§ 10.14. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ В СИСТЕМАХ РА

Создание микропроцессорных средств (МПС) открыло новые возможности для совершенствования систем РА, реализации в них более сложных алгоритмов управления. Внедрение МПС в РЭА различного назначения определяется в основном их быстродействием и функциональными возможностями. В настоящее время МПС применяются в системах радиосвязи, различных устройствах цифровой обработки сигналов, радиолокационных, оптимальных и адаптивных системах РА. По мере совершенствования и нарастания функциональных возможностей МПС области их применения расширяются.

Микропроцессор (МП) - устройство, состоящее из одной или нескольких больших интегральных схем (БИС), выполняющих функции аналогичные процессору ЭВМ. Совместно с БИС оперативного (ОЗУ), постоянного (ПЗУ) и перепрограммируемого (ППЗУ) запоминающих устройств и другими устройствами на БИС микропроцессор образует микропроцессорный комплект (МПК), на основе которого строят вычислительные устройства различного назначения. Различают два вида вычислительных устройств с использованием МПС: вычислители с устройствами управления, выполненными на комбинационных схемах, и вычислитёли с программными запоминающими устройствами. Микропроцессоры первого вида называют МП с фиксированным набором команд. В таких МП достигается максимальное быстродействие. Устройство управления МП второго вида реализуется программным способом, согласно которому любую операцию представляют в виде микроопераций, выполняемых за один такт работы арифметического устройства. Совокупность микроопераций образует микрокоманду, которая

представляет двоичное число, содержащее код операции, а также коды адресов исходных данных и конечного результата. Устройства, предназначенные для хранения и считывания микрокоманд, реализуются на БИС ПЗУ и ППЗУ. Изменение выполнения операций ведет к смене микропрограммы, что позволяет применять один и тот же тип микропроцессорного комплекта (МПК) для построения различных вычислительных устройств.

Для считывания каждой команды требуется обращение к ПЗУ, поэтому быстродействие МП с микропрограммным управлением ниже быстродействия МП с фиксированным набором команд.

Элементы МП (операционные устройства, управляемая память и др.) могут размещаться в одной микросхеме. Так построены отечественные МПК серий КР580 и КР1810. Исполование таких МП упрощает построение вычислительных устройств, облегчает их программирование, однако сопровождается значительным сокращением их быстродействия.

Для повышения быстродействия и универсальности МПС выполняются по модульному принципу, в соответствии с которым микропроцессорное устройство выполняется из функциональных модулей. Модульный принцип построения МПС позволяет за счет выбора необходимых модулей создавать микропроцессорные устройства различного назначения.

МПС отличается от остальных изделий вычислительной техники тем, что они реализуются на одной или не скольких БИС. При современном развитии технологии максимальная площадь кристалла БИС не превышает Такая небольшая площадь приводит к тому, что для построения микропроцессорных устройств приходится использовать несколько БИС, поэтому современные МПК состоят из нескольких десятков БИС различного назначения. Разрядность микропроцессорных БИС обычно равна 4, 8 и реже 16, необходимая разрядность микропроцессорных устройств реализуется за счет объединения нескольких БИС. Микропроцессорные БИС с ограниченным числом разрядов называют секционными. Подобные МП БИС являются основной элементной базой микропроцессорных устройств, применяемых в РЭА и системах РА. В секционных МП управляющее устройство строится по принципу микропрограммного управления, что позволяет составлять микропрограммы с учетом специфики решаемых алгоритмов.

На рис. 10.43 показана структурная схема микропроцессорного устройства, в котором данные с устройств ввода обрабатываются в МП и результаты выдаются на устройства вывода. Ввод данных осуществляется устройствами ввода—вывода (УВВ).

Рис. 10.43. Структурная схема МПУ

Кроме МП и УВВ в состав микропроцессорного устройства входят следующие устройства: ЗУ и ПЗУ, предназначенные для хранения и выдачи по запросам команд программы различных данных"; контроллеры, обеспечивающие обмен данными между УВВ с МП и устройствами памяти. Информационный поток в микропроцессорном устройстве поступает на шины данных, адресов и управления.

В процессе работы МП выдает на шину адреса код ячейки памяти, в которой хранится очередная команда, обеспечивая ее считывание под действием сигналов с шины управления. Запрошенные команды через шину данных поступают в МП, где расшифровываются, после чего МП приступает к их выполнению. После выполнения текущей команды на шину адреса выдается адрес следующей команды и процесс повторяется.

Устройства УВВ подключаются к шине данных через контроллер, который управляет процессом обмена данных. Различают следующие способы обмена даннымиз программно-управляемый, с прерыванием и прямым доступом к блоку памяти. В первый способ моменты обмена

данными известны заранее, поэтому на этапе программирования в соответствующих местах программы располагаются команды, обеспечивающие обмен.

При втором способе моменты обмена определяются УВВ. В этом случае УВВ подает сигнал в МП и переводит его в режим прерывания, в котором МП прекращает выполнение основной программы и начинает осуществлять программу прерывания, обеспечивающую обмен данными. После выполнения обмена данными МП возвращается к выполнению основной прораммы.

