В.3.2. Структура блока ЦАП

#. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ УСТРОЙСТВ ВВОДА/ВЫВОДА.

#.1. Мультиплексоры аналоговых сигналов (МАС)

Увеличение числа коммутируемых каналов.

Пример: Подключается вход «12».

#.2. Измерительные (инструментальные) программируемые усилители.

- Усиление дифференциальных сигналов

- Малый уровень собственных шумов

- Полоса пропускания – килогерцы

- Усиление – до 1000

Дифференциальный операционный усилитель.

Недостатки:

o Входное сопротивление ограничено резисторами R1, R2, R4.

o Для изменения коэффициента усиления нужно одновременно изменять сопротивление двух резисторов

o Мал коэффициент ослабления синфазного сигнала.

Конфигурация входов ПИУ

А) Общая «земля» источника сигналов и усилителя

Б) Общая «земля» источника сигналов

В) «Земли» источников сигналов не совпадают

#.3. Схемы выборки и хранения (СВХ)

- снижение динамической погрешности,

- упрощение восстановления сигнала,

- точность косвенных измерений,

- временная привязка.

#.4. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

#.4.1. Системные параметры АЦП

- вид и диапазон изменения входного сигнала, входное сопротивление,

- вид выходного кода и логические уровни выходного сигнала,

- число разрядов выходного кода,

- время преобразования.

#.4.2. Системные параметры ЦАП

- вид входного кода и уровни опорных напряжений,

- полярность и диапазон выходного сигнала, нагрузочная способность,

- число разрядов входного кода,

- время установления выходного сигнала.

#.4.3. Разрешающая способность преобразователей.

#.4.4. Функции преобразования

-униполярный сигнал, прямой код

-биполярный сигнал, прямой код

-биполярный сигнал, дополнительный код

Динамические характеристики – чистое запаздывание.

#.4.5. Выбор времени преобразования АЦП

Время преобразования должно быть таким, чтобы динамическая погрешность находилась в пределах веса младшего разряда.

#.4.6. Сигналы управления типового АЦП

#.4.7. Сигналы управления типового ЦАП

#.4.8. Увеличение разрядности преобразователей

а) АЦП

б) ЦАП

#.4.9. Уменьшение разрядности ЦАП

#. БЛОКИ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

−Принцип использования двоичной системы счисления для представления данных и команд;

- Принцип программного управления: программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором в определённой последовательности одна после завершения другой;

- Принцип однородности памяти: программы и данные хранятся в общей памяти. Над командами программы можно выполнять те же действия, что и над данными;

- Принцип адресуемости памяти: основная память состоит из пронумерованных ячеек, и процессору в любой момент доступна любая ячейка;

- Принцип условного перехода: при определённых условиях, последовательное выполнение программы может быть нарушено и выполнен переход на любую другую команду

Рис. #.1

#.1. Общая организация блока обработки данных

ОУ выполняет микрооперации:

a) установка регистра в заданное состояние;

b) пересылка содержимого одного регистра в другой;

c) сдвиг содержимого регистра влево или вправо;

d) логические операции над содержимым регистров;

e) сложение содержимого регистров.

И т.п.

МКО_i (i=1…n) Þ МКК

Ex: Микропрограмма сложения содерж. регистров R1, R2 и запись суммы в R3.

{ (R1+R2→R3)ÞМКП_К }

МКП_К ~ ADD R3, R2, R1

Система команд={ МКП_i, i=1…N }

Формат микрокоманды

#.2. Структурные схемы вычислителей

А) ОКОД (SISD): структура однопроцессорных систем.

Б) ОКМД (SIMD): Матричная структура.

В) МКОД (MISD): Конвейерная структура.

Г) МКМД (MIMD)

- Структура с перекрёстной коммутацией.

- Структура с многошинными связями.

- Структура с общей шиной.

-Общая шина с локальными ресурсами

#.3. Организация обмена данными микропроцессора с периферийными модулями

#.3.1. Программно-управляемый обмен.

