Проектирование программного обеспечения МПС

Существенное различие в разработке программных и аппаратных средств обусловлено значительно большей гибкостью программных средств.

При конструировании аппаратуры всегда может быть найден окончательный вариант, который наиболее экономично и эффективно реализует необходимые функциональные требования. Программа же, написанная для решения определенной задачи, обычно может иметь несколько вариантов, которые мало отличается по функционированию.

Одним из следствий большей гибкости, обеспечиваемой аппаратно–программными микропроцессорными системами, является то, что задачи, которые в дальнейшем могут модифицироваться, обычно реализуются программными средствами. Изменяя в программе те или иные части (программные модули), можно легко добиться требуемой модификации, в то время когда подсоединение дополнительных компонентов к монтажной плате для модификации аппаратного обеспечения может оказаться чрезвычайно сложным делом.

Проектирование программного обеспечения МПС включает в себя следующие этапы:

– анализ требований к программному обеспечению;

– формализация задач и выполняемых функций, куда входит определение входов и выходов алгоритмических и программных блоков, конкретных процессов обработки, формулирование и учет системных ограничений (эксплуатационных, временных, объемных, точностных и др.);

– проектирование программы или составление алгоритма ее выполнения, удовлетворяющего требованиям постановки задачи и спецификаций;

– кодирование или собственно программирование, заключается в формировании программы на выбранном языке

– программирование (исходный текст). Затем осуществляется компиляция и трансляция для программы, написанной на языке высокого уровня, или только трансляция для программы, написанной на языке ассемблера. После компоновки с помощью редактора связей получается загрузочный модуль в машинных кодах целевого (используемого) микропроцессора или микроконтроллера;

– тестирование и автономная отладка, когда на программной модели проверяется корректность программы. Тестирование позволяет убедиться в том, что программа правильно выполняет возложенные на нее функции. При этом очень важным является правильный выбор тестовых данных, разработка методов тестирования и тестовых примеров.

Для выполнения двух последних этапов проектирование ПО необходимо использовать специальные инструментальные апппаратно – программные средства на базе микроЭВМ: а) резидентные, если микропроцессоры инструментальной микроЭВМ и объектной МПС совпадают, и б) кросс – средства, если они различны.

6. Средства отладки микропроцессорных систем

Эффективность проектирования микропроцессорных систем определяется в первую очередь квалификацией разработчика и арсеналом инструментальных средств. При изучении курса «Микропроцессорные системы» используются различные средства, выполняющие следующие функции: ввод/вывод аналоговых и цифровых сигналов, хранение и обработки данных, хранение и выполнения командных кодов, а также консольная индикация выполняемых операций и управление. По своей функциональной законченности различают следующие устройства:

– контроллеры – конструкторы;

– учебные микропроцессорные стенды.

Контроллеры – конструкторы – это средства, наиболее популярные у массового разработчика. Представляют собой полуфабрикат микропроцессорного контроллера, на основании которого легко собрать несложную целевую систему в ограниченном количестве экземпляров.

Контроллеры–конструкторы разнообразны по своей организации и составу периферийных блоков, могут снабжаться схемами защиты, элементами поддержки работы в реальном времени. Они выполняются часто с макетным полем или большим числом разъемов расширения. Важным их отличием от промышленных контроллеров является необходимость программирования пользовательской задачи на уровне реальной аппаратуры (а не на уровне виртуальной машины или операционной системы) независимо от используемого языка программирования (ассемблер, Си).

Контроллеры – конструкторы являются «открытыми системами», что определяет состав сопроводительной документации (принципиальные электрические схемы и описание архитектуры) и инструментального программного обеспечения (загрузчики, программаторы, мониторы –отладчики, библиотеки драйверов устройств и специальных вычислительных функций).

Учебные микропроцессорные стенды на базе микроконтроллеров предназначены для изучения принципов организации и работы микропроцессорной элементной базы, вспомогательных элементов (память, контроллеры ввода – вывода и др.), получения навыков проектирования и программирования микропроцессорных систем различного назначения.

