Проектирование микропроцессорных систем

 

 

Рисунок 6.1 – 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.

 

6.2 Микроконтроллеры с внешней памятью

 

Структура микроконтроллера с внешней памятью показана на рисунке 6.1.

 

Рисунок 6.2 - Структура микроконтроллера с внешней памятью

 

Некоторые МК (особенно 16- и 32-разрядные) используют только внешнюю память, которая включает в себя как память программ (ROM), так и некоторый объём памяти данных (RAM), требуемый для данного применения.

Классическим  примером такого МК является Intel 80188. По существу он представляет собой микропроцессор 8088, который использовался в компьютерах IBM PC, интегрированный на общем кристалле с дополнительными схемами, реализующими ряд стандартных функций, таких как прерывания и прямой доступ к памяти (DMA). Цель создания 80188 состояла в том, чтобы объединить в одном корпусе все устройства, необходимые для реализации микропроцессорных систем.

Микроконтроллеры  с внешней памятью предназначены  для других применений, нежели встраиваемые микроконтроллеры. Эти применения обычно требуют большого объёма памяти (RAM) и небольшого количества устройств (портов) ввода-вывода. Для МК с внешней памятью наиболее подходящими являются приложения, в которых критическим ресурсом является память, а не число входов-выходов общего назначения, тогда как для встраиваемых микроконтроллеров имеет место противоположная ситуация.

 

6.3 Цифровые сигнальные процессоры

 

Цифровые  сигнальные процессоры (DSP) – относительно новая категория процессоров. Назначение DSP состоит в том, чтобы получать текущие данные от аналоговой системы и формировать соответствующий отклик. DSP и их арифметико-логическое устройство (ALU) работают с очень высокой скоростью, что позволяет осуществить обработку данных в реальном масштабе времени. DSP часто используют в активных шумоподавляющих микрофонах, которые устанавливаются в самолётах или для подавления раздвоения изображения в телевизионных сигналах.

В разнообразных  DSP можно найти особенности, присущие как встраиваемым микроконтроллерам, так МК с внешней памятью. DSP не предназначены для автономного применения, обычно они входят в состав систем, используясь в качестве устройств управления внешним оборудованием, а также для обработки входных сигналов.

 

6.4 Модульная организация микроконтроллеров

 

Современные 8-разрядные МК обладают, как правило, рядом отличительных  признаков. Перечислим основные из них:

• модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) МК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации;
• использование закрытой архитектуры МК, которая характеризуется отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса МК. Таким образом, МК представляет собой законченную систему обработки данных, наращивание возможностей которой с использованием параллельных магистралей адреса и данных не предполагается;
• использование типовых функциональных периферийных модулей (таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, аналого-цифровые преобразователи и др.), имеющих незначительные отличия в алгоритмах работы в МК различных производителей;
• расширение числа режимов работы периферийных модулей, которые задаются в процессе инициализации регистров специальных функций МК.

При модульном  принципе построения все МК одного семейства содержат процессорное ядро, одинаковое для всех МК данного семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей. Структура модульного МК приведена на рисунке 6.3.

Процессорное ядро включает в себя:

• центральный процессор;
• внутреннюю контроллерную магистраль (ВКМ) в составе шин адреса, данных и управления;
• схему синхронизации МК;
• схему управления режимами работы МК, включая поддержку режимов пониженного энергопотребления, начального запуска (сброса) и т.д.

 

 

 

Рисунок 6.3 - Модульная организация МК

 

Изменяемый функциональный блок включает в себя модули памяти различного типа и объема, порты ввода/вывода, модули тактовых генераторов (Г), таймеры. В относительно простых МК модуль обработки прерываний входит в состав процессорного ядра. В более сложных МК он представляет собой отдельный модуль с развитыми возможностями.

В состав изменяемого функционального  блока могут входить и такие дополнительные модули как компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и другие. Каждый модуль проектируется для работы в составе МК с учетом протокола ВКМ. Данный подход позволяет создавать разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства.

 

 

7 Порядок проектирования микропроцессорной  системы

 

 

На первом этапе необходимо привести обоснование  актуальности выбранной темы курсового  проекта с указанием области  применения разрабатываемого устройства и тех преимуществ, которые предоставляет  внедрение данного проекта в  ту или иную сферу экономики. Во введение необходимо включить краткое описание содержания глав курсового проекта.

На втором этапе необходимо привести обзор  существующих устройств, выполняющих  функции аналогичные функциям разрабатываемого устройства.

Этапы проектирования микропроцессорных систем рассмотрены  ниже.

7.1 Функциональная спецификация

 

Первый  шаг цикла проектирования микропроцессорной  системы (МПС) включает в себя определение  набора требований пользователя и создания вытекающей из них функциональной спецификации, а также формулирование системных требований к МПС. В качестве требований пользователя выступает задание на проектирование МПС. Функциональная спецификация МПС 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 МПС. 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.).

