Введение.
Крупнейшим реализованным достижением схемотехники и микроэлектроники явилось создание однокорпусных микроконтроллеров и микропроцессоров. Размещённые в одном корпусе функционально завершённые устройства с широкими логическими и вычислительными возможностями представляют собой огромный качественный скачок в развитии вычислительной техники. Функциональная завершенность микроконтроллеров и микропроцессоров позволяет безгранично расширить сферу их использования в контролирующих, управляющих и обрабатывающих цифровых устройствах непосредственно встраиваемых в приборы, машины, технологические установки и процессы, что позволяет достигнуть значительного повышения уровня общей автоматизации.
Создание высокоэффективных специализированных микроконтроллеров и микропроцессоров, ориентированных на выполнение определённых задач обеспечивается программной настройкой отдельного устройства или системы в целом. Программная настройка эффективно выполняется на уровне изменения или кодов программы или констант в запоминающем устройстве долговременного хранения данных, при этом такие изменения требуют глубоких знаний языков низкого уровня, каким и является ассемблер.
Денные методические указания позволяют студенту самостоятельно разработать как требования к системе ассемблерных команд, так и саму систему ассемблерных команд для микроконтроллера, включая уровень микрокоманд. Именно используя уровень микрокоманд, самостоятельно созданной системы ассемблерных команд, студент может сформировать функциональную схему микроконтроллера, а затем, используя методики синтеза логических и цифровых устройств создать и принципиальную схему микроконтроллера. Используя самостоятельно синтезированную принципиальную схему, студенту необходимо проанализировать полученную производительность микроконтроллера.
Титульный лист.
Лист замечаний.
Техническое задание (ТЗ). (Допускается совместить листы замечаний и ТЗ)
Содержание.
Введение. (Не более двух листов А4).
I этап глава 1. Постановка задачи. Выполнить обзор существующих микроконтроллеров. В пояснительной записке, для существующего микроконтроллера, привести словесное описание и рисунки структурной схемы, а также структурные схемы узлов указанных в техническом задании. Отдельно привести таблицу ассемблерных команд (для существующего микроконтроллера), сгруппированную по кодам операций. Привести структурную схему синтезируемого микроконтроллера, состав реализуемых команд и характеристику регистров. Выполнить на 3 х…4 х листах А4.
II этап глава 2. Кодирование ассемблерных команд. В пояснительной записке, для синтезируемого микроконтроллера, привести словесную характеристику реализуемых ассемблерных команд и таблицу их кодирования. На основании таблицы кодирования сформировать микрокомандное управление исполнением каждой ассемблерной командой и построить блок-схему функционирования автомата управляющего работой центрального процессорного элемента микроконтроллера. Выполнить на 4 х…5 и листах А4.
III этап глава 3. Формирование функциональной схемы. В пояснительной записке привести словесное описание микрокомандного управления каждой реализуемой команды с их разбивкой по функциональным узлам. Словесное пояснение работы каждого узла содержит: название, основную функцию, названия устройств необходимых для реализации, названия смежных узлов с которыми выполняется обмен управляющими или информационными сигналами. На основании возникающей конфигурации обмена сигналами вводятся коммутаторы, способствующие корректному объединению или разъединению сигналов. Выполнить на 2 х…3 х листах А4.
IV этап глава 4. Синтез функциональных узлов. В пояснительной записке для каждого узла необходимо привести: методику синтеза, уравнение для построения принципиальной схемы, принципиальную схему, анализ работы узла и краткое его название, отображающее данный узел на принципиальной схеме. Выполнить на 8 и…10 и листах А4.
V этап глава 5. Реализация принципиальной схемы. В пояснительной записке привести чертежи с указанием размеров и пояснений назначения входов и выходов, для всех условных графических обозначений элементов, использующихся на принципиальной схеме микроконтроллера. Отдельно привести условное графическое обозначение микроконтроллера и пояснить назначение его выводов. Используя функциональную схему и условные графические обозначения синтезированных узлов, привести на формате А1 полную принципиальную схему синтезируемого микроконтроллера, со сквозной нумерацией используемых элементов. Выполнить на 3 х…4 х листах А4, чертеж принципиальной схемы выполнить на формате А1.
VI этап глава 6. Расчет характеристик производительности. В пояснительной записке привести в виде таблицы произвольной формы для каждого узла: тип и количество ячеек, потребляемую ими мощность, суммарное время задержки прохождения сигнала. На основании суммарного времени задержки прохождения сигнала через каждый узел сформировать таблицу произвольной формы, где указать время исполнения каждой ассемблерной команды. Используя время задержки прохождения сигнала вычислить наивысшую тактовую частоту, на которой возможно корректное исполнение ассемблерных команд.
VII этап глава 7. Пример программы. В пояснительной записке привести пример выполнения технического задания, используя для этого состав разработанных ассемблерных команд. Выполнить на одном листе А4.
VIII этап заключение. Привести выводы о работоспособности и частных характеристиках синтезированного микроконтроллера. Окончательно оформить курсовую работу. Выполнить на одном листе А4.
Использованная литература. Допускается совместить листы заключения и использованной литературы.
Указывают на характеристики, параметры, команды и функции, выполняемые синтезируемым микроконтроллером.
