Technika mikroprocesorowa - zagadnienia na egzamin

1. Klasyfikacja układów logicznych:

2. System dwójkowy i ósemkowy:

- System dwójkowy - najbardziej znany i najważniejszy binarny system liczbowy.

Jego podstawa wynosi 2. Do oznaczenia liczby dwójkowej często stosuje się indeks B, tzn. binarny.

Przykład: 1011 = 1*2³+0*2²+1*2¹+1*2⁰=11 (w postaci dziesiętnej)

- System ósemkowy - ma jako podstawę 8 = 2³. Na każdej pozycji może występować

8 różnych cyfr arabskich od 0 do 7. Waga pozycji stanowi

całkowitą potęgę cyfry 8.

Przykład: 2654 = 2∙83 + 6∙82 + 5∙81 + 4∙80 = 1452 (w systemie dziesiętnym).

3. Kodowanie:

Jest to przekształcanie informacji w ciąg cyfr. Wykorzystuje się tutaj tablicę kodową, w której zestawiono przyporządkowanie dwóch grup znaków, Operację odwrotną nazywamy dekodowaniem. Kodowanie i dekodowanie musi być jednoznaczne. Podobnie przedstawia się rzecz przy przekształcaniu liczb dziesiętnych lub szesnastkowych na dwójkowe.

Wyróżniamy kilka rodzajów kodowania:

- kodowanie binarne: wykorzystując w nim cztery miejsca można przedstawić co

najwyżej liczbę 15, nazywany inaczej kodem 8-4-2-1 (liczby BCD).

- kod z nadmiarem 3: liczba 3 określa o ile suma wszystkich wag przekracza wartość

odpowiedniej cyfry dziesiętnej. Podstawową zaletą takiego kodowania

jest to iż liczby binarne, które dodane dają 9, są komplementarne

względem siebie.

Przykład: 5 = 0101 = 1000

- kod Graya: „dwójkowy kod refleksyjny” - specjalny kod pełny nieskończony.

Przejście od jednej kombinacji do następnej wymaga zmiany wartości

tylko jednego bitu. Zawsze gdy najbliższe wyższe miejsce zostaje

zajęte znakiem binarnym to wówczas niższe miejsca zmieniają się w

odwrotnej kolejności.

- kody detekcyjne: wykrywalność zniekształceń, gdy tylko jedno miejsce jest

przekłamane, uzyskuje się w taki sposób, że do słowa kodowego

dodaje się jeszcze jedną pozycję. Bit ten przyjmuje taką wartość by

liczba jedynek w kodzie była parzysta, liczba nieparzysta jest

rozpoznawana jako nieprawdziwa.

- kody korekcyjne: do kodów, których błędy można korygować, zalicza się kod

Hamminga. Między innymi wykorzystuje się go do przesyłania słów

sterujących w wideotekście.

- kody ASCII: dalekopisy, drukarki i monitory ekranowe dla mini- i

mikrokomputerów wykorzystują najczęściej 7 - bitowy kod ASCII.

4. Bramki AND, OR, NOT, EXOR, NOR, NAND:

E1	E2	A
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

- bramka AND:

E1	E2	A
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

- bramka OR:

- bramka NOT

E	A
0	1
1	0

E1	E2	A
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

- bramka EXOR(wyłącznie lub):

5. Przerzutniki - klasyfikacja i zasada działania:

Przerzutnik RS - przerzutnik RS ma dwa wejścia programujące: zerujące R i ustawiające S.

Można go w prosty sposób zbudować przy użyciu bramek NAND. Konstrukcja ta jest znana wśród praktyków także jako przerzutnik NAND.

Jedno wejście bramki jest połączone z wyjściem drugiej. W celu ustawienia należy przyłożyć sygnał L do wejścia S. Wówczas na wyjściu Q pojawi się H. Gdy stan przerzutnika chce się zmienić na odwrotny, to do wejścia R należy przyłożyć sygnał H. Sygnał L pojawi się na wyjściu Q, a H na zanegowanym Q.

Przerzutnik D - w przerzutniku D zostaje przejęty stan występujący na wejściu D podczas

impulsu zegarowego i zapamiętany aż do następnego impulsu zegarowego. Można go zbudować z bramek NAND ale jest także budowany jako oddzielny podzespół.

