Цифровой генератор сигнала с перестраиваемой частотой, реализуемый на базе инструментального комплекта Spartan-3E Starter Kit фирмы Xilinx Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Окончание. Начало в КиТ№ 11’2006

Валерий ЗОТОВ

walerry@km.ru

Цифровой генератор сигнала с перестраиваемой частотой, реализуемый

на базе инструментального комплекта Spartan-3E Starter Kit фирмы Xilinx

Микропрограммное обеспечение цифрового генератора сигнала с перестраиваемой частотой

Исходный текст микропроцессорной программы на языке ассемблера для цифрового генератора сигнала с перестраиваемой частотой включает в себя следующие модули:

• блок определения значений констант, используемых в микропрограмме;

• блок инициализации системы;

• основной модуль микропрограммы;

• подпрограмма анализа состояния кнопочного переключателя, совмещенного с инкрементным энкодером;

• подпрограмма вычисления значений управляющих кодов, подаваемых на соответствующие входы цифрового синтезатора частоты;

• подпрограмма установки новых значений управляющих кодов для цифрового синтезатора частоты;

• подпрограмма отображения данных на экране жидкокристаллического дисплея;

• группа вспомогательных подпрограмм;

• подпрограмма обработки прерывания.

В начале первого модуля приведены директивы определения адресов выходных портов, используемых для управления состояния светодиодных индикаторов, жидкокристаллического дисплея и цифровым синтезатором.

;Port definitions

CONSTANT LED_port, 80 8 simple LEDs

CONSTANT LED0, 01 LED 0 — bit0

CONSTANT LED1, 02 1 — bit1

CONSTANT LED2, 04 2 — bit2

CONSTANT LED3, 08 3 — bit3

CONSTANT LED4, 10 4 — bit4

CONSTANT LED5, 20 5 — bit5

CONSTANT LED6, 40 6 — bit6

CONSTANT LED7, 80 7 — bit7

CONSTANT rotary_port, 00 Read status of rotary encoder

CONSTANT rotary_left, 01 Direction of last move

Left=1 Right=0 — bit0

CONSTANT rotary_press, 02 Centre press contact

(active High) — bit1

;LCD interface ports

CONSTANT LCD_output_port, 40

CONSTANT LCD_E, 01 CONSTANT LCD_RW, 02 CONSTANT LCD_RS, 04

CONSTANT LCD_drive, 08

CONSTANT LCD_DB4, 10 CONSTANT LCD_DB5, 20 CONSTANT LCD_DB6, 40 CONSTANT LCD_DB7, 80

CONSTANT LCD_input_port, 01

CONSTANT LCD_read_DB4, 10 CONSTANT LCD_read_DB5, 20 CONSTANT LCD_read_DB6, 40 CONSTANT LCD_read_DB7, 80

DDS control ports

DDS control word is 32-bits

CONSTANT DDS_control0_port, 02 CONSTANT DDS_control1_port, 04 CONSTANT DDS_control2_port, 08 CONSTANT DDS_control3_port, 10

LCD character module output data and control active High Enable E — bit0 Read=1 Write=0 RW — bit1 Instruction=0 Data=1 RS — bit2

Master enable (active High) — bit3 4-bit Data DB4 — bit4 interface Data DB5 — bit5 Data DB6 — bit6 Data DB7 — bit7

LCD character module input data

4-bit Data DB4 — bit4 interface Data DB5 — bit5 Data DB6 — bit6 Data DB7 — bit7

dds_control_word(7:0)

dds_control_word(15:8)

dds_control_word(23:16)

dds_control_word(31:24)

Frequency scaling control word is 5-bits

CONSTANT DDS_scaling_port, 20 ; dds_scaling_word(4:0)

Далее следует группа директив, с помощью которых задаются начальные значения переменных, используемых в процессе вычислений. В эту же группу входят директивы определения адресов ячеек сверхоперативного запоминающего устройства (СОЗУ), выделяемых для хранения различных параметров генератора сигнала, в том числе управляющих кодов для цифрового синтезатора частоты.

;Special Register usage ;Scratch Pad Memory Locations

CONSTANT rotary_status, 00 CONSTANT rotary_event, 80 ; Status of rotary encoder ; flag set by interrupt in ; 'rotary_status' — bit7

CONSTANT ISR_preserve_s0, 01 ; Preserve s0 contents during ISR

CONSTANT LED_pattern, 02 ; LED pattern used in rotation mode

;BCD digits representing selected and displayed frequency

CONSTANT BCD_digit0, 03 CONSTANT BCD_digit1, 04 ; value 1 ; 10

CONSTANT BCD CONSTANT BCD CONSTANT BCD CONSTANT BCD CONSTANT BCD CONSTANT BCD CONSTANT BCD

digit2,

digit3

digit4,

digit5

digit6,

digit7,

digit8,

05 100

6 0 1,000

07 10,000

8 0 100,000

09 1,000,000

0A 10,000,000

0B 100,000,000

Binary integer representation of BCD value

CONSTANT frequency0, 0C ; LS byte

CONSTANT frequency1, 0D CONSTANT frequency2, 0E CONSTANT frequency3, 0F ; MS byte

Control of frequency selection values

CONSTANT cursor_position, 10 ; Pointer to edit position on LCD CONSTANT edit_digit_pointer, 11; BCD digit to be changed

