Cuprins

Argument2Ce este un microprocesor5Scurta istorie5Sisteme cu microprocesor7Modalitati de interfatare a componentelor electronice9Accesul direct la memorie (DMA)9MEMORIA GLOBAL11INTERFAAREA PERIFERICELOR121 Interfaa la un COMBO - CODEC122 Interfaa la circuite de tip AIC133 Interfaa la convertoare D/A144 Interfaa la convertoare A/D155 Porturi de I/O166 Aplicaii de sistem186.1 Grafic i procesare de imagine186.2 Controlul proceselor rapide18DESCRIERE INTERFATA SISTEM PENTRU INTERFETE DIGITALE19Bibliografie24

Argument

n prezent, aproape fiecare persoan nelege importana unui calculator i mai ales accesul la informaii, pe care calculatorul l poate media, n aceast era considerat de unii ca o Er a Informaiei, respectiv ca Er a Cunoaterii. Astzi, din ce n ce mai muli oameni posed suficiente cunotine n modul de utilizare a unui calculator, compatibil IBM, i n operarea unor programe simple, cum ar fi cele de editare text sau chiar cele de editare grafic. Pentru un inginer absolvent al specializrii de calculatoare este imperios necesar de tiut att noiunile generale legate de structura constructiv a calculatorului ct i date despre metodologia i tehnologia de fabricaie a unui calculator, la nivel de asamblare sub-ansamble componente i n mare msur aspecte referitoare la fabricarea sub-ansamblelor i chiar reperelor individuale.Calculatorul este un echipament electronic ce permite prelucrarea automat a datelor sau realizarea unor sarcini cum ar fi calculele matematice sau comunicaiile electronice, pe baza unor seturi de instruciuni, numite programe. Programele sunt: seturi de comenzi sau instruciuni, ce se execut ntr-o anumit ordine, care sunt culese i procesate de componentele electronice ale calculatorului, rezultatele fiind stocate sau transmise componentelor periferice, cum ar fi monitorul sau imprimanta.La ora actual, calculatorul este folosit n multe i variate domenii. De exemplu, n mediul afacerilor calculatorul este folosit pentru a realiza tranzacii ntre conturi, transfer de fonduri sau orice alt operaie bancar, pentru a citi codurile de bare de pe produse sau cele magnetica a crilor de credit. n casele oamenilor, tot felul de tipuri de computere (termen mprumutat din lb. englez), care controleaz aparatele electronice ce modific temperatura interioar, ce opereaz sistemul de alarm, stereo-casetofoane, telecomenzi etc. De ademenea computerele i gsesc o mare utilitate n domeniul cercetrii tiinifice, n rezolvarea unor delicate operaii de tip medical, pe care omul nu le-ar putea ndeplini, sau i-ar fi foarte greu. n multe cazuri computerele tind s corecteze erorile umane care survin n orice domeniu.

n aceasta lucrare se dorete tratarea modului de interfatare a componentelor electronice la porturile microcontrolerelor in cadrul sistemului de calcul.Principala funcie a CPU-ului este de a realiza operaii aritmetice i logice, asupra datelor luate din memorie i asupra informaiilor primite de la periferice. CPU-ul este controlat de o serie de instruciuni provenite de la anumite tipuri de memorie, cum ar fi cele stocate n hard disk, floppy disk, CD-ROM sau benzi magnetice. Aceste instruciuni sunt trecute prin RAM (Random Access Memory), unde le sunt date adrese specifice de memorie, n funcie de necesitatea i utilitatea lor.n timpul executrii unui program, datele sunt trecute din RAM printr-o interfaa de fire numite BUS unit", care conecteaz CPU cu RAM. Apoi datele sunt decodate printr-o unitate de decodare, care interpreteaz si implementeaz instruciunile. Odat decodate, datele sunt trecute prin unitatea aritmetico-logic (ALU), care realizeaz calcule aritmetice si comparaii. Aceste date pot fi stocate de ctre ALU n adrese de memorie temporare, numite regitri, de unde pot fi luate rapid. ALU realizeaz operaii specifice, cum ar fi adunri, nmuliri i teste condiionale ale datelor din regitri, rezultatele fiind trimise spre RAM sau stocate n ali regitri pentru a fi folosite ulterior, n timpul acestui proces, o alt unitate de procesare (Unitatea de Comand i Control) monitorizeaz fiecare instruciune succesiv a programului, asigurndu-se de ordinea corect a instruciunilor. Acesta unitate are ca principal funcie corectarea posibilelor erori survenite n parcurgerea instruciunilor n mod corect.CPU este condus de frecvena de ceas, realizat de unele circuite repetitive asemntoare unui ceas, care trimite semnale pulsatorii periodice cu rolul de a sincroniza operaiile. Aceste frecvene pulsalorii sunt msurate n MHz.Computerele prin intermediul CPU pot accesa un numr constant de uniti de baz ale datelor (msurate n bii). Acest numr constant se numete cuvnt de prelucrare, iar dimensiunea cuvntului a dat natere unei clasificri: calculatoarele normale foloseau cuvinte de 64 bii, cele simple i 128 bii, cele duble; minicalculatoarele foloseau cuvinte de 32 bii, cele simple i 64 bii, cele duble iar microcalculatoarele 8, respectiv 16 bii, ajungndu-se chiar la 32.