Przerzutnik D także można wykorzystywać jako przerzutnik zatrzaskowy wszędzie tam, gdzie sygnał na zacisku może być pośrednio zapamiętywany.

Przerzutnik JK - po przyłożeniu impulsu zegarowego przerzutnik JK zmienia stan na

przeciwny, gdy obydwa wejścia (J i K) mają potencjał H. Gdy obydwa wejścia mają poziom L, to impuls zegarowy nie powoduje zmiany na wyjściu. pod względem wejść J i K przerzutnik ten zachowuje się jak przerzutnik zatrzaskowy RS, przy czym wejście J odpowiada wejściu S, a wejście K wejściu R.

Przerzutniki JK najczęściej realizuje się właśnie jako typ Master-Slave. Przerzutnik taki składa się z dwóch przerzutników zatrzaskowych RS, które są wyzwalane przez dwa następujące po sobie takty T1 i T2. Aby taktu T2 nie trzeba było oddzielnie doprowadzać, uzyskuje się go przez zanegowanie impulsu zegarowego T1.

Podczas trwania impulsu zegarowego część „Master” przejmuje informację wejściową. Po zablokowaniu wejść przerzutnik „Slave” przejmuje informację wyjściową z „Mastera”.

Przerzutnik T - przerzutnik T to nic innego jak przerzutnik JK z połączonymi wejściami J i K.

Gdy wejście T ma potencjał L, to wyjście zachowuje swoją wartość, gdy natomiast ma ono poziom H, to przerzutnik zmienia stan na przeciwny.

6. Rodzaje liczników:

- synchroniczne - wszystkie wejścia zegarowe są ze sobą połączone.

- asynchroniczne - (tańsze od synchronicznych)

- jednokierunkowe odwrotne (odejmujące, zliczające wstecz)

- dwukierunkowe(rewersyjne) - mogą zliczać zarówno do przodu jak i do tyłu
(synchroniczne).

- nastawne - (mogą pracować synchronicznie lub asynchronicznie) - po zliczeniu

nastawionej uprzednio liczby impulsów wejściowych wysyłają sygnał bądź

zerują licznik.

7. Architektura mikroprocesora:

8. Magistrala - do czego służy, zadania, jak się dzieli PCU, co zawiera PCU, wykonywanie

fizyczne rozkazu:

Zespół równoległych połączeń, do transmisji danych między częściami składowymi systemu. Składa się z 3 szyn (jedna przenosi dane, druga informacje o adresach pamięci, a trzecia różne sygnały sterujące).

PCU - ?

9. Na czym polega przetwarzanie potokowe:

Stosuje się w celu przyspieszenie wykonywania programu (we współczesnych procesorach). Przetwarzanie potokowe pozwala na wykonywanie w danym momencie kilku kolejnych rozkazów. Dzięki temu, że procesy przetwarzania rozkazów nakładają się na siebie to efektywna szybkość procesora może być zwiększona 2 lub 3-krotnie (w porównaniu z przypadkiem gdy drugi rozkaz może się rozpocząć po zakończeniu pierwszego)

10. Co to jest Cache:

Cache (pamięć podręczna o krótkim czasie dostępu) - jest to pamięć statyczna o bezpośrednim dostępie (RAM), zbudowana z szybkich układów, w których jest przechowywany blok aktualnie wykonywanych rozkazów.

11. Do czego służy ALU, co zawiera:

ALU - jednostka arytmetyczno logiczna, która wykonuje wszystkie operacje logiczne i działania arytmetyczne z rozkazu programu. W większości procesorów jednostka arytmetyczno logiczna pracuje w powiązaniu ze specjalnym rejestrem, zwanym akumulatorem.

Jednostka ALU ma dwa wejścia danych i jedno wyjście. Długość słowa ALU wynosi 4-, 8-, 16-, 32-, bitów

12. Co to są flagi:

Znaczniki, odnoszą się do jednego lub więcej bitów, które wykorzystywane są do przechowywania binarnej informacji, która posiada pewne znaczenie. Najczęściej flagi wykorzystywane są do kontrolowania wykonywanego przez procesor kodu. Mogą posiadać informacje takie jak znak wyniku operacji (dodatni lub ujemny) czy też parzystość jego bitów.

