Разработка цифрового исполнительного устройства на базе микроконтроллера ATMEL

Приложение А

БрГТУ.08900.008 ПЗ

Министерство  образования Республики Беларусь

Учреждение  образования

«Брестский государственный технический университет»

Кафедра «ЭВМ и системы»

 

 

 

 

 

 

РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО  УСТРОЙСТВА НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА ATMEL

 

Пояснительная записка

к курсовому  проекту по дисциплине

«Микроконтроллерные устройства»

 

БрГТУ.08900.008 ПЗ

 

 

 

 

 

Листов: 28

 

 

Выполнил

студент 5 курса группы -----   ---------

 

 

Руководители:   ------

------

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1.1 Этапы проектирования устройства на базе микро-ЭВМ 5

1.2 Особенности архитектуры однокристальных микро-ЭВМ семейства ATMEL 10

1.3 Программирование микро-ЭВМ 10

2 СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 17

3 СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 19

3.1 Подключение элементов схемы 19

3.2 Расчёт дискретных элементов 23

4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ МИКРО- ЭВМ 25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 28

Приложение А Текст программы

Приложение Б Схема электрическая функциональная БрГТУ. 08900.008 Э2

Приложение В Схема электрическая принципиальная БрГТУ. 08900.008 Э3

Приложение  Г Схема программы функциональная БрГТУ. 08900– 08 90 00

 

ВВЕДЕНИЕ

Микроконтроллеры являются наиболее массовым представителем микропроцессорной  техники. Интегрируя на одном кристалле  высокопроизводительный процессор, память и набор периферийных устройств, микроконтроллеры позволяют с минимальными затратами реализовать широкую  номенклатуру систем управления различными объектами и процессами.

Использование микроконтроллеров  в системах управления и обработки  информации обеспечивает исключительно  высокие показатели эффективности  при столь низкой стоимости, что  микроконтроллерам практически  нет альтернативной элементной базы для построения качественных и дешевых  систем. Во многих применениях система  может состоять только из одного микроконтроллера. Исключением может стать применение ПЛИС в области обработки сигналов в том случае, когда требуется  параллельная обработка большого потока входных данных.

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.

 

 

1 СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

1.1 Этапы проектирования устройства на базе микро-ЭВМ

 

Важно помнить, что главный смысл  компьютерной революции заключается  в качественно новом характере  повышения уровня автоматизации  в большинстве сфер производственной деятельности, что позволяет повысить производительность труда, снизить  себестоимость выпускаемой продукции  и значительно сократить ручные операции. Элементная база средств вычислительной техники за последние несколько лет значительно изменилась. Вслед за ней изменились и принципы проектирования средств (такие, как жесткая структура, последовательное центральное управление, линейная организация памяти и отсутствие возможности адаптации структуры ЭВМ к особенностям решаемой задачи).

Микро-ЭВМ - это вычислительная или управляющая система выполненная на основе одного или нескольких МП, содержащая БИС постоянной и оперативной памяти, БИС управления вводом и выводом информации и оснащенная необходимым периферийным оборудованием (дисплей, печатающее устройство, накопители на магнитных дисках и т. п.).

В настоящее время при проектировании вычислительных систем на основе МПС получил применение так называемый принцип «3М»: модульность, магистральность, микропрограммируемость.

Принцип модульной организации  предполагает построение вычислительных и управляющих МПС на основе набора модулей: конструктивно, функционально  и электрически законченных вычислительных устройств, позволяющих самостоятельно или в совокупности с другими  модулями решать задачи данного класса. Модульный подход при проектировании микроЭВМ и систем позволяет (при реализации как универсальных, так и специализированных модулей) обеспечить создание семейств (рядов) МПС, отличающихся функциональными возможностями и характеристиками, перекрывающими значительный диапазон применений, способствует сокращению затрат на проектирование, а также упрощает наращивание мощности и реконфигурацию систем, отодвигает время морального старения вычислительных средств.