Ce este un microprocesorUn microprocesor incorporeaza toate sau majoritatea functiilor unei unitati centrale de procesare intr-un singur circuit integrat.O unitate centrala de procesare (Central Processing Unit, CPU) este o masina logica ce poate executa programe de calculator.Functia fundamentala a oricarui CPU, indiferent de forma fizica pe care o are, este sa execute o secventa de instructiuni (programul), stocate intr-o memorie. Executia instructiunilor se face de obicei in patru pasi: citire instructiune (fetch), decodificare (decode), executie (execute) si scriere rezultate (write back).

Figur 1Scurta istorie

Microprocesoare pe 4 biti: Intel's 4004 (1971), Texas Instruments (TI) TMS 1000, si Garrett AiResearch's Central Air Data Computer (CADC).Microprocesoare pe 8 biti: 8008 (1972), primul procesor pe 8 biti. A fost urmat de Intel 8080 (1974), Zilog Z80 (1976), si alte procesoare derivate pe 8 biti de la Intel. Competitorul Motorola a lansat Motorola 6800 in August 1974. Arhitectura acestuia a fost clonata si imbunatatita in MOS Technology 6502 in 1975, cu popularitate similara lui Z80 in anii 1980.16 bit (Intel 8086, 80186, 80286, 8086 SX, TMS 9900)32 bit (MC68000, Intel 80386DX, 80486DX, Pentium, MIPS R2000 (1984) si R3000 (1989) etc.)64 bit (majoritatea procesoarelor moderne)Tipuri:RISC: MIPS (R2000, R3000, R4000), Motorola 88000CISC: VAX, PDP-11, Motorola 68000, Intel x86

24

Sisteme cu microprocesor

Figur 2Dispozitive esentiale: CPU, Memorie, I/ODispozitive aditionale: Controller intreruperi, DMA, coprocesor, etcExemplu: placa de baza PC

Figur 3

Figur 4Multiple componente ale unui sistem cu microprocesor sunt incluse in acelasi circuit integrat - MicrocontrolerMemorie RAM si ROM (Flash), pentru program si dateUnele dispozitive periferice (Timer, Numarator, Controllere pentru comunicatii seriale / paralele, etc)

Microcontroller: AVR ATMega328, placa Arduino, programare in C/C++Componente interne: porturi I/O, intreruperi, interfata de comunicare seriala, generator PWMComponente externe: motoare DC, 1 motor servo, senzori de reflectivitate, punte H, senzor de distanta sonar, modul de comunicare Bluetooth.Comunicare: seriala, tip UART, intre MCU si modulul Bluetooth, PWM intre MCU si servo, si intre MCU si puntea H, semnal analogic de la senzorii de reflectivitate, puls digital intre sonar si MCU.Algoritmi: scanare mediu si detectia obstacolelor, urmarirea liniei, controlul rotilor pentru mersul in linie dreapta, etc.

