Добавлен: 19.06.2023
Просмотров: 45
Скачиваний: 2
Программа работы МК создана в среде AVR-Studio на языке программирования Assembler.
После подачи питания на МК происходит его инициализация. Настраиваются стек МК, таблица прерываний, производится предварительная настройка АЦП (определение скорости преобразования, выбор источника опорного напряжения).
Затем происходит конфигурирование модуля УСАПП. Выбираются скорость работы и формат кадра (количество битов данных в кадре, количество стоп-битов, настройка бита четности).
Далее в программе реализуется цикл ожидания приема режима работы устройства. В случае получения кода режима регистратора устройство переходит в режим регистратора.
В случае получения кода осциллографа выполняется подпрограмма работы устройства в режиме осциллографа. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].
Подпрограмма режима регистратора начинается с цикла ожидания приема номера канала, на котором необходимо произвести измерения. После получения номера канала осуществляется конфигурирование АЦП (выбирается режим одиночного преобразования, устанавливается выбранный канал мультиплексора).
После завершения конфигурирования АЦП-программа выполняет одно холостое преобразование. Это действие необходимо для повышения точности преобразования. Затем программа выполняет первое корректное преобразование и отправляет данные в персональный компьютер.
Подпрограмма режима осциллографа начинается с цикла ожидания настроек. После получения настроек выполняется конфигурирование АЦП (устанавливаются дифференциальный, или несимметричный, режим, коэффициент усиления предусилителя, номер канала, режим непрерывного преобразования).
Далее программа запускает АЦП, отправляет данные в ПЭВМ и осуществляет проверку сигнала «стоп», в случае получения послед- него программа переведет устройство в режим ожидания следующей опера- ции. Если сигнал «стоп» не принят, то цикл измерения и отправки данных повторяется.
Основой предлагаемого устройства служит МК ATmega16 со встроенным АЦП и интерфейсом УСАПП. Питание МК осуществляется от стабилизатора напряжения на микросхеме DA1 (КР142ЕН5А). Она формируется напряжением 5 В, которое используется для питания всех элементов схемы и в качестве опорного напряжения АЦП. [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].
Конденсаторы С1, С2, С3 и С5 используются для лучшей стабилизации напряжения питания. Тактовая частота МК задается конденсаторами C6, C7 и кварцевым резонатором Z1 номиналом 12 МГц. Ем- кость С6 и С7 должна составлять от 12 до 22 пФ в соответствии с описанием МК.
Частота кварцевого резонатора обеспечивает высокую производительность МК и скорость передачи данных 115 200 бит/с с минимальным количеством ошибок. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].
Данные на персональный компьютер передаются по интерфейсу RS232. Интерфейс RS232 использует диапазон напряжения от -12 до +12 В.
Логическому нулю соответствует диапазон напряжений от +3 до +12 В, логической единице – от -3 до -12 В. Интерфейс УСАПП МК использует уровни напряжения ТТЛ, где логическому нулю соответствует диапазон напряжений от 0,0 до +0,4 В, а логической единице – от +2,4 до +5,0 В. Преобразователь уровней RS232-ТТЛ реализован на транзисторах VT1-КТ3107, VT2-КТ3102, резисторах R1-R4 номиналом 4,7 кОм, диодах VD1, VD2 – 1N4148 и конденсаторе C4 номиналом 10 мкФ.
2.2. Принципы работы процессора и его характеристики
Большим недостатком была узкая специализация ИМС, из-за которой объем их выпуска не мог быть большим, а значит стоимость одной микросхемы оставалась высокой. Улучшить ситуацию позволило бы создание универсальной логической ИМС, специализация которой определялась бы не заложенной на заводе внутренней структурой, а заданной непосредственно самим потребителем программой работы.
Таким образом, оказывается, что первые микропроцессоры (МП) появились совсем не для миниатюризации ЭВМ, а в целях создания более дешевой логической микросхемы, легко адаптируемой к потребностям пользователя. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].
История создания первого в мире микропроцессора достаточно поучительна. Летом 1969 г. японская компания “Busicom”, разрабатывавшая новое семействокалькуляторов, обратилась за помощью в фирму “Intel”. К тому времени “Intel” просуществовала всего около года, но уже проявила себя созданием самой емкой на тот момент микросхемы памяти. Фирме “Busicom” как раз и требовалось изготовить микросхемы, содержащие несколько тысяч транзисторов. Для реализации совместного проекта был привлечен инженер фирмы “Intel” М.Хофф. Он познакомился с разработками “Busicom” и предложил альтернативную идею: вместо 12 сложных специализированных микросхем создать одну программируемую универсальную – микропроцессор. Проект Хоффа победил и фирма “Intel” получила контракт на производство первого в мире микропроцессора. [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].
Практическая реализация идеи оказалась непростым делом. В начале 1970 г. к работе подключился Ф.Фаджин, который за 9 месяцев довел процессор от описания до кристалла (позднее Ф.Фаджин основал фирму “Zilog”, создавшую замечательный 8-разрядный процессор Z80, который успешно работал во многих домашних компьютерах). 15 ноября 1971 г. “Intel 4004” – так назвали процессор – был представлен общественности.
