WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
С. И. Зиатдинов, Л. А. Осипов ПРОЕКТИРОВАНИЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЕЙ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ Учебное пособие 2002 УДК 681.32.01(075) ББК 32.973.2 З59 Зиатдинов С. И., Осипов Л. А.

З59 Проектирование специализированных вычислителей цифровой обработки сигналов: Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2002. 75 с.: ил.

Изложены вопросы проектирования специализированных вычислителей на базе микроЭВМ, микроконтроллеров и БИС с жесткой логикой. Даны теоретические основы решения задач цифровой обработки информации.

Учебное пособие предназначено для студентов старших курсов, специализирующихся в области создания вычислительных систем.

Рецензенты:

кафедра радиотехнических систем Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. Бонч-Бруевича;

доктор технических наук В. В. Изранцев - СПбГУАП, 2002 © С. И. Зиатдинов, Л. А. Осипов, 2002 © ВВЕДЕНИЕ Специализированные вычислители решают задачи первичной и вторичной цифровой обработки информации.

При первичной обработке обеспечивается преобразование входных сигналов в цифровую форму, обнаружение полезных сигналов в помехах, измерение параметров сигналов, их спектрально-корреляционные преобразования и т. д. Основные методы решения этих задач заключаются в цифровой обработке во временной области и обработке в частотной области (например, цифровая фильтрация с использованием дискретного преобразования Фурье).

Исключительно важным требованием является необходимость выполнения обработки в реальном масштабе времени, что накладывает жесткие ограничения как на время решения задач, так и на скорость обмена информацией средствами интерфейса.

При вторичной обработке решаются задачи траекторных измерений, распознавание образов, задачи управления, контроля, диагностики и т. д.

В случае цифровой обработки различные алгоритмы могут реализоваться аппаратно, программно и программно-аппаратно.

Основной принцип замены аппаратных средств программными заключается в том, что программы, реализуемые микропроцессорной системой, могут заменить аппаратные средства, которые воспринимают, хранят, обрабатывают и выдают цифровую информацию. Аппаратные и программные средства оказываются, в известной степени, взаимозаменяемыми и соотношения между ними определяются, главным образом, экономическими факторами.

Аппаратная реализация труднее поддается модификации, а программная – отличается гибкостью. Самое существенное ограничение замены аппаратных средств программными – это быстродействие. Производительность специализированного устройства, выполняющего некоторую функцию, всегда выше производительности устройств, реализующих ту же функцию программно.

В настоящее время реализация специализированных вычислителей, обеспечивающих выполнение заданного алгоритма за отрезок времени, исчисляемый долями и единицами микросекунды, возможна лишь на устройствах с жесткой логикой.

В этом случае эффективный подход к обеспечению обработки в реальном масштабе времени – это создание специализированных средств цифровой обработки на основе БИС и СБИС. В настоящее время появились специализированные микросхемы сложения, вычитания, умножения и деления многоразрядных чисел, представленных в различных форматах.

В то же время в таких областях, как связь, медицина, акустика, бытовая техника и т. д. с успехом можно использовать микропроцессорные системы, обладающие исключительной гибкостью алгоритмов обработки.

В настоящем учебном пособии изложены вопросы разработки специализированных вычислителей как на микропроцессорной основе, так и на базе устройств с жесткой логикой.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЯХ 1.1. Обобщенная структура специализированного вычислителя Укрупненно в состав специализированного вычислителя, независимо от используемой элементной базы, входят устройства ввода информации (Увв), арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство вывода информации (Увыв). Данная структура показана на рис. 1.1.

Увв АЛУ Увыв Рис. 1.Входная информация может быть представлена как в цифровой, так и в виде непрерывного либо дискретного аналогового сигнала. При цифровом представлении входной информации для ее временного хранения могут использоваться регистры-защелки и программируемые контроллеры ввода данных.

Непосредственный ввод информации может осуществляться как по инициативе спецвычислителя, так и в режиме запроса прерывания от внешнего устройства.

