Projektiranje mikroprocesorskih sustava. Rad, dizajn i arhitektura mikroprocesorskih uređaja i sustava. razvoj mikroprocesorskih uređaja i sustava

Ministarstvo znanosti i obrazovanja Republike Kazahstan

Multidisciplinarni fakultet

Državno sveučilište Sjevernog Kazahstana

nazvan po akademiku M. Kozybaevu

Objašnjenje

za predmetni projekt

u disciplini: “Digitalni uređaji i mikroprocesorski sustavi”

na temu: “Projektiranje mikroprocesorskog sustava baziranog na mikroprocesoru I 8086”

Opcija br. 16

Izvršio: student gr. RES-k-09

Safronov S.V.

Provjerava: nastavnik

Mikhailova A.N.

Petropavlovsk 2010

1. Uvod

2. Opće ustrojstvo ministarstva željeznica

3. 16-bitni mikroprocesor i8086

3.1 Sustav zapovijedanja

4.Unutarnja struktura

5. Memorijski uređaji

6. RAM memorija. Načela gradnje

7. Memorija samo za čitanje (ROM)

8.Digitalno-analogni pretvarači (DAC)

9.Izrada funkcionalne sheme ulazno/izlaznog modula

10 Zaključak

Bibliografija

Dodatak A

1. Uvod

Svrha discipline “Digitalni uređaji i mikroprocesori” je proučavanje principa konstruiranja digitalnih uređaja različite funkcionalne složenosti - od logičkih elemenata do mikroprocesora i mikroračunala.

Kompaktna mikroelektronička "memorija" naširoko se koristi u modernoj elektroničkoj opremi za različite namjene. U računalu, memorija je definirana kao funkcionalni dio dizajniran za snimanje, pohranu i izdavanje naredbi i obrađenih podataka. Skup tehničkih sredstava koja provode funkciju memorije naziva se uređaj za pohranjivanje (uređaj za pohranjivanje). Za osiguranje rada procesora (mikroprocesora) potreban je program, odnosno niz naredbi i podataka na kojima procesor izvodi operacije propisane naredbama. Naredbe i podaci ulaze u glavnu memoriju računala preko ulaznog uređaja, na čijem izlazu dobivaju digitalni oblik prikaza, tj. oblik kodnih kombinacija O i 1. Glavna memorija se u pravilu sastoji od dva vrste memorije: operativna (RAM) i trajna (ROM).

RAM je dizajniran za pohranjivanje varijabilnih informacija; omogućuje promjenu sadržaja kako procesor izvodi računalne operacije s podacima. To znači da procesor može odabrati (način čitanja) instrukcijski kod i podatke iz RAM-a i nakon obrade smjestiti dobiveni rezultat u RAM (način pisanja).

Ovaj kolegij posvećen je proučavanju memorijskog bloka. Naime, zadatak je izgraditi memorijski prostor zadane veličine i konfiguracije.

2. Opće ustrojstvo ministarstva željeznica

Mikroprocesor (MP) - središnji dio svakog mikroprocesorskog sustava (MPS) - uključuje aritmetičko-logičku jedinicu (ALU) i središnju upravljačku jedinicu (CCU) koja provodi naredbeni ciklus. MP može funkcionirati samo kao dio MPS-a, koji uključuje, osim MP-a, memoriju, ulazno/izlazne uređaje, pomoćne krugove (generator takta, kontrolere prekida i izravni pristup memoriji (DAM), upravljačke programe sabirnice, registre zabravljivanja itd. .

U svakom MPS-u mogu se razlikovati sljedeći glavni dijelovi (podsustavi):

procesorski modul;

• vanjski uređaji (vanjska pohrana + ulazno/izlazni uređaji);

  prekidni podsustav;

  podsustav izravnog pristupa memoriji.

Slika 1 – Struktura MPS-a sa sučeljem “Common Bus”.

Komunikacija između procesora i ostalih MPS uređaja može se odvijati principima radijalnih veza, zajedničkom sabirnicom ili kombiniranom metodom. U jednoprocesorskim MPS-ovima, posebice 8- i 16-bitnim, najviše je raširen princip komunikacije “Common Bus” u kojem su svi uređaji spojeni na sučelje na isti način (slika 1).