 

Содержание пояснительной записки

Пояснительная записка содержит задание, исходные данные и необходимые пояснения по специальной части.

Курсовой проект выполняется с соблюдением установленных в образовательном учреждении стандартов и в соответствии с разработанными методическими указаниями по оформлению курсовых проектов (работ). Найти эти методические указания можно на сайте колледжа в разделе Студентам/ Нормативные документы / «Положение об организации выполнения и защиты курсовой работы (проекта)» по адресу: www.htk.edu.ru/prepod.htm#m4: методические указания 2013 г. «Оформление учебных документов».

Курсовой проект, отвечающий предъявленным к нему требованиям, допускается к защите. Окончательная оценка выставляется после устной защиты и презентации.

Курсовой проект выполняется в следующей последовательности:

– титульный лист;

– задание на курсовую работу;

– содержание;

– введение;

– теоретическая (общая) часть;

– расчетная часть;

– заключение;

– источники;

– презентация работы в электронном виде (формат – ррt).

Введение и общая часть

Разделы «Введение» и «Общая часть»

Введение курсового проекта должно начинаться с обоснования актуальности выбранной темы, с указанием области применения разрабатываемого устройства и тех преимуществ, которые предоставляет внедрение данного проекта в ту или иную сферу, это требование к любой научной работе.

В применении к работе понятия «актуальность» заключается в том, насколько автор правильно понимает тему исследования и оценивает ее с точки зрения своевременности и социальной значимости. Не требуется больших пояснений, необходимо акцентировать внимание на главном.

На листе Введения содержится штамп. Если объём введения превышает одну страницу печатного текста, то информация переносится на следующий лист.

Общая (теоретическая) часть состоит из нескольких подразделов, между которыми должна сохраняться логическая последовательность, т.е. все разделы проекта необходимо увязать между собой, уделяя особое внимание «переходам» от одного раздела к другому, от вопроса к вопросу.

В первом разделе содержится теоретический материал по теме курсового проекта (теоретические основы разрабатываемой темы, история вопроса, дается оценка уровню разработанности проблемы в теории и практике).

Студент в этой части демонстрирует самостоятельную работу: подбирает необходимую литературу, находит наиболее значимые теоретические аргументы, сравнивает логику авторов, излагающих дискуссионные вопросы, делает самостоятельные выводы и обобщения. Не допускается дословное переписывание первоисточника.

Исходные данные выдаются студентам в индивидуальном порядке.

Общая часть может содержать следующие пункты (приложение Б):

1. Основные определения;

2. Принцип организации прямого доступа к памяти;

3. Контроллер ПДП;

4. Внешний контроллер ПДК.

Специальная часть

Второй раздел представлен практической частью, которая представлена: расчетами, графиками, таблицами, схемами, диаграммами, схемами, программными продуктами и т.п.

Специальная часть содержит информацию по составу и содержанию работ по созданию программного обеспечения для микропроцессорной системы:

1. Привести описание алгоритма работы разрабатываемой микропроцессорной системы;

2. Разработать функциональную спецификацию;

3. Осуществить системно – алгоритмическое разбиение микропроцессорной системы на аппаратную и программную части;

4. Определить входы и выходы аппаратных и программных блоков;

5. Провести анализ и выбор аппаратных модулей;

6. Разработать схемы: структурную, функциональную, электрическую принципиальную;

7. Разработать программное обеспечение МПС:

– проектирование программы или составление алгоритма ее выполнения, удовлетворяющего требованиям постановки задачи и спецификаций;

– кодирование или собственно программирование, заключается в формировании программы на выбранном языке программирования (исходный текст).

– осуществление компиляции и трансляции для программы, написанной на языке высокого уровня, или только трансляции для программы, написанной на языке ассемблера. После компоновки с помощью редактора связей получается загрузочный модуль в машинных кодах целевого (используемого) микропроцессора или микроконтроллера;

– тестирование и автономная отладка, когда на программной модели проверяется корректность программы. Тестирование позволяет убедиться в том, что программа правильно выполняет возложенные на нее функции. При этом очень важным является правильный выбор тестовых данных, разработка методов тестирования и тестовых примеров.