)-bit product resulting from 32-bit frequency x 48-bit scaling constant

CONSTANT product0, 12 ; LS byte

CONSTANT product! 13

CONSTANT product2, 14

CONSTANT product3, 15

CONSTANT product4, 16

CONSTANT product5, 17

CONSTANT product6, 18

CONSTANT product7, 19

CONSTANT product8, 1A

CONSTANT product9, 1B ; MS byte

Local copies of the DDS control word and DDS scaling word

CONSTANT DDS_control0, 1C CONSTANT DDS_control1, 1D CONSTANT DDS_control2, 1E CONSTANT DDS_control3, 1F CONSTANT DDS_scaling, 20

dds_control_word(7:0)

dds_control_word(15:8)

dds_control_word(23:16)

dds_control_word(31:24)

dds_scaling_word(4:0)

CONSTANT scale_constant0, 62 ; LS byte CONSTANT scale_constant1, 84 CONSTANT scale_constant2, 11 CONSTANT scale_constant3, 77 CONSTANT scale_constant4, CC CONSTANT scale_constant5, AB ; MS byte

Завершает первую секцию приведенная ниже последовательность директив, определяющих значение параметра задержки и символов таблицы ASCII.

ASCII table

CONSTANT delay_1us_constant, 0B

CONSTANT character_a, 61 CONSTANT character_b, 62 CONSTANT character_c, 63 CONSTANT character_d, 64 CONSTANT character_e, 65 CONSTANT character_f, 66

CONSTANT character_g, 67 CONSTANT character_h, 68 CONSTANT character_i, 69 CONSTANT character_j, 6A CONSTANT character_k, 6B CONSTANT character_l, 6C CONSTANT character_m, 6D CONSTANT character_n, 6E CONSTANT character_o, 6F CONSTANT character_p, 70 CONSTANT character_q, 71 CONSTANT character_r, 72 CONSTANT character_s, 73 CONSTANT character_t, 74 CONSTANT character_u, 75 CONSTANT character_v, 76 CONSTANT character_w, 77 CONSTANT character_x, 78 CONSTANT character_y, 79 CONSTANT character_z, 7A CONSTANT character_A, 41 CONSTANT character_B, 42 CONSTANT character_C, 43 CONSTANT character_D, 44 CONSTANT character_E, 45 CONSTANT character_F, 46 CONSTANT character_G, 47 CONSTANT character_H, 48 CONSTANT character_I, 49 CONSTANT character_J, 4A CONSTANT character_K, 4B CONSTANT character_L, 4C CONSTANT character_M, 4D CONSTANT character_N, 4E CONSTANT character_O, 4F CONSTANT character_P, 50 CONSTANT character_Q, 51 CONSTANT character_R, 52 CONSTANT character_S, 53 CONSTANT character_T, 54 CONSTANT character_U, 55 CONSTANT character_V, 56 CONSTANT character_W, 57 CONSTANT character_X, 58 CONSTANT character_Y, 59 CONSTANT character_Z, 5A CONSTANT character_0, 30 CONSTANT character_1, 31 CONSTANT character_2, 32 CONSTANT character_3, 33 CONSTANT character_4, 34 CONSTANT character_5, 35 CONSTANT character_6, 36 CONSTANT character_7, 37 CONSTANT character_8, 38 CONSTANT character_9, 39 CONSTANT character_colon, 3A CONSTANT character_stop, 2E CONSTANT character_semi_colon, 3B CONSTANT character_minus, 2D CONSTANT character_divide, 2F ; '/'

CONSTANT character_plus, 2B CONSTANT character_comma, 2C CONSTANT character_less_than, 3C CONSTANT character_greater_than, 3E CONSTANT character_equals, 3D CONSTANT character_space, 20 CONSTANT character_CR, 0D ; carriage return

CONSTANT character_question, 3F ; '?'

CONSTANT character_dollar, 24 CONSTANT character_exclaim, 21 ; '!'

CONSTANT character_BS, 08 ; Back Space command

; character

Блок инициализации системы включает в себя последовательность микропроцессорных команд, выполняющих начальную установку основных параметров генератора сигнала при включении напряжения питания. Данная последовательность инструкций осуществляет операции инициализации жидкокристаллического дисплея, а также определяет значения начальной позиции курсора и отображаемых параметров, которые соответствуют исходному номиналу частоты формируемого сигнала, равному 100 МГц. Кроме того, здесь же присутствует команда установки режима, разрешающего обработку прерываний. Рассматриваемый модуль микропрограммы выглядит следующим образом:

;Initialise the system

cold_start: CALL LCD_reset і initialise LCD display

Write 'Frequency Generator' to LCD display and display for 4 seconds

LOAD s5, 10 ; Line 1 position 0

CALL LCD_cursor

CALL disp_Frequency

LOAD s5, 22 ; Line 2 position 2

CALL LCD_cursor

CALL disp_Generator

CALL delay_1s ; wait 4 seconds

CALL delay_1s

CALL delay_1s

CALL delay_1s

CALL LCD_clear ; clear screen

;Initial frequency of 100MHz

LOAD s0, 00

LOAD s1, 01

STORE s0, BCD_digit0

STORE s0, BCD_digit1

STORE s0, BCD_digit2

STORE s0, BCD_digit3

STORE s0, BCD_digit4

STORE s0, BCD_digit5

STORE s0, BCD_digit6

STORE s0, BCD_digit7

STORE s1, BCD_digit8

LOAD s0, 04 ; Start position for editing

і frequency is 1MHz digit

STORE s0, cursor_position

LOAD s0, BCD_digit6

STORE sC, edit_digit_pointer

ENABLE INTERRUPT ; interrupts are used to detect

; rotary controller

CALL delay_1ms

LOAD sC, 00 ; clear the status of any spurious

; rotary events

STORE sC, rotary_status ; as a result of system turning on.

