книги / Микропроцессоры в телевидении

для остальных узлов. Блок рабочей памяти называют оператив­ ным запоминающим устройством (ОЗУ). Помимо ОЗУ часть ад­ ресного пространства занимает постоянное ЗУ (ПЗУ), предназ­ наченное для хранения наиболее важных системных программ и данных. Информация в ПЗУ сохраняется и после выключения ЭВМ, благодаря чему не требуется загружать ее от внешних но­ сителей. Оперативная память состоит из нескольких микросхем. Часто на отдельной плате размещается и дополнительная опера­ тивная память. На базовой плате устанавливают лишь некото­ рый необходимый объем: 64, 128 или 256 Кбайт, а остальная па­ мять выносится на дополнительную плату, так что пользователь может по своему усмотрению регулировать ее объем [17]. Каж­ дая микросхема памяти может содержать 64 Кбита ли 8 Кбайт информации.

Для постоянного хранения информации используют накопи­ тели на магнитных дисках гибких (НГМД) или жестких (НЖМД) К В качестве носителей информации для НГМД при­ меняют небольшие гибкие диски с нанесенным магнитным покры­ тием, которые заключены в специальный конверт. Существует несколько типов НГМД, различающихся физическими размера­ ми, плотностью, объемами хранимой информации и скоростью чтения/записи. В табл. 1.4 представлены обобщенные параметры основных типов магнитных накопителей. В настоящее время все большее распространение получают диски с диаметром 89 мм (3,5 дюйма) — микродиски, которые имеют жесткую конструк­ цию, что позволяет точнее подводить магнитные головки к по­ верхности диска.

Накопители на жестких несъемных дисках обладают высоки­ ми показателями благодаря тому, что основной носитель — ме­ таллический диск — вращается в замкнутой атмосфере и маг­ нитные головки расположены очень близко к его поверхности. Это позволяет увеличивать скорость вращения и обеспечивает очень высокую плотность записи информации. Эти устройства называют иногда дисками типа «Винчестер». Размеры накопи­ телей очень небольшие.

Накопители на жестких магнитных дисках обычно надежнее НГМД, но стоимость их в 5—10 раз выше стоимости НГМД. На-

Табмща 1.4

II

чинают использовать сменные НЖМД диаметром 90 мм. Эти уст­ ройства по внешним показателям похожи на обычные НЖМД типа «Винчестер», но их диски, заключенные в .специальные кас­ сеты, можно вынимать из накопителей. Создаются также лазер­ ные видеодиски. Эти устройства при небольших размерах (диа­ метр 50... 300 мм) позволяют хранить огромные объемы инфор­ мации 60... 4000 Мбайт. Они сравнительно дешевы и имеют раз­ меры, как и обычные НГМД.

Главный недостаток этих устройств — сложность оперативной записи информации. Однако .уже появились видеодиски с воз­ можностью оперативной записи информации.

Накопители на магнитных дисках являются устройствами прямого доступа. Это означает, что с помощью программы можно аппаратными средствами прочитать или записать информацию* начиная с любого места диска, при этом меняется только время подвода головки к нулейому сектору и тракту диска.

Типовой УУ (см. рис. 1.2) состоит из модуля управления этой памятью, или блока микропрограммного управления [10]. В па­ мяти, хранящей микропрограммы, содержится управляющая ин­ формация в виде последовательности микрокоманд, под воздей­ ствием которых выполняются различные микрооперации. Объем управляющей памяти, реализованный в виде БИС электрически программируемых ПЗУ, может быть увеличен путем использо­ вания ПЗУ с емкостями 1, 4 и 16 Кбит. Наращивание разрядно­ сти микрокоманды реализуется соединением между собой одно­ типных модулей ПЗУ [10]. Модуль управления памятью, содер­ жащей микропрограммы, дешифрирует команды и формирует по­ следовательности адресов управляющей памяти в процессе вы­ полнения микропрограммы.

