микропроцессорные системы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
РЫБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АВИАЦИОННАЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ П. А. СОЛОВЬЕВА
ЗАОЧНАЯ ФОРМА ОБУЧЕНИЯ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ
СИСТЕМЫ
Программа учебной дисциплины
и методические указания
к выполнению курсового проекта
РЫБИНСК
2010
2
УДК 681.322 (07)
Микропроцессорные системы: Программа учебной дисциплины и
методические указания к выполнению курсового проекта /Сост. В. М.
Комаров; РГАТА. – Рыбинск, 2010. – 28 с. – (Заочная форма
обучения/РГАТА им. П. А. Соловьева)
Данные методические указания предназначены для выполнения
курсового проекта студентами специальности 230101 «Вычислительные
машины, комплексы, системы и сети».
СОСТАВИТЕЛЬ:
кандидат технических наук профессор В. М. Комаров
ОБСУЖДЕНО:
на заседании кафедры ВС
РЕКОМЕНДОВАНО:
Методическим Советом РГАТА
3
ВВЕДЕНИЕ
Целью преподавания дисциплины является овладение студентами
знаниями и умениями в области проектирования аппаратного и
программного
обеспечения микропроцессорных
систем
(МПС)
различного назначения.
Задачи изучения дисциплины.
В результате изучения дисциплины студенты должны:
– знать и уметь использовать основные типы микропроцессорных
средств, подходы, основные этапы и особенности проектирования, как
отдельных подсистем, так и МПС различного назначения в целом;
– владеть методикой проектирования и отладки аппаратного и
программного обеспечения МПС;
– иметь представление о состоянии и тенденциях развития
микропроцессорных средств.
Изучение дисциплины основывается на знаниях и практических
навыках,
полученных
студентами
при
изучении
дисциплин
«Информатика», «Дискретная математика», «Электротехника и
электроника», «Программирование на ассемблере», «Организация ЭВМ,
комплексов и систем», «Схемотехника ЭВМ», «Периферийные
устройства».
1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
ВВЕДЕНИЕ
Микропроцессор (МП) и микропроцессорные комплекты (МПК)
БИС как результат развития элементной базы вычислительной техники.
Влияние МП и МПК на методологию проектирования цифровых систем.
Задачи проектирования МПС.
1.1. ОРГАНИЗАЦИЯ БАЗОВОЙ МПС
Структура и состав базовой МПС. МикроЭВМ как основное
устройство МПС. Структура и состав микроЭВМ: процессор как
подсистема обработки и управления, память, интерфейс как подсистема
ввода – вывода. Системная шина. Принцип действия микроЭВМ и МПС.
Архитектура микропроцессорной системы.
4
1.2. ОРГАНИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВ МИКРОЭВМ
Организация подсистем обработки, управления, памяти и вводавывода.
Организация процессора. Операционный и управляющий блоки.
Организация памяти. Типы памяти.
Организация
интерфейса.
Методы
обмена
данными
с
периферийными устройствами: синхронный обмен, асинхронный обмен,
обмен по прерыванию, обмен в режиме прямого доступа в память.
Адресация портов и формирование управляющих сигналов.
1.3. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА МПС
Состав элементов для построения МПС.
1.3.1. Элементы для построения процессора
МП как основной элемент процессора. Однокристальные МП
К1810ВМ86 и К1810ВМ88. Аппаратный интерфейс и функциональный
смысл внешних сигналов. Структура и принцип действия.
Генератор тактовых импульсов К1810ГФ84. Аппаратный интерфейс,
структура и принцип действия.
Шинные буферы К1810ВА86.
1.3.2. Элементы для построения подсистемы памяти
Элементы постоянной памяти. Элементы оперативной памяти.
Элементы энергонезависимой памяти с электрической перезаписью
данных.
1.3.3. Элементы для построения интерфейса
Порт ввода-вывода К1810ИР82, универсальный порт ввода-вывода
К589ИР12.
1.4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МПС
Представление МПС как объекта проектирования. Основные задачи
проектирования МПС. Основные этапы проектирования. Разработка
архитектуры системы. Компромисс между аппаратной и программной
реализацией функций в МПС.
5
1.4.1. Проектирование аппаратных средств
Схемотехническое проектирование процессора. Буферизация и
демультиплексирование шин адреса и данных. Варианты формирования
сигнала готовности для асинхронного обмена с внешними устройствами.
Схемотехническое
проектирование
подсистемы
памяти.
Особенности организации памяти в МПС на базе различных МП.
Банкирование
памяти.
Распределение
адресного
пространства.
Дешифрация адреса.
Схемотехническое проектирование интерфейса. Проектирование
интерфейса для реализации различных методов обмена данными.
Тестирование и настройка аппаратных средств. Тестирование
статическими сигналами. Свободный прогон МП.
1.4.2. Проектирование программных средств
Этапы жизненного цикла программы и их трудоемкость.
Реализация этапа точной постановки задачи и формулировки
требований к программе.
Реализация этапа проектирования программы. Декомпозиция общей
задачи, статическая модель программы. Разработка структуры данных.
Алгоритмизация программы. Подходы к алгоритмизации. Подпрограммы
как средство модульного программирования. Иерархическая организация
алгоритма.
Реализация этапа кодирования программы. Выбор языка
программирования. Реализация логических конструкций структурного
программирования.
Тестирование и отладка программы. Занесение программы на
рабочий носитель. Оформление документации на программу.
1.5. КОМПЛЕКСНАЯ ОТЛАДКА МПС
Задачи комплексной отладки. Средства для комплексной отладки:
логические и сигнатурные анализаторы, внутрисхемные эмуляторы,
диагностические комплексы, интегрированные среды проектирования
МПС.
1.6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ современного состояния и перспектив развития
микропроцессорных средств по основным фирмам производителям.