Svi signali sučelja podijeljeni su u tri glavne skupine - podaci, adresa i kontrola. Brojni tipovi sučelja "Common Bus" omogućuju prijenos preko zasebnih ili multipleksiranih linija (sabirnica). Na primjer, Microbus sučelje, na kojem radi većina 8-bitnih MPU-ova temeljenih na i8080, prenosi adresu i podatke na odvojenim sabirnicama, ali se neki kontrolni signali prenose na podatkovnoj sabirnici. Q-bus sučelje koje se koristi u mikroračunalima iz DEC-a (domaći analogni - mikroprocesori serije K1801) ima multipleksiranu sabirnicu adresa/podataka, kroz koju se te informacije prenose s vremenskom podjelom. Naravno, ako postoji multipleksirana sabirnica, potrebno je u upravljačke linije uključiti poseban signal koji identificira vrstu informacija na sabirnici. Informacije se razmjenjuju preko sučelja između dva uređaja od kojih je jedan aktivan, a drugi pasivan. Aktivni uređaj generira adrese pasivnog uređaja i upravljačke signale. Aktivni uređaj je obično procesor, a pasivni uređaj je uvijek memorija i neka računala.

Međutim, ponekad host uređaji velike brzine mogu djelovati kao glavni (aktivni uređaj) na sučelju, kontrolirajući razmjenu s memorijom. Koncept “Common Bus” pretpostavlja da se pristup svim MPS uređajima ostvaruje u jednom adresnom prostoru, međutim, kako bi se proširio broj adresabilnih objekata, u nekim sustavima adresni prostori memorije i memorije, a ponekad čak i programska memorija i memorija podataka, umjetno su odvojeni.

3.16-bitni mikroprocesor i8086

Intel je 1978. izdao prvi 16-bitni procesor i8086. Frekvencija - 5 MHz, performanse - 0,33 MIPS za instrukcije sa 16-bitnim operandima (kasnije su se pojavili procesori od 8 i 10 MHz). Tehnologija od 3 mikrona, 29.000 tranzistora. Adresibilna memorija 1 MB. Godinu dana kasnije pojavio se i8088 - isti procesor, ali s 8-bitnom sabirnicom podataka. S njim je započela povijest IBM PC-a, neraskidivo povezana sa svim daljnjim razvojem Intelovih procesora. Masovna distribucija i otvorenost arhitekture IBM PC-a dovela je do lavinskog tempa pojave novog softvera koji su razvili veliki, srednji i mali. poduzeća, kao i individualni entuzijasti. Tehnički napredak tada i sada bio bi nezamisliv bez razvoja procesora, ali s obzirom na golemu količinu postojećeg softvera za osobna računala, već tada je nastao princip kompatibilnosti softvera unatrag - stari programi bi se trebali pokretati na novim procesorima. Stoga su sve inovacije u arhitekturi sljedećih procesora morale biti priključene na postojeću jezgru.

16-bitni MP i8086 bio je daljnji razvoj linije jednočipnih MP-ova započetih i8080. Uz povećanje bitnog kapaciteta, i8086 implementira niz novih arhitektonskih rješenja:

proširen je sustav zapovijedanja (skupom operacija i načinima adresiranja);

MP arhitektura je usmjerena na višeprocesorski rad. Skupina pomoćnih LSI-ja (kontroleri i specijalizirani procesori) razvijena je za organiziranje multimikroprocesorskih sustava različitih konfiguracija;

počelo je kretanje prema kombiniranju izvođenja različitih operacija u vremenu. MP uključuje dva paralelna radna uređaja

obrada podataka i komunikacija s autocestom, što omogućuje vremensko kombiniranje procesa obrade informacija i njihovog prijenosa duž autoceste;

uvedena je nova (u odnosu na i8080) organizacija memorije koja je kasnije korištena u svim starijim modelima INTEL obitelji - segmentacija memorije. Kako bi se održao kontinuitet modela s i8080, i8086 pruža dva načina rada - "minimum" i "maksimum", a u minimalnom načinu rada i8086 jednostavno radi kao prilično brz 16-bitni i8080 s proširenim sustavom naredbi ( arhitektura MPS-a temeljena na i8086-min nalikuje arhitekturi na bazi i8080).

