Структура и управление системой ввода-вывода аналоговых сигналов

В состав СВВ аналоговых сигналов, помимо рассмотренных многоканальных схем ПКН и ПНК, входят различные логические схемы, предназначенные для организации сопряжения ПКН и ПНК с центральной частью машины, определения текущего номера входного или выходного аналогового канала, задания темпа опроса каналов, буферизации преобразуемых данных и т.д. На рис.4.12 приведен пример полной СВВ аналоговых сигналов, предназначенной для мини- или микроЭВМ с объединенным интерфейсом. Схема включает в себя три секции:

1) многоканального приема аналоговых сигналов, содержащую схемы управления (СУ) АЦП, генератор тактовых импульсов перестраиваемой частоты (ПГТИ), запоминающее устройство (ЗУ) для хранения коэффициентов усиления инструментального усилителя (ИУ) по каждому входному каналу, аналоговый мультиплексор (МC), схему выборки-хранения (В-Х) и собственно преобразователь (ПНК);

2) многоканальной выдачи аналоговых сигналов, содержащую схему управления (СУ ЦАП), селектор номера канала (СНК), входные регистры Pг1 - PгN и собственно преобразователи ПКН1-ПKHN;

3) управления режимами работы и сопряжения с интерфейсом; эта секция включает в себя адресный селектор (СА), регистры адреса данных (РгАД), номера канала (РгНК), числа каналов (РгЧК), команд и состояния (РгКС), скорости опроса каналов (РгСО), данных (РгД), а также схемы управления прямым доступом (БУПДП) и прерываниями (БУП).

Рис. 4.12 СВВ аналоговых сигналов для микроЭВМ.

Непосредственный процесс аналого-цифрового преобразования по каждому каналу начинается по сигналу S1, формируемому в схеме СУ АЦП. По этому сигналу схема В-Х переходит в режим выборки. По заднему фронту сигнала S1 схема В-Х переходит в режим хранения, т.е. значение напряжения на ее выходе соответствует значению входного напряжения в момент завершения выборки. В этот момент по сигналу S2 начинается цикл преобразования в ПНК; завершается цикл по сигналу S3 передачей сформированного кода из ПНК в буферный регистр РгД. Одновременно сигнал S3 позволяет сформировать запрос прерывания или прямого доступа для передачи сформированного кода из РгД в память машины. Однако, чтобы СУ АЦП смогла начать выработку сигналов управления процессом преобразования, должны быть заданы режимы ее работы, способы формирования номеров каналов и выдана команда «начать преобра­зование».

Возможны два основных способа задания адресов каналов (или способа опроса каналов) — произвольный и последовательный.

При произвольном способе опроса каналов номер канала задается программой-драйвером и по шине данных (ШД) заносится на РгНК. Непосредственно вслед за занесением адреса канала программа-драйвер выдает команду «начать преобра­зование» и заносит ее на РгКС. В системах с объединенным интерфейсом все регистры СВВ, подключенные к ЩД, являются программно доступными, т.е. имеющими собственные адреса. Для выборки требуемого регистра используется схема адресного селектора СА, на вход которой по шине адреса (ША) подается адрес загружаемого регистра. Код номера аналогового канала из РгНК передается на мультиплексор МС для подключения соответствующего канала к выходу ИУ и на адресный вход памяти для выборки коэффициента усиления Кi, соответствующего подключенному к ИУ каналу. Значения коэффициентов усиления предварительно загружа­ются в ЗУ. Получив команду начать преобразование, СУ АЦП вырабатывает последовательность сигналов управления, а после завершения преобразования — сигнал запроса прерывания, формируемый в БУП. Данные передаются из РгД программе в режиме программного доступа. Чтобы осуществить преобразование по другому каналу, программа вырабатывает номер этого канала, передает его в РгНК и вновь выдает команду «начать преобразование».

