Разработка микропроцессорной системы тестирования ИМС

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ТЕСТИРОВАНИЯ ИМС

по дисциплине: Микропроцессорные системы

Выполнил:

Щетинкин Ю.А.

Санкт-Петербург, 2007 год



Введение

В микроэлектронике бурное развитие получило направление, связанное с выпуском однокристальных микроконтроллеров, которые предназначены для "интеллектуализации" оборудования различного назначения.

Однокристальные микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя все составные части "голой" микро ЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при столь низкой стоимости (во многих применениях система может состоять только из одной БИС микроконтроллера), что микроконтроллерам, видимо, нет разумной альтернативной элементной базы для построения управляющих и регулирующих систем, и в будущем микроконтроллеры будут находить все большее применение.

Структурная организация, набор команд и аппаратурно-программные средства ввода/вывода информации микроконтроллеров лучше всего приспособлены для решения задач управления и регулирования в приборах, устройствах и системах автоматики, а не для решения задач обработки данных. Микроконтроллеры не являются машинами классического "фон-неймановского" типа, так как физическая и логическая разделение памяти программ и памяти данных исключает возможность модификации или замены (перегрузки) прикладных программ микроконтроллеров во время работы, что сильно затрудняет их использование в качестве универсальных средств обработки данных. В настоящей работе будет рассмотрен процесс проектирования микроконтроллерной системы, на основе микроконтроллера, данного в задании к проекту.



1. Разработка технического задания

1.1 Постановка задачи

Разработать МПС на базе МК - PIC74 (PIC16C74) и написать программу проверки для тестирования ИМС - SN74LS 21 - 555ЛИ6. Типы МК и ИМС были определены заданием.

1.2 Описание проверяемой МК

1.2.1 Особенности МК PIC16C74

Микроконтроллеры семейств PIC (Peripheral Interface Controller) компании Microchip объединяют все передовые технологии микроконтроллеров: электрически программируемые пользователем ППЗУ, минимальное энергопотребление, высокую производительность, хорошо развитую RISC-архитектуру, функциональную законченность и минимальные размеры. Широкая номенклатура изделий обеспечивает использование микроконтроллеров в устройствах, предназначенных для разнообразных сфер применения.

Высокая скорость выполнения команд в PIC-контроллерах достигается за счет использования двухшинной гарвардской архитектуры вместо традиционной одношинной фон-неймановской. Гарвардская архитектура основывается на наборе регистров с разделенными шинами и адресными пространствами для команд и данных. Все ресурсы микроконтроллера, такие как порты ввода/вывода, ячейки памяти и таймер, представляют собой физически реализованные аппаратные регистры.

Микроконтроллеры PIC содержат RISC-процессор с симметричной системой команд, позволяющей выполнять операции с любым регистром, используя произвольный метод адресации. Пользователь может сохранять результат операции в самом регистре-аккумуляторе или во втором регистре, используемом для операции. Основным назначением микроконтроллеров семейств PIC16 как следует из аббревиатуры PIC (Peripheral Interface Controller), является выполнение интерфейсных функций. Этим объясняются особенности их архитектуры:

- RISC-система команд, характеризующаяся малым набором одноадресных инструкций (33, 35 или 58), каждая из которых имеет длину в одно слово (12, 14 или 16 бит) и большинство выполняется за один машинный цикл. В системе команд отсутствуют сложные арифметические команды (умножение, деление), предельно сокращен набор условных переходов;

- высокая скорость выполнения команд: при тактовой частоте 20 МГц время машинного цикла составляет 200 нс (быстродействие равно 5 млн. операций/сек);

- наличие мощных драйверов (до 25 мА) на линиях портов ввода/вывода, что позволяет подключать непосредственно к ним довольно мощную нагрузку, например, светодиоды;

- низкая потребляемая мощность;

- ориентация на ценовую нишу предельно низкой стоимости, определяющая использование дешевых корпусов с малым количеством выводов (8, 14, 18, 28), отказ от внешних шин адреса и данных (кроме PIC17C4X), использование упрощенного механизма прерываний и аппаратного (программно недоступного) стека.

