Микропроцессорные средства и системы

Приложение 1

Министерство образования и науки Российской Фе дерации

Иркутский государственный технический университет

Факультет энергетический

Кафедра электропривода и электрического транспорта

 

 

 

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА И СИСТЕМЫ

Методические указания для аудиторных занятий

Лабораторные работы

Часть 1

 

для студентов, обучающихся

по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»,

специальности: 140604.65 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»,

 

Иркутск

Г.

 

Содержание

Лабораторная работа №1

Обрабатывающая часть микропроцессора                                                           4

Лабораторная работа №2

МикроЭВМ «Электроника-60»                                                                               17

Лабораторная работа№3

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

В микропроцессорных системах управления электроприводами                   35

Лабораторная работа №4

Команды микроЭВМ «Электроника-60»                                                             49

Лабораторная работа №5

Адрессация в командах микроЭВМ»Электроника-60М»                                63

Лабораторная работа №6

Ввод-вывод информации в микроЭВМ «Электроника-60М»                        76

Предисловие

Курс «Микропроцессорные средства и системы» является базовым для изучения вопросов цифрового управления электроприводами.

Микропроцессорное управление электроприводом имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционным аналоговым управлением. Одно из его достоинств –«гибкость» при разработке и эксплуатации систем управления. При этом тяжесть работы переносится на этап разработки программного обеспечения, а изменения в аппаратной части при корректировке задач требуют меньших затрат, чем для систем управления, построенных на базе «жесткой логики».

Приведенные ниже лабораторные работы способствуют ознакомлению и изучению методов адресации двух типов микропроцессоров (МП), системы команд МП, изучения вывода-ввода информации в микропроцессорных системах (МПС), разработке простых и разветвленных программ на языке «Ассемблера».

На последнем этапе студентам предлагается в лабораторном практикуме реализовать различные варианты микропроцессорного управления с применением универсального микропроцессорного стенда «Студент 01».

Перед выполнением лабораторных работ студенты должны ознакомится с методическими указаниями и изучить вопросы теории по рекомендованной начале каждого занятия. По каждой лабораторной работе студент представляет и защищает отчет. Зачет выставляется после выполнения и защиты всех лабораторных работ.

Отчет должен содержать цель и программу работы, а также алгоритм исследования литературе. Каждый студент должен иметь «Тетрадь протоколов» для записи алгоритмов и программ. Готовность студента к работе проверяет преподаватель в или управления; текст программ на языке «Ассемблера» и в машинных кодах; описание алгоритма управления и программ и выводы по результатам лабораторной работы.

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

1.К проведению лабораторных работ допускаются студенты, знающие правила техники безопасности. Инструктаж по ТБ проводит преподаватель, что фиксируется в специальном кафедральном журнале.

Занятия проводятся в дисплейном классе или в лаборатории микропроцессорной техники. Включение терминалов осуществляется преподавателем или инженером.

Если во время работы появится напряжение на металлических частях установки, нужно немедленно прекратить работу и доложить об этом преподавателю.

Лабораторная работа №1

ОБРАБАТЫВАЮЩАЯ ЧАСТЬ МИКРОПРОЦЕССОРА.

Цель работы: изучение основных элементов микропроцессора и их взаимодействие в процессе его работы.

Основные понятия.

Микропроцессор (МП)-это программно управляемое устройство, служащее для обработки и управлением этим процессом и выполненное на одной или нескольких больших интегральных схемах (БИС).

Блок-схема МП представлена на рис.1

Рис.1

МП состоит из 3 блоков: арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок регистров (БР), блок управления (БУ).Блоки связаны друг с другом внутренней магистралью. Микропроцессор не является законченным устройством. Для функционирования МП необходимо «оснастить» блоками памяти и устройствами ввода-вывода. Для связи с

Внешними устройствами имеются шина данных (ШД), шина адреса (ША) и шина управления (ШУ).

На рис.2 приведена одна из типовых структурных схем МП, поясняющая взаимодействие его элементов.