Главное: теоретическая часть курсового проекта должна раскрывать тему и показывать свободное владение материалом. При написании используется рекомендованная литература и дополнительные источники: статистические справочники, специальная литература и др.

Расчетная часть обязательно должна завершаться выводами по проделанной работе.

Для рассмотренного раннее примера расчетная часть подразумевает написание программирование КПДП (см. приложения В – Д).

Заключение

В заключении делаются выводы по всей проделанной работе. Подчеркивается актуальность темы и расчетов, приводятся предложения по улучшению результатов.

Целями создания микропроцессорной системы управления являются:
а) повышение точности измерения и регулирования технологических параметров;
б) повышение надежности работы системы управления;
в) повышение качества ведения технологического режима и его безопасности.

Источники

Подбор литературы начинается с изучения тех книг и периодических изданий, которые рекомендованы по изучаемым дисциплинам специальности.

При подборе литературы необходимо сразу же составлять библиографическое описание отобранных изданий. Описание изданий производится в строгом соответствии с порядком, установленным для библиографического описания.

1. Баранов В.Н., Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы. –М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2004., 288с.,:ил. (Серия «Мировая электроника»)    

2. Боборыкин А.В., Липовецкий Г.П., Оксинь О.Н. и др. Однокристальные микроЭВМ. М.: МИКАП, 1994г, – 400 с.: ил.

3. Белов А.В., Создаем устройства на микроконтроллерах. – СПб.; Наука и техника, 2007. - 304 с.: ил. (Серия «Радиолюбитель»)

4. Голубцов М.С., Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному. М.: СОЛОН-Пресс, 2003. – 228 с. (Серия «Библиотека инженера»).

5. Гук М.Ю. Аппаратные средства IBM РС: энциклопедия. 3 – е изд. – СПб.: Питер, 2006. – 923 с.: ил.

6. Дейтел Харви, Дейтел Пол      Как программировать на С++. Бином-Пресс, 5-е изд. 2008г. -1036 с.; ил.

7. Евстифеев А.В., Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы «ATMEL». – М.: Издательский дом «Додэка-XXI» 2009. – 560 с.

8. Мюллер С. Модернизация и ремонт персональных компьютеров. – Пер. с англ.: Уч. пос. – М.: Издательский дом «Вильяме», 2004. –1136 с.

9. Ревич Ю. В. Практическое программирование микроконтроллеров Atmel AVR на языке ассемблера. – 2-е изд., испр.- СПб.: БХВ – Петербург, 2011. – 352 с.: ил.- (Электроника)

10. Бродин В.Б. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики / В.Б. Бродин, А.В. Калинин– М.: ЭКОМ, 2002.

11. Бурькова Е.В. Освоение микропроцессорной техники в формировании информационной компетентности студентов: учебное пособие / Е.В.

12. Марченко А.П. С++. Бархатный путь, 2-е изд. Стереотип. М.: Горячая линия –Телеком,  2005.–399с.: ил.

13. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования / Ю.В. Новиков – М.: Мир 2001.–379 с.

14. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. Том I / М. Предко – М.: Постмаркет, 2001. – 416 с.

15. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. Том II / М. Предко – М.: Постмаркет, 2001. – 488 с.

16. Прата, Стивен Язык программирования С++. Лекии и упражнения, 6-е изд.; Пер.с англ. М.; ООО «И.Д. Вильямс», 2012. –1248 с.; ил.

17. Пятибратов А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации / А.П. Пятибратов, К.П. Гудыко, А.А. Кириченко– М.: Высшая школа, 2000.

18. Стефан Дэвис Р. С++ для «чайников», 4-е издание. Пер.с англ.; М.; Издательский дом «Вильямс», 2003. -336с.  ил.

19. Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто! Т.1, Т.2, Т.3 – М.: ООО «ИД СКИМЕН», 2009. – 726 с.

20. Шаругин М.И, Бродин В.Б.   Микроконтроллеры: архитектура, программирование, интерфейс. Справочник. М.: ЭКОМ, 1999г, - 517с.

21. http://www.intel.com/design/mcs51/docs_mcs51.htm  Документация на микроконтроллеры фирмы Intel MCS- 51/151/251. (каталог pdf файлов)

22. http://www.phyton.ru/cgi-bin/control/noframe.cgi?PAR1=3&PAR2=4&PAR3,Описания микроконт-роллеров семейства MCS-51

23. http://www.gaw.ru

24. http://www.atmel.com           -сайт фирмы Atmel, производителя микроконтроллеров AVR              

25. http://www.atmel.ru         - русскоязычная версия сайта Atmel

Приложение А

 Примерная тематика курсовых проектов (работ):

 

1. Разработка контроллера весов для розничной торговли.

2. Разработка контроллера стиральной машины.

3. Разработка микропроцессорной системы поддержания микроклимата в теплице.

4. Разработка автоматизированной системы принудительного охлаждения электронных устройств.

5. Разработка автоматизированной системы измерения расхода нефтепродуктов заправочных станций.

6. Разработка микропроцессорной системы цифрового вольтметра постоянного тока (автоматическое определение полярности и диапазона измерения).

7. Разработка микропроцессорной системы Цифрового измерителя температуры, влажности, атмосферного давления, с индикацией даты и времени.

8. Разработка микропроцессорной системы цифрового измерителя светового потока.

9. Разработка микропроцессорной системы измерения параметров переменного тока.

10. Разработка микропроцессорной системы цифрового частотомера.

11. Разработка микропроцессорной системы цифрового Измерителя емкостей.

12. Разработка микропроцессорной системы цифрового Измерителя индуктивностей.

13. Разработка микропроцессорной системы цифрового Измерителя добротности (куметры).

14. Разработка микропроцессорной системы Измерителя тока аккумуляторной батареи, нагруженной на автомобильный стартер.

15. Разработка микропроцессорной системы Измерителя ЭДС нормального элемента.

16. Разработка микропроцессорной системы Измерителя сопротивления изоляции кабеля.

17. Разработка микропроцессорной системы «Генератор специальных сигналов»

18. Разработка микропроцессорной системы  «Многотарифный счетчик электрической энергии»

19. Современные методы проектирования – отладки микропроцессорных систем.

20. Сравнительный анализ микроконтроллеров фирм Intel, Atmel, Motorola, Microchip.

21. Архитектура блока памяти EEPROM и работа с ним.

22. Связь МК с другими устройствами по последовательному порту RS – 232.

23. Разработка программного обеспечения на языке Си микропроцессорной системы управления кондиционированием помещений офиса.

24. Разработка микропроцессорной системы  управления муфельной печью.

25. Разработка микропроцессорной системы  управления холодильником.

26. Разработка микропроцессорной системы  управления микроклиматом офиса

27. Разработка микропроцессорной системы  управления противопожарной сигнализацией.

 

Приложение Б

Министерство образования и науки Российской Федерации

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Филиал горного университета «Хибинский технический колледж»

УТВЕРЖДАЮ

Председатель цикловой комиссии

информатики

________________Г.Е. Веревкина

«24» декабря 2013 г.

 

ЗАДАНИЕ

для курсового проектирования по профессиональному модулю ПМ 03 «Техническое обслуживание и ремонт компьютерных систем и комплексов»

студенту(ке)  Иванову И. И., группы 4 КС – 10, специальности 09.02.01 на тему:

«Проект вычислительного комплекса локальной автоматики для поста радиационного контроля»

 

СОСТАВ ПРОЕКТА

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ВВЕДЕНИЕ

 

1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

 

1.1 Определение набора функционально-системных требований.

1.2 Назначение и область применения микроконтроллеров.

1.3 Классификация и архитектура микроконтроллеров.