Maksimalni način rada je usmjeren na rad i8086 kao dijela multimikroprocesorskih sustava, u kojima, uz nekoliko i8086 središnjih procesora, mogu funkcionirati specijalizirani i8089 ulazno/izlazni procesori i i8087 plutajući aritmetički koprocesori. Definirajmo gore uvedene pojmove jasnije:

Središnji procesor - održava vlastiti ciklus naredbi, izvršava program pohranjen u sistemskoj memoriji, nakon resetiranja sustava kontrola se obično prenosi na središnji procesor (ili jedan od CPU-a, ako ih je više u sustavu). Specijalizirani procesor - održava vlastiti ciklus instrukcija, izvršava program pohranjen u memoriji sustava, ali se inicijalizira samo naredbom iz CPU-a, te po završetku programa obavještava CPU da je završio s radom. Koprocesor ne podržava vlastiti ciklus instrukcija; on izvršava naredbe koje je za njega odabrao CPU iz općeg toka naredbi. U suštini, koprocesor je proširenje CPU-a.

3.1 Sustav zapovijedanja

U sustavu instrukcija mikroprocesora 8086 bilo je 98 instrukcija: 19 naredbi za prijenos podataka, 38 naredbi za obradu podataka, 24 različite uvjetne i bezuvjetne naredbe grananja i 17 naredbi za upravljanje CPU-om.

Svaka se instrukcija sastojala od operacijskog koda (koji se naziva operativni kod) i operanda. Obično je operativni kod bio dodijeljen prvom bajtu naredbe i tri srednja bita drugog bajta ili (u slučaju jednobajtne naredbe) visokom dijelu prvog bajta naredbe. Ukupno postoji gotovo 4000 različitih opcija naredbi u i8086.

Prema namjeni naredbe mikroprocesora I8086 dijele se u 6 skupina:

1 Naredbe za prijenos podataka: MOV, XCHG, PUSH, POP, PUSHF, POPF, LEA, LDS, LES, LAHF, SAHF, XLAT, IN.

2 aritmetičke naredbe: ADD, ADC, INC, AAA, DAA, SUB, SBB, DEC, NEG, CMP, AAS, DAS, MUL, IMUL, DIV, IDIV, AAM, AAD.

3 logičke naredbe: NOT,SHL / SAL,SHR,SAR,ROL,ROR,RCL,RCR,

I, TESTIRAJ, ILI, XOR.

4 naredbe za upravljanje lancem: CMPS, LODS, MOVS, REP, SCAS, STOS.

5 naredbi za prijenos kontrole: JMP, CALL, RET, LOOP/LOOPE, LOOPZ, LOOPNE/LOOPNZ, JCXZ, JE/JZ, JNE/JNZ, JL/JNGE, JLE/JNG, JB/JNAE, JBE/JNA, JP/JPE , JNP/JPO, JO, JNO, JS, JNS, JG/JNLE, JGE/JNL, JA/JNBE, JAE/JNB.

6 komandi za upravljanje procesorom: CLC, CMC, STC, CDL, STD, CLI, HLT WAIT, ESC, LOCK

4.Unutarnja struktura

Blok dijagram i8086 MP prikazan je na sl. MP uključuje tri glavna uređaja:

UOD - uređaj za obradu podataka;

USM - komunikacijski uređaj s autocestom;

UUS - uređaj za upravljanje i sinkronizaciju.

UOD je dizajniran za izvršavanje instrukcija i uključuje 16-bitni ALU, sistemske registre i druge pomoćne sklopove; registarski blok (RON, osnovni i indeksni) i mikroprogramski upravljački blok.

USM osigurava formiranje 20-bitne adrese fizičke memorije i 16-bitne adrese hosta, izbor naredbi iz memorije, razmjenu podataka s memorijom, hostom i drugim procesorima putem sabirnice. USM uključuje zbrajalo adresa, blok registara reda naredbi i blok registara segmenta.