Микроконтроллеры семейства PIC16CXXX, выполненные по технологии HCMOS представляют собой 8-разрядные микроконтроллеры на основе RISC-процессора, выполненные по гарвардской архитектуре. Имеют встроенное ПЗУ команд объемом от 0,5 до 4К слов (разрядность слова команд равна 12-14 бит). Память данных PIC-контроллеров организована в виде регистрового файла объемом 32-128 байт, в котором от 7 до 16 регистров отведено для управления системой и обмена данными с внешними устройствами.

Одним из основных достоинств этих устройств является очень широкий диапазон напряжений питания (2-6В). Ток потребления на частоте 32768 Гц составляет менее 15 мкА, на частоте 4 МГц - 1-2 мА, на частоте 20 МГц 5-7 мА и в режиме микро-потребления (режим SLEEP) - 1-2 мкА. Выпускаются модификации для работы в трех температурных диапазонах: от 0 до +70°С, от -40 до +85°С и от -40 до +125°С.

Каждый из контроллеров содержит универсальные (от 1 до 3) и сторожевой таймеры, а также надежную встроенную систему сброса при включении питания. Частота внутреннего тактового генератора задается либо кварцевым резонатором, либо RC-цепочкой в диапазоне 0-25 МГц. PIC-контроллеры имеют от 12 до 33 линий цифрового ввода-вывода, причем каждая из них может быть независимо настроена на ввод или вывод.

Рисунок 1. - Цоколевка PIC 16C74:

Ресурсы и внешние выводы микроконтроллера показаны на рис. 2.

К контактам OSC1, OSC2 подключается кварцевый резонатор до 20 МГц, на входе MCLR# формируется сигнал сброса, на контакты VDD, VSS подается питание (+5v, 0). Остальные контакты являются многофункциональными выводами различных портов.



Рисунок 2. - Ресурсы контроллера PIC16C74:

1.2.2 Система команд микроконтроллера

Большинство команд выполняется за 1 цикл (4 такта, 200 нс при F = 20 МГц).

Команды байтовой обработки помещают результат либо в регистр f, если d = 1.

Либо в аккумулятор W, если d = 0.

Таблица 1. - Байтовые операции:

Имя	Операнды	Операция
ADDWF	f, d	f = W+f
ANDWF	f, d	f = W&f
CLRF	f	f = 0
CLRW		W = 0
COMF	f, d	f = !f
DECF	f, d	f = f-1
DECFSZ	f, d	f = f-1, skip if
INCF	f, d	f = f+1
INCFZ	f, d	f = f+1, skip if
IORWF	f, d	f = W|f
MOVF	f, d	f = f
MOVWF	f	f = W
NOP		нет операции
RLF	f, d	С <- f <- C
RRF	f, d	C -> f -> C
SUBWF	f, d	f = f-W
SWAPF	f, d	обмен тетрад f
XORWF	f, d	f = f^W

Команды работы с байтами используются в PIC МК для пересылки данных между регистрами и выполнения математических операций над их содержимым. Несмотря на относительно небольшой набор команд, они позволяют реализовать целый ряд операций. Это связано, в частности, с возможностью указать в команде адрес размещения результата операции.

Таблица 2. - Битовые операции:

Имя	Операнды	Операция
BCF	f, b	b = 0
BSF	f, b	b = 1
BTFSC	f, b	skip if b = 0
BTFSS	f, b	skip if b = 1

Отличительной особенностью данной группы команд является то, что они оперируют с однобитными операндами, в качестве которых используются отдельные биты регистров МК.

Таблица 3. - Константы и переходы:

Имя	Операнды	Операция
ADDLW	k	W = W+k
ANDLW	k	W = W&k
CALL	k	вызов подпрог.
CLRWDT		сброс WDT
GOTO	k	PC.10-0 = k
IORLW	k	W = W|k
MOVLW	k	W = k
RETFIE		возвр.из прер.
RETLW	k	возвр. с W = k
RETURN		возвр.из подпр.
SLEEP		энергосбереж.
SUBLW	k	W = k-W
XORLW	k	W = W^k
& лог. умножение | лог. сложение ^ искл. ИЛИ

Команды работы с константами используют при выполнении операции явно заданные операнды, которые являются частью команды.

1.3 Описание проверяемой ИМС

По функциональному составу ЛЭ И С К555 включают все типы, реализующие основные логические функции: НЕ, И - НЕ, И, ИЛИ, ИЛИ - НЕ, исключающее ИЛИ, И - ИЛИ - НЕ с, различными числами ЛЭ в корпусе и аргументов, преимущественно выполнены в четырнадцати выводных корпусах.

