Разработка микропроцессорной системы

СОДЕРЖАНИЕ: Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Кафедра «Системы автоматического управления»

Курсовая работа

по дисциплине

ЭВМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

на тему

РАЗРАБОТКА МПС

Тула 2004 г.

Введение

Одним из крупнейших достижений микроэлектроники и вычислительной техники является создание микропроцессоров (микропроцессорных наборов БИС). В решении актуальных задач ускорения научно-технического прогресса им принадлежит существенная роль.

Высокая производительность, малые габаритные размеры и энергопотребление, эргономичность, развитое, ориентированное на массового пользователя базовое и прикладное программное обеспечение микроЭВМ и ПЭВМ обеспечивают значительное повышение эффективности труда в различных отраслях народного хозяйства. Это особенно важно при автоматизации сложной управленческой, хозяйственной, инженерной детельности, научных исследований и экспериментов, учебного процесса.

Массовый выпуск микропроцессорных наборов БИС с широкими функциональными возможностями, их низкая стоимость, гибкость и точность цифровых методов обработки информации превратили МП в системные элементы, на основе которых создаются системы промышленной автоматики, связи, измерительной техники, управления транспортом и т.д.

Создание МПС на базе МП содержит два этапа: разработка аппаратной части и разработка программного обеспечения на языке низкого уровня (языка кодовых комбинаций, Ассемблера).

В данной работе рассматривается пример разработки микропроцессорной системы, которая является ПИД-регулятором.

Выбор микропроцессора

Исходя из данных задания (разрядность, тактовая частота, общий объём памяти) выбираем процессор Z80 фирмы Zilog.

Схема подключения микропроцессора показана на рис. 1

Рисунок 1. Схема подключения микропроцессора

По заданию (вторая часть) на входе МПС – 16ти битный сигнал ошибки САУ , синхронный со срезами внешнего синхросигнала постоянной частоты со скважностью (меандр). Следовательно МПС должна начать обрабатывать новый сигнал, как только он поступил. Этот процесс организован с помощью подключения синхросигнала с выходу маскируемого прерывания .

Организация памяти

Шестнадцатибитная линия адреса процессора Z80 при разрядности 8 бит позволяет адресовать 64 Кбайта памяти и 512 устройств ввода\вывода (256 ввода, 256 вывода).

По заданию требуется спроектировать блок памяти:

· ПЗУ – 32 Кслов (32Кбайт),

· ОЗУ – 8 Кслов (8Кбайт).

Для хранения 32 Кбайт ПЗУ используем четыре микросхемы 573РФ4 (объём 65536 бит, организация 81928)

Для хранения 8 Кбайт ОЗУ – четыре микросхемы 537РУ10 (объём 16384 бит, организация 20488).

Составим карту памяти (табл. 1), исходя из того, что ПЗУ занимает нижние адреса памяти, адреса ОЗУ следуют за ПЗУ, остальные 24 Кбайта не используются.

Таблица 1. Карта памяти

Номер бита			15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
ПЗУ	Банк 1 (8 кб)	0000	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
		1FFF	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
	Банк 2 (8 кб)	2000	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
		3FFF	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
	Банк 3 (8 кб)	4000	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
		5FFF	0	1	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
	Банк 4 (8 кб)	6000	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
		7FFF	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
ОЗУ	Банк 1 (2 кб)	8000	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
		87FF	1	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
	Банк 2 (2 кб)	8800	1	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
		8FFF	1	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
	Банк 3 (2 кб)	9000	1	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
		97FF	1	0	0	1	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
	Банк 4 (2 кб)	9800	1	0	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
		9FFF	1	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1

Из табл. 1 можно сделать следующие выводы по организации памяти:

· Шина данных подключается сразу ко всем восьми микросхемам.

· Для выбора той или иной микросхемы достаточно одного двойного демультиплексора 531ИД14, осуществляющего преобразование 1-4. Одна его часть отвечает за выбор схемы ПЗУ, другая – за выбор ОЗУ.

· Бит А15 равен 0, если адресуется ПЗУ и равен 1, когда адресуется ОЗУ.

· ПЗУ. По линии адреса на микросхему подаются биты А0А12, биты А13 и А14 определяют, в какой именно банк происходит адресация.

· ОЗУ. По линии адреса на микросхему подаются биты А0А10, биты А11 и А12 определяют конкретный банк, биты А13 и А14 всегда равны 0.

