Микропроцессорные информационно-управляющие системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

РОСЖЕЛДОР

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВО РГУПС)

Кафедра «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте»

Расчетно-графическая работа

по дисциплине «Микропроцессорные информационно-управляющие системы»

Ростов-на-Дону 2016

1. МИУС. Общие сведения

Ознакомьтесь с определением МИУС, классификацией, реализуемыми функциями. Какие требования, предъявляются к МИУС с учетом специфики работы устройств железнодорожного транспорта?

Изучите общую методику проектирования МП-систем на базе микроконтроллеров. Ознакомьтесь с этапами подготовки программного обеспечения для микропроцессорных систем. Какие программно-технические средства используются на каждом этапе?

1.1 Архитектура и система команд микроконтроллера Intel 8051

Дайте краткую характеристику базовой модели однокристальных микро-ЭВМ семейства Intel 8051:

- приведите основные характеристики базовой версии микроконтроллера,

- нарисуйте структурную схему микроконтроллера, опишите основные элементы программной модели,

- опишите устройство и режимы работы универсального асинхронного приёмопередатчика микроконтроллера.

Приведите общие сведения о системе команд микроконтроллера, опишите используемые режимы адресации данных и типы операндов.

Заполните таблицу 1, используя описание системы команд в приложении.

Запишите мнемонику команды, ее машинный код, укажите количество байтов и машинных циклов, определите время выполнения команды при частоте процессора 24 МГц (см. пример в таблице 1)

1.2 Индивидуальное задание

Напишите программу на языке ассемблера микроконтроллеров семейства Intel 8051, нарисуйте блок-схему алгоритма работы программы.

Область внешней памяти данных (ВПД), начиная с адреса NADR заполнить последовательностью чисел по возрастанию, начиная с числа BEGIN и далее, увеличивая на Х, до тех пор, пока текущее значение станет больше либо равно значения ETALON. При выполнении условия переслать последнее число в порт Р1. Программу разместить в памяти, начиная с адреса 40h.

Числовые значения задаются личным шифром студента:

NADR = ШИФР, BEGIN = Ш, ETALON = ФР, Х = И+1

Напишите программу циклического вывода через последовательный порт символа, соответствующего первой букве фамилии студента, при рабочей частоте процессора 11,059 МГц и скорости передачи 2400 Бод. Каждый цикл сопровождается стробирующим сигналом на линии Р1.1 микроконтроллера длительностью 200 мкс.

2. Архитектура и система команд микроконтроллера Intel 8051

2.1 Краткая характеристика базовой модели однокристальных микро-ЭВМ семейства Intel 8051

Микроконтроллеры базового семейства Intel 8051 (МК51) выполнены на основе высокоуровневой n-МОП или КМОП технологии. Для работы МК51 требуется источник питания +5В. Основу структурной схемы МК51 составляет внутренняя 8-битная шина, связывающая между собой все основные узлы и устройства: резидентную память, арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок регистров специальных функций, устройство управления и порты ввода-вывода.

Базовая модель однокристальных ЭВМ 80С51содержит:

Центральный восьмиразрядный процессор.

Внутреннюю память программ 4 кбайт с возможностью расширения до 64 кбайт за счет подключения внешней памяти программ.

Внутреннюю память данных емкостью 128 байт с возможностью расширения до 64 кбайт.

Четыре восьмиразрядных программируемых порта ввода - вывода.

Два 16-битных многорежимных таймер-счетчика.

Подсистему прерываний с 5 векторами и 2 уровнями.

Последовательный интерфейс.

Тактовый генератор.

Схему управления энергопотреблением.

Базовая частота тактирования MК51 - 12 МГц. Каждый машинный цикл выполняется за 12 тактов. В однокристальных микро-ЭВМ данного семейства реализованы режимы пониженного энергопотребления: Режим холостого хода - Idle. Блокируются функциональные узлы процессора, это и понижает потребляемую мощность. Режим микропотребления - Power Down. Задающий генератор выключается, работа всех узлов ОМЭВМ прекращается, сохраняется только содержимое ОЗУ, единственный выход - аппаратный сброс.

Основу структурной схемы образует внутренняя двунаправленная 8-битная шина, которая связывает между собой основные узлы и устройства микроконтроллера: резидентную память программ, резидентную память данных, арифметико-логическое устройство, блок регистров специальных функций, устройство управления и порты ввода/вывода.

