книги / Микропроцессоры в телевидении

Операция счета позволяет организовать задержку разной дли­ тельности. Для получения малых задержек (несколько микросе­ кунд) используют счет тактов генератора, тактовых импульсов МП на базе одиокаскадного счетчика. Так как тактовая частота МП обычно стабилизирована, то время задержки формируется с высокой точностью. Для получения более длительных задержек число каскадов счетчика увеличивают программным путем. Все арифметические операции МП выполняет фактически с помощью одной команды — сложения.

О п е р а ц и я с л о ж е н и я . Двоичные числа с плавающей запя­ той складываются в три этапа: 1— выравнивание порядка сла­ гаемых до большего (если увеличили один из порядков на п еди­ ниц, то необходимо сдвинуть сумму мантисс вправо на т разря­ дов— в этом случае число не меняется); 2 — сложение мантисс слагаемых; 3 — нормализация результата (если это необходимо).

Числа могут быть представлены в виде чисел с фиксирован­ ной и плавающей запятыми. Арифметика чисел с плавающей за­ пятой позволяет МП отслеживать ее положение. Числа с плава­ ющей занятой хранятся в МП так же, как и целые числа. За­ писываются мантисса числа со знаком и порядок числа со сво­ им знаком. -

Числа с плавающей запятой вычитают путем сложения од­ ного двоичного числа с дополнительным кодом другого двоично­ го числа. Для получения двоичного отрицательного числа в до­ полнительном коде необходимо во всех его разрядах в прямом

нормализация результата, если это необходимо.

Числа с плавающей запятой делят как повторяющееся вычи­ тание. При этом: 1 — порядки делимого и делителя вычитают­ ся; 2 — определяется знак частного; 3 — делятся мантиссы; 4 — нормализуется результат (если это необходимо). Микропроцес­ сор, оперирующий числами с плавающей запятой, арифметичес­ кие операции выполняет по программам из пакета подпрограмм арифметики с плавающей запятой. Эти пакеты содержат также подпрограммы выполнения возведения в квадрат, извлечения кор­ ня, вычисления тригонометрических функций. Однако программы нз пакета выполняются за большее время, чем реализуются вы­ числения аппаратными средствами МП. Это связано с тем, что при сложении чисел с плавающей запятой необходимо выполнить до 30 команд МП.

Кроме арифметических операций МП способен выполнять ло­ гические операции: конъюнкцию (логическое умножение), дизъ-

2 1

юнкцию (логическое сложение), сравнение (исключающее ИЛИ), инверсию. Логические операции над двумя операндами МП вы­ полняет поразрядно.

В табл. 1.6 дана расшифровка трех логических команд. Коман­ ду логического сложения используют для формирования машин­ ных слов из отдельных частей. Команду логического умножения применяют для выделения определенных разрядов из машинного -слова. Команду сравнения проводят как суммирование двоичных чисел по модулю 2, что позволяет определять факт равенства двух двоичных чисел, а также какое из них больше или меньше. Эту команду производят по определенным правилам: если два числа равны, то сформированный результат сравнения содержит нули во всех разрядах.

Микропроцессором выполняется также функция НЕ или, дру­ гими словами, операция инверсии (дополнения). Говорят, что А

•есть инверсия А или НЕ А. Черта над переменной А означает инверсию (или отрицание) переменной. Записывается функция

НЕ следующим образом: А + А = 1 . В табл. 1.7 представлены зна­ чения функции НЕ.

Функции ИЛИ, И, а также другие логические функции реали­ зуются на основе функции И —НЕ, ИЛИ—НЕ. Элементы И—НЕ, ИЛИ—НЕ являются базисными для большинства серий ТТЛ и КМОП логик. В этих сериях имеются элементы И и ИЛИ, но их выбор ограничен, кроме того, стоимость их выше [111]. Элементы И и ИЛИ имеют большее время задержки, так как состоят из большего числа каскадов, чем элементы И—НЕ и ИЛИ—НЕ. Поэтому в логических устройствах применяют, как правило, эле­ менты функции И—НЕ и ИЛИ—НЕ.

Функция И—НЕ определяется согласно значениям, указан­ ным в табл. 1.8.

Функция ИЛИ—НЕ определяется следующим образом: f —А+В=А-В. Значения функции ИЛИ—НЕ приведены в табл. 1.9.

