Микропроцессорная система сбора и обработки данных

Размещено на http://allbest.ru

Микропроцессорная система сбора и обработки данных

Введение

микроконтроллер управление микропроцессор

Микропроцессоры и микропроцессорные системы являются в настоящее время наиболее массовыми средствами вычислительной техники. Появление микропроцессорных БИС позволило из-за их дешевизны, малых габаритов, массы, мощности потребления и свойства программируемости функций решить проблему разработки малого числа БИС для большого числа применений, внедрить вычислительную технику в те области, в которых ранее она не использовалась.

Для обработки аналоговых и цифровых сигналов разработана большая номенклатура микросхем, среди которых можно отметить генераторы, усилители, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, модуляторы, компараторы, переключатели тока и напряжения, элементы выборки и хранения, фильтры, центральные процессорные элементы, устройства управления вводом-выводом, программируемые последовательные и параллельные интерфейсы, котроллеры прямого доступа к памяти, магистральные приемопередатчики, блоки микропрограммного управления, приоритетного прерывания, запоминающие устройства, многофункциональные синхронизирующие устройства, программируемые таймеры и т. д. Большинство перечисленных схем и устройств являются функциональными составными частями микропроцессорных комплектов, в значительной степени определяя архитектуру микро-ЭВМ. Однако практически любая микро-ЭВМ кроме основных функциональных БИС содержит и значительное число микросхем средней и малой степени интеграции.

В рамках настоящей работы разработана микропроцессорная система. Данная разработка ставит своей целью ознакомление с принципами построения микропроцессорных систем.

Построение системы на одном из простых микропроцессорных комплектов позволит в дальнейшем проектировать более современные и быстродействующие устройства.

1.Выбор микроконтроллера/микропроцессора

В последние годы при разработке систем управления объектами различного типа и уровня сложности все больше внимания уделяется микроконтроллерной технике. Это связано с ее бурным развитием и широким ассортиментом предлагаемой продукции. Использование микроконтроллеров позволяет конструировать устройства, обладающие такими качествами, как небольшие габариты, относительная дешевизна, простота и надежность, совместимость с персональным компьютером через стандартные интерфейсы.

При разработке устройства возникает необходимость в выборе микроконтроллера, удовлетворяющего требованиям по производительности, надежности, условиям применения и т.д.

Выбор микроконтроллера (МК) является одним из самых важных решений, от которых зависит успех или провал всего проекта. При выборе микроконтроллера существуют многочисленные критерии.

Основная цель - выбрать микроконтроллер с минимальной ценой (чтобы снизить общую стоимость системы), но в то же время удовлетворяющий системной спецификации, т.е. требованиям по производительности, надежности, условиям применения и т.д. Общая стоимость системы включает все: инженерное исследование и разработку, производство (комплектующие и труд), гарантийный ремонт, обновление, обслуживание, совместимость, простоту в обращении и т.д.

Второй шаг - поиск микроконтроллеров, которые удовлетворяют всем системным требованиям. Он обычно включает подбор литературы, технических описаний и технических коммерческих журналов, а также демонстрационные консультации.

Последняя стадия выбора состоит из нескольких этапов, цель которых - сузить список приемлемых микроконтроллеров до одного. Эти этапы включают в себя анализ цены, доступности, средств разработки, поддержки производителя, стабильности и наличия других производителей.

Проведение системного анализа проекта позволяет определить требования к микроконтроллеру:

- разрядность вычислительного ядра;

- набор встроенных периферийных устройств (таймеры, АЦП и т.п.);

- наличие битовых операций;

- аппаратная организация обработки данных (структура машинного цикла, соотношение тактов ГТИ и машинных циклов);

- аппаратная организация обработки данных (структура машинного цикла, соотношение тактов ГТИ и машинных циклов);

- возможность работа по прерываниям, по внешним сигналам готовности или по командам человека;

- количество управляемых портов ввода/вывода, характер передачи - байтовая или битовая, программная настройка направления передачи;

- тип устройств ввода/вывода, которыми должен управлять выбираемый МК в проектируемой системе (терминалы, выключатели, реле, клавиши, датчики, цифровые устройства визуальной индикации, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, модуляторы и т.д.);

- поддерживаемые способы загрузки программ в микроконтроллер, возможность внутрисистемного программирования (ISP), использование при этом стандартизированных интерфейсов (SPI, I2C);

- количество и тип напряжений питаний;

- отказоустойчивость источника питания;

- массогабаритные и эстетические ограничения;

- условия окружающей среды, необходимые для эксплуатации.

