Проектирование микропроцессорных систем

Содержание

 

 

Введение…………………………………………………………………

1 Характеристика современных методов  проектирования 

микропроцессорных систем……………………………………………

3 Формализация  задачи проектирования микропроцессорной системы

4Критерии оценки качества микропроцессорной системы…………

5 Основной  математический аппарат, используемый  при

Проектировании микропроцессорных систем………

6 Основные  сведения о микроконтроллера

6.1Встраиваемые МК……

6.2Микроконтроллеры с внешней памятью…

6.3 Цифровые  сигнальные процессоры………………………

6.4 Модульная  организация микроконтроллеров………………………

7 Порядок проектирования микропроцессорной  системы………………

7.1Функциональная спецификация……………………………………

7.2 Системно-алгоритмическое  проектирование. Разбиение МПС

на аппаратную и программную части………………………

7.3 Проектирование  аппаратных средств МПС………………………

7.4 Проектирование  программного обеспечения МПС……………

8 Средства  отладки микропроцессорных систем………………

9 Работа с литературой……………………………………

10 Варианты  заданий для разработки курсового  проекта…………………

Список использованных источников…………………………………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Среди видов  деятельности инженеров в области вычислительной техники, предусмотренных Государственным стандартом высшего профессионального образования, важное место занимает проектно-конструкторская деятельность, а именно - проектирование микропроцессорных вычислительных систем. В связи с этим обучение методам проектирования вычислительных систем является актуальной задачей подготовки инженеров данного профиля.

В настоящее  время широкое распространение  получили микропроцессорные системы  на основе микроконтроллеров, которые  отличаются от других микропроцессорных  систем не только архитектурой и характеристиками, но и особенностями функционирования и реализации. Большинство микроконтроллеров  представляют собой процессор, интегрированный  с памятью и устройствами вода/вывода данных. Когда разрабатывается система  на основе микроконтроллера, то создаются  не только аппаратные средства, которые  реализуются соответствующим подключением микроконтроллера к внешним устройствам. Разработчик должен также обеспечить выполнение многих системных функций, которые в традиционных микропроцессорных  системах обеспечиваются с помощью  операционной системы и специальных  периферийных микросхем. Это позволяет  оптимизировать проект для конкретного  применения.

Проектирование  любой сложной системы начинается с создания математической модели и  исследования ее на ЭВМ. При проектировании микропроцессорных систем широко применяются методы аналитического и имитационного моделирования с использованием различных автоматизированных программных сред. Важным преимуществом среды при проектировании микропроцессорной системы является объединение инструментальных средств разработки программного обеспечения с инструментальными средствами разработки аппаратного обеспечения. Основной задачей такой среды является создание виртуальной модели микропроцессорного электронного устройства.

Эффективность проектирования микропроцессорных  систем определяется в первую очередь  квалификацией разработчика и арсеналом  инструментальных средств. При изучении курса «Микропроцессорные системы» используются различные средства, выполняющие  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.

В данных методических указаниях представлена характеристика современных методов проектирования микропроцессорных систем, дано описание этапов проектирования, рассмотрены инструментальные средства разработки приложений на основе микроконтроллеров, даны варианты заданий для курсового проекта по дисциплине «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.

 

 

 

 

 

3 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 дипломного 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 микропроцессорной  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: