Гуров Проектирование микропроцессорных систем 2010

ВВЕДЕНИЕ

Внастоящее время микропроцессоры применяются практически повсеместно – от бытового оборудования до суперкомпьютеров. Чрезвычайное расширение области применения привело к их неизбежной специализации, появлению наряду с универсальными процессорами микросхем, предназначенных для решения задач определенного класса. Универсальные процессоры содержат устройства выполнения операций с плавающей запятой, управления памятью, кэш-память, устройство, реализующее магистраль процессора. Они обычно не содержат блоков для выполнения специальных функций.

Вотличие от них однокристальные микроконтроллеры (МК) представляют собой большие интегральные схемы (БИС), содержащие все устройства, необходимые для построения системы управления минимальной конфигурации. При этом на кристалле отсутствуют блоки, без которых невозможно представить себе универсальный микропроцессор, например устройства для выполнения операций с плавающей запятой и управления памятью. В настоящее время микроконтроллеры составляют около двух третей от всех выпускаемых микропроцессорных БИС, их общее производство составляет несколько миллиардов штук в год. Ввиду широкой области применения разнообразие типов микроконтроллеров значительно больше чем универсальных микропроцессоров. Оно определяется системами команд, набором реализуемых на кристалле периферийных функций, производительностью.

Применение микропроцессоров ознаменовало начало новой эры

вразвитии встроенных систем управления – систем, конструктивно интегрированных в оборудование. Кроме центрального процессора на основе однокристального микроконтроллера в систему обычно входят дополнительные элементы памяти, периферийные интерфейсные БИС для сопряжения с датчиками и с объектом управления.

Все задачи, решаемые системой встроенного управления, делятся на два больших класса: задачи управления событиями в реальном времени и управления потоками данных. Каждый класс предъявляет специфические требования к микропроцессору или микроконтроллеру.

4

К первому классу относят задачи, требующие быстрой реакции микропроцессорной системы на изменения внешних условий (на срабатывания датчиков, изменение параметров объекта управления). Для решения этих задач применяют микроконтроллеры с размещенными на кристалле памятью программ, памятью данных, контроллером прерываний, развитой системой ввода-вывода. Обычно для реализации их алгоритмов требуется память программ небольшой ёмкости (до 32 Кбайт). В то же время большая разрядность процессора не является в этих применениях необходимым условием. В настоящее время по объему продаж лидируют 8-разрядные микроконтроллеры, которые занимают около половины всего рынка данной продукции.

Второй класс составляют задачи, требующие быстрой обработки значительных объёмов информации (системы промышленной автоматики, обработки видеоизображений и т.д.). Процессор при этом выполняет большое количество вычислительных операций, в том числе с плавающей запятой. Для решения таких задач применяется, как правило, особый класс микропроцессоров – процессоры цифровой обработки сигналов, которые впитали в себя многие черты однокристальных микроконтроллеров, но в то же время имеют и ряд существенных отличий от них. Они помимо развитых средств поддержки работы в системах управления и взаимодействия с внешними устройствами зачастую включают в свой состав высокопроизводительные 32или даже 64-разрядные процессоры, в том числе процессоры обработки чисел с плавающей точкой, а также специализированные схемы для аппаратной поддержки характерных для этой обработки операций, например умножения с накоплением.

Учебное пособие посвящено изучению вопросов практического использования однокристальных микроконтроллеров для построения системы управления. Для этих целей используется 8-разрядный микроконтроллер PCF80C552, имеющий архитектуру MCS-51, наиболее распространённую в настоящее время для этого класса микропроцессоров.

Как и другие микроконтроллеры семейства MCS-51, микроконтроллер PCF80C552 ориентирован, в первую очередь, на реализацию функций управления, значительную часть которых составляет работа с битовой информацией: ввод и обработка битов, формирования битовых импульсных или потенциальных управляющих сиг-

5

налов. В связи с этим пособие содержит описание лабораторной работы по изучению данных возможностей микроконтроллера.

Основную часть учебного пособия занимают вопросы построения микропроцессорной системы (МПС) для тестирования арифме- тико-логического устройства (АЛУ), размещенного на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС). При этом рассматриваются все этапы, которые проходит разработчик при выполнении работы по созданию системы управления на основе микропроцессоров и, в частности, однокристальных микроконтроллеров: определение программной и аппаратной составляющих проекта, проектирование схем взаимодействия с внешними устройствами, разработка программ, отладка устройства на программной модели и его макетирование на универсальном лабораторном стенде, включающем микроконтроллер, реальные внешние устройства и ПЛИС для размещения проектируемых схем.

В пособии представлены различные варианты решения проблем, возникающих при проектировании, а также обращено особое внимание на характерные ошибки, их причины и пути устранения.

6

Лабораторная работа1

ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ БИТОВОГО ПРОЦЕССОРА

Цель:

-изучение аппаратных и программных средств микроконтроллера, ориентированных на обработку битовой информации;

-получение навыков работы с пакетом программных средств PK51–Eval, предназначенных для разработки и отладки программ микроконтроллера;

-ознакомление с принципами реализации микропроцессорной системы на основе универсального лабораторного стенда (УЛС);

-получение навыков работы с управляющей программой MCS51 для отладки микропроцессорной системы в составе УЛС.