6
2. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ И ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
Лабораторные и практические занятия выполняются на базе
интегрированной программной среды Demis, предназначенной для
проектирования МПС на архитектурном уровне и отладки их
программного обеспечения. Целью занятий является овладение
студентами основными практическими навыками работы в среде Demis.
Занятия включают в себя следующие темы.
2.1. Изучение интегрированной программной среды DEMIS для
проектирования МПС на базе МП К1810ВМ86/ВМ88.
2.2. Создание архитектуры заданной учебной МПС в среде DEMIS.
2.3. Разработка и подготовка ассемблерной программы работы
учебной МПС в среде DEMIS.
2.4. Отладка программы работы учебной МПС в среде DEMIS.
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ СТУДЕНТАМ
ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
Успешное освоение дисциплины проявляется в умении
проектировать аппаратное и программное обеспечение МПС. Для
достижения этой цели необходимо сначала изучить теоретические
вопросы проектирования аппаратных и программных средств МПС. При
самостоятельной подготовке целесообразно руководствоваться учебными
пособиями [11.1, 11.2], в которых подробно рассмотрены все
необходимые вопросы.
Освоение дисциплины на уровне, необходимом для практического
применения, невозможно без выполнения практических заданий. Для
практического освоения вопросов проектирования МПС служит курсовой
проект. В процессе его выполнения студент должен самостоятельно
разработать аппаратное и программное обеспечение заданного
микропроцессорного устройства, отладить разработанную программу и
довести ее до состояния полной работоспособности в соответствии с
требованиями технического задания.
Если ему это удалось, то это свидетельствует о хорошей степени
освоения вопросов проектирования МПС.
Для дополнительного контроля за уровнем освоения программы
дисциплины необходимо ответить на контрольные вопросы, приведенные
в разделе 4.
7
4. СПИСОК ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ ВОПРОСОВ
Экзамен проводится устно в форме беседы по заданным основным и
дополнительным вопросам из нижеприведенного списка.
4.1. Типовая структура микропроцессорных систем.
4.2. Структура и принцип действия микроЭВМ.
4.3. Организация процессора микроЭВМ. Операционный блок.
4.4. Организация процессора микроЭВМ. Управляющий блок.
4.5. Организация памяти микроЭВМ.
4.6. Организация интерфейса микроЭВМ. Типовая структура
стандартного интерфейса.
4.7. Методы обмена данными. Синхронный обмен.
4.8. Методы обмена данными. Программный асинхронный обмен.
4.9. Методы обмена данными. Аппаратная реализация асинхронного
обмена.
4.10. Методы обмена данными. Обмен по прерыванию.
4.11. Методы обмена данными. Обмен в режиме прямого доступа в
память.
4.12. Представление микропроцессорной системы как объекта
проектирования.
4.13. Основные этапы проектирования микропроцессорной системы.
4.14. Разработка архитектуры микропроцессорной системы.
4.15. Представление программы в виде «черной сферы». Этапы
жизненного цикла программы.
4.16. Точная постановка задачи и формулировка требований к
программе.
4.17. Декомпозиция задачи. Общий подход.
4.18. Обобщенная схема решения задачи в микропроцессорной
системе. Рабочий и контрольный процессы.
4.19. Структура данных в микропроцессорных системах.
4.20. Алгоритм. Необходимые свойства алгоритмов. Подходы к
алгоритмизации.
4.21. Базовые
логические
конструкции
структурного
программирования и их реализация
4.22. Расширенные
логические
конструкции
структурного
программирования и их реализация.
4.23. Алгоритмизация программы микропроцессорной системы.
4.24. Иерархическая организация алгоритма.
4.25. Тестирование и отладка программы.
8
4.26. Занесение программы на рабочий носитель.
4.27. Техническая документация на программу.
4.28. Однокристальные
микропроцессоры
К1810ВМ86/ВМ88.
Аппаратный интерфейс.
4.29. Генератор тактовых импульсов К1810ГФ84.
4.30. Шинный буфер К1810ВА86.
4.31. Схемотехническое проектирование процессора на базе МП
К1810ВМ86/ВМ88.
4.32. Микросхемы энергонезависимой памяти фирмы ATMEL. Общие
сведения.
4.33. Микросхемы энергонезависимой памяти группы EPROM
(отечественные и фирмы ATMEL).
4.34. Микросхемы энергонезависимой памяти группы Parallel
EEPROM (фирмы ATMEL).
4.35. Микросхемы энергонезависимой памяти группы Flash Memory
(фирмы ATMEL).
4.36. Микросхемы оперативной памяти.
4.37. Банкирование памяти в МПС на базе МП К1810ВМ86/ВМ88.
Обращение к банкам.
4.38. Организация банков памяти в МПС на базе МП
К1810ВМ86/ВМ88.
4.39. Распределение адресного пространства в банке памяти.
Построение селектирующего дешифратора.
4.40. Схемотехническое проектирование запоминающих устройств.
4.41. Порт ввода/вывода К1810ИР82.
4.42. Порт ввода/вывода К589ИР12.
4.43. Банкирование
интерфейса
в
МПС
на
базе
МП
К1810ВМ86/ВМ88. Обращение к банкам.
4.44. Организация банков интерфейса на базе портов К1810ИР82.
4.45. Организация банков интерфейса на базе портов К589ИР12.
4.46. Организация ввода/вывода данных. Линейные схемы
подключения.
4.47. Матричная схема ввода данных. Расчет ее элементов.
4.48. Матричная схема вывода данных. Расчет ее элементов.
4.49. Тестирование и настройка аппаратных средств.
9
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ (ЗАДАЧИ ИЛИ
ТЕСТЫ САМОПРОВЕРКИ)
5.1. Какие элементы используются для построения МПС?
5.2. Чем отличаются минимальный и максимальный режимы работы
микропроцессоров К1810ВМ86/ВМ88?