При последовательном способе опроса кана­лов одна команда «начать преобразование» позволяет инициировать последовательность циклов преобразования для опроса группы различных каналов. Предварительно наименьший номер канала в группе заносится программой-драйвером на РгНК; на РгЧК заносится общее число каналов в группе, опрашиваемых по одной команде. Получив команду, СУ АЦП начинает обычный цикл преобразования для канала, номер которого содержится в РгНК. После завершения цикла сигнал S3 используется не только для организации передачи сформированных данных в ОП, но и для определения очередного номера аналогового канала, для чего к текущему содержимому РгНК добавляется единица; при этом число в РгЧК уменьшается на единицу. При последовательном опросе каналов обычно используют прямой доступ в память, управление которым осуществляет блок управления (БУ ПДП). Для этого в памяти машины отводится непрерывная область с базовым адресом АБо для приема преобразу­емых данных от всех входных аналоговых каналов. Адрес ячейки памяти, в которую передаются данные из РгД, формируется в РгАД путем сложения базового адреса АБо и номера текущего канала i. После передачи числа из РгД в память машины СУ АЦП вновь формирует сигнал S1, т.е. начинает новый цикл преобразования для очередного канала. Этот процесс продолжится, пока содержимое РгЧК не станет равным нулю.

Новый цикл опроса входных аналоговых сигналов инициируется очередной командой начала опроса от ЦП или автоматически по сигналу от ПГТИ, выполняющего роль таймера. Настройка ПГТИ осуществляется программно с помощью РгСО или путем переклю­чения тумблеров на лицевой панели УВВ. Во многих случаях частота опроса задается объектом управления, а период опроса изменяется в пределах от единиц мкс доединиц секунд. Если в машине имеется собственный таймер, то такой ПГТИ необязателен.

Вывод аналоговых сигналов осуществляется с использованием отдельных ПКН для каждого выходного канала. Для запоминания и декодирования номера текущего канала применяются логические схемы, аналогичные используемым в секции ввода. Вывод аналоговых сигналов также может осуществляться в режимах произвольного задания номеров каналов и последовательного опроса. Аналогично операции ввода при произвольном задании номера канала использу­ется программный доступ, а при последовательном опросе — прямой доступ в память. Последовательности действий в этих режимах при выводе аналогичны последовательностям действий при вводе.

В значительной степени можно упростить аппаратуру управления СВВ аналоговых сигналов, если применить микропроцессоры. При этом вместо отдельных функциональных регистров, доступ к которым производится посредством адресной шины и селектора адреса, используют несколько портов ввода-вывода. Все функции преобразо­вания управляющей информации в процессе опроса, а также выработки управляющих сигналов возлагаются на МП. При приме­нении в СВВ аналоговых сигналов однокристальных микроЭВМ (например, типа 1816ВЕ51), обладающих внутренней памятью, на них можно возложить ряд дополнительных функций по предваритель­ной обработке, таких, как фильтрация преобразованных данных, определение рациональной последовательности опроса каналов, вычисление параметров, которые не могут быть измерены непосред­ственно, и т.д. МП позволяют «улучшить» метрологические параметры АЦП за счет линеаризации характеристик с помощью таблиц поправок, автоматизации процессов калибровки и компенсации смещения нуля в используемых ОУ. Помимо перечисленных функций МП может осуществлять переключение диапазонов изменения входных и выходных аналоговых величин, управлять форматами данных и т.д.

5. Вопрос: Какими средствами в подсистеме внешней памяти на оптических дисках обеспечивается уровень ошибок 10-20 – 10-24 при уровне 10-4 – 10-5 физических ошибок (дефектов) на поверхности оптических дисков?

Ответ: В компьютер компакт-диск (Compact Disk, CD) пришел из цифровой аудиозаписи. Аудио компакт-диски, называемые Audio-CD, были разработаны фирмами Sony и Philips в 1982 году. В процессе разработки были решены три основные задачи: удержание луча лазера на дорожке носителя с точностью 0,2 мкм при допустимом эксцентриситете оси вращения диска порядка 70 мкм; удержание фокуса лазерного луча на поверхности носителя с точностью 0,2 мкм при допустимом биении диска 0,5 мм; обеспечение наличия ошибок чтения с диска на уровне 10-22 – 10-25 при наличии дефектов записи на уровне 10-3 – 10-5. Рассмотрим основы технологии CD-ROM и ее главные характеристики. Толщина диска составляет 1,2 мм, диаметр — 120 мм. Диск изготавливается из прозрачного поликарбоната, который покрыт с одной стороны тонким

