Основы бортовых вычислительных машин
 Скачать 3.2 Mb.
|
|
микропроцессор (МП) — это программно управляемая сверхбольшая интегральная схема (СБИС), предназна- ченная для обработки цифровой информации. Обладая небольшими размерами, кристалл МП содержит несколько миллионов транзисто- ров и выполняет функции, свойственные важнейшему узлу ЭВМ — процессору. Наибольший эффект от внедрения МП достигается в уст- ройствах и системах локальной автоматики, системах измерения, контроля и других областях, в которых применение средств цифровой обработки данных до появления МП было нерентабельным. Сравни- тельно низкая стоимость, малые габариты и потребляемая мощность, высокая надежность и исключительная гибкость, не свойственная другим способам обработки данных, обеспечивают возможность по- строения БВМ на МП. 194 За более чем тридцатилетнюю историю развития микропроцес- соров произошло значительное повышение производительности МП, изменение архитектурных принципов построения и технологии про- изводства. Но для того чтобы уяснить основные принципы функцио- нирования МП прежде всего необходимо рассмотреть структурную схему одного из первых микропроцессоров отечественного производ- ства серии К580. Этот по современным меркам скромный МП обра- батывает восьмиразрядные данные. Несмотря на то, что он обеспечи- вает адресацию только 64 Кбайт ячеек памяти, области его примене- ния по-прежнему чрезвычайно широки: более 90% практических за- дач обработки информации в бортовом РЭО могут быть решены на его основе. Однокристальный микропроцессор К580ВМ80А с программным управлением (УУ с жесткой логикой) и фиксированной системой ко- манд предназначен для параллельной обработки 8-разрядной цифро- вой информации. По назначению относится к классу универсальных МП и применяется в различных областях техники — от одноплатных контроллеров технологических процессов до персональных ЭВМ ма- лой производительности. Кристалл МП выполнен по n-МОП техноло- гии и содержит 4800 транзисторов. Быстродействие МП достигает 500 тыс.оп/с простых операций типа «регистр — регистр» при дли- тельности цикла 250 нс. Конструктивно МП выполнен в пластмассо- вом корпусе с 40 выводами. Для расширения функциональных воз- можностей разработано значительное количество микросхем под- держки, которые составляют микропроцессорный комплект (МПК) К580, состоящий из 18 БИС. Структурная схема МП КР580ВМ80А (рисунок 5.17) состоит из двух частей: операционной (ОП) и управляющей (УП). Обе части расположены на одном кристалле. Управляющая часть содержит не- доступную для пользователя управляющую память, в которую в про- цессе изготовления БИС записаны операции, определяющие состав команд МП. Операционная часть МП построена на базе 8-разрядного АЛУ, на два входа которого подключены два 8-разрядных буферных реги- стра БР1 и БР2. Вход регистра БР1 соединен с внутренней магистра- лью МП, а вход регистра БР2 — с аккумулятором, выполняющим функции регистра накопителя. 195 Блок РОН содержит шесть 8-разрядных регистров, обозначае- мых буквами В, С, D, E, H, L, которые могут использоваться как оди- ночные 8-разрядные регистры и как регистровые 16-разрядные пары ВС, DE, HL. Объединение регистров в пары дает возможность хра- нить 16-разрядные двоичные числа. Все регистры имеют трехразряд- ные кодовые обозначения. Регистровая пара обозначается кодом старшего регистра в паре. Например, регистр D имеет кодовое обо- значение 010. Буферные регистры БР1, БР2, а также 8-разрядные ре- гистры W и Z программно недоступны и служат для хранения данных при выполнении некоторых операций. Рисунок 5.3 - Структурная схема МП КР580ВМ80А Указатель стека SP и счетчик команд PC являются 16- разрядными регистрами и служат для хранения адресов ячеек памяти. 196 При обращении к памяти в качестве адреса может использоваться и содержимое любой регистровой пары блока РОН. Содержимое счет- чика команд инкрементируется (увеличивается на единицу) после вы- борки содержимого любой ячейки памяти. Сформированный в PC ад- рес очередной ячейки памяти записывается в 16-разрядный регистр адреса РА и выдается на шину адреса системы через буфер адреса БА. МП имеет 16-разрядную ША и обеспечивает адресацию к памяти, со- держащей 2 16 = 64 Кбайт памяти. АЛУ МП выполняет арифметические, логические и сдвиговые операции над 8-разрядными двоичными числами. Базовой операцией АЛУ является операция сложения двоичных чисел. Все арифметиче- ские, логические и сдвиговые операции выполняются при участии ак- кумулятора. Результат операции размещается в аккумуляторе. Обмен информацией МП с внешними устройствами (ВУ) возможен только через аккумулятор. МП имеет возможность выполнения операции с двухразрядными десятичными числами. С этой целью каждая деся- тичная цифра размещается в тетраде любого регистра МП. Коррекция двоичных чисел, необходимость которой возникает при выполнении арифметических операций над десятичными числами, выполняется специальной схемой десятичной коррекции СДК. Восьмиразрядный регистр признаков РП используется для хра- нения признаков результата операции, выполняемой в АЛУ. Содер- жимое пяти задействованных в настоящее время разрядов РП, назы- ваемых флагами, имеет следующее назначение: флаг переноса C устанавливается в состояние, соответствующее переносу из