5.3. Для каких целей служат сигналы аппаратного интерфейса
микропроцессоров К1810ВМ86/ВМ88?
5.4. Какие элементы необходимы для построения процессора и
почему?
5.5. Основные типы и характеристики элементов постоянной памяти
5.6. Основные типы и характеристики элементов оперативной
памяти
5.7. Чем отличаются порты ввода/вывода К1810ИР82 и К589ИР12?
5.8. Организация и использование программируемого параллельного
интерфейса КР580ВВ55А
5.9. Схемотехническое проектирование процессора. Чем отличается
организация МПС по принципу “постоянно готовая система” от
организации по принципу “постоянно неготовая система”
5.10. Чем отличается организация памяти в МПС на базе
микропроцессоров К1810ВМ86 и К1810ВМ88
5.11. С какой целью буферируются входные и выходные линии
банков памяти и когда это необходимо
5.12. Как осуществляется доступ к интерфейсу в МПС на базе
микропроцессоров К1810ВМ86 и К1810ВМ88
5.13. Каким образом обеспечивается минимизация аппаратных затрат
для обращения к интерфейсу?
5.14. Чем отличаются принципы линейной и матричной организации
доступа к портам ввода/вывода
5.15. Как выполняется расчет дискретных элементов в типовых
схемах МПС?
5.16. В чем суть метода статических испытаний при настройке
аппаратных средств МПС?
5.17. Для
каких
целей
используется
свободный
прогон
микропроцессора при настройке аппаратных средств МПС?
5.18. Какие задачи решаются на этапе комплексной отладки
аппаратных и программных средств МПС?
6. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Все необходимые теоретические сведения рассмотрены в учебных
пособиях [11.1], [11.2], которые имеются в библиотеке РГАТА в
достаточном количестве экземпляров и выдаются каждому студенту.
10
7. УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Целью курсового проекта является разработка несложного
микропроцессорного устройства, выполняющего заданные функции.
7.1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
При проектировании любой МПС необходимо разработать ее
аппаратное и программное обеспечение. В соответствии с этим, в
процессе работы над курсовым проектом студент должен выполнить
проектирование аппаратного и программного обеспечения заданного
устройства.
В
результате
проектирования
аппаратного
обеспечения,
разрабатываются электрические схемы и выполняется расчет
используемых в них дискретных электрорадиоэлементов.
В
результате
проектирования
программного
обеспечения
разрабатывается программа работы устройства. Разработанная программа
должна быть отлажена и доведена до состояния полной
работоспособности. Отладка и проверка работоспособности программы
выполняется в интегрированной программной среде Demis.
Для обеспечения возможности самостоятельной работы каждый
студент должен взять на кафедре дистрибутив программы Demis (файл
Demis34.rar);
7.2. СОСТАВ ДОКУМЕНТАЦИИ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
Законченный курсовой проект должен включать в свой состав:
- пояснительную записку;
- схемы электрические;
- файлы проекта разработанной программы.
Пояснительная записка и схемы электрические представляются на
бумаге, а файлы проекта – на дискете.
7.3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Рекомендуется следующий порядок выполнения работы:
1) изучение требований технического задания; выявление входных и
выходных данных, обрабатываемых устройством; представление
устройства в виде «черного ящика»;
2) разработка архитектуры устройства;
3) разработка аппаратного обеспечения устройства:
- выбор основной элементной базы;
11
- разработка структурной электрической схемы:
- разработка функциональной электрической схемы;
- разработка принципиальных электрических схем;
- расчет дискретных электрорадиоэлементов;
- составление перечня элементов к принципиальным схемам.
4) разработка программного обеспечения устройства:
- представление программы в виде «черной сферы»;
- декомпозиция программы;
- разработка структуры данных;
- алгоритмизация программы;
- кодирование программы на ассемблере;
- отладка программы в среде Demis;
5) разработка руководства пользователя;
6) оформление электрических схем и перечней элементов к ним;
7) оформление программной документации;
8) оформление пояснительной записки.
7.4. СОДЕРЖАНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ
Пояснительная записка к курсовому проекту должна содержать
следующие разделы:
1) титульный лист, подписанный студентом;
2) введение;
3) техническое задание;
4) содержание;
5) анализ технического задания;
6) разработка архитектуры устройства;
7) разработка аппаратного обеспечения устройства
- выбор основной элементной базы;
- разработка структурной схемы;
- разработка функциональной схемы;
- разработка принципиальных схем;
- расчет дискретных электрорадиоэлементов;
8) разработка программного обеспечения устройства
- формулировка требований к программе;
- декомпозиция программы;
- разработка структуры данных программы;
- алгоритмизация программы;
- кодирование программы;
12
- тестирование и отладка программы;
9) руководство пользователя;
10) заключение;
11) список использованной литературы;
12) приложения.
7.5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕИЮ ОСНОВНЫХ РАЗДЕЛОВ
КУРСОВОГО ПРОЕКТА
7.5.1. Введение
В этом разделе обосновывается необходимость проектирования
заданного устройства. Здесь анализируются недостатки существующих
устройств подобного типа, и приводятся достоинства, которые будет
иметь разработанное устройство.
7.5.2. Техническое задание
В этом разделе приводится название и назначение устройства, его
основные технические параметры. Все данные, в основном, берутся из
варианта задания. При недостаточном количестве заданных технических
параметров студент должен самостоятельно выбрать недостающие
параметры и указать их в техническом задании.
7.5.3. Анализ технического задания
В этом разделе анализируются требования, имеющиеся в
техническом задании. При этом выявляются входные данные,
обрабатываемые устройством, и выходные данные, формируемые
устройством. Здесь выбираются элементы управления, необходимые для
решения поставленной задачи, а также элементы отображения для
представления результатов работы устройства.