металлическим отражающим слоем (алюминия, реже золота) и защитной пленкой специального прозрачного лака. Информация на диске записана в виде чередования углублений в поверхности металлического слоя (load). Двоичный нуль представляется на диске как в виде углубления, так и в виде основной поверхности, а двоичная единица — в виде границы между ними. При кодировании 1 байта (8 бит) информации на диске записывается 14 бит плюс 3 бита слияния (merge bit). Базовая информационная единица — кадр (frame) содержит 24 кодированных байта или 588 бит (24 ´ (14+3)+180 бит для коррекции ошибок). Кадры на диске образуют секторы и блоки. Сектор содержит 3234 кодированных байта (2352 информационных байта и 882 байта коррекции ошибок и управления). Такая организация записи данных на CD-ROM и использование алгоритмов

коррекции ошибок позволяют обеспечить качественное чтение информации с вероятностью ошибки на бит 10-10. Для обнаружения и исправления ошибок применяют чередующийся код Рида-Соломона CIRC (Cross-Interleaved Reed-Solomon Code), что позволяет получить уровень битовых ошибок порядка 10-9. Ошибочные (но невосстановленные) выборки игнорируются, в этих местах аудиосигнал интерполируется. Для того чтобы уменьшить субъективные потери качества звука (щелчки) из-за ошибок считывания канальных символов, выборки перемешивают и «размазывают» по блоку. Благодаря этому приему локальные дефекты дорожки (например, от радиальных царапин) не приводят к потере большого числа смежных выборок (вспомним о микронных размерах ямок) и легко сглаживаются интерполятором. Уровень качества считывания характеризуется коэффициентом, или. скоростью ошибок (Error

Rate). Данный параметр отражает способность привода CD-ROM корректировать ошибки

записи/чтения. Паспортные значения коэффициента ошибок составляют 10-10 — 10-12 . Коэффициент ошибок представляет собой оценку вероятности искажения информационного бита при его считывании. Когда привод считывает данные с загрязненного или поцарапанного участка диска, он

регистрирует группу ошибочных битов. Если ошибку не удается устранить за счет избыточности помехоустойчивого кода (применяемого при записи/чтении), то привод переходит на пониженную скорость считывания данных с многократным его повтором. Если механизм коррекции ошибок не справляется с устранением сбоя, то на мониторе компьютера появляется сообщение «Сектор не найден» (Sector not found). В случае устранения сбоя привод переключается на максимальную скорость считывания данных.

блок защиты от ошибокКак следует из его названия, он должен производить какие-то операции, позволяющие обеспечить сохранность записываемой на компакт-диск

информации от искажений. Такие искажения могут возникнуть при тиражировании на заводе-изготовителе в результате загрязнения или повреждения диска в процессе эксплуатации и как следствие кратковременных сбоев систем считывания. Средняя вероятность появления ошибки при воспроизведении компакт-диска – 10-5. Это для диска среднего качества, плохие могут иметь такую вероятность до 10-3. На слух ошибка воспринимается как треск, интенсивность которого зависит от того, в каком разряде 1б-разрядной выборки она произошла. Если бы защита от ошибок отсутствовала

вовсе, то слушать такой диск было бы невозможно – был бы сплошной треск, на фоне которого слегка прослушивалась бы музыка.

Для того, чтобы с помощью тех же кодов можно было бороться и с длинными повреждениями – пришлось разработать остроумнейшую систему перераспределения символов как внутри каждого кадра, так и между разными кадрами. Это называется перекрестным перемежением. Смысл всей этой процедуры перемежения заключается в том, чтобы перед записью разнести символы одного кадра как можно дальше друг от друга в пространстве и во времени. То есть, сделать так, чтобы эти символы были

записаны на дорожке не подряд один за другим, а с достаточно большим промежутком между ними, заполненным символами из других кадров – точно так же «размазанных» по поверхности диска. Тогда практически любое повреждение, даже очень длинное, не может испортить больше одного-двух символов в каждом кадре. Когда информация с компакт-диска считывается проигрывателем, то происходит восстановление первоначального порядка следования символов (деперемежение) и результат воздействия длинного дефекта оказывается эквивалентным воздействию большего или меньшего числа коротких дефектов, а с ними, как говорилось выше, система декодирования вполне способна справиться.