Сигналы с выхода демультиплексора подаются непосредственно на входы в ПЗУ и на входы в ОЗУ.

Для активизации демультиплексора, отвечающего за ПЗУ, на вход необходимо подавать активный уровень сигнала (логический 0), если происходит цикл обращения к памяти ( ) и . Необходимый управляющий сигнал достигается при использовании логического функции и элемента дисъюнктора. Справедливы аналогичные рассуждения для демультиплексора, отвечающего за ОЗУ, за исключением того факта, что в дисъюнкцию должно войти отрицание элемента – .

На вход ОЗУ необходимо подать логическую функцию (логическое , элемент конъюнктор), а на вход – выход МП .

Напряжения.

Т.к. ПЗУ не находится в режиме программирования, то на входы питания ПЗУ (,, ) требуется подать +5V, а входы и – заземлить (на рис. не показано).

На вход ОЗУ также подаётся +5V, а вход заземляется.

Схема подключения памяти к шинам представлена на рис. 2.

Рисунок 2. Организация памяти

Организация ввода\вывода

По заданию МПС должна принимать и выдавать 16 ти битный код. Кроме того у МПС имеются перемычки для задания шестнадцатибитных констант регулятора , , .

На МПС должны быть 48 (163) перемычек для задания констант. Схема организации перемычек представлена на рис. слева. Перемычки собираются в группы по восемь (например, младший байт константы ) и подаются на приёмопередатчик 580ВА86. Таким образом задание трёх шестнадцатибитных констант требует шести 8ми битных приёмопередатчиков.

Входной и выходной сигналы целесообразно хранить в регистрах, где они будут дожидаться запроса МП на чтение при вводе и запроса внешнего устройства (фронта синхросигнала) при выводе кода. Таким образом требуется наличие четырёх 8ми битных регистров.

Всего же требуется адресовать 10 устройств ввода\вывода. При этом задействуются биты А0А3. Запишем адреса внешних устройств в табл. 3.

Таблица 2. Адреса внешних устройств

N	Внешний сигнал	Адрес
1	Входной сигнал	0001:0000
2		0011:0010
3		0101:0100
4		0111:0110
5	Выходной сигнал	1001:1000

Обращение к тому или иному внешнему сигналу в зависимости от его адреса осуществим с помощью демультиплексора 555ИД7 1-8 и дополнительных логических элементов. На вход демультиплексора подаются биты А0А2. Бит А3 отвечает за то, осуществляется ли адресация к портам ввода или вывода.

Рассмотрим случай адресации к младшему байту порта ввода данных или вывода. Обозначим – сигнал с выхода демультиплексора №0, – сигнал, который подаётся на регистр, отвечающий за приём входного кода, – сигнал, отвечающий за запись в регистр выходного кода. Составим таблицу истинности (табл. 2). При этом необходимо помнить, что у активный уровень (подключается к входу ), а – сигнал положительной логики (подключается к входу ).

Таблица 3. Таблица истинности

0	0	0	0
1	0	1	1
0	1	1	0
1	1	1	0

Используя СКНФ, СДНФ и теорему де Моргана, запишем логические функции:

, .

Очевидно, что демультиплексор активируется, когда происходит цикл обращения к внешним устройствам ( ) и хотя бы один из сигналов или равен нулю.

.

Сокращённая схема подключения устройств ввода\вывода изображена на рис. 3.

Общий вид МПС достигается совмещением рис. 1–3 на одном и соединением магистралей (шины данных, адреса и управления).

Рисунок 3. Проектирование устройств ввода\вывода

Разработка программного обеспечения

В соответствии с заданием программа разрабатывается на Ассемблере с использованием системы команд выбранного процессора.

Логически программа состоит из двух частей:

· основная часть программы для задания констант;

· программа обработки прерывания – получения входного шестнадцатибитного кода, выполнение математической операции и выдача шестнадцатибитного кода – результата математической операции:

. (1)

Интеграл и дифференциал

Интеграл и дифференциал считаются по приближённым формулам:

·

· .

В данных выражениях – период внешнего синхросигнала. В расчётах этот множитель участвовать не будет, а результат будет выдаваться пропорционально его значению.

