ответы на тесты, билеты / ответы на контрольные работы (примерные) / Ответы на рубежку

1. Организация и назначение устройства выборки хранения (УВХ) АЦП.

Устройство выборки и хранения АЦП — схема, запоминающая напряжение на входе в определѐнный момент времени. Оно имеет аналоговый вход, аналоговый выход и цифровой управляющий вход.

Устройство выборки и хранения может работать в одном из двух режимов, в зависимости от напряжения на управляющем входе: режим слежения и режим хранения. В режиме слежения выходной сигнал устройства выборки и хранения совпадает со входным. В режиме хранения напряжение на выходе устройства постоянно и равно напряжению на входе устройства в момент его переключения в режим хранения.

УВХ предназначено для уменьшения погрешности в выходном сигнале преобразователя, связанной с неопределенностью значения входного сигнала в течение времени преобразования при очень быстром его изменении. УВХ нужны также для многоканальных систем сбора данных, где они обеспечивают хранение отсчета для выполнения преобразования по одному каналу, в то время как мультиплексор переключается на другой канал.

2.

Принцип организации системы ввода вывода (СВВ). Раскройте смысл принципов многоуровневой организации СВВ и параллельности работы элементов СВВ.

В основе организации систем ввода-вывода лежат следующие принципы:

1)принцип программного управления элементами СВВ;

2)адресуемость элементов СВВ (прозрачность доступа для программиста);

3)многоуровневая организация СВВ;

4)параллельность работы элементов СВВ.

Принцип многоуровневой организации СВВ обеспечивает гибкость системы, сбалансированность по сложности и стоимости ее компонент, облегчает изменение ее конфигурации: добавление и замену отдельных модулей без перепроектирования всей системы. А также многоуровневая организация СВВ позволяет осуществить декомпозицию задачи ввода-вывода.

Смысл параллельности работы элементов заключается в том, что различные элементы СВВ как отдельные устройства (группы устройств) могут работать параллельно. Это ключевым образом может повлиять на производительность системы, позволяя выполнять больший объем вычислений (ввода-вывода, преобразования информации) за фиксированный промежуток времени.

3. Организация работы с ЦАП, имеющим параллельный интерфейс подключения

Чаще используются два варианта. В первом варианте на N входов данных N-разрядного ЦАП подается все входное слово целиком. Интерфейс такого ЦАП включает два регистра хранения и схему управления. Два регистра хранения нужны, если пересылка входного кода в ЦАП и установка выходного аналогового сигнала, соответствующего этому коду, должны быть разделены во времени. Подача на вход асинхронного сброса CLR сигнал низкого уровня приводит к обнулению первого регистра и, соответственно выходного напряжения ЦАП.

Для подключения многоразрядных ЦАП к восьмиразрядным микропроцессорам и микроконтроллерам используется второй вариант параллельного интерфейса. Он предусматривает наличие двух параллельных загрузочных регистров для приема младшего байта входного слова МБ и старшего байта – СБ. Пересылка байтов входного слова в загрузочные регистры может происходить в любой последовательности.

1

4. Опишите схему последовательного АЦП (по выбору студента). Укажите достоинства и недостатки описанной схемы преобразования.

На время загрузки входного слова в ЦАП через последовательный порт микроконтроллера, к которому могут быть также подключены и другие приемники, на вход CS (выбор кристалла) подается активный уровень с одной из линий ввода-вывода МК. После окончания загрузки МК меняет уровень на входе CS, и, выставив активный уровень на входе LD ЦАП, обеспечивает пересылку входного кода из регистра сдвига ЦАП в регистр хранения. Время загрузки зависит от тактовой частоты МК и обычно составляет единицы микросекунд. В случае, если колебания выходного сигнала ЦАП во время загрузки допустимы, вход LD можно соединить с общей точкой схемы. Минимальное количество линий связи с ЦАП обеспечивается двухпроводным интерфейсом I2C. Этим интерфейсом оснащаются некоторые последние модели ЦАП, например, AD5301. Адресация конкретного устройства осуществляется по линии данных.

