Компьютерные системы и комплексы

 

 

Составитель: Преподаватель В.А.Домнин

 

Общие положения

Область применения курсового проектирования

Курсовой проект является частью образовательного модуля ПМ 03, разработанного в соответствии с ФГОС по специальности 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы» в части освоения основного вида профессиональной деятельности (ВПД): техническое обслуживание и ремонт компьютерных систем и комплексов и соответствующих профессиональных компетенций (ПК):

ПК 3.1. Проводить контроль, диагностику и восстановление работоспособности компьютерных систем и комплексов.

ПК 3.2. Проводить системотехническое обслуживание компьютерных систем и комплексов.

ПК 3.3. Принимать участие в отладке и технических испытаниях компьютерных систем и комплексов; инсталляции, конфигурировании программного обеспечения.

ОК 3.1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 3.2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 3.3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

ОК 3.4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 3.5. Использовать информационно–коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

ОК 3.6. – 3.7. Работать в коллективе и команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), результат выполнения заданий.

ОК 3.8. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 3.9. Ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессиональной деятельности.

ОК 3.10. Исполнять воинскую обязанность, в том числе с применением полученных профессиональных знаний (для юношей).

Модуль включает в себя изучаемые темы - Системотехническое обслуживание компьютерных систем и комплексов; Отладка и технические испытания компьютерных систем и комплексов; Инсталляция, конфигурирование программного обеспечения; Контроль, диагностика и восстановление работоспособности компьютерных систем и комплексов.

Требования к уровню освоения модуля

С целью овладения указанным видом профессиональной деятельности и соответствующими профессиональными компетенциями обучающийся в ходе освоения профессионального модуля должен:

иметь практический опыт:

- проведения контроля, диагностики и восстановления работоспособности компьютерных систем и комплексов;

- системотехнического обслуживания компьютерных систем и комплексов;

- отладки аппаратно-программных систем и комплексов;

- инсталляции, конфигурирования и настройки операционной системы, драйверов, резидентных программ;

уметь:

- проводить контроль, диагностику и восстановление работоспособности компьютерных систем и комплексов;

- проводить системотехническое обслуживание компьютерных систем и комплексов;

- принимать участие в отладке и технических испытаниях компьютерных систем и комплексов;

- инсталляции, конфигурировании и настройке операционной системы, драйверов, резидентных программ;

- выполнять регламенты техники безопасности;

знать:

- особенности контроля и диагностики устройств аппаратно программных систем; основные методы диагностики;

- аппаратные и программные средства функционального контроля и диагностики компьютерных систем и комплексов возможности и области применения стандартной и специальной контрольно – измерительной аппаратуры для локализации мест неисправностей СВТ;

- применение сервисных средств и встроенных тест-программ;

- аппаратное и программное конфигурирование компьютерных систем и комплексов;

- инсталляцию, конфигурирование и настройку операционной системы, драйверов, резидентных программ;

- приемы обеспечения устойчивой работы компьютерных систем и комплексов;

- правила и нормы охраны труда, техники безопасности, промышленной санитарии и противопожарной защиты;

 

Курсовой проект (работа) по модулю выполняется в соответствии с заданием, выданным в учебном заведении, и оформляется в соответствии с требованиями действующих стандартов ЕСКД. Задание на курсовой проект утверждается председателем цикловой комиссии и заведующим отделением перед его выдачей студенту. Курсовой проект состоит из пояснительной записки и презентации.

Микропроцессорные системы

1. Характеристика современных методов проектирования микропроцессорных систем

Наличие в микропроцессорной системе как аппаратных, так и программных средств обуславливает ряд специфических особенностей, присущих процессу ее создания. Он существенно отличается от проектирования традиционных электронных устройств, не предполагающих программное обеспечение. В отличие от традиционного подхода, когда все функции, возлагаемые на устройство, достигаются чисто аппаратными средствами и другой альтернативы просто не существует, при аппаратно – программной реализации выполняемые функции оптимально располагаются между программными и аппаратными средствами микропроцессорной системы.