Modalitati de interfatare a componentelor electronice

Accesul direct la memorie (DMA)Unele proiecte avansate cu TMS320C2x utilizeaz DMA sau memoria global (vezi 4.4). DMA poate fi utilizat pentru multiprocesare, prin oprirea temporar a unuia sau a mai multor procesoare, permind altora s citeasc / scrie n memoria procesorului oprit. DMA utilizeaz semnalele HOLD i HOLDA.Sistemul multiprocesor este n general o configuraie de tip master - slave. Master-ul trebuie s iniializeze slave-ul prin ncrcarea programului n spaiul acestuia de programe din memorie i / sau s asigure circuitului slave datele necesare. Circuitul master poate fi nc un circuit TMS320C2x sau un convertor analog -digital. O configuraie simpl de master - slave este artat n Fig.5. Circuitul master exercit un control complet asupra memoriei externe a slave-ului prin trecerea HOLD n "0" prin bistabilul XF. Acesta determin ca slave-ul s treac liniile sale de adres - date - control n stare de impedan ridicat. Prin aplicarea RS n conjuncie cu HOLD, procesorul master poate ncrca memoria program local a circuitului slave cu programul necesar de iniializare la RESET. Cele dou procesoare pot fi sincronizate cu intrarea SYNC, lucru ce permite transferul mai rapid i mai eficient pe magistral.

Figur 5 Accesul direct la memorie utiliznd o configuraie master - slaveDup ce controlul a fost preluat de master, circuitul slave rspunde cu HOLDA. Acest semnal poate aprea pe pinul BIO al lui TMS320C2x. Pinul XF al circuitului slave poate fi utilizat pentru a indica master-ului c i-a terminat sarcinile i trebuie reprogramat cu date suplimentare pentru a-i continua lucrul.

n schemele cu mai multe circuite slave, prioritile acestora sunt determinate de aplicarea semnalului XF pe una din intrrile INT(2-0) de pe master-ul TMS320C2x.Implementrile n mediul PC constituie un alt exemplu unde magistrala sistem este folosit pentru transfer de date. Aici, circuitul CPU sau controlerul de disc poate plasa datele pe magistrala de date de unde se pot transfera n memoria local a circuitului TMS320C2x. n aceast configuraie, TMS320C2x joac mai mult rolul unui procesor periferic cu funcii multiple. De exemplu, n aplicaii de analiz vocal, TMS320C2x poate fi ncrcat de ctre master cu algoritmi de analiz, sintez i recunoatere de sunete. n alte situaii, TMS320C2x poate lucra cu un controler grafic dedicat. Programele pot fi depozitate n circuitul ROM de pe TMS320C2x sau pot fi ncrcate prin magistrala sistem n RAM. Datele pot proveni de pe hard-disk sau direct din CPU master.

Figur 6 Acces direct la memorie n mediul unui PCFig.6 arat utilizarea DMA ntr-un mediu bazat pe un PC. n aceast configuraie, decoderul i arbitrul de logic este utilizat pentru controlul DMA. Cnd adresa de pe magistral este decodificat n memoria local a perifericului TMS320C2x, logica plaseaz HOLD n "1". Circuitul transmite master-ului un semnal de ateptare. Dup ce TMS320C2x recunoate DMA prin setarea HOLDA, se genereaz READY, apoi se transfer informaiile.MEMORIA GLOBALn aplicaiile multiprocesor, memoria extern a lui TMS320C2x poate fi divizat n dou seciuni: cea local, respectiv cea global. Registrele speciale i pinii alocai circuitului permit alocarea a pn a 32K pentru memoria global. Acest lucru constituie un avantaj cnd datele se transfer ntre dou sau mai multe procesoare. Din schem, spre deosebire de DMA, se vede c citirea sau scrierea din / n memoria global nu necesit oprirea unuia dintre procesoare. Memoria global poate fi utilizat ntr-o gam variat de aplicaii de procesare a semnalelor digitale (filtre sau modemuri) unde algoritmul poate fi divizat n seciuni distincte. n acest tip de aplicaii, cele dou procesoare vor mpri memoria global. Logica de arbitrare va desemna care seciune din algoritm va fi n execuie i care va accesa memoria global.

Figur 7 Comunicaia prin memorie globalDimensiunea memoriei globale este programabil ntre 256 i 32K locaii n memoria de date prin ncrcarea registrului de memorie global (GREG). Dup ce memoria global a fost definit n GREG, circuitul TMS320C2x trimite o cerere de magistral BR naintea fiecrui acces la memoria global. Procesorul insereaz stri de ateptare pn cnd se permite accesul prin generarea READY.Fig.7 ilustreaz o asemenea interfa la o memorie global. Procesorul poate fi sincronizat cu SYNC, logica poate fi simplificat, iar transferul pe magistralele de date, respectiv adrese, poate fi fcut mai eficient.