Описанные два способа обмена связаны с потерями процессорного времени. От этого недостатка свободен третий способ обмена прямой доступ к блоку памяти (ПДП). Организация такого обмена осуществляется контроллером ПДП, которому микропроцессор передает управление, шинами для непосредственного обмена данными между блоком памяти и УВВ. После окончания обмена данными контроллер ПДП передает управление (шинами МП, связь которого с шинами восстанавливается и выполнение программы продолжается.

Для описания различных МПК БИС используются следующие основные характеристики [18]:

1) число специализированных БИС в комплекте, определяющее функциональные возможности комплекта при минимальном использовании микросхем малой и средней интеграции;

2) число шин, которое обычно не превышает трех (с уменьшением числа шин быстродействие БИС снижается);

3) число регистров общего назначения, характеризующее емкость сверхоперативной памяти (их число ). С увеличением числа регистров уменьшается число обращений к запоминающим устройствам, в результате чего повышается быстродействие выполнения микропрограммы;

4) число уровней прерывания, определяет число внешних устройств, с которыми может обмениваться данными МП;

5) число буферных регистров ввода—вывода, увеличение которого приводит к уменьшению длительности выполнения микрокоманды, упрощает микропроцессорное устройство.

В настоящее время промышленностью освоен выпуск различных МПК. Для использования в РЭА и системах РА наибольший интерес представляют МПК серий

Таблица 10.2 (см. скан)

К588, К1800, КР1802 и КМ1804 (табл. 10.2). МПК, приведенные в табл. 10.2, являются секционными, поэтому при создании микропроцессорных устройств имеется возможность наращивания разрядности.

При проектировании систем РА, в которых применяются МПК БИС, приходится решать следующие задачи: разработку алгоритмов, реализуемых с помощью МПС; выбор типа МПК; составление и отладка программы. Разработка алгоритмов выполняется в соответствии с методами синтеза систем РА, рассмотренными ранее. В дальнейшем процесс синтеза разбивается на синтез аппаратных средств и программную часть. Для выполнения этих работ, как и при выборе типа МПК, инженер должен быть знаком с элементной базой микропроцессорных устройств, системой команд программного обеспечения, средствами отладки и т. п.

На основании требований к реализации алгоритмов и характеристик МПК разрабатывается структура микропроцессорного устройства с выделением аппаратурной и программной частей, дальнейшей разработкой и отладкой программ.

Нахождение рационального сочетания этих средств и является конечной целью проектирования систем РА с МПС. Обычно основанием для выбора типа МПК является его быстродействие.

Структурная схема системы РА с микропроцессорным устройством приведена на рис. 10.1. Задачи, которые решаются в таких системах микропроцессорным устройством разнообразны. Они могут быть связаны с формированием корректирующих программ для улучшения

динамических свойств системы (в этом случае микропроцессорное устройство является по существу цифровым фильтром) или реализации алгоритмов оптимальных и адаптивных систем. Кроме того, микропроцессорное устройство может осуществлять вычисление сигнала рассогласования в замкнутых системах, так как в ряде систем, например в РЛС с антенными фазированными решетками, для определения этого сигнала требуется выполнить большой объем вычислений.

В качестве примера рассмотрим микропроцессорное устройство, предназначенное для управления лучом фазированной антенной решетки (ФАР) бортовой РЛС [18], которая состоит из антенных элементов элементов в каждой строке решетки). Фаза сигнала каждого элемента решетки

где число состояний фазовращателя; дискрет фазы; -расстояние между антенными элементами; I — длина волны; символ операции взятия целой части числа по модулю; направляющие косинусы, определяющие положение в пространстве луча антенной решетки.

Алгоритм управления лучом целесообразно составить так: сначала по данным целеуказания нужно вычислять значения направляющих косинусов а затем по полученным данным и формуле (10.92) определить значения фаз каждого элемента решетки Расчет фаз по (10.92) сводится к многократному выполнению операций сложения, число которых равно Последовательное вычисление

Рис. 10.44. Структурная схема МПУ управления угловым положением радиолокационного луча

всех элементов приводит к большим затратам времени, поэтому целесообразно операцию суммирования выполнять с использованием аппаратного сумматора.

Структурная схема микропроцессорного устройства для управления ФАР приведена на рис. 10.44. Данные с целеуказания через буферный регистр поступают в ОЗУ. МП в соответствии с программой, помещенной в ППЗУ, вычисляет значения направляющих косинусов, которые через буферный регистр поступают на сумматор, вычисляющий значения фазы каждого элемента Определенные значения фаз хранятся в регистрах и по сигналу считывания поступают на фазовращатели ФАР.

В заключение отметим, что основным фактором сдерживающим в настоящее время применение МПС в системах РА является их невысокое быстродействие по сравнению с цифровыми устройствами. Поэтому их используют пока в отдельных элементах систем РА (цифровых фильтрах, дискриминаторах, АЦП и т. п.).

(см. скан)