Операция умножения восьмибитных чисел

В системе команд процессора Z80 нет операции умножения, поэтому умножение осуществляется с помощью операций сложения и сдвига. Операция умножения восьмибитных чисел в тексте программы выполнена в виде процедуры MUL8_8. В данной процедуре представлен один из вариантов умножения байтов – умножение младшими разрядами вперёд со сдвигом частичной суммы вправо.

Расположение операндов:

– множимое, – множитель, – двухбайтный результат, используется в качестве счётчика регистр L.

Операция умножения шестнадцатибитных чисел со знаком

Операция умножения шестнадцатибитных чисел построена на операции умножения восьмибитных чисел и выполнена в виде процедуры MUL16_16. Метод вычисления 32х битного результата представлен на рис. 4.

Рисунок 4. Схема умножения 16-битных чисел

Т.к. входной код, равно как и константы, могут быть отрицательным числом, записанным в дополнительном коде, необходимо контролировать знак произведения. При этом все отрицательные сомножители входят в произведение по модулю, а знак произведения изменяется на противоположный, если сумма минусов, стоявших перед сомножителями, равна 1 (младший бит равен 1).

Расположение операндов в памяти:

– множимое, – множитель, причём коэффициент всегда располагается на месте множителя.

Четырёхбитный результат помещается в память, начиная с адреса, указанного перед процедурой в парном регистре H-L.

Контроль знаков

Поскольку коэффициенты ПИД-регулятора по заданию постоянны, то нет смысла хранить их со знаком и при каждой операции умножения заново выделять знак и инвертировать при необходимости. Целесообразно хранить модули коэффициентов в одних ячейках памяти (KP, KI, KD), а знаки – в специальной ячейке памяти (далее «знаковой ячейке»), устройство которой представлено на рис. 5. Старшая тетрада является незначащей. Младшие четыре бита отвечают за отрицательность соответсвующего элемента, причём 1 означает, что соответсвующий коэффициент изначально отрицательный. В изображённом случае все коэффициенты положительны, кроме KP. Биты трёх коэффициентов остаются постоянными с момента запуска программы.

Рисунок 5. Организация знаковой ячейки

Значение же коэффициента E () изменяется не только при поступлении нового значения. Эта ячейка отвечает также за знак разности при приблизительном подсчёте дифференциала. Поэтому дифференциал целесообразно считать в последнюю очередь.

Проверка знака произведения осуществляется в самой процедуре умножения. Т.к. множимое представляет собой либо , либо разность , то ему однозначно соотстветствует младший бит ячейки памяти SIGN. С другой стороны необходимо знать, какой именно из коэффициентов участвует в произведении, чтобы потом определить его знак. Для этого используется другая ячейка памяти «ячейка номера» – NUMBER. В неё вносится номер: 1 соответствует КР, 2 – KI, 3 – KD. Во время процедуры значение этой ячейки полностью определяет, какой именно из коэффициентов участвует в произведении, поэтому перед выполнением процедуры умножения необходимо присвоить какое-либо значение из трёх.

Использование памяти.

Программа для вычисления (1) требует обращения к ОЗУ. Расположение данных в ОЗУ представлено в табл. 4.

Таблица 4. Использование ОЗУ

№	Адрес	Переменная	Примечание
1	8003: 8002: 8001: 8000	INT_SUM	Интегральная сумма
2	8004	Sign	Знаковая ячейка
3	8005	Number	Ячейка номера
4	8007: 8006	PE	Предыдущее значение (число со знаком)
5	8009: 8008	СE	Текущее значение (число со знаком)
6	800B: 800A	KP	Модуль
7	800D: 800C	KI	Модуль
8	800F: 800D	KD	Модуль
WC (Workcell) – рабочие ячейки, необходимые для временного хранения результатов процедуры MUL16_16 и отдельных частей суммы (1). Далее записывается смещение относительно ячейки WC с адресом 8010.
9	8011: 8010	WC+1: WC+0	Множимое (блок 2: 1 на рис. 4): текущее значение , разность
10	8013: 8012	WC+3: WC+2	Множитель (блок 4: 3): коэффициент
11	none	WC+4	Умерший товарищ
12	8015: 8014	WC+6: WC+5	Блок 13
13	8017: 8016	WC+8: WC+7	Блок 23
14	8019: 8018	WC+10: WC+9	Блок 14
15	801B: 801A	WC+12: WC+11	Блок 24
16	801F:801E: 801D: 801C	WC+16: WC+15: WC+14: WC+13	Результат умножения
17	8023: 8022: 8021: 8020	WC+20: WC+19: WC+18: WC+17	Результат умножения и
18	9FFF	ST_PT	Вершина стека

Обработка переполнения

Программно переполнение (результат (1) превышает 32 бита) контролируется в трёх случаях:

· на очередном шаге произошло переполнение интегральной суммы;

· переполнение после сложения и интегральной суммы;

· переполнение при выполнении операции (1).