Рисунок 1 - Структурная схема микроконтроллера семейства Intel 8051

УУ и УС - устройство управления и устройство синхронизации. OSC - oscillator - внутренний ГТИ для синхронизации которого нужен кварц. РПД - resident Program memory - резидентная память данных. РПП - resident Data memory - резидентная память программ. Микропроцессорное ядро осуществляет организацию взаимодействия между всеми элементами МК, управляя его работой. В его состав входят: ALU - арифметико-логическое устройство, A - accumulator - сверхоперативный регистр, который является местом фиксации результата операций, B - второй сверхоперативный регистр, PSW - Program Status Word - регистр слова состояния программы, содержит флаги - признаки результата операции, SP - Stack Pointer - регистр указатель стека, PС - Program Counter - счетчик команд, содержит адрес выполняемой команды, RAR - Ram Address Register - регистр адреса данных, содержит адреса данных, используемых в операциях, программно недоступен, DPTR - Data Pointer - регистр указатель данных, содержит адреса ячеек памяти (ВПП и ВПД). Контроллер прерываний - устройство, реализующее механизм прерываний, Таймеры/счетчики Т0, Т1, Т2- устройства, использующиеся для подсчета количества импульсов или формирования временных интервалов. UART - универсальный асинхронный приемопередатчик, последовательный порт МК, использующийся при обмене данных с внешними устройствами. Р0-Р3 - параллельные двунаправленные восьмиразрядные порты ввода/вывода, формируют шину расширения МК. ВПД - внешняя память данных, расширение адресного пространства ПД до 64 Кбайт. ВПП - внешняя память программ, расширение адресного пространства ПП до 64 Кбайт. WDT - Watchdog Timer - сторожевой таймер, автоматически сбрасывающий МК, при сбоях в работе или зависании. ВУ - внешние устройства

Программная модель микроконтроллера семейства Intel 8051 включает ресурсы микроконтроллера, которые доступны программисту при создании программ. Прежде всего, к ней относятся ресурсы внутренней памяти программ и данных микроконтроллера и программный счетчик PC.

Однокристальные ЭВМ семейства Intel 8051 содержат 32 регистра общего назначения, 128 программно управляемых битов (флагов), набор регистров специальных функций. Каждому регистру специальных функций поставлен в соответствие восьмибитный адрес внутренней памяти программ.

Организация памяти микроконтроллера. Микроконтроллеры семейства Intel 8051 имеют несколько адресных пространств. Функционально и логически они разделены за счет реализации различных алгоритмов адресации и формирования различных сигналов управления. К ним относятся: внешняя память программ (ВПП), резидентная память программ (РПП), внешняя память данных (ВПД), резидентная память данных (РПД).

Память программ предназначена для хранения команд, констант, управляющих слов инициализации, таблиц перекодировки входных и выходных переменных и т.п.

Адресация ячеек памяти программ может осуществляться с использованием программного счетчика PC или регистра-указателя данных DPTR.

Резидентная память программ адресуется с использованием счетчика команд PC. Младшие адреса резидентной памяти программ отведены под обработку внешних прерываний, прерываний от таймеров/счетчиков, последовательного порта и дополнительных устройств.

Рисунок 2 - Организация памяти программ

В случае возникновения какого-либо из указанных прерываний происходит обращение к соответствующей ячейке резидентной памяти программ (например, при возникновении прерывания от таймера Т0 в PC записывается адрес вектора прерываний 000Вh).

При обращении к внешней памяти программ микроконтроллеры семейства Intel 8051 всегда используют полный 16-разрядный адрес, что обеспечивает доступ к 64 Кбайт внешней памяти программ ВПП. Обращение к внешней памяти программ сопровождается сигналом чтения внешней памяти программ PSEN (Program Store Enable) и возможно в двух случаях:

Когда сигнал ЕА активен, т.е. имеет уровень логического нуля, микроконтроллер выполняет программу с нулевого адреса внешней памяти программ.

Когда программный счетчик РС содержит число больше 0FFFh (последний адрес РПП при объеме 4 Кбайт) - микроконтроллер, выбрав команды из внутренней памяти, продолжает выполнять программу из внешней памяти программ.

Объем внешней памяти данных может достигать 64 Кбайт. Для обращения к внешней памяти данных используется только косвенная адресация с помощью регистров R0 и R1 или с помощью 16-разрядного регистра-указателя DPTR. Обращение к внешней памяти данных сопровождается стробирующими сигналами чтения RD^ и записи WR^.

Рисунок 3 - Организация памяти данных

Резидентная память данных РПД предназначена для хранения переменных в процессе выполнения прикладной программы, адресуется одним байтом и имеет емкость 128 байт. В РПД выделяют несколько специализированных областей.

Первые 32 байта памяти данных с 00h по 1Fh организованы в четыре банка регистров общего назначения, обозначаемых соответственно Банк 0 - Банк 3. Каждый из них состоит из восьми регистров R0 - R7. В любой момент программе доступен только один банк регистров, выбор которого производится в регистре слова состояния программы PSW.