Основной модуль микропрограммы построен в виде бесконечного цикла, в котором выполняются следующие операции:

• вычисление значений управляющих кодов для цифрового синтезатора частоты;

• вывод текущего значения частоты выходного сигнала на экран жидкокристаллического дисплея;

• анализ состояния сигналов, формируемых блоком управления;

• переключение между режимами редактирования значения частоты формируемого сигнала;

• установка нового значения частоты формируемого сигнала;

• вычисление значений основных параметров и запись результатов в регистры и СОЗУ. Исходный текст основного модуля микропрограммы имеет следующий вид.

; Main program

move_mode: CALL compute_DDS_ _words ; compute DDS

; control values

CALL display_freq ; refresh display with

; cursor position shown

LOAD s0, LED0 ; indicate move mode on

; LEDs

OUTPUT s0, LED_port

move_wait: INPUT s0, rotary_port ; read rotary encoder

TEST s0, rotary_press ;test for press of button

; which changes mode

JUMP NZ, edit_mode

FETCH s0, rotary_status ;check for any rotation

; of rotary control

TEST s0, rotary_event

JUMP Z, move_wait

AND s0, 7F clear flag now that

action it is being

processed

STORE s0, rotary_status

FETCH sA, cursor_position read current position

FETCH sB, edit_digit_pointer

TEST s0, rotary_left determine direction

to move cursor

JUMP Z, move_right

move_left: COMPARE sB, BCD_digit8 can not move left of

і 1CCMHz digit

JUMP Z, move_mode

ADD sB, 01 move to next higher

BCD digit

SUB sA, 01 move cursor to match

digit to be edited

COMPARE sA, 09 must skip over space

separator

JUMP Z, skip_left

COMPARE sA, 05 must skip over decimal

point

JUMP NZ, edit_point_update

skip_left: SUB sA, 01 move cursor further left

JUMP edit_point_update

move_right: COMPARE sB, BCD_digit0 can not move right of

; 1Hz digit

JUMP Z, move_mode

SUB sB, 01 move to next lower

BCD digit

ADD sA, 01 move cursor to match

digit to be edited

COMPARE sA, 09 must skip over space

separator

JUMP Z, skip_right

COMPARE sA, 05 must skip over decimal

point

JUMP NZ, edit_point_update

skip_right: ADD sA, 01 move cursor further

і right

edit_point_update: STORE sA, cursor_position і update edit value

; in memory

STORE sB, edit_digit_pointer

JUMP move_mode

edit_mode: CALL wait_switch_release wait for switch press to end

І _wor Q _D ut ompu co L L A О ay: spl _dis edit_ compute DDS control

; values

CALL display_freq refresh display with

new values

LOAD sC, LED1 indicate edit mode on

LEDs

OUTPUT sC, LED_port

edit_wait: INPUT sC, rotary_port read rotary encoder

TEST sC, rotary_press test for press of button

і which changes mode

JUMP NZ, end_edit_mode

FETCH sC, rotary_status і check for any rotation

і of rotary control

TEST s0, rotary_event

JUMP Z, edit_wait

AND s0, 7F clear flag now that

action it is being

processed

STORE s0, rotary_status

FETCH sB, edit_digit_pointer read pointer to BCD

digit for initial change

TEST s0, rotary_left determine direction to

increment or decrement

JUMP Z, inc_digit

; Decrement the value starting at the current position and borrow-

ing from the left.

; However the value needs to bottom out at all 0's from the editing

position.

dec_digit: FETCH sA, (sB) read digit value at

pointer position

SUB sA, 01 decrement digit

COMPARE sA, FF test for borrow from

next digit

JUMP Z, dec_borrow

STORE sA, (sB) store decremented

digit value

JUMP edit_display decrement task

complete

dec_borrow: LOAD sA, 09 current digit rolls over

to nine

STORE sA, (sB) store '9' digit value

COMPARE sB, BCD_digit8 check if working

on 100MHz digit

JUMP Z, set_min_value

ADD sB, 01 increment pointer to

next most significant

digrt

JUMP dec_digit

; decrement next digit up.

set_min_value: FETCH sB, edit_digit_pointer ; Must fill digits from

; insert to MS-Digit

LOAD sA, 00 fill_min: STORE sA, (sB) COMPARE sB, BCD_digit8

JUMP Z, edit_display ADD sB, 01 JUMP fill_min

; check if filled to ; 100MHz digit

; fill next higher digit

; Increment the value starting at the current position and carrying to the left.

; However the value needs to saturate to all 9's from the editing position.

inc_digit: FETCH sA, (sB) read digit value at

pointer position

ADD sA, 01 increment digit

COMPARE sA, 0A test for carry to next

digit

JUMP Z, inc_carry

STORE sA, (sB) store incremented

digit value

JUMP edit_display increment task

complete

inc_carry: LOAD sA, 00 current digit rolls over

to zero

STORE sA, (sB) store zero digit value

COMPARE sB, BCD_digit8 check if working on

100MHz digit

JUMP Z, set_max_value

ADD sB, 01 increment pointer to

next most significant

digit

JUMP inc_digit increment next digit up.

set_max_value: FETCH sB, edit_digit_pointer

Must fill digits from insert to MS-Digit with 999...

