12.5. АНАЛОГОВЫЙ МИКРОПРОЦЕССОР [17, 24]

Перспективными средствами при разработке МПАС являются аналоговые МП, предназначенные для прямой обработки аналоговых (и цифровых) сигналов. В структуре таких МП имеется несколько каналов АЦП и ЦАП, а также цифровой процессор. Аналоговые МП (АМП) выполняют функции аналоговых схем: генерацию колебаний, модуляцию, смешение частот, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т. д.; они заменяют сложные электронные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т. д.

Они значительно повышают воспроизводимость и точность обработки аналоговых сигналов, а также предоставляют широкие функциональные возможности программной настройки цифровой части МП на различные алгоритмы обработки аналоговых сигналов.

В таких МП входные аналоговые сигналы передаются через встроенные АЦП. далее обрабатываются в цифровом виде и после обратного (ЦАП) преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие МП представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов.

В аналоговом МП разрядность обрабатываемых данных достигает 24 и болеедбольшое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических операций.

Отличительная черта АМН — способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью, при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. При этом, согласно теореме Котельникова, частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала.

Сравнение АМП производится но количеству эквивалентных звеньев аналого-цифровых фильтров — рекурсивных фильтров вто рого порядка. Чем быстрее осуществляется операция умножения, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в МП.

Одним из направлений дальнейшего совершенствования АМП является повышение их универсальности и гибкости. Поэтому вместе с повышением скорости обработки большого объема информации (цифровых данных) будут развиваться средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации за счет реализации аппаратурных блоков прерывания программ и программных переходов.

При решении задачи рационального (оптимального) построения МПАС (подсистемы обработки данных) могут широко использоваться АМП.

Примером процессоров такого класса является функционально законченное устройство КМ1813ВЕ1 (аналог МП2920 фирмы Intel), выполненное в виде сверхбольшой БИС (СБИС), представляющей собой по существу однокристальную МЭВМ со встроенными ЦАП и АЦП, архитектура и система команд которой фиксированы и ориентированы на решения класса задач цифровой обработки сигналов. Основное назначение такого АМП — замена аналоговых подсистем обработки сигналов в полосе частот 0 ... 20 кГц. Он позволяет реализовать: фильтры нижних частот и полосовые, пороговые детекторы. ограничители, спектроанализаторы, модуляторы и демодуляторы, формирователи нелинейных функций (например, тригонометрических, логарифмических), многочастотные генераторы, генераторы специальных функций и т. п.

Архитектура и функциональный состав АМП. В структурной схеме АМП, в упрощенном виде которая представлена на рис. 12.12, можно выделить три основные части: память команд, устройство цифровой обработки и аналоговую часть.

Память команд — это репрограммируемое ПЗУ (РПЗУ) емкостью 192 24-разрядных слова. Каждое слово (команда) содержит поля, определяющие инструкции, которые необходимо выполнять аналоговым и цифровым частям процессора.

Цифровая часть включает в себя: двухвходовое (двухпортовое) сверхоперативное ОЗУ (СОЗУ) на 40 25-разрядных слов, память констант на 16 4-разрядных слов, 25-разрядное АЛУ, регистр сдвига (), на котором реализовано двоичное масштабирующее устройство с диапазоном масштабирования а также схемы тактирования и масштабирования, многофункциональный регистр РГ1.

Рис. 12.12

Аналоговая часть представляет собой интерфейс для ввода-вывода информации и содержит все необходимые схемы для многоканального аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования: входной аналоговый мультиплексор (AM) на четыре входа, устройство выборки-хранения, компаратор, 9-разрядный ЦАП (один разряд знаковый), выходной аналоговый коммутатор (АК) или демультиплексор на 8 выходов, устройства выборки-хранения и усилители на каждый из восьми выходов, схему управления аналоговой частью.

Аналого-цифровое преобразование осуществляется методом последовательного приближения.

Обмен данными между аналоговой и цифровой частями осуществляется через многофункциональный регистр (РГ1), который адресуется как ячейка (40) СОЗУ.

Уровень преобразуемого напряжения запоминается на конденсаторе схемы выборки и хранения, общем для всех входов и подключаемым к внешним зажимам. Емкость конденсатора влияет на постоянную времени схемы выборки и выбирается в пределах от 100 до 1000 пФ.

АМП разработан в результате удовлетворения компромиссным требованиям, предъявляемым к специальным БИС и однокристальным МЭВМ (универсальным, общего назначения). Однако в отличие от специальных БИС, ориентированных на решение только конкретной задачи, АМП предназначен для решения класса задач, в основе которых лежат соотношения типа свертки, рекурсивного характера, дискретного преобразования Фурье и т. п.

Такая направленность обусловлена архитектурными и схемными модифицикациями, что позволяет при одинаковых с универсальными МЭВМ технологии, потребляемой мощности и стоимости обеспечить производительность на задачах указанного выше характера (цифровой обработки сигналов) на 1 ... 2 порядка выше.

Конструктивно АМП размещен в 28-выводном корпусе и реализован по -МДП технологии на кристалле размером 6,5x5,2 мм.

АМП должен выполнять всю программу от начала до конца при каждом получении отсчета с входного АЦП. Это обусловлено тем. что такой МП предназначен для работы в реальном масштабе времени.

Таким образом, время выполнения программы определяет частоту дискретизации, а эта частота, в свою очередь, определяет полосу пропускания АМП. Время цикла любой команды АМП одинаково и не зависит от условия ее выполнения: каждая команда выполняется за четыре такта, минимальная длительность исполнения команды — 600 не при тактовой частоте 6.67 МГц.