2. Составить систему управления микроконтроллеров

Проектирование новой микро-ЭВМ обычно начинается с описания ее архитектуры, представляющей собой модель микро-ЭВМ с точки зрения программиста. Модель в процессе проектирования преобразуется в структуру микро-ЭВМ, определяющую состав, назначение и взаимные связи необходимых аппаратурных компонентов, реализующих желаемую архитектуру. В последнее время наибольшее распространение получил принцип модульной организации вычислительных систем. Среди способов организации связи элементов внутри модулей и между модулями в системе можно выделить два: с помощью произвольных связей, реализующих принцип “каждый с каждым”, и с помощью упорядоченных связей ( магистральный ), позволяющий минимизировать число связей. . Наиболее распространенной является схема микро-ЭВМ, имеющая две или три общие магистрали, к которым под воздействием устройства управления могут поочередно подключаться входящие в микропроцессор узлы. Такая структура требует ограниченного числа внешних контактов, но обмен информацией между узлами и блоками должен осуществляться в определенной последовательности. . В микро-ЭВМ процессор строится на БИС, образующих базовый МП-комплект. Процессор микро-ЭВМ может быть реализован в виде одной (однокристальный микропроцессор) или нескольких БИС (многокристальный микропроцессор).

Рисунок 2.1. Структурная схема микропроцессорной системы.

Для построения остальных блоков микро-ЭВМ используются специализированные БИС или ИС средней степени интеграции. Основные типы ИС, применяемых в микро-ЭВМ, могут быть отнесены к одной из четырех групп: базовый микропроцессорный комплект (МПК) ИС; ИС запоминающих устройств; ИС устройств ввода-вывода информации в микропроцессор; ИС для связи микро-ЭВМ с объектами управления.

В соответствии с разработкой специализированных ИС для различных блоков микро-ЭВМ структурная схема ее может быть представлена как совокупность функциональных блоков (рис. 2.1), соединенных между собой в соответствии с требованиями интерфейсов. В приведенной схеме обработку информации осуществляет микропроцессор, синхронизируемый тактовыми импульсами устройства синхронизации. Обмен информацией между микропроцессором и остальными блоками микро-ЭВМ осуществляется по трем магистралям: адресной, данных и управляющей. .

В ней выделяют три основных компонента - центральный процессор, функции которого выполняет микропроцессор, память и средства ввода-вывода. Микропроцессор является единственным активным компонентом системы и реализует следующие функции: управляет выполнением команд программы: выбирает команду, считывает операнды, преобразует их в соответствии со смыслом команды и определяет адрес следующей команды; управляет обменом различной информацией между компонентами системы; реагирует на разнообразные внешние сигналы.

Память МП-системы представлена программным энергонезависимым постоянным запоминающим устройством (ПЗУ), допускающим только считывание хранимой информации, и полупроводниковой оперативной энергозависимой памятью (или запоминающим устройством с произвольной выборкой - ЗУПВ), выполняющей операции считывания (READ) и записи (WRITE), которые называются также обращением (доступом) к памяти.

В функциональном отношении память состоит из однотипных ячеек, длина(разрядность) которых совпадает с длиной слова микропроцессора, т.е. составляет 8 бит (1байт). Ячейки пронумерованы, номера их называются адресами, и для обращения к ячейке достаточно указать ее адрес. Совокупность ячеек, к которым потенциально может адресоваться микропроцессор, называется адресным пространством (полем) памяти, а фактически имеющиеся ячейки образуют рабочее (физическое) пространство памяти МП-системы.

