ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ОДНОКРИСТАЛЬНЫХ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению курсового проекта
по дисциплине «Микропроцессорные системы»
для студентов направления 09.03.01
«Информатика и вычислительная техника»
(профиль “Вычислительные машины, комплексы, системы
и сети”) заочной сокращенной формы обучения
Воронеж 2015
Составитель канд. техн. наук Г.В. Петрухнова
УДК 681.32
Проектирование микропроцессорных систем на основе однокристальных микроконтроллеров: методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Микропроцессорные системы» для студентов специальности 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника» (профиль “Вычислительные машины, комплексы, системы и сети”) заочной сокращенной формы обучения / ФГБОУ ВО сост. Г.В. Петрухнова. Воронеж, 2015. 29 с.
Методические указания содержат теоретические и практические сведения о проектировании микропроцессорных систем на основе однокристальных микроконтроллеров семейства и предназначены для студентов третьего курса.
Ил. 12. Библиогр.: 13 назв.
Рецензент д-р техн. наук, проф. А.М. Литвиненко
Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. С.Л. Подвальный
Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
© ФГБОУ ВПО « Воронежский государственный
технический университет», 2015
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫНА ОСНОВЕ ОДНОКРИСТАЛЬНОГО МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
Микропроцессорные системы на основе МК обычно используются для решения задач управления различным оборудованием как встроенные. Важной особенностью данного применения является то, что информация поступает с разных источников, которые необходимо периодически обслуживать в режиме реального времени. Такие устройства чаще всего являются контроллерами.
Технология проектирования МПС на базе МК соответствует принципам неразрывного проектирования и отладки аппаратных и программных средств, принятым в микропроцессорной технике. Независимо от «масштабов» таких систем обобщенный алгоритм их проектирования может быть представлен в соответствии с рис. 1.
На разных этапах проектирования микропроцессорную систему рассматривают на соответствующем уровне абстрагирования (т.е. с соответствующей степенью детализации). Возможны такие уровни абстрактного представления как «черный ящик»; структурный (функциональный), программный, логический, схемный.
На уровне «черный ящик» МПС описывается в терминах входных и выходных сигналов управления, информационных потоков.
На структурном (функциональном) уровне МПС представляют взаимосвязанными между собой микропроцессором, запоминающими устройствами, устройствами ввода/вывода, линиями связи и т.п. МПС на этом уровне описывается функциями отдельных устройств и их взаимосвязью.
Рис. 1. Обобщенный алгоритм проектирования МПС
На программном уровне различают два подуровня: команд процессора и языкового. МПС в этом случае рассматривается как абстрактный автомат и описывается при помощи машинных кодов или последовательностью операторов языка программирования высокого уровня, вызывающих определенное преобразование некоторой структуры данных.
Логический уровень применяется для фрагментов МПС, реализованных на интегральных схемах малой и средней степени интеграции. Для их описания широко используются таблицы истинности, булева алгебра, временные диаграммы.
Схемный уровень характерен для элементов и узлов МПС и позволяет формально описывать их работу на уровне электрических напряжений и токов. Для этой цели используются идеализированные и реальные временные диаграммы, эпюры напряжений, токов и т.п.
В зависимости от сложности проектируемой МПС используют различные уровни ее детализации, а также может меняться объем и содержание блоков обобщенного алгоритма проектирования.
На основе проведенного системного анализа составляется техническое задание, в котором отражается, какие подзадачи необходимо решить, чтобы достичь поставленной цели. В техническом задании также формулируются требования к разрабатываемому контроллеру с точки зрения реализации определенной функции управления, пожеланий пользователя и возможностей разрабатываемой системы. Техническое задание может иметь вид текстового описания.
На основании требований пользователя составляется функциональная спецификация, которая определяет функции, выполняемые системой после завершения проектирования, и тем самым уточняется, насколько система должно соответствовать предъявляемым требованиям. Функциональная спецификация включает в себя описания форматов данных, как на входе, так и на выходе МПС, а также внешние условия, управляющие действиями системы.
Функциональная спецификация и требования пользователя используются для оценки функционирования микропроцессорной системы после завершения проектирования. Требования к типу используемого МК в явном виде формулируются на данном этапе редко.
Разработка алгоритма управления обычно сводится к выбору одного из нескольких возможных вариантов алгоритмов, которые отличаются соотношением объема программного обеспечения и аппаратных средств. Ошибки, допущенные на этом этапе, обнаруживаются чаще всего только при испытаниях законченного изделия и приводят к необходимости дорогостоящей переработки всего устройства.
Аппаратная часть должна выбираться так, чтобы обеспечить реализацию требуемых алгоритмов управления. При этом необходимо учитывать, что максимальное применение стандартных аппаратных средств упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие разрабатываемой МПС в целом, но, как правило, приводит к увеличению стоимости и росту энергопотребления, поскольку такой подход предполагает использование сложных МК, специализированных интерфейсных схем.
