Mikroprocesory i procesory sygnałowe

1. Mikroprocesory i procesory sygnałowe cz. I – Procesory „klasyczne” • Historia procesorów, porównanie procesorów CISC i RISC • Model programowy procesorów Intel x86. • Koprocesor. • Rozszerzenia MMX, SIMD • Architektury von Neumanna, Harvard • Rodziny procesorów: VLIW, EPIC, ARM, PowerPC, MIPS cz. II – Procesory sygnałowe • Jednostki obliczeniowe stało- i zmiennoprzecinkowe • Specjalizowane jednostki MAC, SHIFTER, DAG • Mechanizmy programowe procesora DSP, konstrukcja podstawowych algorytmów, optymalizacja kodu • Typowe algorytmy przetwarzania sygnałów: • Transformata Fouriera, Filtry cyfrowe, Zagadnienia sztucznej inteligencji • Budowa i elementy składowe systemu mikroprocesorowego.

2. Warunki uzyskania zaliczenia: • Obecność na ćwiczeniach (maksymalnie 2 nieusprawiedliwione nieobecności) • Pozytywna ocena z ćwiczeń (w tym 2 prace kontrolne) • Obecność na laboratoriach i wykonanie pełnego zestawu ćwiczeń (sprawozdania oceniane indywidualnie).

3. Literatura i materiały: • G.Syck, Turbo Assembler. Biblia Użytkownika, LT&P, Warszawa 1994 • J.Scanlon, Assembler 80286/80386 • J.Biernat, Architektura komputerów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1999 • J.Grabowski, S. Koślarz, Podstawy i praktyka programowania mikroprocesorów, WNT, Warszawa, 1987 • A. Niederliński, Mikroprocesory, mikrokomputery, mikrosystemy, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa, 1991 • P.Metzger, Anatomia PC, Helion • C.Marven,G.Ewers, Zarys cyfrowego przetwarzania Sygnałów, WKŁ, Warszawa, 1999 • Czasopisma specjalistyczne i popularnonaukowe • Podręczniki i materiały firmowe („Data Sheets”, „ProgrammingManuals”, „Application Notes”) do omawianych procesorów • Książki dotyczące podstaw cyfrowego przetwarzania sygnałów – wybrane rozdziały

4. Wykład 1 Przetwarzanie sygnałów analogowych przez system cyfrowy

5. Cyfrowa reprezentacja sygnałów analogowych: • systemy liczenia: binarny i szesnastkowy • liczby rzeczywiste stałoprzecinkowe i zmiennoprzecinkowe • podstawowe operacje arytmetyczno-logiczne procesorów

6. System dziesiętny Cyfry mogą przyjmować dziesięć różnych wartości: 0,1..9 12 = 2*1 + 1*10 = 2*100 + 1*101 + 0*102 + ... 012 = 2*100 + 1*101 + 0*102 + ... = 12 System binarny Cyfry mogą przyjmować tylko jedną z dwóch wartości: 0 lub 1 1100b = 0*20 + 0*21 + 1*22 + 1*23 + ... = 0*1 + 0*2 + 0*4 + 0*8 = 12 (dec) 

7. System binarny Minimalna liczba w zapisie binarnym dla słowa 4-bitowego wynosi: 0000b = 0*20 + 0*21 + 0*22 + 0*23 = 0 (dec) ... natomiast maksymalna: 1111b = 1*20 + 1*21 + 1*22 + 1*23 = 1*1 + 1*2 + 1*4 + 1*8 = 15 (dec) Dla słów 8 bitowych (bajtów) zakres ten wynosi odpowiednio: minimum : 00000000b = 0 maksimum: 11111111b = 255

8. Zapis liczb ujemnych – system uzupełnień do jedynki (U1) LICZBY UJEMNE MAJĄ ZAMIENIONE WSZYSTKIE BITY NA PRZECIWNE 00001100b = +12 11110011b = -12 -         najbardziej znaczący bit (pierwszy z lewej) oznacza znak liczby: 0 –liczba dodatnia, 1 – liczba ujemna Uwaga 1:Liczba zero może mieć znak ! 00000000b = +0 11111111b = -0 Uwaga 2: Zakres liczb ulega zmianie z 0..255 na-127...-0,+0,...+127

9. Zapis liczb ujemnych – system uzupełnien do dwóch (U2) • LICZBĘ UJEMNĄ ZAPISUJE SIĘ W SYSTEMIE U2 ZAPISUJĄC JEJ WARTOŚĆ BEZWZGLĘDNĄ W POSTACI BINARNEJ, PO CZYM ZAMIENIAJĄC WSZYSTKIE BITY NA PRZECIWNE (U1) ORAZ DODAJĄC LICZBĘ „1” • przykład: zapis liczby –12 w systemie U2: • zapis binarny wartości bezwzględnej liczby (bez znaku) • zamiana wszystkich bitów na przeciwne (U1) • dodanie liczby 1 (00000001b) • 1 +12 (dec) = 00001100b • 2 11110011b • 3 +00000001b • ========== • 11110100b = -12 • Specjalny wskaźnik N (Negacji) zostanie ustawiony N=1 • (jest to kopia bitu 7 wyniku)

10. Zapis liczb ujemnych – system uzupełnien do dwóch (U2) ... i odwrotnie: WARTOŚĆ BEZWZGLĘDNĄ LICZBY UJEMNEJ OBLICZA SIĘ ZAMIENIAJĄC WSZYSTKIE BITY NA PRZECIWNE (U1) A NASTEPNIE DODAJĄC LICZBĘ „1” 1. 11110100b = -12 2. 00001011b 3. +00000001b ========== 00001100b = +12 Sprawdzenie czy +12 + (-12) = 0 ??? +12 (dec) = 00001100b -12 (dec) = 11110100b + ===================== 1 00000000b = 0 !!! wskaźnik C=1 (Carry) Uwaga !System ten jest najczęściej używany w praktycezewzględu na prostotę przeprowadzania operacji arytmetycznych.