Идея единства программного и аппаратного обеспечения систем на базе микроконтроллеров является очень важной. Объединение инструментальных средств разработки программного обеспечения с инструментальными средствами разработки аппаратного обеспечения может стать важным преимуществом при разработке устройства. Существуют пять различных инструментов, которые используются для разработки приложений на базе микроконтроллеров, и объединение их функций может существенно облегчить процесс проектирования:

– редактор исходных текстов;

– компилятор/ассемблер;

– программный симулятор;

– аппаратный эмулятор;

– программатор.

Хотя не все из этих инструментов являются необходимыми, и каждый из них может исполняться в отдельности, но их совместное использование упрощает разработку и отладку приложения.

Редактор используется для создания исходного кода программы. Существует множество самых разнообразных редакторов от простых, которые копируют код, вводимый с клавиатуры, в файл, до специализированных редакторов, реакция которых на нажатие определенных клавиш может программироваться пользователем. Такая реакция редактора избавляет разработчика от необходимости заботится о правильном синтаксисе оператора.

Компилятор/ассемблер используется для преобразования исходного текста в машинные коды микроконтроллера, т.е. в формат, который может быть загружен память программ.

Симуляторы – это программы, которые выполняют откомпилированный программный код в инструментальном компьютере. Это позволяет осуществлять наблюдение за программой и реакцией микроконтроллера на различные события. Симулятор может быть неоценимым инструментом в процессе разработки программного обеспечения, позволяя исследовать различные ситуации, которые трудно воспроизвести на реальной аппаратуре.

Важное преимущество симуляторов – возможность многократного воспроизведения рабочих ситуаций. Если надо понять, почему участок программы работает некорректно, можно повторять этот участок снова и снова до тех пор, пока ошибка не будет обнаружена. Воспроизводимость может быть расширена путем использования специальных файлов входных воздействий. Эти файлы служат для того, чтобы задать симулятору различные комбинации входных потоков данных и формы сигналов. Чтобы имитировать внешние условия и ситуации, обычно используется специальный файл входных воздействий. Этот файл задает последовательность входных сигналов, поступающих на моделируемое устройство. Разработка такого файла может потребовать много времени и больших усилий. Но для понимания того, как работают микроконтроллер и программа в определенных ситуациях, использование симулятора и файла входных воздействий является наилучшим методом. В большинстве случаев следует использовать симуляцию перед сборкой и включением реальной схемы. Если устройство не работает ожидаемым образом, то следует изменить файл входных воздействий и попытаться понять, в чем состоит проблема, используя для этого симулятор, который позволяет наблюдать за процессом выполнения программы в отличие от реальной аппаратуры, где можно увидеть только конечные результаты.

Эмуляторы. Наиболее сложным и дорогим инструментом для отладки приложения и электрических интерфейсов является эмулятор. Эмулятор – это устройство, которое заменяет микроконтроллер в схеме и выполняет программу под Вашим управлением. Эмулятор является превосходным инструментом для разработки большинства приложений, хотя имеются некоторые разногласия по вопросу их использования в процессе разработки.

Обычно эмулятор содержит специальный эмуляторный кристалл, который подсоединяется в ведущему компьютеру или рабочей станции. Эмуляторный кристалл – это обычный микроконтроллер, помещенный нестандартный корпус с дополнительными выводами, которые подключаются к шине памяти программ и управляющим сигналам процессора. Эти дополнительные выводы позволяют соединять микроконтроллер с внешней памятью программ, которая подключена к ведущему компьютеру. Такой интерфейс позволяет легко загружать тестовые программы в эмуляторный кристалл. Выводы эмуляторного кристалла соединяются с разъемом (эмуляторная вилка), который подключается к отлаживаемому устройству, заменяя в нем микроконтроллер.

Взаимодействие с эмуляторами очень похоже на работу с симулятором. Разница состоит в том, что эмулятор не воспринимает файл входных воздействий, так как его выводы подключены к реальному устройству. Эмулятор предназначен для отладки приложений на реальном оборудовании.