старшего разряда при выполнении арифметических опе- раций или операций сдвига; флаг нулевого результата Z устанавливается в состояние лог. «1», если результат операции в АЛУ или в любом РОН равен нулю; флаг знака S устанавливается в состояние лог. «1», если резуль- тат операции в АЛУ или любом РОН отрицательный; флаг четности P устанавливается в состояние лог. «1», если ко- личество единиц в разрядах четно; флаг дополнительного переноса AC устанавливается в состояние лог. «1», если при выполнении операций АЛУ возникает перенос из четвертого разряда. РП подключен к внутренней магистрали МП, что позволяет с помощью специальных команд переслать его содержимое в память 197 системы. Это необходимо, например, при вызове подпрограммы, ко- гда состояние МП необходимо запомнить в стеке. Управляющая часть МП содержит восьмиразрядный регистр команд РК, дешифратор команд и управляющее устройство. При вы- полнении команды программы, содержащейся в памяти системы, код команды через буфер данных БД и внутреннюю магистраль МП запи- сывается в РК для дальнейшей обработки в дешифраторе команд и управляющем устройстве. Управляющее устройство, работа которого тактируется двумя импульсными последовательностями Ф1 и Ф2, вы- рабатывает три группы управляющих сигналов, необходимых для реализации четырех режимов работы МП: режима начальной уста- новки, ожидания, прямого доступа к памяти и прерывания. Сигналы, определяющие состояние шины данных: С — выходной сигнал высокого уровня, стробирует появление на ШД «слова состояния»; ПМ — выходной сигнал высокого уровня, подтверждает готов- ность МП к приему данных; ВД — выходной сигнал низкого уровня, сообщает, что МП вы- дал информацию на ШД. Сигналы, определяющие рабочий цикл микропроцессора: ГТ — входной сигнал высокого уровня, сообщающий МП о го- товности ВУ к обмену данными. При подаче на вход ГТ сигнала низ- кого уровня МП переходит в состояние ожидания, которое продолжа- ется до момента появления на входе ГТ сигнала высокого уровня: ОЖ — выходной сигнал высокого уровня, подтверждающий пе- реход МП в состояние ожидания; ЗХ — входной сигнал высокого уровня, обеспечивающий от- ключение МП от ШД системы за счет перевода буферов адреса БА и данных БД в высокоимпедансное состояние, характеризующееся практически бесконечным выходным сопротивлением; ПЗХ — выходной сигнал высокого уровня, подтверждающий отключение МП от ШД; СБР — входной сигнал низкого уровня, обеспечивающий на- чальную установку МП, при которой счетчик команд PC обнуляется, а сигналы ПЗХ и РПР сбрасываются. Содержимое РОН при этом из- меняется. Сигналы управления прерываниями: ЗПР — входной сигнал высокого уровня, запрещающий чтение 198 кода операции очередной команды выполняемой программы и подго- тавливающий МП к выполнению команд программы обработки пре- рывания; РПР — выходной сигнал высокого уровня, подтверждающий перевод МП в режим прерывания. Цифровые процессоры сигналов. Цифровые программируе- мые процессоры сигналов (ППС) или по-другому цифровые сигналь- ные процессоры (Digital Signal Processors) разрабатывались специаль- но для обработки сложных аналоговых сигналов большой размерно- сти цифровыми способами, поэтому они содержат специальные ап- паратные средства и команды. Спектр применения ППС очень широк и охватывает диапазон от простых традиционных модемов до радио- и гидролокационных систем, работающих в реальном масштабе вре- мени. Сегодня ППС уже применяются для построения специализиро- ванных БВМ типа Багет 55. Более подробно принципы построения и использования сигнальных процессоров изложены в восьмой главе. 5.3 Интерфейсные устройства БВМ 5.3.1 Назначение, классификация и основные характеристики интерфейсов Существенной особенностью работы БВМ в составе авиацион- ного радиоэлектронного комплекса является интенсивный информа- ционный обмен между БВМ и системами комплекса. Время обновле- ния информации для большинства этих систем значительно больше, чем время выполнения команд или даже небольших программ в БВМ. Поэтому управление процедурами обмена информацией со стороны процессора БВМ не целесообразно, поскольку приводит к фактиче- скому простою процессора и задержке в выработке управляющих сигналов для других систем. Для организации обмена сначала в составе БВМ, а затем в виде отдельной конструкции были разработаны специальные устройства ввода-вывода (УВВ). В состав УВВ первых выпусков входило боль- шое количество аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразова- телей, поскольку элементы комплекса в большей степени работали с аналоговыми сигналами. При этом каждая новая совокупность систем (абонентов) требовала разработки своего УВВ, так как стандартиза- 199 ция и унификация средств обмена аналоговыми сигналами затрудне- на. С разработкой систем, использующих методы цифровой обра- ботки данных, развитием микропроцессоров и внедрением их в бор- товые системы появились возможности для стандартизации бортовых средств обмена. Особенно этому способствовали развитие шинной организации связей между элементами микропроцессорных систем, а также появление понятия «интерфейс». Термин «интерфейс» обычно трактуется как синоним слова «со- пряжение». Под стандартным интерфейсом в соответствии с ГОСТ 15971 понимается совокупность унифицированных аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализа- ции взаимодействия различных функциональных элементов в автома- тических системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информа- ционной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов. Информационная совместимость – это согласованность взаимо- действий функциональных элементов системы в соответствии с сово- купностью логических условий, определяющих: структуру и состав унифицированного набора шин; набор процедур по реализации взаимодействия и последова- тельность их выполнения для различных режимов их функциониро- вания; способ кодирования и форматы данных, команд, адресной ин- формации и информации состояния; временные соотношения между управляющими сигналами, ог- раничение на их форму и взаимодействие. Условия информационной совместимости определяют объем и сложность схемотехнического оборудования и программного обеспе- чения, их основные технико-экономические показатели – пропускную способность и надежность интерфейса, а также объем аппаратурных затрат на устройства сопряжения. Электрическая совместимость – это согласованность статиче- ских и динамических параметров электрических сигналов в системе шин с учетом ограничений на пространственное размещение уст- ройств интерфейса и техническую реализацию приемо-передающих элементов. 200 Условия электрической совместимости определяют: тип приемо-передающих элементов; соотношение между логическим и электрическим состояниями сигналов и пределы их изменения; коэффициенты нагрузочной способности приемо-передающих элементов и значения допустимой емкости и резистивной нагрузки линии в устройстве и т.д. Условия электрической совместимости влияют на скорость об- мена данными, конфигурацию размещения устройств и расстояние между ними, предельно допустимое число подключаемых устройств и помехозащищенность. Обычно тип приемо-передающих элементов и большинство условий электрической совместимости регламентиру- ется стандартом. Конструктивная совместимость – это согласованность конструк- тивных элементов интерфейса для обеспечения механических и элек- трических соединений и замены схемных элементов, блоков и уст- ройств. Условия конструктивной совместимости определяют типы внешних и внутренних соединительных элементов (разъемов), конст- рукцию печатных плат, модулей (типовых элементов замены), блоков, стоек и т.п. Составными физическими элементами связей интерфейса явля- ются электрические цепи, называемые линиями интерфейса. Часть линий, сгруппированных по функциональному назначению, называ- ется шиной, а вся совокупность линий – магистралью. В системе шин интерфейсов условно можно выделить две магистрали: информаци- онную и магистраль управления. По информационной магистрали передаются коды данных, ад- ресов, команд и состояний устройств. Аналогичные названия при- сваиваются соответствующим шинам интерфейса. Магистраль управления информационным каналом служит для организации обмена, формирования необходимого набора управляю- щих сигналов в соответствии с протоколом работы интерфейса. Классификация интерфейсов в соответствии с ГОСТ 26.016 представлена в таблице 5.5. 201 Таблица 5.5 Классификационный при- знак Типы интерфейсов По способу соединения Магистральный; радиальный; цепочечный; сме- шанный По способу передачи Параллельный; последовательный; последова- тельно-параллельный По принципу обмена Асинхронный; синхронный По режиму передачи Двусторонняя одновременная; двусторонняя по- очередная; односторонняя При реализации магистрального интерфейса обмен информаци- ей между устройствами осуществляется либо отдельным контролле- ром интерфейса, либо одним из элементов системы, называемым цен- тральным. В радиальном интерфейсе обязательно один из элементов нахо- дится в центре и обеспечивает распределение информации между другими элементами по индивидуальным для каждого элемента ли- ниям связи. Цепочечный интерфейс обычно используется там, где форми- руемая устройствами информация должна переходить последова- тельно от устройства к устройству. Смешанный интерфейс реализует два или более варианта соеди- нения элементов системы. Способ передачи информации определяет количество одновре- менно передаваемых разрядов двоичного кода. При последовательной передаче информационная шина содержит одну линию, по которой разряд за разрядом передается информация от источника сигнала к приемнику. Интерфейс с возможностью передачи одновременно всех разрядов машинного слова называется параллельным, а если частей слова, то последовательно-параллельным. Асинхронный интерфейс содержит устройства, обеспечивающие возможность ведения обмена информацией в соответствии с реаль- ным быстродействием устройств передачи и приема информации. В этом случае источник сигнала формирует сигнал запроса разрешения на передачу информации и адрес устройства, являющегося приемни- ком информации. Устройство, идентифицировавшее адрес, определя- ет возможность проведения обмена и формирует соответствующий сигнал разрешения на передачу информации. По получению этого 202 сигнала источник информации выдает код передаваемого сообщения на информационную шину данных и до окончания передачи удержи- вает её. После завершения передачи сообщения источник информа- ции формирует соответствующий сигнал «Передача завершена» и ожидает сигнала «Прием окончен» от приемника информации. По приходу этого сигнала источник информации освобождает шину дан- ных. Время выполнения синхронного обмена соответствует быстро- действию самого медленно работающего элемента системы. При ор- ганизации обмена информацией источник информации выдает адрес и одновременно (или с фиксированной задержкой) данные. Время выдачи адреса и данных также ограниченно и постоянно для всех устройств. Достоинство синхронного способа – простота реализации алгоритма обмена. Недостаток – низкое быстродействие при наличии элементов системы с существенно различным быстродействием. Для организации обмена информацией в составе интерфейсной магистрали должны быть шины трех видов: шина данных – для передачи информационного сообщения; шина адреса – для передачи адреса приемника и источника ин- формации; шина управления – для передачи сигналов, обеспечивающих протокол обмена. В системах, не ограниченных жесткими требованиями к быстро- действию, шины адреса и данных могут совмещаться с целью умень- шения аппаратурных затрат. С этой же целью обмен информацией от одного устройства к другому, и наоборот, выполняется по одним и тем же линиям, которые называются в этом случае двунаправленны- ми (двусторонними). В БВМ типа А-15А обмен между блоками машины и УВВ осу- ществляется в основном параллельными кодами. Поэтому магистра- ли внутриблочные, межблочные выполнены в виде однонаправлен- ных параллельных магистралей. В качестве конструктивных средств межблочных соединений применяется в основном витая пара прово- дов. Для сопряжения БВМ и УВВ применяются две 16 разрядные магистрали: К1 (для передачи параллельного кода в УВВ) и магист- раль К2 (для приема параллельного кода из УВВ). Указанные магист- рали являются информационными совмещенными шинами адреса и данных. Кроме однонаправленных информационных магистралей 203 имеются две однонаправленные магистрали управления. БВМ А-15А сопрягается с магнитным регистратором по 16 разрядной информа- ционной магистрали К3 и управляющей магистрали. Таким образом, в интерфейс БВМ А-15А применяются однона- правленные параллельные магистрали, выполненные в виде много- жильных кабелей, состоящих из витых пар проводов. Такие решения обеспечивают высокую пропускную способность магистралей. 5.3.2 Режимы работы БВМ при взаимодействии с внешними уст- ройствами В зависимости от того, кто является инициатором информаци- онного обмена и как осуществляется передача информации, разли- чают три основных способа информационного обмена БЦВМ и внеш- них устройств: программный обмен; обмен по прерываниям; обмен по каналу прямого доступа. Инициатором программного обмена является процессор БЦВМ. Причиной обмена является специальная команда ввода или вывода данных, которую процессор прочитал из памяти. Как в любой другой команде в команде обмена указан адрес источника и приемника ин- формации. Для уменьшения длины формата команды один из адресов может быть подразумеваемым. Обмен по прерываниям осуществляется по инициативе внешне- го устройства. При готовности к информационному обмену устройст- во формирует запрос на прерывание выполняемой программы. Про- цессор анализирует уровень приоритета запроса прерывания и, в слу- чае более важного приоритета запроса, дает разрешение на прерыва- ние. Текущая программа останавливается, все атрибуты её сохраня- ются в стеке. Загружается программа информационного обмена с устройством, формировавшим запрос. По завершении обмена восста- навливается прерванная программа. Обмен осуществляется обычно небольшими по размеру данными. Обмен большими объемами данных осуществляется по каналу прямого доступа. Инициатором является внешнее устройство. Оно формирует запрос шины данных и, получив разрешение от процессо- ра, напрямую записывает или считывает данные в оперативную па- мять. 204 Система прерываний обеспечивает не только организацию об- мена информацией БВМ и внешних устройств, когда длина переда- ваемых сообщений требует прерывания выполняемой программы, но и реализует своевременную реакцию процессора на возникновение различных ситуаций, как в процессоре, так и во внешней среде. Важ- ность системы прерывания определяет необходимость рассмотрения принципов её построения и функционирования более детально. 5.3.3 Особенности организации информационного обмена по прерываниям Во время выполнения бортовой ЦВМ текущей программы внутри машины и в связанной с ней внешней среде (например, в бор- товом РЭО, управляемом вычислительной машиной) могут возникать события, требующие немедленных реакций на них со стороны маши- ны. Эти реакции состоят в том, что при возникновении подобных со- бытий машина должна прервать обработку текущей программы и пе- рейти к выполнению некоторой другой программы, специально пред- назначенной для ситуации, связанной с появлением данного события. По завершению этой программы машина должна вернуться к выпол- нению прерванной программы. Рассматриваемый процесс, называемый прерыванием про- грамм, может быть проиллюстрирован рисунком 5.18. Принципиально важным является то, что моменты возникнове- ния событий, требующих прерывания программ, не известны и по- этому не могут быть заранее учтены при программировании. Каждое событие, требующее прерывания, должно сопровож- даться сигналом, оповещающим БЦВМ о его возникновении. Этот сигнал называется запросом прерывания. Программы, затребованные запросами прерывания, называются прерывающими программами в отличие от прерываемых программ, выполнявшихся машиной до по- явления запросов. 