5. Обмен данными по прерыванию между устройствами вычислительной системы. Примеры. Перечислите достоинства и недостатки данного способа обмена информацией

Этот протокол характеризует асинхронный обмен. Инициатором обмена всегда является внешнее устройство (напр. Таймер – прерывание срабатывает когда происходит переполнение таймера, UART – происходит прерывание при поступлении данных и т.д.) . Действия по управлению обменом реализованы в процедурах обработки прерываний. Эти процедуры активизируются только тогда, когда ВУ требует обмена, формируя сигнал прерывания.

Возможны две схемы обмена по прерыванию:

1)прерывание с программным опросом: внешние устройства формируют общий запрос INT. По сигналу INT процессор программно (в общей процедуре обработки прерывания) анализирует сигналы от этих устройств с тем, чтобы идентифицировать устройство, запросившее обмен, и обслужить его;

2)прерывание по вектору: идентификация внешнего устройства, запросившего обмен, выполняется аппаратно контроллером прерываний. Номер устройства (двоичный код, соответствующий номеру прерывания) передается в процессор после подачи сигнала INT и получения ответа INTA. По коду прерывания через таблицу векторов перехода активизируется нужная процедура (в данном случае процедура обмена). Этот вид обмена широко используют в многоканальных системах, однако он требует аппаратной поддержки в виде микросхемы программируемого контроллера прерываний. Достоинство протоколов обмена по прерыванию – защищенность функционирования

микропроцессорной системы от отказов во внешнем оборудовании и разгрузка процессора от непроизводительных действий по ожиданию готовности данных.

2

6. Обмен в режиме ПДП. Разновидности режимов ПДП. + и – этих разновидностей.

ПДП (прямого доступа к памяти) - метод передачи данных без участия процессора, разработанный для передачи данных между ОЗУ и устройствами внешней памяти. В контроллере ПДП есть регистры, доступные ЦП для чтения и записи. Регистры задают порт, который должен быть использован, чтение/запись данных, число байтов, адрес.Контроллер ПДП используется для передачи данных между УВВ и памятью, из памяти в память, и из УВВ в УВВ.

Разновидности режимов ПДП:

1. Режим без пропусков тактов микропроцессора.

Прямой доступ осуществляется без участия процессора. Для этого используются интервалы машинных циклов, в течение которых микропроцессор не обращается к основной памяти. Процессор идентифицирует эти интервалы для КПДП специальным сигналом, означающим доступность системной шины.

Достоинством является то, что производительность процессора в этом режиме не уменьшается, но для каждого типа процессора потребуется свой контроллер ПДП, что относится к недостатку. Так же как и то, что сами передачи будут носить нерегулярный характер ввиду отсутствия у некоторых команд этих интервалов, что приведет к уменьшению скорости передачи данных в режиме ПДП.

2. Режим с пропуском тактов микропроцессора.

КПДП полностью ″захватывает″ системную шину на время передачи, при этом процессор отключается от системной шины и переходит в режим холостого хода. Таким образом, передачи ПДП осуществляются путем пропуска тактов процессора в выполняемой программе. При выполнении передач ПДП содержимое внутренних регистров процессора не модифицируются, поэтому его не нужно запоминать в памяти, а затем восстанавливать, как при обработке прерываний. Достоинство заключается в том, что выполнение программы осуществляется сразу после окончания ПДП. Тем не менее, в условиях интенсивных передач ПДП эффективная производительность процессора уменьшается, что является недостатком данного режима.

7. Что такое процессор. Перечислите виды и основные характеристики процессоров. Поясните различия программируемого и непрограммируемого.

Процессор– элемент вычислительной системы, устройство для выборки команд из памяти и выполнения действий, предписанных командами; устройство, осуществляющее процесс обработки информации.