В качестве элементов управления могут выбираться различные
кнопки (с фиксацией или без фиксации), клавиатуры и другие
переключатели.
В качестве элементов отображения данных могут выбираться
двоичные индикаторы, знакосинтезирующие индикаторы и дисплеи,
матричные индикаторы и матричные панели.
Результатом выполнения данного этапа является представление
разрабатываемого устройства в виде «черного ящика» с четким
изображением всех входных и выходных сигналов, элементов управления
и отображения данных. Каждый входной и выходной сигнал, элемент
13
управления и отображения данных должен иметь свое название, ясно
отражающее его функциональное назначение.
На основании выполненного анализа изображается лицевая панель
устройства, на которой должны быть представлены все элементы
управления и отображения данных.
7.5.4. Разработка архитектуры устройства
В этом разделе разрабатывается архитектура всех устройств МПС:
архитектура процессора, архитектура памяти и архитектура интерфейса.
Архитектура
процессора
полностью
определяется
типом
используемого МП. Поскольку он задан вариантом задания, то, чаще
всего, архитектура процессора изображается прямоугольником, в котором
указан тип МП. Если в устройстве используются внешние прерывания, то
здесь необходимо указать на какой вход процессора поступают запросы
прерывания и от какого устройства.
В архитектуре памяти необходимо указать типы используемых
запоминающих устройств, их объем и способ распределения адресного
пространства между ними. Чаще всего, в состав памяти входят ОЗУ и ПЗУ
объемом по 2 Кбайта, а распределение адресного пространства между
ними осуществляется старшей адресной линией А19.
При разработке архитектуры интерфейса требуется определить
номенклатуру внешних устройств и методы обмена данными с ними.
После этого для каждого из внешних устройств изображаются
соответствующие порты ввода/вывода и им присваиваются символьные
имена для обращения из программы. Далее необходимо определить
вариант подключения каждого внешнего устройства к соответствующему
порту. Для этого показывается, к какому разряду какого порта
подключено
каждое
внешнее
устройство.
При
подключении
одноразрядных устройств (кнопки, тумблера, двоичные индикаторы) к
одному порту ввода/вывода может быть подключено до 8-ми устройств.
Номенклатура внешних устройств в значительной степени была
определена при анализе технического задания и представлении устройства
в виде «черного ящика». Здесь необходимо определить лишь элементы,
обрабатывающие аналоговые входные сигналы. Поскольку при обработке
аналоговых сигналов требуется их преобразование в цифровую форму, то
для обработки используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
Для обмена данными с переключателями и индикаторами
применяется синхронный метод обмена, а с АЦП – асинхронный
программный обмен.
14
7.5.5. Разработка аппаратного обеспечения устройства
При разработке аппаратного обеспечения устройства необходимо
разработать все электрические схемы: структурную, функциональную и
принципиальные, – а также выполнить расчет используемых в них
дискретных электрорадиоэлементов.
Для разработки электрических схем, прежде всего, выбирается
элементная база для построения устройства: основная и интерфейсная.
Основная элементная база используется для построения всей
вычислительной среды устройства и практически полностью определяется
типом МП. Поскольку тип МП указан вариантом задания, то здесь
остается лишь сказать, что в качестве основной элементной базы будет
использован МПК БИС серии К1810, к которому относятся МП
К1810ВМ86 или К1810ВМ88.
Основная элементная база используется и для построения
стандартной части интерфейса, т. е. портов ввода/вывода.
Интерфейсная элементная база применяется для реализации
нестандартной части интерфейса.
Разработка структурной электрической схемы
Структурная схема показывает состав узлов и блоков, входящих в
устройство, а также связи между ними. Поэтому структурная схема
устройства содержит все основные блоки МПС: процессор, память и
интерфейс, – объединенные системной шиной, в которую входят шина
адреса, шина данных и шина управляющих сигналов. При этом память
представляется в виде составляющих ее устройств (ПЗУ и ОЗУ) и
показывается распределение адресного пространства между ними.
Элементы управления и отображения данных, выявленные при анализе
технического задания и приведенные на схеме представления устройства в
виде «черного ящика», на структурной схеме показываются в виде
нераскрытых блоков, подключенных к интерфейсу.
При описании структурной схемы приводится назначение каждого
из блоков структурной схемы и рассматривается принцип действия
устройства.
Разработка функциональной электрической схемы
Функциональная схема строится на основе структурной схемы и
ранее разработанной архитектуры устройства. В ней раскрывается
построение всех блоков структурной схемы, т. е. входящие в них
функциональные узлы и связи между ними. При этом должна быть
15
показана разрядность всех функциональных узлов. Поскольку разрядные
связи между блоками всегда однородны, т. е. соответствующий разряд
одного блока подключается к соответствующему разряду другого блока,
то на функциональной схеме допускается показывать не все разряды, а
лишь первый и последний разряды в пределах каждой группы. Связи
между узлами устройства показываются с помощью соединительных
групповых линий, к которым подводятся все конкретные линии связи. Для
обозначения линий связи используются функциональные названия
соответствующих сигналов.
На функциональной схеме необходимо привести имена портов
ввода/вывода, присвоенные им при разработке архитектуры и
используемые в программе для обращения к соответствующим внешним
устройствам. При этом все внешние устройства (элементы управления и
отображения данных) изображаются в виде нераскрытых блоков
аналогично структурной схеме.
При описании функциональной схемы указывается, какие
функциональные узлы использованы для построения каждого из блоков
структурной схемы и их назначение.
Разработка принципиальных электрических схем
Принципиальные
схемы
разрабатываются
на
основе
функциональной схемы и архитектуры устройства. При разработке
принципиальных схем учитывается конструктивная реализация
устройства, т. к. принципиальная схема разрабатывается на каждый
конструктивно выделенный модуль устройства.
