49810 (Разработка специализированного процессора для исполнения элементарных функций), страница 2

За работу интерфейса отвечают 3 регистра:

• Регистр SPCR - регистр управления

SPIE - разрешение прерывания по окончанию передачи.

SPE - SPI включен. Если установлен этот бит, то выводы #SS, MISO,

MOSI и SCK работают как выводы SPI, иначе - как простые выводы порта.

DORD - направление передачи данных. Если установлен, то передача идёт с младшего бита, если сброшен - со старшего.

MSTR - если установлен, контроллер работает как Master, если сброшен - как Slave. Управляется также выводом #SS, если он настроен на ввод - при подаче "0" на #SS бит MSTR сбрасывается.

CPOL - определяет уровень на выходе SCK в режиме ожидания - SCK = CPOL

CPHA - если установлен, передача и приём бита производится по обратному фронту, если сброшен - по прямому.

SPR1, SPR0 - делитель тактовой частоты (F - частота генератора контроллера).

SPR1SPR0Частота

00F/4

01F/16

10F/64

11F/128

• Регистр SPSR - регистр состояния

• Регистр SPDR - регистр данных

Также мы испольуем линии порта D, на выводы которого подаются внешние прерывания – PD2(INT0) и PD3(INT1) .

Для задания работы портов используются регистры DDR и PORT, соответствующих портов. Режимы работы портов приведены в таблице1.

В те моменты, когда устройство не востребовано, будем переводить его в спящий режим Power Down, выход из которого осуществляется по прерыванию. Данный режим работы описан в таблице 2.

Прерывания будем обрабатывать по переднему фронту, для этого занесём соответствующее значение в регистр MCUCR.

2.3 Формирование тактовых импульсов

Тактировать микроконтроллер можно несколькими способами: использовать внешний тактирующий сигнал, либо подключать внешний кварцевый резонатор или RC-цепочку, либо использовать встроенный генератор с внутренней RC- цепочкой. Всё зависит от той задачи, которую мы решаем.

Использование встроенного RC-генератора с внутренней время задающей RC-цепочкой является наиболее экономичным решением, так как при этом не требуется никаких внешних компонентов.

Внутренний RC-генератора микроконтроллеров семейства мега может работать на нескольких фиксированных частотах.

Частота работы внутреннего RC-генератора определяется значениями битов CKSEL3-0 согласно табл.3.

В разрабатываемом устройстве высокая частота, а соответственно и высокая скорость работы не нужна, поэтому вполне достаточно будет выбрать частоту тактирования равную 4.0 МГц.

2.4 Организация сброса

В данном случае нет смысла использовать отдельную кнопку сброса, сброс будет осуществляться по включению питания либо по внешнему сигналу сброса от устройства управления. При включении устройства подаётся питание на контроллер и автоматически осуществляется сброс, при выключении устройства, просто снимается питание с контроллера.

Для предотвращения сбоев работы контролера и выполнения программы при скачке напряжения, используем встроенную схему сброса при снижении питания BOD, которая отслеживает напряжение питания. Если работа этой схемы разрешена, то при снижении питания ниже некоторого уровня она переводит контроллер в состояние сброса. Когда напряжение вновь увеличится до порогового значения, запускается таймер задержки сброса. После формирования задержки t_TOUT внутренний сигнал сброса снимается и происходит запуск микроконтроллера.

Включением/выключением схемы BOD управляет конфигурационная ячейка BODEN. Для разрешения работы схемы эта ячейка должна быть запрограммирована в «0». Порог срабатывания V_BOT определяется состоянием конфигурационной ячейки BODLEVEL, при «1» порог срабатывания 2.7 В, при «0» порог 4 В.

Для уменьшения вероятности ложных срабатываний порог напряжения переключения схемы имеет гистерезис, равный 50 мВ. Кроме того, срабатывание схемы BOD происходит только в том случае, если период провала больше 2 мкс.