Блок защиты от ошибок содержит две ступени кодирования кодами, обнаруживающими и исправляющими ошибки Cl и С2 и три ступени перемежения (рис. 8.68). Для того, чтобы обнаружение и исправление ошибок было возможным, каждый из кодеров С1 и С2 вычисляет по имеющимся информационным символам четыре проверочных символа, которые также состоят из восьми двоичных разрядов. При выполнении операций помехоустойчивого кодирования и декодирования, совокупность символов, входящих в каждый рассматриваемый кадр, называется кодовым словом. Вычисления производятся таким образом, что проверочные символы содержат в себе информацию обо всех других символах, входящих в данное кодовое слово. символов, а после второго этапа кодирования – 28 + 4 = 32 символа. Эти проверочные символы

показаны на рис. 8.67 г в середине и в конце кадра. Они заштрихованы.

Для тех, кто знаком с помехоустойчивым кодированием , можно отметить, что в вышеописанной процедуре используются два кода Рида-Соломона C2 и C1 над полем Галуа GF(28) с образующим многочленом

F(X) = X8+ X4 + X3 +X2 + 1

Для тех, кого не устраивает краткое пояснение процедуры перемежения, и кто хочет познать его глубинный смысл, на рис. 8.69 приводится полная схема всех трех этапов. Остальные могут нижеследующее спокойно пропустить. Слева на схеме буквами L н R с индексами показаны 1б-разрядные стерео выборки левого и правого каналов по шесть и, того и другого. Буквами W с индексации обозначены 8-разрядные символы, на которые стерео выборки делятся. А - это старшие разряды, В - младшие. Их, как известно, в каждом кадре (кодовом слове) – 24. Квадратик с обозначением С2 – это первый кодер Рида-Соломона. То же с обозначением С1 – второй кодер. Цифра 2, стоящая внутри овала на схеме первого этапа перемежения, означает, что данный символ задерживается на два кадра. Кроме того, меняется местоположение символов внутри кодового слова. Для чего – будет сказано чуть позже. Буква D, стоящая внутри овала на схеме второго этапа перемежения, означает задержку на четыре кадра. Следовательно, 27D внутри овала говорит о том, что данный символ задерживается на27´4=108

кадров. Таким образом, после второго этапа перемежения каждый последующий символ кодового слова С2 будет отстоять от предыдущего на четыре кадра. А все кодовое слово целиком растянется на 109 кадров. Если выразить эти 109 кадров в виде длины дорожки на компакт-диске, то получится примерно 17,5 мм. А расстояние между двумя соседними символами кодового слова составит около 0,7 мм. Согласитесь, что расстояния получаются довольно приличные, и, для того, чтобы повредить хотя бы два соседних символа, нужна такая соринка, которая уже будет видна невооруженным глазом.

Теперь вернемся к первому этапу перемежения. Если внимательно всмотреться в его схему, то можно заметить, что изменение местоположения символов выполнено с таким расчетом, чтобы пары символов соседних стерео выборок одного и того же канала переместились как можно дальше друг от друга. Например, символы W12n,A и W12n,В стерео выборки левого канала L6n остаются на своем месте, и после выполнения второго этапа перемежения попадают в тот же и в четвертый кадры. Символы же следующей стерео выборки левого канала Lбn+1 (W12n+1,А и W12n+1,B) перемещаются

на такие позиции, что после второго этапа перемещения оказываются задержанными на 16D (64 кадра) и 17D (68 кадров), т.е. достаточно далеко от символов выборки L6n. Символы следующей стерео выборки того же левого канала L6n+2, перемещаются на такие позиции, что после второго этапа перемежения задерживаются на 2D (8 кадров) и 3D (12 кадров) – подальше от соседней L6n+1. То, что при этом выборка L6n+2 оказывается вблизи L6n не страшно – она для нее не соседняя. Соседние для нее только L6n+1 и L6n+3, а от них-то она и удалилась. Тот же принцип соблюдается и при перемещениях символов всех остальных стерео выборок, как левого, так и правого каналов. Причиной подобных манипуляций служит то, что коррекция кодами

