Проектирование микропроцессорных систем
Понятие системы
К проектированию микропроцессорных систем необходимо подходить с точки зрения системотехники, т.е. путем использования методовсистемного проектированияэлектронных схем на базе микроконтроллеров, включающих такие концепции, какструктурное программированиеимодульное нисходящее проектирование.
Что следует понимать под системой?
Система состоит из набора компонентов, выполняющих определенные функции по отношению к внешнему окружению системы [61]. Чтобы иметь возможность воспринимать информацию извне и передавать ее во внешнее окружение, система должна быть связана с внешним окружением, т.е. должна иметь входы и выходы. Общее представление системы и ее внешнего окружения показано на рис.1.1.
Рис.1.1. Общее представление системы
В микропроцессорных системах микроконтроллер рассматривается в качестве компонента системы. В отличие от таких электронных компонентов, как конденсаторы, резисторы, транзисторы и интегральные схемы, которые обладают фиксированным набором функциональных характеристик, характеристики микроконтроллера определяются во время проектирования системы с помощью процесса, называемого программированием. Практически неограниченный диапазон программируемых функциональных возможностей микроконтроллера придают этому компоненту особое значение.
Электронные компоненты системы (включая и микроконтроллер), которые называются аппаратными средствами, являются сравнительно жесткими и трудно поддающимися изменениям после того, как параметры этих компонентов выбраны и система построена. В противоположность этому, программные компоненты, создаваемые во время проектирования и называемыепрограммным обеспечением, относительно легко могут быть изменены даже после того, как проектирование завершено и система сконструирована.
Проектирование аппаратуры и программного обеспечения должно проводиться на системной основе с целью минимизации, как стоимости проектирования, так и времени, затрачиваемого на разработку. Это приводит к понятию цикла проектирования [3, 61], которое позволяет разбить весь процесс проектирования на отдельные этапы.
Цикл проектирования системы
Цикл проектирования системы, содержащей микроконтроллер, показан на рис.1.2.
Первый шаг цикла проектирования системы включает определение набора требований пользователя ипостроение функциональной спецификации, вытекающей из требований пользователей. Требования пользователей определяют, что пользователь хочет от системы и что она должна делать. Хорошие системные спецификации определяют функции, выполняемые системой для пользователя после завершения проектирования, уточняя, таким образом, на сколько система соответствует требованиям пользователя. Она включает описания форматов, как на входе, так и на выходе, а также внешние условия, управляющие действиями системы. Функциональная спецификация и требования пользователей являются критериями оценки функциональных характеристик системы после завершения проектирования.
Рис.1.2. Цикл проектирования системы с микроконтроллером
Следующим шагом является проектирование системына основе функциональной спецификации. Проектирование систем заключается в разбиении ее на отдельныемодули, которые могут быть реализованы как в виде аппаратных средств, так и в виде программ.
На этом этапе должно быть принято решение о распределении функций и технических требований между аппаратными (АС) и программными (ПС) средствами микропроцессорного устройства (МПУ). После этого дальнейшая разработка МПУ проводится раздельно и параллельно для аппаратных и программных средств. Программный способ выполнения функций, по сравнению с аппаратным, имеет ряд преимуществ: гибкость, технологичность, надежность, стоимость, габариты; к недостаткам относится временной показатель: большее время реализации функций.
Большинство современных микроЭВМ имеют развитую систему встроенной периферии, вследствие чего, задача распределения функций между аппаратной и программной частями МПУ становится менее трудоемкой.
Проектирование аппаратных средств МПУ.Этапы проектирования показаны на рис.1.2. Особенностью проектирования является то, что в большинстве случаев состав аппаратуры различных МПУ представлен одинаковыми блоками: микропроцессор (микроЭВМ), устройства памяти, дешифратор, периферийные схемы для связи с внешними устройствами и т.д.
Проектирование программных средств МПУ. Этапы проектирования достаточно подробно показаны на рис.1.2. Для выполнения собственно программирования и тестирования необходимо использовать специальные инструментальные аппаратно-программные средства.
Отладка и испытание МПУ. Хотя аппаратные и программные средства по отдельности проходят этапы отладки, однако основная отладка осуществляется при непосредственном взаимодействии и взаимосвязи программных и аппаратных средств.
Документация
Одним из наиболее важных факторов добросовестного проектирования систем является хорошая документация. Под хорошей понимается четко организованная, легко читаемая и усваиваемая документация, сжатая, но полная, допускающая внесение изменений. Постепенно продвигаясь в рамках цикла проектирования от требований пользователя и функциональной спецификации к объединению и оценке действующей системы можно сформировать следующий набор документации [61]:
Требования пользователей и функциональные спецификации.
Проектная документация системы.
Программная документация .
План объединения.
Техническая документация.
План отладки аппаратных средств.