Файл: Основы бортовых вычислительных машин.pdf

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.

219 управляющим кодом. В большинстве случаев эта функциональная за- висимость является линейной. Наиболее часто ЦАП используются для сопряжения устройств цифровой обработки сигналов с система- ми, работающими с аналоговыми сигналами. Кроме этого, ЦАП ис- пользуются в качестве узлов обратной связи в аналого-цифровых преобразователях и в устройствах сравнения цифровых величин с аналоговыми.
Схемы ЦАП можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, виду выходного сигнала, полярности выходного сигнала, элементной базе и др. По принципу действия наибольшее распространение получили ЦАП следующих видов: со сложением то- ков, с делением напряжения и со сложением напряжений. В микро- электронном исполнении применяются только первые два типа.
По виду выходного сигнала ЦАП делят на два вида: с токовым выходом и выходом по напряжению. Для преобразования выходного тока ЦАП в напряжение обычно используются операционные усили- тели. По полярности выходного сигнала ЦАП принято делить на од- нополярные и двухполярные.
Управляющий код, подаваемый на вход ЦАП, может быть раз- личным: двоичным, двоично-десятичным, Грея, унитарным и др.
Кроме того, различными могут быть и уровни логических сигналов на входе ЦАП.
При формировании выходного напряжения ЦАП под действием управляющего кода обычно используются источники опорного на- пряжения. В зависимости от вида источника опорного напряжения
ЦАП делят на две группы: с постоянным опорным напряжением и с изменяющимся опорным напряжением. Кроме этого, ЦАП классифи- цируют по основным характеристикам: количеству разрядов, быстро- действию, точности преобразования, потребляемой мощности.
Все параметры ЦАП можно разделить на две группы: статиче- ские и динамические. К статическим параметрам ЦАП относят: раз- решающую способность, погрешность преобразования, диапазон зна- чений выходного сигнала, характеристики управляющего кода, сме- щение нулевого уровня и некоторые другие.
К динамическим показателям ЦАП принято относить: время ус- тановления выходного сигнала, предельную частоту преобразования, динамическую погрешность. Рассмотрим некоторые из этих парамет- ров.