ФеДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

В.В. Гуров, И.А. Егорова, В.Г. Тышкевич

Лабораторный практикум «проектирование микропроцессорных систем»

Москва 2009

УДК 004.382.7 (076.5)

ББК 32.973.26-04я7

Г95

Гуров В.В., Егорова И.А. Тышкевич В.Г. Лабораторный практикум «Проектирование микропроцессорных систем»: Учебное пособие. – М.: НИЯУ МИФИ, 2009. – 64 с.

Пособие составлено в помощь студентам, выполняющим лабораторный практикум по курсу «Микропроцессорные системы».

Основу аппаратного обеспечения практикума составляет универсальный лабораторный стенд, включающий ПЛИС и встроенную современную однокристальную микроЭВМ PCF80C552 семейства MCS-51. Такой стенд в целом является примером реализации систем типа «система на кристалле» (System on chip – SoC). В пособии описывается методика создания на основе стенда микропроцессорной системы, в которой микроЭВМ используется для тестирования АЛУ, реализованного на ПЛИС. Обращено особое внимание на принципы организации системной шины и способов подключения внешних устройств в составе ПЛИС к микроЭВМ. Рассматривается один из примеров реализации системы. Пособие содержит описание лабораторных работ по изучению аппаратных и программных средств микроЭВМ, ориентированных на обработку битовой информации; по и проектированию микропроцессорной системы для тестирования АЛУ.

Рецензент д-р техн. наук, проф. И.И. Шагурин

Рекомендовано редсоветом НИЯУ МИФИ

в качестве учебного пособия

ISBN 978-5-7262-1232-6

© Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2009

Оглавление

Введение 4

Лабораторная работа 1. Принципы работы битового процессора 7

Введение 7

1.1. Постановка задачи и варианты ее решения 8

1.2. Пример подготовки к выполнению лабораторной работы 11

1.3. Рекомендации по разработке и отладке программы на программно-логической модели 13

1.4. Порядок отладки микропроцессорной системы на стенде 25

Варианты заданий 30

Лабораторная работа 2. Микропроцессорная система для тестиро­вания АЛУ 32

Введение 32

2.1. Пример подготовки к выполнению лабораторной работы 33

2.2. Рекомендации по подключению внешних устройств к системной шине и порту Р4 микроконтроллера 42

2.3. Последовательность и способы отладки микропроцессорной системы для тестирования АЛУ 52

Оформление отчета о проделанной работе 63

Список литературы 64

Введение

В настоящее 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.

В отличие 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 в развитии 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.

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 32- или 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 сигналов. 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 арифметико-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.