INTERFAAREA PERIFERICELORCele mai mlte sisteme cu DSP necesit i circuite de I/O mpreun cu o oarecare cantitate de memorie n sistem. Printre acestea se includ de obicei circuite de intrare / ieire analogic ce pot fi legate la porturile paralele i seriale ale procesorului TMS320C2x.Cnd se acceseaz porturile extrne paralele, accesul pe magistrala de date este multiplexat pe aceiai pini cu ai memoriei de program / date. Spaiul I/O este selectat de semnalul IS activ n "0", iar adresa portului este plasat pe biii de adres A3 - A0. Biii A15 - A4 sunt meninui n "0".

1 Interfaa la un COMBO - CODECUnele aplicaii de voce, telecomunicaii, etc., ncesit convertoare A/D i D/A ieftine. Circuitele combo-codec sunt cele mai eficiente n realizarea sistemelor cu DSP. Aceste circuite sunt codoare i decodoare pe un singur chip folosind modulaia impulsurilor n cod, proiectate pentru a realiza conversia D/A i A/D i n plus funciile de netezire i filtrare antialias. Cum circuitele combo-codec realizeaz toate aceste funcii simultan ntr-un singur chip de cost sczut, ele sunt foarte economicoase.

Figur 8 Interfaarea circuitului codec TCM29C16

Interfaa combo-codec este legat la TMS320C2x prin portul serial i asigur o reprezentare n cod numeric a intrrii analogice. Acest cod PCM poate fi uor translatat ntr-o form liniar n TMS320C2x pentru a fi utilizat n procesare. n schema din Fig.8 este utilizat circuitul codec TCM29C16 interfaat pe portul serial al procesorului TMS320C2

2 Interfaa la circuite de tip AICPentru aplicaii de voce, n modemuri, control, instrumentaie i alte interfee analogice pentru DSP, este necesar o pereche A/D i D/A complet. Circuitul de interfa analogic (AIC - Analogic Interface Circuit) TLC32040 are ncorporat ntr-un singur circuit monolitic CMOS un filtru trece-band, un condensator de netezire, un filtru de intrare i unul de ieire cu capaciti comutate. Acest circuit ofer numeroase alternative posibile pentru frecvena ceasului master, care poate fi modificat de procesorul care l controleaz. Patru porturi seriale ale acestui circuit pot fi folosite ca interfa pentru TMS320C2x. Deoarece seciunile de transmisie i recepie ale circuitului AIC lucreaz sincron, ele se pot interfaa cu dou registre de deplasare serie - paralel SN74299 care la rndul lor pot fi legate paralel la TMS320C2 Sunt emise impulsuri corespunztoare pentru a informa procesorul c transmisia este ncheiat, sau pentru a diferenia doi octei de date consecutivi.

Figur 9 Interfaarea TLC32040 cu TMS320C2x

Figur 10 Diagramele sincronizrii TLC32040 cu TMS320C2xAa cum se arat n Fig.10, circuitul AIC se poate interfaa cu procesorul TMS320C2x; ele pot comunica sincron sau asincron, aceasta depinznd deconinutul registrului de control. Pentru comunicarea sincron, secvena de funcionare este urmtoarea:1) FSX sau FSR este trecut n "0"2) Este transmis / recepionat un cuvnt pe 16 bii3) FSX sau FSR trec n "1"4) Pe EODX sau EODR se emite un impuls de "0"Pentru comunicaii asincrone, secvena este identic, dar FSX i FSR nu se genereaz n acelai timp (Fig.11). Pentru o funcionare corect, TxM din registrul de control poate fi trecut n "0", deci FSX devine intrare, bitul de format (FO) trecut n "0" i AIC WORD/BYTE n nivel ridicat. Dup fiecare operaie serial cu AIC se genereaz o ntrerupere intern RINT sau XINT, care pot fi folosite pentru controlul execuiei programului.

