Файл: Проектирование микропроцессорных.pdf

15
Все эти возможности значительно увеличивают гибкость применения
МК и делают более простым процесс разработки систем на их основе. Но для реализации этих возможностей требуется расширение функций внешних выво- дов. Типичные значения max частоты тактовых сигналов составляют для раз- личных микроконтроллеров 10-20 МГц. Главным фактором, ограничивающим их скорость, является время доступа к памяти, применяемой в МК.
6.2 Микроконтроллеры с внешней памятью
Структура микроконтроллера с внешней памятью показана на рисунке
6.1.
Блок управления питанием
Блок синхронизации и таймер
Блок управления сбросом
Память программ
(ПЗУ)
Интерфейс с внешней памятью
П
о р
ты в
в о
д а
- в
ы в
о д
а
П
р о
ц е
сс о
р
Входные и выходные выводы
Источник питания
Сигнал сброса в начальное состояние
Тактовые сигналы
Кристалл микроконтроллера
Память данных
(ОЗУ)
Рисунок 6.2 - Структура микроконтроллера с внешней памятью
Некоторые МК (особенно 16- и 32-разрядные) используют только внешнюю память, которая включает в себя как память программ (ROM), так и некоторый объѐм памяти данных (RAM), требуемый для данного применения.
Классическим примером такого МК является Intel 80188. По существу он представляет собой микропроцессор 8088, который использовался в компь- ютерах IBM PC, интегрированный на общем кристалле с дополнительными схемами, реализующими ряд стандартных функций, таких как прерывания и прямой доступ к памяти (DMA). Цель создания 80188 состояла в том, чтобы объединить в одном корпусе все устройства, необходимые для реализации мик- ропроцессорных систем.
Микроконтроллеры с внешней памятью предназначены для других применений, нежели встраиваемые микроконтроллеры. Эти применения обыч- но требуют большого объѐма памяти (RAM) и небольшого количества уст- ройств (портов) ввода-вывода. Для МК с внешней памятью наиболее подходя- щими являются приложения, в которых критическим ресурсом является память,

16 а не число входов-выходов общего назначения, тогда как для встраиваемых микроконтроллеров имеет место противоположная ситуация.
6.3 Цифровые сигнальные процессоры
Цифровые сигнальные процессоры (DSP) – относительно новая катего- рия процессоров. Назначение DSP состоит в том, чтобы получать текущие дан- ные от аналоговой системы и формировать соответствующий отклик. DSP и их арифметико-логическое устройство (ALU) работают с очень высокой скоро- стью, что позволяет осуществить обработку данных в реальном масштабе вре- мени. DSP часто используют в активных шумоподавляющих микрофонах, ко- торые устанавливаются в самолѐтах или для подавления раздвоения изображе- ния в телевизионных сигналах.
В разнообразных DSP можно найти особенности, присущие как встраи- ваемым микроконтроллерам, так МК с внешней памятью. DSP не предназначе- ны для автономного применения, обычно они входят в состав систем, исполь- зуясь в качестве устройств управления внешним оборудованием, а также для обработки входных сигналов.
6.4 Модульная организация микроконтроллеров
Современные 8-разрядные МК обладают, как правило, рядом отличи- тельных признаков. Перечислим основные из них:
- модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) МК, различаю- щихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации;
- использование закрытой архитектуры МК, которая характеризуется отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса МК. Та- ким образом, МК представляет собой законченную систему обработки данных, наращивание возможностей которой с использованием параллельных магист- ралей адреса и данных не предполагается;
- использование типовых функциональных периферийных модулей
(таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, аналого-цифровые преобразователи и др.), имеющих незначительные отличия в алгоритмах работы в МК различных производителей;
- расширение числа режимов работы периферийных модулей, кото- рые задаются в процессе инициализации регистров специальных функций МК.
При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат процессорное ядро, одинаковое для всех МК данного семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей. Структура мо- дульного МК приведена на рисунке 6.3.
Процессорное ядро включает в себя:
- центральный процессор;
- внутреннюю контроллерную магистраль (ВКМ) в составе шин ад-

