Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов

Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов

План

. Перевести десятичные числа А=58, В=13 в двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную системы

. По заданной логической функции составить таблицу истинности, карту Карно, минимизировать её и преобразовать к виду имеющихся элементов И-НЕ, построить схему

. Мультиплексоры: назначение, схемы на логических элементах

. ЦАП с весовой резисторной матрицей

. АЛУ: назначение, структура, виды операций

. Структуры микропроцессорных систем управления, функции их элементов

Список используемых источников

1. Перевести десятичные числа А=58, В=13 в двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную системы

А: 58 = 1110102 ; 58 = 0728 ; 58 = 03A16

В: 13 = 11012; 13 = 158; 13 = 0D16

. По заданной логической функции составить таблицу истинности, карту Карно, минимизировать её и преобразовать к виду имеющихся элементов И-НЕ, построить схему

Построим таблицу истинности. Так как число независимых переменных n=4 то таблица содержит  строк.

Таблица 1 - таблица истинности

Карта Карно - графическое представление таблицы истинности. Каждой клетке карты Карно соответствует строка таблицы истинности. По осям карты расставляются сочетания переменных, а внутри карты - значения функции.

Рис.1 - Карта Карно

Рис. 2 - Минимизация функции четырех переменных

После анализа контуров получим минимальное выражение:

Для вычисления логической функции путем выполнения операции И-НЕ ее необходимо представить в виде ДНФ. Выполнив далее двойное отрицание и применив закон отрицания, мы приведем функцию к требуемому виду.

Строим схему на элементах И-НЕ.

Рис. 3 - Схема логической функции на элементах И-НЕ

. Мультиплексоры: назначение, схемы на логических элементах

мультиплексор микропроцессорный логический матрица

Мультиплексор - устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу.

Мультиплексор имеет несколько информационных входов (), адресные входы (), вход для подачи стробирующего сигнала С и один выход Q.

Мультиплексор позволяет передавать сигнал с одного из входов на выход; при этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов.

Назначение мультиплексоров - коммутировать в желаемом порядке информацию, поступающую с нескольких входных шин на одну выходную. С помощью мультиплексора осуществляется временное разделение информации, поступающей по разным каналам.

Мультиплексор можно уподобить бесконтактному многопозиционному выключателю.

Рис.4 Мультиплексор с четырьмя информационными входами

Мультиплексоры обладают двумя группами входов и одним, реже двумя - взаимодополняющими выходами. Одни входы информационные, а другие служат для управления. К ним относятся адресные и разрешающие (стробирующие) входы. Если мультиплексор имеет N адресных входов, то число информационных входов будет 2**N. Набор сигналов на адресных входах определяет конкретный информационный вход, который будет соединен с выходным выходом.

Разрешающий вход управляет одновременно всеми информационными входами независимо от состояния адресных входов. Разрешающий сигнал на этом входе блокирует действие всего устройства Наличие разрешающего входа расширяет функциональные возможности мультиплексоров, позволяя синхронизировать их работу с работой других узлов. Разрешающий вход употребляется также для наращивания разрядности мультиплексоров.

Мультиплексоры могут использоваться в делителях частоты, триггерных устройствах, сдвигающих устройствах и др. Мультиплексоры могут использоваться для преобразования параллельного двоичного кода в последовательный. Для такого преобразования достаточно подать на информационные входы мультиплексора параллельный двоичный код, а сигналы на адресные входы подавать в такой последовательности, чтобы к выходу поочередно подключались входы, начиная с первого и заканчивая последним.

. ЦАП с весовой резисторной матрицей

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Такое преобразование необходимо при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой для передачи на большое расстояние или хранение.

К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность, время установления, погрешность нелинейности и др. Разрешающая способность - величина, обратная максимальному числу шагов квантования выходного аналогового сигнала. Время установления tуст - интервал времени от подачи кода на вход до момента, когда выходной сигнал войдет в заданные пределы, определяемые погрешностью. Погрешность нелинейности - максимальное отклонение графика зависимости выходного напряжения от напряжения, задаваемого цифровым сигналом, по отношению к идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

Рассмотрим ЦАП на основе резистивной матрицы R-2R (матрицы постоянного сопротивления).

Рис.5 ЦАП на основе резистивной матрицы

Из анализа схемы можно увидеть, что и для нее модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S_l...S₄. Анализ легко выполнить, учитывая следующее.

Пусть каждый из ключей S₁...S₄ подключен к общей точке. Тогда, напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек "a"... "d" в 2 раза больше, чем в предыдущей. К примеру, напряжение в точке "b" в 2 раза больше, чем в точке "а", (напряжения U_a, U_b, U_c и U_d в указанных точках определяются следующим образом:

U_d = U₀; U_c = U₀/2; U_b =U₀/4; U_d = U₀/8).

Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжение в точках "a"... "d" не изменяется, так как напряжение между входами операционного усилителя практически нулевое.

Из вышеизложенного следует, что

,

т.е. ,

где S_i, i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0,если ключ разомкнут.

На основе матрицы R-2R выполнены 12-ти разрядные ЦАП распространенных микросхем серии 572, 1108, 1118.

. АЛУ: назначение, структура, виды операций

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является одной из основных функциональных частей процессора, осуществляющей непосредственное преобразование информации.

В процессоре может быть одно универсальное АЛУ для выполнения всех основных арифметических и логических преобразований или несколько специализированных для отдельных видов операций. В последнем случае увеличивается количество оборудования процессора, но повышается его быстродействие за счет специализации и упрощения схем выполнения отдельных операций.

