СХЕМОТЕХНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ
УСТРОЙСТВА
В РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Курсовая работа: «Программируемый контроллер радиолокатора»
| Работу проверил: | ||
| Н.В.Поваренкин | ||
| (подпись, дата) | (И.О. Фамилия) | |
| Работу выполнил студент: | ||
| Заочный | III | |
| (факультет) | (курс) | |
| Макарова А.К. | ||
| (Фамилия И.О.) | ||
| 0914.0269 | ||
| (номер зачетной книжки) |
Оглавление
Цель работы.. 3
Назначение работы.. 3
Актуальность темы.. 3
1 Основные типы цифровых вычислительных систем, применяемых для сбора и переработки радиолокационной информации. 3
2 Основные типы локальных вычислительных сетей, применяемых при построении радиолокационных систем. 5
3 Современные типы программируемых контроллеров, применяемые в системах сбора и переработки радиолокационной информации. 8
3.1Общие сведения. 8
3.2Отличительные особенности. 8
3.3Описание архитектуры.. 9
3.4Основные технические параметры.. 15
4 Расчеты технических характеристик программируемых контроллеров 16
4.1Расчет параметров функционирования контроллеров. 16
4.1.1 Расчет коэффициента использования оборудования. 16
4.1.2 Определение среднего времени пребывания сообщения в системе 16
4.1.3 Определение среднего времени обслуживания для всех сообщений 17
4.1.4 Определение среднего времени ожидания сообщением обслуживания для всех сообщений. 17
4.1.5 Определение вероятности того, что в системе находятся N сообщений 17
4.1.6 Определение вероятности того, что время 
пребывания в очереди больше данного времени T для экспоненциального распределения времени обслуживания. 17
4.2Расчет необходимой емкости ОЗУ контроллера. 17
4.2.1 Определение частоты поступления сообщений в часы пик. 17
4.2.2 Определение необходимой емкости памяти. 18
4.2.3 Результаты расчетов. 18
Вывод. 19
Список литературы.. 19
Цель работы
Закрепление знаний по дисциплине схемотехника и микропроцессорные устройства в радиотехнических системах.
Назначение работы
Освоить основные типы цифровых вычислительных систем, применяемых для целей радиолокации, основные типы локальных вычислительных сетей, применяемых при построении радиолокационных систем. На примере разобраться с такими микропроцессорными системами, как микроконтроллеры. Научиться аналитическим расчётам технических характеристик программируемых контроллеров.
Актуальность темы
Во всем мире уже долгое времянаблюдаетсявсе большее внедрение цифровой электроники в повседневную жизнь. Также не отстают, а порой и опережают, и отрасли промышленной радиоэлектроники, а в частности и радиолокация, где все больший приоритет имеет цифровая обработка информации, извлекаемая из принимаемых сигналов, а также выполнение вычислений на базе цифровых устройств коими и являются микропроцессорные устройства. Таким образом, актуальность данной темы сложно переоценить.
1 Основные типы цифровых вычислительных систем, применяемых для сбора и переработки радиолокационной информации
В настоящее время к основным типам структур вычислительных систем относятся такие архитектуры как «фон-неймановская» и гарвардская.
Сущность «фон-неймановской» архитектуры заключается в том, что система обладает единой памятью для кода программы и данных используемых в ходе исполнения этой программы. Система содержит единую шину для передачи, как команд, так и данных. Подобная архитектура процессоров применяется в универсальных вычислительных машинах. Если посмотреть в сторону радиолокации, то подобные универсальные машины применяются в основном на этапах вторичной и третичной обработки, а также на компьютерах оператора РЛС. Примером применения данной архитектуры может послужить РЛС «Лира-Т», где на этапе вторичной обработки применяется универсальная вычислительная машина, в составе которой имеется микропроцессор серии x86 компании intel.
Сущность гарвардской архитектуры состоит в том,что для хранения кода программы и,используемые в ходе выполнения программы, данных используются различные устройства памяти. Таким образом, система содержит раздельные шины для передачи команд программы и данных. Следствием подобной реализации следует, что возможно одновременное обращение, как к командам программы, так и к данным. В радиолокации микропроцессорные системы с подобной архитектурой применяются на этапах первичной обработки (цифровые сигнальные процессоры), в блоках управления (микроконтроллеры).