Введение

Важной отличительной чертой архитектуры микроконтроллеров семейства MCS-51 является мощная поддержка обработки одноразрядных данных. Тогда как поддержка простых типов данных при существующей тенденции к увеличению длины слова может, с первого взгляда, показаться шагом назад, это качество делает MCS-51 особенно удобными там, где наиболее оправданно применение однокристальных микроконтроллеров, т.е. в системах управления.

Алгоритмы работы последних по своей сути предполагают наличие входных булевых переменных, преобразуемых в выходные битовые сигналы. Такую обработку сложно проводить с помощью БИС универсальных микропроцессоров или однокристальных микроконтроллеров, не имеющих соответствующих программноаппаратных средств. В микроконтроллерах семейства MCS-51 такая поддержка обеспечивается как на аппаратном, так и на программном уровнях.

Аппаратная поддержка включает в себя:

-АЛУ, допускающее обработку битовой информации;

-специальный битовый аккумулятор, входящий в состав АЛУ;

-память данных с побитовой адресацией;

-возможность адресации отдельных бит некоторых специальных регистров;

7

- индивидуальную поразрядную настройку линий портов вводавывода на ввод или вывод информации.

Система команд микроконтроллера позволяет активно манипулировать одноразрядными данными. Отдельные программнодоступные биты могут быть установлены, сброшены или проинвертированы, могут пересылаться и использоваться в логических вычислениях. Важной особенностью системы команд MCS-51, чрезвычайно эффективной в алгоритмах управления, является возможность в одной команде проанализировать состояние какойлибо битовой переменной (например, отдельной линии порта вво- да-вывода) и выполнить переход в зависимости от результата этого анализа.

Все эти свойства в целом позволяют говорить об отдельном булевом процессоре, встроенном в состав микроконтроллеров семей-

ства MCS-51.

Для выполнения лабораторной работы необходимо ознакомиться с архитектурой микроконтроллера (однокристальной микроЭВМ) МК-51 (MCS-51) и изучить его систему команд [1]. Дополнительно для это цели можно воспользоваться пособием [2], в разделе «Справочная информация» которого приведён список иных литературных источников (включая источники в сети Интернет) по данному микроконтроллеру.

Лабораторный практикум выполняется на современной версии микроконтроллера (МК PCF80C552 семейства MCS-51), которая входит в состав микропроцессорной системы, реализованной на УЛС [3]. Рекомендации по работе с пакетом программных средств PK51–Eval и с методикой отладки микропроцессорной системы в составе УЛС с помощью управляющей программы MCS51 даны в пособии[4].

1.1.Постановка задачи и варианты ее решения

Влабораторной работе задание предполагает разработку микропроцессорной системы на базе МК семейства MCS-51, ориентированного на обработку битовой информации.

МК получает от внешнего устройства считывания и согласования уровней показания трёх битовых датчиков, обрабатывает их в соответствии с заданной логической функцией и формирует управляющее воздействие, являющееся значением вычисленной логиче-

8

ской функции. Значения входных переменных и соответствующее им значение функции записываются также во внутреннюю память данных МК.

Вданной микропроцессорной системе работа МК и внешнего устройства никак не синхронизирована, каждое их них работает по своей программе. Для получения верного результата они (в этом частном случае) работают в режиме handshaking – синхронизируют свою работу при помощи двух осведомительных сигналов – «Разрешение» и «Подтверждение». МК может считывать значения входных логических переменных только поле того, как внешнее устройство установит их истинные значения. При этом внешнее устройство задает активный уровень сигнала «Разрешение». Когда МК дождётся установки этого уровня, он считывает значения логических переменных и оповещает об этом внешнее устройство установкой активного уровня сигнала «Подтверждение». Внешнее устройство после этого изменяет значение сигнала «Разрешение» – устанавливает пассивный уровень – и может готовиться к приёму результата. МК может выдать на выходе своего порта результат, но внешнее устройство может не заметить факт выдачи результата – новое значение может быть равно предыдущему. Единственная возможность у МК сообщить об этом – изменить уровень сигнала «Подтверждение».

Вобщем случае у МК для выполнения задачи обмена с внешними устройствами можно использовать любые порты. Выберем для примера порт Р1, который имеется у всех микроконтроллеров семейства MCS-51.

Каждый из сигналов от датчиков поступает на МК по определенной входной линии: X – по P1.0, Y – по P1.1, Z – по P1.2. Сигнал разрешения чтения показаний датчиков поступает по линии P1.3, а сигнал подтверждения приема МК информации выдается по линииP1.6. Результат выводится по линииP1.7.

После завершения цикла работы управление передается на обработку очередных показаний, считываемых с датчиков.

Структурная схема микропроцессорного устройства приведена на рис. 1.1. Микроконтроллер представлен на рисунке лишь своим портом Р1, распределение линий которого существенно для данной работы.

9