Адресное пространство микропроцессора составляет 64 Кбайт (65 536 ячеек). Адресное пространство графически изображается в виде столбца из 64 К строк (ячеек) с адресами от 00...00 до 11...11. В МП-системе различные области адресного пространства группируются в блоки из последовательных ячеек, образующие так называемую карту памяти. Блоки могут относиться к аппаратным устройствам, например блоки ПЗУ и ЗУПВ, или к программным образованиям, например основная программа, подпрограммы, стандартные программы ввода-вывода и др. Нумерация ячеек обычно производится сверху и реже - снизу вверх. Иногда адресное пространство и карту памяти изображают двухмерной матрицей, число строк и столбцов в которой определяется емкостью минимального блока.

Средства ввода-вывода (ВВ) представлены портами ввода (входными портами) и вывода (выходными портами). Информация от устройств ввода поступает в порты ввода и считывается микропроцессором, а порты вывода воспринимают информацию от микропроцессора и передают ее в устройства вывода. В простейшем случае порты ввода и вывода представляют собой буферные регистры, имеющие определенные адреса и выполняющие функции сопряжения МП-системы с разнообразными периферийными устройствами (“внешним миром”).

Взаимодействие микропроцессора с памятью и средствами ВВ осуществляется по системной шине, состоящей из нескольких десятков линий (число линий в шине иногда называют ее шириной). .

Одно из возможных применений микропроцессорных систем - это их применение в задачах сбора данных. Применение микропроцессорных систем для реализации данных задачах позволяет обеспечить гибкие возможности данных систем, упростить их реализацию, расширить область применения.

3. Выбор микропроцессора

Одним из основных критериев при выборе микропроцессора является быстродействие. Так как к проектируемой системе не предъявляются высокие требования, то можно выбрать микропроцессор со средним быстродействием. Выберем микропроцессор из МПК серии КР580. . Микропроцессорный комплект серии КР580 является одним из распространенных комплектов БИС, позволяющий создавать эффективные вычислительные устройства, ориентированные на реализацию вычислительных задач и устройств управления. Основу комплекта составляет однокристальный МП КР580ВМ80. Кроме МП в состав серии КР580 входит большое число БИС, позволяющих относительно просто подключать к МП различные устройства, организовывать быстрый обмен информацией между блоками ЭВМ. Изучение особенностей построения микро-ЭВМ на МПК серии КР580 позволит легко освоиться с работой других аналогичных МПК. . Микропроцессорный комплект КР580 включает в себя микросхемы:

1. Микропроцессорная БИС.

2. Программируемое устройство ввода-вывода параллельной информации различного формата КР580ВВ55.

3. Программируемый блок приоритетного прерывания КР580ВН59.

4. Программируемое устройство прямого доступа к памяти КР580ВТ57.

5. Интегральный таймер КР580ВИ53.

6. Универсальный синхронно-асинхронный программируемый приемопередатчик КР580ВВ51.

7. Программируемый контроллер клавиатуры КР580ВВ79

8. Системный контроллер КР580ВН28.

Схемы выполнены по n-МОП технологии, входные и выходные сигналы соответствуют уровням работы ТТЛ-схем. Микро-ЭВМ, построенная на базе комплекта, работает с тактовой частотой до 2 МГц. Схемы программируются с помощью фиксированного набора команд МП БИС КР580ВМ80.

Микропроцессорная БИС КР580ВМ80 представляет собой однокристальный 8-разрядный МП с двумя магистралями: однонаправленной 16-разрядной адресной магистралью , двунаправленной 8-разрядной магистралью данных , и 12 сигналами управления (шесть входных и шесть выходных). МП применяется в качестве центрального процессора в устройствах обработки данных и управления. Канал адреса обеспечивает прямую адресацию внешней памяти объемом до 65535 байт, 256 устройств ввода и 256 устройств вывода. Микропроцессорная БИС рассчитана на выполнение логических и арифметических операций с 8-разрядными числами в двоичной и десятичной системах счисления, а также операций с двойной разрядностью ( с 16-разрядными числами ).

4. Отладка микроконтроллера/микропроцессора под определенный вид материнской платы

Важнейшим этапом создания любой технической системы является ее отладка. Особенностью отладки микропроцессорных систем является нерасторжимость программных и аппаратных средств.

