СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1 Расшифровка и анализ задания 6

1.1 Общая структура разрабатываемой микро ЭВМ 6

1.2 Реакция системы на внешние события 7

2 Разработка процессорного модуля, интерфейса и упрощенной

структурной схемы 9

2.1 Архитектура однокристальной микро ЭВМ К1816ВЕ51 9

2.1.1 Организация архитектуры К1816ВЕ51 9

2.1.2 Набор регистров МК51 13

2.1.3 Организация памяти МК51 15

2.1.4 Порты ввода – вывода 17

2.1.5 Последовательный канал связи 18

2.1.6 Таймеры/счетчики 19

2.1.7 Система прерываний 20

2.1.8 Система команд МК ВЕ51 21

2.2 Функциональное описание ВЕ51 23

2.2.1 Интерфейс расширения 23

2.2.2 Работа таймеров/счетчиков 23

2.2.3 Работа последовательного канала связи 24

2.2.4 Работа с внешней памятью программ и памятью данных 27

2.2.5 Работа с портами 28

2.3 Упрощенная структурная схема разрабатываемой

микропроцессорной системы 29

3 Разработка подсистемы памяти 31

3.1 Описание микросхемы КР537РУ8 31

3.2 Описание микросхемы БИС ПЗУ К541РТ2 35

3.3 Подключение ОЗУ и ПЗУ к системной шине 37

4 Разработка подсистем ввода/вывода, прерываний и ПДП 39

4.1 Аналогово-цифровой преобразователь 39

4.2 Цифроаналоговый преобразователь 41

4.3 Контроллер прямого доступа к памяти КР580ВТ57 43

4.4 Многорежимный буферный регистр К589ИР12 48

4.5 Контроллер клавиатуры/дисплея КР580ВД79 49

4.5.1 Общие сведения о МС КР580ВД79 49

4.5.2 Управление ККД с помощью сигналов на внешних выводах 52

4.5.3 Режимы работы клавиатуры 52

4.5.4 Режимы работы дисплея 54

4.5.5 Байт состояния памяти клавиатуры/датчиков 55

4.5.6 Сопряжение микропроцессора с клавиатурой и линейным

дисплеем на основе БИС КР580ВД79 56

4.6 Уточненная схема управляющей микроЭВМ 58

5 Разработка программного обеспечения 59

5.1 Алгоритм управления 59

5.2 Разработка блок-схемы управляющей системы 60

6 Реализация устройства на базе микропроцессора К1816ВЕ51 62

6.1 Основные технические данные и характеристики 63

6.1.1 Параметры назначения 63

6.1.2 Конструктивные параметры, параметры надежности 63

6.2.1 Общие сведения 63

6.2.2 Принцип действия 64

Список использованной литературы 65

Приложение 66

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время микропроцессоры применяются практичес­ки повсеместно – от бытового оборудования до суперкомпьютеров. Чрезвычайное расширение области применения привело к не­из­бежной их специализации, появлению на­ряду с универсальными процессорами микросхем (МС), 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 этих микросхем однокристальные микроконт­роллеры имеют устройства, выполняющие различные периферий­ные функции, при этом на кристалле отсутствуют блоки выпол­нения операций с плавающей запятой и управления памятью. Разнообразие разработанных типов микроконтроллеров определяется системами команд, набором реализуемых на кристалле периферийных функций, производительностью.

Наиболее специализированы процессоры, предназначенные для решения задач цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processor – DSP). Уникальная система команд, особенности архитектуры обеспечивают высокую производительность обработки аналоговых сигналов, пред­ставленных в цифровой форме в реальном времени.

Кроме центрального процессора на основе однокристального микропроцессора или микроконтроллера в систему обычно входят дополнительные элементы памяти, периферийные интерфейсные большие интегральные схемы (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. Это находит отражение, прежде всего, в наборе функций, реализуемых на кристалле, и в системе команд.

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, устройствами ввода-вывода. Обычно для реализации алгоритмов требуется память программ небольшой емкости (до 32 Кб).

Второй класс составляют задачи, требующие быстрой обработки значительных объемов информации. Процессор при этом выполняет большое количество вычислительных операций, в том числе с плавающей запятой. Для решения таких задач применяются высокопроизводительные 32 - или 64 - разрядные процессоры.

Например, продукция фирмы Intel,ориентированная на встраиваемые системы управления, может быть представлена следующим образом. Для решения задач управления событиями в реальном времени используются однокристальные микроконтроллеры:

8-разрядные – MCSR-51, MCSR-251;

16-разрядные – MCSR-96, MCSR-196, MCSR‑296.