205 Рисунок 5.18 - Прерывание программ Как показано на рисунке 5.18, запросы на прерывание могут возникнуть внутри самой БВМ и в ее внешней среде. К первым отно- сятся, например, запросы при возникновении в БВМ таких событий, как появление сбоев в ее аппаратуре, переполнение разрядной сетки, попытка деления на ноль, нарушение правил адресации, завершение операции ввода-вывода и др. Хотя некоторые операции порождаются самой программой, моменты их появления, как правило, невозможно предусмотреть. Запросы прерывания во внешней среде могут возникать от дру- гих ЦВМ, от наземных систем автоматизированного управления, от радиолокационных, оптических и других систем слежения за целью, а также от различных аварийных датчиков. При прерывании программы БВМ должна временно прекращать выполнение текущей программы и переходить к обработке програм- мы, соответствующей запросу прерывания, а по ее завершении воз- вращаться к выполнению прерванной программы. Для реализации перечисленных действий в составе устройства управления бортовой ЦВМ есть специальные аппаратные и программные средства, назы- ваемые системой прерывания. В случаях наличия нескольких источ- ников прерывания, вырабатывающих свои запросы независимо, дол- жен быть установлен определенный порядок обслуживания запросов. 206 Существуют системы прерывания с последовательным просмот- ром (сканированием) наличия запросов у источников прерывания и с обслуживанием запросов в порядке присвоенного им приоритета. По- следние системы прерывания называются приоритетными. Системы прерывания выполняют следующие функции: запоминание состояния прерываемой программы; приоритетный выбор запроса для исполнения из группы посту- пивших запросов прерывания и организацию перехода к прерываю- щей программе; восстановление состояния прерванной программы и возврат к ней; программное изменение приоритетов запросов. Если управление запоминанием состояния и возвратом возложе- но на саму управляющую программу, то она будет состоять из трех частей: подготовительной и заключительной, обеспечивающих пере- ключение программ, и собственно прерывающей программы, выпол- няющей затребованную запросом работу. На рисунке 5.19 приведена упрощенная временная диаграмма процесса прерывания. Для оценки эффективности систем прерывания могут быть ис- пользованы следующие характеристики: время реакции, глубина пре- рывания (количество уровней прерывания), насыщение системы пре- рывания (наличие очереди), допустимые моменты прерывания про- грамм. Время реакции – это время между появлением запроса прерыва- ния и началом выполнения прерывающей программы. На рисунке 5.19 это время обозначено P t . Для одного и того же запроса задержки в исполнении прерывающей программы зависят от того, сколько про- грамм со старшим приоритетом ждет обслуживания. Поэтому время реакции определяют для запроса с наивысшим приоритетом. Сумма времени, затрачиваемого на запоминание состояния пре- рванной программы, и времени на возврат к ней называется временем обслуживания: об З В t t t = + 207 Рисунок 5.19 - Упрощенная временная диаграмма процесса прерыва- ния:t р – время реакции; t з – время запоминания состояния прерванной программы; t n – время выполнения прерывающей программы; t в – время восстановления состояния прерванной программы Глубина (количество уровней) прерывания – максимальное чис- ло программ, которые могут прерывать друг друга. Если после пере- хода к прерывающей программе и вплоть до ее окончания прием дру- гих запросов запрещается, то говорят, что система имеет один уро- вень прерывания. Глубина равна п, если допускается последователь- ное прерывание до п программ. На рисунке 5.20 показано прерывание в многоуровневых системах прерывания (предполагается, что при- оритет каждого следующего запроса выше предыдущего). Системы с большим значением глубины прерывания обеспечивают более быст- рую реакцию на срочные запросы. К одному уровню прерывания обычно относят не один, а не- сколько запросов, близких по степени важности событий. Исполнение программ одного уровня (класса) прерываний осуществляется как в одноуровневой СП, т.е. по очереди. Насыщение системы прерывания возникает, если время реакции настолько велико, что текущий запрос окажется необслуженным к моменту прихода нового запроса от этого же источника. В этом слу- чае один запрос прерывания от данного источника будет системой утрачен, что является недопустимым. Быстродействие БВМ, логиче- ские возможности системы прерывания и количество источников прерывания должны быть согласованы таким образом, чтобы насы- щение было невозможным. 208 Рисунок 5.20 Прерывание в системах с различной глубиной пре- рывания Допустимые моменты прерывания программ. Большей частью прерывание допускается после окончания любой текущей команды. В этом случае необходимо запоминание состояния программы, т.