Основные этапы проектирования микропроцессорной системы

1. Провести анализ требований к системе, выработать общий алгоритм решения задачи и выбрать технические средства реализации (при необходимости);

2. Разработать функциональную (структурную) схему устройства, удовлетворяющую заданию;

3. Разработать принципиальную схему устройства, содержащую микропроцессор, память достаточного объема (ПЗУ + ОЗУ), специализированные БИС, обеспечивающие работу основных узлов и специализированные БИС, дополнительно необходимые для выполнения задания. Разработать карту памяти и устройств ввода – вывода МПС.

4. Разработать алгоритмическое обеспечение МПС, обеспечивающее выполнение задания. При выполнении данного пункта должна быть представлена исчерпывающая информация о поведении МПС в реальных условиях функционирования. При разработке могут использоваться различные нотации (правила) описания сущностей и поведения системы.

5. Проследить и смоделировать сценарии развития событий в системе (аппаратно – программных) и порядок (протоколы) взаимодействия используемых БИС (при необходимости представить временные диаграммы).

6. Разработка программного обеспечения МПС (наличие данного этапа регламентируется преподавателем).

Необходимо учитывать итерационность процесса разработки. Это означает, что в процессе разработки может возникнуть необходимость в возврате на предыдущие этапы проектирования, с целью корректировки исходных предположений, технических решений или алгоритмов функционирования!

Примечание: в случае использования микроконтроллеров при реализации задания – рассматривается взаимодействие подсистем микроконтроллера (вместо БИС).

Анализ задачи.

Реализацию целесообразно начать с анализа задачи.

В результате анализа можно определить:

• требования к функциональности системы, методы взаимодействия МПС с внешними устройствами (датчики, исполнительные устройства, интерфейсы и т.д.);

• требования к быстродействию результирующей МПС (время реакции на события, на его обработку…)

• способы взаимодействия МПС с устройствами ввода / вывода, типы интерфейсов

• общую последовательность решения, т.е. представление об алгоритме выполнения задачи;

• предварительно тип используемого микропроцессора, вспомогательных БИС, с помощью которых можно выполнить все операции с необходимым быстродействием.

По возможности выбор элементной базы необходимо осуществлять из числа стандартных промышленных изделий и компонентов.

Пример.

Предложено задание:

Разработать МПС, имеющую 8 цифровых входов и 8 цифровых выходов, реализующую некоторый алгоритм управления. Период цикла системы (опрос входов, отработка алгоритма управления и формирование выходов) - 100 мс. Система также имеет 6 семисегментных индикаторов, на которых может отображать различная информация. Для управления системой предусмотрено три управляющих кнопки.

Анализ задания показывает:

Через каждые 100 мс система должна вводить значения цифровых входов (параллельный ввод), передавать их в алгоритм управления, получать значения управляющих выходов и, затем, выдавать их на соответствующие выходы. Кроме того, периодически необходимо считывать состояние управляющих кнопок и обеспечивать выдачу информации (сформированной исходя из состояния управляющей программы) на семисегментные индикаторы.

Учитывая, что данная система относится к классу управляющих контроллеров, для которых характерен фиксированный по времени цикл управления [], отдельные фазы цикла управления должны быть распределены следующим образом:

1. ожидание завершения периода цикла (100 мс)

2. выдача управляющих сигналов предыдущего цикла

3. ввод сигналов с цифровых входов

4. выполнение алгоритма управления (состояния) для данного цикла (расчет значений выходов управления в зависимости от текущего состояния и значений входов)

5. обработка системных функций (считывание состояния кнопок управления, отображение информации на индикаторах)

6. Повторение, начиная с п. 1.

Необходимо учитывать, что в цикле управления не должно быть вложенных циклов и обработка шагов 2- 5 должна быть гарантированно закончена за время < 100 мс!

Ввод состояния управляющих кнопок, учитывая циклический характер основного алгоритма, целесообразно «привязать» к данному циклу. Правда, достаточно «редкий» по времени опрос приведет к некоторому ограничению: кнопка должна быть нажата не менее 100 мс. Учитывая инерционность процесса нажатия – отпускания кнопки человеком, а также область использования данных контроллеров, это несущественное ограничение.

Подсистема индикации, очевидно, может иметь 2 технических решения – статическая или динамическая индикация. Учитывая область применения контроллеров (детерминированный цикл управления), обычно не применяют прерывание программ – это приводит к усложнению контроля за поведением программы, а, самое главное, вносит непредсказуемость в ее поведение во времени. В то же время динамическая индикация обычно использует систему прерываний для управления переключением активных индикаторов. Поэтому выбор необходимо сделать в пользу статической индикации.

Мы же для данного примера в учебных целях выберем способ динамической индикации.

Таким образом, для МПС потребуется подсистема параллельного ввода – вывода (сопряжение с цифровыми входами – выходами и кнопками управления), подсистема индикации, которая будет взаимодействовать с МПС через параллельные порты ввода - вывода. Очевидно, также имеется необходимость в подсистеме реального времени (для отсчета и контроля интервалов по 100 мс). Также потребуется подсистема прерываний (для организации системы динамической индикации).

Учитывая невысокие требования к быстродействию системы, для ее реализации будет достаточным использование МП i8080 и специализированных БИС этого семейства, включая параллельные порты ввода – вывода, таймер и контроллер прерывания.