государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования
«Воронежский авиационный техникум имени В.П. Чкалова»
Специальность 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств»
Конспект лекций по дисциплине Микропроцессоры и микропроцессорные системы управления
Преподаватель Воробьева Н. Г.
Содержание:
Урок 1
Определение микропроцессора. История создания микропроцессора. Цель изучения дисциплины
Урок 2
РАЗДЕЛ 1 Основы микропроцессорной техники
Тема 1.1 Принцип программного управления – основной принцип работы
Урок 3
Тема 1.2 Принцип централизации управления МПС. Шинная связь
Урок 4
Вычисление объема адресного пространства МПС. Понятие формата адресного слова. Карта распределения адресов
Урок 5
Тема 1.3 Регистровая модель микропроцессора
Урок 6
Упражнения. Подготовка к лабораторным работам
Урок 7
Лабораторная работа №1 Ввод, компиляция и отладка программ в AVR Studio
Урок 8
Лабораторная работа №2 Анализ работы ядра микроконтроллера
Урок 9
Тема 1.4 Режимы работы микропроцессорной системы
Урок 10
Прерывание программы
Урок 11
Упражнения. Подготовка к лабораторным работам
Урок 12
Лабораторная работа №3 Анализ работы микропроцессора в программном режиме и в режиме вызова подпрограмм
Урок 13
Лабораторная работа №4 Анализ работы микропроцессора в режиме прерывания программы
Урок 14
Тема 1.5 Микроконтроллеры
Урок №15
РАЗДЕЛ 2 МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ семейства AVR
Тема 2.1 История создания, классификация микроконтроллеров семейства AVR
Урок №16
Тема 2.2 Типы корпусов микроконтроллеров семейства AVR
Урок №17
Тема 2.3 Основные параметры, назначение выводов МК ATtiny2313
Урок №18
Тема 2.4 Основные параметры, назначение выводов МК ATmega8535
Урок №19
Тема 2.5 Синхронизация работы МК AVR
Урок №20
Тема 2.6 Система сброса
Урок №21
Тема 2.7 Параллельные порты микроконтроллеров семейства AVR
Урок №22
Подключение к выводам параллельного порта внутреннего подтягивающего резистора.
Урок №23
Тема 2.8 Команды обращения к параллельным портам микроконтроллеров семейства AVR
Урок №24
продолжение темы 2.8
Урок №25
Упражнения
Урок №26
Подготовка к лабораторным работам № 5 и 6
Урок №27
Лабораторная работа № 5 Методика отладки программ на лабораторном стенде «Программирование МК ATmega8535»
Урок №28
Лабораторная работа № 6 Разработка и отладка программы «Copy»
Урок № 29
Тема 2.9 Типичные схемы подключения светодиодов к выходам МК
Урок №30
Расчет токоограничивающего резистора
Урок №31
Тема 2.10 Типичные схемы подключения семисегментных индикаторов к выходам МК
Урок №32
Динамическая индикация
Урок №33
Примеры программ статической индикации
Урок №34
Лабораторная работа № 7 Исследование работы схемы статической индикации на лабораторном стенде «Программирование МК ATmega8535
Урок № 35
Тема 2.11 Типичные схемы подключения двоичных датчиков
Урок № 36
Примеры программ опроса датчиков
Урок №37
Тема 2.12 Программирование микроконтроллеров
Урок № 38
Подготовка к лабораторным работам № 8, 9
Урок № 39
Лабораторная работа №8 Программирование микроконтроллера с помощью программатора Phyton
Урок № 40
Лабораторная работа №9 Отладка программ на стенде «Цифровые микросхемы»
Урок № 41 Тема 2.13 Система прерываний
Урок №42 Алгоритм обработки прерываний
Урок №43 Внешние прерывания INT0, INT1
Урок №44 Примеры программ обслуживания прерывания от внешних устройств
Урок №45 Лабораторная работа №10 Исследование логики прерывания от внешнего устройства
Урок №46 Закрепление материала
Список обязательных программ:
1 “svetodiod.asm”.
Постановка задачи: к выходам одного из параллельных портов подключены светодиоды, которые загораются при подаче на них лог.1. Требуется включить светодиоды в заданной комбинации
2 “copy.asm”.