LOAD sA, 09

fill_max: STORE sA, (sB)

COMPARE sB, BCD_digit8

JUMP Z, edit_display ADD sB, 01 JUMP fill_max

; check if filled to ; 100MHz digit

; fill next higher digit

; Routine to poll the press switch

wait_switch_release: CALL delay_20ms ; delay to aid switch

; de-bounce

INPUT s0, rotary_port ; read rotary encoder

TEST s0, rotary_press ; test if button is still

; being pressed

JUMP NZ, wait_switch_release

LOAD s0, 00 ; clear flag indicating

; any rotary events

STORE s0, rotary_status

RETURN

частоты выходного сигнала, отображаемому на экране жидкокристаллического дисплея. В начале этой подпрограммы, текст которой приведен далее, выполняется преобразование десятичного значения частоты в 32-разрядный код. Затем выполняются вычисления новых значений управляющих кодов в соответствии с формулами (1) и (2). Полученные результаты вычислений записываются побайтно в соответствующие ячейки СОЗУ. В данной подпрограмме используется ряд вспомогательных подпрограмм (в частности, подпрограмма преобразования формы представления чисел, подпрограмма умножения операндов, представленных в двоичной форме, подпрограмма сдвига данных), текст которых приводится далее при рассмотрении соответствующей группы программных модулей.

end_edit_mode: CALL wait_switch_release ; wait for end of switch ; press

JUMP move_mode ; then go to move cursor

; mode

Подпрограмма анализа состояния кнопочного переключателя, совмещенного с инкрементным энкодером, осуществляет циклическое чтение информации из соответствующего входного порта ввода/вывода и определяет текущее положение этого переключателя. Работа этой подпрограммы завершается при фиксации момента освобождения кнопочного переключателя. Задержка длительностью 20 мс в начале каждого цикла чтения данных из порта ввода/вывода используется для подавления дребезга контактов переключателя.

; Compute DDS control words from currently display frequency

value

compute_DDS_words: CALL BCD_to_integer ; convert BCD display

; value to 32-bit value

CALL scale_frequency 80-bit product of 32-bit

frequency x 48-bit scaling

val

FETCH sA, product9 read the upper part of the

80-bit product into

[sA,s9,s8,s7,s6,s5,s4]

FETCH s9, product8 The least significant 24-bits

of the 80-bit product will

never

FETCH s8, product7 be used for frequencies

above 1Hz.

FETCH s7, product6 The final 32-bit DDS

control word will be

formed in

FETCH s6, product5 [sA,s9,s8,s7]

FETCH s5, product4

FETCH s4, product3

CALL shift80_left multiply DDS control word

; by 4 to achieve def ault value

CALL shift80_left

LOAD sB, 00 default scaling factor is 2

(select counter bit0)

normalise_loop: TEST sA, 18 Test bits 27 and 28 of

32-bit DDS control word

JUMP NZ, store_DDS_words DDS control word is

normalised to above

50MHz output

CALL shift80_left multiply DDS control word

by 2

ADD sB, 01 Divide final value by 2

to compensate

COMPARE sB, 1F Test for maximum division

factor

JUMP NZ, normalise_loop

LOAD sA, 08 Set for minimum frequency

LOAD s9, 00 with phase accumulator set

to generate 6.25 MHz

LOAD s8, 00

LOAD s7, 00

store_DDS_words: STORE s7, DDS_control0 ; store local copy of

; control word

STORE s8, DDS_control1 store local copy of control

word

STORE s9, DDS_control2 store local copy of control

word

STORE sA, DDS_control3 store local copy of control

; word

STORE sB, DDS_scaling

CALL drive_DDS_words output control words to

; DDS circuit

RETURN

В подпрограмме расчета управляющих параметров для цифрового синтезатора частоты производится вычисление новых значений кодов управления, которые соответствуют последнему установленному номиналу

сталлического дисплея, и последующий их вывод в соответствующие выходные порты. Исходный текст этой подпрограммы выглядит следующим образом:

; Set DDS control words

drive_DDS_words: FETCH s7, DDS_control0 FETCH s8, DDS_control1 FETCH s9, DDS_control2 FETCH sA, DDS_control3 FETCH s6, DDS_scaling OUTPUT s7, DDS_control0_port OUTPUT s8, DDS_control1_port OUTPUT s9, DDS_control2_port OUTPUT sA, DDS_control3_port OUTPUT s6, DDS_scaling_port RETURN

Подпрограмма отображения данных на экране жидкокристаллического дисплея осуществляет вывод текущего значения частоты выходного сигнала, установленного пользователем, и соответствующих этому значению параметров управления для цифрового синтезатора частоты. В этой подпрограмме, текст которой приведен далее, используется ряд вспомогательных подпрограмм для вывода на дисплей каждого типа данных.

; Display frequency on top line of the LCD and DDS data on the lower line

display_freq: CALL display_DDS_data

LOAD s5, 12 CALL LCD_cursor FETCH s5, BCD_digit8 COMPARE s5, 00 JUMP Z, blank_100M_digit CALL display_digit FETCH s5, BCD_digit7

CALL display_digit JUMP disp_1M_digit

blank_100M_digit: CALL display_space FETCH s5, BCD_digit7 COMPARE s5, 00 JUMP Z, blank_10M_digit CALL display_digit JUMP disp_1M_digit

; display DDS information ; on lower line ; Line 1 position 2

; read 100 MHz digit ; test for blanking

display non zero digit read 10MHz digit and display

blank 100MHz digit read 10MHz digit test for blanking

display non zero digit

blank_10M_digit: CALL display_space ; blank 10MHz digit

disp_1M_digit: FETCH s5, BCD_digit6 ; read 1MHz digit and ; display

CALL display_digit

LOAD s5, character_stop ; display decimal point

CALL LCD_write_data

Подпрограмма установки новых значений управляющих параметров для цифрового синтезатора частоты осуществляет побайтное считывание из СОЗУ последних вычисленных кодов, которые необходимы для формирования выходного сигнала с номиналом частоты, отображаемым на экране жидкокри-