Все основные элементы выполнены с двухтактным выходом. Для реализации использования монтажных (проводных) функций и некоторые типы ЛЭ выполнены с открытым коллекторным выходом.

С целью использования микросхем в разветвленных и между платных соединениях в состав серии включены ЛЭ с повышенной нагрузочной способностью (ЛА6, ЛА7, ЛА12, ЛА13 и др.), для между платных и магистральных связей - с повышенной помехоустойчивостью (ТЛ2), с целью отключения схемы от нагрузки - с третьим состоянием на выходе.

Назначение выводов ИС К555ЛА6:

1. Вход данных;

2. Вход данных;

3. Не используется;

4. Вход данных;

5. Вход данных;

6. Выход данных;

7. Общий GND;

8. Выход данных;

9. Вход данных;

10. Вход данных;

11. Не используется;

12. Вход данных;

13. Вход данных;

14. Питание Ucc.

В качестве исходных данных для составления программы проверки и построения функциональной схемы должны быть заданы таблица истинности логического элемента ЛИ6 и его условное графическое обозначение.

Рисунок 3. - Условно-графическое обозначение логического элемента:

Таблица 4. - Таблица истинности дешифратора:

Входы	Выходы
0	0	0	0	0
0	0	0	1	0
0	0	1	0	0
0	0	1	1	0
0	1	0	0	0
0	1	0	1	0
0	1	1	0	0
0	1	1	1	0
1	0	0	0	0
1	0	0	1	0
1	0	1	0	0
1	0	1	1	0
1	1	0	0	0
1	1	0	1	0
1	1	1	0	0
1	1	1	1	1

1.4 Соединения

Таблица 5:

МК		Проверяемая ИМС
Порт	№ разр. порта	№ контакта	№ связи	№ контакта	Обозн. контакта	Назначение сигнала
Порт «PB» (вх)	RB7 RB6 RB5 RB4 RB3 RB2 RB1 RB0	40 39 38 37 36 35 34 33	8 7 6 5 4 3 2 1	13 12 10 9 5 4 2 1	B4 B3 B2 B1 A4 A3 A2 A1	информац. вход 2 информац. вход 2 информац. вход 2 информац. вход 2 информац. вход 1 информац. вход 1 информац. вход 1 информац. вход 1
Порт «PA» (вых)	RA1 RA0	3 2	10 9	8 6	B5 A5	информац. выход 2 информац. выход 1
Порт «PC» (выход)	RD2 RD1 RD0	21 20 19	13 12 11		RED2 RED1 GREEN	Красный светодиод 2 Красный светодиод 1 Зеленый светодиод
Примечание. Аноды СД подключаются к контактам МК через резисторы.

Рисунок 4:

Порт PA используется для вывода данных (настройка порта на вывод данных производиться программе), порт PB для ввода данных. Порт PC использован для связи со светодиодами. При составлении таблицы необходимо учитывать соответствие номера контакта со схемой МК и тестируемой ИМС. Каждый порт микроконтроллера может быть настроен только на ввод либо только на вывод (ввод с одних разрядов, и одновременный вывод на других разрядах порта невозможен).



2. Разработка МКС

2.1 Метод решения задачи

Введем понятия, которые будут использованы при описании программы проверки:

1) Тестовое слово - набор сигналов, передаваемых микроконтроллером через один из своих портов на входы ИМС. Разряды этого порта настраиваются на вывод;

2) Формат тестового слова (ТС) - разрядная сетка порта с указанием в каждом разряде названия входного сигнала ИМС, связанного с данным разрядом;

3) Фактическая реакция (ФР) - набор выходных сигналов ИМС как реакция на тестовое слово. ФР поступает в МК через один из портов, который настраивается на ввод;

4) Эталон - ожидаемая реакция на ТС, т. е., набор сигналов, формируемых на выходах ИМС, когда на входы ее подано ТС и сама схема находится в заведомо исправном состоянии;

5) Формат ФР (эталона) - разрядная сетка входного порта МК с указанием в каждом разряде названия выходного сигнала ИМС, связанного с данным разрядом.

Определим форматы ТС, ФР (эталона) в нашем случае.

Как было определено выше, тестовые слова подаются на входы ИМС через порт PA.