Постановка задачи:
Постановка задачи: Cкопировать данные со входов одного параллельного порта на выходы другого параллельного порта микроконтроллера ATmeg8535
3 «stat.asm»
Постановка задачи: высветить на семисегментном индикаторе заданный символ
4 «opros.asm»
Постановка задачи: выполнить действие по сигналу от двоичного датчика, подключенного к параллельному порту
5 «int.asm”
Постановка задачи: выполнить действие по сигналу прерывания от внешнего источника int0.
Урок 1
Тема урока: ВВЕДЕНИЕ
Вопросы темы:
1 Определение микропроцессора
2 История создания микропроцессора
3 Цель дисциплины, ее роль в подготовке специалиста.
1 Определение микропроцессора
Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом обработки, реализованное в виде одной или нескольких БИС или СБИС.
2 История создания и основные направления развития МП
Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году фирмой Intel (США). Это был четырехразрядный процессор Intel-4004 (i4004), работающий на частоте 108КГц, состоящий из 2300 транзисторов, размером 10 мкм каждый, и выполняющий 60 тысяч операций в секунду.
Рисунок 1 – Первый микропроцессор i4004
Идея создания микропроцессора принадлежит сотруднику Intel Теду Хоффу. Первый микропроцессор был разработан для калькулятора. Он заменил 12 микросхем, работающих по принципу жесткой логики. Гордон Мур, один из основателей фирмы Intel, назвал i4004 "одним из самых революционных продуктов в истории человечества". Изобретение было настолько важным, что изобретатель микропроцессора Тед Хофф был признан одним из величайших ученых XX века.
Два основных достоинства первого микропроцессора стали причиной его успеха: миниатюрность и программируемость функций. По внешнему виду микропроцессор представлял собой обычную микросхему, а по своим вычислительным возможностям соответствовал процессорам больших ЭВМ (рисунки 2,3).
Чтобы понять важность изобретения Хоффа, представьте себе ЭВМ того времени. На рисунке 2 представлена фотография ЭВМ БЭСМ-6 (СССР).
Рисунок 2 – Отечественная ЭВМ БЭСМ-6
Процессоры первых ЭВМ представляли собой громоздкие «шкафы», набитые электронными схемами, собранными сначала на электронных лампах, затем на транзисторах и микросхемах. На рисунке 3 представлена фотография создателя первых отечественных ЭВМ академика Сергея Алексеевича Лебедева за работой.
Идея миниатюризации зародилась в конце 50-х годов XX века, когда Джек Килби (США) и Роберт Нойс (США), независимо друг от друга, изобрели первые интегральные схемы. Серийное производство интегральных схем в середине 60-х годов положило начало процессу миниатюризации.
Рисунок 3 – Академик Лебедев С.А. за работой
Основатель Intel Гордон Мур в 1965 году сформулировал правило, согласно которому количество транзисторов на кристалле микросхемы и быстродействие микросхем будет удваиваться каждые полтора-два года. Это правило носит название «закон Мура», оно выполняется до сих пор. МП i4004 был первым миниатюрным процессором, собранным на одном кристалле.
Микросхема i4004 стала первой микросхемой, в которой был использован принцип программируемой логики, согласно которому алгоритм работы схемы хранится в памяти микропроцессора в виде программы. Многофункциональность - основное преимущество микропроцессоров перед устройствами, выполненными на основе жесткой логики. Одну и ту же микросхему можно использовать для решения различных задач, изменяя не схему, а программу.
Уменьшение размеров, снижение стоимости и энергопотребления микропроцессоров сделали возможным их применение в самых разнообразных устройствах, явились предпосылкой для создания персональных компьютеров. Микропроцессоры вошли в жизнь каждого человека, сделали ее легче, разнообразнее и интереснее.
1 апреля 1974 года фирма Intel выпустила микропроцессор i8080, который на долгие годы становится стандартом архитектуры МП. Именно i8080 использовался в первом персональном компьютере «Альтаир». Этот МП первым начали встраивать в системы ЧПУ, контрольно-измерительные приборы, системы автоматизации и контроля.