LOAD s2, BCD_digit5

CALL display_3_digits CALL display_space LOAD s2, BCD_digit2 CALL display_3_digits LOAD s5, character_M CALL LCD_write_data LOAD s5, character_H CALL LCD_write_data LOAD s5, character_z CALL LCD_write_data

FETCH s5, cursor_position

ADD s5, 10 CALL LCD_cursor RETURN

display_3_digits: LOAD s3, 03 3digit_loop: FETCH s5, (s2) CALL display_digit SUB s2, 01 SUB s3, 01

JUMP NZ, 3digit_loop RETURN

; set pointer to 100KHz ; digh

; set pointer to 100Hz digit ; display 'MHz'

reposition edit cursor on

display

on line 1

; 3 digits to display

; decrement digit pointer ; count digits displayed

with 000..

і convert BCD to ASCII і character

display_digit: ADD s5, 30

CALL LCD_write_data RETURN

display_space: LOAD s3, character_space CALL LCD_write_data RETURN

К группе вспомогательных программных модулей относятся:

• подпрограмма сдвига данных;

• подпрограмма преобразования символьного десятичного представления значения частоты в 32-разрядный код;

• подпрограмма умножения операндов, представленных в двоичной форме;

• подпрограмма вывода информации о параметрах управления работой цифрового синтезатора частоты на экран жидкокристаллического дисплея;

• подпрограммы преобразования и отображения шестнадцатиричных значений на экране жидкокристаллического дисплея;

• подпрограммы отображения статического текста на экране жидкокристаллического дисплея;

• подпрограммы формирования временных задержек;

• подпрограммы управления работой жидкокристаллического дисплея. Подпрограмма сдвига данных выполняет

побайтно циклический сдвиг 80-разрядного числа на один разряд влево. В состав данного программного модуля входит следующая последовательность инструкций:

shiftsC_left: SLC s4 і shift (most of the) sC-bit value in

SLA s5 ; [sA,s9,ss,s?,s6,s3,s4] left 1 place

SLA s6

SLA s?

SLA ss

SLA s9

SLA sA

RETURN

; Convert 9 digit BCD frequency into 32-bit binary integer

BCD_to_integer: LOAD s2, 09 ; 9 digits to convert

LOAD s0, 00 ; clear frequency value ready

; to accumulate result

STORE s0, frequency0

STORE s0, frequency1

STORE s0, frequency2

STORE s0, frequency3

LOAD sB, 00 ; initialise BCD digit

; weighting [sB,sA,s9,s8] to 1

LOAD sA, CC

LOAD s9, CC

LOAD ss, C1

LOAD s3, BCD_digit0 і locate LS-digit

next_BCD_to_int_digit: FETCH s1, (s3)

BCD_digit_convert: COMPARE s1, 00; test for zero

JUMP Z, next_digit_value

FETCH sC, frequencyC ; add 32-bit digit weighting ; to memory value

ADD sC, ss

STORE sC, frequencyC

FETCH sC, frequency1

ADDCY sC, s9

STORE sC, frequency1

FETCH sC, frequency2

ADDCY sC, sA

STORE sC, frequency2

FETCH sC, frequency3

ADDCY sC, sB

STORE sC, frequency3

SUB s1, 01 ; decrement digit value

JUMP BCD_digit_convert

;Increase weighting by 10x

next_digit_value: LOAD s?, sB ; copy existing weighting

LOAD s6, sA

LOAD s5, s9

LOAD s4, ss

SLC ss ; multiply weight by 4x (shift ; left 2 places)

SLA s9

SLA sA

SLA sB

SLC ss

SLA s9

SLA sA

SLA sB

ADD ss, s4 ; add previous weight to ; form 5x multiplication

ADDCY s9, s5

ADDCY sA, s6

ADDCY sB, s?

SLC ss ; multiply weight by 2x (shift ; left 1 places)

SLA s9

SLA sA

SLA sB ; weight value is now 10x ; previous value

ADD s3, 01 ; move to next digit for ; conversion

SUB s2, C1

JUMP NZ, next_BCD_to_int_digit

RETURN

Подпрограмма преобразования символов десятичного числа в 32-разрядный код конвертирует последовательность из девяти цифр, которая соответствует десятичному представлению значения частоты выходного сигнала, отображаемого на экране жидкокристаллического дисплея, в целое число, представленное в 32-разрядной двоичной форме. Целочисленное представление значения частоты используется, в частности, при вычислении управляющих кодов для цифрового синтезатора частоты. Исходный текст данной подпрограммы на языке ассемблера имеет следующий вид:

; 32-bit x 4s-blt multiply to scale the integer frequency

scale_frequency: LOAD s0, 00 ; clear accumulator section

; of 'product'

STORE s0, product9

STORE s0, product8

STORE s0, product7

STORE s0, product6

STORE s0, product5

STORE s0, product4

FETCH sB, frequency3 ; read frequency integer value

FETCH sA, frequency2

FETCH s9, frequency1

FETCH s8, frequency0

LOAD s1, 20 ; 32-bit multiply

scale_mult_bit: SR0 sB

; shift right frequency integer

SRA sA

SRA s9

SRA s8

JUMP NC, product_shift ; no add if bit is zero (note

; carry is zero)