#.3.2. Обмен по прерываниям.

А) Программный полинг.

Последовательный перебор всех адресов ПУ до погашения сигнала INT.

Чтение флагового регистра и определение приоритетного запроса.

Б) Аппаратный полинг.

В) Векторный полинг.

#.3.3. Прямой доступ к памяти.

#.4. Архитектура типового микропроцессора

#.5. Алгоритм работы типового микропроцессора

#.6. Распределение памяти типового микропроцессора

#.7. Микроконтроллеры

Микроконтроллеры объединяют на одном кристалле блоки процессора, памяти и типичных периферийных устройств:

- универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;

- различные интерфейсы ввода-вывода (UART, I²C, SPI, CAN, USB, Ethernet и др.);

- аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;

- компараторы;

- широтно-импульсные модуляторы;

- таймеры;

- контроллеры бесколлекторных двигателей;

- контроллеры дисплеев и клавиатур;

- радиочастотные приемники и передатчики;

- встроенный тактовый генератор;

- таймер реального времени;

- сторожевой таймер;

и др.

#. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ДАННЫХ В МИКРОПРОЦЕССОРАХ

#.1. Форматы записи чисел

натуральные числа = 0…(2^N-1).

целые числа = (-2^N-1)… (2^N-1-1).

У всех чисел положение точки должно быть одинаковым.

Показательная форма записи.

#.2. Запись отрицательных чисел

G_ДОП= G_ОБР+1.

#.3. Формирование признаков выполнения арифметических операций

- знак результата (S)

- равенство нулю (Z)

- переполнение сетки (С)

- арифметическое переполнение (V)

-

2=0010₂ -2=1110₂ (0010→1101→1110)

5=0101₂ -5=1011₂ (0101→1010→1011)

7=0111₂ -7=1001₂ (0111→1000→1001)

9=1001₂ -9 →выходит за область допустимых значений (-8…7)

(5+9)=14 (7+9)=16 (5+(-7))=-2 (-2+(-5))=-7 (-5+(-7))=-12

0101 0111 0 101 1 110 1 011

100110011 0011 0111 001

1110 →14 1 0000 1 110 →-2 1 1 001→-7 10 100

← ←← ←

#.4. Приёмы работы с числами, представленными в показательной форме

В= 6,0=0,60∙10¹ 060 –мантисса, 1 –порядок.

А=10,5=0,105∙10² 0105 –мантисса, 2 –порядок,

1 > m ≥ 0,1.

А=0001010,1=0,1010100∙(2⁺⁴)

В=0000110,0=0,1100000∙(2⁺³)

-А=-10,5₁₀=1,1010100∙(2⁺⁴)

-В= -6₁₀=1,1100000∙(2⁺³).

#.4.1. Нормирование числа

00111101∙(2^-1)= 01111010∙(2^-2)

00001100∙(2⁺⁰)= 00000011∙(2⁺²)

#.4.2. Сложение (вычитание) чисел

A+B= 0,1010100∙(2⁺⁴)+ 0,1100000∙(2⁺³)=

= 0,1010100∙(2⁺⁴)+ 0,0110000∙(2⁺⁴)=

=1,0000100∙(2⁺⁴) - переполнение

мантиссы слагаемых надо уменьшить вдвое:

A+B= 0,1010100∙(2⁺⁴)+ 0,1100000∙(2⁺³)=

= 0,0101010∙(2⁺⁵)+ 0,0011000∙(2⁺⁵)=

=0,1000010∙(2⁺⁵) (0,51625∙32=16,5)

−В=1,1100000∙(2⁺³)→ 1,0100000∙(2⁺³)

А+(−В)= 0,1010100∙(2⁺⁴)+ 1,0100000∙(2⁺³)=

= 0,1010100∙(2⁺⁴)+ 1,1010000∙(2⁺⁴)=

=1 0,0100100∙(2⁺⁴) (0,28125∙16=4,5)

сложение уменьшаемого с дополнением вычитаемого:

А−В=А+(−В)

#.4.3. Умножение чисел

А∙В=С=10,5∙6=63

01010100 ∙(2⁺⁴)

×01100000 ∙(2⁺³)

01010100______

00,01111110000000 ∙(2⁺⁷) (0,4921875∙2⁺⁷=63)

Нормирование - сдвиг влево и отбрасывание восьми младших разрядов.