Все операции, выполняемые в АЛУ, можно разделить на следующие группы:

операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной запятой;

операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей запятой;

операции десятичной арифметики (над числами, представленными в двоично-десятичном коде);

операции адресной арифметики (при модификации адресов команд);

операции специальной арифметики;

логические операции;

операции над алфавитно-цифровыми полями.

Как правило, в любом АЛУ предусмотрена возможность выполнения четырех основных арифметических операций, нескольких логических операций, а также сдвигов. Набор операций АЛУ является одной из основных его характеристик.

Так как АЛУ является законченным в функциональном отношении устройством, то на него распространяются общие закономерности технических систем. Поэтому в составе АЛУ в общем случае можно выделить четыре группы узлов, соответствующих основным системным процессам: хранения, передачи, преобразования, управления.

К узлам хранения в АЛУ относятся:

регистры, обеспечивающие хранение операндов, промежуточных и окончательных результатов;

триггеры, позволяющие хранить различные признаки результатов или какие-либо вспомогательные биты.

В некоторых случаях регистры АЛУ образуют блок регистровой памяти, а триггеры (называемые также флажками) объединяются в регистр состояния.

К узлам передачи, имеющимся в АЛУ, относятся:

шины, соединяющие отдельные блоки АЛУ;

блоки вентилей (схем И) и мультиплексоры, обеспечивающие выполнение передачи по выбранному направлению и в нужный момент времени.

АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и элемента управления выполняемым процессом. Устройство работает в соответствии с сообщаемыми ему именами (кодами) операций, которые при пересылке данных нужно выполнить над переменными, помещаемыми в регистры.

Основными являются арифметические и логические операции. К арифметическим операциям относятся сложение, вычитание, вычитание модулей ("короткие операции"), умножение и деление ("длинные операции"). Группу логических операций составляют операции дизъюнкции (логическое ИЛИ) и конъюнкции (логическое И) над многоразрядными двоичными словами, сравнение кодов на равенство

Современные универсальные ЭВМ обычно реализуют операции всех приведенных выше групп, а специализированные ЭВМ часто не имеют аппаратуры для обработки чисел с плавающей запятой, десятичных чисел и операций над алфавитно-цифровыми полями. В этом случае эти операции выполняются специальными подпрограммами.

По способу представления чисел различают АЛУ:

для чисел с фиксированной запятой;

для чисел с плавающей запятой;

для десятичных чисел.

По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные.

По структурной организации АЛУ можно разделить на устройства,

имеющие:

регистровую структуру с непосредственными связями и закрепленной логикой;

магистральную структуру с сосредоточенной памятью и логикой.

. Структуры микропроцессорных систем управления, функции их элементов

Применение микропроцессорных систем практически во всех электрических устройствах - важнейшая черта технической инфраструктуры современного общества. Электроэнергетика, промышленность, транспорт, системы связи существенно зависят от компьютерных систем управления. Микропроцессорные системы встраиваются в измерительные приборы, электрические аппараты, осветительные установки и др.

Микропроцессорные системы предназначены для автоматизации обработки информации и управления различными процессами.

Понятие "Микропроцессорная система" очень широко и объединяет такие понятия как "Электронно-вычислительная машина (ЭВМ)", "управляющая ЭВМ", "Компьютер" и т.п.

Микропроцессорная система работает с цифровой информацией, которая представляет собой последовательность цифровых кодов.

В основе любой микропроцессорной системы лежит микропроцессор, который способен воспринимать только двоичные числа (составленные из 0 и 1). Двоичные числа записываются посредством двоичной системы счисления. Например, в повседневной жизни мы пользуемся десятичной системой счисления, в которой для записи чисел используются десять символов или цифр 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Соответственно в двоичной системе таких символов (или цифр) всего два - 0 и 1.

Необходимо понимать, что система счисления - это всего лишь правила записи чисел, и выбор типа системы определятся удобством применения. Выбор двоичной системы обусловлен её простотой, а значит надёжностью работы цифровых устройств и лёгкостью их технической реализации.

Основу микропроцессорной системы составляет микропроцессор (процессор), который выполняет функции обработки информации и управления. Остальные устройства, входящие в состав микропроцессорной системы, обслуживают процессор, помогая ему в работе.

Обязательными устройствами для создания микропроцессорной системы являются порты ввода/вывода и отчасти память. Порты ввода/вывода связывают процессор с внешним миром, обеспечивая ввод информации для обработки и вывод результатов обработки, либо управляющих воздействий. К портам ввода подключают кнопки (клавиатуру), различные датчики; к портам вывода - устройства, которые допускают электрическое управление: индикаторы, дисплеи, контакторы, электроклапаны, электродвигатели и т.д.

Память нужна в первую очередь для хранения программы (либо набора программ), необходимой для работы процессора.

Структура микропроцессорной системы представлена на рисунке 6.

Рис.6 Структура микропроцессорной системы

В упрощённом виде процессор состоит из арифметически-логического устройства (АЛУ), осуществляющего обработку цифровой информации и устройства управления (УУ).

Память обычно включает постоянно-запоминающее устройство (ПЗУ), являющееся энергонезависимым и предназначенное для долговременного хранения информации (например, программ), и оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для временного хранения данных.

Список используемых источников

. Калабеков Б.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов. - М.: Радио и связь, 1988.

. Угрюмов Е. Цифровая схемотехника. - С - П.: БХВ - Петербург, 2004.

. Полуянов М.И. Бортовые цифровые вычислительные устройства и машины. Методическое пособие и задания на практические занятия. МГВАК, 2009.

. Полуянов М.И. Бортовые цифровые вычислительные устройства и машины: Лабораторный практикум. - Мн.: МГВАК, 2009.