Увеличение доли программного обеспечения, с одной стороны, позволяет сократить число элементов разрабатываемой микропроцессорной системы и снизить стоимость аппаратных средств, с другой стороны, приводит к снижению быстродействия, увеличению необходимого объема внутренней памяти МК, увеличению сроков разработки и отладки программного обеспечения. Критерием выбора здесь и далее является возможность максимальной реализации заданных функций программными средствами при минимальных аппаратных затратах и при условии обеспечения заданных показателей быстродействия и надежности в полном диапазоне условий эксплуатации. Это основной критерий, на основе которого осуществляется распределение функций между аппаратными и программными средствами, а также оптимизация состава и структуры аппаратных и программных средств. Часто определяющими требованиями являются возможность защиты информации (программного кода) разрабатываемой МПС, необходимость обеспечения максимальной продолжительности работы в автономном режиме и другие
При выборе типа МК учитываются следующие основные характеристики:
- разрядность;
- быстродействие;
- набор команд и способов адресации;
- требования к источнику питания и потреблению мощности в различных режимах;
- объем ПЗУ программ и ОЗУ данных;
- возможности подключения внешней памяти программ и данных;
- наличие и возможности встроенных периферийных устройств МК, включая средства поддержки работы в реальном времени (система прерываний, таймеры, процессоры событий и т.п.);
- возможность перепрограммирования в составе устройства;
- наличие и надежность средств защиты внутренней информации;
- возможность поставки в различных вариантах конструктивного исполнения;
- стоимость в различных вариантах исполнения;
- наличие полной документации;
- наличие и доступность эффективных средств программирования и отладки МК;
- количество и доступность каналов поставки, возможность замены изделиями других фирм.
Перечислить все требования к МК невозможно, поскольку они формируются исходя из специфики проектируемой микропроцессорной системы. Определяющими могут оказаться, например, требования к точности внутреннего компаратора напряжений или наличию определенного интерфейса последовательного ввода/вывода.
Номенклатура выпускаемых в настоящее время МК богата и разнообразна. Современные МК выпускаются, как правило, сериями (семействами). В рамках семейства МК совместимы программно и конструктивно, но различаются по своим возможностям (объем памяти, набор периферийных устройств и т.д.). В основе каждого семейства микроконтроллеров лежит определенное процессорное ядро. Число моделей МК в рамках семейства обычно велико и достигается за счет разнообразия периферии. Все это открывает широкие возможности выбора оптимального МК, не имеющего функциональной избыточности.
Однако, для реализации на практике оптимального варианта необходимы глубокая проработка алгоритма управления, оценка объема исполняемой программы и числа линий сопряжения с объектом и т.д. Допущенные на данном этапе ошибки могут впоследствии привести к необходимости смены модели МК и разработке новой печатной платы. В таких условиях целесообразно выполнять предварительное моделирование основных элементов прикладной программы с использованием симулятора выбранного МК.
При отсутствии МК, обеспечивающего требуемые характеристики проектируемой МПС, необходимо вернуться к этапу разработки алгоритма управления, пересмотреть соотношение между объемом программного обеспечения и аппаратных средств, рассмотреть возможности использования внешних схем обрамления МК.
Разработка аппаратных средств состоит из разработки схемы электрической принципиальной, разводки топологии плат, монтажа макета и его автономной отладки.
При автономной отладке аппаратуры на основе МК с открытой архитектурой проводится контроль состояния многоразрядных шин адреса и данных с целью проверки правильности обращения к внешним ресурсам памяти и периферийным устройствам. При закрытой архитектуре МК реализация большинства функций разрабатываемого устройства осуществляется его внутренними средствами. Поэтому разрабатываемая микропроцессорная система будет включать малое число периферийных ИС, а обмен данными с ними будет идти преимущественно по последовательным интерфейсам. В этом случае первоочередными окажутся задачи согласования по нагрузочной способности параллельных портов МК и отладка алгоритмов обмена по последовательным каналам.
Содержание этапов разработки программного обеспечения, его трансляции и отладки на моделях существенно зависит от используемых системных средств. Задачи предварительной обработки данных часто требуют использования вычислений с плавающей точкой, трансцендентных функций. В настоящее время ресурсы 8-разрядных МК достаточны для поддержки программирования на языках высокого уровня. Это позволяет использовать все преимущества структурного программирования, разрабатывать программное обеспечение с использованием раздельно транслируемых модулей. Одновременно продолжают широко использоваться языки низкого уровня типа ассемблера, особенно при необходимости обеспечения контролируемых интервалов времени.
ЦЕЛИ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Целью курсового проектирования является освоение технологии проектных работ, выбор и обоснование технических решений, развитие навыков самостоятельной работы. Целью данного курсового проектирования является закрепление и расширение знаний, полученных на лекциях, лабораторных и в ходе самостоятельной работы по принципам построения микропроцессорных систем на конкретном примере проектирования микроконтроллерной системы, выполняющей заданные функции. При этом в качестве аппаратных средств рекомендуется использование однокристальных микроконтроллеров.
Курсовой проект должен состоять из описательно-расчетной (а при наличии – и экспериментальной) части, оформленной в виде пояснительной записки. Проект должен содержать и графическую часть в виде обязательного чертежа принципиальной электрической схемы. Пояснительная записка должна состоять из следующих элементов, расположенных в указанной ниже последовательности:
- титульный лист,
- задание на проектирование,
- замечания руководителя,
- содержание,
- введение,
- основная часть,
- заключение,
- библиографический список,
- приложение.
Тема курсового проекта – «Разработка схем и программных модулей на базе однокристальных микроконтроллеров». Варианты заданий выдаются преподавателем индивидуально.