17 реса, данных и управления;
- схему синхронизации МК;
- схему управления режимами работы МК, включая поддержку ре- жимов пониженного энергопотребления, начального запуска (сброса) и т.д.
Рисунок 6.3 - Модульная организация МК
Изменяемый функциональный блок включает в себя модули памяти раз- личного типа и объема, порты ввода/вывода, модули тактовых генераторов (Г), таймеры. В относительно простых МК модуль обработки прерываний входит в состав процессорного ядра. В более сложных МК он представляет собой от- дельный модуль с развитыми возможностями.
В состав изменяемого функционального блока могут входить и такие дополнительные модули как компараторы напряжения, аналого-цифровые пре- образователи (АЦП) и другие. Каждый модуль проектируется для работы в со- ставе МК с учетом протокола ВКМ. Данный подход позволяет создавать разно- образные по структуре МК в пределах одного семейства.
7 Порядок проектирования микропроцессорной системы
На первом этапе необходимо привести обоснование актуальности вы- бранной темы курсового проекта с указанием области применения разрабаты- ваемого устройства и тех преимуществ, которые предоставляет внедрение дан- ного проекта в ту или иную сферу экономики. Во введение необходимо вклю- чить краткое описание содержания глав курсового проекта.
На втором этапе необходимо привести обзор существующих устройств, выполняющих функции аналогичные функциям разрабатываемого устройства.
Этапы проектирования микропроцессорных систем рассмотрены ниже.

18
7.1 Функциональная спецификация
Первый шаг цикла проектирования микропроцессорной системы (МПС) включает в себя определение набора требований пользователя и создания выте- кающей из них функциональной спецификации, а также формулирование сис- темных требований к МПС. В качестве требований пользователя выступает за- дание на проектирование МПС. Функциональная спецификация МПС опреде- ляет, какие функции должны выполняться для удовлетворения требований пользователя и обеспечения интерфейса (связи) между системой и ее внешним окружением (обслуживающим персоналом, исполнительными устройствами, датчиками и т.д.). Последнее определяет наличие и количество индикационных элементов, клавиатуры, входов и выходов МПС. На этапе формулирования сис- темных требований детализируется функциональная спецификация с точки зрения выполнения системных функций (системная функция ввода-вывода дис- кретной информации, системная функция ввода-вывода аналоговой информа- ции, обслуживание клавиатуры и индикации и др.).
7.2 Системно-алгоритмическое проектирование. Разбиение МПС на
аппаратную и программную части
Следующим этапом проектирования является собственно разработка сис- темы на основе функциональной спецификации. Для устройства, содержащего только аппаратные компоненты и проектируемого на основе традиционного подхода, это означает выбор конфигурации системы, определение значений па- раметров составляющих частей и способов их взаимодействия. Для МПС тре- буется проектирование, как аппаратных, так и программных средств. Необхо- димо, во-первых, определить аппаратную и программную конфигурации; во- вторых – какие из функций функциональной спецификации будут выполняться аппаратной частью МПС, а какие программной. На данном этапе, называемым системно-алгоритмическим проектированием МПС, помимо разбиения МПС на программную и аппаратную части, разрабатывается также ее общая структура и алгоритмы функционирования. Последнее выполняется с учетом разделения аппаратно-реализуемых и программно-реализуемых функций.
После принятия компромиссного решения о разделения на аппаратную и программную части дальнейшая разработка МПС проводится раздельно и па- раллельно для аппаратных и программных средств. При этом необходимо тща- тельно учитывать особенности, достоинства и недостатка реализации функций каждой частью МПС. Так, к преимуществам программной реализации можно отнести:
- широкие ―интеллектуальные‖ функциональные возможности;
- осуществимость перенастройки МПС на новые условия, задачи, объекты и т.д. путем изменения только ПО.
Наряду с положительными качествами программная реализация функций
МПС обладает по сравнению с аппаратной некоторыми ограничительными

19 особенностями, которые могут влиять на компромиссный выбор того или иного метода реализации функций МПС:
- большим временем выполнения функций (или меньшим быстро- действием), обусловленным последовательным методом выполне- ния программы.
- сложностью программной реализации функций непосредственного сопряжения с реальными объектами;
- ограниченным разделом ПО, обусловленным возможностью МПС по размещении информации в ЗУ (разрядностью шины адреса
МПС, шины данных, типом используемых БИС ПЗУ и т.д.).
- повышенными требованиями к инструментальным средствам и специалистам-разработчикам.