Виды и основные характеристики процессоров:

Универсальные решают различные задачи и имеют широкую область применения. Характеризуются: способностью обрабатывать большое число команд; системой команд (СК): если система команд позволяет решить любую задачу, то процессор универсальный. Нужно анализировать систему команд на ее сбалансированность, формы данных, способы адресации. Специализированные (графические, процессоры обработки сигналов) процессоры. Ориентированы на решение узкого круга задач.

Центральные осуществляют общее управление вычислительной системой: производят основную обработку данных, обмен ими с другими элементами ВС, а также управляет работой элементов ВС.

Периферийные выполняют лишь часть функций вычислительной системы: управляет и обменивается данными с устройствами ввода-вывода (процессор ввода-вывода), может участвовать в вычислительном процессе (обрабатывать часть данных).

Сервисные процессоры обычно не участвуют в основном вычислительном процессе и выполняют функции контроля и обслуживания: выполняют инструментальные функции осуществляют контроль правильности функционирования системы, измерение параметров окружающей среды, напряжения питания и т.п. В ВС один и тот же процессор может выполнять функции как периферийного, так и сервисного процессора.

Основное различие программируемого процессора от непрогрммируемого заключается в том, что у программируемого есть система команд. Его можно настроить на решение той или иной задачи, а функции непрограммируемого процессора раз и навсегда зафиксированы.

3

8. Что такое контроллер ВВ и процессор ВВ. Перечислите отличия КВВ от ПВВ. Приведите примеры.

Контроллерами ввода-вывода называютя устройства, не способные самостоятельно избирать команды и для осуществления своих функций требующие управления извне. Примером такого устройства может быть контроллер последовательного канала. Для того, чтобы он начал передавать посылку по линии связи, обычно требуется отдать ему определенную команду (в большинстве случаев это запись передаваемых данных в порт контроллера). Далее, несмотря на то, что контроллер самостоятельно принимает посылки, поступающие по линии связи, выделяет из них данные и сохраняет в своем внутреннем буфере, дальнейшие действия по приему посылок он не способен выполнять, пока из его буфера не будут забраны принятые ранее данные. Режимы работы этого контроллера (скорость, количество стоп-бит, контроль четности и т.п.), опять-таки, задаются извне: путем записи в порты контроллера соответствующих значений.

Процессорами ввода-вывода называются только те устройства обработки информации, которые могут самостоятельно выбирать команды из памяти (программируемые устройства, которые могут самостоятельно организовывать вычислительный процесс). Примеры ПВВ: акселераторы 2D- и 3D-графики; элементы внешней памяти; звуковая карта; сетевая карта. Процессоры ввода-вывода определяются по критерию сложности, но эта граница тоже расплывчата. Если устройство имеет программу, которая выполняется независимо от ЦП или является устройством с множеством сложных функций, то его можно отнести к ПВВ.

4

9. Определение порта ввода-вывода. Основные характеристики портов. Порты ввода-вывода ADuC812.

Порт ввода-вывода – это логическая адресуемая единица СВВ, которая характеризуется, в первую очередь, двумя параметрами: форматом данных и адресом.

Порт можно охарактеризовать тремя признаками:

•адресом; •форматом данных, пересылаемых через него;

•набором допустимых с ним операций (чтение, запись или и то, и другое).

Различают порты ввода, вывода и двунаправленные (ввода-вывода). Управление блоками СВВ через порты осуществляется путем записи в них или чтения из них данных. Примеры: COM-порт в PC/AT, пространство портов ввода-вывода, порт контроллера ПДП

(DMA).

Порты P0, P1, P2, P3 ADuC812 являются квазидвунаправленными портами ввода-вывода и предназначены для обеспечения обмена информацией микроконтроллера с внешними устройствами, образуя 32 линии ввода-вывода. Каждый из портов содержит восьмиразрядный регистр, имеющий байтовую и битовую адресацию для установки (запись «1») или сброса (запись «0») разрядов этого регистра с помощью программного обеспечения. Выходы этих регистров соединены с внешними ножками микросхемы. Кроме работы в качестве обычных портов ввода-вывода, внешние выводы портов Р0…Р3 могут выполнять ряд дополнительных (альтернативных) функций.