Для решения указанных задач применяются аппаратные и программные средства отладки ПО (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Классификация средств отладки программного обеспечения

Из аппаратных средств рассмотрим пока только программатор-отладчик PicKit2. Из программных, будем использовать в качестве отладчика встроенный в MPLAB симулятор (MPLAB SIM) и подключим программу Proteus VSM . Откроем симулятор "MPLAB SIM" в MPLAB IDE. Для запуска симулятора выбираем вкладку "Debbiger" -> "Select Tool" -> "MPLAB SIM", как показано на рисунке.

Появятся кнопки управления симулятором, как на рисунке ниже.

- запуск . - остановка. - непрерывное движение программы. - пошаговое исполнение программы (без пропусков)

- пошаговое исполнение программы (пропуск подпрограммы ) - пошаговое исполнение программы (выход из подпрограммы) - сброс к началу программы. - точка остановки программы.

Первоначально необходимо настроить частоту процессора. Для этого на вкладке "Debugger" из выпадающего меню выбираем "Settings".

Устанавливаем частоту процессора 2 МГц и нажимаем кнопку "ОК".

Для визуального наблюдения о состояние регистров, памяти программ, отследить временной интервал и многое другое, нужно открыть вкладку "View" и выбрать из выпадающего списка необходимое окно.

Откроем File Registers" и "Special Function Registers", т.е. мы открываем два окна, для просмотра состояния оперативной памяти и спецрегистров (в последнем будем наблюдать состояние порта "В").

Компилируем проект. С помощью кнопок управления отслеживаем работу программы. Для измерения длительности необходимо открыть окно "Stopwatch" на вкладке "Debugger". В котором отображается количество машинных циклов и время прохождения указанного участка программы. Кроме этого "виртуально" мы можем отлаживать нашу программу и в "Протеусе", для этого делаем следующие: . запускаем протеус. ( "Debbiger" -> "Select Tool" -> "Proteus VSM")

Открываем ранее сохраненный проект "Test_01".

Запускаем симуляцию протеуса.

Запускаем отладку alt.

Кроме "виртуальных" (программных) мы можем отлаживать программу и в "железе" (аппаратные устройства ), при помощи того же программатора-отладчика Pickit2. Для этого открываем вкладку "Debbiger" и выбираем "PICkit2" ( "Debbiger" -> "Select Tool" -> "PICkit2") .

Заключение

В результате выполнения данной работы было получено множество новых знаний и навыков, а так же закрепили уже имеющиеся.

В рамках данной работы была разработана микропроцессорная система на базе микропроцессора КР580ВМ80.

Разработка микропроцессорной системы позволила ознакомиться с принципами построения микро-ЭВМ, подборкой микропроцессора для микропроцессорной системы и способами отладки системы.

Список литературы

1. Анкудинов И.Г. Микропроцессорные системы. Архитектура и проектирование: Учеб. пособие.- СПб.: СЗТУ, 2003г, 109 c.

2. Благов А.Е., Маханько А.А. Микропроцессорные устройства систем управления. Учебное пособие./ Издание 2-ое переработанное и дополненное - Казань.: Изд-во КНИТУ-КАИ, 2013г,150 стр.

3. Костров Б.В., Ручкин В.Н. Микропроцессорные системы и контроллеры. Учебное пособие. М.,ДЕСС, 2007г,319 с.

4. Методические указания по выполнению лабораторной работы №3 по единому комплексному заданию по блоку дисциплины «Проектирование микропроцессорных систем (МП и МК)» / Коллектив авторов - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012г,41 с.

5. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем. Справочник. / Под ред. В. А. Шахнова. - М.: “ Радио и связь”, 1988. 6. Микропроцессоры, архитектура и проектирование микро-ЭВМ. Организация вычислительных процессов. - М.: Высшая школа, 1986. 7. Микропроцессоры INTEL 8080, 8085 (КР580ВМ80А, КР1821ВМ85А) и их программирование/ К.А. Палагута. - М.:МГИУ, 2007г, 104 с.

Размещено на Allbest.ru