Рис.2

АЛУ является основой и предназначено для обработки информации. АЛУ представляет собой комбинационную схему и выполняет арифметические и логические операции над содержимым буферных регистров БР1 и БР2, служащих для кратковременного хранения данных (операндов), с которыми проводит операции АЛУ.

Блок регистров МП включает в себя как универсальные регистры, так и регистры специального назначения. В первую группу можно включить главный регистр микропроцессора - аккумулятор (А) и регистры общего назначения (РОН). Аккумулятор подключен к выходному порту АЛУ и служит для запоминания результатов операции АЛУ.

Регистры общего назначения являются сверхоперативным запоминающим устройством МП и допускают запись и считывание информации. В РОН могут храниться операнды (информационные слова), подлежащие обработке в АЛУ, результаты обработки информации в АЛУ и другая информация.

В группу специальных регистров входят:

буферные регистры БР1 и БР2 для кратковременного хранения данных перед операцией в АЛУ;

регистр состояния микропроцессора (РСП) для запоминания некоторых проверок результатов операций в АЛУ, что позволяет реализовать разветвленные программы работы микропроцессорной системы (МПС);

регистр команд (РК) для кратковременного хранения двоичного кода выполняемой команды МП;

счетчик команд (СК) для хранения адреса ячейки памяти, в которой хранится следующая команда программы;

Регистр адреса (РА) для хранения адреса ячейки памяти, в которой хранится выполняемая команда.

Блок управления – наиболее сложная часть МП. Его часто называют микропроцессором МП (это совокупность комбинационных элементов памяти). В блок управления входят регистр команд РК, дешифратор команд ДК и схемы управления, которые, как правило, реализуются в виде программируемой логической матрицы вместе с другими элементами.

Этот блок управляет работой АЛУ, блока регистров и всеми внешними компонентами микропроцессорной системы (МПС), например, устройствами памяти, ввода и вывода.

Программа, по которой работает микропроцессор, хранится в блоке памяти микропроцессорной системы и представляет собой последовательность команд для обработки информации, ее ввода и вывода (обмена информации).

Выполнение команды в микропроцессоре занимает во времени интервал, называемый командным циклом. Командный цикл состоит из одного или нескольких машинных циклов. За один машинный цикл происходит один «внешний» обмен информацией МП с внешней средой, то есть один ввод или вывод информации. Машинный цикл, в свою очередь, состоит из нескольких машинных тактов. Машинный такт-это минимальное время микрооперации (элементарной операции), например, запись операции в буферный регистр.

Рис. 3

Рис.4

Микросхема содержит две входные (А и В) и одну выходную (F) четырехразрядные шины. Информация, поступающая со входных шин А и В, обрабатывается в АЛУ в соответствии с кодом операции, поступающим на управляющие входы S 0- S 3, M и C 1. Результат операции в двоичном коде появляется на выходной шине F почти мгновенно. Задержка выходных сигналов по отношению к входным не превышает нескольких десятков наносекунд. Перечень реализуемых рассматриваемой АЛУ логических и арифметических функций приведен на таблице 1, в которой приняты следующие обозначения: Ú -операция логического сложения (или); Ù -операция логического умножения (и); Å -операция «исключающее ИЛИ»(сложение по модулю 2); «+»-операция сложения; «-»-операция вычитания.

Макет, структурная схема схеме которого представлена на рис.3, позволяет реализовать все логические и арифметические операции над данными А и В. Операнд А поступает в АЛУ с буферного регистра БР1, операнд В-с БР2. В буферные регистры информация заносится либо с внешнего входа, либо с выхода любого РОН. Это достигается благодаря мультиплексору М1. Входы буферных регистров БР1 и БР2 соединены со входами мультиплексора М1, а на входы М1 поступает информация от четырех источников: РОН1-РОН3 и внешнего входа.