Порт P0 может быть использован для организации шины адреса/данных при работе микроконтроллера с внешней памятью данных или программ, при этом через него выводится младший байт адреса (A0–A7), выдается из микроконтроллера или принимается в микроконтроллер байт данных.

Порт P1 – аналоговые входы.

Порт P2 может быть использован для организации шины адреса при работе микроконтроллера с внешней памятью данных или программ, при этом через него выводится старший байт адреса (A8–A15) для доступа к памяти программ; средний и старший байт адреса (A8 – A15, A16 – A23) для доступа к памяти данных.

Каждая линия порта Р3 имеет индивидуальную альтернативную функцию, которая может быть задействована простым обращением к устройству, соединенному с ножкой порта:

•Р3.0 RxD – вход последовательного порта (UART).

•Р3.1 TxD – выход последовательного порта (UART).

•Р3.2 INT0 используется как вход 0 внешнего запроса прерываний.

•Р3.3 INT1 используется как вход 1 внешнего запроса прерываний.

•Р3.4 Т0 используется как вход счетчика внешних событий 0.

•Р3.5 Т1 используется как вход счетчика внешних событий 1.

•Р3.6 WR – строб записи во внешнюю память данных.

•Р3.7 RD – строб чтения из внешней памяти данных. По типу сигнала различают порты:

1. Дискретные (цифровые). 2. Аналоговые. 3. Перестраиваемые – настраиваются на аналоговый или цифровой режим работы.

По направлению передачи сигнала различают:

1. Однонаправленные порты, предназначенные только для ввода (входные порты, порты ввода) или только для вывода (выходные порты, порты вывода).

2. Двунаправленные порты, направление передачи которых определяется в процессе программно-управляемой настройки схемы.

3. Порты с альтернативной функцией. Отдельные линии этих портов связаны со встроенными периферийными устройствами. Если соответствующий периферийный модуль не задействован, то линии можно использовать как обычные порты, если модуль активизирован, то связанные с ним линии автоматически или программно конфигурируются в соответствии с функциональным назначением и не могут быть использованы в качестве универсальных портов ввода-вывода.

По алгоритму обмена различают порты:

1. С программно управляемым (программным) вводом-выводом. 2. Со стробированием.

3. С полным квитированием.

5

10.Вычислительное ядро и СВВ. Перечислите элементы каждой из подсистем вычислительной системы. Приведите примеры.

Вычислительное ядро - то оборудование и программные средства, которые непосредственно участвуют в решении заданной задачи.

Система ввода-вывода - элементы, обеспечивающие общение вычислительного ядра с внешней средой.

К ядру относятся: оперативная память, центральные процессоры, те элементы ВС, которые обеспечивают взаимосвязь процессора и оперативной памяти (кэш-память), специальные процессоры (математический сопроцессор), специализированные блоки, отвечающие за синхронизацию, диспетчеризацию, обеспечивающие безопасность рабочих блоков.

Процессоры ввода-вывода иногда относят к ядру, иногда – к системе ввода-вывода. *Например, если в системе процессор ввода-вывода имеет собственную (локальную) память, а с ЦП он непосредственно не сопряжен, то пвв относится к подсистеме вводавывода. Если пвв разделяет одну и ту же память с ЦП, его нельзя однозначно отнести к подсистеме ввода-вывода.*

11.Синхронный обмен информацией между устройствами вычислительной системы. Примеры. Достоинства и недостатки.

При синхронном обмене ведущее устройство не анализирует готовность ведомого устройства, предполагая, что ведомое устройство всегда готово к обмену. Такой метод обмена применим в случае, если ведомое и ведущее устройства обладают примерно одинаковым быстродействием.