Существует также функция «Исключающее ИЛИ—НЕ», используемая для сравнения двух двоичных чисел, как и функция «Исключающее ИЛИ», функ­

ция записывается следующим образом: ?=А О В =А 0 В+А©В. Значения функ­ ции приведены табл. 1.9.

22

На базе элементов И—НЕ логики в МП могут быть построе­ ны устройства, которые называют классификаторами прерываний- В МП системах с развитой периферией возникает ситуация, ког­ да сразу несколько периферийных устройств необходимо соеди­ нить с одним центральным. В момент, когда периферийному уст­ ройству необходимо связаться с центральным, оно вырабатывает сигнал прерывания. Сигналы прерывания от всех периферийных устройств подаются на устройство ИЛИ, на выходе которого воз­ никает сигнал запроса на прерывание. Этот сигнал «сообщает» МП о необходимости прервать текущую работу и перейти на про­ грамму обслуживания периферийного устройства [11]. Каждой периферийное устройство имеет индивидуальный канал, по кото­ рому передается сигнал прерывания. Эти сигналы поступают на классификатор прерываний. Он вырабатывает сигнал главногопрерывания и определяет периферийное устройство, которое по­ слало сигнал прерывания. Наиболее общий аппаратный метод определения номера периферийного устройства, которое хочет установить связь с центральным устройством, называют методом формирования цепочки или методом аппаратного опроса. Сущ­ ность метода заключается в последовательном проходе (опросе) цепочки устройств сигнала опроса. Устройство в цепочке, требу­ ющее установления с ним связи, не пропускает этого сигнала и инициирует специальный сигнал, который поступает в центральное устройство, указывая на запрос на прерывание.

В заключение, пользуясь понятиями, изложенными выше,, кратко рассмотрим процесс проектирования программы средств микропроцессорных устройств. Прежде всего необходимо четко уяснить технические особенности создаваемого устройства. Эти особенности диктуют тот набор рабочих программ, который обес­ печивает выполнение устройством заданных ему функций (управ­ ляющих и вычислительных). Программы разрабатываются либо- в машинных кодах, либо на языке ассемблера. Проектируют про­ граммные средства с помощью системного программного обеспе­ чения, которое подразделяется на кросс-программные и резидент­ ные средства [6, 7, 12]. Кросс-программное обеспечение, позволя­ ет транслировать большую часть рабочих программ путем моде­ лирования логики работы основных узлов микропроцессорногоустройства на ЭВМ. Кросс-средства включают в себя такие слу­ жебные программы, как редактор, транслятор (ассемблер или

2 3

компилятор), загрузчик или имитатор. Резидентное программное обеспечение включает служебные программы: монитор, редактор (ассемблер или компилятор), загрузчик и отладчик, реализуемые на создаваемом микропроцессорном устройстве либо на микроЭВМ, построенной на основе МП того же типа. Монитор-програм­ ма, управляющая работой микропроцессорного устройства во время трансляции, корректировки, тестирования и ввода прог­ рамм пользователя, состоит из основной управляющей програм­ мы и совокупности подпрограмм, обеспечивающих разработку ра­ бочих программ микропроцессорного устройства [6].

1.3. ОСНОВЫ п р о е к т и р о в а н и я МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ

устройств д л я т е л е в и д е н и я

Микропроцессорные устройства для телевидения проектируют так же, как и МП для других применений, и, как правило, в сле­ дующем порядке. После уяснения задач, возлагаемых на МП уст­ ройство (МПУ), разрабатывают его структурную схему. На ос­ нове анализа схемы выбирают одно из направлений дальнейшей работы: либо проектируют оригинальное устройство, либо кон­ струируют устройство на основе имеющегося набора микропро­ цессорных комплектов (МПК). Для упрощения проектирования и создания устройства с учетом того, что имеется достаточно ши­ рокий набор МПК, выбирают второй путь.

На основе анализа параметров и возможностей МПК из того набора, которым располагает разработчик, создают функциональ­ ную схему устройства с учетом разделения функций его аппара­ турных и программных средств. Далее разрабатывают аппаратур­ ную и программную части (алгоритмы и программы работы ми­ кропроцессорного устройства). Завершают разработку отладкой аппаратуры и программных средств. Причем, естественно, сле­ дует предварительно выбрать средства отладки, разработать тес­ товые алгоритмы и программы.