1.4 Система команд и типы памяти микроконтроллеров.

 

1. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Постановка задачи.

2.2 Разработка функциональной схемы.

2.3 Описание алгоритма решения задачи.

2.4 Разработка программного кода программы.

2.5 Отладка и тестирование программы.

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

ЛИТЕРАТУРА

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УКАЗАНИЯ

 

Система локальной автоматики разрабатывается на основе микропроцессора I8051 (отечественный аналог КР1810ВМ86) и должна отслеживать:

1. задание величин: пороговый уровень радиационного фона;

2. ежесуточная синхронизация времени (через GPS);

3. измерение уровня радиационного фона – осреднение от трех датчиков;

4. измерение направления и скорости ветра – осреднение от двух датчиков;

5. индикацию текущего осредненного значения уровня радиационного фона;

6. оповещение через GSM о факте превышения порогового значения радиационного фона;

7. поддержка оптимальной температуры в шкафу электроники поста, управление  включением/отключением обогревателя и вентилятора;

8. регистрация результатов измерений радиационного фона каждые 15 минут;

9. ведение журнала событий;

10. выполнять самодиагностику (автономно и по запросу);

11. по запросу выдавать: журнал измерений, журнал событий, результаты самодиагностики

 

Курсовой проект выполнять в соответствии с «Методическими рекомендациями по выполнению курсового проекта специальности 09.02.01». Представить топ-схему системы (назначение, состав и взаимодействие функциональных элементов системы), функциональную схему проектируемого устройства, элементы принципиальной электрической схемы, блок-схему алгоритма программы, листинг исходного текста программного модуля на языке С#, реализующий одну из функций (указать какую) проектируемого устройства. Презентация работы в электронном виде, формат.ppt.

 

Дата выдачи: 27.01.2014                                                                           

Срок окончания: 28.02.2014

 

Зав. Отделением ___________/ Фирсова Н.В.

 

Преподаватель ___________ / Домнин В. А./

 

 

Приложение В

ВВЕДЕНИЕ

Простота подключения и большие функциональные возможности позволяют использовать микроконтроллеры во всех сферах жизнедеятельности человека, устройствах, которые окружают его. С помощью программирования микроконтроллера можно решить многие практические задачи, связанные с управлением технологическими процессами и аппаратной техникой.

Можно считать что микроконтроллер – это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты; высокие производительность, надежность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.

Микроконтроллер помимо центрального процессора (ЦП) содержит память и многочисленные устройства ввода/вывода: аналого – цифровые преобразователи, последовательные и параллельные каналы передачи информации, таймеры реального времени, широтно – импульсные модуляторы (ШИМ), генераторы программируемых импульсов и т.д. Его основное назначение – использование в системах автоматического управления, встроенных в самые различные устройства: кредитные карточки, фотоаппараты, сотовые телефоны, музыкальные центры, телевизоры, видеомагнитофоны и видеокамеры, стиральные машины, микроволновые печи, системы охранной сигнализации, системы зажигания бензиновых двигателей, электроприводы локомотивов, ядерные реакторы и многое, многое другое.

Проектирование управляющих устройств на базе микроконтроллеров можно разделить на два этапа: первый – программирование, когда программист разрабатывает программу для микроконтроллера, которая решает определённую проблему и прошивает ее непосредственно в кристалл, и второй – согласование спроектированных исполнительных устройств с запрограммируемым микроконтроллером. Значительно облегчают отладку программы на первом этапе – симулятор, который наглядно моделирует работу микропроцессора. На втором этапе для отладки используется внутрисхемный эмулятор, мощное средство для проектирования, позволяющее сократить время разработки устройств на основе микроконтроллеров.

Достаточно широкое распространение имеют микроконтроллеры фирмы ATMEL, которые располагают большими функциональными возможностями.

Встраиваемые системы управления на основе микроконтроллеров стали настолько массовым явлением, что фактически сформировалась новая отрасль экономики, получившая название Embedded Systems (встраиваемые системы).