Операционный узел, состоящий из процессорных модулей, бло­ ков сдвига данных и селектора кода условий, обрабатывает дан­ ные. Процессорный модуль, выполняющий арифметические и ло­ гические операции, построен по вертикальному принципу, состо­ ящему в том, что АЛУ, регистры общего назначения и накапли­ вающий регистр разделяют на функционально одинаковые час­ ти-м одули (секции). Объединением таких секций, обрабаты­ вающих 2, 4 или 8 разрядов путем соединения цепей переноса и сдвига соседних секций, получается операционный узел полной разрядности. Процессорный модуль вырабатывает признаки ре­ зультата выполняемой операции, такие как знак, переполнения,, равенство нулю. В нем имеется также дешифратор микрокоманд, формирующий внутренние сигналы для АЛУ и регистров. Навход дешифраторов микрокоманд всех секций одновременно по­ дается одна и та же управляющая информация, что обеспечива­ ет параллельную работу всех модулей [10].

Блок сдвига выполняет циклические и арифметические сдвиги данных. Селектор кода условия служит для хранения признаков результата операции АЛУ, выбора и формирования проверяемо­ го условия для формирования разветвлений в микропрограмме..

12

Узел сопряжения с устройствами ввода — вывода информации предназначен для обмена данными с периферийными устройства­ ми и содержит: модули приоритетного прерывания и обмена ин­ формацией, интерфейсные адаптеры и шинные формирователи. Блок синхронизации создает сигналы для всех модулей. Для формирования адресов оперативной памяти при различных ре­ жимах операции можно использовать модуль управления опера­ тивной памятью.

Впроцессоре, построенном из секционированных МП, все мо­ дули работают под. управлением микрокоманды. Блок микропро­ граммного управления управляет последовательностью микро­ команд. Этот блок в соответствии с кодом операции команды, который приходит из блока оперативной памяти, а также функ­ цией управления и условиями, формируемыми на выходе различ­ ных модулей, вырабатывает адреса микрокоманд. Операция, записанная в поле операндов команды, поступает на вход про­ цессорных модулей. В процессорных модулях выполняются вы­ числительные операции над числовыми данными, а также может быть сформулирован адрес следующей команды, хранимой в бло­ ке оперативной памяти [10]. В табл. 1.5 приведен состав различ­ ных комплектов секционированных МП [10].

Вкомплекты входят базовые модули (процессорный, управ­ ления микропрограммной памятью), а также различные допол­ нительные модули. Все они электрически, конструктивно и по ло­ гике работы совместимы. По номенклатуре модулей наиболее представительным является комплект 2900, в котором более 20 БИС. Эти БИС образуют полный набор совместимых модулей, поэтому из них можно построить вычислительную структуру с ми­ нимальным числом дополнительных микросхем. Комплекты КР1804 и КР1802 совместно с отдельными элементами серии К5В9 представляют достаточно развитые МП серии.

МикроЭВМ. От микропроцессорной системы до микроЭВМ

один шаг. Основой микроЭВМ является микропроцессор, однако в ее состав входит ряд других блоков, позволяющих определять это устройство именно как микроЭВМ. В состав микроЭВМ вхо­ дят: микропроцессор, блок памяти произвольного доступа, видео­ терминал— буквенно-цифровой дисплей — с панелью, -на которой имеется клавиатура для ввода данных, блок ввода — вывода, ис­ точник электропитания. Все блоки микроЭВМ соединены между собой шиной, содержащей большое число линий передачи сиг­ налов. Память произвольного доступа характеризуется временем доступа к памяти и временем ее цикла. Чем меньшее время дос­ тупа к памяти, тем короче ее цикл. Время доступа при чтении — это время, необходимое для вывода информации из блока памя­ ти на шину данных после адресации нужной области памяти [5]. Время доступа при записи — это время, необходимое для записи данных в адресуемую область. Время доступа определяется ор­ ганизацией памяти и скоростью работы устройств, на которых построен блок памяти. Время цикла — это наименьший интервал

13

Таблица 1.5

времени, который может иметь место между двумя обращения­ ми к памяти. Блок ввода — вывода содержит универсальный при­ емопередатчик, который преобразует данные из параллельного кода в последовательный, необходимый для связи с видеотерми­ налом. На рис. 1.3 показана структурная схема типичной микроЭВМ.

Рис. 1.3. Структурная схема микроЭВМ

14

кристалле. Обычно они предназначены для решения какой-либо определенной задачи. В состав такой ЭВМ входят: центральный процессор, ПЗУ, ОЗУ, средства ввода — вывода данных. Объем ПЗУ, как правило, значительно превышает объем ОЗУ. Некото­ рые однокристальные микроЭВМ имеют ПЗУ, в которых инфор­ мацию можно заменять путем стирания старой и записи новой. Иногда предусматривается возможность подключения дополни­ тельных блоков памяти.

