Реализация системы технического зрения (СТЗ) на базе многокристального микропроцессора (К1804)

Реализация системы технического зрения (СТЗ) на базе многокристального микропроцессора (К1804)


Введение



Микропроцессорный комплект серии К1804 включает в себя ряд модулей для построения операционных и управляющих устройств. Основой операционного устройства (ОУ) может служить микропроцессорная секция (МПС) ВС1 и ВС2. Кроме того, могут использоваться схема ускоренного переноса ВР1 и устройство управления сигналами состояния и сдвига ВР2. 

Блок микропрограммного управления может быть построен на основе схем формирования адреса микрокоманды ВУ4 и ВУ1(ВУ2) , ВУ3. 

Для построения ОУ выберем микропроцессорную секцию ВС2. Разрядность секции равна четырём. Следовательно, для построения 16-ти разрядного ОУ необходимы четыре секции. Микропроцессорная секция К1804 ВС2 имеет 16 РОН с двумя выходными портами считывания и фиксаторами входных данных, три внешних информационных шины: входная DA, двунаправленные DB и Y - арифметико-логическое устройство со сдвиговым устройством на выходе, многофункциональный регистр со сдвиговым устройством на входе, дешифратор 9-ти разрядного кода операции микрокоманд. Каскадное соединение четырёх секций с использованием схемы ускоренного переноса К1804ВР1 производится по стандартной схеме. 


1. Разработка структуры аппаратных средств



Основой для разработки системы является, как и прежде, алгоритм функционирования. Согласно этому алгоритму определим, в каких запоминающих элементах будут храниться используемые переменные. 

Распределение переменных по внутренним регистрам МП секции приведено в табл.1.



Таблица 1  Таблица соответствия 

Переменные 

РОН секции ВС2

Шестнадцатиричный адрес

ОН

Xц , Yц

R1

1

Rmin

R2

2

Xт, Yт

R3

3

Xт’ , Yт’

R4

4

R

R6

6

I

R11

B

J

R12

C

L

R13

D

K

R14

E



Cтруктурная схема системы изображена на рис. 1. 

Исходные данные (m, r, Xцн, Yцн) с пульта управления заносятся в регистры PM, PR, PXYЦ. 

Информация в этих регистрах может быть прочитана в МПС по шине Y. Таким образом, источниками шины Y являются регистры  PM, PR, PXY и выход сдвигового устройства АЛУ. 

В результате выполнения алгоритма в конце каждого кадра выдаются координаты центра объекта. Для их запоминания необходимы регистр PXY. Информация в этот регистр заносится с шины Y. 

МПС не имеет отдельной адресной шины, поэтому необходимо организовать запоминание адреса внешней памяти в специальном регистре. 

Адрес ОЗУИ запоминается в регистре адреса РА, информация в который загружается с шины Y. Адрес ПЗУ формируется счётчиком адреса СчА, начальная загрузка которого также производится по шине Y. Формирование адреса с помощью СчА позволяет совместить по времени выполнение операций формирования адреса ОЗУИ и ПЗУ. 

Таким образом приёмниками шины Y являются PXY, РА, СчА и РОНы МПС, причём возможна одновременная запись в РОН и один из оставшихся приёмников, а также отсутствие записи во все приёмники. 

ОЗУИ и ПЗУ подключены к шинам DA и DB соответственно, что позволяет осуществить их одновременное чтение. В алгоритме предполагается формирование адресов отдельно по координате X и Y. Целесообразно осуществлять формирование адресов одновременно по двум координатам в одном 16-ти разрядном регистре. Для этого необходимо сформировать специальные константы. Так, для одновременного выполнения микрокоманд Y4 и Y5 необходимо сформировать константу 



С1 = ; Y8, Y9  C2 = ; Y18, Y19  C3 =  и Y25, Y26  C4=



Формирование констант С1  С4 предполагает выполнение микрокоманд сдвига вправо и влево. Для обоих сдвигов в освободившиеся разряды записывается нуль.Организация сдвигов достигается подключением к входам - выходам сдвигов повторителей с тремя состояниями, на вход которых подан логический нуль. Все управляющие сигналы формирует устройство управления, схема которого показана на рис.2.