Цель данного курсового проекта показать на основе практического примера преимущественные характеристики использования микроконтроллеров, необходимости их внедрения в различные устройства.

В рамках поставленной цели необходимо решение ряда задач:

1) изучение теоретического материала по рассматриваемой предметной области и применение полученных знаний на практике;

2) разработка программного продукта согласно теме;

3) формулировка выводов по проделанной работе.

 

Приложение Г

ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1. Назначение и область применения

Микроконтроллер – компьютер на одной микросхеме, предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства. Эти устройства выполняют свои задачи под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера.

К наиболее распространенным встроенным устройствам относятся устройства памяти и порты ввода/вывода (I/O), интерфейсы связи, таймеры, системные часы. Устройства памяти включают оперативную память (RAM), постоянные запоминающие устройства (ROM), перепрограммируемую ROM (EPROM), электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM). Таймеры включают и часы реального времени, и таймеры прерываний. Средства I/O включают последовательные порты связи, параллельные порты (I/O линии), аналого – цифровые преобразователи (A/D), цифроаналоговые преобразователи (D/A), драйверы жидкокристаллического дисплея (LCD) или драйверы вакуумного флуоресцентного дисплея (VFD). Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.

В отличие от микроконтроллера контроллером обычно называют плату, построенную на основе микроконтроллера, но достаточно часто при использовании понятия "микроконтроллер" применяют сокращенное название этого устройства, отбрасывая приставку "микро" для простоты. Также при упоминании микроконтроллеров можно встретить слова "чип" или "микрочип", "кристалл" (большинство микроконтроллеров изготавливают на едином кристалле кремния), сокращения МК или от английского microcontroller – MC.

Микроконтроллеры можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах. и даже кофеварках. Среди производителей микроконтроллеров можно назвать Intel, Motorola, Hitachi, Microchip, Atmel, Philips, Texas Instruments, Infineon Technologies (бывшая Siemens Semiconductor Group) и многих других. Для производства современных микросхем требуются сверхчистые помещения.

1.2. Классификация микроконтроллеров.

Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность данных, обрабатываемых арифметико – логическим устройством (АЛУ). По этому признаку они делятся на 4 –, 8 –, 16 –, 32 – и 64 – разрядные. Сегодня наибольшая доля мирового рынка микроконтроллеров принадлежит восьмиразрядным устройствам (около 50 % в стоимостном выражении). За ними следуют 16 – разрядные и DSP – микроконтроллеры (DSP – Digital Signal Processor – цифровой сигнальный процессор), ориентированные на использование в системах обработки сигналов (каждая из групп занимает примерно по 20 % рынка). Внутри каждой группы микроконтроллеры делятся на CISC – и RISC–устройства. Наиболее многочисленной группой являются CISC – микроконтроллеры, но в последние годы среди новых чипов наметилась явная тенденция роста доли RISC – архитектуры.

Тактовая частота, или, более точно, скорость шины, определяет, сколько вычислений может быть выполнено за единицу времени. В основном производительность микроконтроллера и потребляемая им мощность увеличиваются с повышением тактовой частоты. Производительность микроконтроллера измеряют в MIPS (Million Instruсtions per Second – миллион инструкций в секунду).

Термин контроллер образовался от английского слова to control – управлять. Эти устройства могут основываться на различных принципах работы от механических или оптических устройств до электронных аналоговых или цифровых устройств. Механические устройства управления обладают низкой надежностью и высокой стоимостью по сравнению с электронными блоками управления, поэтому в дальнейшем мы такие устройства рассматривать не будем. Электронные аналоговые устройства требуют постоянной регулировки в процессе эксплуатации, что увеличивает стоимость их эксплуатации. Поэтому такие устройства к настоящему времени почти не используются. Наиболее распространенными на сегодняшний день схемами управления являются схемы, построенные на основе цифровых микросхем.