Как правило, устройства вычислительной техники конструктивно
представляют собой набор печатных модулей, устанавливаемых в
разъемы и находящихся в общем корпусе. На печатных модулях
располагаются функциональные узлы, а на лицевой панели – элементы
управления и отображения данных разрабатываемого устройства.
В простейших устройствах, к которым относится и разрабатываемое
в данном курсовом проекте устройство, имеется лишь один печатный
модуль, на котором располагаются все интегральные микросхемы и
относящиеся к ним электрорадиоэлементы. Этот печатный модуль
практически всегда можно назвать модулем обработки информации.
С учетом этого в состав устройства в целом будут входить элементы
управления и отображения данных, находящиеся на лицевой панели
устройства, относящиеся к ним дискретные электрорадиоэлементы, а
также модуль обработки информации, подключенный к элементам
16
лицевой панели с помощью разъема для печатного монтажа. Для передачи
внешних входных и выходных сигналов используются разъемы для
объемного монтажа, устанавливаемые на корпусе устройства.
Таким образом, при разработке принципиальных схем необходимо
разработать две схемы: схему принципиальную электрическую модуля
обработки информации и схему принципиальную электрическую
устройства в целом.
На принципиальных схемах узлы функциональной схемы должны
быть показаны в полностью раскрытом виде. Для этого приводится
реализация каждого узла с помощью используемой элементной базы. Для
построения процессора и стандартной части интерфейса применяется
основная элементная база, т. е. МПК БИС серии К1810. Для построения
памяти выбираются микросхемы ПЗУ и статических ОЗУ с достаточным
быстродействием.
Кроме того, для построения нестандартной части интерфейса часто
требуется выбирать дополнительные элементы. Как правило, к ним
относятся датчики внешних физических величин (например,
температуры), элементы для обработки поступающей с них аналоговой
входной информации (измерительные схемы, усилители, АЦП), а также
индикаторы для отображения различных данных (светодиоды,
знакосинтезирующие семисегментные индикаторы и матричные панели).
Если для реализации некоторого функционального узла
использовано несколько корпусов интегральных микросхем, то каждый из
них должен быть приведен на принципиальной схеме. При этом для
каждого корпуса приводятся все используемые и неиспользуемые выводы
с их нумерацией.
Все
корпуса
интегральных
микросхем
и
дискретные
электрорадиоэлементы должны иметь позиционные обозначения.
Позиционное обозначение элемента включает в себя одну или две
латинские буквы, соответствующие типу элемента, и порядковый номер
этого элемента среди себе подобных. Для функционального обозначения
основных элементов используются следующие обозначения: DD –
цифровые интегральные микросхемы, DA – аналоговые интегральные
микросхемы, BQ – кварцевые резонаторы, R – резисторы, C –
конденсаторы, S – переключатели, HL – индикаторы, VD – диоды, VT –
транзисторы, X – разъемы. Нумерация элементов начинается с верхнего
левого угла схемы и идет в направлении слева-направо и сверху-вниз.
17
Связи между элементами указываются идентично функциональной
схеме, т. е. с использованием соединительных групповых линий и
функциональных наименований сигналов.
Кроме того, на принципиальных схемах необходимо показать
организацию цепей питания. Для этого указывается, на какие выводы
интегральных микросхем подаются питающие напряжения и подключение
развязывающих конденсаторов, используемых для фильтрации этих
напряжений.
Для упрощения устройства, проектируемого в рамках данного
курсового проекта, будем считать, что питание устройства
осуществляется от внешнего источника питания. В связи с этим
необходимо предусмотреть разъем для подключения этого источника.
При описании принципиальных схем указываются позиционные
обозначения элементов, использованных для построения всех узлов
функциональной схемы.
Расчет дискретных электрорадиоэлементов
В этом разделе осуществляется расчет дискретных элементов
(резисторов, конденсаторов и т. п.). При этом определяются номинальные
значения этих элементов, необходимые для обеспечения требуемого
функционирования устройства.
После расчета номиналов по соответствующим справочникам
выбираются конкретные элементы, выпускаемые промышленностью.
Разработка принципиальных электрических схем завершается
составлением перечня используемых в них элементов. В перечне
элементов для каждого отечественного элемента должен быть указан
ГОСТ или ТУ, которые регламентируют применение этого элемента.
Для импортных элементов вместо ГОСТа или ТУ указывается
наименование фирмы-изготовителя этого элемента.
7.5.6. Разработка программного обеспечения устройства
Разработка программы осуществляется на основе ранее
разработанных представлений устройства в виде «черного ящика» и
архитектуры устройства. Так же как и аппаратное обеспечение,
программное обеспечение устройства разрабатывается поэтапно, начиная
с формулировки требований к программе.
Формулировка требований к программе
Этот этап выполняется аналогично анализу требований технического
задания на проектирование устройства. Здесь также анализируются
18
технические требования к программе и выявляются все входные и
выходные данные, обрабатываемые программой.
Результатом выполнения данного этапа является представление
программы в виде «черной сферы». В МПС подавляющее большинство
функций реализуется программным путем. Поэтому технические
требования к устройству, выявленные при анализе технического задания,
фактически являются и требованиями к программе. В связи с этим
представление программы в виде «черной сферы» практически полностью
совпадает с представлением устройства в виде «черного ящика».
Единственным отличием является то, что при наличии аналоговых
входных сигналов они поступают на вход «черного ящика»
непосредственно, а на вход «черной сферы» – в виде цифрового кода с
выхода АЦП.
Декомпозиция программы
Целью декомпозиции является разбиение общей задачи на
подзадачи,
имеющие
простейшую
техническую
реализацию.