В случае использования аналогового входного сигнала в устройстве ввода происходит его преобразование в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Арифметико-логическое устройство, построенное в виде программируемого автомата либо по схеме с жесткой логикой, реализует заданный пользователем алгоритм обработки. Результат обработки выводится через устройства вывода к потребителю. При этом вывод данных может осуществляться как в цифровой форме, так и с предварительным преобразованием с помощью цифроаналогового преобразователя в непрерывный сигнал. Вывод информации реализуется либо по инициативе спецвычислителя, либо в режиме прерывания по запросу внешнего устройства.

Очевидно, что качество выполнения заданного алгоритма всецело определяется быстродействием и точностными характеристиками всех трех устройств, входящих в специализированный вычислитель.

При этом количество операций ввода-вывода мало по сравнению с числом арифметических и логических операций. По этой причине основная нагрузка ложится на арифметико-логическое устройство.

1.2. Обзор современных микропроцессоров Для реализации алгоритмов обработки широко используются как микропроцессоры и микроконтроллеры, так и микроЭВМ. Такие устройства должны иметь следующие основные функциональные блоки:



микропроцессор (микроконтроллер) или микроЭВМ для выполнения арифметических и логических операций, а также управления;

постоянное запоминающее устройство для хранения программ и констант;

оперативное запоминающее устройство для хранения входных и выходных данных и промежуточных результатов;

интерфейс ввода и вывода для сопряжения вычислителя с внешними устройствами.

Пригодность того или иного микропроцессорного комплекта к решению задач цифровой обработки сигналов определяется рядом тактикоэкономических параметров:

– время выполнения команд;

– наличие в системе команд, необходимых для выполнения операций обработки (умножение, деление, сложение, сдвиговые, операции ввода и вывода и т. д.);

– количество регистров общего назначения (сверхоперативной памяти);

– емкость адресуемой памяти, которая определяет максимальный объем обрабатываемой информации;

– наличие системы прерываний (определяет возможность многоканального режима работы).

Программная реализация алгоритмов цифровой обработки сигналов обычно занимает много времени, в первую очередь, из-за длительности выполнения операции умножения. Поэтому она используется в основном для решения задач, не лимитированных жесткими временными рамками. Для решения задач обработки в реальном масштабе времени особенности структуры алгоритмов обработки должны быть учтены возможно более полно в архитектуре вычислительных средств.

Ниже приведены основные технические характеристики современных микропроцессоров и микроконтроллеров.

1.2.1. Микроконтроллеры фирмы Atmel Фирма Atmel производит две серии микроконтроллеров: серию АТ89, совместимую с фактически промышленным стандартом MCS-51, и серию RISC-микроконтроллеров АТ90 собственной архитектуры.

Микроконтроллеры серии АТ89 имеют следующие основные особенности:

– 8-разрядный процессор, оптимизированный для приложений управления;

– обширные возможности побитовой обработки;

– встроенная FLASH-память программ;

– двунаправленные и индивидуально адресуемые линии ввода-вывода;

– один или несколько 16-разрядных таймеров-счетчиков; полнодуплексный UART;

– разветвленная структура прерываний;

– встроенный тактовый генератор;

– экономичные режимы: IDLE и POWER DOWN;

– встроенная память EEPROM (AT89S);

– последовательный интерфейс SPI (AT89S);

– сторожевой таймер.

Свойства семейства микроконтроллеров представлены в табл.1.1.

Таблица 1.АТ89 AT89 AT89 AT89 AT89 AT89 ATТип микроконтроллера С51 LV51 C52 LV52 C2051 C1051 SПамять программ, Кбайт 4 4 8 8 2 1 Память данных, байт 128 128 256 256 128 64 Память EEPROM, Кбайт – – – – – – Выводы ввода-вывода 32 32 32 32 15 15 16-битные таймеры-счетчики 2 2 3 3 2 1 UART + + + + + – + Источники прерываний 6 6 8 8 6 3 Биты защиты 3 3 3 3 2 2 Микроконтроллеры AVR серии AT90 с RISC-архитектурой производятся по энергонезависимой КМОП-технологии с низким потреблением по питанию фирмой Atmel. Перепрограммируемая энергонезависимая FLASH-память обеспечивает перепрограммирование контроллеров как с помощью обычного программатора, так и на плате через последовательный интерфейс SPI.

В табл. 1.2 представлен состав микроконтроллеров.