Особый интерес с точки зрения применения в телевидении имеют аналого-цифровые однокристальные микроЭВМ, кото­ рые имеют аналоговые вход и выход (рис. 1.4). Аналого-цифро­ вой преобразователь (АЦП) переводит аналоговые входные сиг­ налы в цифровую форму. На выходе происходит обратное преоб­ разование сигналов в аналоговую форму с помощью цифро-ана­ логового преобразователя (ЦАП). Цифровые сигналы обрабаты­ ваются центральным процессором (ЦП) по командам, хранимым в блоке памяти этой ЭВМ. С помощью аналого-цифровой микро-

Память и схемы управления

Рис. 1.4. Структурная схема аналого-цифровой однокристальной микроЭВМ

15

ЭВМ можно значительно точнее реализовать устройство фильтра­ ции сигналов, чем с помощью классических аналоговых фильтров, собранных на резисторах, индуктивностях и конденсаторах. Циф­ ровая фильтрация находит особенно широкое применение в сис­ темах распознавания и обработки изображений [18].

1.2. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

Создание программы. Для функционирования микропроцес­ соров, а также микропроцессорных систем и микроЭВМ необ­ ходимо обеспечивать их соответствующими программами, т. е. задать им упорядоченную последовательность действий, реализу­ ющую алгоритм решения задачи. Под алгоритмом понимается предписание, которое задает вычислительный процесс, начинаю­ щийся с произвольного исходного данного и направленный на по­ лучение полностью определяемого этим исходным данным резуль­ тата. Важно отметить, что термин «вычислительный процесс» от­ носится не только к цифровым вычислениям, но и к вычислени­ ям с произвольными символами и их комбинациями.

Программа, как правило, создается поэтапно. Вначале фор­ мулируют задачу. Затем составляют алгоритм решения задачи. После этого разрабатывают собственно программу. И в конце эту программу отлаживают. Формулировка задачи должна со­ держать указание о совокупности всех исходных данных, а так­ же правило, по которому процесс вычислений можно считать за­ конченным. Алгоритмическое описание начинается с полного ма­ тематического исследования ее постановки, поиска формул и ло­ гических правил для нахождения результатов решения. Алгорит­ мический процесс происходит дискретными «шагами». Каждый «шаг» преобразует входные данные. Результат последующего «шага» полностью определяется предшествующим. Наряду с ис­ ходными данными образуется совокупность промежуточных ре­ зультатов, представляющая среду, в которой развивается алго­ ритмический процесс.

Таким образом, для любого алгоритма можно выделить семь характеризующих его однозначно определяющих и независимых параметров: 1) совокупность исходных данных; 2) совокупность промежуточных результатов; 3) совокупность результатов; 4) пра­ вило начала вычислений; 5) правило непосредственной перера­ ботки исходных данных; 6) правило окончания; 7) правило из­ влечения результата процесса вычислений. Для каждого пара­ метра можно задать класс, в пределах которого этот параметр может меняться. Часто все параметры, кроме совокупности про­ межуточных результатов и правил непосредственной переработ­ ки, фиксируют. Выбор всех семи параметров однозначно опреде­ ляет алгоритм, а выбор семи классов изменений этих парамет­ ров определяет некоторый класс алгоритмов.

Как правило, алгоритм решения задачи составляют в виде структурной схемы. Связь между блоками, обозначенная стрелками, показывает направле-

16

ние хода вычислений. Действие, заключающееся в блоке, записывают внутри прямоугольника, ромба или овала. Блок в форме прямоугольника символизи­ рует операции по обработке данных и имеет один или несколько входов и один выход, блок в виде ромба используют для обозначения проверки выполнения какого-либо условия с целью принятия решения о направлении последующего хода вычислении и имеет один или несколько входов и выходов. Блок, заклю­ ченный в овал, обозначает начало или конец алгоритма. Иногда в графических изображениях алгоритмов используют элемент-соединитель в виде окружности, предназначенный для сведения ветвей структурной схемы к одному блоку, а также прерывания последовательности блоков для более удобного размещения изображения схемы алгоритма. В этом случае внутри окружности записывают цифру или букву. Наличие другой окружности с той же цифрой или буквой означает, что прерванная в месте расположения первого соединителя-окружнос­