Формат ТС выглядит следующим образом:

Таблица 6. - ТС1:

7	6	5	4	3	2	1	0	PORTA
?	?	?	?	А1	А1	А1	А1



Таблица 7. - ТС2:

7	6	5	4	3	2	1	0	PORTA
B1	B1	B1	B1	?	?	?	?

Примечание: «?» указывает на неиспользуемый разряд.

Для приема выходных сигналов ИМС на МК был определен порт PB.

Формат фактической реакции (эталона) будет иметь вид:

Таблица 8. - ФР:

1	0	PORTB
B5	A5

Порт P2 используется для связи со светодиодами.

Таблица 9. - Формат порта PС:

2	1	0	PORTC
RD2	RD1	GR

Примечание:

- GR - разряд P2 0 связан с зеленым светодиодом «ИМС исправна»;

- RD1 - разряд P2 1 связан с красным светодиодом «ИМС не исправна».

2.2 Общая схема проверки

Процесс проверки ИМС представляет собой совокупность элементарных проверок.

Элементарная проверка (ЭП) состоит в подаче на входы ИМС очередного ТС, приеме с выходов ИМС фактической реакции, сравнении ее с эталоном с последующим ветвлением.

Если фиксируется отличие ФР от эталона, процесс проверки завершается с выдачей информации о неисправной работе ИМС, в виде засветки красного светодиода, в случае совпадения ФР и эталона осуществляется формирование следующего ТС, эталона для него и переход к следующей ЭП.

Если при выполнении всех элементарных проверок каждый раз фиксировалось совпадение ФР и эталона, то после завершения последней элементарной проверки выдается информация об исправной работе ИМС в виде засветки, зеленого светодиода.

Алгоритм включает выполнение следующих действий:

1. Прием фактической реакции;

2. Сравнение ФР и эталона с последующим ветвлением;

3. Формирование следующего ТС (может быть совмещено с выводом);

4. Формирование (при необходимости) эталона следующего ТС.

Особо отметим следующий момент. Объект проверки - ИМС - может содержать несколько одинаковых элементов.

В этом случае необходимо обеспечить формирование информации о возможной работе каждого элемента.

С этой целью после обнаружения несовпадения ФР и эталона необходимо зафиксировать элемент, при проверке которого обнаружилось несовпадение и не прекращать процесс проверки.

А перейти к проверке следующего элемента, если данный элемент не последний.

Например, в нашем случае ИМС содержит 2 одинаковых дешифратора, необходимо в схеме МКС и программе проверки предусмотреть использование 3-х светодиодов: RED1, RED2 и GREEN.

2.3 Разработка функциональной электрической схемы

Функциональная электрическая схема строится на основе таблицы соединений МК и ИМС.

Рисунок 5. - Функциональная электрическая схема:

2.4 Таблица тестирования микросхемы

Таблица 10:

Входы	Выходы
А1	A2	А3	A4	B1	B2	B3	B4	A5	B5
0	0	0	0	?	?	?	?	0	?
0	0	0	1	?	?	?	?	0	?
0	0	1	0	?	?	?	?	0	?
0	0	1	1	?	?	?	?	0	?
0	1	0	0	?	?	?	?	0	?
0	1	0	1	?	?	?	?	0	?
0	1	1	0	?	?	?	?	0	?
0	1	1	1	?	?	?	?	0	?
1	0	0	0	?	?	?	?	0	?
1	0	0	1	?	?	?	?	0	?
1	0	1	0	?	?	?	?	0	?
1	0	1	1	?	?	?	?	0	?
1	1	0	0	?	?	?	?	0	?
1	1	0	1	?	?	?	?	0	?
1	1	1	0	?	?	?	?	0	?
1	1	1	1	?	?	?	?	1	?
?	?	?	?	0	0	0	0	?	0
?	?	?	?	0	0	0	1	?	0
?	?	?	?	0	0	1	0	?	0
?	?	?	?	0	0	1	1	?	0
?	?	?	?	0	1	0	0	?	0
?	?	?	?	0	1	0	1	?	0
?	?	?	?	0	1	1	0	?	0
?	?	?	?	0	1	1	1	?	0
?	?	?	?	1	0	0	0	?	0
?	?	?	?	1	0	0	1	?	0
?	?	?	?	1	0	1	0	?	0
?	?	?	?	1	0	1	1	?	0
?	?	?	?	1	1	0	0	?	0
?	?	?	?	1	1	0	1	?	0
?	?	?	?	1	1	1	0	?	0
?	?	?	?	1	1	1	1	?	1



Данный набор тестовых комбинаций позволяет гарантированно проверить исправность микросхемы.