При синхронном обмене им полностью управляет программа, а элемент СВВ никак не может повлиять на ход обмена. Если устройство работает с задержками, то эти задержки учитывает программа, которая с ним взаимодействует, само устройство не имеет возможности сообщить программе о своей готовности или неготовности. Достоинства: потенциально, синхронный обмен – самый быстрый; синхронный обмен требует минимум аппаратного обеспечения; более простой протокол обмена, меньшее количество управляющих сигналов. Недостатки: синхронный обмен сложно (или вообще невозможно) организовать с асинхронными устройствами (т.е. с устройствами, имеющими разное время выполнения операций и/или множество производимых операций с сильно различающимися временами выполнения); отсутствие гарантии, что исполнитель выполнил требуемую операцию, а также высокие требования к быстродействию исполнителя.

12.Система прерываний, назначение, функции и их реализация.

Система прерываний представляет собой комплекс аппаратных и программных средств. Аппаратные средства системы прерываний обычно называются блоком или контроллером прерываний. В ПК это PIC (Programmable Interrupt Controller), т.е. отдельная микросхема

8259A. В некоторых случаях контроллер прерываний интегрируется в кристалл микропроцессора. Программные средства систем прерываний представляют собой специальные программы – обработчики прерываний (interrupt handler).

Назначение системы прерывания – реагировать на определенные события путем прерывания работы процессора по выполнению программы и переключения процессора на выполнение другой программы, обслуживающей соответствующую ситуацию. В момент возникновения определенного события (причины) формируется сигнал прерывания, который поступает в процессор и инициирует специальную операцию – операцию прерывания, обеспечивающую прерывание одной программы и переключение процессора на выполнение другой программы.

6

13. Функции системы прерываний и их реализация Функции системы прерываний:

1.Прием и хранение запросов прерываний от многих источников. 2.Выделение наиболее приоритетного запроса из множества поступивших.

3.Проверка возможности обработки запросов центральным процессором (проверка замаскированности запросов или сравнение уровня приоритетности запросов с так называемым порогом прерываний).

4.Сохранение состояния (контекста) прерываемой программы.

5.Вызов обработчика прерываний.

6.Собственно обработка прерываний (выполнение программы обработки прерываний). 7.Восстановление состояния (контекста) прерванной программы и возобновление ее выполнения.

Этапы 1-5 выполняются аппаратными средствами компьютера автоматически при появлении запроса прерывания. Этап 7 также выполняется аппаратно по команде возврата из обработчика прерывания.

Процедура опроса источников прерываний с целью выделения наиболее приоритетного (полинг/polling) может быть реализована как на аппаратном, так и на программном уровнях.

Программный полинг реализуется специальной программой, которая последовательно опрашивает триггеры запросов, объединенных, как правило, в единый регистр с целью поиска первого установленного бита.

Аппаратный полинг может быть реализован либо на основе многотактной схемы, в основу которой положен двоичный счетчик, либо с помощью однотактной схемы, которую обычно называют дейзи-цепочка.

7

14. Опишите схему параллельного ЦАП (по выбору студента). Укажите достоинства и недостатки описанной схемы преобразования. - с гугла, но тут все ништяк

Выбранная схема - ЦАП с cуммированием весовых токов

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 23=8, у третьего разряда – 22=4, у второго – 21=2 и у младшего (МЗР) – 20=1. Если вес МЗР IМЗР=1 мА, то IСЗР=8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя Iвых.макс=15 мА и соответствует коду 11112. Понятно, что коду 10012, например, будет соответствовать Iвых=9 мА и т.д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис.

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в k-м разряде должен быть меньше, чем

DR / R=2–k

Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде – 0,05% и т.д.

Достоинства:

-простота;

-низкая стоимость. Недостатки:

-при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН;

-значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС;

-в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

8

15. Что такое статическая погрешность АЦП? Приведите примеры (не менее трех). - с гугла, и ответ не очень!!!

Статическая погрешность преобразования определяется суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компаратора. Частоту счетных импульсов необходимо выбирать с учетом завершения переходных процессов в них.