АМП формирует периодические отсчеты с достаточно высокой частотой и выполняет большой объем вычислений между отсчетами — это открывает широкие возможности в области обработки аналоговых сигналов в рамках МПАС. Повышение скорости обработки информации достигается за счет применения элементов конвейерной архитектуры и оригинального алгоритма умножения.

В АМП используется архитектура (называемая гарвардской или модифицированной гарвардской), в которой данные, команды и константы размещаются в отдельных блоках памяти. Кроме того, архитектуре АМП присущи следующие особенности:

непосредственное использование ячеек ОЗУ как регистров арифметического блока, включение операций выборки команды, чтения и записи операндов в цикл команды;

многошинная архитектура;

применение четырехрегистрового АЛУ. использование двух аккумуляторов;

совмещение в одном цикле команды операций сложения и умножения (масштабирования);

короткий цикл команды (порядка 200—400 не), достигаемый за счет применения специальных структур основных функциональных узлов;

большая разрядность АЛУ или вычисления с двойной точностью;

включение узлов, осуществляющих или облегчающих ввод аналоговых сигналов.

За счет этих особенностей реализация полного звена цифрового фильтра 2-го порядка на АМП требует от 4 до 14 команд, что соответствует частоте дискретизации порядка 200-500 кГц.

Система команд. В АМП используются 24-разрядные, двухадресные (А и В) команды. Система команд включает две группы: цифровые (команды АЛУ) и аналоговые. В свою очередь, цифровые команды разделяются на безусловные и условные.

Формат команды допускает одновременное использование полей как цифровой, так и аналоговой команды. Он содержит пять полей: 1) код операции АЛУ (3 разряда); 2) управление регистром сдвига (4 разряда); 3) поле адреса А (6 разрядов); 4) поле адреса В (6 разрядов); 5) код аналоговых операций (5 разрядов).

Цифровые команды могут выполняться со сдвигом операнда А или без сдвига. Максимальная величина сдвига на два разряда влево и на 13 разрядов вправо. Необходимая величина сдвига указывается во втором поле формата команды. Система команд позволяет использовать также 16 4-разрядных констант, хранящихся в СОЗУ. Констатны записываются только в поле операнда А, что позволяет изменять их величину путем сдвига операнда А. Общее число различных констант — 182, диапазон изменения от —1 до +1.

Все команды используют только прямую адресацию ячеек СОЗУ. При этом значения адреса от 0 до 39 соответствуют регистрам общего назначения, 40 — соответствует РГ1, а адреса, больше 47, соответствуют константам.

Безусловные команды — это арифметические команды: ADD — сложение, SUB — вычитание, ABS — абсолютная величина, АВА — сложение с абсолютной величиной, пересылки (LDA), логические (XOR — исключающее ИЛИ, AND-логическое И) и специальные (LIM — ограничение).

Условные команды — это команды безусловной арифметики, которые становятся условными при указании в поле аналоговой команды специальной команды.

Аналоговые команды обеспечивают выборку одного из четырех аналоговых входов, одного из восьми аналоговых выходов, преобразование входной выборки в цифровой эквивалент и т. д.

Основные преимущества АМП: высокая стабильность и повторяемость характеристик; широкие возможности для адаптации (управления характеристиками); высокая точность воспроизведения операторов обработки; реализации с помощью БИС и СБИС; отсутствие элементов L и С; широкие возможности для диагностики: широкие возможности унификации.

Можно отметить также следующие факторы. Если частота дискретизации сигнала много меньше тактовой частоты МЭВМ, то в промежутках между смежными тактами можно обрабатывать другие сигналы (по другим каналам), обеспечивая, таким образом, мультиплексирование, либо выполнять различные виды обработки (многофункциональность).

Снимаются ограничения на виды обработки, свойственные аналоговой технике, и обеспечивается реализация любых формально описываемых преобразований.

Алгоритмы цифровой обработки сигналов (для АМП) можно охарактеризовать числом элементарных операций (умножение, сложение, логические операции), необходимых для получения одного выходного отсчета.

Практически все виды сложной обработки сигналов могут быть представлены композицией рекурсивной и нерекурсивной обработки (включающей корреляцию), спектральных, нелинейных и логических преобразований. В свою очередь, указанные виды обработки связаны с реализацией операторов свертки, рекурсии, дискретного преобразования Фурье, нелинейного (например, полиномиального) преобразования, логического преобразования — т. е. тех операторов, для которых наиболее приспособлен АМП.

К недостаткам АМП следует отнести: возможность обработки относительно низкочастотных сигналов; шумы округления, нелинейные эффекты переполнения и предельных циклов — с ними удается бороться только ценой заметного усложнения теории и увеличения объема аппаратных средств; зависимость скорости обработки от точности; влияние проникающей радиации, особенно для интегральных схем n-МОП технологии.

Проектирование МПАС на базе АМП. Процесс проектирования информационно-вычислительного ядра МПАС на базе АМП включает следующие этапы:

расчет параметров математической модели цифровой обработки сигналов в МПАС;

проектирование алгоритма цифровой обработки сигналов; подготовка (разработка) программы, реализующей разработанный алгоритм;

отладка программы на программной модели цифровой обработки сигналов;

запись программы в РПЗУ;

комплексная отладка АМП в составе МПАС или на специальном стенде.

Разработка и отладка прикладного программного обеспечения являются основными этапами проектирования МПС на основе АМП, которые обладают достаточно мощными вычислительными возможностями, однако без соответствующих средств отладки программ, проектирование прикладного программного обеспечения (ПО) оказывается трудоемким и дорогостоящим [22].