Декомпозиция выполняется поэтапно на основе анализа функций
программы. На каждом этапе одна подзадача текущего уровня разбивается
на 2 – 4 более простых подзадачи следующего уровня. После каждого
этапа строится статическая модель программы, четко определяющая
выделенные подзадачи и данные, которыми они обмениваются в процессе
решения общей задачи.
Декомпозиция заканчивается, если все выделенные подзадачи имеют
очевидную реализацию.
Разработка структуры данных программы
На этом этапе определяется форма представления данных в наборах
данных статической модели. При этом, как правило, используются
простые типы данных: байт, слово, упакованный байт, флаговый байт,
массив.
Байты и слова используются для хранения числовых данных в
двоичном или двоично-десятичном виде.
Упакованные байты хранят образы кнопок, введенных из портов
ввода, или образы двоичных индикаторов, предназначенных для вывода.
Флаговые байты могут принимать лишь два значения и
используются для хранения различных управляющих признаков и команд.
Массивы представляют собой совокупность смежных ячеек памяти,
которые обрабатываются циклически.
19
Структура данных программы представляется таблицей, в которой
каждому элементу данных присваивается символьное имя для обращения
из программы.
Алгоритмизация программы
В этом разделе разрабатывается алгоритм программы. Алгоритм
должен быть построен по двухуровневой иерархической структуре. В
связи с этим полный алгоритм программы включает в себя алгоритм
макроуровня и алгоритмы модулей нижнего уровня. Результатом
разработки алгоритма программы являются граф-схемы алгоритма (ГСА)
макроуровня и алгоритмов модулей нижнего уровня.
Разработка алгоритма макроуровня сводится к взаимоувязке
программных исполнителей статической модели программы с помощью
логической конструкции «Следование». Порядок следования модулей в
этой конструкции определяется обрабатываемыми ими данными.
Первыми ставятся модули ввода данных с внешних устройств, а затем
остальные модули. Алгоритм макроуровня должен быть представлен
двумя ГСА: в одноуровневом и двухуровневом представлении.
Модули нижнего уровня выполняют выделенные подзадачи
статической модели. Разработка их алгоритмов не представляет труда,
т. к. каждая подзадача имеет очевидную реализацию. Алгоритм каждого
модуля должен быть представлен отдельной ГСА.
Кодирование программы
На этом этапе разработанные алгоритмы макроуровня и модулей
нижнего уровня записываются на ассемблере. При этом каждый модуль
нижнего уровня должен быть оформлен в виде подпрограммы, а
макроуровень может содержать только команды вызова подпрограмм
(модулей нижнего уровня) и команды, передающие в них параметры.
Тестирование и отладка программы
Задачей этого этапа является обнаружение и устранение
максимально возможного количества логических ошибок в программе.
Методы отладки
Тестирование и отладка могут осуществляться с помощью какоголибо отладчика. Он позволяет наблюдать состояние всех регистров МП и
ячеек памяти, присваивать им любые значения, выполнять программу в
пошаговом и автоматическом режиме.
20
Рассмотренная методика проектирования программы с четко
определенными входными и выходными данными всех модулей позволяет
тестировать и отлаживать все модули отдельно и независимо друг от
друга. Для отладки некоторого модуля необходимо сформировать в
соответствии с принятой структурой данных его входные наборы и
проанализировать выходные наборы после исполнения этого модуля. Если
они соответствуют принятой структуре данных, то модуль работает
правильно. В противном случае необходимо в режиме пошагового
исполнения обнаружить и исправить все логические ошибки,
определяющие его неверное функционирование. Поскольку каждый
модуль несложен, то эта задача не вызывает особых трудностей. Далее
отлаженные модули собираются в общую систему, которая тестируется и
отлаживается в целом.
Недостатком рассмотренного способа тестирования и отладки
программы
является
отсутствие
наглядности,
т.
к.
анализ
работоспособности программы сводится к анализу некоторых цифр на
экране отладчика.
Для устранения этого недостатка при отладке программы удобно
использовать программные среды, эмулирующие аппаратные средства
микропроцессорных устройств.
Отладка программы проектируемого устройства и демонстрация ее
работоспособности выполняется в интегрированной программной среде
Demis.
Описание и порядок работы в интегрированной среде для
отладки программ
Интегрированная программная среда Demis предназначена для
проектирования микропроцессорных систем на базе микропроцессоров
семейства Intel 80Х86, начиная с Intel 8086 и кончая Intel 80386 в реальном
16-ти разрядном режиме. Она позволяет выполнить визуальное
проектирование МПС различного назначения, вводить и отлаживать их
программное обеспечение, наглядно изображать работу этих систем на
экране компьютера. В этой среде проектируемая учебная МПС
представляется на экране компьютера набором необходимых для ее
работы интерфейсных элементов (кнопок, тумблеров, индикаторов и т. д
и т. п.).
Проектирование МПС в среде Demis включает в себя выполнение
следующих этапов:
1) проектирование архитектуры МПС;
21
2) ввод исходного текста программы работы МПС на языке
ассемблера;
3) ассемблирование и компоновка программы;
4) отладка и исполнение программы.
Все этапы разработчик выполняет средствами среды Demis без
помощи каких-либо дополнительных программных средств.
Архитектура МПС собирается с помощью визуального редактора из
набора следующих интерфейсных элементов:
1) восьмиразрядный порт ввода;
2) восьмиразрядный порт вывода;
3) электромеханический переключатель;
4) матричная клавиатура;
5) двоичный индикатор;
6) семисегментный знакосинтезирующий индикатор;
7) матричный знакосинтезирующий индикатор 8  8 элементов;
8) аналого-цифровой преобразователь;
9) однотональный источник звука;
10) текстовая надпись.