Результатом переполнения является следующая последовательность действий:

· на выходе сигнал FFFFH;

· обнуляется интегральная сумма.

При этом сам пользователь должен контролировать: чтобы разность двух соседних сигналов и не превышала 2¹⁶ .

Исходный текст программы

Метка	Мнемокод	Тактов	Байт	Примечания
Задание констант
PRT_IN_LO = 00H
PRT_IN_HI = 01H	Старший байт входного сигнала
KP_LO = 02H
KP_HI = 03H
KI_LO = 04H
KI_HI = 05H
KD_LO = 06H
KD_HI = 07H
PRT_OUT_HI = 08H
PRT_OUT_LO= 09H
ST_PT = 9FFFH	Указатель стека
В соотвествии с табл. 4 также указываются значения: Int_sum, Sign, Number, PE, CE, KP, KI, KD, WC – WC +13, WC + 17
Основная программа
ORG 0000H	Программа начинается по адресу 0000H
JMP START	10	3
NOP	4	1
NOP	4	1
NOP	4	1
NOP	4	1
JMP INT	10	3
START:	DI	4	1	Запрет прерываний
Запись значений коэффициентов (со знаками) в память
MVI A, 0	7	2	Обнуление ячейки SIGN
STA SIGN	13	3
IN KP_LO	10	2	Запись в ячейку с адресом KP значения младшего байта KP
LXI H, KP	10	3
STAX H	7	1
IN KP_HI	10	2	Запись в ячейку с адресом INT_SUM+9 значения старшего байта KP
INX H	5	1
STAX H	7	1
IN KI_LO	10	2	Занесение остальных значений коэффициентов в соответсвующие ячейки памяти, коэффициент KD располагается также в регистрах А: В
INX H	5	1
STAX H	7	1
IN KI_HI	10	2
INX H	5	1
STAX H	7	1
IN KD_LO	10	2
INX H	5	1
STAX H	7	1
IN KD_HI	10	2
INX H	5	1
STAX H	7	1
Определение знаков коэффициентов, выделения модулей и записи знаков в соответствующий бит знаковой ячейки
MVI D, 3	7	2	Загрузить в регистр D количество циклов
@@1:	LDAX H	7	1	Запись текущего коэффициента в B: C, старший байт также остаётся в аккумуляторе.
MOV C, A	5	1
DCX H	5	1
LDAX H	7	1
MOV B, A	5	1
RAL	4	1	Занесение в признак переноса старшего бита
JNC POSNUM	17	3	Если старший бит = 0, то перейти к POSNUM (positive number) – не требуется уточнение знака и изменения знаковой ячейки
MOV A, B	5	1	Загрузка в аккумулятор младшего байта
XRI FFH	7	2	Дополнение до двух и прибавление единицы – выделение модуля.
ADI 1	7	2
MOV B, A	5	1	Сохранение младшего байта модуля в регистре В
MOV A, C	5	1	Помещение в аккумулятор старшего байта
XRI FFH	7	2	Дополнение до двух и учёт переноса.
ACI 0	7	2
MOV C, A	5	1	Поместить в регистр С старший байт модуля
XRA A	7	1	Сброс признака переноса
MOV E, D	5	1
MVI A, 1	7	2
@@2:	RAL	4	1	Смещение единицы в соответствующий разряд и сохранение в регистре Е
DCX E	5	1
JNZ @@2	17	3
Итого @@2		156
MOV E, A	5	1
LDA SIGN	13	3	Загрузить в соответствующий бит ячейки SIGN – 1 (прямая адресация)
ADD E	4	1
STA SIGN	13	3
POSNUM:	MOV M, C	7	1	Сохранить модуль коэффициента в соответсвующих ячейках.
DCX H	5	1
MOV M, B	7	1
DCX H	5	1	Уменьшить адрес на единицу – указатель на старший байт следующего коэффициента
DCX D	5	1	Уменьшить счётчик цикла