Рисунок 3 – Микропроцессор КР580ВМ80А – полный аналог i8080, выпускался в СССР с 1979 года и лицевая панель первого ПК «Альтаир» (США)
Темпы развития микропроцессоров не имеют себе равных среди других технических изобретений. Вот какую оценку успехов микропроцессорной индустрии, дал основатель фирмы Intel Гордон Мур: «Если бы автомобилестроение эволюционировало со скоростью полупроводниковой промышленности, то сегодня «Роллс-Ройс» стоил бы всего 3 доллара, мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина, и было бы дешевле его выбросить, чем заплатить за парковку».
Можно выделить два основных направления развития МП:
повышение производительности, что особенно важно для микропроцессоров, используемых в ЭВМ,
расширение функциональных возможностей, что имеет большое значение для микропроцессоров, встраиваемых в различное оборудование: технологическое, медицинское, средства связи, контрольно-измерительные и бытовые приборы и т.д.
3 Цель изучения дисциплины
Целью курса является изучение основ микропроцессорной техники и архитектуры микроконтроллеров семейства AVR, базовых принципов проектирования систем автоматизации технологических процессов на базе микроконтроллеров семейства AVR, приобретение практических навыков анализа, исследования, наладки микропроцессорных систем.
Контрольные вопросы и задания
1 Дайте определение МП
2 Когда был выпущен первый МП?
3 Что общего было у первого микропроцессора с центральным процессором больших ЭВМ?
4 Чем первый микропроцессор отличался от процессоров больших ЭВМ?
5 Назовите основные достоинства МП
6 Как достигается многофункциональность МП?
7 Сформулируйте закон Мура
8 Почему Годон Мур назвал первый МП "одним из самых революционных продуктов в истории человечества"?
9 Как микропроцессоры повлияли на вашу жизнь?
10 Назовите фамилию основоположника отечественной электронной вычислительной техники
11 Чем знамениты эти ученые: Тед Хофф, Гордон Мур, Роберт Нойс, Джек Килби, С.А Лебедев?
Источники информации:
http://fpfe.mipt.ru/science_articles/105_years_Lebedev.html - статья об Академике С.А. Лебедеве
http://chernykh.net/content/view/458/670/ - статья о Т. Хоффе
Дополнительные материалы
1 История создания первого микропроцессора
В истории создания первого микропроцессора переплетаются верная оценка перспектив, стремление к переменам, высокая квалификация инженеров и …везение.
Главной целью Intel было создание микросхем памяти. В то время «кремниевая» память была в сто раз дороже памяти на магнитных сердечниках, но имела малые габариты, пониженное энергопотребление и лучшую производительность, поэтому основатели Intel были уверены в коммерческом успехе полупроводниковой памяти.
В
1969 году фирма получила заказ от японской
фирмы Busicom
на разработку комплекта микросхем для
калькуляторов. В состав комплекта
входило 12 микросхем.
Инженер Тэд Хофф предложил отказаться от конструирования микросхем «под заказчика» и предложил концепцию универсальной микросхемы – процессора, выполняющего различные функции под управлением программы, хранящейся в памяти. Центральное процессорное устройство входило в набор из 4-х микросхем (2 из которых являлись памятью), оно не только полностью соответствовало заданию заказчика, но и без дополнительных переделок могло быть использовано в других приборах.
Некоторые сотрудники фирмы опасались, что работа над процессором может отвлечь от главной цели – разработки микросхем памяти, но основатели Intel Боб Нойс и Гордон Мур поддержали работу над проектом. Мало кто верил в коммерческий успех микропроцессора, многие смотрели на процессор как на средство увеличения продаж памяти.
В проектировании первого процессора принимали участие инженеры Intel: Тэд Хофф разработал архитектуру, Стэн Мэйзор - систему команд, Федерико Феджин спроектировал саму микросхему. Через 25 лет после создания первого процессора имена этих трех сотрудников Intel были внесены в списки Национального зала славы и изобретателей США.
Более подробно о создании первого МП можно прочитать в информационном листе «Микропроцессору 25 лет»
2 Развитие отечественной микроэлектроники
Первый МП был сделан в СССР в 1975 году в Зеленограде. Затем последовала целая серия микропроцессоров. В 79-м появилась одноплатная микро-ЭВМ, и благодаря этому произошла революция в области систем автоматизированного управлении.