Первоначальное задание для разработки электронного устройства, в большинстве случаев, формируется заказчиком, не являющимся специалистом в области схемотехники, поэтому условия задания содержат точные требуемые характеристики и общие функциональные условия работы микроконтроллера. На основании первоначального задания разработчик представляет обзор существующих реализаций и формирует постановку задачи проектирования.
По первоначальному техническому заданию.
Синтезировать принципиальную схему микроконтроллера обеспечивающего возможность измерения длительности импульсов прямоугольной формы поступающих на один из его входов, вычисление параметров поступающих импульсных последовательностей и передачу этих параметров через последовательный периферийный интерфейс (SPI). Синтезируемый микроконтроллер должен обладать как набором команд (стандартных и уникальных) обеспечивающих выполнение всех функций технического задания, так и устройствами, поддерживающими его корректную работу. Все узлы синтезированного микроконтроллера расположить в стандартном пластиковом корпусе (тип используемого корпуса – DIP).
Функции первоначального технического задания для синтезируемого микроконтроллера:
характеристики входящих импульсных последовательностей:
импульсы поступают по одному из трёх входов одной из четырёх групп;
номер группы, по которой в настоящий момент времени поступают импульсы, указывается по дополнительным входам кодом «два из пяти»;
измеряемые характеристики:
диапазон длительностей измеряемых импульсов 10…1000000 мкс;
погрешность измерения 2 % (для минимальной длительности импульса);
вычисляемые параметры:
количество поступивших импульсов по каждому входу;
наибольшая длительность импульса по каждому входу;
характеристики микропроцессора:
разрядность кода команды – 7 бит;
переход по условию – 64 слова;
объем памяти программ – 64 кслова;
объем оперативной памяти – 1 кслово;
разрядность памяти данных – 16 бит;
количество РОНов – 20.
Примечание. Во всех примерах методических указаний соблюдаются условия технического задания.
Раскрыть схемотехническую реализацию синтезируемого микроконтроллера.
Обзор существующих микроконтроллеров.
Выполняется разработчиком самостоятельно в соответствии с требованиями этапа проектирования.
Структура синтезируемого микроконтроллера.
Используя первоначальное техническое задание и его функции, требуется определить, как элементы структуры синтезируемого микроконтроллера, при помощи которых его схемотехническая реализация наиболее полно отображает изложенные требования, так и количество выводов корпуса, обеспечивающих прием и передачу внешних сигналов. Следует отметить, что кроме функций указанных в техническом задании, необходимо обеспечить и собственные потребности синтезируемого микроконтроллера. Структура внешних выводов микроконтроллера приведена в табл. 1.
Таблица 1.
Внешние выводы микроконтроллера и их характеристики.
Функция |
Обозначение |
Тип вывода |
К-во |
Положительный вход источника питания |
VCC |
питание |
1 |
Общий вывод |
GND |
питание |
1 |
Вход внешнего тактового генератора |
XTAL1 |
вход |
1 |
Выход внешнего тактового генератора |
XTAL2 |
выход |
1 |
Вход сброса микроконтроллера |
RESET |
вход |
1 |
Ввод импульсов – параллельный порт |
PAØ…PA11 |
вход |
12 |
Ввод номера группы – параллельный порт |
PBØ…PB4 |
вход |
5 |
Вывод параметров измерений – последо-вательный периферийный интерфейс |
SPIØ…SPI3 |
вход/выход |
4 |
Всего выводов |
26 |
||
Как показано в табл. 1, для схемотехнической реализации микроконтроллера потребуется 26 внешних выводов, следовательно, такую реализацию может обеспечить корпус DIP-28, при этом остается два незадействованных внешних вывода.
Анализируя первоначальное техническое задание и его функции, требуется определить при помощи каких узлов микроконтроллера можно реализовать все изложенные задачи, при этом следует обратить внимание на формирование уникальных команд (уникальные команды реализуют функцию, которая встречается только в данном техническом задании). Структура функциональных узлов микроконтроллера приведена в табл. 2. Обоснование выбора каждого узла в синтезируемом микроконтроллере приводится разработчиком самостоятельно.
Таблица 2.
Состав функциональных узлов микроконтроллера.
Функция |
Узел |
Примечание |
Измерение длительности входящих импульсов |
таймер |
наличие предделителя |
Вычисление параметров входящих импульсов |
процессор |
наличие уникальных команд |
Передача параметров измерений |
последовательный периферийный интерфейс |
стандартный |
Управление работой микроконтроллера |
процессор |
|
Прием входящих импульсов |
порт А |
12 разрядов |
порт В |
5 разрядов |
|
Вывод микроконтроллера в исходное состояние |
сброс |
поддержка корректности работы |
Контроль последовательности обработки |
прерываний |
поддержка корректности работы |
Контроль зацикливания программы |
сторожевой таймер |
поддержка корректности работы |
Примечание. Таблицы 1 и 2 не повторяются.
Аналогично существующим микроконтроллерам, используя данные табл. 1 и 2 формируется структурная схема для синтезируемого микроконтроллера, как показано на рис. 1.
На рис. 1 штрихпунктирной линией обведена синтезируемая часть микроконтроллера. Прямые линии, пересекающие штрихпунктирную, отображают внешние сигналы. Структурная схема отображает общие взаимосвязи узлов микроконтроллера.
Структурная схема синтезируемого микроконтроллера наглядно отображает все узлы и взаимосвязи между ними.