JNZ @@1	17	3	Если не обработаны все коэффициенты то перейти к @@1. По окончании в регистрах B: С содержится значение коэффициента KP.
Итого@@1		750
LXI SP, ST_PT	10	3	Установка вершины стека
EI	4	1	Разрешение прерываний
HLT	7	1	Ожидание прерывания
Итого(START)		939	129
Программа обработки прерывания
Выявление модуля и знака
INT:	IN PRT_IN_LO	10	2	Загрузить значение в регистры В: С и в память
STA СE	13	3	СE+1: СE (число со знаком)
MOV C, A	5	1
IN PRT_IN_HI	10	2
STA СE+1	13	3
MOV B, A	5	1
LXI H, SIGN	10	3	Обнуление младшего бита SIGN
LDAX H	7	1
ANI 00001110B	7	2
STAX H	7	1
RAL	4	1	Проверка знака , операции аналогичны приведённым выше
JNC POSNUM2	17	3
MOV A, C	5	1
XRI FFH	7	2
ADI 0	7	2
MOV C, A	5	1
MOV A, B	5	1
XRI FFH	7	2
ACI 0	7	2
MOV B, A	5	1
LDAX H	7	1	Помещение в младший бит SIGN единицы
ADI 1	7	2
STAX H	7	1
LXI H, WC	10	3	Помещение значения в память WC+1: WC (модуль)
POSNUM2:	MOV A, C	5	1
STAX H	7	1
INX H	5	1
MOV A, B	5	1
STAX H	7	1
Умножение
					Запись коэффициента KP в ячейки памяти WC+3: WC +2
LDA KP	13	3
STA WC+2	13	3
LDA KP+1	13	3
STA WC+3	13	3
MVI A, 1	7	2	Запись в NUMBER значение 1 – идентификатор коэффициента KP
STA NUMBER	13	3
LXI H, WC + 13	10	3	Необходимый параметр процедуры – адрес младшего байта результата
CALL MUL16_16	4146	NONE
Умножение
					MVI A, 2	7	2	Запись в NUMBER значение 2 – идентификатор коэффициента KI
LDA KI	13	3	(58 тактов, 12 байт) – (42 такта – 12 байт)
STA WC+2	13	3	Запись KI в ячейки множителя
LDA KI	13	3
STA WC+3	13	3
LXI H, WC + 17	10	3
CALL MUL16_16	4146	NONE
Увеличение интегральной суммы
LXI H, WC + 17	10	3	Инициализация указателей
LXI D, INT_SUM	10	3
MVI B, 4	7	2	Инициализация счётчика
XRA A	7	1	Сброс признака переноса
LOOP1:	LDAX D	7	1	Загрузка первого операнда
ADC M	7	1	Сложение
STAX D	7	1	Запоминание операнда
DCR B	5	1	Декремент счётчика
JZ DONE1	17	3	Сложение закончено?
INX H	5	1	Переход к следующему байту
INX D	5	1
JMP LOOP1	10	3	Организация цикла
Итого LOOP1		252
DONE1:	JC GLUCK	17	3	При переносе перейти к обработке переполнения
Умножение
					LDA WC	13	3	Загрузка в регистры B: C
MOV C, A	5	1
LDA WC+1	13	3
MOV B, A	5	1
LDA SIGN	13	3	Проверить знак
RAR	4	1
JNC POSNUM3	17	3
MOV A, C	5	1	Если знак отрицательный, то перевести в дополнительный код.
XRI FFH	7	2
ADI 0	7	2
MOV C, A	5	1
MOV A, B	5	1
XRI FFH	7	2
ACI 0	7	2
MOV B, A	5	1
POSNUM3:	LXI H, PE	10	3	Загрузить предыдущее значение в регистры В: С
MOV A, C	5	1
ADD M	7	1
MOV C, A	5	1
INX H	5	1
MOV A, B	5	1
ADC M	7	1
MOV B, A	5	1
RAL	4	1	Запись в младший бит SIGN знака разности
MVI E, 11111110B	7	2
MOV A, E	5	1
ACI 0	7	2
MOV E, A	5	1
LDA SIGN	13	3
ANA E	4	1
STA SIGN	13	3
MOV A, B	5	1	Проверить ещё раз разность на перенос
RAL	4	1
JNC POSNUM4	17	3
MOV A, C	5	1	Далее процедура инвертирования знака
XRI FFH	7	2
ADI 0	7	2
MOV C, A	5	1
MOV A, B	5	1
XRI FFH	7	2
ACI 0	7	2
MOV B, A	5	1