Таблица 1.AT90S AT90S AT90S AT90S Тип микроконтроллера 1200 2313 4414 Количество команд 89 120 120 FLASH-память программ, Кбайт 1 2 4 Память EEPROM, байт 64 128 256 Оперативная память, байт – 128 256 Тактовая частота, МГц 0...16 0...16 0...20 0...Количество линий ввода-вывода 15 15 32 Аналоговый компаратор ++ + + 8-разрядный таймер-счетчик ++ + + 16-разрядный таймер-счетчик – + + + ШИМ –– + + UART – + + + Последовательный интерфейс SPI –– + + Сторожевой таймер ++ + + Количество выводов 20 20 40 Типы корпусов PDIP, SOIC, PDIP, SOIC, PDIP, PDIP, SSOP SSOP PLCC PLCC Основные характеристики младшей модели семейства микроконтроллера AT90S1200:

– 89 команд, выполняемых за один такт каждая;

– 32 8-битовых универсальных регистра;

– рабочая частота 0 Гц–16 МГц (минимальный цикл выполнения команды 62,5 нс );

– 16-битовые команды;

– 8-битовые данные;

– 1 Кбайт репрограммируемой FLASH-памяти программ с ресурсом 1000 циклов записи/стирания;

– возможность перепрограммирования на плате через последовательный интерфейс SPI;

– 64 бита электрически перепрограммируемой памяти EEPROM с ресурсом 100000 циклов записи/стирания;

– 15 индивидуально программируемых линий ввода/вывода;

– максимальный втекающий ток – 20 мА;

– максимальный вытекающий ток – 3 мА;

– встроенный аналоговый компаратор;

– 8-разрядный таймер-счетчик с 10-разрядным программируемым предварительным делителем;

– автоматический сброс при подаче напряжения питания;

– сторожевой (Watchdog) таймер с собственным встроенным генератором частотой 1 МГц, обеспечивающим повышенную надежность;

– наличие битов секретности для защиты кодов;

– биты идентификации;

– экономичный режим: IDLE и POWER DOWN;

– энергонезависимая экономичная высокоскоростная КМОП-технология;

– полностью статическая архитектура;

– широкий диапазон рабочего напряжения питания и температуры:

2,7–6,0 В; –5,5–+125 °C;

– низкое энергопотребление:

2 мА (типично для 3 В, 4 МГц);

500 мкА (типично для 3 В, 4 МГц в режиме Idle);

15 мкА (максимально для 3 В в режиме Power down при включенном сторожевом таймере);

1 мкА (максимально для 3 В в режиме Power down при отключенном сторожевом таймере).





1.2.2. PIC-контроллеры фирмы Microchip Микроконтроллеры семейства PIC (Peripheral Interface Controller) объединяют все передовые технологии микроконтроллеров: электрически программируемые пользователем ППЗУ, минимальное энергопотребление, высокую производительность, хорошо развитую RISC-архитектуру, функциональную законченность и минимальные размеры.

На базе микроконтроллеров фирмы Microchip строятся микроАТС, автоответчики, АОНы, мобильные телефоны, зарядные устройства, факсы, модемы, пейджеры, таймеры, системы сигнализации, измерительные приборы, счетчики воды, газа и электроэнергии, дозиметры, приборы автосигнализации, системы управления зажиганием и впрыском топлива, приборные панели и радарные детекторы, интеллектуальные датчики, системы управления электродвигателями, промышленные роботы, регуляторы температуры, влажности, давления и т.п., схемы управления принтерами, плоттерами, сетевые контроллеры, сканеры, системы управления аудиосистемами, системы синтеза речевых сообщений, видеоигры, системы дистанционного управления, кассовые аппараты и т. д.

В зависимости от производительности и функциональных возможностей микроконтроллеры серии PIC 16/17 подразделяются на три семейства:

– PIC16С5Х – базовое семейство с 12-разрядными командами;

– PIC16С6Х/7Х/8Х – расширенное семейство с 14-разрядными командами;

– PIC17СХХ – высокопроизводительное семейство с 16-разрядными командами.