13. Stosy współczesne:

Stos - jest to pamięć stosowana w procesorach a składająca się z dwóch lub trzech

rejestrów, pamięć typu LIFO (ang. Last In, First Out).

Działanie tego urządzenia przypomina układanie stosu kart. Pierwszy licznik rozkazów jest przechowywany w najniższym rejestrze, który w tym momencie można porównać do pojedynczej karty leżącej na stole. Gdy wywołany zostaje następny program, aktualny licznik rozkazów zostaje umieszczony w wyższym rejestrze tak jakby kolejną kartę kładziono na poprzedniej. Jest to możliwe dzięki istnieniu wskaźnika szczytu stosu który przechowuje adres szczytu stosu oraz wyszukuje puste miejsce w rejestrze.

14. Polling i przerwania - porównać i scharakteryzować:

- polling - procedura odpytywania - metoda polegająca na zastosowaniu stałych pętli

testujących. Rozwiązanie programowe w formie pętli która komunikuje się z urządzeniem zewnętrznym i sprawdza czy jest ono gotowe odebrać lub wysłać dane.

Przykładowo jeśli procesor wysyła na drukarkę dane to musi poczekać z wysłaniem kolejnego znaku aż skończy się drukowanie poprzedniego. Drukarka pracuje z prędkością 100 znaków na sekundę zaś procesor mógłby wykonać 5000 rozkazów na sekundę.

Alternatywną, bardziej efektywną metodą obsługi urządzeń zewnętrznych jest stosowanie procedury przerwań.

- przerwanie - przerwanie jest wywołaniem podprogramu, zainicjowany sprzętowo

poprzez sygnał z urządzenia zewnętrznego (jeśli urządzenie jest gotowe wysyła do jednostki centralnej specjalny sygnał żądania obsługi IRQ). Podprogram obsługi przerwania kończy się rozkazem powrotu RTI (ang. Return from Interrupt), która powoduje przywrócenie zachowanych wartości rejestrów procesora. Wykonywanie programu może więc być wznowione od punktu, gdzie został on przerwany.

Rolling zajmuje więcej zasobów procesora niż przerwanie dlatego też częściej stosuje

się przerwania.

15. Rodzaje przerwań, rodzaje pamięci, wykorzystywanie pamięci wirtualnej:

- rodzaje przerwań:

- przerwanie niemaskowane - NMI - (podprogram obsługi przerwania

uruchamiany jest za każdym razem kiedy tylko pojawi się sygnał przerwania na linii NMI)

- przerwanie maskowane - uruchamiane przez sygnał na wejściu IRQ, wejście

IRQ jest blokowane aż do momentu skończenia wykonywania aktualnego przerwania.

- przerwania programowe - SWI - operacja pułapki, odpowiedni rozkaz ]

programu powoduje przejście do podprogramu obsługi przerwania. Pułapka jest niekiedy inicjowana pojawieniem się błędu, np. dzielenie przez 0.

- rodzaje pamięci:

- pamięć RAM - pamięć o swobodnym dostępie.

- pamięć ROM - pamięć tylko do odczytu.

- pamięć EPROM.

Pamięć wirtualna jest wykorzystywana do wykonywania zadań(operacji). Przydział pamięci wirtualnej jest częściowo sterowany przez programistę za pomocą programów segregujących i innych.

16. Porty równoległe i szeregowe, wady i zalety:

- port szeregowy - „szeregowy" odnosi się do sposobu przesyłania danych - pojedyncze bity

wysyłane są pojedynczo. Taki sam typ komunikacji wykorzystuje się w łączności telefonicznej - jeden przewód dla łączności w danym kierunku - stąd inna nazwa „port komunikacyjny". Właściwie wszystkie płyty główne posiadają układ I/O sterujący jednym lub dwoma portami szeregowymi.