Магистральный способ обмена информацией  в отличие от способа организации  произвольных связей (по принципу «каждый  с каждым») позволяет упорядочить  и минимизировать число связей в  МПС. Он обеспечивает обмен информацией  между функциональными и конструктивными  модулями различного уровня с помощью  магистралей, объединяющих входные  и выходные шины. Различают одно-, двух-, трех- и многомагистральные связи. Необходимо отметить взаимосвязь схемотехнических и структурных решений, которые проявляются при реализации данного способа обмена в виде создания специальных двунаправленных буферных каскадов с тремя устойчивыми состояниями и использовании временного мультиплексирования каналов обмена.

Микропрограммное управление  обеспечивает наибольшую гибкость при организации  многофункциональных модулей и  позволяет осуществить проблемную ориентацию МПС,  а также использовать в них макрооперации, что эффективнее использования стандартных подпрограмм. Кроме этого, передача управляемых слов в виде зашифрованных кодовых последовательностей соответствует условиям минимизации числа выводов СБИС и сокращению числа межсоединений в модулях.

Кроме перечисленных выше основных особенностей проектирования МПС, следует  отметить принцип регулярности, который  предполагает закономерную повторяемость  элементов структуры МПС и  связей между ними. Применение данного  принципа позволяет увеличить интегральную плотность, уменьшить длину связей на кристалле, сократить время топологического  и схемотехнического проектирования БИС и СБИС, уменьшить число  пересечений и типов функциональных и конструктивных элементов.

При разработке архитектуры МПС (системный  этап) необходимо решить следующие  задачи:

• дать описание концептуальной структуры функционального поведения системы с позиций учета интересов пользователя при ее построении и организации вычислительного процесса в ней;
• определить структуру, номенклатуру и особенности построения программных и микропрограммных средств;
• описать характеристики внутренней организации потоков данных и управляющей информации;
• провести  анализ функциональной  структуры и особенности физической реализации устройств системы с позиции сбалансированности программных, микропрограммных и аппаратурных средств.

Основные этапы проектирования МПС приведены на рисунке 1.

На начальной стадии проектирования МПС может быть описана на одном из следующих концептуальных уровней: “черный ящик”, структурный, программный, логический, схемный.

На уровне “черного ящика” МПС  описывается внешними спецификациями, где перечисляются внешние характеристики.

Рисунок 1.1 - Основные этапы проектирования МПС

 

Структурный уровень создается  аппаратными компонентами МПС, которая описывается функциями отдельных устройств, их взаимосвязью и информационными потоками.

Программный уровень разделяется  на два подуровня (команд процессора и языковый) и МПС интерпретируется как последовательность операторов или команд, вызывающих то или иное действие над некоторой структурой данных.

Логический уровень присущ  исключительно  дискретным системам и разделяется  на два подуровня: переключательных схем и регистровых пересылок. Первый подуровень образуется вентилями (комбинационные схемы и элементы памяти) и построенными на их основе операторами обработки  данных. Второй подуровень характеризуется  более высокой степенью абстрагирования  и представляет собой описание регистров  и передачу данных между ними. Он включает в себя две части: информационную  и управляющую: первая образуется регистрами, операторами и путями передачи данных, вторая обеспечивает зависящие от времени сигналы, инициирующие пересылку данных между регистрами.

Схемный уровень базируется на описании работы элементов дискретных устройств.

В жизненном цикле МПС, как и  любой дискретной системы, выделяются три стадии: проектирование, изготовление и эксплуатация. Каждая из стадий подразделяется на несколько фаз,  для которых  существуют вероятности возникновения  конструктивных или физических неисправностей. Неисправности классифицируют в  соответствии с их причинами: физическая, если причиной ее служат дефекты элементов, и субъективная, если ее причиной служат ошибки проектирования.

Субъективные неисправности делят  на проектные и интерактивные. Проектные неисправности вызваны недостатками, вносимыми в систему на различных стадиях реализации исходного задания. Интерактивные неисправности возникают в процессе работы по вине обслуживающего персонала (оператора). Результатом проявления неисправности является ошибка, причем  одна неисправность может служить причиной целого ряда ошибок, а одна и та же ошибка может быть вызвана множеством неисправностей.