Блок управления в лабораторном макете имитируется с помощью двух кнопок («2⁰» и «2¹») для выбора номера РОН, с помощью кнопки «БР»-для выбора номера БР, с помощью шести кнопок-для выбора кода операции (четыре кнопки S ₀, S ₁, S ₂, S ₃, кнопка M и кнопка C 1). Все указанные кнопки работают с фиксацией положения. В блоке управления для выполнения операций УУВО имеются две кнопки (Т1 и Т2) без фиксации. Результат операции АЛУ хранится в регистре результата и может быть записан в любой из РОН.

Код операции

(выбор функции)

Арифметические операции

М=0

Логические операции

М=1

S₃ S₂ S₁ S₀ C1=1 C1=0 1 1 1 1 F=A-1 F=A F=A 0 0 0 0 F=A F=A+1 F=Ā 1 0 1 0 F=(A Ú B)+(A Ù B) F=(A Ú B)+(A Ù B)+1 F=B 0 1 0 1 F=(A Ú B)+(A Ù B) F=(AÚB)+(AÙB)+1 F=B 0 0 1 1 F=1111 F=0000 F=0000 1 1 0 0 F=A+A F=A+A+1 F=1111 1 0 1 1 F=(A Ù B)-1 F=A Ù B F=A Ù B 0 1 0 0 F=(A Ù B)+ A F=A+(A Ù B)+1 F=A Ù B 0 1 1 1 F=(A Ù B)-1 F=A Ù B F=A Ù B 0 0 1 0 F=A Ú B F=(A Ú B) +1 F= Ā Ù B 1 1 1 0 F=(A Ú B)+ A F=(A Ú B)+ A+1 F=A Ú B 0 0 0 1 F=A Ú B F=(A Ú B)+1 F=A Ú B 1 1 0 1 F=(A Ú B)+ A F=(A Ú B)+ A+1 F=A Ú B 1 0 0 0 F=A+(A Ù B) F=A+(A Ù B)+ 1 F=A Ú B 0 1 1 0 F=A-B-1 F=A-B F=A Å B 1 0 0 1 F=A+B F=A+B+1 F=A Å B

Принципиальная схема макета выдается студентам во время проведения лабораторной работы. В лабораторном макете устройство управления выполнением операций УУВО вырабатывает два тактовых сигнала после нажатия кнопок «Запись в БР» или «Операция АЛУ и запись в РОН» Кнопка «Запись в РОН» (Т1-на принципиальной схеме) вырабатывает тактовый сигнал, который поступает на дешифратор команд ДШК2 и затем воздействует на вход синхронизации буферного регистра БР1 или БР2. Кнопка «операция АЛУ и запись в РОН» (Т2-на принципиальной схеме) вырабатывает тактовый сигнал второго типа, воздействующий на входы РОН (через дешифратор ДШК1) и вход регистра результата РР.

В лабораторном макете машинный цикл состоит из одного или из двух тактов, причем цикл, состоящий из одного такта, может включать любой из них, а цикл из двух тактов выполняется в следующей последовательности: «Запись в БР», «Операция в АЛУ и запись в РОН», то есть в одном цикле каждая кнопка (Т1 или Т2) может включаться только один раз. Для примера рассмотрим выполнение команды «Сложить содержимое РОН1 и РОН2 с занесением результата в РОН3». Такт 1 – выбор регистра РОН1,чтение содержимого РОН1, то есть прием этой информации на БР1. При выборе регистра РОН1 нажимается только кнопка «ити», кнопка «ити» отжата. Для чтения содержимого РОН1 и пересылки его в БР1 нажимается кнопка БР. Затем нажимается кнопка Т1. Содержимое БР1 отображается на индикаторе И1. Такт – 2 выбор регистра РОН2, чтение содержимого РОН2, то есть прием этой информации на БР2. При выборе регистра РОН2 нажимается только кнопка «2¹». Кнопка «2⁰» отжата. Для чтения содержимого РОН2 и пересыпки его в БР2 добиваются, чтобы кнопка БР находилась в верхнем (отжатом) состоянии. Затем посылается тактовый импульс записи в буферный регистр при нажатии кнопки Т1.Такт 3 – сложение в АЛУ содержимого БР1 и БР2, то есть прием результата операции в РР выбор регистра РОН3, запись в РОН3 содержимого РР. Результат сложения появляется на выходе АЛУ практически мгновенно, как только будет набран с помощью четырех кнопок, S ₃ , S ₂, S ₁, S ₀, код операции (S ₃, S ₂, S ₁, S ₀ =1001) и отжаты кнопка М(М=0) и кнопка С1(С1=0). Для записи результата сложения в РР и в РОН3 нажимаются обе кнопки “2⁰” и “2¹” и подается тактовый сигнал записи информации в РР и в РОН3 с помощью кнопки Т2. Результат операции можно было бы записать в любой РОН, например в РОН2 или в РОН1. При этом прежнее содержимое этого РОН стирается и заменяется новым результатом операции АЛУ.

