друга микроопераций в различных элементах схемы. Набор микроопераций, выполняемый в ОУ одновременно (в одном такте), называется микрокомандой (МК). Среди сигналов У могут быть и такие, которые
|
 |
|
|
|
|
код í (в ОП)
(из АЦП)î обл.G
|
управляют работой устройств, находящихся вне процессора (внешних устройств - ВУ). К числу таких устройств относятся устройства ввода/вывода информации (УВВ), модули памяти (ОЗУ, ПЗУ), АЦП, ЦАП и др.
УУ работает под действием команд - двоичных кодов, подаваемых на входы Z1,Z2, . .На входы Х1,Х2, . УУ поступают осведомительные сигналы, иначе называемые условиями или признаками, которые формируются в ОУ и влияют на последующие значения управляющих сигналов У, определяя тем самым последующие этапы преобразования операндов в зависимости от результатов, полученных в ОУ при выполнении предыдущей микрокоманды.
4.2Структурная схема ОУ
В настоящее время отсутствуют сколько-нибудь общие формальныеметоды синтеза операционных устройств. По этой причине составление структурной схемы производится на основе анализа задания и требует от разработчика наличия соответствующих навыков и опыта.
Оценим состав оборудования ОУ, обеспечивающий выполнение сформулированных в задании функций УСД.
Внешними по отношению к ОУ являются следующие элементы:
· АЦП - аналого-цифровой преобразователь, осуществляющий преобразование аналоговой величины (например напряжения аналогового сигнала), действующего на его входе на данном отрезке времени, в восьмиразрядный двоичный код на выходе. В момент завершения акта преобразования АЦП вырабатывает сигнал ОК=1 на соответствующем выходе. Запуск АЦП производится путем подачи сигнала запуска на соответствующий вход;
· коммутатор каналов - аналоговый мультиплексор-селектор, который в зависимости от значения четырехразрядного двоичного адресного слова, поступающего на его адресные входы, подключает к единственному выходу тот или иной из тринадцати аналоговых сигналов;
· оперативная память (ОП) - полупроводниковое ОЗУ емкостью 2к х 8, имеющее рассмотренную выше организацию.
К элементам, входящим в состав ОУ УСД, относятся:
· счетчик СТ21 адреса ячеек ОП - 16-разрядный (в соответствии с заданной разрядностью адресного слова);
· счетчик СТ22 адреса аналоговых каналов - четырехразрядный (F=14 каналов имеют номера (адреса) от 0000 до 1101. Всего тринадцать адресов);
· триггер Тфл - флаг АЦП, предназначенный для фиксирования сигнала ОК (асинхронный RS-триггер с инверсными входами ТТЛ. Тфл необходим для выработки сигнала Х1 в течение всего периода Т в том случае, когда сигнал ОК АЦП импульсный, т.е. его длительность « Т).
Структурная схема ОУ , включающая внешние элементы процессорного устройства, представлена на рис.3. На схеме
|
|
|
|
 |
|
|
|
|
 | |||||
 | | ||||
|
|
|
| |||||||||||||
 |  | ||||||||||||
 | |||||||||||||
 |  | ||||||||||||
 | |||||||||||||
070116
Рис.3
стрелками показаны управляющие сигналы У, поступающие из УУ, и сигналы-условия X, вырабатываемые ОУ и поступающие в УУ.
4.3 Словесное описание цикла сбора данных
y1. Цикл сбора данных начинается с того, что в счетчик СТ21 производится запись первой ячейки области памяти ОП, отведенной для хранения данных. Очевидно, что в качестве СТ21 удобно использовать такой счетчик, в котором предусмотрена возможность записи информации, как в параллельный регистр. Тогда, подав на одни входы триггеров логический ноль (потенциал земли или корпуса), а на другие - логическую единицу (напряжение источника питания), можно обеспечить запись требуемого адреса в счетчик в одном такте.
y2. счетчик СТ22 сбрасывается в 0. Тем самым в нём формируется адрес первого аналогового канала, имеющего нулевой номер.
y3. Производится сброс в 0 триггера Тфл (гашение флага).
y4. Адрес аналогового канала из СТ22 выдается на адресные входы коммутатора. Коммутатор подключает канал №0 ко входу АЦП.
y5. Производится запуск АЦП и в нём начинается процесс аналого-цифрового преобразования.