11. Zapis liczb ujemnych – zastosowanie przesunięcia zakresu (offsetu) Umowny podział zakresu zmienności 0..255 na dwa podzakresy poprzez zastosowanie tzw. offsetu równego zazwyczaj połowie zakresu zmienności liczby binarnej wartość liczby ze znakiem (-127...+128)= wartość binarna(0..255) – offset(127) Zapis taki stosowany jest np. przez koprocesor w komputerach PC, oraz w niektórych prostszych systemach.

12. System szesnastkowy(hexadecymalny) Cyfry mogą przyjmować tylko jedną z szesnastu postaci: 0,1,... 8, 9, A, B, C, D, E, F odpowiadających wartościom 0,1,... 8, 9,10,11,12,13,14,15 i tak np. liczba szesnastkowa 0Ch odpowiada liczbie dziesiętnej 12

13. System szesnastkowy Inny przykład: 1278h = 1*4096 + 2*256 + 7*16 + 8*1 = 4728 Uwaga 1Liczby szesnastkowe mogą być oznaczane również przez0x1278lub $1278 Uwaga 2Zapis szesnastkowy używany jest tylko dla wygodyprezentacji liczb binarnych !!! Każda z cyfr liczby szesnastkowej składa się z 4 bitów (cyfr szesnastkowych).Wygodnie jest więc zapisując liczby binarne stosować odstępy (spacje) pomiędzy grupami 4 bitów, np. +12 (dec) = 00001100b == 0000 1100b = 0Ch -12 (dec) = 11110100b == 1111 0100b = F4h Dla większych liczb, np. 16-bitowych korzyść z takiego zapisu jest od razu widoczna 0100110011111100b == 0100 1100 1111 1100b = 4CFCh

14. Podstawowe operacje arytmetyczno-logiczne mikroprocesorów 1 Liczby całkowite, ze znakiem (U2) i bez znaku dodawanie (ADD) przykład: mov EAX,10 ;wpisanie do rejestru EAX liczby 10 add EAX,20 ;dodanie do zawartość EAX liczby 20 ;(EAX:=EAX+20) C=0 dodawanie z przeniesieniem (ADC) W=A+B+C (C=0 lub 1)

15. Podstawowe operacje arytmetyczno-logiczne mikroprocesorów 2 odejmowanie (SUB) mov EAX,10 ;wpisanie do rejestru EAX liczby 10 sub EAX,20;odjęcie od zawartość EAX liczby 20 (w tym przypadku wynik będzie ujemny (N=1), oraz nastąpi pożyczka (C=1)) odejmowanie z pożyczką (SBB) W=A-B-C

16. Podstawowe operacje arytmetyczno-logiczne mikroprocesorów 3 inwersja bitów (NOT) - tak jak w systemie uzupełnień do jedynki U1 mov EAX,12 ;wpisanie do rejestru EAX liczby 12 NOT EAX negacja liczby (NEG) – system uzupełnień do dwóch (U2) W=(NOT A) +1 mov EAX,12 ;wpisanie do rejestru EAX liczby 12 NEG EAX ;w EAX jest –12 (U2)

17. Podstawowe operacje arytmetyczno-logiczne mikroprocesorów 4 mnożenie liczb (MUL) : - wynik ma dwa razy więcej bitów niż składniki mnożenia (wynik zawsze w DX:AX) mov ax,2000h mov bx,10h mul bx po wykonaniu mnożenia w rejestrze DX znajdzie się liczba 2h, a w AX liczba 0000h (łączny wynik 20000h)

18. Podstawowe operacje arytmetyczno-logiczne mikroprocesorów 5 dzielenie liczb (DIV) : dzielna w DX:AX wynik w postaci: część całkowita (AX) i reszta (DX) mov dx,3h mov ax,205h mov bx,100h div bx ;AX = 302h = (30205h/100h) ;DX = 5 (reszta z dzielenia)

19. Podstawowe operacje arytmetyczno-logiczne mikroprocesorów6 Iloczyn logiczny (AND) : mov dx,11000011b anddx,11110000b ;w dx będzie 11000000b

20. Podstawowe operacje arytmetyczno-logiczne mikroprocesorów 7 Suma logiczna (OR) : mov ax,11000011b or ax,11110000b ;w ax będzie 11110011b

21. Podstawowe operacje arytmetyczno-logiczne mikroprocesorów 8 Funkcja EXOR: mov ax,11000011b exor ax,11110000b ;w ax będzie 00110011b

22. Podstawowe operacje arytmetyczno-logiczne mikroprocesorów Przesuwanie bitów logiczne: SHR,SHL: Arytmetyczne: SAR,SAL:

23. Podstawowe operacje arytmetyczno-logiczne mikroprocesorów Przesuwanie bitów: ROR,ROL

24. Podstawowe operacje arytmetyczno-logiczne mikroprocesorów Przesuwanie bitów:ROR,ROL - przykład ;wartość początkowa „C” bez znaczenia mov ax,11000011b ror ax,1 11100001b ;po wykonaniu C=1 ;przesunięcie o trzy pola mov ax,11000011b ror ax,3 01111000b ;po wykonaniu C=0