POSNUM4:	STA WC	13	3	Помещение разности в ячейку множимого
MOV C, A	5	1
STA WC+1	13	3
LDA KD	13	3	Помещение КD в ячейку множителя
STA WC+2	13	3
LDA KD+1	13	3
STA WC+3	13	3
LXI H, WC+17	10	3
CALL MUL16_16	4146	NONE
Сложение
					LXI H, INT_SUM	10	3	Операция аналогичная увеличению интегральной суммы. Результат сложения в WC+16 – WC+13
LXID, WC + 13	10	3
MVIB, 4	7	2
XRAA	4	1
LOOP2:	LDAXD	7	1
ADCM	7	1
STAXD	7	1
DCRB	5	1
JZ DONE2	17	3
INX H	5	1
INX D	5	1
JMP LOOP2	10	3
Итого LOOP2		252
DONE2:	JC GLUCK	17	3
Вычисление (1)
					LXI H, WC + 17	10	3	Операция аналогичная увеличению интегральной суммы
LXI D, WC + 13	10	3
MVI B, 4	7	2
XRA A	4	1
LOOP3:	LDAX D	7	1
ADC M	7	1
STAX D	7	1
DCR B	5	1
JZ DONE3	17	3
INX H	5	1
INX D	5	1
JMP LOOP3	10	3
Итого LOOP3		252
DONE3:	JNC GOOD	17	3	Если нет переноса, то пропустить обработку переполнения
Обработка переполнений
GLUCK :	MVI A, FFH	7	2	Запись в выдаваемые старшие два байта значения FFFFH
LXI H, WC + 15	10	3
MOV M, A	7	1
INX H	5	1
MOV M, A	7	1
LXI H, INT_SUM	10	3	Обнуление интегральной суммы
MVI B, 4	7	2
MVI A, 00H	7	2
LOOP4:	STAX D	7		1
DCR B	5	1
JZ GOOD	17	3
INX D	5	1
JMP LOOP4	10	3
Итого LOOP4		176
Выдача результата
GOOD:	LDA WC + 15	13	3	Выдача старших шестнадцати бит суммы
OUT PRT_OUT_LO	10	2
LDA WC + 16	13	3
OUT PRT_OUT_HI	10	2
LDA CE	13	3	Текущее значение становится предыдущим.
STA PE	13	3
LDA CE+1	13	3
STA PE+1	13	3
RET	10	1
Итого RET		14444	293
Процедура умножения шестнадцатибитных чисел
MUL16_16:	Расположение в памяти исходных данных (4 байта): Множимое – WC+1: WC Множитель – WC+3: WC+2 Расположение результата (4 байта): H-L – адрес младшего байта результата Задействуются все регистры
PUSH H	11	3	Запомнить адрес младшего байта результата
LXI H, WC	10	3
LDAX H	7	1	Вычисление и помещение в память блока 13 (см. рис. 4 и табл. 4)
MOV E, A	5	1
INX H	5	1
INX H	5	1
LDAX H	7	1
MOV D, A	5	1
CALL MUL8_8	820	NONE
MOV A, С	5	1
STA WC + 5	13	3
MOV A, B	5	1
STA WC + 6	13	3
LDAX H	7	1	Вычисление и помещение в память блока 23 (см. рис. 4 и табл. 4)
MOV E, A	5	1
DCX H	5	1
LDAX H	7	1
MOV D, A	5	1
CALL MUL8_8	820	NONE
MOV A, С	5	1
STA WC + 7	13	3
MOV A, B	5	1
STA WC + 8	13	3
DCX H	5	1	Вычисление и помещение в память блока 14 (см. рис. 4 и табл. 4)
LDAX H	7	1
MOV E, A	5	1
INX H	5	1
INX H	5	1
INX H	5	1
LDAX H	7	1
MOV D, A	5	1
CALL MUL8_8	820	NONE
MOV A, С	5	1
STA WC + 9	13	3
MOV A, B	5	1
STA WC + 10	13	3
LDAX H	7	1	Вычисление и помещение в память блока 24 (см. рис. 4 и табл. 4)
MOV D, A	5	1
DCX H	5	1
DCX H	5	1
LDAX H	7	1
MOV E, A	5	1
CALL MUL8_8	820	NONE
MOV A, С	5	1
STA WC + 11	13	3
MOV A, B	5	1
STA WC + 12	13	3
Сложение промежуточных результатов
LXI H, WC + 6	10	3
LDAX H	7	1	Загрузить ячейку WC+6
MOV D, A	5	1
INX H	5	1
LDAX H	7	1	Загрузить ячейку WC+7
ADD D	4	1
MOV D, A	5	1
INX H	5	1
LDAX H	7	1	Загрузить ячейку WC+8