Одним из ведущих разработчиков отечественных МП является Московский центр SPARC-технологий (ЗАО Эльбрус МЦСТ). Наиболее важные разработки связаны с разработкой суперкомпьютеров семейства «Эльбрус». «Эльбрусы» начали разрабатываться в 1970-х годах по оригинальной отечественной архитектуре, а не копированием зарубежных компьютеров. Ведущим разработчиком Эльбрусов является академик Борис Бабаян.
С
уперкомпьютеры
Эльбрус-1, Эльбрус-2 использовались в
системах противоракетной обороны, были
установлены в космическом ЦУПе, в ядерных
центрах Арзамас-16 и Челябинск-70. В 2005
году выпущена первая партия процессоров
«Эльбрус», известных под названием E2K,
(изготовлен по нормам 0,13мкм, содержит
50 млн. транзисторов, имеет производительность
1-2 млрд оп. в секунду, работает на частоте
300МГц).
Эльбрус
3М
На базе нового микропроцессора разработан сверхпроизводительный вычислительный комплекс «Эльбрус-3М» для внедрения в государственные и оборонные вычислительные системы РФ. С 2011 года начинается выпуск микропроцессоров «Эльбрус-S» (техпроцесс – 90 нм, тактовая частота – 500 МГ ц), представляющего собой систему на кристалле.
В
Эльбрус
- 2
Объем российской микроэлектроники в 2010 году составит 0,5% от мирового рынка, или 1,5 млрд долларов против 280 млрд долларов. В последние годы в России предпринимаются усилия по развитию микроэлектроники и нанотехнологии, поскольку без них невозможно развитие экономики, создание современного авиа-, судо- и ракетостроения, обеспечение безопасности государства.
Реализация программы «Развитие электронной компонентной базы» на 2007–2011 годы в составе Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база», позволит снизить до 50% использование импортных комплектующих российской технике.
Одна из ближайших задач - реализация проекта запуска в Зеленограде на заводе «Микрон» производства интегральных схем с технологическим стандартом 90 нанометров. На «Микроне» планируют уже к концу 2010 года получить образцы новых микросхем, во второй половине 2011 года начать производство, а окупаться фабрика 90 нм должна в 2013 году. Общий объем финансирования составляет 16,5 млрд рублей.
М
икросхемы
предыдущего «поколения» с нормами 180
нм по технологии EEPROM уже освоены
«Микроном» и запущены в серию. Именно
по этой технологии производятся билеты
для московского метро. «Микрон» обещает,
что до конца года в этих билетах будут
использоваться собственные чипы.
Дальнейшее технологическое развитие
«Микрона» в рамках существующей фабрики
уже невозможно. Для запуска производства
на пластинах диаметром 300 мм (по технологии
65-45-32 нм) потребуется строительство
новой фабрики, «чистой комнаты»,
инфраструктуры. А это в разы большие
инвестиции, чем для «сегодняшнего»
проекта 90 нм.
Для поддержки отрасли разрабатываются планы участия отечественной микроэлектроники в крупных проектах. Особое место здесь занимает ГЛОНАСС. В первую очередь заработает система реагирования на автомобильные аварии. Аппаратуру, которая будет сигнализировать обо всех экстренных ситуациях на дорогах, установят сначала на государственном транспорте, затем на муниципальном. По сути это формирование серьезного сегмента для рынка.
Увеличение спроса на отечественную микроэлектронику связывают с развитием современных средств связи. Для перехода на цифровое теле- и радиовещание потребуется большое количество оборудования, и желательно отечественного.
Ведущим производителем в российской электронной отрасли является группа акционерных предприятий «Ангстрем». Предприятия группы производят микропроцессоры, микроконтроллеры, калькуляторы, драйверы, статические и динамические запоминающие устройства, логические и цифровые микросхемы, преобразователи, силовую электронику и другие микроэлектронные компоненты. Половина всей продукции группы реализуется на внешнем рынке. Основными потребителями продукции на внутреннем рынке являются госпредприятия.