С=00,01111110000000∙(2⁺⁷)≈ 0,01111110∙(2⁺⁷)

При округлении после сдвига к мантиссе нужно прибавить число с единицей в старшем отбрасываемом разряде:

0000 0000 1000 0000.

#.4.4. Умножение чисел со знаком

(±A)·(±B)=(±C)

(S_A|A|)·(S_B|B|)=(S_c|C|)

|A|·|B|=|C|

S_A=S_B Þ S_c= +

S_A¹S_B Þ S_c= -

#. МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ СЕМЕЙСТВА F²MC-16LX (Fujitsu)

16-разрядные МК принстонской архитектуры. Производительность до 16 MIPS (млн. опер. в сек.).

Различаются

- максимальной внутренней частотой (8..24 МГц),

- типом ПЗУ (масочные ROM, PROM, EPROM),

- объёмом ПЗУ (24..384 Кбайт),

- объёмом ОЗУ (1..16 Кбайт)

- сочетанием > 15 типов периферийных устройств.

МК содержат 16-разрядное ядро, 32-разрядный аккумулятор, 24-разрядная шина адреса (16 Мбайт). Адресное пространство – 256 банков ´64 Кбайта.

#.1. Микроконтроллер MB90F591G

Flash-память - 384 Кбайта. Статическое ОЗУ - 8 Кбайтов.

Clock Controller -синтезатор тактовых частот.

UART -последовательный универсальный асинхронный приёмо-передатчик,

SPI -последовательный периферийный интерфейс,

ADC -8-канальный 10-битный аналого-цифровой преобразователь,

Reload Timer -2-канальный перезагружаемый 16-битный таймер,

Watch Timer -сторожевой таймер,

IO Timer -16-битный таймер ввода/вывода,

Input Capture -блок захвата внешних событий (6 каналов),

Output Comparator -выходой компаратор (6 каналов),

PPG -программируемый генератор импульсов,

CAN -последовательный интерфейс по стандарту CAN,

SMC -контроллер шагового двигателя (4 канала),

Sound Generator -звуковой генератор,

External Interrupt -контроллер внешних запросов прерывания (8 каналов),

General purpose I/O -порты ввода/вывода общего назначения (9 восьми- и 1 шестиразрядный порт с доступом к отдельным битам).

Потребляемый ток – до 80 мА.

#.2. Процессор микроконтроллера

16-разрядное АЛУ и 32-разрядный аккумулятор. Частота машинных тактов - 16 МГц (время выполнения команды ³ 62,5 нс).

#.2.1. Пространство памяти

#.2.2. Регистры специального назначения

а) Аккумулятор (А) – 32 разряда (AH, AL).

б) Регистр состояния процессора (PS)

Регистр кода состояния CCR:

ü С –флаг переполнения разрядной сетки;

ü V –флаг арифметического переполнения;

ü Z –флаг нулевого результата выполненной операции;

ü N –флаг отрицательного результата операции;

ü T –флаг выхода единицы за разрядную сетку при выполнении операций сдвига;

ü S –бит выбора стека (системный или пользовательский);

ü I –бит запрещения прерываний (0 –прерывания запрещены);

Регистр указателя банка регистров общего назначения RP

Маска уровня текущего прерывания ILM.

а) Счётчик команд (РС) – 16 разрядов

в) Регистры указателей банков:

- Регистр указателя банка программ -PCB

- Регистр указателя банка данных -DTB

- Регистр указателя банка дополнит. данных -ADB

- Регистр указателя банка системного стека -SSB

- Регистр указателя банка стека пользователя -USB.

Адресация памяти программ.