Программатор. Последний инструмент разработчика – это программатор памяти программ микроконтроллера. Хотя некоторые производители микроконтроллеров предпочитают выпускать их с масочнопрограммируемой памятью программ, они обычно выпускают также аналогичные версии микроконтроллеров с E(E)PROM памятью для разработки приложений. Это значит, что существует возможность непосредственного программирования микроконтроллера при разработке приложения.

Для некоторых микроконтроллеров требуется специальный программатор, но чаще всего используются возможности внутрисистемного программирования ISP. В таком случае программатор является частью проектируемого устройства. Некоторые программаторы реализуют функции схемного эмулятора. При этом установленный в программаторе микроконтроллер подключается к отлаживаемой системе и управляет ее работой аналогично тому, как это выполняется в эмуляторе.

2. Формализация задачи проектирования микропроцессорной системы

Формализация задачи проектирования микропроцессорной системы включает определение входов и выходов аппаратных и программных блоков, конкретных процессов обработки, формулирование и учет системных ограничений (эксплуатационных, временных, объемных, точностных и др.) на основе функций, которые будет выполнять разрабатываемая система.

Первый шаг цикла проектирования микропроцессорной системы включает в себя определение набора требований пользователя и создания вытекающей из них функциональной спецификации, а также формулирование системных требований к микропроцессорной системе. Требования пользователя определяют то, что он хочет получить от системы, и что она должна делать. В рамках курсового проекта в качестве требований пользователя выступает задание на проектирование микропроцессорной системы. Функциональная спецификация микропроцессорной системы определяет, какие функции должны выполняться для удовлетворения требований пользователя и обеспечения интерфейса (связи) между системой и ее внешним окружением (обслуживающим персоналом, исполнительными устройствами, датчиками и т.д.). Последнее определяет наличие и количество индикационных элементов, клавиатуры, входов и выходов микропроцессорной системы. На этапе формулирования системных требований детализируется функциональная спецификация с точки зрения выполнения системных функций (системная функция ввода – вывода дискретной информации, системная функция ввода – вывода аналоговой информации, обслуживание клавиатуры и индикации и др.). Таким образом, на всех этих этапах определения спецификаций и разработки функционально – системных требований к микропроцессорной системе из общей проблемы, часто поставленной абстрактно и независимо от техники ее реализации, формулируются конкретные, четкие требования и выделяются выполняемые функции на основе принятых для технического описания микро–процессорной системы терминов и определений параметров, характеристик, режимов работы.

Для микропроцессорной системы требуется проектирование, как аппаратных, так и программных средств. Необходимо, во – первых, определить аппаратную и программную конфигурации; во – вторых – какие функции спецификации будут выполняться аппаратной частью, а какие – программной. При этом необходимо тщательно учитывать особенности, достоинства и недостатка реализации функций каждой частью микропроцессорной системы. Так, к преимуществам программной реализации можно отнести: широкие – интеллектуальные функциональные возможности; осуществимость перенастройки микропроцессорной системы на новые условия, задачи, объекты и т.д. путем изменения только программного обеспечения.

Наряду с положительными качествами программная реализация функций МПС обладает по сравнению с аппаратной некоторыми ограничительными особенностями, которые могут влиять на компромиссный выбор того или иного метода реализации функций микропроцессорной системы:

– большим временем выполнения функций (или меньшим быстродействием), обусловленным последовательным методом выполнения программы.

– сложностью программной реализации функций непосредственного сопряжения с реальными объектами;

– ограниченным объемом памяти программ и данных.

3. Основной математический аппарат, используемый при проектировании микропроцессорных систем

В большинстве случаев проектируемые микропроцессорные системы строятся на основе однокристальных микроконтроллеров. Микроконтроллеры, используемые в различных устройствах, выполняют функции интерпретации данных, поступающих с клавиатуры пользователя или от датчиков, определяющих параметры окружающей среды, обеспечивают связь между различными устройствами системы и передают данные другим приборам.