Следующим этапом решения задачи является разработка про­ граммы, т. е. описание алгоритма на некотором языке, который представляет собой набор команд и правил их применения для реализации этого алгоритма. Это означает, что каждый «шаг» алгоритма надо записывать, используя команды, которые выпол­ няет данный МП или микроЭВМ. В общей программе часто вы­ деляют одну или несколько подпрограмм. Они представляют со­ бой части программы, многократно используемые в процессе ее выполнения. Хотя обращаются к подпрограмме в процессе реше­ ния задачи не один раз, в программе их записывают единожды. Каждый раз, когда требуется провести расчеты по подпрограм­ ме, организуют в программе специальное обращение к ней.

Любому микропроцессору (микроЭВМ) присущ определен­ ный набор команд, которые обеспечивают выполнение им управ­ ляющих и вычислительных функций. Команды кодируют двоич­ ными числами. Так в 81-разрядном МП каждая команда пред­ ставлена восемью двоичными цифрами. Ясно, что программу мож­ но записать в виде последовательности двоичных чисел, т. е. на языке машинных кодов. Программы, написанные на этом языке, выполняются за минимальное время и занимают сравнительно небольшие объемы памяти. Однако процесс программирования з машинных кодах достаточно сложен, трудоемок и сопровожда­ ется большим числом ошибок, полученные программы трудно мо­ дифицировать и корректировать, они не применимы для другого типа микропроцессора [6]. Поэтому таким образом можно написать программу, не превышающую по длине нескольких байтов.

Чаще всего при работе с МП применяют для программирова­ ния символический язык ассемблера, в котором команды и ад­ реса ячеек памяти имеют условные имена в виде сокращенных английских слов.

17

Программирование на языке ассемблера позволяет реализо­ вать все потенциальные возможности микропроцессоров. При этом значительно упрощаются процесс создания программы, по­ иск и исправление ошибок, облегчается чтение программ. Состав­ лять программы на языке ассемблера целесообразно для задач средних объемов до 1000 байт [6]. Для перевода программы, на­ писанной на языке ассемблера, в машинный, понятный для МП или микроЭВМ, требуется так называемый транслятор. Трансля­ тор— это программа, осуществляющая по точным правилам пе­ ревод с языка программы решения задачи на машинный язык,,

т.е. в последовательность команд, записанных в двоичном коде.

Сязыка ассемблера переводит транслятор, также называемый

ассемблером.

Потребность составления программ реализации сложных ал­ горитмов, необходимость в упрощении процесса программирова­ ния, использование вычислительной техники в различных отрас­

лях народного хозяйства, необходимость работы с ЭВМ людям с минимальной подготовкой и навыками в области программиро­ вания постепенно привели к созданию языков высокого уровня. Эти языки по фразовой структуре и свойствам, использованию служебных слов приближаются к обычным разговорным языкам. Фразы в этих языках, как правило, разделяются точкой с запя­ той, соподчиненность фраз указана с помощью операторных ско­ бок «Начало» и «Конец». В языках высокого уровня фразы под­ разделяют на операторы, которые являются единицей действия в языке, и описания. Операторы делятся на операторы присва­ ивания, условные, цикла. Операторы присваивания производят подсчет по записанной формуле и присваивание вычисленного по ней значения заданной переменной величины. В зависимости от результата проверки заданного условия условные операторы вы­ бирают ту или другую ветвь вычислений. Операторы цикла поз­ воляют повторять выполнение подпрограмм или некоторой груп­ пы операторов. Фразы-описания указывают на характер перемен­ ных величин, различных обозначений, используемых в програм­ ме. Для более удобного включения в состав программ часто пов­ торяющихся подпрограмм им присваивают символическое функ­ циональное обозначение в виде оператора процедуры.

Существует множество языков высокого уровня. Наиболее рас­ пространенными среди них являются Алгол-60, Фортран для ре­ шения инженерных и научных задач, Кобол для экономических расчетов, Бейсик для различных расчетов, Алгол-68, ПЛ/1, ПЛ/М — более мощные языки для всех видов применения ЭВМ.