Адресация памяти данных.

Адресация стека.

#.2.3. Регистры общего назначения

В памяти организованы 32 банка регистров общего назначения.

Адрес банка 000180_Н+(RP)∙10_H, где (RP) – указатель банка регистров.

#. Система команд микроконтроллера

Форматы данных: бит, байт, слово, двойное слово:

• 8 разрядов: байт (0…255)
  короткое целое (-128…127)
• 16 разрядов: слово (0…65535)
  целое (-32768…32767)
• 32 разряда: двойное слово (0…4 294 967 295)
  длинное целое (-2 147 483 648…2 147 483 647)

Отрицательные числа – в дополнительном коде.

#.1. Способы адресации

Операнды могут располагаться:

· в регистрах общего назначения,

· в регистрах периферийных устройств,

· в специализированных регистрах микропроцессора,

· в ячейках памяти (ОЗУ и ПЗУ),

· в коде команды.

·

а) Прямая регистровая адресация

Пример: R0, RW7, RL3, A, PS – встроенные имена.

б) Косвенная регистровая –операнд находится в ячейке памяти.
ADDR=(DTB|ADB|SSB|USB),(RW0…RW3):
RW0, RW1 →DTB,
RW2 →ADB,
RW3 →SSB или USB.
Пример: @RW1.

в) Косвенная регистровая с пост-инкрементом. ADDR - как п.б); после выбора операнда - RW инкрементируется.
Пример: @RW1+.

г)

д) Косвенная регистровая со смещением.
ADDR=(DTB|ADB|SSB|USB),(RW0…RW3+слово):

Пример: @RW1+25.

е) Косвенная регистровая с индексом.
ADDR=(DTB),(RW0…RW1+ RW7):
Пример: @RW1+RW7.

ж) Косвенная по счетчику команд со смещением
Пример: @РС+1234

з) Прямая.

ü короткая прямая
ADDR=(DTB),( DPR), addr8.

ü прямая
ADDR=(DTB),( DPR), addr16.

ü прямая в области ввода/вывода (000000…0000FF)
ADDR=(00),(00), addr8
Пример: I:123.
прямая адресация бита
Пример: I:16:3.

и) Непосредственная
Пример: #127.

#.2. Типы команд

В зависимости от размера операндов (8, 16, 32 бита) команды подразделяются на одно- , двух – , четырёхбайтные. Наборы одно- и двухбайтных команд почти полностью совпадают. Четырёхбайтные команды поддерживают основные операции, но их разнообразие значительно меньше.

Приведём выборку команд, предназначенных, в основном, для работы с байтами и словами.

А) команды пересылок данных:
MOV d8, s8 s8→d8
MOVW d16, s16 s16→d16

MOVL d32, s32 s32→d32

POPW d16 @(USB,USP)- или @(SSB,SSP)- →d16
PUSHW d16 d16 →@(+USB,USP) или @(+SSB,SSP)
SWAP AL_H↔AL_L
SWAW AL↔AH
XCH d8, s8 d8 ↔s8
XCHW d16, s16 d16 ↔s16

EXT AL_H←FF если AL:7=1, иначе - AL_H←00

EXTW AH←FFFF если AL:15=1, иначе - AH←0000

Б) арифметические команды сложения и вычитания
ADD d8, s8 d8+s8→d8
ADD A, 0E021h

{A=xxxxA046; 0E021h=AB}Þ A=xxxx00F1
ADDW d16, s16 d16+s16→d16
ADDW @RW0+1, A

{A=xxxxCD04; RW0=E2A4; E2A5; E2A6,5=315D}Þ E2A6,5=FE61
ADDC A, s8 A+s8+C→A
ADDC A, 0E035h

{A=xxxxA046; 0E035h=D5; C=1} Þ A= xxxx001С
ADDCW A, s16 A+s16+C→A
ADDCW A, @RW0+

{A=xxxx2068; RW0=E024; E024=52; E025=89;C=1}ÞA=xxxxA9BB, RW0=E026
SUB d8, s8 d8-s8→d8