Разработчик может настраивать свойства большинства элементов,
придавая им требуемое качество. Так для электромеханического
переключателя может быть установлено наличие фиксации (тумблер) или
отсутствие фиксации (кнопка), для клавиатуры – ее размерность (от 2  2
до 8  8 кнопок), для переключателя и клавиатуры – наличие или
отсутствие дребезга контактов, для двоичного индикатора – цвет и
возможность включения единичным или нулевым входным сигналом, для
аналого-цифрового преобразователя – разрядность выходной шины
данных (8 или 16 бит) и т. д. и т. п.
Интерфейсные элементы собираются в архитектуру МПС путем
непосредственного подключения их друг к другу. В одной архитектуре
может использоваться множество однотипных интерфейсных элементов.
Нажатием на единственную кнопку панели инструментов можно перейти
от архитектуры системы к ее представлению в виде лицевой панели
устройства. При этом остаются видимыми лишь элементы управления и
отображения данных, с которыми непосредственно работает оператор.
Текст программы вводится с помощью встроенного текстового
редактора, который оптимизирован для ввода программ на языке
ассемблера.
Ассемблирование и компоновка программы осуществляются
непосредственно в среде Demis с помощью внешних ассемблера TASM и
22
компоновщика TLINK фирмы Borland. Программа может быть
многомодульной. При этом она может состоять как из нескольких
раздельно ассемблируемых файлов, так и одного основного и нескольких
присоединяемых директивой include файлов.
Для ускорения отладки программы среда содержит удобный
отладчик, позволяющий просмотреть программу с любого адреса,
выполнить ее в пошаговом режиме, ввести точки останова, видеть и
изменять содержимое регистров процессора, флагов и любой области
памяти системы.
Исполнение программы МПС обеспечивает быстрый программный
симулятор, не привязанный к типу процессора персонального компьютера
и не требующий никаких дополнительных аппаратных средств.
Симулятор поддерживает до 1 Мбайта памяти МПС, включающей ОЗУ и
ПЗУ, объемы которых задаются пользователем при настройке параметров
системы. Область памяти, обозначенная как ПЗУ, со стороны программы
МПС, как и в реальной системе, допускает только чтение, но во время
отладки программы с помощью отладчика содержимое ПЗУ можно
изменять.
При исполнении программы интерфейсные элементы ведут себя
точно так, как это происходит в реальной аппаратной системе, то есть
индикаторы светятся, когда на их входы подается активный уровень с
соответствующего разряда соответствующего порта вывода; нажатие
кнопки приводит к изменению состояния соответствующего разряда порта
ввода, к которому она подключена, а состояние портов изменяется и
считывается программой МПС с помощью команд ввода/вывода, как и в
реальной системе.
Таким образом, результаты работы программы наглядно
отображаются на экране компьютера путем изменения состояния
устройств ввода/вывода, включенных в архитектуру системы.
Каждая проектируемая МПС представляется в среде в виде проекта,
хранящего все параметры системы и ссылки на все файлы, используемые
при ассемблировании и компоновке программы, а также архитектуру и
лицевую панель системы. Такая организация позволяет легко работать с
несколькими МПС на одном компьютере, что важно для учебного
процесса. При создании нового проекта для него автоматически
формируется заготовка программы.
Для упрощения отладки в состав архитектуры и программы
проектируемого устройства целесообразно включать отладочные
элементы. В архитектуре в качестве отладочных элементов чаще всего
23
используются дополнительные порты вывода и двоичные индикаторы, а в
программе – процедура отладки, обеспечивающая вывод в эти порты
значений различных управляющих флагов, команд, состояний кнопок и
т. п. Это позволяет следить за правильным формированием управляющих
признаков непосредственно в процессе функционирования устройства,
что упрощает отладку программы. После завершения отладки программы
все отладочные элементы должны быть удалены.
7.5.7. Руководство пользователя
В этом разделе описывается порядок работы оператора с
разработанным устройством (программой): включение/выключение
режимов, последовательность использования органов управления,
характер отображаемой информации на индикаторах и дисплеях и т. д. и
т. п.
7.5.8. Заключение
В этом разделе делается вывод о завершении проектирования
заданного устройства и полном выполнении всех требований
технического задания.
7.5.9. Список использованной литературы.
Здесь приводится библиографическое описание всех источников,
использованных при разработке курсового проекта. В случае
использования информации с Интернет-сайтов указываются адреса этих
сайтов.
7.5.10. Приложения
В приложения выносятся все электрические схемы устройства,
перечни элементов к ним, а также исходный текст или листинг
программы.
8.ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ
Тип микропроцессора (во всех вариантах) – К1810ВМ88
Номер
варианта
1
Наименование
темы
Электронные часы
Технические требования
1.
2.
3.
4.
Формат времени – час.мин
Установка времени – насчетом
Мигающая точка между полями
Будильник – 1
24
Номер
варианта
2
Наименование
темы
Электронный таймер
3
Электронный
секундомер
4
Электронный светофор
Технические требования
1.
2.
3.
4.
5.
1.
2.
3.
1.
2.
3.
5
Стартовый таймер
1.
2.
3.
4.
5.
6
Имитатор поворотных
огней автомобиля
1.
7
Имитатор световых
приборов автомобиля
8
Двухканальный
термометр
9
Устройство счета
предметов на конвейере
10
Кодовый замок
11
Электронный тир
12
Охранное устройство
здания
2.
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
5.
1.
2.
3.
1.
2.
3.