Figur 11 Comunicaia asincron TLC32040 i TMS320C2x3 Interfaa la convertoare D/A

Figur 12 Interfaa TLC7524 cu TMS32020Funcionarea la o vitez ridicat a logicii interne a circuitului TLC7524 de 8 bii permite o interfaare la TMS320C2x cu un numr minim de circuite externe.

Figur 13 Diagramele interfarii TLC7524 cu TMS32020Cnd TMS32020 execut o instruciune OUT, pe magistrala de adrese este plasat adresa perifericului i linia IS trece n "0". Acest nivel pe IS valideaz 74ALS138 care decodific adresa de pe magistral la ieirea Y0. Cnd Y0 va fi trecut n "0", este validat TLC7524, iar datele care apar pe magistrala de date sunt trecute n convertorul D/A de ctre semnalul STRB.

4 Interfaa la convertoare A/D

Figur 14 Interfaarea TLC0820 cu TMS32020Circuitul TMS320C2x poate fi interfaat cu un convertor A/D de 8 bii, de exemplu TLC0820. n acest caz, deoarece circuitul de control al acestui circuit opereaz mult mai lent ca TMS32020, el nu poate fi conectat direct, necesitnd stri de ateptare (Fig.14 i Fig.15).

Figur 15 Diagramele interfarii TLC0820 cu TMS32020Circuitul 74LS138 decodeaz adresa pentru TLC0820. Una dintre adrese este utilizat cnd se execut operaia de scriere, cealalt la citire. Cele dou adrese diferite sunt necesare pentru a asigura folosirea unui numr corect de stri de ateptare pentru cele dou operaii.Dac TMS320C2x funcioneaz cu 20 MHz i TLC0820 este configurat ca o memorie lent, sunt necesare 3 stri de ateptare pentru a realiza un ciclu de scriere. Dup ce conversia a nceput cu WR, procesorul trebuie s atepte cel puin 600ns nainte ca rezultatul conversiei s poat fi citit.

5 Porturi de I/O

Figur 16 Adresarea porturilor de I/OAceste porturi sunt tratate de TMS320C2x n mod identic cu memoria, distincia fcndu-se prin semnalul IS care devine "0" la nceputul unui ciclu de acces. Procesorul poate avea acces la 16 porturi de intrare i ieire. Cei 4 bii mai puin semnificativi ncepnd cu LSB specific adresa unui port. O pereche de circuite 74AS138 se pot utiliza pentru decodarea acestor bii de adres (Fig.16).

O interfa simpl ntre dou procesoare poate fi implementat utiliznd pn la 16 porturi bidirecionale I/O conectate la TMS320C2x. n aceast manier, procesorul poate fi conectat cu convertoare paralele A/D, registre, FIFO, memorii dublu-port sau alte periferice.Utilizarea unui microcontroler pe 8 bii cum este TMS70C42 proiectat pentru control de claviatur este artat n Fig.17. Semnalele schimbate de procesor i TMS320C2x arat cnd datele sunt valide la citire. Aceast comunicare ntre procesoare este facilitat de utilizarea pinilor de intrare i ieire ai lui TMS70C42. ntr-o configuraie multiprocesor spaiul de memorie pentru adrese este relativ limitat, iar transferul datelor este relativ lent n comparaie cu DMA sau n configuraia cu memorie global.

Figur 17 Comunicaia ntre procesoare prin porturi I/O

6 Aplicaii de sistemCircuitele TMS320C2x sunt utilizate ntr-o mare varietate de sisteme. Cteva aplicaii ar fi n telecomunicaii, grafic i procesarea imaginilor, control de nalt vitez, instrumentaie i procesare numeric. Pentru exemplificare, se ilustreaz acest ultim caz.6.1 Grafic i procesare de imaginen aceste aplicaii, posibilitatea de interfaare cu un procesor gazd este important. TMS320C2x poate fi utilizat ntr-o mare varietate de scheme tip gazd / coprocesor (Fig.18). Aceste aplicaii pot utiliza spaiul larg de memorie de date i capacitatea memoriei globale de a permite depozitarea n memorie a imaginilor grafice, ceea ce reduce volumul de date manipulate n sistem.Figur 18 Sistem grafic cu DSPFolosirea modurilor de adresare indirecte sau indexate ale TMS320C2x permite procesarea matricilor, iar multiplicarea matricilor este folosit pentru rotaii i translaii de imagini bidimensionale.