Устройство управления включает в себя память микрокоманд (ЗУМК), регистр микрокоманд, дешифратор источников шины Y (DC1), дешифратор приёмников шины Y(DC2), коммутатор условий М, D - триггер для хранения младшего разряда адреса ЗУМК, генератор тактовых импульсов (ГТИ), схему «пуска-останова», включающую в себя триггер пуска (ТП), одновибратор (ОВ), инвертор и схему «И». 

Данное устройство является микропрограммным устройством с принудительной адресацией.

Адрес следующей микрокоманды задаётся непосредственно в соответствующем поле (АМК0 - АМК7). 

Организация условных переходов осуществляется путём модификации младшего разряда адреса, на вход которого в зависимости от кода условия (АУС) через мультиплексор подаются сигналы по значениям которых необходимо произвести переход. Для реализации алгоритма достаточно два разряда для кода условия. Значения кодов условия (АУС) и соответствующие им сигналы приведены в табл. 2.

микропроцессор аппаратный переменная программа

Таблица 2  Коды условий 

АУС

Сигналы

0

АМК0

1

N(знак)

2

Z(нуль)

3

EW






 Рисунок 1  Структурная схема вычислительного устройства на МП





Рисунок 2  Схема устройства управления  


Таким образом, для формирования адреса следующей микрокоманды необходимо 10 разрядов поля микрокоманд. 

Использование схем формирования адреса микрокоманды К1804 ВУ4 или К1804ВУ1(2) и ВУ3 потребовало бы не менее 12 разрядов поля микрокоманд и значительно большие аппаратурные затраты. 

Схема «пуска-останова» служит для начальной установки РМК, разрешения подачи тактовых импульсов (ТИ) с ГТИ на все схемы  по сигналу «Пуск» и прекращения их подачи по сигналу «Ост» Она работает следующим образом. Сигналом «Пуск» сбрасываются в нуль РМК и триггер младшего разряда адреса. Сигнал «Пуск», задержанный с помощью одновибратора, по заданному фронту тактового импульса устанавливает в «1» ТП, который открывает схему «И» и разрешает прохождение через неё ТИ. Сигналом «Ост.» ТП сбрасывается в нуль и закрывает схему «И». 



2. Формат микрокоманды



Рассмотрим теперь формат микрокоманды. Для управления МПС необходимо 20 разрядов микрокоманды: код операции I0-I9, EA, OEB, A0-A3, B0-B3, Cn.

Поля СО и СS предназначены для управления направлением сдвига сдвигового устройства регистра Q и сдвигового устройства АЛУ соответственно. 

Поле IY определяет код источников шины Y. Содержимое этого поля дешифруется и подключается к шине Y одного из источников. Значения поля IY и соответствующие им регистры приведены в табл. 3.

Поля АУС и АМК были рассмотрены ранее. Таким образом, общая длина микрокоманды равна 37 разрядам. 

Микрокоманда составляется в процессе последовательного анализа вершин алгоритма и интерпретации каждой вершины одной или несколькими микрокомандами. Микропрограмма приведена в табл. 4. Значения всех полей микрокоманд приведены в шестнадцатиричной форме. В примечании в символьном виде дана операция, выполняемая данной микрокомандой и соответствующая микрокоманда из граф - схемы алгоритма. Микрокомандами с адресами 01-10 формируются константы С1, С2, С3 и С4, которые заносятся соответственно в РОН МПС R7, R8, R9, R10. Микрокоманды с адреса 20 строго соответствуют граф - схеме алгоритма. 



3. Расчёт времени работы программы



Микрокоманды с адресами 00-1F выполняются однократно в начале работы, затем на каждом кадре  микропрограмма с адреса 20.

Таким образом, при расчёте временных параметров будем учитывать только эту циклическую часть микропрограммы. Время её выполнения: 



tц.



Время цикла tц и соответственно тактовая частота определяется длительностью самого длинного пути прохождения сигналов. Самый длинный путь: чтение ОЗУ (ПЗУ)  выполнение операции в АЛУ  запись в РОН. Адрес ОЗУИ(ПЗУ) в микропрограмме формируется заранее и поэтому данные на выходе ОЗУИ (ПЗУ) к моменту выполнения микрокоманды, их использующей всегда готовы. Время цикла от наиболее длинного пути самих МПС. В литературе описан расчёт такого пути для 16-ти разрядного процесса на МПС К1804ВС2. Время цикла не превышает 200 нс. Пусть tц = 200 нс, тогда Т = 8 мс. Полученное время удовлетворяет ТЗ.