y6. Проверяется содержимое триггера Тфл . По окончанию акта преобразования АЦП вырабатывает сигнал ОК, устанавливающий Тфл в состояние 1. Пока (Тфл)=0 , устройство пребывает в режиме ожидания окончания акта преобразования в АЦП. Как только Тфл устанавливается в 1, осуществляется запись данных с выхода АЦП в требуемую ячейку памяти (ОП).
y7. В СТ22 подготавливается адрес следующей ячейки ОП путем прибавления единицы к содержимому счетчика (к адресу предыдущей ячейки).
y8. В СТ22 формируется адрес следующего аналогового канала (№1) путем прибавления единицы к содержимому счетчика.
y9. Проверяется содержимое счетчика СТ22 . Если (СТ22)=0, то операции 3¸8 повторяются. В противном случае происходит завершение цикла сбора данных (выход из цикла), так как все каналы оказываются опрошены.
4.4 Синтез управляющего устройства (УУ)
4.4.1 Этап абстрактного синтеза
Этот этап также требует от разработчика определенных навыков и опыта. На этапе абстрактного синтеза осуществляется переход от словесного описания принципа функционирования автомата формализованному представлению в виде графа или таблиц.
На основании словесного описания составим в соответствующем порядке список микроопераций, необходимых для управления ОУ (см. Рис.2):
У1 - разрешение записи начального адреса 01AE16 в СТ21, (СТ21 ¬ 01AE16);
У2 - установка в 0 СТ22 (сброс), (СТ22 ¬ 0);
У3 - сброс Тфл ,(Тфл ¬ 0);
У4 - разрешение передачи адреса аналогового канала на коммутатор [комм ¬ (СТ22)];
У5 - запуск АЦП, (зап. АЦП);
У6 - разрешение записи данных из АЦП в ОП, [ОП ¬ АЦП];
У7 - увеличение на 1 (СТ21) - приращение счетчика, [инкримент СТ21 ¬ (СТ21)+1];
У8 - увеличение на 1 (СТ22) - приращение счетчика, [инкримент СТ22 ¬ (СТ22)+1].
В процессе выполнения цикла сбора данных а ОУ УСД вырабатываются осведомительные сигналы: сигнал Х1=1 - сигнал ОК и сигнал Х2=1 - завершение цикла сбора данных. Сигнал Х2 вырабатывается в том случае, когда в СТ22 содержится адрес 0000,[Х2=1, если (СТ22)=0], возникающий в нём после адреса 1010 последнего, одинадцатого канала. Сигнал Х2 может быть сформирован путем логического умножения (на схеме И) сигналов.
Блок-схема алгоритма функционирования ОУ в микрооперациях
Блок-схема (рис. 4) составляется на основе словесного описания и списка микроопераций.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| | ||||||
 | ||||||
 | ||||||
Рис.5.
| |
Анализ рис. 4 показывает, что микрооперации У1,У2, а также У3,У4,У5 и У6,У7,У8 не зависят друг от друга и могут выполняться в одном такте (каждая группа в соответствующем такте). На основании этого можно составить блок-схему алгоритма в микрокомандах, обозначив каждую из них буквой Y (рис.5).
произведем разметку блок схемы рис. 5. Начало и конец блок-
схемы обозначим а0 , что соответствует исходному состоянию управляющего автомата (УУ). Далее вход каждого блока, следующего за операторными блоками, которые имеют прямоугольную форму, помечаем символами а1 , а2 , . , соответствующими последующим состояниям УУ.
Составление граф - схемы функционирования УУ
Построение графа осуществляется на основе произведенной разметки блок-схемы алгоритма. Каждому из состояний а0 , а1 , . управляющего автомата соответствует узел графа (рис.6). Дугами графа изображаются переходы автомата из одного состояния в другое. Возле каждой дуги указывается условие (если оно есть) перехода (Х) и выполняемая на данном тактовом интервале микрокоманда Y. Переходы синхронного автомата из одного состояния в другое происходят в тактовые моменты времени под действием синхроимпульсов и входных сигналов.
 | ||||
| ||||
4.4.2 Этап структурного синтеза УУ
Этот этап выполняется на основе формальных методов и включает в себя:
- расчет требуемого объема памяти УУ;
- выбор способа кодирования возможных состояний автомата;
- выбор типа применяемых логических элементов и триггеров;
- нахождение оптимальной с точки зрения минимизации числа элементов и связей между ними структуры комбинационного цифрового устройства (КЦУ), входящего в состав схемы УУ.