В зависимости от стоимости и габаритов устройства, которым требуется управлять, определяются и требования к контроллеру. Если объект управления занимает десятки метров по площади, как, например, автоматические телефонные станции, базовые станции сотовых систем связи или радиорелейные линии связи, то в качестве контроллеров можно использовать универсальные компьютеры. Управление при этом можно осуществлять через встроенные порты компьютера (LPT, COM, USB или Ethernet). В такие компьютеры при включении питания заносится управляющая программа, которая и превращает универсальный компьютер в контроллер.

Использование универсального компьютера в качестве контроллера позволяет в кратчайшие сроки производить разработку новых систем связи, легко их модернизировать (путём простой смены программы) а также использовать готовые массовые (а значит дешёвые) блоки.

Если же к контроллеру предъявляются особенные требования, такие, как работа в условиях тряски, расширенном диапазоне температур, воздействия агрессивных сред, то приходится использовать промышленные варианты универсальных компьютеров. Естественно, что эти компьютеры значительно дороже обычных универсальных компьютеров, но всё равно они позволяют экономить время разработки системы, за счёт того, что не нужно вести разработку аппаратуры контроллера.

Контроллеры требуются не только для больших систем, но и для малогабаритных устройств, таких как радиоприёмники, радиостанции, магнитофоны или сотовые аппараты. В таких устройствах к контроллерам предъявляются жёсткие требования по стоимости, габаритам и температурному диапазону работы. Этим требованиям не могут удовлетворить даже промышленные варианты универсального компьютера. Приходится вести разработку контроллеров на основе однокристальных ЭВМ, которые в свою очередь получили название микроконтроллеры. Любые устройства, в том числе и устройства связи, радиоавтоматики или аудиовизуальной аппаратуры требуют присутствия в своем составе устройства управления (контроллера). Контроллеры требуются практически во всех предметах и устройствах, которые окружают нас. Наиболее распространёнными в настоящее время являются микроконтроллеры семейства MCS – 51. Это семейство поддерживается рядом фирм – производителей микросхем. Не менее распространёнными в мире являются микроконтроллеры фирмы Motorola. Это такие семейства как HC05, HC07, HC11 и многие другие. Пожалуй, не менее популярными микроконтроллерами являются микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel. Если представить все типы современных микроконтроллеров (МК), то можно поразиться огромным количеством разнообразных приборов этого класса, доступных потребителю. Однако все эти приоры можно разделить на следующие основные типы: встраиваемые (embedded) 8 – разрядные МК; 16 – и 32–разрядные МК; цифровые сигнальные процессоры. Промышленностью выпускаются очень широкая номенклатура встраиваемых МК.

1.3. Архитектура МК

В микроконтроллере все необходимые ресурсы (память, устройства ввода – вывода и т.д.) располагаются на одном кристалле с процессорным ядром. Если подать питание и тактовые импульсы на соответствующие входы МК, то можно сказать, что он как бы «оживет» и с ним можно будет работать. Обычно МК содержат значительное число вспомогательных устройств, благодаря чему обеспечивается их включение в реальную систему с использованием минимального количества дополнительных компонентов. В состав этих МК входят:

· Схема начального запуска процессора (Reset);

· Генератор тактовых импульсов;

· Центральный процессор;

· Память программ (EEPROM) и программный интерфейс;

· Средства ввода/вывода данных;

· Таймеры, фиксирующие число командных циклов.

Общая структура МК показана на (Рис.1.1.) Эта структура дает представление о том, как МК связывается с внешним миром. Более сложные встраиваемые МК могут дополнительно реализовывать 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).

Все эти возможности значительно увеличивают гибкость применения МК и делают более простым процесс разработки систем на и основе.

 

Рисунок 1.1 – Структура микроконтроллера.

Некоторые МК (особенно 16 – и 32 – разрядные) используют только внешнюю память, которая включает в себя как память программ (ROM), так и некоторый объем памяти данных (RAM), требуемый для данного применения. Они применяются в системах, где требуется большой объем памяти и относительное не большое количество устройств (портов) ввода/вывода. Типичным примером применения такого МК с внешней памятью является котроллер жесткого диска (HDD) с буферной кэш – памятью, который обеспечивает промежуточное хранение и распределение больших объемов данных (порядка нескольких мегабайт). Внешняя память дает возможность такому микроконтроллеру работать с более высокой скоростью, чем встраиваемый МК.