е. со- держимого всех программно доступных регистров, так как они могут быть изменены прерывающей программой. Время реакции определяется в основном длительностью выпол- нения одной команды. Это время реакции может оказаться недопус- тимо большим для БЦВМ т.к. они работают в реальном масштабе времени. Поэтому иногда допускается прерывание после любого так- та выполнения команды. Однако в этом случае возрастает количество информации, подлежащей запоминанию и восстановлению при пере- ключении программ. Помимо состояния прерванной программы, не- обходимо сохранить также и состояние процессора в момент преры- вания (содержимое счетчика команд, счетчика тактов, регистра ко- манд и т.д.). Поэтому такая организация прерывания возможна лишь в машинах со сверхоперативной памятью. Приоритетное обслуживание программ. Понятие приоритета в прерывании программ имеет два значения: приоритет между запро- сами прерывания и приоритет между прерывающими программами. 209 Первый устанавливает лишь очередность восприятия запросов, по- ступивших одновременно от различных уровней, а второй, более важный – старшинство (степень срочности) в выполнении преры- вающих программ разных уровней. Иначе говоря, во втором случае определяется, имеет ли право данная прерывающая программа пре- рвать обрабатываемую в данный момент программу. Приоритет между k запросами (уровнями) прерывания (больший приоритет имеют уровни с меньшими номерами) можно реализовать аппаратурно, например, посредством схемы последовательного поис- ка, или программно. Относительная степень важности программ, их длина и частота повторения в ходе вычислительного процесса могут меняться, требуя установления новых приоритетных отношений. По- этому если приоритет между запросами может быть установлен жест- ко, то приоритет между прерывающими программами не может быть зафиксирован раз и навсегда. Необходимо иметь возможность изме- нять по мере надобности приоритетные соотношения программным путем, иначе говоря, приоритет между прерывающими программами должен быть программно-управляемым. В современных БЦВМ наи- большее распространение получило программное управление при- оритетом на основе маски прерывания. Маска прерывания представляет собой двоичный код, размеры которого поставлены в соответствие уровням или источникам (при- чинам) прерывания. Маска устанавливается специальной командой в регистре масок. Состояние 1 в данном разряде регистра масок разре- шает, а состояние 0 запрещает («маскирует») прерывание текущей программы от запросов соответствующего уровня прерывания. Поря- док расположения разрядов в регистре масок и нумерация уровней не имеет значения. Таким образом, изменяя программным способом со- держимое регистра масок, можно устанавливать произвольные при- оритетные соотношения между уровнями с любыми номерами без пе- рекоммутации проводов запросов прерывания. С замаскированным запросом поступают в зависимости от при- чины прерывания, либо игнорируя его, либо запоминая. Например, если прерывание вызвано окончанием операции в периферийном уст- ройстве, то его следует запомнить, чтобы сообщить БВМ об освобож- дении периферийного устройства. Если замаскированное прерывание вызвано переполнением разрядной сетки при арифметической опера- ции, например, в случае получения контрольной суммы всех ячеек 210 постоянной памяти, его следует игнорировать. Все изучаемые БЦВМ имеют многоуровневые системы преры- вания (А-15А – 4 уровня, Ц-100 – 7 уровней, Орбита 10 – 2 уровня) и имеют возможность программного изменения приоритета выполняе- мых программ посредством маскирования. Для выполнения прерывания СП должна обеспечить запомина- ние прерываемой программы, организовать переход к прерывающей программе и возврат к прерванной программе. Простейший способ указания начальных адресов прерывающих программ состоит в том, что каждому уровню отводится в памяти фиксированная ячейка, в которой хранится информация о начальном адресе прерывающей программы. Информацию, подлежащую запоминанию при прерывании про- граммы, можно разделить на две части: первая – основная информа- ция, которая запоминается всегда (адрес следующей невыполненной команды прерванной программы, ее маска прерывания и др.); вторая – дополнительная информация, соответствующая содержимому тех регистров, которые данная прерывающая программа использует. Запоминание и восстановление основной информации произво- дится обычно аппаратными средствами, а дополнительной, состав ко- торой зависит от самой прерывающей программы, осуществляется начальными командами последней. Основная информация о состоянии программы (адрес очередной команды, состояния управляющих триггеров, маска прерывания и др.) формируются в так называемое слово состояния программы (ССП), занимающее одно или несколько машинных слов. Процедура перехо- да к прерывающей программе и возврата из нее в системе с использо- ванием ССП поясняется рисунком 5.21. Каждому уровню прерыва- ния отводится две фиксированные ячейки ОЗУ для хранения «старого ССП» и «нового ССП». Само прерывание программы состоит в заме- не старого ССП, принадлежащего прерываемой программе, новым ССП, соответствующим прерывающей программе. При выполнении текущей программы ее ССП находится в регистре текущего ССП (РгССП) и участвует в управлении вычислительным процессом. При этом отдельные поля ССП (например, счетчик команд) нужным обра- зом изменяются. В ячейках новых ССП для всех уровней прерывания хранятся ССП, содержащие информацию, доступную для начала функционирования соответствующих прерывающих программ. 