Важная особенность проектирования МПУ — необходимость комплексной разработки аппаратурного и программного обеспе­ чения. Затраты на создание программного обеспечения доходят до 80% общей стоимости проекта [6].

В связи с программируемостью и многофункциональностью МП позволяют создавать в телевидении достаточно просто перестра­ иваемые устройства, решающие разнообразные задачи. На пер­ вом этапе их проектирования создаюталгоритм решения задачи, список параметров и констант, описывают входные и выходные сигналы устройства, определяют перечень и основные параметры (быстродействие, формат слова, уровни электрических сигналов) периферийных устройств. Кроме того, при необходимости могут -быть заданы требования на системы команд, способы адресации и разрядность обрабатываемых слов в устройстве.

Далее разрабатывают функциональную схему устройства. Главным при ее разработке является выбор типа МП. Пока не

24

существует универсальной методики его выбора, поэтому обычно просто перебирают различные МП с одновременным анализом со­ ответствия заданных технических параметров устройства тем, ко­ торые позволяет получить каждый тип МП. Ограничениями при выборе МП является предельно допустимая стоимость устройства, допустимая степень соответствия проектируемых его параметров заданным.

Затем переходят к проектированию трех основных блоков МП устройства: центрального процессора, системы памяти и систе­ мы ввода — вывода. Главное при разработке процессора на осно­ ве разрядно-модульных МП — это выбор блока микропрограм­ много управления (БМУ); обеспечение необходимой разрядности процессора. Завершает разработку процессора создание его прин­ ципиальной .схемы. Блок микропрограммного управления являет­ ся составной частью почти всех МПК с разрядно-модульной ор­ ганизацией (секционированных). Блок выбирают на основе ана­ лиза его быстродействия, емкости адресуемой памяти, потребля­ емой мощности и других параметров с учетом обеспечения реше­ ния поставленной задачи с помощью МПУ с минимальными за­ тратами, эффективным программированием. Разрядность обра­ батываемых слов обеспечивается (см. § 1.1) соединением (после­ довательным, параллельным ш «параллельно-последовательным) нескольких секций с помощью цепей переноса и сдвига. Принци­ пиальные схемы процессора и МПУ должны основываться на ис­ следовании критических путей .прохождения арифметической и управляющей информации [6, 7]. При этом временные параметры устройства определяются значениями задержки сигналов на тех устройствах, в которых время распространения информационных и управляющих сигналов максимально.

Если в состав МПК не входит генератор тактовых импульсов (ГТИ), при­ ходится его разрабатывать и изготовлять. В зависимости от типа выбранного МП ГТИ должен формировать одно-, двух-, трех- и четырехфаэпые синхрони­ зирующие последовательности тактовых импульсов с заданными параметрами (частота следования импульсов, длительность импульсов, временные соотноше­ ния между импульсами отдельных фаз, длительность фронтов, уровни напря­ жений выходных сигналов).

Проектирование систем памяти включает проектирование бло­ ков ОЗУ -и ПЗУ, в которых хранятся операнды, константы, ми­ кропрограммы и/или программы, управляющие работой МПУ. Разработке блоков памяти должна предшествовать программная реализация алгоритмов. Это необходимо для определения требу­ емого объема памяти. При проектировании микропрограммируемых МПУ знание объема памяти связано с выбором формата микрокоманд и зависит от числа и разрядности основных и вспо­ могательных полей микрокоманд [6]. Основу проектирования си­ стемы памяти составляют выбор типов и числа БИС ЗУ, созда­ ние принципиальной схемы, которая в значительной .степени оп­ ределяется типом и составом элементов выбранного МПК, чис-

25

лом устройства ввода — вывода (УВВ), числом и разрядностью информационных, управляющих и адресных шин элементов. Специфика адресации элементов памяти и УВВ связана со структу­ рой и организацией шин МП. Адресовать можно по раздельным шинам или общей адресной шине. При адресации по общей шине систему создают путем распределения поля адресов между ком­ понентами устройства одним из методов: разделением адресного пространства между ЗУ и УВВ или использованием дополнитель­ ных управляющих сигналов для идентификации типа адресуемо­ го компонента.

Первый метод заключается в том, что старшие разряды адреса, выполняю­ щие управляющие функции, используют для выборки соответствующих компо­ нентов и указания направления передачи информации; при этом элементы па­ мяти и УВВ имеют различные адреса. По второму методу элементы памяти и УВВ имеют общее адресное пространство, а выборка компонентов устройства и управления режимом их работы осуществляется с помощью дополнительных управляющих сигналов — признаков, формируемых МП.