FETCH s0, product4 ; addition of scaling factor

; to most significant bits of

; product

ADD s0, scale_constant0

STORE s0, product4

FETCH s0, product5

ADDCY s0, scale_constant1

STORE s0, product5

FETCH s0, product6

ADDCY s0, scale_constant2

STORE s0, product6

FETCH s0, product7 ADDCY s0, scale_constant3 STORE s0, product7 FETCH s0, product8 ADDCY s0, scale_constant4 STORE s0, product8 FETCH s0, product9 ADDCY s0, scale_constant5 STORE s0, product9

product_shift: FETCH s0, product9

SRA s0

STORE s0, product9 FETCH s0, product8 SRA s0

STORE s0, product8 FETCH s0, product7 SRA s0

STORE s0, product7 FETCH s0, product6 SRA s0

STORE s0, product6 FETCH s0, product5 SRA s0

STORE s0, product5 FETCH s0, product4 SRA s0

STORE s0, product4 FETCH s0, product3 SRA s0

STORE s0, product3 FETCH s0, product2 SRA s0

STORE s0, product2 FETCH s0, product1 SRA s0

STORE s0, product1 FETCH s0, product0 SRA s0

STORE s0, product0 SUB s1, 01

JUMP NZ, scale_mult_bit RETURN

carry holds any overflow of addition

Divide product by 2 (shift right by 1) overflow of addition included in shift

і move to next bit

В процессе вычислений новых значений параметров управления для цифрового синтезатора частоты используется подпрограмма умножения двоичных чисел, исходный текст которой выглядит следующим образом:

Подпрограмма отображения информации об исходных параметрах синтеза, соответствующих выбранному значению частоты выходного сигнала, предназначена для вывода текущих значений управляющих кодов цифрового синтезатора частоты в нижней строке жидкокристаллического дисплея.

; Display DDS control information on the lower line of the LCD

і Line 2 position C

і pointer to most significant і byte in memory

display.

display_DDS_data: LOAD s5, 20 CALL LCD_cursor LOAD s5, character_N CALL LCD_write_data LOAD s5, character_equals CALL LCD_write_data LOAD s7, DDS_control3

CALL display_hex_32_bit CALL display_space LOAD s5, character_D CALL LCD_write_data LOAD s5, character_equals CALL LCD_write_data FETCH s0, DDS_scaling CALL display_hex_byte RETURN

В представленном программном модуле используются подпрограммы преобразования и отображения шестнадцатиричных значений на экране жидкокристаллического дисплея, исходный текст которых приведен далее:

; Routines to display hexadecimal values on LCD display

hex_byte_to_ASCII: LOAD s2, sC SRC sC SRC sC SRC sC

і remember value supplied ; isolate upper nibble

SR0 s0

CALL hex_to_ASCII LOAD s3, s0 LOAD s0, s2 AND s0, 0F CALL hex_to_ASCII LOAD s2, s0 RETURN

; convert

; upper nibble value in s3 ; restore complete value ; isolate lower nibble ; convert

; lower nibble value in s2

; Convert hexadecimal value provided in register s0 into ASCII character

Register used s0

hex_to_ASCII: SUB s0, 0A JUMP C, number_char ADD s0, 07

number_char: ADD s0, 3A RETURN

; test if value is in range 0 to 9

ASCII char A to F in range 41 to 46

ASCII char 0 to 9 in range 30 to 40

; Display the two character HEX value of the register contents 's0' on the LCD

; at the current cursor position.

Registers used s0, s1, s2, s3, s4, s5

display_hex_byte: CALL hex_byte_to_ASCII LOAD s5, s3 CALL LCD_write_data LOAD s5, s2 CALL LCD_write_data RETURN

; Display the 32-bit value stored in 4 ascending memory locations as an 8 character

; HEX value at the current cursor position. Register s7 must contain the memory

; location of the most significant byte (which is also the highest address).

Registers used s0, s1, s2, s3, s4, s5, s6, s7

display_hex_32_bit: LOAD s6, 04 disp32_loop: FETCH s0, (s7) CALL display_hex_byte SUB s7, 01 SUB s6, 01 RETURN Z JUMP disp32_loop

4 bytes to display read byte display byte decrement pointer count bytes displayed

Подпрограммы отображения статического текста на экране жидкокристаллического дисплея используются для вывода текстовой информации, содержание которой не изменяется в процессе функционирования генератора. Данные программные модули содержат последовательности инструкций вывода соответствующих символов, которые выглядят следующим образом:

;LCD text messages

disp_Frequency: LOAD s5, character_F CALL LCD_write_data LOAD s5, character_r CALL LCD_write_data LOAD s5, character_e CALL LCD_write_data LOAD s5, character_q CALL LCD_write_data LOAD s5, character_u CALL LCD_write_data LOAD s5, character_e CALL LCD_write_data LOAD s5, character_n CALL LCD_write_data LOAD s5, character_c CALL LCD_write_data LOAD s5, character_y CALL LCD_write_data RETURN

Display 'Generator' on LCD at current cursor position

CALL LCD_write_data LOAD s5, character_n CALL LCD_write_data LOAD s5, character_e CALL LCD_write_data LOAD s5, character_r CALL LCD_write_data LOAD s5, character_a CALL LCD_write_data LOAD s5, character_t CALL LCD_write_data LOAD s5, character_o CALL LCD_write_data LOAD s5, character_r CALL LCD_write_data CALL display_space LOAD s5, character_v CALL LCD_write_data LOAD s5, character_1 CALL LCD_write_data LOAD s5, character_stop CALL LCD_write_data LOAD s5, character_2 CALL LCD_write_data RETURN

Подпрограммы формирования задержек предназначены для реализации необходимых временных задержек различной длительности в процессе выполнения микропрограммы. Далее поочередно представлен исходный текст подпрограмм формирования задержек длительностью 1 мкс, 40 мкс, 1 мс, 20 мс и 1 с.