Рида-Соломона – не единственный способ борьбы с ошибками. На всякий случай в системе CD для этого предусмотрен еще так называемый метод интерполяции, когда значение ошибочной выборки, которую по каким -либо причинам не смог исправить декодер Рида-Соломона, вычисляется исходя из значений двух соседних исправных выборок. Такая ситуация хотя и редка, но встречается, особенно тогда, когда, с целью удешевления конструкции декодера Рида-Соломона, он выполняется не по полной схеме, а по упрощенной. В этом случае он может корректировать не две ошибки в кодовом

слове, а всего лишь одну. Однако, обнаруживающая способность его при этом не уменьшается, и каждый испорченный (или подозрительный на «испорченность» – что встречается много чаще) символ имеет указатель ошибки. Интерполяция – это более простой способ борьбы с ошибками, но неточный. Если декодер способен исправлять ошибки только точно (по другому он «не умеет»), то интерполятор, строго

говоря, вообще их не исправляет, а заменяет их значения средним арифметическим от величин двух соседних выборок. Обратите внимание – выборок (16-разрядных), а не символов (8-разрядных). Интерполяция выполняется уже после завершения декодирования декодерами Рида-Соломона и восстановления первоначального порядка следования символов (деперемежения), включая объединение символов старших и младших разрядов каждой стерео выборки. Из вышесказанного становится понятным, для чего символы соседних выборок желательно разнести как можно дальше друг от друга.

Третий этап перемежения – задержка половины символов на один кадр – выполняется

исключительно для борьбы с короткими ошибками (длиной до одного символа). Если такая ошибка попадает на границу двух соседних символов, то после деперемеження поврежденными окажутся только по одному символу в смежных кодовых словах.

И, наконец, инвертирование проверочных символов производится для того, чтобы декодер не мог «перепутать» кодированный 0 (пауза в музыкальном сигнале) с какой-либо неисправностью в тракте воспроизведения (отсутствие сигнала вообще). В первом случае на декодер С1 поступят все «нули», во втором – проверочные символы будут «единицами», что укажет на наличие сбоя всего кадра. Реализуются все три этапа перемежения с помощью запоминающего устройства с произвольной

выборкой (ЗУПВ) объемом 2 килобайта (2Kx8). Это позволяет производить запись символов в порядке поступления, а считывать – в любом необходимом порядке. Итак, на выходе блока защиты от ошибок формируется последовательность кадров, каждый из

которых содержит в себе 32 8-разрядных символа, восемь из которых – проверочные (рис. 8.67 г). Эта последовательность поступает на следующий элемент тракта – модулятор 5 (см, рис. 8.66). Одной из основных задач этого блока является преобразование

сформированного потока двоичных данных в форму, позволяющую получить наибольшую плотность записи на оптическом носителе, которым является компакт-диск, и обеспечивающую оптимальные условия для ее безошибочного считывания при воспроизведении. Плотность записи характеризует количество информации (в битах), которое можно записать на единице площади носителя. В нашем случае, при заданном расстоянии между дорожками, плотность записи будет тем выше, чем большее количество информации разместится на единице длины дорожки. Запись на компакт-диск (имеется в виду диск-оригинал) осуществляется путем формирования на его поверхности микрорельефа в виде углублений и промежутков между ними с помощью

сфокусированного луча лазера. Углубления при этом соответствуют двоичным «единицам», а промежутки – двоичным «нулям ». Луч конкретного лазера можно сфокусировать на поверхность носителя в точку вполне определенных для данного лазера минимальных размеров. И результатом воздействия этой точки будет «отметина» (или «пит» – как говорят специалисты) тоже вполне конкретных размеров, которые

зависят от длины волны излучения используемого лазера. Этот минимально возможный пит в общем случае будет отображать только одну единицу информации – один бит. Но это если не предпринимать никаких мер для повышения плотности записи.