Для перевода программ с языков высокого уровня на машин­ ный применяют служебные программы — переводчики, интерпре­ таторы и компиляторы. Интерпретатор работает в ходе выполне­ ния программы. Каждая строка переводимой программы преоб­ разуется в последовательность машинных команд, необходимых для ее выполнения непосредственно перед выполнением. Интер­ претатор анализирует содержимое строки программы. Затем на

18

основе анализа программы преобразуются в машинные команды с помощью набора подпрограмм. Эти команды выполняются. По­ сле завершения перевода одной строки интерпретатор начинает перевод следующей. Для выполнения своих функций интерпрета­ тор использует значительное число подпрограмм. Эти подпрог­ раммы вместе со служебной программой синтаксического анали­ за команд языка высокого уровня, программы на языке высокого уровня, а также исходные данные размещаются в памяти. По­ этому интерпретатор можно применять в микропроцессорных си­ стемах с большой памятью. Так для интерпретатора языка Бей­ сик при работе на 8-разрядной микроЭВМ необходимо распола­ гать 12... 24 Кбайт памяти [5, 6, 8]. Интерпретатор языка Бейсик широко используют при работе с микроЭВМ для проведения рас­ четов в научных исследованиях.

Компилятор по принципу действия похож на ассемблер. Он переводит сразу всю программу на языке высокого уровня в про­ грамму на языке машинных кодов. Затем полученная программа выполняется. При этом требуется меньший объем памяти, чем тот, который нужен для тех же программы и интерпретатора, находящихся в памяти при вычислении программы. Однако ком­ пиляторы столь велики по объему, что в микроЭВМ их исполь­ зуют реже, чем интерпретаторы. Языки высокого уровня приме­ няют, когда объем программы превышает 1 Кбайт, а время, от­ водимое на разработку программы, невелико.

Недостатком ассемблеров и интерпретаторов является то, что они зависят от модели МП, на работу с которым они рассчитаны; достоинством — то, что они имеют встроенные редакторы, т. е. служебные программы, предназначенные для составления прог­ рамм на языке ассемблера. Редактор позволяет программисту почти без ошибок записывать команды на языке ассемблера, данные и адреса. Возникающие же ошибки с помощью редактора достаточно просто исправляются. Редактор обеспечивает ввод исходной программы с перфоленты или клавиатуры, ее коррек­ цию и запись в память.

После составления программы необходимо ее отладить, т. е. обнаружить и исправить допущенные ошибки. Отлаживают прог­ раммы главным образом с помощью добавления в нее измери­ тельных действий, позволяющих по ходу выдавать сведения о работе ЭВМ: порядке выполнения команд, значении промежуточ­

ных результатов и т. п.

Системы разработки и отладки программ для микропроцес­ соров. Это небольшие системы общего назначения, реализован­ ные на базе микроЭВМ, которые предоставляются в распоряже­ ние пользователя для написания и отладки программ, подлежа­ щих выполнению на том или ином МП. Как правило, такие прог­ раммы пишут на языке ассемблера, однако многие подобные си­ стемы допускают программирование на языках высокого уровня [5]. С помощью систем отладки можно искать неисправности в сложных микропроцессорных системах.

19

программы и создавать временную задержку. Она может бытьсвязана с какими-либо внешними событиями. Операция счета вы­ полняется следующим образом. В регистр общего назначения МП помещают константу, равную заданному эталону цикла (числу циклов). Далее из содержимого этого регистра после прохожде­ ния каждого цикла действий вычитается единица, т. е. проверя­ ется условие на равенство результата нулю. Если результат не равен нулю, то происходит возвращение к началу цикла, если равен — выход из цикла. Возможен способ организации цикла, когда перед началом выполнения очередного цикла добавляется единица к -счетчику, обнуленному перед счетом. Полученная сум­ ма сравнивается с эталоном; если она ему равна, происходит вы­ ход из циклического отсчета. На рис. 1.5 показаны два варианта структурных схем алгоритмов организации операции счета.

П ри м ер . Приведем программу на языке Ассемблер, обеспечивающую вы­ полнение основной функции 20 раз. Программа, составленная по первому спо­ собу, имеет следующий вид:

Рис. 1.5. Структурная схема алгоритмов организации операции счета

20