ACI 0	7	2	Прибавить перенос к третьему байту
MOV C, A	5	1
LDA WC+12	13	3
ACI 0	7	2	Прибавить перенос к четвёртому байту
MOV B, A	5	1
INX H	5	1
LDAX H	7	1	Загрузить ячейку WC+9
MOV E, A	5	1
MOV A, D	5	1
ADD E	4	1
MOV D, A	5	1	Регистр D содержит второй байт
MOV A, C	5	1
ACI 0	7	2	Прибавить перенос к третьему байту
MOV C, A	5	1
MOV A, B	5	1
ACI 0	7	2	Прибавить перенос к четвёртому байту
MOV B, A	5	1
INX H	5	1
LDAX H	7	1	Загрузить ячейку WC+10
ADD C	4	1
MOV C, A	5	1
MOV A, B	5	1
ACI 0	7	2	Прибавить перенос к четвёртому байту
MOV B, A	5	1
INX H	5	1
LDAX H	7	1	Загрузить ячейку WC+11
ADD C	4	1
MOV C, A	5	1	Регистр С содержит третий байт
MOV A, B	5	1
ACI 0	7	2	Прибавить перенос к четвёртому байту
MOV B, A	5	1	Регистр В содержит четвёртый байт
STA NUMBER	13	3	Загрузка в регистр Е содержимого ячейки памяти NUMBER, числа, которое определеняет, какой из коэффициентов является множителем
MOV E, A	5	1
STA SIGN	13	3	Загрузить ячейку знаков
RAR	4	1	Если знак первого сомножителя был отрицательный, то регистр H содержит 1, если положительный – 0.
MVI A, 0	10	2
ACI 0	7	2
MOV H, A	5	1
@@3:	RAR	4	1	Помещение значащего для этого коэффициента бита в признак переноса и последующее сложение с содержимым регистра H
DCR E	5	1
JNZ @@3	17	3
Итого @@3		78
MOV A, H	5	1
ACI 0	7	1
RAR	4	1	Сумма минусов чётная? Если нет, то необходимо инвертировать результат
JNC NO_INVER	17	3
STA WC + 5	13	3	Загрузить в аккумулятор первый байт произведения
XRI FFH	7	2
ADI 1	7	2
POP H	11	1	Вернуть значение H-L из стека
STAX H	7	1	Сохранить значение первого байта по указанному адресу
INX H	5	1
MOV A, D	5	1
XRI FFH	7	2
ACI 0	7	2
STAX H	7	1	Сохранить значение второго байта
INX H	5	1
MOV A, C	5	1
XRI FFH	7	2
ACI 0	7	2
STAX H	7	1	Сохранить значение третьего байта
INX H	5	1
MOV A, В	5	1
XRI FFH	7	2
ACI 0	7	2
STAX H	7	1	Сохранить значение четвёртого байта
NO_INVER:	RET	10	1	Конец процедуры
Итого MUL16_16		4135	168
MUL8_8:	Осуществляет умножение восьмибитных чисел Множитель – Е Множимое – D Двухбайтный результат – BC Задействуется регистр: L
PUSH H	11	1	Сохранение значение регистровой пары H-L
LXI B, 0	10	3	Сброс частичной суммы
MVI L, 8	7	2	Загрузка счётчика
NEXT_BIT:	MOV A, E	5	1	Множитель в аккумулятор
RAR	4	1	Поместить анализируемый бит в признак переноса
MOV E, A	5	1	Возврат сдвинутого множителя
JNC NO_ADD	17	3	Бит множителя равен нулю?
MOV A, B	5	1	Нет
ADD D	4	1	Прибавление множимого
MOV B, A	5	1	Возврат старшей частичной суммы
NO_ADD:	MOV A, B	5	1
RAR	4	1	Сдвиг частичной суммы
MOV B, A	5	1
MOV A, C	5	1
RAR	4	1
MOV C, A	5	1	Возврат младшей частичной суммы
DCR L	5	1
JNZ NEXT_BIT	17	3	Организация цикла
Итого NEXT_BIT		760
POP H	11	1	Возвращение сохранённой регистровой пары H-L
RET	10	1	Конец процедуры умножения
Итого MUL8_8		809	27
Итого вся программа		15419	627