Приведем достоинства и недостатки рассмотренных архитектур микропроцессоров.
«Фон-неймановская» архитектура имеет следующие достоинства и недостатки:
· достоинства:
- относительная простота реализации;
- возможность оперативного перераспределения памяти между областями команд и данных.
· недостатки:
- последовательная выборка команд и данных, передаваемых по одной и той же системной шине, что ограничивает производительность;
- возможность непреднамеренного нарушения работоспособности системы (программные ошибки) и преднамеренного (вирусные атаки).
Гарвардская архитектура имеет следующие достоинства и недостатки:
· достоинства:
- хранение кода программы и данных на разных физических устройствах;
- применение отдельных шин для передачи данных и команд;
- одновременная работа с командами и данными;
- исключена возможность записи в память программ.
· недостатки:
- относительно сложнее в реализации;
- невозможность оперативного перераспределения памяти команд и данных.
2 Основные типы локальных вычислительных сетей, применяемых при построении радиолокационных систем
Компьютеры и другие компоненты локальной сети соединяются между собой различными способами. Используемая схема физического расположения сетевых компонентов называется топологией.
Выделяют три вида топологии сети:
· кольцо;
· общая шина;
· звезда;
При кольцевой топологии (рисунок 1) все компьютеры сети подключаются к единому кольцевому кабелю. Пакеты проходят по кольцу в одном направлении через все сетевые платы подключенных к сети компьютеров. Преимущества кольцевой топологии состоят в том, каждый компьютер является повторителем: он усиливает сигнал перед отправкой следующей машине, что позволяет значительно увеличить размер сети.
Рисунок 1- Топология "Кольцо"
Недостатки сети с кольцевой топологией:
· отказ одного компьютера в сети может повлиять на работоспособность всей сети;
· кольцевую сеть трудно диагностировать;
· добавление или удаление компьютера вынуждает разрывать сеть.
В случае использования общей шины (рисунок 2) все компьютеры подключаются к одному кабелю, который называется шиной данных. При этом пакет будет приниматься всеми компьютерами, которые подключены к данному сегменту сети. Быстродействие сети во многом определяется числом подключенных к общей шине компьютеров. Чем больше таких компьютеров, тем медленнее работает сеть.
Рисунок 2- Топология с "общей шиной"
Преимуществами использования сетей с топологией "общая шина" являются значительная экономия кабеля, а так же простота создания и управления.
К недостаткам общей шины относятся:
· вероятность появления коллизий при увеличении числа компьютеров в сети;
· низкий уровень защиты передаваемой информации;
· все концы сетевого кабеля должны быть к чему-нибудь подключены, например к компьютеру или терминатору, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов.
При использовании звездообразной топологии (Рисунок 3) каждый кабельный сегмент, идущий от любого компьютера сети, будет подключаться к центральному коммутатору или концентратору. Все пакеты будут транспортироваться от одного компьютера к другому через это устройство.
Преимуществами "звезды" является простота создания и управления, высокий уровень надежности сети, высокая защищенность информации, которая передается внутри сети (если в центре звезды расположен коммутатор).
Главный недостаток - поломка концентратора приводит к прекращению работы всей сети.
3 Современные типы программируемых контроллеров, применяемые в системах сбора и переработки радиолокационной информации
В соответствии с вариантом рассмотрим однокристальные микроЭВМ(ОМЭВМ) серии КР1816.