Селекторы-мульиплексоры, 0число которых равно 4 (по два на каждую из микросхем Д10, Д11), предназначены для выбора одного из четырех входных сигналов, приходящих на его вход: три сигнала от регистров общего назначения, а один от - внешнего входа. Число селекторов равно 4, так как в исследуемой ОЧМ операнды (данные) 4-разрядные. Выходы селекторов подключены ко входам буферных регистров (БР1 и БР2).

В лабораторной работе регистры общего назначения (РОН) могут хранить как внешние данные, посылаемые в них через АЛУ, так и результаты операций АЛУ. Минуя АЛУ, внешние данные в РОН загрузить в данной ОЧМ нельзя.

Операнды (данные) поступающие с внешнего входа, задаются с помощью четырех фиксирующих кнопок (тумблеров),позволяющих подать на вход ОЧМ 4-разрядное двоичное число.

Режим работы АЛУ (вид операции) задается с помощью 6-ти фиксирующих кнопок (тумблеров): S ₀, S ₁, S ₂, S ₃, M и C 1.

Два тумблера, обозначенные как “2⁰” и “2¹”, задают номер РОН.

Если включен тумблер “2⁰”, то выбирается РОН1 (Д4);если вкюлчен тумблер «2¹», то –регистр РОН2.

Если нажаты обе кнопки 2⁰ и 2¹, то выбор остановлен на 3-ем регистре РОН.

Если кнопки 2⁰ и 2¹ не нажаты, то входы и выходы всех РОН отключены от ОЧМ.

Фиксирующая кнопка (БР) предназначена для выбора буферного регистра. Если БР находится в верхнем положении (т. е. не нажата), то будем считать выбранным 2-ой буферный регистр БР2 (Д8); если БР нажата, то выбирается БР1 (Д7).

Т1 и Т2 являются нефиксирующими кнопками, которые после снятия усилия возвращаются в исходное положение. Они предназначены для имитации формирования тактов машинного цикла, т.е. являются моделями управляющих тактовых сигналов.

Микросхемы Д2 и Д3 являются буферными устройствами между соответствующими линиями внешнего входа и входами мультиплексоров. Входные элементы И-НЕ замкнуты и следовательно элементы микросхем Д2 и Д3 при этом выполняют роль инверторов. Элементы микросхемы Д12 также являются формирователями сигнала управления, задаваемого нажатием кнопки Т1.

Работа ОЧМ. В ОЧМ могут быть реализованы следующие операции с данными:

запись внешних данных в один из буферных регистров;

пересылка данных из РОН в выбранный буферный регистр;

выполнение арифметических или логических операций с заданными операндами;

пересылка операнда из одного РОН в другой;

запись внешних данных в любой РОН;

Процесс записи внешних данных в один из буферных регистров выполняется в следующей последовательности:

Приложение 1

Министерство образования и науки Российской Фе дерации

Иркутский государственный технический университет

Факультет энергетический

Кафедра электропривода и электрического транспорта

 

 

 

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА И СИСТЕМЫ