При выборе способа адресации необходимо учитывать сле­ дующие параметры устройства: .число входов выборки кристал­ ла, разрядность адресных шин ЗУ и УВВ и их число [6].

Перед разработкой системы ввода-вывода требуется выбрать способы обмена информацией УВВ — МПУ и распределения ин­ терфейсных функций между аппаратурой и программой. К числу основных способов (режимов) обмена информацией, которые от­ личаются быстродействием и объемом аппаратуры, их реализую­ щей, относятся: обмен в режиме прерывания, прямой доступ к памяти и обмен по. запросу МП. Организация обмена в режиме прерывания наиболее рациональна, когда быстродействие УВВ значительно уступает быстродействию МПП. Интерфейсные функ­ ции при этом реализуются программным либо аппаратурным пу­ тем, причем предпочтение одному из этих путей отдается с уче­ том времени реакции на запрос прерывания от УВВ и объема допустимых аппаратурных затрат. Режим прямого доступа к бло­ ку памяти применяют, когда используются быстродействующие УВВ, требующие передачи и приема больших массивов инфор­ мации. Прямой доступ позволяет передавать информацию меж­ ду памятью л УВВ без участия процессора, что, в свою очередь, обеспечивает высокое быстродействие, но реализуется при наи­ больших аппаратурных затратах из перечисленных способов об­ мена. Обмен по запросу МП рационален при согласовании или малом рассогласовании временных параметров процессора и УВВ. Этот способ реализуется при минимальных аппаратурных и прог­ раммных затратах [12].

Как правило, МПК содержат различные интерфейсные устрой­ ства: буферные регистры, программируемые и непрограммируе­ мые периферийные адаптеры, блоки приоритетных прерываний и др. Но с их помощью не всегда реализуется весь необходимый

26

набор интерфейсных функций. Поэтому приходится разрабаты­ вать и специальные интерфейсные устройства.

Завершающим этапом разработки МПУ является отладка его отдельных узлов и всего устройства в целом. Удобнее всего про­ водить ее, используя специальные пульты и системы.

Правильность функционирования узлов МПУ — процессора, систем памяти и УВВ — проверяют с помощью отладочных пуль­ тов, в состав которых входят: запоминающее устройство, емкость которого до 1 Кбайта (ОЗУ) и 4 Кбайт (ПЗУ), световые инди­ каторы, показывающие состояние входных и выходных адресных, управляющих и информационных шин МПУ; шестанадцатеричная клавиатура, с которой вводятся адреса и данные требуемой разрядности и осуществляется управление режимами работы бло­ ков устройства. Исследуемый блок подключают через специаль­ ный разъемный соединитель на пульте. В ОЗУ пульта хранят не­ большие по объему диагностические программы, команды кото­ рой могут реализовываться в пошаговом режиме. При этом на индикаторах высвечиваются параметры, характеризующие состо­ яние шин блоков или других контрольных точек, что позволяет быстро выявлять неисправность, а также тот участок, где она имеет место.

Более совершенными, позволяющими комплексно отладить ап­ паратурные и программные средства МПУ на всех этапах проек­ тирования, являются специализированные системы моделирования и системы комплексной отладки МПУ, ориентированные на оп­ ределенный МП [6, 13]. Система комплексной отладки — это мощная универсальная микроЗВМ с широким набором аппара­ турных модулей и периферийных устройств, а также с развитым резидентным обеспечением. Технические и программные средст­ ва этой системы позволяют компоновать из аппаратурных моду­ лей и периферийных устройств прототип проектируемого устрой­ ства и последовательно отлаживать готовые блоки микропро­ цессорного устройства и разрабатываемых программ, когда ре­ ального устройства еще нет.

В состав системы (рис. 1.6 [6]) входят: блок центрального процессора, состоящий из собственно МП, а также генератора тактовых импульсов, устройств запуска и прерываний и т. д.; блок основной памяти в виде ОЗУ или ППЗУ для хранения слу­ жебных программ в процессе разработки программного обеспе­ чения и временного хранения прикладных программ и данных; внешнее ЗУ для постоянного хранения резидентных программных средств, исходного и объективного модулей прикладного програм­ много обеспечения; диалоговый терминал данных, применяемый для разработки программ и обеспечивающий ввод директив, кон­ троль и коррекцию содержимого ОЗУ; модуль ввода — вывода, согласующий работу системы отладки с периферийными устройст­ вами, применяемыми в разрабатываемом МПУ; эмулятор, обес­ печивающий отладку аппаратурных и программных средств уст­ ройства в реальном времени, когда готового макета МПУ еще

27

Рис. 1.6. Структурная схема системы комплексной отладки микропроцессорного устройства

не существует; монитор — основное управляющее звено системы комплексной отладки.