- port równoległy - posiada osiem linii do jednoczesnego przesyłania wszystkich bitów

składających się na bajt. Jest to szybki interfejs. Port równoległy wykorzystuje przysyłanie danych po cztery bity od razu, zamiast po jednym bicie, jak to się dzieje w przypadku portu szeregowego. Jedynym ograniczeniem transmisji równoległej jest konieczność wzmacniania sygnału po przekroczeniu pewnej długości przewodu

17. Podstawowe 3 typy układów:

- mikroprocesory ogólnego przeznaczenia,

- mikrokontrolery - jego układ scalony zawiera jednostkę centralną CPU, pamięć

ROM lub EPROM w której zawarty jest program oraz pewną ilość pamięci RAM, używanej jako robocza pamięć programu. Układy te dysponują dodatkowo kilkoma portami wejścia - wyjścia, w tej samej strukturze mogą znaleźć się również liczniki itd.

- układy segmentowe.

18. Co należy uwzględnić przy wyborze mikroprocesora:

Wybór mikroprocesora jest zależny od wielu czynników, m. in. oprogramowania, warunków ekonomicznych itp.

Proces wyboru optymalnego mikroprocesora można zasadniczo podzielić na następujące etapy:

1. dokładne określenie zadań jakie system ma wykonywać,

2. podjęcie decyzji czy system ma być oparty na mikrokomputerze ogólnego zastosowania, czy mikrokontrolerze jednoukładowym,

3. wybór długości słowa,

4. uwzględnienie wymagań sprzętowych takich jak szybkość działania, pobór mocy itp., rozważenie możliwości wykorzystania gotowych podzespołów, będących w dyspozycji projektanta,

5. analiza projektu oprogramowania, przy uwzględnieniu doświadczeń własnych i współpracowników,

6. dokładna analiza czynników …

19. 8051 - co zawiera:

Główne elementy:

- jednostka centralna - sterowanie, adresowanie, obliczenia,

- pamięć RAM - przechowywanie wyników pomiarów, obliczeń,

- pamięć ROM - zawiera program pracy procesora,

- pamięć masowa - dyskietki, twarde dyski,

- zegar - zegar czasu rzeczywistego działający nawet po odłączeniu głównego

zasilania.

20. Co to jest transputer:

Mikrokomputer w jednym układzie scalonym. Zaprojektowany specjalnie do obliczeń równoległych (szybka komunikacja i łatwość połączenia innymi transputerami). Zawiera: procesor, pamięć RAM, łącze pamięci zewnętrznej. Do komunikacji z innymi transputerami wykorzystywane są cztery kanały DMA.

21. Interfejsy szeregowe i równoległe:

- interfejs równoległy - przesyłanie danych odbywa się poziomami 4-, 8- i 16-

bitowymi. Liczba połączeń równoległych jak i liczba odpowiedzi komórek rejestru z ograniczoną odległością przesyłu, linie tych portów można programować, w niektórych portach tylko wszystkie jednocześnie. W tym standardzie linie SA albo nadawcą albo odbiorcą, jedno z nich jest kontrolerem szyny. W przesyle danych stosuje się tu 8 bitową linię, 3 linie synchroniczne przesyłania danych i 5 linii do przesyłania sygnałów sterujących.

- interfejs szeregowy - równoległa transmisja danych jest tu równoległa i szybka w

przypadku połączeń lokalnych np. do monitora lub z klawiatury, ale wymaga wielu przewodów.

22. Port RS232:

Przykład interfejsu opisuje sposób połączenia urządzeń danych oraz komunikacji. Standard określa poziomy sygnałów i typ złącza. Jest magistralą komunikacyjną przeznaczoną do szeregowej transmisji danych, pozwala na transfer na odległość do 15 m. z szybkością do 20 kbit/s.

23. Przetworniki analogowo-cyfrowe:

Przetwornik analogowo-cyfrowy A/C to układ służący do zamiany sygnału analogowego (ciągłego) pochodzącego od obiektów świata realnego na reprezentację cyfrową (sygnał cyfrowy). Dzięki temu możliwe jest przetwarzanie ich w urządzeniach elektronicznych opartych o architekturę zerojedynkową oraz gromadzenie na dostosowanych do tej architektury nośnikach danych. Proces ten polega na uproszczeniu sygnału analogowego do postaci skwantowanej, czyli zastąpieniu wartości zmieniających się płynnie do wartości zmieniających się skokowo w odpowiedniej skali (dokładności) odwzorowania. Przetwarzanie A/C tworzą 2 etapy: próbkowanie i kwantyzacja. Działanie przeciwne do wyżej wymienionego wykonuje przetwornik cyfrowo-analogowy C/A.