Определение требуемого числа триггеров ЗУ устройства
управления и кодирование состояний УУ
Из граф-схемы видно, что управляющий автомат должен иметь N=4 состояний ( а0 ¸ а3 ). Требуемое число триггеров находим как минимальное k, удовлетворяющее условию N £ 2k. Имеем kмин = 2. Поскольку каждый из триггеров обладает двумя устойчивыми состояниями , совокупность двух триггеров позволяет
зафиксировать максимально 22 = 4 различных состояния. В нашем случае автомат как раз и должен иметь четыре состояния, для фиксации которых требуется два триггера. Задавая произвольно
|
Состояние УУ |
Состояния триггеров ЗУ |
Вид перехода |
Входные сигналы | |
|
Q2 Q1 |
Q(t)® Q(t+1) |
j(t) k(t) | ||
|
а0 |
0 0 |
0 0 |
0 --- | |
|
а1 |
1 0 |
1 0 |
1 --- | |
|
а2 |
0 1 |
0 1 |
— 1 | |
|
а3 |
1 1 |
1 1 |
— 0 |
Таблица 1 Таблица 2
различные четыре состояния двух триггеров можно произвести кодирование состояния автомата, как это сделано в табл.1.
Выбор типа логических элементов и триггеров для реализации УУ
Если к цифровому устройству, реализуемому на микросхемах низкой и средней степени интеграции, не предъявляются жесткие требования в отношении быстродействия, потребляемой мощности, габаритов и ширины рабочего диапазона температур, то выбор, как правило, делается в пользу наиболее развитой серии микросхем широкого применения К1553, выполненные по технологии ТТЛ. Предполагается, что проектируемое УСД предназначено для работы в помещениях с составе стандартной аппаратуры. Поэтому требования в отношении потребляемой мощности, ширины рабочего диапазона температур и габаритов не являются жесткими. Кроме того, в соответствии с заданием частота синхроимпульсов f = 500 кГц, что соответствует длительности тактового периода Т = 1/f = 2 мкс. В свою очередь среднее время задержки логического сигнала в базовом элементе И-НЕ этой серии 20 нс, что на два порядка меньше длительности тактового периода Т. Таким образом, практически любое цифровое устройство серии К1553 обладает достаточным быстродействием для использования его в схеме УСД.
|
Теперь можно изобразить укрупненную схему УУ для проектируемого УСД (рис.7). Итак схема УУ содержит КЦУ и ЗУ, состоящее из двух JK-триггеров. Изобразим характеристическую таблицу JK-триггера, показывающую, какие сигналы возбуждения триггера следует подавать на выходы J и K, чтобы обеспечить
переход его из состояния Q(t) в новое состояние Q(t+1) (табл.2). В таблице 2 прочерк в колонках J(t) и K(t) означает безразличное значение сигнала (0 или 1).
| ||||
 | ||||
|
в ОУ
из ОУ
|
 | |||
 | |||
|
Составление таблицы функционирования УУ
На основании имеющихся данных (графа, табл. 1 и табл.2) можно построить полную таблицу функционирования УУ (табл. 3).
Первые восемь колонок табл. 3 получены на основании анализа графа (рис.6) и табл.1. Связь между колонками 3¸12 определяются из табл.2, а связь между колонками 3¸8 и 13¸15 получены на основе анализа графа.
Синтез КЦУ
Как видно из рис.7, входными переменными КЦУ являются Х1, Х2,Q1(t) и Q2(t), представленные в первых колонках таблицы 3. Функциями, формируемыми на выходах КЦУ, являются сигналы возбуждения триггеров (J и K)и выходные сигналы Y, соответствующие микрокомандам Y. Эти функции представлены в 9¸15 колонках. Таким образом часть табл. 3 представляет собой таблицу истинности неполно заданных ФАЛ, формируемых на выходах КЦУ. Таблицы истинности представлены в сокращенной форме. Здесь учтено то обстоятельство, что переменные Х1 и Х2 поступают на входу КЦУ в разные тактовые моменты времени и кроме того ни одна из функций не зависит сразу от обеих этих переменных. Это позволило объединить в первых четырех строках табл. 3 наборы аргументов, в которых Х1 И Х2, где они есть, принимают значения 0, а в строках 5¸8 наборы, в которых Х1 и Х2 равны 1. Первые два, пятый и шестой наборы в табл. 3 не содержат переменных Х1 и Х2, то есть значения функций на этих наборах не зависят от значений Х1 и Х2, поэтому соответствующие значения выходных функций повторяются дважды: в группе наборов, относящихся к значениям Х1 и Х2, равным 0 (строки 1¸2), а затем в группе наборов, в которых Х1 и Х2 равны 1 (строки 5¸6).