Задание длительности задержки сброса t_TOUT определяется значением конфигурационных ячеек, и включает в себя две составляющих: ts – выход на рабочий режим и стабилизация частоты тактового генератора, tr – для установки напряжения питания. При использовании встроенного RC-генератора с внутренней RC-цепочкой при включённой схеме BOD, биты конфигурации SUT1-0 установлены в значение «00», при этом ts= 6 тактов, tr –соответственно не используется.

2.5 Схема включения микроконтроллера

В микроконтроллере AT mega16 используется напряжение 5 В, подаваемое на вход VCC. Вход AREF используется для подключения внешнего фильтрующего конденсатора для повышения помехозащищенности.

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

3.1 Алгоритм работы устройства

Рис.3.1 - Алгоритм работы устройства

Описание алгоритма программы микроконтроллера:

1. Подача напряжения питания на устройство, автоматически происходит сброс и запуск внутреннего генератора тактовых импульсов;

2. Инициализация режимов работы контролера и его внутренних устройств (портов, интерфейсов и т.д.);

3. Переход в энергосберегающий режим ожидания Power Down;

4. Ожидание прерывания INT1, выводящего контролер из спящего режима;

5. При приходе сигнала SS происходит загрузка регистров SPI и прием данных по MISO от УКС.

6. Анализ полученных данных. Если получена команда 1 – запуск вычисления функции arcth Z, если получена команда 2 – функции arcsin Z.

7. Начало вычисления заданной функции:

   1. 1 этап вычислений - расчет r_i , X_i (для функции arcth Z) или r_i , Q_i (для функции arcsin Z);

   2. 2 этап вычислений – расчет Y_i , Q_i или X_i

8. Установка флага завершения вычислений;

9. Выдача результата по MOSI;

10. Ожидание прерывания либо INT0 переводящего в спящий режим контроллер, либо INT1 запускающего следующий расчёт.

3.2 Разработка программного обеспечения

Листинг программы на языке C++ для микроконтроллера ATmega16:

//== Библиотеки ========================================

#include

#include

#include "ctype.h"

#include "stdlib.h"

//== Global Variables =====================================

#define TRUE 1

#define FALSE 0

#define COM1 0x01//команда начала вычислении arCthZ

#define COM2 0x02 //команда начала вычислении arcsinZ

#define GICRMask 0xC0 //разрешение прерываний Int0 Int1

#define MCUCRMask 0xCF //спящий режим POWER Down прерывания по низкому уровню

#define nMCUCRMask 0x0F //запрет режима POWER Down

// биты для настройки SPI

#define MOSI 5 //выходный данные передаются по 5 биту порта В

#define SCK 7 // импульсы синхронизации передаются по 7 биту порта В

#define SS 4 //бит упарвляющий передачей данных

#define SPIE 7 //разрешение прерываний по SPI

#define SPE 6 // включение SPI

#define MSTR 4 //МК в режиме мастер

#define SPR0 0 // делитель на 16

#define CLRBIT(ADDR,BIT) (ADDR&=~(1<

#define SETBIT(ADDR,BIT) (ADDR|=(1<

unsigned char com;//переменная для хранения полученной команды

unsigned char DATA[4];//массив данных, в котором хранится полученное значение Z

unsigned char DATA_SEND[4];//массив данных, в котором хранится результат вычислений

unsigned char DDR_SPI; //переменная для настройки работы порта В

unsigned char SPIF = 0;//флаг завершения передачи/приема данных по SPI

unsigned char FlagInt1 = 0//флаг получения прерывания INT1 – вывод МК из спящего режима

unsigned char FlagInt0 = 0;//флаг получения прерывания INT0 – перевод МК в спящий режим

unsigned char FlagCalcReady = 0; //флаг завершения вычислений

//== Const =============================================

// Table of 2^(-i) ---------------------------------------------

float dva[15]={0.5,0.25,0.125,0.0625,0.03125,0.015625,

0.0078125,0.00390625,0.001953125,0.0009765625,

0.00048828125,0.000244140625, 0.0001220703125, 0.00006103515625,

0.00003051758125};