Цифровые сигнальные процессоры (DSP) – относительно новая категория процессоров. Назначение DSP состоит в том, чтобы получать текущие данные от аналоговой системы, обрабатывать данные и формировать соответствующий отклик в реальном масштабе времени. Они обычно входят в состав систем, используясь в качестве устройств управления внешним оборудованием, и не предназначены для автономного применения.

1.4. Система команд микроконтроллеров

В зависимости от числа используемых кодов операций системы команд МК можно разделить на две группы: CISC и RISC. Термин CISC означает сложную систему команд и является аббревиатурой английского определения Complex Instruction Set Computer. Аналогично термин RISC означает сокращенную систему команд и происходит от английского Reduce Instruction Set Computer. Систему команд МК 8051 можно отнести к типу CISC. Однако, не смотря на широкую распространенность этих понятий, необходимо признать, что сами названия не отражают главного различия между системами команд CISC и RISC. Основная идея RISC архитектуры – это тщательный подбор таких комбинаций кодов операций, которые можно было бы выполнить за один такт тактового генератора. Основной выигрыш от такого подхода – резкое упрощение аппаратной реализации ЦП и возможность значительно повысить его производительность.

Очевидно, что в общем случае одной команде CISC соответствует несколько команд RISC. Однако обычно выигрыш от повышения быстродействия в рамках RISC перекрывает потери от менее эффективной системы команд, что приводит к более высокой эффективности RISC систем в целом по сравнению с CISC.

Однако в настоящее время грань между CISC и RISC архитектурой стремительно стирается. Например, МК семейства AVR фирмы Atmel имеют систему команд из 120 инструкций, что соответствует типу CISC. Однако большинство из них выполняется за один такт, что является признаком RISC архитектуры. Сегодня принято считать, что признаком RISC архитектуры является выполнение команд за один такт тактового генератора. Число команд само по себе значения уже не имеет.

1.5. Типы памяти микроконтроллеров

Можно выделить три основных вида памяти, используемой в МК:

а) память программ;

б) память данных;

в) регистры МК.

Память программ представляет собой постоянную память, предназначенную для хранения программного кода и констант. Эта память не изменяет содержимого в процессе выполнения программы. Память данных предназначена для хранения переменных в ходе выполнения программы. Регистры МК – этот вид памяти включает внутренние регистры процессора и регистры, которые служат для управления периферийными устройствами.

Для хранения программ обычно служит один из видов постоянной памяти: ROM (масочные ПЗУ), PROM (однократно программируемые ПЗУ), EPROM (электрически программируемые ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием) или EEPROM (ПЗУ с электрической записью и стиранием, к этому виду также относятся современные микросхемы Flash – памяти). Все эти виды памяти являются энергонезависимыми – это означает, что содержимое памяти сохраняется после выключения питания МК.

Многократно программируемые ПЗУ – EPROM и EEPROM (Electrically Erasable Programmable Memory) подразделяются на ПЗУ со стиранием ультрафиолетовым (УФ) облучением (выпускаются в корпусах с окном), и МК с электрически перепрограммируемой памятью, соответственно.

В настоящее время протоколы программирования современной EEPROM памяти позволяют выполнять программирование МК непосредственно в составе системы, где он работает. Такой способ программирования получил название – ISP (In System Programming). И теперь можно периодически обновлять программное обеспечение МК без удаления из платы. Это дает огромный выигрыш на начальных этапах разработки систем на базе МК или в процессе их изучения, когда масса времени уходит на многократный поиск причин неработоспособности системы и выполнение последующих циклов стирания–программирования памяти программ.

Функционально Flash–память мало отличается от EEPROM. Основное различие состоит в способности стирания записанной и