Как правило, процесс отладки начинается в то время, когда макета МПУ еще нет. В таком случае используют полную эму­ ляцию компонентов разрабатываемого устройства. Прототип раз­ рабатываемого устройства создают на основе системы отладки перераспределением ее аппаратурных ресурсов и предваритель­ ной отладки прикладных программ в реальном масштабе време­ ни. По мере создания МПУ (процессора, системы памяти, сис­ темы ввода — вывода) узлы — аналоги системы отладки отсоеди­ няют и вместо них к эмулятору системы подключают готовые блоки. Происходит отладка этих блоков и определенной части программного обеспечения (режим частичной эмуляции). Разра­ ботку МПУ заканчивают изготовлением его макета. Окончатель­ но отлаживают аппаратурные и программные средства с помощью системного программного обеспечения применяемой системы ком­ плексной отладки. Основным недостатком системы комплексной

а также выбора алгоритма решения задачи при создании про­ граммного обеспечения МПУ, оценки работоспособности проек­ тируемого устройства в процессе создания аппаратурных средств проверки и отладки программного обеспечения на модели в про­ цессе комплексной отладки программных и аппаратурных средств

28

применяют специализированные системы моделирования (ССМ) [14, 15]. Достоинством ССМ является инвариантность к типу МП. Их молено с успехом использовать для создания МПУ сред­ ней сложности, т. е. наиболее характерных с точки зрения при­ менения в телевидении.

Коротко рассмотрим основные положения методики автома­ тизации проектирования МПУ при использовании диалоговой си­ стемы моделирования, которая является хорошим примером спе­ циализированной системы моделирования [6].

Функциональную схему МПУ разрабатывают в начале про­ ектирования на основе анализа быстродействия вариантов уст­ ройства при реализации бенчмарковских программ (БП). Модель

Рис. 1.7. Алгоритм создания функциональной схемы на основе автоматизиро­ ванном анализа перебора вариантов построения МПУ

29

МПУ реализуют на .функциональном уровне, и она представлю ет собой совокупность имитационных отладочных моделей отдельных блоков устройства. Алгоритм создания функциональной схемы на основе автоматизированного анализа и перебора ва­ риантов построения МПУ приведен на рис. 1.7 [6]. Вначале вы­ бирают группу МП для проведения их анализа. Для одного из

анта МПУ. В результате потактовой обработки БГ1 на модели

Рассмотрим выбор алгоритма решения вычислительных за­ дач. Рациональный алгоритм ,выбирают на этапе создания прин­ ципиальной схемы МПУ и его программного обеспечения по зна­ чению вычислительной погрешности, возникающей из-за округле­ нияпромежуточных и окончательных результатов вычислений [7]. Модель алгоритма создают путем последовательно-парал­ лельного соединения типовых блоков решения известных мате­ матических задач, на которые его предварительно разбивают. Если полученная точность меньше заданной, это говорит о необ­ ходимости либо увеличить разрядность процессора, либо изме­ нить алгоритм вычислений.

Работоспособность и правильность функционирования проек­ тируемого устройства проверяют моделированием основных ин­ формационных и управляющих сигналов, циркулирующих в МПУ» получением и анализом временных диаграмм работы [16].

Глава 2.

ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ Д Л Я ПОВЫШЕ­ НИЯ КАЧЕСТВА ТВ ИЗОБРАЖЕНИИ

2.1. ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИИ. ИКОНИКА

Применение МП для обработки изображений связано преж­ де всего с разработкой эффективных методов этой обработки. Создать же эффективные методы можно только при учете зако­ нов восприятия изображений человеком, комплексно рассматри­ ваемых в рамках сравнительно новой науки — иконики.

Изображение — одно из наиболее привычных понятий, .приме­ няемых человеком в своей деятельности. В то же время это по­ нятие из-за своей неопределенности и неоднозначности требует точного определения для употребления в технической, и научной

30