В большинстве применений АЦП используют для измерения медленно изменяющегося, низкочастотного сигнала (например, от датчика температуры, давления, от тензодатчика и т.п.), когда входное напряжение пропорционально относительно постоянной физической величине. Здесь основную роль играет статическая погрешность измерения. В спецификации АЦП этот тип погрешности определяют аддитивная погрешность (Offset), мультипликативная погрешность (Full-Scale), дифференциальная нелинейность (DNL), интегральная нелинейность (INL) и погрешность квантования. Эти пять характеристик позволяют полностью описать статическую погрешность АЦП.

К статическим параметрам кроме погрешности шкалы преобразования, смещения нуля шкалы относится ещѐ интегральная и дифференциальная нелинейность преобразования.

16. Что такое АЦП? Что такое разрядность, опорное напряжение и разрешение АЦП? Поясните эти понятия на примере.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).

Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор. Характеристики:

•Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП. Обычно измеряется в вольтах, поскольку для большинства АЦП входным сигналом является электрическое напряжение.

•Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе.

•Частота дискретизации - частота, с которой производятся цифровые значения на выходе.

9

17. Опишите работу АЦП микроконтроллера ADuC812 в режиме ПДП. Достоинства и недостатки.

Для установки этого режима надо выставить 6 бит (DMA) в регистре ADCCON2. Это приведет к тому, что результаты преобразования будут записываться во внешнюю статическую память, минуя вычислительное ядро.

Для работы в этом режиме необходимо произвести следующие настройки:

1.АЦП переводится в дежурный режим сбросом старших двух бит регистра ADCCON1. 2.Устанавливается адрес начала области памяти, куда будут записываться результаты работы АЦП. Для этого адрес начала области памяти записывается в SFR-регистры DMAL, DMAH, DMAP. При этом сначала заполняется DMAL, затем DMAH, а затем

DMAP.

3.Размечается внешняя память. В старшие четыре бита каждого второго байта внешней памяти, начиная с адреса, записанного в регистры DMA, записывается идентификатор канала. Поскольку в этом режиме АЦП не зависит от ядра, необходимо завершить разметку памяти стоповой командой. Это делается дублированием идентификатора последнего преобразуемого канала, за которым в следующем слове следует стоповая последовательность 1111.

4.DMA инициализируется записью в SFR регистры АЦП следующей последовательности:

•В регистре ADCCON1 устанавливается бит разрешения режима DMA.

•Производятся настройки в регистре ADCCON1, устанавливается тактирование от Таймера 2 или от внешнего триггера.

•Инициируется преобразование. Это делается началом единичного/циклического преобразования (АЦП переводится в рабочий режим) и запуском Таймера 2 или подачей сигналов на внешний триггер.

Когда DMA преобразование завершается, аппаратно устанавливается флаг прерывания, а внешняя SRAM содержит результаты преобразования. Необходимо отметить, что в последние два слова размеченной памяти (содержащие стоп команду и дубликат последнего преобразуемого канала) не записывается никаких результатов.

При работе в режиме ПДП АЦП монополизирует системный интерфейс для доступа к внешней памяти данных (P0 и P2). Таким образом, любые обращения процессора к внешней памяти за командами или данными не выполнятся вследствие отсутствия доступа к интерфейсу.

Время, которое занимает процесс преобразования АЦП в режиме ПДП, называется циклом ПДП. АЦП в режиме ПДП использует конвейерный принцип работы. Цикл ПДП (конвейер) состоит из 3х этапов. Таким образом, в результате такой организации обработки первый результат преобразования будет получен не раньше 3 этапа цикла ПДП. Достоинства:

-быстрая запись в память и быстрое чтение из памяти, т.е. все это делается в обход вычислительного ядра.

Недостатки:

-любые обращения процессора к внешней памяти за командами или данными не выполнятся вследствие отсутствия доступа к интерфейсу.

10