20
Имея такую анкету, можно рассматривать характеристики различных микроконтроллеров, чтобы найти наиболее подходящий прибор. Возможно, по- требуется изменить спецификации приложения, чтобы оно лучше соответство- вало возможностям определенного микроконтроллера.
При сравнении списка требуемых характеристик микроконтроллера с возможностями реальных приборов следует помнить, что необходимый резуль- тат может быть достигнут различными путями. Например, асинхронный после- довательный ввод-вывод можно обеспечить путем реализации прямого чтения- записи сигналов на определенном выводе микроконтроллера с использованием прерываний. При этом не требуется использовать микроконтроллер со встроен- ным последовательным интерфейсом типа UART, что может снизить стоимость разработки и выпускаемой продукции.
Могут возникнуть трудности с определением требуемого объема памяти команд, особенно, если предполагается использовать язык высокого уровня при написании прикладных программ. Всегда рассчитывайте на больший объем, а если окажется возможным использовать микроконтроллер с меньшим объемом памяти, то внесите соответствующее изменение в спецификацию разрабаты- ваемого приложения.
Необходимо помнить, что определенные методы программирования трудно или даже невозможно реализовать в некоторых архитектурах. Однако при обсуждении выбора возможных архитектур и характеристик микрокон- троллеров рекомендуем ориентироваться на использование уже известных вам приборов, а не пытаться найти что-то исключительное. Если вы нашли подхо- дящий микроконтроллер со всей необходимой информацией, то делайте свой выбор и приступайте к разработке.
7.4 Проектирование программного обеспечения МПС
Существенное различие в разработке программных и аппаратных средств обусловлено значительно большей гибкостью программных средств.
При конструировании аппаратуры всегда может быть найден окончатель- ный вариант, который наиболее экономично и эффективно реализует необхо- димые функциональные требования. Программа же, написанная для решения определенной задачи, обычно может иметь несколько вариантов, которые мало отличается по функционированию.
Одним из следствий большей гибкости, обеспечиваемой аппаратно- программными микропроцессорными системами, является то, что задачи, кото- рые в дальнейшем могут модифицироваться, обычно реализуются программ- ными средствами. Изменяя в программе те или иные части (программные мо- дули), можно легко добиться требуемой модификации, в то время когда под- соединение дополнительных компонентов к монтажной плате для модифика- ции аппаратного обеспечения может оказаться чрезвычайно сложным делом.
Проектирование программного обеспечения МПС включает в себя сле- дующие этапы:
- анализ требований к программному обеспечению;

21
- формализация задач и выполняемых функций, куда входит опреде- ление входов и выходов алгоритмических и программных блоков, конкретных процессов обработки, формулирование и учет системных ограничений (экс- плуатационных, временных, объемных, точностных и др.);
- проектирование программы или составление алгоритма ее выпол- нения, удовлетворяющего требованиям постановки задачи и спецификаций;
- кодирование или собственно программирование, заключается в формировании программы на выбранном языке
- программирование (исходный текст). Затем осуществляется компи- ляция и трансляция для программы, написанной на языке высокого уровня, или только трансляция для программы, написанной на языке ассемблера. После компоновки с помощью редактора связей получается загрузочный модуль в машинных кодах целевого (используемого) микропроцессора или микрокон- троллера;
- тестирование и автономная отладка, когда на программной модели проверяется корректность программы. Тестирование позволяет убедиться в том, что программа правильно выполняет возложенные на нее функции. При этом очень важным является правильный выбор тестовых данных, разработка методов тестирования и тестовых примеров.
Для выполнения двух последних этапов проектирование ПО необходимо использовать специальные инструментальные апппаратно-программные сред- ства на базе микро-ЭВМ: а) резидентные, если микропроцессоры инструмен- тальной микро-ЭВМ и объектной МПС совпадают, и б) кросс-средства, если они различны.
8 Средства отладки микропроцессорных систем
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 следующие функции: ввод/вывод анало- говых и цифровых сигналов, хранение и обработки данных, хранение и выпол- нения командных кодов, а также консольная индикация выполняемых операций и управление. По своей функциональной законченности различают следующие устройства:
- контроллеры-конструкторы;
- учебные микропроцессорные стенды.
Контроллеры-конструкторы – это средства, наиболее популярные у мас- сового разработчика. Представляют собой полуфабрикат микропроцессорного контроллера, на основании которого легко собрать несложную целевую систе- му в ограниченном количестве экземпляров.
Контроллеры-конструкторы разнообразны по своей организации и со- ставу периферийных блоков, могут снабжаться схемами защиты, элементами