// Table of Arth -------------------------------------------------

loat ath[13]={ 0.5493061,0.2554128,0.1256572,0.0625816,0.0312602,0.0156263,

0.0078127,0.0039063, 0.0019531,0.0009766,0.0004883,0.0002441,

0.0001221 };

float log1[13]={0.5849625, 0.3219281,0.169925, 0.0874628, 0.0443941, 0.0223678,

0.0112273, 0.0056245, 0.0028150, 0.0014082, 0.0007043, 0.0003522,

0.0001761};

float log2[13]={1, 0.4150375, 0.1926451, 0.0931094, 0.0458037, 0.0227201, 0.0113153,

0.0056466, 0.0028205, 0.0014096, 0.0007046, 0.0003523, 0.0001761};

//=====================================================

void GlobalInitialize(void)

{

#asm ("cli");

DDRB = DDR_SPI;

PORTB = 0xD0;

DDRD = 0x00; //PortD as input

PORTD = 0x0C; //подключение резисторов подтяжки к выводам PD2, PD3

GICR=GICRMask;

MCUCR=nMCUCRMask;

#asm ("sei");

}

//=====================================================

void Init_SPI_SLAVE(void)

{

//настройка интерфейса в режим подчиненный

DDR_SPI=(1<

//прием по MISO, тактовый сигнал и сигнал выбора МС на ввод

SPCR |= (1 << SPIE); //разрешение прерывания по SPI

SPCR |= (1 << SPE); //включение интерфейса

}

//== функция приема сообщений ============================

void SPI_SlaveReceive(void)

{

unsigned char i;

for(i=0; i<1; i++)

{

while(!(SPSR & (1<

com = SPDR;

SPIF = FALSE;

}

for(i=1; i<5; i++)

{

while(!SPIF); //ждем завершения передачи байта

DATA[i-1] = SPDR;

SPIF = FALSE;

}

}

//== функция передачи данных =============================

void SPI_SlaveSend(void)

{

unsigned char i;

for (i = 0; i<4; i++)

{

SPDR = DATA_SEND[3-i]; //сохр данный в регистре данных SPI

while(!SPIF); //ждем завершения передачи

SPIF = FALSE; //установка флага завершения передачи в 0

}

FlagCalcReady = 0;

}

//====преобразования данных в формат с плавающей запятой =======

float char_to_Float(void)

{

float tmp=0;

float a=255;

tmp = (DATA[3]*a);//преобразование целой части

tmp=tmp+DATA[2];

tmp=tmp+(DATA[1]/a);//преобразование дробной части

tmp=tmp +(DATA[0]/a/a);

return tmp;

}

//=====================================================

void Float_to_char(float tmp)

{

int data_tmp=0;

data_tmp=(int)tmp;

DATA_SEND[3]=data_tmp>>8;

DATA_SEND[2]=data_tmp;

data_tmp=(int)((tmp-data_tmp)*65025);

DATA_SEND[1]=data_tmp>>8;

DATA_SEND[0]=data_tmp;

}

//=====================================================

float arCth(float Z)

{

float aCh;

float X0=1.45235,X1=0,Y0=0,Y1=0,Q0=0,Q1=0;

unsigned char i,n;

for(n=1;n<=26;n++)//число итераций 26

{

i = 1 +((n-1)>>1);

if ((Z-Q0)>=0) //определение знака итерации

{

Q1=Q0 + ath[i-1]; //вычисление Z

X1=X0 + Y0*dva[i-1]; //вычисление Xi=arcthZ

Y1=Y0 + X0*dva[i-1]; //вычисление Yi=sh(arChZ)

}

else

{

Q1=Q0 - ath[i-1]; //вычисление Z

X1=X0 - Y0*dva[i-1];//вычисление Xi=arcthZ

Y1=Y0 - X0*dva[i-1]; //вычисление Yi=sh(arChZ)

}

//сохранение предыдущих значений

Q0=Q1;

X0=X1;

Y0=Y1;

}

aCh = Q1;

FlagCalcReady = 1;

return aCh;

}

//=====================================================

float arcsinZ (float Z)