Вывод

В данной работе была разработана МПС на базе восьмиразрядного МП Z80. Довольно простое аппаратное решение дополняется весьма длинной программой на языке Ассемблер, которая занимает в памяти ПЗУ 627 байт. Программа выполняется примерно за 16000 (в самом худшем случае) тактов МП. Это накладывает определённые ограничения на частоту входного синхросигнала. Т.к. входной код синхронизирован по срезу, а выходной должен быть синхронизирован по фронту, то в простейшем случае (реализованный вариант) работа программы должна укладываться в половину периода синхросигнала.

При работе МП на частоте 2МГц один такт длится 500 нс. Программа выполняется за . Соответственно период входного сигнал не должен быть меньше , что накладывает ограничение на частоту входного синхросигнала .

Методы повышения частоты

1. Программный.

В задании сказано, что реализация выходного сигнала может отставать от входного, но не более 10 периодов синхросигнала. Учёт этого условия при пересмотре алгоритма программы (временного хранения поступающий входных сигналов при обработке предыдущих) позволит несколько увеличить частоту. В общем случае возможная частота синхросигнала будет зависеть от количества входных и выходных сигналов.

Примем отставание «выхода от входа» – 9,5 периодов. Тогда результат операции над первым кодом можно выдать через 9,5 периодов, второго – через 10,5 периодов и т.д. – , где – номер периода синхросигнала, в котором необходимо выдать обработанный код, поступивший на входе в периоде .

Нет оснований предполагать, что на при проведении операций над очередным входным сигналом, количество тактов, за которое обрабатывается программа уменьшится. Из этого предположения следует, что время затраченное на обработку каждого входного кода, постоянно. Следовательно максимальное время, выраженное в количестве периодов синхросигнала, которое может работать программа – , где – количество входных сигналов, которые планируется подать. От этого времени будет зависеть максимальная частота (примем продолжительность программы прежней).

Подставим конкретные числа:

, , ,

, , ,

Очевидно, что с ростом числа входных кодов частота будет стемиться к

2. Аппаратный.

Для значительного повышения максимально возможной частоты рекомендуется перенести часть расчётов из программной части в аппаратную, например, умножать шестнадцатибитные константы в умножителе двоичных чисел.

Список использованной литературы

1. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

2. Микропроцессорные автоматические системы регулирования. Основы теории и элементы: Учеб. пособие / В.В. Солодовников, В.Г. Коньков, В.А. Суханов, О.В. Шевяков; Под ред. В.В. Солодовникова. – М.: Высш. шк., 1991.

3. Микропроцессоры и микропроцессорные вычислительные системы: Учеб. пособие / О.В. Горячев; Тула, ТулГУ, 1998.

4. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления: Справочник / С.Т. Хвоща, Н.Н. Варлинский, Е.А. Попов: Под общ. ред. С.Т. Хвоща. – Л.: Машиностроение, 1987.

5. Микропроцессоры. В 3-х кн. Кн. 1. Архитектура и проетирование микро-ЭВМ. Организация вычислительных процессов: Учеб. для втузов / П.В. Нестеров, В.Ф. Шаньгин, В.Л. Горбунов и др.; Под редакцией Л.Н. Преснухина. М.: Высш. шк., 1986.

6. Мячев А.А., Степанов В.Н. Персональные ЭВМ и микроЭВМ. Основы организации: Справочник / Под ред. А.А. Мячева. – М.: Радио и связь, 1991.

7. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник. – М.: Радио и связь, 1990.

8. Скенлон Л. Персональные ЭВМ IBMPC и XT. Программирование на языке ассемблера: Пер. с англ. – М.: Радио и связь. 1989.

Скачать архив с текстом документа