Диапазон времени – 10 мин
Точность – 1 сек
Обратный отсчет времени
Установка времени – насчетом
Индикация окончания – звуковая
Диапазон времени – 1 час
Точность – 0,01 сек
Режимы работы – старт-стопный, с накоплением
Перекресток двух дорог
Режимы работы – ручное управление,
автоматическое управление
Цикл – зеленый, желтый, красный, красный +
желтый, зеленый
Время готовности – 1 час
Точность – 1 сек
Обратный отсчет времени
Возможность включения/выключения отсчета
Имитация
пуска
двумя
попеременно
мигающими двоичными индикаторами
Имитируемые состояния – направо, налево,
аварийные огни
Количество индикаторов на каждом боку – 2
Фары (ближний, дальний свет)
Габаритные огни
Стоп-сигнал
Свет заднего хода
Диапазон температур – (–100) – (+100) оС
Точность – 1 оС
Переключение каналов – по выбору оператора
Количество типов предметов – 2
Подсчет предметов каждого типа отдельно
Максимальное количество предметов каждого
типа – 99
Управление конвейером
Ключевой код – 4 десятичных цифры
Отображение ключевого кода при задании
Имитация открывания замка при вводе верного
кода
Блокировка замка при вводе неверных кодов
Количество попыток до блокировки – 3
Мишень – 10 концентрических окружностей
Подсчет очков в серии выстрелов
Количество выстрелов в серии – не более 10
Формат здания – 2 этажа  8 комнат
Контролируемая ситуация – пожар
Отображение
места
возникновения
25
Номер
варианта
13
Наименование
темы
Устройство
сигнализации
для автомобиля
14
Световое табло
15
Устройство управления
елочными огнями
99
Электронный термометр
Технические требования
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
5.
контролируемой ситуации
Контролируемые на открывание объекты –
двери, окна, капот, багажник
Контроль на допустимую вибрацию
При обнаружении контролируемых ситуаций –
блокировка зажигания, звуковой сигнал
Включение/выключение сигнализации
Отображаемые символы – десятичные цифры
Количество знакомест – 4
Режим отображения – бегущая строка
Плавная регулировка скорости движения
Включение/выключение движения
1. Количество гирлянд – 2
2. Количество лампочек в гирлянде – 8
3. Режимы отображения – попеременное мигание
гирлянд, бегущие огни
4. Включение/выключение гирлянд
1. Диапазон температур – (–50) – (+50) оС
2. Точность – 0,1 оС
3. Индикация
выхода
температуры
за
установленные пороги
9. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
В связи с большим объемом материалов курсового проекта даже при
разработке несложного устройства, пример его выполнения вынесен за
пределы данных методических указаний. Пример выполнения проекта
представлен в электронной форме в виде файла KP.rar, который можно
взять на кафедре ВС (см. раздел 7.1).
10. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Все разделы курсового проекта должны быть оформлены в
соответствии с действующими стандартами.
Требования к оформлению пояснительной записки изложены в
стандарте РГАТА СТП 1.01-2002. Общие требования к оформлению
учебных документов. Текстовые документы. Введено 01.02.2002. – 28 с.
Схемы электрические выполняются на листах формата А4, А3 или
А2 в зависимости от их размера. Требования к оформлению
электрических схем изложены в стандарте РГАТА СТП 1.02-2002. Общие
требования к оформлению учебных документов. Графические документы.
Введено 10.10.2003. – 39 с.
26
Наиболее удобно выполнять электрические схемы в программе Visio
с последующей их распечаткой. Электрические схемы форматом более А4
допускается распечатывать частями в виде формата А4 с последующим их
склеиванием в полную схему.
Все схемы должны быть сложены по правилам сложения чертежей
до формата А4 и вложены в пояснительную записку.
Перечни элементов к принципиальным схемам могут выполняться
либо на отдельных листах, либо непосредственно на соответствующей
схеме. В первом случае перечни элементов подшиваются в приложение
пояснительной записки.
Вся программная документация оформляется в виде рисунков или
таблиц пояснительной записки.
Файлы
проекта
разработанной
программы
формируются
интегрированной программной средой Demis.
На дискете должны находиться три файла:
- name.prj – файл проекта МПС;
- name.arh – файл архитектуры МПС;
- name.asm – файл программы на ассемблере;
где name – это имя разработанной МПС.
Перечисленные
файлы
необходимы
для
демонстрации
работоспособности программы при сдаче проекта.
11. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ И ПЕРЕЧЕНЬ ПРОГРАММНОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Основная
11.1. Комаров В. М. Микропроцессорные системы: Учебное пособие
для вузов. – Рыбинск: РГАТА, 1997. – 324 с.
11.2. Комаров В. М. Микропроцессорные системы. Проектирование
аппаратного и программного обеспечения: Учебное пособие. – 2 изд.
перераб. и доп. – Рыбинск, РГАТА, 2004. – 176 с.
11.3 Щелкунов Н. Н., Дианов А. П. Микропроцессорные средства и
системы. – М.: Радио и связь, 1989. – 288 с.
11.4.
Микропроцессорный
комплект
К1810:
Структура,
программирование, применение: Справочная книга / Ю. М. Казаринов, В.
Н. Номоконов, Г. С. Подклетов и др.: Под ред. Ю. М. Казаринова. – М.:
Высшая школа, 1990. – 269 с.
11.5. Уильямс Г. Б. Отладка микропроцессорных систем: Пер. с англ.
– М.: Энергоатомиздат, 1988. – 253 с.
27
11.6. В. М. Комаров Интегрированная программная среда для
проектирования микропроцессорных систем. Материалы Всероссийской
научно-технической конференции «Моделирование и обработка
информации в технических системах». Рыбинск: РГАТА, 2004. – 432 с.
Дополнительная
11.7. Лю Ю-Чжен, Гибсон Г. Микропроцессоры семейства
8086/8088.
Архитектура,
программирование
и
проектирование
микрокомпьютерных систем: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1987. – 510
с.
11.8. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического
управления: Справочник / С. Т. Хвощ, Н. М. Барлинский, Е. А. Попов:
Под ред. С Т.Хвоща. – Л.: Машиностроение, 1987. – 387 с.
11.9. Однокристальные микроЭВМ: Справочник / А. В. Боборыкин,
Г. П. Липовецкий, Г. В. Литвинский и др. – М.: МИКАП, 1994. – 400 с.