211 Рисунок 5.21 - Процедура перехода к прерывающей программе и возврата из нее: а – запоминание содержимого регистров; б – собст- венно прерывающая программа; в- восстановление содержимого ре- гистров При поступлении запроса от данного уровня прерывания, если этот запрос не маскирован в маске прерывания, аппаратные средства выполняют следующую процедуру. В соответствующую группу раз- рядов РгССП записывается код прерывания, содержащий информа- цию о конкретной причине прерывания. Затем ССП из РгССП пере- дается в предусмотренную для данного уровня прерывания ячейку ОЗУ для старого ССП, а из ячейки нового ССП для этого уровня но- вое ССП (ССП прерывающей программы, содержащее в том числе ее начальный адрес) загружается в РгССП. С этого момента управление переходит к прерывающей программе. На время замены ССП преры- вания от любых уровней запрещены. Выполнение прерывающей программы начинается с команд за- поминания в ячейках памяти дополнительной информации о состоя- нии программы (содержимого используемых ею регистров). Далее выполняется собственно прерывающая программа. Эта часть начина- ется с анализа кода прерывания, определения конкретной причины прерывания и инициирования подпрограммы, соответствующей этой 212 причине. Заключительная часть прерывающей программы восстанав- ливает сохраненное в ОЗУ содержимое использовавшихся преры- вающей программой регистров и завершает свою работу командой загрузки слова состояния прерванной программы из ячейки старого ССП в РгССП. Управление переходит к прерванной программе. Бортовая цифровая вычислительная система Б5 самолета МиГ- 31 состоит из БЦВМ «Аргон» А-15А и устройства ввода – вывода Б5.01. Основная задача УВВ – обеспечить преобразование из анало- говой формы представления сигналов в цифровую и наоборот. Такие преобразования осуществляют аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП). 5.3.4 Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи сигналов Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой мож- но разделить на три этапа: дискретизацию во времени; квантование по уровню; кодирование. Этап дискретизации во времени заключается в том, что из не- прерывного по времени сигнала ) (t f выбираются отдельные его зна- чения, соответствующие тактовыми моментами времени n t t t ,..., , 2 1 , следующих через определенный временной интервал – период дис- кретизации д Т . Выбор д Т для представления непрерывной функции набором периодически следующих дискретных отсчетов производит- ся на основе теоремы Котельникова В.А., которая гласит, что для представления функции ) (t f , имеющей ограниченный спектр, набо- ром дискретных отсчетов, необходимо чтобы частота повторения им- пульсов дискретизации д n Т F 1 = (5.1) была больше удвоенной максимальной частоты спектра функции ) (t f , т.е. max 2F F n ≥ , (5.2) где max F - максимальная частота спектра. 213 Операция квантовая заключается в том, что создается сетка уровней квантовая, сдвинутых относительно друг друга на шаг кван- товая h (рисунок 5.22,б). Каждому уровню квантования приписыва- ется порядковый номер (0, 1, 2, …, n -1). Далее полученные в резуль- тате дискретизации значения исходного аналогового сигнала заменя- ется ближайшим к ним уровнями квантования (см. рисунок 5.22,в). Таким образом, при квантовании исходная непрерывная функция за- меняется ступенчатой. При этом возникают погрешности квантования к δ , так как квантование значения воспроизводят не точные значения аналоговой величины, а округленные до ближайшего уровня. Умень- шение ошибки квантования достигается уменьшением шага кванто- вания h Рисунок 5.22 Ошибка квантования и дискретизации являются величинами случайными, поэтому их называют шумами квантования и дискрети- зации. 214 На этапе кодирования квантованные уровни представляются числами - номерами соответствующих уровней квантования (см. ри- сунок 5.22,в). Далее (см. рисунок 5.22,г), полученная таким образом последовательность чисел, представляется двоичными кодами. Аналого-цифровые преобразователи в зависимости от области применения можно разбить на четыре основные группы: преобразователи перемещений (линейных или угловых); преобразователи электрических величин (напряжений, токов или сопротивлений); преобразователи интервалов времени; преобразователи следящего типа. Основными характеристиками АЦП являются разрядность, диа- пазон изменения входного напряжения, разрешающая способность, погрешность преобразования, время преобразования. Аналого-цифровые преобразователи характеризуются значи- тельным разнообразием принципов и схематических вариантов реа- лизации. Наиболее широко получили распространение следующие из них: АЦП на основе методов параллельного преобразования (рисунок 5.23); АЦП на основе методов последовательного приближения (ри- сунок 5.24); АЦП на основе двойного интегрирования (рисунок 5.25). Рисунок 5.23 Ц и ф р о в о й в ы х о д 215 Рисунок 5.24 Рисунок 5.25 Самыми быстродействующими являются АЦП параллельного преобразования, самыми точными – АЦП двойного интегрирования. Структурная схема АЦП, использующего метода параллельного преобразования (см. рисунок 