Микропроцессорная система обработки журнальных данных

Задание

Найти наименьший отчёт, зарегистрированный в «электронном журнале» во время предпоследнего сеанса снятия показаний датчиков.

Исходный данные:

Количество датчиков N – 5

Количество сеансов n – 2

Начальный адрес для файла G Аж.нач. – 2225₍₁₀₎ = 08B1₍₁₆₎

Начальный адрес программы Апр.нач. – FA25₍₁₆₎

Микропроцессорная система обработки журнальных данных

1. Каждому включению МСОЖД должен предшествовать рабочий цикл некоторого автомата для сбора данных (АСД), который в течении своего суточного цикла (когда сигнал X₁ = 1) организует n сеансов связи и во время каждого «сеанса» поочерёдно (в порядке возрастания номеров) подключает датчики Д₁…Д_n ко входу данных Д ОЗУ, формирует адрес (номер) Aij ячейки для записи показаний Д_ij i-го датчика в j-ом «сеансе» связи и вырабатывает саму команду w запись. В результате в конце суточного цикла сбора данных, когда сигнал 1|0 сменит свой уровень с 1 на 0, в ОЗУ окажется сформированным готовым к обработке файл G данных (т.е. электронный журнал), структура которого полностью известна.

На рисунке 1 изображена упрощённая структура такого автомата для сбора данных (АСД): в его состав входят программируемый электронный таймер, 8-разрядный N-канальный мультиплексор и два детектора, которые, анализируя показания таймера, формируют сигналы «сеанс» (=1 во время сеанса) и «цикл» (=1 во время цикла). Последний из них X₁ хранится в регистре параллельного действия RG, т. е. в «порте» устройства ввода УВ №1 МСОЖД.

Рис. 1. Автомат для сбора данных.

2. Описание МСОЖД. Один из возможных вариантов построения МСОЖД показан на рисунке 2, где приведена микропроцессорная система с трёхшинной организацией, а в качестве центрального процессора (CPU) использована БИС КР580ВМ80. Если в ОЗУ в область свободную от обрабатываемого файла G, разместить программу, реализующую заданный пользователем алгоритм обработки, то становится возможной автоматизация процедуры обработки. Программ запускается по окончании суточного цикла сбора данных, а обработка начинается по сигналу X = 0, считываемому с «детектора цикла» АСД и вводимому через устройство ввода УВв №1 по команде INPUT программы. В ходе обработки программа должна обеспечивать неоднократное извлечение из ОЗУ любого элемента файла G, выполнение над ним необходимых арифметических и логических действий, приводящих к формированию конечного результата F, и выдачу F через устройство вывода УВыв №1 пользователю (по команде UOTPUT). Нужно учесть, что структура файла G такова (поочередная запись показаний датчиков в порядке возрастания их номеров во время каждого сеанса), что информация g_ij, принятая по i-ому каналу (i=1,2,…,n-1) во время j-ого сеанса (j=0,1,2,…,n-1), будет храниться в ячейке ОЗУ с номером = адресом A_ij = A_нач + j*N+i.

А область памяти, которую занимает журнал, находится в диапазоне адресов от А_нач до (А_нач + n*N+1).

Рис. 2. МП – система автоматической ОЖД.

Если в программе выполняется команда, требующая обращение к памяти, то на 16-разрядную шину адреса ША выставляется номер требуемой ячейки A_ij, а на 10-разрядной шине управления ШУ формируются сигналы «читай память» MEMR или «пиши в память» MEMW, которые задают режим работы ОЗУ и направление передачи по двунаправленной 8-разрядной шине данных ШД. Если же программа выполнит программу INPUT (или OUTPUT), то на ША выдаётся номер устройства ввода (или вывода), а на ШУ формируются сигналы «ввод/вывод читай» IOR (или «ввод/вывод пиши» IOW).

«Портом» УВв №1 является 8-разрядный регистр-защёлка, у которого младший разряд хранящегося в нем числа определяется сигналом Х₁, а сигнал IOR поступает на вход «разрешение выдачи» ОЕ. «Порт» УВыв №1 также является параллельным 8-рязрядным регистром, на тактовый вход которого поступает сигнал IOW. Само Увыв представляет собой 3-разрядный 7-сегментный индикатор (для отображения результата F) и соответствующий кодопреобразователь, включенный между портом и индикатором.