; Software delay routines

delay_1us: LOAD s0, delay_1us_constant wait_1us: SUB s0, 01 JUMP NZ, wait_1us RETURN

Delay of 40us.

Registers used s0, s1

delay_40us: LOAD s1, 28 ; 40 x 1us = 40us

wait_40us: CALL delay_1us SUB s1, 01

JUMP NZ, wait_40us RETURN

Delay of 1ms.

Registers used s0, s1, s2

delay_1ms: LOAD s2, 19 ; 25 x 40us = 1ms

wait_1ms: CALL delay_40us SUB s2, 01 JUMP NZ, wait_1ms RETURN

Delay of 20ms.

Delay of 20ms used during initialisation.

Registers used s0, s1, s2, s3

delay_20ms: LOAD s3, 14 wait_20ms: CALL delay_1ms SUB s3, 01

JUMP NZ, wait_20ms RETURN

Delay of approximately 1 second. Registers used s0, s1, s2, s3, s4

delay_1s: LOAD s4, 32 wait_1s: CALL delay_20ms SUB s4, 01 JUMP NZ, wait_1s RETURN

; 20 x 1ms = 20ms

; 50 x 20ms = 1000ms

ции, которые необходимы для реализации используемого протокола взаимодействия микропроцессорного блока с интерфейсом этого дисплея. К этой группе, в частности, относятся подпрограммы инициализации дисплея, очистки экрана, управления курсором, записи и чтения данных.

;LCD Character Module Routines

LCD_pulse_E: XOR s4, LCD_E

OUTPUT s4, LCD_output_port CALL delay_1us XOR s4, LCD_E OUTPUT s4, LCD_output_port RETURN LCD_write_inst4: AND s4, F8

disp_Generator: LOAD s5, character_G CALL LCD_write_data LOAD s5, character_e

В группу подпрограмм управления работой жидкокристаллического дисплея входят программные модули, выполняющие функ-

OUTPUT s4, LCD_output_port

CALL LCD_pulse_E RETURN LCD_write_inst8: LOAD s4, s5 AND s4, F0

OR s4, LCD_drive

CALL LCD_write_inst4

CALL delay_1us

LOAD s4, s5

SL1 s4

SL0 s4

SL0 s4

SL0 s4

CALL LCD_write_inst4 CALL delay_40us LOAD s4, F0 RW=0 Write, E=0

OUTPUT s4, LCD_output_port RETURN LCD_write_data: LOAD s4, s5 AND s4, F0 RW=0 Write, E=0 OR s4, 0C

OUTPUT s4, LCD_output_port

CALL LCD_pulse_E

CALL delay_1us

LOAD s4, s5

SL1 s4

SL1 s4

SL0 s4

SL0 s4

OUTPUT s4, LCD_output_port

CALL LCD_pulse_E CALL delay_40us LOAD s4, F0 RW=0 Write, E=0

OUTPUT s4, LCD_output_port RETURN LCD_read_data8: LOAD s4, 0E

OUTPUT s4, LCD_output_port

XOR s4, LCD_E

OUTPUT s4, LCD_output_port

CALL delay_1us

INPUT s5, LCD_input_port

XOR s4, LCD_E

OUTPUT s4, LCD_output_port

CALL delay_1us

XOR s4, LCD_E

OUTPUT s4, LCD_output_port

CALL delay_1us

INPUT s0, LCD_input_port

XOR s4, LCD_E

OUTPUT s4, LCD_output_port

AND s5, F0

SR0 s0 SR0 s0 SR0 s0 SR0 s0 OR s5, s0 LOAD s4, 04

OUTPUT s4, LCD_output_port

CALL delay_40us RETURN

Enable=1 RS=0 Instruction, RW=0 Write, E=0 . set up RS and RW >40ns before enable pulse

Enable=0 RS=0 Instruction, RW=0 Write, E=0 Enable=1

write upper nibble wait >1us

select lower nibble with

Enable=1

RS=0 Instruction

RW=0 Write

E=0

write lower nibble wait >40us

Enable=0 RS=0 Instruction, Release master enable

Enable=0 RS=0 Instruction,

Enable=1 RS=1 Data, RW=0 Write, E=0 set up RS and RW >40ns before enable pulse write upper nibble wait >1us

select lower nibble with

Enable=1

RS=1 Data

RW=0 Write

E=0

set up RS and RW >40ns before enable pulse write lower nibble wait >40us

Enable=0 RS=0 Instruction,

Release master enable

Enable=1 RS=1 Data,

RW=1 Read, E=0 set up RS and RW >40ns before enable pulse E=1

wait >260ns to access data read upper nibble E=0

; wait >1us ; E=1

wait >260ns to access data read lower nibble E=0

; merge upper and lower ; nibbles

; Enable=0 RS=1 Data,

; RW=0 Write, E=0 ; Stop reading 5V device and ; release master enable ; wait >40us

LCD_reset: CALL delay_20ms ; wait more that 15ms for

; display to be ready

LOAD s4, 30

CALL LCD_write_inst4 ; send '3'

CALL delay_20ms ; wait >4.1ms

CALL LCD_write_inst4 ; send '3'

CALL delay_1ms ; wait >100us

CALL LCD_write_inst4 ; send '3'

CALL delay_40us ; wait >40us

LOAD s4, 20

CALL LCD_write_inst4 ; send '2'