UUS osigurava sinkronizaciju rada MP uređaja, generiranje upravljačkih signala i statusnih signala za razmjenu s drugim uređajima, analizu i odgovarajući odgovor na signale drugih MPS uređaja.

MP može raditi u jednom od dva načina - "minimalno" (min) i "maksimalno" (max). Minimalni način rada dizajniran je za implementaciju jednoprocesorske MPS konfiguracije s organizacijom sličnom MPS-u temeljenom na i8080, ali s povećanim adresnim prostorom, većom brzinom i značajno proširenim skupom instrukcija. Maksimalna konfiguracija pretpostavlja prisutnost nekoliko MP-a i posebne jedinice magistralnog arbitra u sustavu (koristi se Multibus sučelje).

Vanjski pinovi MP i8086 široko koriste princip multipleksiranja signala - prijenos različitih signala preko zajedničkih linija s vremenskom podjelom. Osim toga, isti pinovi se mogu koristiti za prijenos različitih signala ovisno o načinu rada (min - max dizajn hardvera... implementirani projekt). mikroprocesor sustav na baza mikrokontrolera - ... rad uređaja Na osnova funkcije uređaja...

Kvalitativne i kvantitativne promjene u elementarnoj bazi VT opreme dovele su do

mijenjajući ustaljena načela njihovog dizajna (kao što su kruti

struktura, dosljedno središnje upravljanje, linijska organizacija

memorije i nemogućnosti prilagodbe strukture računala posebnostima

problem koji se rješava).

Klasična Von Neumannova načela organiziranja računalnih sustava zamijenjena su idejama o problemskoj usmjerenosti MPS-a, paralelnoj i cjevovodnoj obradi informacija, korištenju tabelarnih metoda obrade podataka, načelima regularnosti i homogenosti MPS struktura; postaje stvaran

mogućnost stvaranja adaptivno rekonfigurabilnih sustava, kao i

hardverska implementacija softverskih funkcija. Stoga, trenutno

vrijeme pri projektiranju računalnih sustava baziranih na MPS primljeno

primjena tzv. “3M” principa: modularnost, trunking,

mikroprogramabilnost.

Načelo modularne organizacije uključuje izgradnju računalnih i

upravljanje MPS-om na temelju skupa modula: strukturnih, funkcionalnih i

električno potpuni računalni uređaji koji vam omogućuju samostalno

ili u kombinaciji s drugim modulima za rješavanje problema ove klase. Modularni

pristup dizajnu mikroračunala i sustava omogućuje (kada se implementira kao

univerzalni i specijalizirani moduli) kako bi se osiguralo stvaranje obitelji

(redovi) MPS-a, koji se razlikuju po funkcionalnosti i karakteristikama,

pokrivajući značajan raspon primjena, pomaže smanjiti

troškove dizajna, a također pojednostavljuje proširenje kapaciteta i

rekonfiguracija sustava, odgađa zastarjelost računarstva

Okosnica metode razmjene informacija za razliku od načina organizacije

proizvoljne veze (prema principu “svatko sa svakim”) omogućuje organiziranje i

smanjite broj veza u MPS-u. Olakšava razmjenu informacija između

funkcionalnih i strukturnih modula različitih razina korištenja

autoceste koje povezuju ulazne i izlazne sabirnice. Postoje jedan, dva,

tro- i višelinijske veze. Potrebno je uočiti odnos

dizajn sklopova i konstrukcijska rješenja koja se pojavljuju tijekom izvedbe

ova metoda razmjene u obliku stvaranja posebnog dvosmjernog međuspremnika

kaskade s tri stabilna stanja i korištenjem privremenih

multipleksiranje razmjenskih kanala.

Kontrola firmvera pruža najveću fleksibilnost u organizaciji

višenamjenskih modula i omogućuje orijentaciju prema problemu

MPS, a također koristiti makro operacije u njima, što je učinkovitije od korištenja

standardne rutine. Osim toga, prijenos kontroliranih riječi u obliku

šifrirane kodne sekvence odgovaraju uvjetima minimizacije

broj VLSI pinova i smanjenje broja međusobnih veza u modulima.