5.23), включает в себя источник (генера- тор) эталонного напряжения (ГЭН) с делителем на прецизионных ре- зисторах, набор компараторов ( i К ) и кодопреобразователь (х/у). Ана- логовый сигнал сравнивается с уровнями квантования. Уровней кван- тования всего 1 2 − = п ур К , (5.3) 216 где п – число разрядов цифрового выхода АЦП. На выходе компараторов формируется сигнал высокого уровня (логическая единица) если аналоговый сигнал превысил значения за- крепленных за ними уровней. На остальных компараторах выходной сигнал соответствует логическому нулю. Полученная комбинация из нулей и единиц преобразуется кодопреобразователем в двоичный код. Быстродействие АЦП определяется временем восстановления компаратора и задержкой кодопреобразователя. Возможности парал- лельных АЦП по скорости преобразования аналоговых сигналов в де- сятиразрядный двоичный код позволяют осуществлять это преобра- зование с частотой до 100 МГц. Недостатком параллельного АЦП является резкое увеличение числа компараторов при незначительном увеличении разрядности ко- да. Действительно, для реализации двенадцатиразрядного быстродей- ствующего АЦП требуется 4095 компараторов. Обычная разрядность для таких АЦП по этой причине не превышает 10. Очевидно, что при такой разрядности получить высокую разрешающую способность и точность невозможно. Чтобы решить задачу обеспечения высокой разрешающей спо- собности и точности при ограниченном количестве компараторов применяют комбинированный параллельно-последовательный способ преобразования. Структурная схема АЦП, построенного на принципе последова- тельных приближений (см. рисунок 5.24) включает в себя компара- тор, реализованный на операционном усилителе, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), регистр сдвига, устройство управления и ис- точник эталонного напряжения (ГЭН). Принцип действия такого АЦП заключается в последовательном приращении опорного для компаратора напряжения оп U . Это напряжение формирует ЦАП, по- лучая от регистра сдвига с каждым тактом новый цифровой код. Поведение регистра сдвига определяется устройством управле- ния, которое по сигналу с выхода компаратора задает режим регистра на следующий такт (увеличение или уменьшение числа, записанного в регистр на единицу младшего разряда). Для примера проиллюстрируем принцип работы шестиразрядно- го АЦП, временная диаграмма функционирования которого пред- ставлена на рисунке 5.26. Исходное состояние выходного регистра нулевое. 217 Начинается цикл преобразования с того, что в старший разряд регистра (СЗР) заносится единица и ЦАП вырабатывает соответст- вующее напряжение 5 В. Поскольку уровень входного сигнала не достигнут, единица заносится в следующий разряд. На выходе ЦАП во втором такте появляется приращение опорного напряжения, рав- ное 2,5 В (т.е. половине напряжения СЗР). Но напряжение на выходе ЦАП по-прежнему меньше входного, поэтому в третий разряд реги- стра занесем единицу. Напряжение на выходе ЦАП повысилось на 1,25 В и превысило уровень входного. Компаратор переключился и по этому сигналу устройство управления обнулило третий разряд. Рисунок 5.26 В четвертом такте единица заносится в четвертый разряд и т.д. Спустя шесть тактов на выходе ЦАП установится цифровой код, со- ответствующий с учетом разрешающей способности АЦП, входному напряжению. Быстродействие такого АЦП определяется временем, затраченным на п проб. Длительность одной пробы, в основном, оп- ределяется временем установления ЦАП уст t , т.е. уст пр t n T = (5.4) Следовательно, десятиразрядный АЦП, построенный с исполь- зованием ЦАП, имеющего уст t = 3…5 мкс, будет работать с частотой преобразования не выше 20…30 кГц. Повышение быстродействия АЦП с последовательным приближением возможно только путем по- вышения быстродействия ЦАП. 1 2 3 4 5 6 7 8 t|T 218 Построенный по принципу двойного интегрирования АЦП (см. рисунок 5.25) состоит из интегратора, компаратора, счетчика, устрой- ства управления, управляющей логики и источника эталонного на- пряжения (ГЭН). Принцип действия состоит в следующем. Вначале в течение времени Т1 (рисунок 5.27) осуществляется интегрирование входного сигнала до тех пор, пока счетчик не пошлет сигнал пере- полнения в устройство управления, которое переключит интегратор на источник эталонного напряжения. Рисунок 5.27 Конденсатор С начнет разряжаться. Счетчик, в котором после переполнения установилось нулевое состояние, с началом процесса перезаряда конденсатора продолжает работать точно так же, как и в течение времени Т1, с той лишь разницей, что теперь он не управля- ет, а сопровождает процесс разряда конденсатора С. По окончании разряда конденсатора сработает компаратор и через логику управле- ния остановит счетчик. Код на выходах счетчика будет пропорциона- лен среднему значению аналогового сигнала в интервале Т1. Такие АЦП имеют низкое быстродействие. Основная область их примене- ния – прецизионные устройства с очень низкой частотой обработки сигналов. Таким образом, основными элементами АЦП, построенного по любой схеме, являются: ключевые схемы, компараторы, генерато- ры (источники) эталонных напряжений, накопительное устройство, преобразователь кода и управляющая логика, которая определяет по- рядок функционирования аналого-цифровых преобразователей ин- формации. |