Сравнительные характеристики микроконтроллеров семейства PIC приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.PIC12 PIC16 PIC16 PIC17 PIC17 PICТип микроконтроллера C673 C57 C710 C42A C752 CКоличество команд 33/35 33 35 58 58 Память программ 1024 2048 512 2048 8192 14 12 4 16 16 OTP/ROM ORT ORT ORT ORT ORT ORT Оперативная память, байт 128 8 72 8 36 8 232 8 678 8 512 Тактовая частота, МГц 10 20 33 33 33 Число линий ввода-вывода 6 20 13 33 50 Таймер + сторожевой таймер 1+ 1+ 1+ 4+ 4+ 3+ WDT WDT WDT WDT WDT WDT WDT Наличие АЦП (количество входов) 4 – 4 – 12 – Программирование на плате + – + – – + Умножитель – – – 88 88 – Последовательный интерфейс – – – + – – В таблице использованы следующие обозначения: ORT – однократно программируемый кристалл; ROM – память программ с масочным ПЗУ; WDT – сторожевой таймер.

В качестве примера более подробно рассмотрим технические характеристики микроконтроллеров PIC16C5X:

– 33 команды;

– все команды выполняются за один цикл (200 нс на 20 МГц), кроме команд перехода (2 цикла);

– рабочая частота 0 Гц–20 МГц;

– 12-битовые команды;

– 8-битовые данные;

– 7(8) специальных аппаратных регистров SFR;

– двухуровневый аппаратный стек;

– прямая, непосредственная, косвенная и относительная адресация данных и команд;

– 12(20) линий ввода-вывода с индивидуальной настройкой;

– максимальный втекающий ток – 10 мА;

– максимальный вытекающий ток – 10 мА;

– автоматический сброс при включении;

– 8-битовый таймер/счетчик с 8-битовым программируемым предварительным делителем;

– таймер включения при сбросе;

– сторожевой таймер WDT с собственным встроенным генератором, обеспечивающим повышенную надежность;

– EPROM-бит защиты кода;

– бит идентификации;

– экономичный режим SLEEP;

– выбираемые пользователем биты для установки режима возбуждения встроенного генератора;

– RC-генератор (RC);

– обычный кварцевый резонатор (ХТ);

– высокочастотный кварцевый резонатор (HS);

– экономичный высокочастотный кристалл;

– встроенное устройство программирования EPROM-памяти программ;

– широкий диапазон напряжений питания и температур:

коммерческий: 2,0–6,0 В; 0–+70 °С;

промышленный: 2,0–6,0 В; –40–+70 °С;

– низкое энергопотребление:

2 мА (типично для 5 В, 4 МГц);

15 мкА (типично для 3 В, 32 кГц);

1 мкА (в режиме ожидания при 3 В).

1.2.3. Микроконтроллеры SX18AC/SX28AC фирмы Scenix Микроконтроллеры SX – высокоскоростные 8-разрядные микроконтроллеры с внутренней FLASH-памятью программ объемом 2К слов.

Основные особенности микроконтроллеров:

– скорость выполнения команд 50 MIPS при тактовой частоте 50 МГц;

– выполнение команд за один такт;

– 204812 бит FLASH-память с ресурсом 10000 циклов записи;

– совместимость по программному коду и выводам с микроконтроллерами PIC16С5Х;

– программирование на плате через вывод OSC;

– пошаговый режим и останов в контрольных точках с использованием вывода OSC2;

– внутренний RC-генератор с частотой 4 МГц с возможностью деления частоты с коэффициентом от 1 до 128;

– аналоговый компаратор;

– все выводы обеспечивают втекающий/вытекающий ток до 30 мА;

– экономичный режим;

– таймер-счетчик;

– каждый вывод можно запрограммировать как вход или выход.

Микроконтроллеры SX имеют специальные возможности, которые обеспечивают снижение стоимости системы и пониженное потребление по питанию. Таймер сброса по подаче питания и сброса устройства устраняет необходимость применения внешней схемы сброса. Имеется возможность выбора одной из пяти конфигураций тактового генератора, включая программируемый внутренний генератор 4 МГц. Энергосберегающий режим SLEEP, сторожевой таймер и возможность защиты кода уменьшают стоимость системы.

Области применения микроконтроллеров SX:

– генерация и измерение частоты;

– работа с сетями;

– контроллеры динамической памяти;

– синтез звука;

– фазоимпульсная и широтно-импульсная модуляция;

– дельта-сигма АЦП;

– спектральный анализ;

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.