CALL delay_40us ; wait >40us

LOAD s5, 28 ; Function set

CALL LCD_write_inst8

LOAD s5, 06 ; Entry mode

CALL LCD_write_inst8

LOAD s5, 0E ; Display control

CALL LCD_write_inst8

LCD_clear: LOAD s5, 01 ; Display clear

CALL LCD_write_inst8

CALL delay_1ms ; wait >1.64ms for display to

; clear

CALL delay_1ms

RETURN

LCD_cursor: TEST s5, 10 ; test for line 1

JUMP Z, set_line2

AND s5, 0F ; make address in range 80 to

; 8F for line 1

OR s5, 80

CALL LCD_write_inst8 ; instruction write to set cursor

RETURN

set_line2: AND s5, 0F ; make address in range C0 to

CF for line 2

OR s5, C0

CALL LCD_write_inst8 ; instruction write to set cursor

RETURN

LCD_shift_left: LOAD s5, 18 ; shift display left

CALL LCD_write_inst8

RETURN

Подпрограмма обработки прерывания осуществляет чтение данных из порта, используемого для сопряжения с устройством управления рассматриваемого генератора, и запись текущего состояния инкрементного энкодера в выделенную для этого ячейку СОЗУ.

;Interrupt Service Routine (ISR)

ISR: STORE s0, ISR_preserve_s0 ; preserve s0

INPUT s0, rotary_port ; read rotary encoder

OR s0, rotary_event ; set flag

STORE s0, rotary_status ; put result in SCM

FETCH s0, ISR_preserve_s0 ; restore s0

RETURNI ENABLE

Завершает микропроцессорную программу код определения вектора обработки прерывания, который записывается по адресу ЭРР в соответствии с правилами, принятыми

для используемой версии микропроцессорного ядра семейства РкоВ1аге [2, 7].

Для реализации рассмотренного генератора в оригинальном виде следует воспользоваться командным файлом install_frequency_ generator.bat, который позволяет автоматически в пакетном режиме выполнить загрузку конфигурационной последовательности, содержащейся в файле frequency_generator.bit, в ПЛИС инструментального модуля Xilinx Spartan-3E Starter Board. Процесс загрузки указанной последовательности в кристалл осуществляется с помощью USB-кабеля, входящего в состав инструментального комплекта Spartan-3E Starter Kit [1], и встроенной схемы загрузочного кабеля фирмы Xilinx, предназначенного для конфигурирования ПЛИС и программирования ППЗУ. Наличие исходного текста микропрограммы предоставляет пользователю возможность внесения необходимых изменений в алгоритм функционирования рассмотренного генератора, а также модификации значений параметров в соответствии с условиями решаемой задачи. После коррекции ассемблерного текста микропроцессорной программы необходимо повторить процесс его трансляции. Чтобы воспользоваться загрузчиком JTAG Program Loader, необходимо при трансляции исходного текста использовать модифицированные варианты шаблонов описания содержимого ППЗУ JTAG_Loader_ROM_form.vhd и JTAG_Loader_ROM_form.v [2, 7]. Полученный в результате трансляции код микропрограммы может быть записан непосредственно в программную память ядра PicoBlaze через порт JTAG-интерфейса ПЛИС инструментального модуля с помощью загрузчика JTAG Program Loader и того же кабеля, который использовался для загрузки конфигурационной последовательности, содержащейся в файле frequency_generator.bit.

Литература

1. Новый инструментальный комплект Spartan-3E Starter Kit для практического освоения методов проектирования встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС семейства FPGA фирмы Xilinx // Компоненты и технологии. 2003. № 10.

2. Зотов В. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС фирмы Xilinx. М.: Горячая линия — Телеком, 2006.

3. Зотов В. PicoBlaze — семейство восьмиразрядных микропроцессорных ядер, реализуемых на основе ПЛИС фирмы Xilinx // Компоненты и технологии. 2003. № 4.

4. Зотов В. Система команд микропроцессорного ядра PicoBlaze, реализуемого на основе ПЛИС семейств Spartan-II, Spartan-IIE, Virtex, Virtex-E // Компоненты и технологии. 2003. № 5.

5. Зотов В. Особенности микропроцессорного ядра PicoBlaze, предназначенного для применения в проектах, реализуемых на основе ПЛИС семейства Virtex-II // Компоненты и технологии. 2003. № 6.

6. Зотов В. Особенности микропроцессорного ядра PicoBlaze, предназначенного для применения в проектах, реализуемых на основе ПЛИС семейства CoolRunner-II // Компоненты и технологии. 2003. № 7.

7. Зотов В. Особенности микропроцессорного ядра PicoBlaze, предназначенного для применения в проектах, реализуемых на основе ПЛИС семейств Spartan-3, Virtex-II и Virtex-IIPRO // Компоненты и технологии. 2005. № 5-6.

8. Зотов В. MicroBlaze — семейство 32-разрядных микропроцессорных ядер, реализуемых на основе ПЛИС фирмы Xilinx // Компоненты и технологии. 2003. № 9.

9. Зотов В. Система команд микропроцессорного ядра MicroBlaze // Компоненты и технологии. 2004. № 1-3.

10. Зотов В. Организация памяти микропроцессорного ядра MicroBlaze // Компоненты и технологии. 2004. № 5.

11. Бибило П. Н. Основы языка VHDL. М.: Солон-Р, 2000.

12. Бибило П. Н. Синтез логических схем с использованием языка VHDL. М.: Солон-Р, 2002.

13. Уэйкерли Дж. Ф. Проектирование цифровых устройств. Том 1. М.: Постмаркет, 2002.

;Interrupt Vector

ADDRESS 3FF JUMP ISR