книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства
..pdfС 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.