Загальні положення

У методичних вказівках розглядаються теоретичні, організаційні і методичні питання курсового проектування для студентів факультету інформатики, які навчаються за професійним спрямуванням 7.080401Інформаційні управляючі системи та технології всіх форм навчання.

Розроблені методичні матеріали, базуються на діючих нормативних документах і стандартах, які регламентують загальні вимоги до організації курсового проектування, змісту, об'єму і оформлення курсових проектів студентів інженерних спеціальностей з напряму комп’ютерні науки.

Мета курсового проектування – поглибити, розширити, систематизувати і закріпити знання, вміння та практичні навички, набуті студентами в процесі навчання в університеті, для вирішення реальних і конкретних задач при створенні мікропроцесорних засобів. Методичні вказівки складено за матеріалами лекцій з дисциплін пов‘язаних з мікропроцесорною технікою та включених у навчальний процес факультету інформатики ЗакДУ, а також сучасних підручників та навчальних посібників провідних ВНЗ України, Російської Федерації та публікації зарубіжних країн [1-9].

1. Розробка мікропроцесорної системи на основі мікроконтролера

В даному розділі розглядаються основні етапи проектування і розробки цифрових пристроїв і систем на основі мікроконтролерів, а також наводиться огляд сучасних методів сумісного налагодження апаратних і програмних засобів у промисловості.

1.1. Основні етапи розробки

Мікропроцесорної системи (МПС) на основі мікроконтролера (МК) використовуються найчастіше як вбудовані системи для рішення завдань керування деяким об'єктом. Важливою особливістю даного застосування є робота в реальному часі, тобто забезпечення реакції на зовнішні події протягом певного часового інтервалу. Такі пристрої одержали назву контролерів.

Технологія проектування контролерів на базі МК повністю відповідає принципу нерозривного проектування й налагодження апаратних і програмних засобів, прийнятому в мікропроцесорній техніці. Це означає, що перед розроблювачем такого роду МПС поставлена задача реалізації повного циклу проектування, починаючи від розробки алгоритму функціонування й закінчуючи комплексними випробуваннями в складі виробу, а, можливо, і супроводом при виробництві. Сформована до теперішнього часу методологія проектування контролерів може бути представлена, як показано на рис. 1.1.

У технічному завданні формулюються вимоги до контролера з погляду реалізації певної функції керування. Технічне завдання містить у собі набір вимог, які визначають, що користувач хоче від контролера й що розроблювальний прилад повинен робити. Технічне завдання може мати вигляд текстового опису, не вільного в загальному випадку від внутрішніх суперечностей.

На підставі вимог користувача складається функціональна специфікація, що визначає функції, виконувані контролером для користувача після завершення проектування, уточнюючи тим самим, наскільки пристрій відповідає пропонованим вимогам. Вона містить у собі опис форматів даних, як на вході, так і на виході, а також зовнішні умови, що управляють діями контролера.

Функціональна специфікація й вимоги користувача є критеріями оцінки функціонування контролера після завершення проектування. Може знадобитися проведення декількох ітерацій, що включають обговорення вимог і функціональної специфікації з потенційними користувачами контролера, і відповідну корекцію вимог і специфікації. Вимоги до типу використовуваного МК формулюються на даному етапі найчастіше в неявному виді.

Етап розробки алгоритму керування є найбільш відповідальним, оскільки помилки даного етапу звичайно виявляються тільки при випробуваннях закінченого виробу й приводять до необхідності дорогої переробки всього пристрою. Розробка алгоритму звичайно зводиться до вибору одного з декількох можливих варіантів алгоритмів, що відрізняються співвідношенням обсягу програмного забезпечення й апаратних засобів.

Рис.1.1. Основні етапи розробки контролера [1]

При цьому необхідно виходити з того, що максимальне використання апаратних засобів спрощує розробку й забезпечує високу швидкодію контролера в цілому, але супроводжується, як правило, збільшенням вартості й споживаної потужності. Зв'язано це з тим, що збільшення частки апаратних засобів досягається або шляхом вибору більше складного МК, або шляхом використання спеціалізованих інтерфейсних схем. І те, і інше приводить до росту вартості й енергоспоживання. Збільшення питомої ваги програмного забезпечення дозволяє скоротити число елементів контролера й вартість апаратних засобів, але це приводить до зниження швидкодії, збільшенню необхідного обсягу внутрішньої пам'яті МК, збільшенню строків розробки й налагодження програмного забезпечення. Критерієм вибору тут і далі є можливість максимальної реалізації заданих функцій програмними засобами при мінімальних апаратних витратах і за умови забезпечення заданих показників швидкодії й надійності в повному діапазоні умов експлуатації. Часто визначальними вимогами є можливість захисту інформації (програмного коду) контролера, необхідність забезпечення максимальної тривалості роботи в автономному режимі й інші. У результаті виконання цього етапу остаточно формулюються вимоги до параметрів використовуваного МК.