Проектирование микропроцессорной системы предполагает аппаратно – программную реализацию устройства. В соответствии с этим необходимо про извести математические расчеты, как при выборе аппаратных элементов системы, так и при разработке программного обеспечения.

При разработке аппаратных средств микропроцессорной системы необходимо провести расчет электрических параметров аппаратных модулей принципиальной схемы устройства. Эти расчеты проводят, используя законы электротехники. Следует решить следующие задачи:

– подключение питания;

– обеспечение режима генерации тактовых импульсов;

– расчет схемы запуска;

– подключение внешних устройств (аналоговых и цифровых);

– организация прерываний.

При разработке программного обеспечения чаще всего возникает необходимость расчета реальной частоты выполнения команд, количества тактов, нужных для организации задержки, расчет режимов работы таймеров и другие расчеты, связанные с реализацией программы.

4. Основные сведения о микроконтроллерах

Большое место в микропроцессорной технике занимают микроконтроллеры. В настоящее время происходит настоящая революция, оказавшая значительное влияние на каждого из нас – это автоматизация практически всей окружающей нас среды с помощью дешѐвых и мощных микроконтроллеров. Микроконтроллер – это самостоятельная компьютерная система, которая содержит процессор, память, вспомогательные схемы и устройства ввода–вывода данных, размещенные в общем корпусе. Микроконтроллеры, используемые в различных устройствах, выполняют функции интерпретации данных, поступающих с клавиатуры пользователя или от датчиков, определяющих параметры окружающей среды, обеспечивают связь между различными устройствами системы и передают данные другим приборам. Применение микроконтроллеров позволяет значительно снизить количество и стоимость используемых материалов и комплектующих изделий, что обеспечит снижение себестоимости конечной продукции.

Основные типы:

– встраиваемые 8 – разрядные МК;

– 16 и 32 – разрядные МК;

– цифровые сигнальные процессоры (DSP).

Встраиваемые МК

Промышленностью выпускается очень широкая номенклатура встраиваемых (embedded) МК. В этих МК все необходимые ресурсы (память, устройства ввода/вывода и т.д.) располагаются на одном кристалле с процессорным ядром. Всѐ, что необходимо сделать – это подать питание и тактовые сигналы. Встраиваемые микроконтроллеры могут базироваться на существующем микропроцессорном ядре или на процессоре, разработанном специально для данного микроконтроллера.

Основное назначение встраиваемых МК – обеспечить с помощью недорогих средств гибкое программируемое управление объектами и связь с внешними устройствами. Эти МК не предназначены для реализации комплекса сложных функций, но они способны обеспечить эффективное управление во многих областях применения.

Встраиваемые МК содержат значительное число вспомогательных устройств, благодаря чему обеспечивается их включение в реализуемую систему с использованием минимального количества дополнительных компонентов. В состав этих МК обычно входят:

– схема начального запуска процессора (RESET);

– генератор тактовых импульсов;

– центральный процессор;

– память программ (Е (Е) Р)ROM и программный интерфейс;

– память данных RAM;

– средства ввода–вывода данных;

– таймеры, фиксирующие число командных циклов.

Общая структура микроконтроллера показана на рисунке 4.1.

Более сложные встраиваемые микроконтроллеры могут дополнительно реализовать следующие возможности:

– встроенный монитор/отладчик программ;

– внутренние средства программирования памяти программ (ROM);

– обработка прерываний от различных источников;

– аналоговый ввод – вывод;

– последовательный ввод – вывод (синхронный и асинхронный);

– параллельный ввод – вывод (включая интерфейс с компьютером);

– подключение внешней памяти (микропроцессорный режим).

Рисунок 4.1 – Общая структура микроконтроллера

Все эти возможности значительно увеличивают гибкость применения МК и делают более простым процесс разработки систем на их основе. Но для реализации этих возможностей требуется расширение функций внешних выводов. Типичные значения max частоты тактовых сигналов составляют для различных микроконтроллеров 10 – 20 МГц. Главным фактором, ограничивающим их скорость, является время доступа к памяти, применяемой в МК.