SUB A, #22h

{A=xxxx4901}Þ A=xxxx00DF

SUBC A, s8 A ← A-s8-C

SUBC A, R1

{A=xxxx0035; R1=54; C=0} Þ A: xxxx00E1

SUBW d16, s16 d16-s16→d16

SUBW @RW0+, A

{A=xxxx3104; RW0=E2A4h; E2A5,4h=5DAB}Þ E2A5,4h=2CA7

SUBCW A, s16 A ← A-s16-C

SUBCW A, 0E024h

{A=xxxx7558; E024h=5B; E025h=A9;C=1}ÞA=xxxxCBFC

В) арифметические команды умножения и деления

MUL A, s8 AL ←AL_L×s8

MUL A, R7

{A=xxxx 0085; R7=A5}Þ A=xxxx 2BB9

MULU A, s8 AL ←AL_L×s8

MULU A, R7

{A=xxxx 0085; R7=A5}Þ A=xxxx 55B9

DIV A, s8 AL_L ←AL/s8; s8 ←AL mod s8

DIV A, R0

{A=1357; R0=AAh}Þ A=00C7; R0=31

DIVU A, s8 AL_L ←AL/s8; s8 ←AL mod s8

DIVU A, ААh

{A=1357; R0=AAh }Þ A=001D; R0=15

MULW A A ←AH×AL

MULW A, s16 A ←AL×s16

MULW A

{A=AD01 05ED}Þ A=FE14 2EED

MULUW A A ←AH×AL

MULUW A, s16 A ←AL×s16

MULUW A

{A=AD01 05ED}Þ A=0401 2EED

DIVW A, s16 AL ←A/s16; s16 ←A mod s16

DIVW A, 7254h

{A=0000 1357; 7255h…7254=00 AA}Þ A=0000 001D; 7255h…7254h=00 15

DIVUW A, s16 AL ←A/s16; s16 ←A mod s16

DIVUW A, 7254h

{A=0000 1357; 7255h…7254=00 AA}Þ A=0000 001D; 7255h…7254=00 15

В) команды инкремента и декремента

INC s8 s8+1→s8

DEC s8 s8-1→s8

INCW s16 s16+1→s16

DECW s16 s16-1→s16

INCL s32 s32+1→s32

DECL s32 s32-1→s32

В) логические команды:

AND d8, s8 (d8 Λ s8)→d8

NOT s8 (ıs8) →s8

OR d8, s8 (d8 V s8)→d8

XOR d8, s8 (d8 Å s8)→d8

NEG s8 -s8→s8

ANDW d16, s16 (d16 Λ s16)→d16

NOTW s16 (ıs16) →s16

ORW d16, s16 (d16 V s16)→d16

XORW d16, s16 (d16 Å s16)→d16

NEGW s16 -s16→s16

Г) сравнение:
CMP A, s8 (A-s8) →флаги в CCR
CMPW A, s16 (A-s16) →флаги в CCR

Д) сдвиги:
ASR A, R0 R0 –число сдвигов. Если «1»→С, то «1»→T
LSR A, R0

LSL A, R0

RORC d8

ROLC d8

Е) битовые операции:
CLB d8:db сброс бита
SETB d8:db установка бита
WBTC d8:db ожидание сброса бита
WBTS d8:db ожидание установки бита

Ж) передача управления:
JMP M переход на метку «М»
BBC d8:db, M переход на метку «М», если бит сброшен
BBS d8:db, M переход на метку «М», если бит установлен

переходы на метку «М» по флагам в CCR (по результату сравнения)
BEQ M d=s
BNE M d≠s

BLO M d<s –сравнение без знака

BHS M d≥s –сравнение без знака

BLT M d<s –сравнение со знаком

BGE M d≥s –сравнение со знаком

CBNE s8, #d8, M если s8≠d8 –переход на метку М

DBNZ d8, M (d8-1)→d8, и если d8≠0 –переход на метку М

CALL M переход на подпрограмму М

RET возврат из подпрограммы

RETI возврат из процедуры прерывания

#.3. ОСНОВНЫЕ ПРИЁМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

А) Передача параметров в подпрограмму

- передача данные через стек, с использованием команд PUSH и POP.

