Файл: Проектирование микропроцессорных.pdf

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Оренбургский государственный университет»
Кафедра вычислительной техники
Е.В. БУРЬКОВА
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ
СИСТЕМ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К
КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ
Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Оренбургский государственный университет»
Оренбург 2008

2
УДК 004.3(076.5)
ББК 32.973.26-04 я 73
Б 91
Рецензент кандидат технических наук, доцент А.В. Хлуденев
Бурькова Е.В.
Б 91 Проектирование микропроцессорных систем: методические ука-
зания к курсовому проектированию / Е.В. Бурькова – Оренбург,
ГОУ ОГУ, 2008. – 32 с.
В методических указаниях представлена характеристика современ- ных методов проектирования микропроцессорных систем, дано описание этапов проектирования, рассмотрены инструментальные средства разра- ботки приложений на основе микроконтроллеров, даны варианты заданий для курсового проекта по дисциплине «Микропроцессорные системы».
Методические указания предназначены для студентов специально- стей направления 230100 «Информатика и вычислительная техника», а также могут быть полезными для инженеров, занятых проектированием вычислительных систем на базе микроконтроллеров.
ББК 32.973.26-04 я 73
© Бурькова Е.В. 2008
© ГОУ ОГУ, 2008

3
Содержание
Введение……………………………………………………………………………...4 1 Характеристика современных методов проектирования микропроцессорных систем………………………………………………………...5 2 Обзор литературы по проектированию микропроцессорных систем ………………………………………………………..7 3 Формализация задачи проектирования микропроцессорной системы………...8 4 Критерии оценки качества микропроцессорной системы…………………...….9 5 Основной математический аппарат, используемый при проектировании микропроцессорных систем…………………………………….12 6 Основные сведения о микроконтроллерах ……………………………………..13 6.1 Встраиваемые МК……………………………………………………………....13 6.2 Микроконтроллеры с внешней памятью……………………………………...15 6.3 Цифровые сигнальные процессоры…………………………………………...16 6.4 Модульная организация микроконтроллеров………………………………...16 7 Порядок проектирования микропроцессорной системы………………………17 7.1 Функциональная спецификация……………………………………………….18 7.2 Системно-алгоритмическое проектирование. Разбиение МПС на аппаратную и программную части………………………………………….…18 7.3 Проектирование аппаратных средств МПС…………………………………..19 7.4 Проектирование программного обеспечения МПС………………………….20 8 Средства отладки микропроцессорных систем………………………………...21 9 Работа с литературой……………………………………………………………..23 10 Варианты заданий для разработки курсового проекта………………………..24
Список использованных источников……………………………………………...32

4
Введение
Среди видов деятельности инженеров в области вычислительной техники, предусмотренных Государственным стандартом высшего профессионального образования, важное место занимает проектно-конструкторская деятельность, а именно - проектирование микропроцессорных вычислительных систем. В связи с этим обучение методам проектирования вычислительных систем является ак- туальной задачей подготовки инженеров данного профиля.
В настоящее время широкое распространение получили микропроцессор- ные системы на основе микроконтроллеров, которые отличаются от других микропроцессорных систем не только архитектурой и характеристиками, но и особенностями функционирования и реализации. Большинство микроконтрол- леров представляют собой процессор, интегрированный с памятью и устройст- вами вода/вывода данных. Когда разрабатывается система на основе микрокон- троллера, то создаются не только аппаратные средства, которые реализуются соответствующим подключением микроконтроллера к внешним устройствам.
Разработчик должен также обеспечить выполнение многих системных функ- ций, которые в традиционных микропроцессорных системах обеспечиваются с помощью операционной системы и специальных периферийных микросхем.
Это позволяет оптимизировать проект для конкретного применения.
Проектирование любой сложной системы начинается с создания матема- тической модели и исследования ее на ЭВМ. При проектировании микропро- цессорных систем широко применяются методы аналитического и имитацион- ного моделирования с использованием различных автоматизированных про- граммных сред. Важным преимуществом среды при проектировании микро- процессорной системы является объединение инструментальных средств разра- ботки программного обеспечения с инструментальными средствами разработки аппаратного обеспечения. Основной задачей такой среды является создание виртуальной модели микропроцессорного электронного устройства.
Эффективность проектирования микропроцессорных систем определяет- ся в первую очередь квалификацией разработчика и арсеналом инструменталь- ных средств. При изучении курса «Микропроцессорные системы» используют- ся различные средства, выполняющие ввод/вывод аналоговых и цифровых сиг- налов, хранение и обработки данных, хранение и выполнения командных ко- дов, а также консольная индикация выполняемых операций и управление. По своей функциональной законченности различают следующие устройства: кон- троллеры-конструкторы; учебные микропроцессорные стенды.
В данных методических указаниях представлена характеристика совре- менных методов проектирования микропроцессорных систем, дано описание этапов проектирования, рассмотрены инструментальные средства разработки приложений на основе микроконтроллеров, даны варианты заданий для курсо- вого проекта по дисциплине «Микропроцессорные системы».