24. PLC - co to jest, czym się różni od komputera, jego rola:

W zakładach przemysłowych oczekuje się od sterowników programowalnych (PLC) niezawodności, stabilności i łatwości obsługi. Jednak w ostatnich latach obserwujemy inwazję w automatykę przemysłową oraz sterowanie procesami układów sterowania obsługiwanych przez komputery osobiste (PC).

• Możliwości sterowników programowalnych przerosły sumę „slotów” (gniazd na karty), w jakie zostały wyposażone.

• Linia podziału między sterownikami programowalnymi oraz przemysłowymi komputerami osobistymi staje się nieostra.

Z tego wszystkiego wynika, że sterowniki programowalne rozwinęły się i upowszechniły; stały się dojrzałe, wyewoluowały do przejścia do następnej generacji. Gdy pada pytanie: „Co nadaje się lepiej do sterowania procesami przemysłowymi - sterownik programowalny czy komputer osobisty?” - wówczas logiczna odpowiedź brzmi: „obydwa”.

25. Języki programowania sterowników PLC:

- lista instrukcji

- schemat funkcyjny

- logika drabinkowa

- języki strukturalne

- języki ilustracji przejść typu GRAF

26. Zadania procesora sygnałowego DSP:

Większość zadań DSP można sklasyfikować jako splot, korelację i transmisję.

27. Splot, korelacja i transformacja:

- splot jest podstawowa operacją dla filtracji sygnałów. Filtracja pozwala na

zwiększenie stosunku mocy sygnału do mocy zakłóceń.

- korelacja pozwala na porównywanie sygnału z przebiegiem odniesienia (wzorcem).

Redukuje wpływ składowych losowych i pomaga wykryć składowe sygnału

podobne do wzorca (filtr dopasowany).

- transformacja służy do wyznaczenia widma sygnału, a ogólniej pozwala znaleźć

charakterystyczne cechy sygnału w wybranej przestrzeni cech (np. dziedzinie

częstotliwości).

28. FIR (SOI):

Nazwa FIR oznacza filtr o skończonej odpowiedzi impulsowej (polski skrót tej nazwy to filtr SOI). Oznacza to tyle, że reakcja na wyjściu tego układu na pobudzenie o skończonej długości jest również skończona (przez długość pobudzenia i odpowiedzi rozumiemy tu długość odcinka czasu dla którego próbki sygnału przyjmują wartości niezerowe). Aby warunek ten był spełniony, w filtrach tego typu nie występuje pętla sprzężenia zwrotnego.

29. Klasyfikacja układów programowalnych:

ASIC

• Układy programowane przez użytkownika

• SPDL

• PAL

• PLA

• GAL

• CPDL

• FPGA

• LUT

• MUX

• Układy projektowane przez użytkownika (semi-custom)

• Układy zamawiane przez użytkownika (full-custom)

30. Czujniki - zastosowanie, co jest istotne w węzłach czujnikowych:

Zastosowanie:

- w medycynie - nadzór sygnałów fizjologicznych,

- nadzór materiałowy,

- zwalczanie i zapobieganie powodzi,

- nadzór naturalny lub sztuczny środowisk żywych,

- w inteligentnym domu,

- czujniki ruchu, parametrów oświetlenia.

Istotną rzeczą w węzłach czujnikowych jest to iż same wytwarzają energię, odporność na błędy, niskie koszty produkcji, komunikacja i zużycie energii.

31. Watchdog - do czego służy:

Jest układem podnoszącym bezpieczeństwo w przebiegu pracy układu mikroprocesorowego. Jest to układ fizyczny, czuwający nad stabilną pracą mikroprocesora, gdy układ zawiesza sie (w skutek niestabilnej pracy myślowych procesów mikroprocesora, napięć zasilających, polowo przenoszonych napięć elektrycznych), jego działanie polega na restartowaniu układu. Zawieszenie aparatury w procesie przemysłowym może być bardzo groźne w skutkach stąd też zastosowanie owego urządzenia.

4

---