- передача через банк регистров общего назначения.

- директивы .EXPORT и .IMPORT.

Б) Операции над целыми числами повышенной разрядности

1) Сложение

а) Сложить младшие байты

б) Сложить старшие байты и бит переноса С

2) Вычитание

а) Получить дополнительный код вычитаемого

б) Выполнить сложение операндов

3) Умножение

а) Умножить А₀×В₀ →L₁L₀

б) Умножить А₁×В₀ →E₂E₁

в) Умножить А₀×В₁ →F₂F₁

г) Умножить А₁×В₁ →D₃D₂

д) Сложить L₁+E₁ →n; c→S

е) Сложить F₁+n →N; c+S→S

ж) Сложить Е₂+S →Е₂; с→S

з) Сложить E₂+F₂→m; c+S→S

и) Сложить D₂+m →M; c+S→S

к) Сложить D₃+S →Н

При умножении чисел со знаком, перемножаются модули сомножителей. Если знаки сомножителей различны, в качестве результата берётся дополнительный код произведения.

4) Деление

В командах деления делимое размещается в регистре удвоенной длины 2N. Если при делении частное превышает размер регистра-приёмника N, команда деления не выполняется: 03FA : 02 =01FD

Для исключения подобных случаев, делимое разделяется на две части.

5) Извлечение квадратного корня

Для вычисления целой части квадратного корня числа N, можно применить итерационный метод: квадратный корень из целого числа равен количеству последовательных нечётных чисел, сумма которых равна числу N с недостатком или избытком.

В) Организация разветвляющихся вычислительных процессов

1) Выполнение группы команд при определённых условиях

Пример: Вычислить модуль числа в регистре R0.

MOV A, R0

CMP A, #0

BP m1

NEG R0

m1: NOP

2) Многократное выполнение группы команд (цикл)

а) с фиксированным числом проходов

Пример: Вычислить четвёртую степень содержимого регистра RW0

MOV R0, #4 MOV R0, #0

MOVW A, #1 MOVW A, #1

m1: MULW A, RW0 m1: MULW A, RW0

DBNZ R0, m1 INC R0

MOVW RW0, A CBNE R0, #4, m1

MOVW RW0, A

б) с выходом из цикла по условию

Пример: Сдвигать содержимое RW0 влево, пока RW0:15≠1 и определить число сдвигов

MOV R1, #0

MOVW A, RW0

m2: CMPW A, #0

BN m1

LSLW A

INC R1

JMP m2

m1: NOP

Г) Табличные функции

Табличные функции являются структурами данных, содержащими информацию (данные или адреса), имеющую определённую связь с известным значением. Например, телефонный справочник является табличной функцией: по известной фамилии можно найти соответствующий номер телефона.

а) Табличные функции как замена формул на примере Sin(X)

Для точного вычисления синуса угла можно использовать разложение в ряд

Если требуется иметь значение синуса угла в пределах 0^о…360^о с шагом в один грудус, то можно составить таблицу значений синусов для углов первого квадранта 0^о…90^о и вместо вычислений по формуле просто выбирать из таблицы готовый результат. При этом нужно иметь в виду соотношения

х=0^о…90^о sin(x)

х=91^о…180^о sin(180^o-x)

х=181^о…270^о -sin(x-180^o)

x=271^o…360^o -sin(360^o-x)

б) Табличное преобразование кодов

С помощью таблиц можно изменить формат представления данных, сформировать код для вывода нужного символа на дисплей или принтер, получить код для управления периферийным устройством и т.п.

в) Таблицы переходов

Вместо значений данных таблицы могут содержать адреса. Например, процедура обработки прерывания может использовать таблицу переходов для выбора разных подпрограммы в зависимости от состояния устройства.