6.2 Controlul proceselor rapideAplicaiile de mare vitez, cum este robotica, utilizeaz aceste circuite pentru manipularea biilor, operaii logice, sincronizare i transfer rapid de date (10 mil.

DESCRIERE INTERFATA SISTEM PENTRU INTERFETE DIGITALE

Interfata sistem include diferite caracteristici hardware si software pentru controlul procesorului DSP:

1. SEMNALELE DE CEASFamilia de procesoare poate opera cu semnale de ceas compatibile TTL pentru pinul CLKIN sau cu un cristal conectat ntre pinii CLKIN si XTAL. Dac se foloseste un semnal de ceas extern, XTAL nu trebuie conectat. Semnalul CLKIN nu poate fi oprit sau modificat n frecvent pe durata operrii.

2. RESET\RESET opreste executia programului si cauzeaz un reset hardware procesorului. Cnd semnalul \RESET este dezactivat, procesorul trece automat la operatia de boot-are, dar aceasta depinde de starea pinului MMAP.

3. REBOOT-AREA EXECUTAT PRIN SOFTWAREReboot-rile fortate software se pot face n mai multe moduri. O reboot-are software sterge continutul ctorva registrii ai procesorului si-i reinitializeaz. De asemenea se "curt" si stivele procesor si se reia executia de la adresa 0x000.

4. NTRERUPERILE EXTERNEFiecare procesor din familia ADSP-2100 are un numr de ntreruperi externe, mascabile organizate pe prioritti, care pot fi activabile pe nivel sau pe front. Pinii prin care se poate genera aceste ntreruperi se numesc \IRQ0, \IRQ1 si \IRQ2. Pinii \IRQ0 si \IRQ1 sunt valabili ca o configuratie alternativ la SPORT1.

PINII FLAGToate procesoarele ADSP-21xx prezint pini flag. n cel de-al doilea mod de configurare a SPORT1 sunt prezenti si pinii de Flag In (FI) si Flag Out (FO). Aceasta se poate face prin selectia bitului 10 al Registrului de Control al Sistemului.

6. POWERDOWNADSP-2171, ADSP-2181 si ADSP-21msp58/59 permit posibilitatea de intrare n powerdown (consum redus). Aceasta este folositoare n aplicatiile ce necesit nu management strict al energiei, spre exemplu, alimentarea de la baterie.

7. Descrierea pinilor pentru ADSP-2101 (cu 68 de pini):

PLCC NR. Nume PIN

1 D11 2 GND 3 D12 4 D13 5 D14 6 D15 7 D16 8 D17 9 D18 10 GND 11 D19 12 D20 13 D21 14 D22 15 D23 16 VDD 17 MMAP 18 BR 19 IRQ2 20 RESET 21 A0 22 A1 23 A2 24 A3 25 A4 26 VDD 27 A5 28 A6 29 GND 30 A7 31 A8 32 A9 33 A10 34 A11 35 A12 36 A13 37 PMS 38 DMS 39 BMS 40 BG 41 XTAL 42 CLKIN 43 CLKOUT 44 WR 45 RD 46 DT0 (NC on ADSP-2105) 47 TFS0 (NC on ADSP-2105) 48 RFS0 (NC on ADSP-2105) 49 GND 50 DR0 (NC on ADSP-2105) 51 SCLK0 (NC on ADSP-2105) 52 FO (DT1) 53 IRQ1 (TFS1) 54 IRQ0 (RFS1) 55 FI (DR1) 56 SCLK1 57 VDD 58 D0 59 D1 60 D2 61 D3 62 D4 63 D5 64 D6 65 D7 66 D8 67 D9 68 D10

Figur 19

Bibliografie

1. S. Barrett, D. Pack, Atmel AVR Microcontroller Primer: Programming and interfacing, Morgan&Claypool, 2008.2. M. Margolis, Arduino cookbook, 2nd edition, 20113. Barry B. Brey, The Intel Microprocessors: 8086/8088, 80186,80286, 80386 and 80486. Architecture, Programming, and Interfacing, 3-rd edition, Prentice Hall, 19944. Manuale, datasheet-uri5. Resurse web:6. http://arduino.cc/en/Tutorial/HomePage