Целью настоящего курсового проекта является разработка микропроцессорной управляющей микроЭВМ на однокристальной СБИС К1816ВЕ51 (ОМЭВМ), реализующей заданные взаимодействия с объектом управления (ОУ), а также разрабатываются программные средства системы, обеспечивающие выполнение заданного алгоритма управления.

1 Расшифровка и анализ задания

1.1. Общая структура разрабатываемой микроЭВМ

Система проектируется на базе однокристальной микроЭВМ и включает в себя следующие основные устройства:

- процессорный модуль, в качестве которой используется ОМЭВМ К1816ВЕ51 (МК51);

- память, состоящую из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ): МС КР537РУ8 и МС К556РТ6 соответственно;

- устройства параллельного ввода-вывода для связи с ОУ;

- блок последовательного канала для связи с ЭВМ верхнего уровня;

- программируемый системный таймер;

- контроллер прерываний;

- контроллер прямого доступа в память;

- пульт управления.

Процессорный модуль включает в себя микропроцессор, и при необходимости, дополнительные БИС, обеспечивающие реализацию вспомогательных функций.

Устройства ввода для связи с ОУ должны обеспечить ввод в процессорный модуль значений x₁, x₂, x₃ двоичных датчиков, а также 8-разрядных двоичных кодов NU₁, NU₂, NU₃, принимаемых с выходов аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Сигнал датчика аварийной ситуации x_a воспринимается только подсистемой прерываний.

Устройства вывода на ОУ должны обеспечить выдачу двоичных управляющих воздействий y₁, y₂, y₃ определенной длительности и кода управляющего напряжения Y₄ – 8 – разрядного двоичного вектора на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП). В структуру ОУ входит устройство, принимающее массив данных из ПЗУ (ОЗУ) в режиме прямого доступа в память (ПДП). Запрос на ПДП возникает асинхронно по отношению к процедуре управления.

Пульт управления должен обеспечивать ввод в процессорный модуль значения 8 – разрядной двоичной константы К, ввод двоичного значения сигнала «СТОП», формирование сигнала начальной установки системы, вывод на светодиодную индикацию значений x₁, x₂, x₃, y₁, y₂, y₃, NU₁, Y_4.

Системны таймер должен обеспечить отсчет временных задержек, реализуемых при работе алгоритма управления.

Блок последовательного обмена предназначен для передачи на микроЭВМ верхнего уровня информации о состоянии процесса управления. По запросу со стороны микроЭВМ разрабатываемая управляющая микроЭВМ должна обеспечить выдачу по последовательному каналу кадра (прерывание INT3). Передача информации с верхнего уровня на нижний не предусмотрена.

Контроллер прерываний обеспечивает фиксацию запросов на прерывания от различных источников и дисциплину обслуживания запросов. В подсистеме векторного прерывания контроллер формирует код команды вызова, а при наличии в системе радиального входа запроса на прерывания – код состояния регистра

1.2 Реакция системы на внешние события

В системе необходимо предусмотреть следующие линии запроса на внешние прерывания:

INT0 - отказ источника питания;

INT1 - сигнал х_а аварийного датчика ОУ;

INT2 - запрос от пульта управления (прерывание оператора);

INT3 - запрос от микроЭВМ верхнего уровня.

Запросы на прерывания приведены в порядке убывания приоритетов (INT0 - высший приоритет). Система должна реагировать на запросы следующим образом:

INT0 - вырабатывается сигнал установки системы в исходное со­стояние; выполняется команда СТОП.

INT1 - на пульте управления включается аварийная сигнализация (световая с частотой 2Гц или звуковая с частотой 500Гц); на индикацию пульта выдается состояние двоичных датчиков х₁, х₂, х₃ и цифровой код NU₁; выполняется команда СТОП.

INT2 - выдается на индикацию значения следующих булевых пере­менных: функция f_l, результат сравнения NU<=Q, значение выражения x_l & х₂ & х₃, значение выражения x_l v x₂ v x₃; выдается на индика­цию значение сохраняемой в ПЗУ константы Q; организуется выход из прерывания на начало цикла управления.

INT3 - выдать в последовательный канал следующую информацию:

- код символа '!' ("Внимание!");

- двухзначный номер абонента (номер студента в списке группы);

- максимальное значение Y₄, вычисленное за период от предыдущего сеанса связи до текущего цикла управления;

- минимальное значение Y₄ за тот же период;

- код символа '#' ("Конец передачи").

Кроме перечисленных, в системе могут использоваться прерывания от внешних устройств, обеспечивающих связь с ОУ.

2 РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОРНОГО МОДУЛЯ, ИНТЕРФЕЙСА И УПРОЩЕННОЙ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

2.1 Архитектура однокристальной микроЭВМ К1816ВЕ51