3. Процессор КР580ВМ80.

В состав данного 8-разрядного процессора (рис. 3) входит АЛУ и программно-доступные регистры: аккумулятор РОН А, 6 регистров общего назначения РОН (с «именем» B, C, D, E, H и L) и счётчик команд РС. АЛУ, получив от УУиС указания о типе выполняемой операции f над доставленными на его входе операндами х₁ и х₂, формирует результат F=f(x₁ x₂) и «флаги» Ф (признаки нулевого – Z, отрицательного – S и чётного результат Р или наличие переноса С₇). Существенно, что результат F всегда (по умолчанию) размещается в РОН А. Это означает, что, если содержимое РОН А не является операндом следующей команды, то при программировании её должна предшествовать дополнительная команда (которой нет в алгоритме обработки пользователя) перезаписи содержимого РОН А в свободный РОН или в ячейку М памяти ОЗУ (=Ме-точку). Для программировании операций с РОН каждому из них присвоен порядковый номер i и соответствующий индивидуальный двоичный код ri (табл. 1). Для хранения 16-разрядный чисел d16=adr РОНя могут объединяться в регистровые пары rp: BC=rpB, DE=rpD, HL=rpH.

Рис. 3. Упрощёшшая модель микропроцессора КР580ВМ80

Нумерация РОН. Табл. 1

Указатель стека SP хранит текущий адрес ячейки ОЗУ, являющейся на данный момент вершиной стека.

Счётчик команд PC хранит адрес выполняемой (текущей) команды: после её завершения содержимое PC инкрементируется, т. е.PC(PC) + 1, и через буферный PrАдр выдается на системную ША, а из ОЗУ (по сигналу MEM R) извлекается первый байт <B₁> кода следующей команды из ячейки ОЗУ с номером (PC) + 1) и по системной шине ШД передается в регистр команд PrK.

Это означает, что в обычной ситуации процессор может выполнять команды программы только в том порядке, в котором они записаны в ОЗУ.

Чтобы изменить порядок выполнения команд (сделать скачок на несколько ячеек ОЗУ вперёд или назад, организовать ветвление или цикл, выполнить программу), необходимо в программу вставить команду безусловного или условного перехода, которая позволяет скачком менять содержимое (РС) счётчика команд РС.

Все регистры и АЛУ обмениваются между собой 8-разрядными данными d8 через внутреннюю двунаправленную ШД, однако на каждом такте обмен осуществляется только между одной парой «абонентов» (один - отправитель, другой – получатель).

Обмен между внутренней и внешней = системной ШД происходит через двунаправленный буферный регистр.

Каждая (текущая) команда программы (её код находится в PrK, а адрес в РС) выполняется процессором в течении определённого времени, называемого командным циклом продолжительностью от 1 до 4 тактов (при тактовой частоте 2 Mгц). В течении командного цикла устройство управления и синхронизации УуиС, будучи обычным управляющим автоматом (УА), декодирует с помощью дешифратора ДшК первый байт <B₁> кода команды и в соответствии с этим кодом на каждом такте вырабатывает сигналы для внутреннего выполнения управлением микроопераций на «избранных» (на данном такте) функциональных узлах (регистрах, АЛУ, селекторе и др.), а также внешние управляющие сигналы (типа MEMR, MEMW, IOW и др.), выдаваемые на системную ШУ.

4. Система команд.

Каждый процессор умеет выполнять ограниченный набор «приказов», входящих в его систему команд. Каждая команда представляет собой многоразрядный двоичный код (от 8 до 24 бит) определённого формата. Для процессора КР580ВМ80 предусмотрены команды трёх форматов: «короткие» однобайтные <B₁>, двухбайтные <B₁><B₂> и трёхбайтные <B₁><B₂><B₃>. Первый байт <B₁> команды любого формата содержит код операций Коп, второй <B₂> - в двухбайтных командах содержит числовое значение непосредственно задаваемого операнда d8 или порядковый номер n устройства ввода/вывода = port n. Третий и второй байты «длинных» команд содержат либо численное значение 16-разрядного операнда d16, либо 16-разрядный адрес (“adr”): причем старший байт адреса/операнда размещается в <B₃>, а младший в <B₂>.