Поскольку для хранения одной цифры калькулятору требуется 4 бита (именно столько необходимо для изображения десятичных цифр “8” и “9”), “Intel 4004” был четырехразрядным процессором. Следующий микропроцессор предназначался для установки в терминал и должен был обрабатывать символьную информацию. Поскольку каждый символ кодируется одним байтом, следующая модель “Intel 8008” стала 8-разрядной; она появилась в апреле 1982 г. По-прежнему этот процессор был заменой “аппаратной логики”, но отдельные энтузиасты уже пытались собрать на нем компьютер. Результаты были скорее демонстрационными, нежели полезными, но микрокомпьютерная революция уже началась.
А в апреле 1974 г. компания “Intel” совершила новый качественный скачок: ее изделие с маркой “Intel 8080” стало первым в мире процессором, походившим на “настоящую” вычислительную машину. Отметим любопытную деталь: хотя процессор. и обрабатывал 8-разрядные данные, но адрес ОЗУ был двухбайтовым. Таким образом, 8080 мог иметь до 64 килобайт памяти, что по тем временам казалось программистам недостижимым пределом. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].
Дальнейшее развитие событий происходило прямо-таки с фантастической скоростью, даже если сравнивать с темпами динамично развивающейся вычислительной техники. За десятилетие был пройден путь от изобретения 4-разрядного МП до достаточно сложной 32-разрядной архитектуры. Было ликвидировано отставание микропроцессорной техники от обычных ЭВМ и началось интенсивное вытеснение последних (все ЭВМ четвертого поколения собраны на базе того или иного микропроцессора!). Для иллюстрации укажем, что первый МП 4004 содержал 2200 транзисторов, МП 8080 – 4800, МП “Intel 80486” – около 1,2 миллиона, а современный “Pentium” – около 3 миллионов.
История развития микропроцессоров представляет собой достаточно интересную самостоятельную тему. Здесь упомянем только, что пионер в создании процессорных микросхем фирма “Intel” по-прежнему сохраняет свои лидирующие позиции в этой области. Ее программно-совместимое семейство последовательно усложняющихся МП (16-разрядные 8086, 80286 и 32-разрядные 80386, 80486, “Pentium”) являются “мозгом” значительной части использующихся компьютеров. Именно на базе этих микропроцессоров собраны все широко распространенные в нашей стране IBM-совместимые компьютеры. [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].
Другую ветку обширного микропроцессорного семейства образуют МП фирмы “Motorola”: ее изделия работают в известных компьютерах “Apple”, а также в более простых – “Atari”, “Commador”, “Amiga” и др. Процессоры “Motorola” ничуть не хуже, а порой даже заметно лучше производимых компанией “Intel”. Но на стороне последней – огромные производственные мощности транснационального гиганта IBM и десятки южно-азиатских фирм, буквально наводнившие мир дешевыми IBM-совместимыми компьютерами. .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Ев- стифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].
В 1993 г. фирма “Motorola” совместно с IBM и “Apple” разработала новый процессор “PowerPC”. Этот процессор имеет очень хорошие технические характеристики, но самое главное в нем – он может эмулировать работу компьютеров и “Apple”, и IBM. Очевидно, что это событие еще более обострит конкурентную борьбу на рынке микропроцессоров. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехни- ческого форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].
Завершая краткий исторический экскурс, попробуем определить некоторые новые направления развития МП в ближайшем будущем. Характерной чертой последних моделей процессоров является возможность работы в многозадачном режиме, который фактически стал нормой для современных ЭВМ. Развивается RISC-архитектура микропроцессоров (процессоры с минимальным числом команд). [ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Ев- стифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].
Такой МП работает необычайно быстро и способен выполнить любую из своих немногочисленных команд за один машинный такт, в то время как обычно на выполнение простой операции требуется 4-5 тактов. Ярким примером достоинств RISC-архитектуры является уже упоминавшийся процессор “PowerPC”. Следует особо подчеркнуть, что успехи RISC-подхода оказывают существенное влияние и на конструирование CISC-процессоров (процессоры с полным набором команд). Так, существенное ускорение классических CISC МП старших моделей семейства “Intel” достигается за счет конвейерного выполнения команд, заимствованного из RISC МП.
И, наконец, нельзя не упомянуть о транспьютерах, содержащих в процессорном кристалле собственное ОЗУ от 2 до 16 кбайт и каналы связи с внешним ОЗУ и с другими транспьютерами. Теоретические возможности этих ИМС, реализующих алгоритмы параллельных вычислений, поражают воображение. Однако потребуется значительное время, прежде чем они смогут быть практически реализованы. [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].
Не следует думать, что бурное развитие микропроцессоров требуется только для вычислительных машин, где МП используются уже не только в качестве центрального процессора, но и в качестве контроллеров для управления сложными периферийными устройствами типа винчестера или лазерного принтера. .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Ев- стифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].
Все большее число ИМС ставится в изделия, напрямую не связанные с ЭВМ, в том числе и бытовые: лазерные аудио- и видеопроигрывателц, телетекст и пейджинговая связь, программируемые микроволновые печи и стиральные машины, а также многие другие. Очевидно, что число таких управляемых микропроцессорами устройств будет все время возрастать. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехни- ческого форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].