2.5 Особенности проверки конкретной ИМС

Микросхема состоит из 2-х одинаковых блока, функции, которых совпадают и не зависят друг от друга.

Для реализации проверки можно использовать один и тот же алгоритм, последовательного опроса блоков. Но у данного подхода малая производительность, поэтому предпочтительно использовать параллельный опрос всех блоков.

Для упрощения алгоритма и его большей наглядности используется одинаковые входные комбинации для всех блоков.

Скажем так же о ФР микросхемы. Нам известно, что в случае подачи на входы каждого из элементов ТС = 1111, ФР ИМС должна быть равна 1, реакция на все остальные ТС должна быть равна 0.

Следовательно, мы используем это обстоятельство, в качестве установки условий в теле подпрограммы, т. е., их не выполнение будет свидетельствовать об ошибке.

Также необходимо отметить, что количество тестовых слов, которые необходимы для проверки 16, поэтому необходима организация цикла. Тестовые слова представлены в пункте 2.1.

Тестирование микросхемы выполняется путем проверки таблицы тестирования микросхемы, составленной на основе ее таблицы истинности, при помощи микропроцессорной системы на базе микроконтроллера PIC16C74.



3. Разработка программы

3.1 Разработка схемы алгоритма

Алгоритм программы представляет собой циклическую последовательность команд.

Программа последовательно проверяет части ИМС. При нахождении ошибки в первой ее части, проверка не останавливается, а проверяется вторая часть ИМС.

По окончании проверки первой микросхемы в переменную А вносится значение «1» - в случае успешной проверки, и «0» при наличии ошибки. В дальнейшем данная переменная тестируется для вывода о неисправностях частей ИМС после проверки второй части тестируемой микросхемы.

Рисунок 6. - Схема алгоритма проверки ИМС:



Рисунок 7. - Схема алгоритма перебора PTS:

3.2 Разработка текста программы

При разработке программы, необходимо учитывать систему команд микроконтроллера, которая приведена в пункте 1.2.2.

Программа имеет две подпрограммы, которые выводят тестовые слова, и принимает фактическую реакцию ИМС.

При старте программы настраиваются порты ввода-вывода: порт PA настраивается на вывод, порт PB настраивается на ввод, PC на вывод. Затем вводится фактическая реакция.

Затем последовательно тестируются все режимы работы. При тестировании состояний «Запрет» и «Разрешение», вызывается подпрограмма, которая выводит тестовое слово, и принимает фактическую реакцию, затем сравнивает биты на управляющих входах и в зависимости от результата либо формирует новый эталон, либо изменяет параметр цикла.

При обнаружении ошибки, управление тестирование текущей части ИМС прерывается, на соответствующий порт подается сигнал об ошибке.

Рисунок 8:



Выводы

В ходе выполнения работы, были изучены:

- методика постановки задачи проектирования цифровых устройств и ее формализация; цифровой микроконтроллер электронный

- методика оформления результатов пред проектного анализа состояния проблемной области в виде технического задания на проектируемое цифровое устройство.

При выполнении работы использовались современные информационные технологии при проектировании цифровых устройств, такие как интернет, программные пакеты текстовых и графических редакторов. Во время выполнения проекта были решены задачи теоретического и проектного характера:

- поиск и изучение информации о состоянии предметной области и рынка устройств с аналогами и прототипами из всевозможных источников;

- всесторонний анализ собранной информации с целью дальнейшего выбора оптимальных и обоснованных проектных решений;

- тщательная детализация задачи, завершающаяся разработкой документа «Техническое задание»;

- разработка структурной схемы устройства;

- разработка алгоритма функционирования устройства;

- разработка принципиальной схемы устройства.

Выполнение проекта обеспечило прочные знания и практические навыки в проектировании цифровых устройств, а также подготовку прочной основы для последующего успешного выполнения и защиты дипломного проекта по аналогичной тематике.



Список использованной литературы

1. Мальцев П.П. - «Цифровые интегральные схемы», изд.: Радио и связь, 1994, 42 с.

2. Ульрих В.А. - «Микроконтроллер PIC16C7X», Наука и техника, Спб 2000, 18-19 с.

Размещено на Allbest.ru

...