Существует также понятие дефекта - физическое изменение параметров компонентов системы, выходящих  за допустимые пределы. Дефекты называют сбоями, если они носят временный  характер, и отказами, если они постоянны. Дефект не может быть обнаружен до тех пор, пока не будут созданы  условия для возникновения из-за него неисправности, результат которой  должен быть, в свою очередь, передан  на выход исследуемого объекта для  того, чтобы сделать неисправность  наблюдаемой.

Диагностика неисправности – процесс  определения причины появления  ошибки по результатам тестирования. Отладка – процесс обнаружения  ошибок и определения источников их появления по результатам тестирования при проектировании МПС. Средствами отладки являются приборы, комплексы  и программы. Иногда под отладкой понимают обнаружение, локализацию  и устранения неисправности. Успех  отладки зависит от того, как спроектирована система, предусмотрены ли свойства, делающие ее удобной для отладки, а также от средств, используемых для отладки. Для проведения отладки  проектируемая МПС должна обладать свойствами управляемости, наблюдаемости  и предсказуемости.

Управляемость – свойство системы, при котором ее поведение поддается  управлению, т.е. имеется возможность  остановить функционирование системы  в определенном состоянии и заново запустить систему.

Наблюдаемость – свойство системы, позволяющее проследить за поведением системы, за сменой ее внутренних состояний.

Предсказуемость – свойство системы, позволяющее установить систему  в состояние, из которого все последующие  состояния могут быть предсказуемы.

МПС по своей сложности, требованиям  и функциям могут значительно  отличаться эксплуатационными параметрами, объемом программных средств, типом  микропроцессорного набора и т.д. В  связи с этим процесс проектирования может видоизменяться в зависимости  от требований, предъявляемых к системе. Например, процесс проектирования МПС, отличающихся одна от другой содержанием  ПЗУ, будет состоять из разработки программ и изготовления ПЗУ. При проектировании многопроцессорных МПС, содержащих несколько типов МПК, необходимо решать вопросы организации памяти, взаимодействия с процессорами, организации  обмена между устройствами системы  и внешней средой и т.п.

Наиболее типичными этапами  проектирования и разработки МПС  являются: формализация требований к  системе; разработка структуры и  архитектуры МПС; разработка и изготовление аппаратурных средств и программного обеспечения системы; комплексная  отладка и приемосдаточные испытания.

Процесс проектирования – итерационный процесс. Неисправности, обнаруженные на этапе приемосдаточных испытаний, могут привести к коррекции спецификации, а следовательно, к началу проектирования всей системы. Обнаруживать неисправности необходимо как можно раньше; для этого надо контролировать корректность проекта на каждом этапе разработки. Существуют следующие методы контроля правильности проектирования: верификация (формальные методы доказательства корректности проекта); моделирование; тестирование.

В последнее время появилось  много работ по верификации программного обеспечения, микропрограмм, аппаратуры. Однако эти работы пока носят теоретический  характер. Поэтому на практике чаще используют моделирование поведения  объекта и тестирование на различных  уровнях абстрактного представления  системы.

На этапе формализации требований  к системе контроль корректности проекта особо необходим, поскольку  многие цели проектирования не формализуются  или  не могут быть формализованы  в принципе. Функциональная спецификация может анализироваться коллективом  экспертов или моделироваться и проверяться в опытном порядке для выявления достижения желаемых целей. После утверждения функциональной спецификации начинается разработка  тестовых программ, предназначенных для установления правильности работы системы в соответствии с ее спецификацией. В идеальном случае разрабатываются тесты, целиком основанные на этой спецификации и дающие возможность проверки любой реализации системы, которая объявляется способной выполнять функции, оговоренные в спецификации. Этот способ – полная противоположность другим, где тесты строятся применительно к конкретным реализациям. Однако на практике разработке тестов часто присваивают более низкий приоритет по сравнению с проектом, поэтому тестовые программы появляются значительно позже его завершения.