Следующие 16 байт памяти данных с 20h по 2Fh представляют собой так называемую побитно адресуемую область. Она предоставляет возможность при помощи специальных команд обратиться к каждому из 128 бит ячеек памяти. При адресации бит, может быть указан либо абсолютный битовый адрес, либо символический адрес

С адресным пространством резидентной памяти данных граничит адресное пространство блока регистров специальных функций SFR (Special Function Register) c80h по FFh.

Чаще всего программист использует регистры специальных функций, регистры общего назначения и программно управляемые флаги, расположенные в адресном пространстве внутреннего ОЗУ памяти данных. Однокристальные ЭВМ семейства Intel 8051 содержат 32 регистра общего назначения, 128 программно управляемых битов (флагов), набор регистров специальных функций. Каждому регистру специальных функций поставлен в соответствие восьмибитный адрес внутренней памяти программ.

Таблица 1 - Регистры специальных функций базового микроконтроллера семейства Intel 8051

* - возможна побитовая адресация регистра.

Аккумулятор А (0E0H) - Accumulator - является источником операнда и местом фиксации результата при выполнении арифметических, логических операций и операций передачи данных.

Регистр В (0F0H) - Multiplication Register - регистр расширитель аккумулятора, используется в сочетании с аккумулятором при выполнении операций умножения и деления. В других операциях регистр B является обычным регистром общего назначения.

Регистр слова состояния PSW (0D0H) - Program Status Word - предназначен для фиксации признаков операций - флагов, которые формируются при выполнении ряда команд в арифметико-логическом устройстве.

Регистры-защелки параллельных портов P0-P3 (080Н, 090H, 0A0H, 0B0H) - Port0-Port3 - предназначены для обеспечения обмена информацией микроконтроллера с внешними устройствами, образуя 32 линии ввода/вывода. Помимо обычного ввода/вывода указанные порты могут выполнять ряд альтернативных функций.

Регистр-указатель стека SP (081H) - Stack Pointer - может адресовать любую область внутренней памяти данных. В процессе МК после сигнала сброса или при включении питающего напряжения в SP заносится код 07Н. Это означает, что первый элемент стека будет располагаться в ячейке памяти с адресом 08Н.

Регистр-указатель данных DPTR - Data Pointer - предназначен для хранения 16-разрядного адреса внешней памяти и состоит из двух программно доступных регистров DPH (083H) и DPL (082H), которые могут использоваться в качестве независимых регистров общего назначения. Кроме того, DPTR служит базовым регистром при косвенной адресации в некоторых командах пересылки или перехода.

Таймеры/счетчики Т/С0-Т/С1 - Timer/Counter0-Timer/Counter1 - два программно-управляемых 16-разрядных таймера/счетчика. Они представлены регистровыми парами с именами TH0 (08CH), TL0 (08AH) и TH1 (08DH), TL1 (08BH) которые могут быть программно прочитаны или загружены как в рабочем, так и в выключенном состоянии.

Регистр режимов работы таймеров/счетчиков TMOD (089H) - Timer/Counter Mode Control Register - используется для определения режима работы Т/Сn. однокристальный микроконтроллер память регистр

Регистр управления работой таймеров/счетчиков TCON (088H) - Timer/Counter Control Register - осуществляет контроль и управление работой таймеров/счетчиков

Регистр IE (0A8H) - Interrupt Enable Register - используется для разрешения или запрещения прерываний от соответствующих источников.

Регистр IP (0B8H) - Interrupt Priority Control Register - используется для установки уровня приоритета прерывания для каждого из источников прерываний.

Регистр PCON (087H) - Power Control Register - используется для управления режимами энергопотребления микроконтроллера.

Регистр SCON (098H) - Serial Port Control Register - предназначен для контроля и управления последовательным интерфейсом микроконтроллера.

Регистр SBUF (099H) - Serial Data Buffer - обеспечивает программный доступ к регистрам передатчика и приемника последовательного порта микроконтроллера.

2.2 Последовательный порт микроконтроллера Intel 8051

Через универсальный асинхронный приёмопередатчик UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) происходит передача информации, представленной последовательным кодом (младшими битами вперед), в полном дуплексном режиме обмена. В состав UART, называемого часто последовательным портом, входят принимающий и передающий сдвигающие регистры, а также специальный буферный регистр приёмопередатчика.

Регистр SCON. Регистр предназначен для управления режимом работы UART. Регистр содержит управляющие биты, а также биты прерывания приёмопередатчика RI и TI.