3.1 Общие сведения
Микропроцессорный комплект серии KP18I6 состоит из микросхем КР1816ВЕ35, КР1816ВЕ39, КМ1816ВЕ48 и КР1816ВЕ49, выполненных по n-МДП-технологии. Каждая микросхема представляет собой однокристальную 8-разрядиую микро-ЭВМ, содержащую функциональные узлы (центральный процессор, ОЗУ данных, многоканальный интерфейс ввода/вывода, 8-разрядный таймер/счетчик, векторную систему прерываний с приоритетом, тактовый генератор, устройство синхронизации, программную память), обеспечивающие универсальность, автономность и гибкость применений в устройствах самого различного назначения. Микросхемы серии К1816 имеют идентичную структуру, но отличаются друг от друга только наличием (КМ1816ВЕ48, КР1816ВЕ49) или отсутствием (КР1816ВЕ35, КР1816ВЕ39) внутренней программой памяти, объемом внутреннего оперативно-защитного устройста (ОЗУ), типом и объемом постоянного запоминающего устройста (ПЗУ), максимальным быстродействием. Так, микросхема КМ1816ВЕ48 содержит электрически перепрограммируемое ПЗУ (ППЗУ>, стирание информации в котором осуществляется ультрафиолетовым облучением. Таким образом, пользователь микросхем КМ1816ВЕ48 имеет возможность самостоятельно производить запись информации в программную память, в отличие от КР1816ВЕ49, где эта операция осуществляется с помощью отдельного шаблона в процессе изготовления микросхемы.
3.2 Отличительные особенности
В каждой микро-ЭВМ предусмотрена возможность расширения памяти программ до 4 Кбайт, памяти данных до 384 байт и увеличения числа линий ввода/вывода за счет подключения внешних кристаллов ППЗУ (ПЗУ), ОЗУ и интерфейсов ввода/вывода серии КР580.Пользователь микросхем КМ1816имеет возможность самостоятельно производить запись информации в программную память, в отличие от КР1816ВЕ49, где эта операция осуществляется с помощью отдельного шаблона впроцессе изготовления микросхемы.
3.3 Описание архитектуры
Расположение выводов микроконтроллера.
Расположение выводов микроконтроллера представлено на рисунке 3.
Рисунок 3 – расположение выводов
Устройство ввода/вывода служит для организации обмена информации микро-ЭВМ с внешними устройствами. В микро-ЭВМ имеется 27 линий ввода/вывода, 24 из которых объединены в три 8-разрядиых порта (Р0, PI, P2). Порт Р0 (DB0—DB7) — двунаправленный, порты PI, P2 — квазидвунаправленные.
Порты P1 н Р2 имеют идентичные характеристики. Данные, записанные на этих портах, статически фиксируются и не изменяются до перезаписи. Как входы эти линии не фиксируются, т. е. входные данные должны присутствовать до считывания по команде приема данных. Для использования портов P1, Р2 в качестве входов микро-ЭВМ должна выдать сначала 1 по соответствующим линиям P1, P2 по команде выдачи данных. Порты Р1 и Р2 устанавливаются в состояние 1 также после подачи сигнала SR.
Порт Р0 — 8-разрядный двунаправленный порт с тремя состояниями; он может использоваться и в качестве статически фиксированного выходного порта или нефиксированного входного порта. WR - строб импульс, который сопровождает информацию выдаваемую на порте Р0.RD – строб импульс, который вырабатывается при записи информации в порт Р0.
Три линии ввода\вывода (T0, T1, INT) используются как входы, проверяемые командами условного перехода. Линия Т0 может использоваться для выдачи тактовых сигналов.ЛинияT1 может быть использована как вход счетчика внешних событий для счетчика/таймера. Линия INT может быть использована для внешнего аппаратного прерывания.
PR – вывод применяемый для синхронизации, при расширении количества линий ввода/вывода.Переход сигнала PR с высокого уровня на низкий указывает, что на выходах Р2(0) - Р2(3) находятся код операции и адрес порта, а переход сигнала с низкого уровня на высокий указывает на то, что на выводах Р2(0) - Р2(3) находятся данные — содержимое четырех младших разрядов аккумулятора.
Выводы BQI, BQ2 используются для подключения внешнего кварца илиRLC-цепи.
SR–прекращает выдачу тактовых сигналов на вывод T0.
В качестве входных сигналов,формирующих режим работы микроконтроллера используют сигналы EMA, PR, ТО, SS, SR. Комбинации этих сигналов реализуют основные режимы работы микро-ЭВМ.
VCC - вывод источника питания.
GND – земля.
Структурная схема микроконтроллера.
Структурная схема микроконтроллера приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Структурная схема микроконтроллера
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) представляет собой параллельное 8-разрядное устройство, позволяющее выполнять арифметические, логические операции и операции сдвига над данными, представленными в двоичном коде, а также обрабатывать данные, представленные в двоично-десятичном коде.