|
№ п/п |
Условие перехода |
Предыдущее состояние аi(t) , Q i(t) |
Следующее состояние аi(t+1), Q i(t+1) |
Сигналы возбуждения триггеров |
Выполняемая МК | ||||||||||
|
Х2 |
Х1 |
а i |
Q2 |
Q1 |
аi |
Q2 |
Q1 |
J2 |
K2 |
J1 |
K1 |
Y1 |
Y2 |
Y3 | |
|
1 |
— |
— |
а0 |
0 |
0 |
а1 |
0 |
1 |
0 |
- |
1 |
- |
1 |
0 |
0 |
|
2 |
— |
— |
а1 |
0 |
1 |
а2 |
1 |
0 |
1 |
- |
- |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
3 |
— |
0 |
а2 |
1 |
0 |
а2 |
1 |
0 |
- |
0 |
0 |
- |
0 |
0 |
0 |
|
4 |
0 |
— |
а3 |
1 |
1 |
а1 |
0 |
1 |
- |
1 |
- |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
5 |
— |
— |
а0 |
0 |
0 |
а1 |
0 |
1 |
0 |
- |
1 |
- |
1 |
0 |
0 |
|
6 |
— |
— |
а1 |
0 |
1 |
а2 |
1 |
0 |
1 |
- |
- |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
7 |
— |
1 |
а2 |
1 |
0 |
а3 |
1 |
1 |
- |
0 |
1 |
- |
0 |
0 |
1 |
|
8 |
1 |
— |
а3 |
1 |
1 |
а0 |
0 |
0 |
- |
1 |
- |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
№ колонки |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
Таблица 3
Из анализа табл. 3 следует, что значения переменной Х2 не влияют на значения функции J1 и Y3 (при изменении значения переменной значения функций остаются неизменными) а переменная Х1 не влияет на значения функций К1, то есть они являются функциями не четырех, а всего трех аргументов. В свою очередь оставшиеся четыре функции не зависят от обеих переменных Х1 и Х2, а значит, они являются функциями двух аргументов. учет этих особенностей табл. 3 позволяет упростить полученные МДНФ выходных функций КЦУ с использованием ручного метода карт Вейча.
 |  | ||||||||
 |  |  | |||||||
|
-- |
-- |
-- |
-- |
|
0 |
1 |
1 |
1 |
|
-- |
-- | ||||||||||||||
|
0 |
1 |
1 |
1 |
-- |
-- |
-- |
-- |
1 |
1 |
|
|
J1 = X1 Ú Q2 K1 = Q2 Ú X2 J2 = Q1
 |  |  |  |  | |||||
|
1 |
-- |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
0 |
0 |
0 |
0 | |||||||||||||||||
|
-- |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
 |
|
4.5 Построение функционально - логической схемы процессорного устройства ( УСД )
Функционально-логическая схема УСД строится на основании приведенных выше общей структурной схемы УСД, структурной схемы УУ , функционально-логической схемы КЦУ и структурной схемы ОУ. Поскольку проектируемое процессорное устройство является специализированным, реализующим всего одну микропрограмму сбора данных, оно не нуждается в командном (программном) управлении. Поэтому входы Z1¸Zk , показанные на общей структурной схеме УСД (см. рис. 1), в данном случае не нужны. Для построения схемы в справочнике по интегральным микросхемам следует отыскать подходящие элементы всех перечисленных схем с учетом изложенных выше соображений, относящихся к некоторым требуемым свойствам этих элементов. Условные обозначения этих элементов нужно надлежащим образом разместить на листе бумаги и соединить между собой в соответствии с логикой работы устройства и таблицами управляющих сигналов.
Функционально-логическая схема отличается от принципиальной тем, что на ней не представлено размещение элементов в корпусах микросхем. Соответственно на Функционально-логической схеме отсутствует нумерация выводов корпуса.