При виборі типу МК ураховуються наступні основні характеристики:

• розрядність;

• швидкодія;

• набір команд і способів адресації;

• вимоги до джерела живлення й споживана потужність у різних режимах;

• обсяг ПЗП програм і ОЗП даних;

• можливості розширення пам'яті програм і даних;

• наявність і можливості периферійних пристроїв, включаючи засобу підтримки роботи в реальному часі (таймери, процесори подій і т.п.);

• можливість перепрограмування в складі пристрою;

• наявність і надійність засобів захисту внутрішньої інформації;

• можливість поставки в різних варіантах конструктивною виконання;

• вартість у різних варіантах виконання;

• наявність повної документації;

• наявність і доступність ефективних засобів програмування й налагодження МК;

• кількість і доступність каналів поставки, можливість заміни виробами інших фірм.

Список цей не є вичерпаний, оскільки специфіка проектованого пристрою може перенести акцент вимог на інші параметри МК. Визначальними можуть виявитися, наприклад, вимоги до точності внутрішнього компаратора або наявність великої кількості вихідних каналів ШІМ.

Номенклатура МК, що сьогодні випускається обчислюється тисячами типів виробів різних фірм. Сучасна стратегія модульного проектування забезпечує споживача розмаїтістю моделей МК із тим самим процесорним ядром. Така структурна розмаїтість відкриває перед розроблювачем можливість вибору оптимального МК, що не має функціональної надмірності, що мінімізує вартість комплектуючих елементів.

Однак для реалізації на практиці можливості вибору оптимального МК необхідне досить глибоке пророблення алгоритму керування, оцінка об’єму прикладної програми і числа ліній сполучення з об'єктом на етапі вибору МК. Допущені на даному етапі прорахунки можуть згодом привести до необхідності заміни моделі МК і повторного розведення друкованої плати макета контролера. У таких умовах доцільно виконувати попереднє моделювання основних елементів прикладної програми з використанням програмно-логічної моделі обраного МК.

При відсутності МК, що забезпечує необхідні по ТЗ характеристики проектованого контролера, необхідне повернення до етапу розробки алгоритму керування й перегляд обраного співвідношення між обсягом програмного забезпечення й апаратних засобів. Відсутність МК, що підходить, найчастіше означає, що для реалізації необхідного обсягу обчислень (алгоритмів керування) за відведений час потрібна додаткова апаратна підтримка. Негативний результат пошуку МК із необхідними характеристиками може бути зв'язаний також з необхідністю обслуговування великої кількості об'єктів керування. У цьому випадку можливе використання зовнішніх схем обрамлення МК.

На етапі розробки структури контролера остаточно визначається состав наявних і тих, що підлягають розробці, апаратних модулів, протоколи обміну між модулями, типи електричних з’єднувачів. Виконується попереднє пророблення конструкції контролера.

У частині програмного забезпечення визначаються склад і зв'язки програмних модулів, мова програмування. На цьому ж етапі здійснюється вибір засобів проектування й налагодження.

Можливість перерозподілу функцій між апаратними й програмними засобами на даному етапі існує, але вона обмежена характеристиками вже обраного МК. При цьому необхідно мати на увазі, що сучасні МК випускаються, як правило, серіями (сімействами) контролерів, сумісних програмно й конструктивно, але, що розрізняються по своїх можливостях (об’єм пам'яті, набір периферійних пристроїв і т.д.). Це дає можливість вибору структури контролера з метою пошуку найбільш оптимального варіанта реалізації.

Не можна не згадати тут про нову ідеологію розробки пристроїв на базі МК, запропонованою фірмою «Scenix». Вона заснована на використанні високошвидкісних RISC-мікроконтролерів серії SX з тактовою частотою до 100 Мгц. Ці МК мають мінімальний набір вбудованої периферії, а більш складні периферійні модулі емулюють програмними засобами. Такі модулі програмного забезпечення називаються «віртуальними периферійними пристроями». Вони забезпечують зменшення числа елементів контролера, часу розробки, збільшують гнучкість виконання. До теперішнього часу розроблені цілі бібліотеки віртуальних пристроїв, що містять налагоджені програмні модулі таких пристроїв як модулі широтно-імпульсної модуляції і ФАПЧ, послідовні інтерфейси, генератори й вимірювачі частоти, контролери переривань і багато ін.