5
1 Характеристика современных методов проектирования
микропроцессорных систем
Наличие в микропроцессорной системе как аппаратных, так и программ- ных средств обуславливает ряд специфических особенностей, присущих про- цессу ее создания. Он существенно отличается от проектирования традицион- ных электронных устройств, не предполагающих программное обеспечение. В отличие от традиционного подхода, когда все функции, возлагаемые на устрой- ство, достигаются чисто аппаратными средствами и другой альтернативы про- сто не существует, при аппаратно-программной реализации выполняемые функции оптимально располагаются между программными и аппаратными средствами микропроцессорной системы.
Идея единства программного и аппаратного обеспечения систем на базе микроконтроллеров является очень важной. Объединение инструментальных средств разработки программного обеспечения с инструментальными средст- вами разработки аппаратного обеспечения может стать важным преимущест- вом при разработке устройства. Существуют пять различных инструментов, ко- торые используются для разработки приложений на базе микроконтроллеров, и объединение их функций может существенно облегчить процесс проектирова- ния:
- редактор исходных текстов;
- компилятор/ассемблер;
- программный симулятор;
- аппаратный эмулятор;
- программатор.
Хотя не все из этих инструментов являются необходимыми, и каждый из них может исполняться в отдельности, но их совместное использование упро- щает разработку и отладку приложения.
Редактор используется для создания исходного кода программы. Суще- ствует множество самых разнообразных редакторов от простых, которые копи- руют код, вводимый с клавиатуры, в файл, до специализированных редакторов, реакция которых на нажатие определенных клавиш может программироваться пользователем. Такая реакция редактора избавляет разработчика от необходи- мости заботится о правильном синтаксисе оператора.
Компилятор/ассемблер используется для преобразования исходного текста в машинные коды микроконтроллера, т.е. в формат, который может быть загружен память программ.
Симуляторы — это программы, которые выполняют откомпилирован- ный программный код в инструментальном компьютере. Это позволяет осуще- ствлять наблюдение за программой и реакцией микроконтроллера на различные события. Симулятор может быть неоценимым инструментом в процессе разра- ботки программного обеспечения, позволяя исследовать различные ситуации, которые трудно воспроизвести на реальной аппаратуре.

6
Важное преимущество симуляторов — возможность многократного вос- произведения рабочих ситуаций. Если надо понять, почему участок программы работает некорректно, можно повторять этот участок снова и снова до тех пор, пока ошибка не будет обнаружена. Воспроизводимость может быть расширена путем использования специальных файлов входных воздействий. Эти файлы служат для того, чтобы задать симулятору различные комбинации входных по- токов данных и формы сигналов. Чтобы имитировать внешние условия и си- туации, обычно используется специальный файл входных воздействий. Этот файл задает последовательность входных сигналов, поступающих на модели- руемое устройство. Разработка такого файла может потребовать много времени и больших усилий. Но для понимания того, как работают микроконтроллер и программа в определенных ситуациях, использование симулятора и файла входных воздействий является наилучшим методом. В большинстве случаев следует использовать симуляцию перед сборкой и включением реальной схе- мы. Если устройство не работает ожидаемым образом, то следует изменить файл входных воздействий и попытаться понять, в чем состоит проблема, ис- пользуя для этого симулятор, который позволяет наблюдать за процессом вы- полнения программы в отличие от реальной аппаратуры, где можно увидеть только конечные результаты.
Эмуляторы. Наиболее сложным и дорогим инструментом для отладки приложения и электрических интерфейсов является эмулятор. Эмулятор — это устройство, которое заменяет микроконтроллер в схеме и выполняет программу под Вашим управлением. Эмулятор является превосходным инструментом для разработки большинства приложений, хотя имеются некоторые разногласия по вопросу их использования в процессе разработки.
Обычно эмулятор содержит специальный эмуляторный кристалл, кото- рый подсоединяется в ведущему компьютеру или рабочей станции. Эмулятор- ный кристалл - это обычный микроконтроллер, помещенный нестандартный корпус с дополнительными выводами, которые подключаются к шине памяти программ и управляющим сигналам процессора. Эти дополнительные выводы позволяют соединять микроконтроллер с внешней памятью программ, которая подключена к ведущему компьютеру. Такой интерфейс позволяет легко загру- жать тестовые программы в эмуляторный кристалл. Выводы эмуляторного кри- сталла соединяются с разъемом (эмуляторная вилка), который подключается к отлаживаемому устройству, заменяя в нем микроконтроллер.
Взаимодействие с эмуляторами очень похоже на работу с симулятором.
Разница состоит в том, что эмулятор не воспринимает файл входных воздейст- вий, так как его выводы подключены к реальному устройству. Эмулятор пред- назначен для отладки приложений на реальном оборудовании.
Программатор. Последний инструмент разработчика - это программатор памяти программ микроконтроллера. Хотя некоторые производители микро- контроллеров предпочитают выпускать их с масочнопрограммируемой памя- тью программ, они обычно выпускают также аналогичные версии микрокон- троллеров с E(E)PROM памятью для разработки приложений. Это значит, что