Блок программной памяти (БПП) предназначен для записи, хранения и считывания команд, которые поступают в процессор и управляют процессором обработки информации. Блок состоит из ПЗУ (ППЗУ), счетчика команд, дешифратора адреса и дешифратора команд.
Счетчик команд (СК) предназначен для формирования текущего адреса местонахождения команды в программной памяти. Счетчик команд содержит 12 разрядов. Содержимое СК увеличивается после выбора каждого байта команды и может изменяться скачкообразно при выполнении команд условных, безусловных переходов при выполнении команд CALL и при выполнении прерываний. Старший разряд СК изменяется только программно (команды SEL МВО, SEL MB1). Счетчик команд разбит на две части: счетчик младших разрядов (биты 0—7) и счетчик старших разрядов (биты 8—11). При использовании внешней программной памяти биты 0—7 СК поступают через порт Р0 (выводы DB0—DB7), а биты 8—11 —через порт Р2 [выводы Р2(0) — Р2(3)].
Дешифратор и регистр команд предназначены для записи, хранения и декодирования команд, поступающих из программной памяти. С выхода дешифратора снимаются управляющие сигналы, осуществляющие выполнение команд.
Оперативное запоминающее устройство предназначено для хранения данных, получаемых при обработке информации. Ячейки ОЗУ (64—КМ1816ВЕ48 и 128—КР1816ВЕ49) разбиты на два байка регистров общего назначения (РОН) с адресами 00Н—07Н (банк 0) и 18Н—1FH (банк 1). Переключение банков осуществляется программным путем с помощью команд SEL RBO, SEL RB1. Восьмиуровневый 16-разрядный стек с адресами 8— 17, ячейки ОЗУ 20—3F используются только как ОЗУ данных. Поле распределения памяти данных.
Для записи и выборки данных из ОЗУ используются два вида адресации: прямая и косвенная (регистровая). При прямой адресации в коде команды три младших бита определяют адрес РОН (регистры R0—R7 при выборе банка регистров R0, регистры RTF—RT при выборе байка регистров R1). При косвенной адресации место расположения адреса указывается в команде. Адрес ячейки ОЗУ может храниться либо в аккумуляторе, либо в регистрах R0, R1 или регистрах RTF, RT, в зависимости от выбранного банка регистров. С помощью косвенной адресации можно адресоваться к любой ячейке ОЗУ. Программист по своему усмотрению может использовать для хранения данных любые неиспользованные ячейки — регистры банков РОН, стек, а также имеет доступ к любой из ячеек ОЗУ посредством косвенной адресации.
Регистр состояния –PSW
Регистр состояния программы (PSW) предназначен для хранения данных о состоянии микро-ЭВМ.
Регистр состояния изображен на рисунке 5.
Рисунок 5 – Регистр состояния
разряды 0-2 — разряды указателя стека (S0-S2);
разряд 3не используется (при чтении всегда 1);
разряд 4 указывает используемый банк рабочих регистров общего назначения;
разряд 5 - флаг пользователя (F0), используется по команде условного перехода;
разряд 6 — разряд дополнительного переноса (АС), используется для десятичной коррекции;
разряд 7 — перенос, указывающий на переполнение аккумулятора после предыдущей операции (CY).
Регистр PSW может программно проверяться, модифицироваться весь и поразрядно. При прерываниях по входу INT и по флагу таймера/счетчика содержимое четырех разрядов (D4—D7) заносится в стек, а при возврате из программы прерывания по команде RETR содержимое этих разрядов восстанавливается.
Система команд микроконтроллера.
Система команд включает 96 команд, 68 из них — однобайтовые. В двухбайтовых командах первый байт несет информацию о коде команды, второй является непосредственными данными или младшими разрядами адреса следующей команды Большинство команд (53) выполняются за один машинный цикл, 43 команды (в том числе 15 однобайтовых) за два машинных цикла. Выполнение двухбайтовых команд за два цикла связано с дополнительным обращением к программной памяти. Однобайтовые команды в большинстве выполняются за один цикл, однако команды, требующие обращения к внешним устройствам, а также команды RET и RETR выполняются за два цикла.
Команды условно разделены на следующие группы: передачи данных, преобразования данных, передачи управления.