3 Особенности архитектуры отечественных процессоров
В
70-80-х годах по уровню разработок мы
опережали Америку на 10 лет. Достаточно
сказать, что первый суперскалярный
микропроцессор был выпущен в СССР в
1978 году. На Западе он появился только в
начале 90-х. Уникальность отечественных
компьютеров Эльбрус -1, Эльбрус -2, Эльбрус
-3 состоит в том, что значительно отставая
от оаналогичных зарубежных компьютеров
по технологическим нормам, они выигрывают
в производительности за счет оригинальных
архитектурных решений: суперскаялярная
архитектура (наличие нескольких
вычислительных конвейеров, работающих
параллельно),
архитектура широкого командного слова
с явным параллелизмом, которая позволяет
повысить производительность в 2-3 по
отношению к суперскалярной, двойная
компиляция, которая позволяет обеспечить
совместимость процессора с другими
архитектурами и заключается в том, что
двоичный код одной архитектуры скрыто
транслируется в двоичный код другой
архитектуры. В настоящее время архитектура
Эльбрусов привлекает пристальное
внимание специалистов ведущих фирм,
включая Intel.
Дело в том, что вычислительные комплексы
Эльбрус имеют не только высокую скорость
вычислений, но в них предусмотрен режим
надежной защиты от вирусов. Атаки
хакеров потрясающие компьютерную
империю, приносят чудовищные ущербы.
Есть теорема, доказывающая, что в
Интернете в принципе невозможно
обеспечить полную информационную
безопасность. И с этим надо смириться.
Как говорится, сегодня против лома нет
приема. Причина - в самом Интернете. Ведь
по своему построению - это предельно
открытая система. Здесь царит максимальная
децентрализация, для передачи данных
существует множество обходных маршрутов.
В Сети созданы все удобства для обмена
информацией и не предусмотрены механизмы
ее защиты. Словом, Интернет - далеко не
Брестская крепость и даже не китайская
стена. Свои делишки мошенники готовят
не менее тщательно, чем грабители банка
в знаменитом фильме "Солнце бродяг"
с Жаном Габеном в главной роли. Они
вначале вполне легально заходят на
сайты будущей жертвы, говоря образно,
просто бродят по первому этажу.
Присматриваются, кто сайт посещает,
какие документы носит, выявляют, какое
здесь программное обеспечение. Легким
"касанием", чтоб не "разбудить"
сигнал тревоги, оценивают боеготовность
защитной системы. И только после такой
глубокой разведки совершают налет. Он
длится секунды. Причем преступник,
уходя, стирает свои следы в электронном
журнале, где регистрируются все посетители
сайта. Какой арсенал средств имеется у
стороны защиты? Увы, он скуден. Это,
например, межсетевые экраны. Вы можете
ограничить доступ в свой компьютер,
назвав гостей, кого можно впускать. Но
этот барьер нередко преодолевается.
Злоумышленник следит за входящими,
надевает их личину и проникает в "дом".
Еще одно средство - кодирование информации
с помощью специальных программ и
аппаратных средств, различных карточек,
магнитных таблеток, индивидуальных
подписей, отпечатков пальцев, рисунка
уха и т.д. Однако и это не панацея. Код
расшифровывается с помощью перебора
множества вариантов. А вообще программисты
шутят: самый надежный компьютер тот,
который выключен.Во всех операционных
системах есть множество дыр, которые
хорошо известны. И хотя разработчики
пытаются их латать, что-то всегда
остается. Кроме того, настырные хакеры
постоянно отыскивают все новые бреши.
Созданная Бабаяном система "Секьюрити"
действует очень изощренно. Она может
впустить мошенника в компьютер, но сразу
же загнать в отдельную ячейку. Там, как
в тюремной одиночке: три шага - влево,
три - вправо. Более того, "арестанту"
можно даже поручить какую-то работу,
скажем, дать что-то подсчитать. Но он
остается в клетке, не имея доступа к
другим файлам, а значит, не наносит
никакого вреда. Сколько может находиться
в заключении? Пожизненно! Эта идеология
была заложена еще в первых "Эльбрусах".
когда не было на свете ни Интернета, ни
вирусов. Однако компьютерный мир,
стремясь к предельной открытости, пошел
тогда другим путем. И оказался беззащитен
перед электронными мошенниками. Чтобы
перейти на систему "Секьюрити"
потребуется изменить аппаратные и
операционные системы, но и переписать
все программы. Это миллиарды долларов.
Причины интереса к системе очевидны:
оценки показывают, что идеология Бабаяна
обойдется во много раз дешевле, чем
возможный ущерб от наглеющих хакеров.
Урок 2