7 существует возможность непосредственного программирования микроконтрол- лера при разработке приложения.
Для некоторых микроконтроллеров требуется специальный программа- тор, но чаще всего используются возможности внутрисистемного программи- рования ISP. В таком случае программатор является частью проектируемого устройства. Некоторые программаторы реализуют функции схемного эмулято- ра. При этом установленный в программаторе микроконтроллер подключается к отлаживаемой системе и управляет ее работой аналогично тому, как это вы- полняется в эмуляторе.
2 Обзор литературы по проектированию микропроцессор-
ных систем
1. Бродин В.Б. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики / В.Б. Бродин, А.В. Калинин– М.: ЭКОМ, 2002.
2. Бурькова Е.В. Освоение микропроцессорной техники в формировании информационной компетентности студентов: учебное пособие / Е.В.
Бурькова – Челябинск: Изд-во Южно-Уральского отделения РАО,
2005. – 209 с.
3. Васильев В.Н. Электронные промышленные устройства / В.Н. Василь- ев, Ю.М. Гусев, В.Н. Миронов – М.: Высшая школа, 1988. – 303с.
4. Каган Б.Н. Основы проектирования микропроцессорных устройств ав- томатики / Б.Н. Каган, В.В. Сташин – М.: Энергоатомиздат, 1987. –
304с.
5. Корнеев В.В. Современные микропроцессоры / В.В.Корнеев, А.В. Ки- селѐв– М.: Нолидж, 2000. – 320 с.
6. Новиков Ю.В. Основы микропроцессорной техники / Ю.В. Новиков,
П.К. Скоробогатов - М.: ИНТУИТ.РУ. «Интернет-Университет Ин- формационных технологий», 2003.-440с.
7. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования /Ю.В. Новиков – М.: Мир 2001.–379 с.
8. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. Том I / М. Предко -
М.: Постмаркет, 2001. - 416 с.
9. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. Том II / М. Предко -
М.: Постмаркет, 2001. - 488 с.
10. Пухальский Г.И. Проектирование микропроцессорных устройств: учебное пособие для вузов / Г.И. Пухальский - СПб.: Политехника,
2001-544 с.
11. Пятибратов А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации
/ А.П. Пятибратов, К.П. Гудыко, А.А. Кириченко– М.: Высшая школа,
2000.

8 12. Ремизевич Т.В. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений. От общих подходов – к семействам HC 05 и HC 08 фирмы MOTOROLA. справочник / Т.В. Ремизевич – М.: ДОДЕКА , 2000.
13. Тавернье К. PIC- микроконтроллеры. Практика применения.
/ К.Тавернье – М.: ДМК Пресс, 2000.
14. Хоровиц П. Искусство схемотехники / П.Хоровиц, У. Хилл – М.: Мир,
1998. – 704 с.
15. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные реше- ния: справочник / Б.В. Шевкопляс – М.: Радио и связь, 1990 – 512 с.
16. www.microchip.ru
17. www.mcu.motsps.com/mc.html
18. www.labyrinth.net.au/steve/8051.html
19. www.philipsmsu.com
20. www.intel.com
21. www.atmel.com
3 Формализация задачи проектирования микропроцессор-
ной системы
Формализация задачи проектирования микропроцессорной системы включает определение входов и выходов аппаратных и программных блоков, конкретных процессов обработки, формулирование и учет системных ограни- чений (эксплуатационных, временных, объемных, точностных и др.) на основе функций, которые будет выполнять разрабатываемая система.
Первый шаг цикла проектирования микропроцессорной системы включа- ет в себя определение набора требований пользователя и создания вытекающей из них функциональной спецификации, а также формулирование системных требований к микропроцессорной системе. Требования пользователя опреде- ляют то, что он хочет получить от системы, и что она должна делать. В рамках дипломного проекта в качестве требований пользователя выступает задание на проектирование микропроцессорной системы. Функциональная спецификация микропроцессорной системы определяет, какие функции должны выполняться для удовлетворения требований пользователя и обеспечения интерфейса (связи) между системой и ее внешним окружением (обслуживающим персоналом, ис- полнительными устройствами, датчиками и т.д.). Последнее определяет нали- чие и количество индикационных элементов, клавиатуры, входов и выходов микропроцессорной системы. На этапе формулирования системных требований детализируется функциональная спецификация с точки зрения выполнения сис- темных функций (системная функция ввода-вывода дискретной информации, системная функция ввода-вывода аналоговой информации, обслуживание кла- виатуры и индикации и др.).