{

float as;

float X0=1.0, X1=0.0, Q0=0.0, Q1=0.0;

unsigned char i,n;

for(n=1;n<=26;n++)

{

i = 1 + ((n-1)>>1);

if ((Z-Q0)>=0) //определение знака итерации

{

Q1=Q0 + log1[i]; //вычисление угла

X1=X0 + X0*dva[i]; //вычисление Xi

}

else

{

Q1=Q0 - log2[i]; //вычисление Z

X1=X0 - X0*dva[i]; //вычисление Xi

}

Q0=Q1;

X0=X1;

}

as = X1;

FlagCalcReady =1;

return as;

}

//=====================================================

void main(void)

{

unsigned char nSS; //сигнал выбора микросхемы

float Z, ans;

Init_SPI_SLAVE(); //инициализация SPI

GlobalInitialize(); //настройка портов ввода-вывода

while(1)

{

if (FlagInt0) //обработка прерывания Инт0

{

FlagInt0=0;

MCUCR=MCUCRMask; //разрешение включения спящего режима

#asm ("SLEEP");} //переход в спящий режим

}

if (FlagInt1)

{

FlagInt1=0;

nSS = PORTB & 0x10; //маска для выделения бита PORTB4

if (nSS == 0)

{

SPI_SlaveReceive();

if (com == COM1)

{

Z = char_to_Float();

ans = arCth(Z);

}

if (com == COM2)

{

Z = char_to_Float();

ans = arcsin (Z );

}

}

if (FlagCalcReady)

{

Float_to_char(ans);

SPI_SlaveSend();

}

}

}

//=interrupt==============================================

interrupt [EXT_INT0] void INT0_interrupt(void) //обработка прерывания Int0

{

FlagInt0 = 1; //установка флага

}

interrupt [EXT_INT1] void INT1_interrupt(void) //обработка прерывания Int1

{

FlagInt1 = 1; //установка флага

MCUCR=nMCUCRMask; //запрет спящего режима

}

4. АНАЛИЗ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПРОГРАММЫ

Откомпилировав написанную программу в CodeVision, проанализируем её работу в симуляторе AVRStudio4.

В пошаговом режиме будем тестировать программу, подавая в нужные моменты на входы контроллера соответствующие сигналы. По имеющимся в отладчике часам определим время получения одного значения.

На рис.4.3 показаны результаты вычислений функции arch при получении следующей посылки: com = 0x01, Z = 1.7997576 (после преобразования посылки в формат с плавающей запятой). В результате вычислений получено: arch Z = 1,1927513. Истинное значение составляет arch Z = 1,1927565. Погрешность составляет: , что находится в пределах заданной.

Ниже отображены результаты вычислений пр получении другой посылки от УКС. В ней com = 0x02, Z = 1.0468 (после преобразования посылки в формат с плавающей запятой). В результате вычислений получено: arcsinZ = 2,0657325. Истинное значение составляет arcsinZ = 2,06594. Погрешность составляет: , что находится в пределах заданной.

По значению переменной StopWatch можно подсчитать время всего преобразования:

T=7141,5 мкс, что составляет 7,1 мс и вполне удовлетворяет техническому заданию.

Заключение

В данной работе был промоделирован и реализован процессор CORDIC. Данный процессор способен выполнять вычисление различных элементарных функций, таких как тригонометрические, логарифмические и другие. Однако в данном случае стояла задача реализовать только функции arCth Z и arcsinZ.

Вычисление заданной функции устройство выполняет в соответствии с техническим заданием с заданной точностью и в течении заданного периода времени.

Структурная схема, разработанная в этой работе, конечно, не единственно возможная и, тем более, не максимально производительная. Но на ее примере можно усвоить основные принципы построения специализированных цифровых вычислительных систем, таких как процессор CORDIC.

Данное устройство является универсальным и может быть использовано в любом комплексном устройстве. Для согласования работы данного устройства с ведущим устройством не возникает никаких сложностей, так как оно может работать асинхронно, принимать и генерировать прерывания.