На Функционально-логической схеме УСД следует представить способ организации ОП, используя условное обозначение выбранной микросхемы ОЗУ и выбранный способ соединения этих микросхем (корпусов, модулей, или кристаллов, как их принято еще называть). Остальные внешние устройства УСД (АЦП и коммутатор аналоговых каналов) достаточно изобразить в обобщенной форме, как на структурной схеме ОУ, поскольку они не являются предметом проектирования. Функционально-логическая схема УСД приведена на рис. 9. на след. странице
 |
|
|
|
 | ||||
| ||||
4.6 Оценка быстродействия УСД в варианте реализации на принципах схемной логики
При оценке быстродействия УСД для простоты будем считать, что наибольшая длительность акта преобразования АЦП меньше тактового периода синхроимпульсов (Т = 2 мкс). В этом случае при функционировании УСД режим ожидания (прохождение микропрограммы по малому циклу (см. рис. 5) будет отсутствовать.
Число тактов, требуемых для выполнения микропрограммы сбора данных, равно сумме дуг, содержащихся в пути между узлами графа с учетом циклического повторения отдельных участков пути. Таким образом цикл сбора данных будет складываться из одного такта на выполнение микрокоманды Y1 и F (в данном случае девяти) прохождений по большому циклу (от a1 до a1 , см. рис.6). Каждое прохождение по большому циклу требует трех тактов. Итого длительность цикла сбора данных составит S = (1+F.3).T = (1+13 .3).T = 40.2 мкс = 80 мкс.
5. РЕАЛИЗАЦИЯ УСД В ВИДЕ МПС НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРА КР580ВМ80
5.1 Структурная схема микропроцессорного устройства
Структурная схема УСД, построенного в виде микропроцессорного устройства (МПУ), представлена на рис.10. Кроме микропроцессора и известных уже модулей АЦП, ОП и коммутатора аналоговых каналов, схема МПУ содержит два устройства ввода и одно устройство вывода данных, роль которых могут выполнять программно-управляемые регистры-порты, например МБР К5889ИР12. В таком варианте МПУ шина управления может состоять всего из двух линий ЗАПИСЬ и ЧТЕНИЕ. На рис.10 для простоты не показаны: дешифратор сигналов выборки модуля ОП (ВК) и триггер-флаг АЦП (Тфл).
5.2 Блок - схема алгоритма функционирования МПУ
Начальный адрес 071516 ячейки памяти области ОП, отведенной для сбора данных, будем хранить в паре регистров HL. Текущий номер (адрес) аналогового канала в соответствии с заданием будем помещать в регистр E.
 | ||||
| ||||
Примем, что требуется соблюдать тот же порядок опроса аналоговых каналов, что и при реализации УСД на принципах схемной логики, то есть начиная с канала, имеющего номер (адрес) 0. Чтобы обеспечить формирование признака завершения цикла сбора данных, в регистре B поместим число F=1110 (число аналоговых каналов). Тогда блок-схема алгоритма сбора данных будет иметь вид (рис.11). Дадим краткое пояснение к блок-схеме. Так как по заданию программа представляет собой прерывающую программу в предложении, что в состав МПС входит контроллер прерываний КР580ВН69, то необходимо сначала сохранить содержимое всех регистров. Это показано в блоках 1¸4. В блоке 5 в пару регистров HL загружается начальный адрес G (071516). В блоке 6 в регистр B загружается число 1110 (0B16). Регистр E служит счетчиком адресов аналоговых каналов. В блоке 7 в него загружается адрес первого канала 0016. Затем этот адрес через аккумулятор и устройства вывода № 1 (блоки 9 и 8) поступает на адресный вход коммутатора (см. рис. 10).
 | ||||||||
 | ||||||||
 | ||||||||
| ||||||||
Коммутатор подключает первый канал ко входу АЦП и запускает последний. МПУ переходит в режим ожидания окончания акта преобразования АЦП (блоки 10, 11 и 12). Сигнал с выхода ОК АЦП заносит младший разряд регистра порта ввода № 2. Пока ОК=0, акт преобразования в АЦП не окончен. В этом случае блоки 10¸12 обеспечивают запись в триггер-флаг Тс нуля и тем самым прохождение программы по малому циклу. Данный режим выполнения программы продолжается до тех пор, пока сигнал ОК на выходе АЦП не станет равным 1. Так обеспечивается режим ожидания. Как только ОК станет равным 1, то после выполнения команды блока 12 Тс=1 и осуществляется запись данных с выхода АЦП в ОП через устройство ввода № 1 и аккумулятор (блоки 13 и 14).
Далее происходит формировани