Ниже в таблице 2 приведены данные о наиболее ходовых командах процессора.

В таблице 2 поле 1 характеризует формат команды (в байтах), поле 2 – продолжительность командного цикла в количестве тактов; в поле 3 описывается (на языке микрокоманд) выполняемая операция: запись (ri) означает «содержимое» регистра ri, запись <B_i> - «содержимое байта B_i? (HL) – регистровой пары HL, а в поле 5 побитовая структура 1 – го байта <B₁> кода команды.

В командах пересылке и загрузки (NN1 и 2) нужно учесть, что при ri = 110 в обмене участвует ячейка М ОЗУ, адрес которой (по умолчанию) хранится в регистровой паре HL. Это означает, что команда MOV и MVI обязательно должна предшествовать команда загрузки регистровой пары (HLadr), т. е. команда LXI.

В ассемблерной записи команд NN3 и 21 фигурирует старший регистр ri (=B, D или H) регистровой пары rp. При выполнении двухоперандных команд (NN7 – 18) первые операнд x₁ всегда берётся из РОН А, а второй x₂ из другого РОНа или задается непосредственно во втором байте <B₂> команды. Логические операции, в отличии от арифметических, выполняются поразрядно.

Для всех команд условного перехода (NN25 – 30) при невыполнении проверяемого условия в PC загружается адрес adr = (PC) + 3.

Система команд процессора КР580ВМ80. Табл.2

5. Разработка алгоритма

Рис.4. Блок – схема алгоритма обработки журнальных записей.

Алгоритм обработки предписывает поочередное чтение из ОЗУ показаний gt из ячеек с адресами At, попарное сравнение их по величине и запоминание меньшего из них. Блок – схема алгоритма приведена на рис. 4 и содержит 19 команд к1…к19: здесь формируемая величина gmin размещена в РОН Е, текущий адрес Аt = Aпред + ∆At – в регистровой паре HL, а приращение адреса ∆At = kt является параметром цикла обработки и размещается в РОН С; максимальное (=граничное) приращение krp = N = 5 является индикатором окончания цикла анализа данных gt из журнального файла G.

На блок-схеме рис.4:

· команды к1…к3 обеспечивают анализ вводимого с ПЭК сигнала х1 и принятие решения о конце суточного цикла сбора данных и начла обработки файла G; численное значении маски 01₍₁₆₎ гарантирует анализ младшего бита содержимого РОН А;

· команда к4 загружает адрес предпоследнего сеанса Апред в регистровую пару HL;

· команда к5 считывает первый «отсчёт» предпоследнего сеанса g0 из файла G и, записав его в РОН Е, объявляет его равным gmin;

· команда к6 заносит начальное значение Kt = 0 в РОН С; вместе к4…к6 обеспечивают подготовку цикла к7…к15 анализа G;

· команды к7, к8 обеспечивают инкремент текущего адреса At и приращение адреса Kt;

· команды к9 – к11 на основе сравнения kt c krp = 05 обеспечивают выход из цикла обработки и выдачу на индикацию через УВыв№1 рассчитанного значения gmin из РОН Е (к17, к18);

· команда к12 загружает в РОН А текущий отсчёт gt из ячейки M ОЗУ с адресом At (сформированным в регистровой паре HL);

· команды к13 и к14 обеспечивают сравнение текущего отсчёта gt с gmin и при появлении gt<gmin перезапись его в РОН Е (к15);

· команда к16 обеспечивает безусловный переход (БП) на метку М3.

В таблице 3 (в полях 2-6) приведена ассемблерная запись программы, реализующий этот алгоритм. Из неё видно, что для размещения загрузочного модуля (в двоичных кодах) этой программы необходимо 34 байта (ячейки ОЗУ).

Сам загрузочный модуль представлен полями 0 и 1таблицы 3, но для простоты и кратности записан в 16-ричных кодах (h-кодах): коды первых байтов взяты из таблицы 2, а числовые значения <B₃> и <B₂>, а также начального адреса предпоследнего сеанса FA25₍₁₆₎ для размещения программы в ОЗУ устанавливаются по исходным данным задачи.

Текст программы на ассемблере и её загрузочные модуль (в h-кодах). Табл.3