 

7.2 Системно-алгоритмическое проектирование. Разбиение МПС на аппаратную  и программную части

 

Следующим этапом проектирования является собственно разработка системы на основе функциональной спецификации. Для устройства, содержащего  только аппаратные компоненты и проектируемого на основе традиционного подхода, это  означает выбор конфигурации системы, определение значений параметров составляющих частей и способов их взаимодействия. Для МПС требуется проектирование, как аппаратных, так и программных  средств. Необходимо, во-первых, определить аппаратную и программную конфигурации; во-вторых – какие из функций функциональной спецификации будут выполняться аппаратной частью МПС, а какие программной. На данном этапе, называемым системно-алгоритмическим проектированием МПС, помимо разбиения МПС на программную и аппаратную части, разрабатывается также ее общая структура и алгоритмы функционирования. Последнее выполняется с учетом разделения аппаратно-реализуемых и программно-реализуемых функций.

После принятия компромиссного решения о разделения на аппаратную и программную части  дальнейшая разработка МПС проводится раздельно и параллельно для  аппаратных и программных средств. При этом необходимо тщательно учитывать  особенности, достоинства и недостатка реализации функций каждой частью МПС. Так, к преимуществам программной  реализации можно отнести:

• широкие “интеллектуальные” функциональные возможности;

• осуществимость перенастройки МПС на новые условия, задачи, объекты и т.д. путем изменения только ПО.

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 МПС:

• большим временем выполнения функций (или меньшим быстродействием), обусловленным последовательным методом выполнения программы.
• сложностью программной реализации функций непосредственного сопряжения с реальными объектами;
• ограниченным разделом ПО, обусловленным возможностью МПС по размещении информации в ЗУ (разрядностью шины адреса МПС, шины данных, типом используемых БИС ПЗУ и т.д.).
• повышенными требованиями к инструментальным средствам и специалистам-разработчикам.

 

7.3 Проектирование аппаратных средств  МПС

 

После принятия компромиссного решения по аппаратной и программной реализации, выполняемых системой функций производится детальное проектирование ее аппаратной части, которое включает в себя разработку структурной и функциональной схем, а также принципиальной схемы всей системы.

Структурная схема устройства, состав микропроцессорной  системы во многом зависит от выбора микроконтроллера. Следует отметить, что при выборе микроконтроллера необходимо рассматривать не только различные семейства микроконтроллеров, но и выбирать определенный тип внутри семейства. Прежде чем остановить свой выбор на том или ином типе микроконтроллера рекомендуется заполнить анкету, приведенную ниже.

НАЗВАНИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ:

Количество  входных выводов:

Количество  выходных выводов:

Количество  линий ввода-вывода:

Тип запуска (сброса):

Тип синхронизации (требуемая точность):

Необходимость сторожевого таймера:

Зашита памяти программ:

Доступный вид питания:

Необходимость асинхронного последовательного ввода-вывода:

Необходимость синхронного последовательного  ввода-вывода:

Требуемый размер таблиц:

Необходимость ввод-вывода ШИМ-сигналов:

Требуемый тип аналогового ввода-вывода:

Необходимость однократного программирования (ОТР) при  организации серийного выпуска:

Предпочтительный  тип корпуса:

Используемый  язык программирования:

Желаемая  цена:

Имея  такую анкету, можно рассматривать  характеристики различных микроконтроллеров, чтобы найти наиболее подходящий прибор. Возможно, потребуется изменить спецификации приложения, чтобы оно  лучше соответствовало возможностям определенного микроконтроллера.

При сравнении  списка требуемых характеристик  микроконтроллера с возможностями  реальных приборов следует помнить, что необходимый результат может быть достигнут различными путями. Например, асинхронный последовательный ввод-вывод можно обеспечить путем реализации прямого чтения-записи сигналов на определенном выводе микроконтроллера с использованием прерываний. При этом не требуется использовать микроконтроллер со встроенным последовательным интерфейсом типа UART, что может снизить стоимость разработки и выпускаемой продукции.

Могут возникнуть трудности с определением требуемого объема памяти команд, особенно, если предполагается использовать язык высокого уровня при  написании прикладных программ. Всегда рассчитывайте на больший объем, а если окажется возможным использовать микроконтроллер с меньшим объемом  памяти, то внесите соответствующее  изменение в спецификацию разрабатываемого приложения.

Необходимо  помнить, что определенные методы программирования трудно или даже невозможно реализовать  в некоторых архитектурах. Однако при обсуждении выбора возможных  архитектур и характеристик микроконтроллеров рекомендуем ориентироваться на использование уже известных вам приборов, а не пытаться найти что-то исключительное. Если вы нашли подходящий микроконтроллер со всей необходимой информацией, то делайте свой выбор и приступайте к разработке.

 

7.4 Проектирование программного  обеспечения МПС

 

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