Uz gore navedene glavne značajke dizajna MPS-a, trebao bi biti

primijetiti načelo pravilnosti, koje pretpostavlja prirodnu

ponovljivost elemenata strukture MPS-a i veza među njima. Primjena ovog

Načelo vam omogućuje povećanje integralne gustoće, smanjenje duljine veza

na čipu, smanjuju topološko vrijeme i vrijeme dizajna sklopa

dizajn LSI i VLSI, smanjiti broj raskrižja i vrste funkcionalnih

i konstruktivni elementi.

Prilikom razvoja MPS arhitekture (faza sustava) potrebno je riješiti sljedeće

Opišite konceptualnu strukturu funkcionalnog ponašanja sustava sa

pozicije vođenja računa o interesima korisnika prilikom njegove izgradnje i organizacije

proces računanja u njemu;

Odrediti strukturu, nomenklaturu i značajke konstruiranja softvera i

mikroprogramski alati;

Opisati karakteristike unutarnje organizacije tokova podataka i kontrole

informacija;

Provesti analizu funkcionalne strukture i značajki tjelesnog

implementacija uređaja sustava iz perspektive ravnoteže softvera,

mikroprogram i hardver.

Glavne faze projektiranja MPS-a prikazane su na slici. 3.1.

U početnoj fazi projektiranja, MPS se može opisati u jednom od

sljedeće konceptualne razine: “crna kutija”, strukturalna, programska,

logičan, sklop.

Na razini "crne kutije", MPS je opisan vanjskim specifikacijama, gdje

navedene su vanjske karakteristike.

Riža. 3.1. Faze projektiranja MPS-a

Strukturalnu razinu stvaraju hardverske komponente MPS-a, koje

opisana funkcijama pojedinih uređaja, njihovim međusobnim vezama i informacijama

potoci.

Razina softvera podijeljena je na dvije podrazine (instrukcije procesora i

jezik) a MPS se tumači kao niz iskaza odn

naredbe koje uzrokuju jednu ili drugu radnju na određenoj strukturi podataka.

Logička razina svojstvena je isključivo diskretnim sustavima i podijeljena je na

dvije podrazine: sklopni sklopovi i prijenosi registara.

Prvu podrazinu tvore vrata (kombinacijski sklopovi i memorijski elementi) i na njihovoj osnovi izgrađeni operatori za obradu podataka. Drugu podrazinu karakterizira viši stupanj apstrakcije i predstavlja opis registara i prijenosa podataka između njih. Uključuje dva

dijelovi: informacijski i kontrolni: prvi čine registri,

operatora i putova prijenosa podataka, drugi pruža ovisno o

vremenski signali koji započinju prijenos podataka između registara.

Razina sklopa temelji se na opisu rada diskretnih elemenata uređaja.

U životnom ciklusu MPS-a, kao i svakog diskretnog sustava, postoje tri faze:

dizajn, proizvodnja i rad.

Svaki stupanj je dalje podijeljen u nekoliko faza za koje postoji vjerojatnost strukturalnih ili fizičkih kvarova. Greške se dijele prema uzrocima: fizičke, ako su uzrok nedostaci u elementima, i subjektivne, ako su uzrok greške u projektiranju.

Subjektivne greške dijele se na dizajnerske i interaktivne. Oblikovati

neispravnosti su uzrokovane nedostacima unesenim u sustav u različitim fazama

provedbu izvornog zadatka. Interaktivni kvarovi se javljaju u

tijekom rada krivnjom servisnog osoblja (operatera). Rezultat

manifestacija kvara je pogreška, a jedan kvar može

uzrokuju niz pogrešaka, a može biti uzrokovana ista pogreška

mnogo kvarova.

Postoji i pojam kvara - fizičke promjene parametara

komponente sustava koje prelaze dopuštene granice. Defekti se nazivaju

kvarovi ako su privremeni, a kvarovi ako su trajni.

Kvar se ne može otkriti dok se ne steknu uvjeti za

pojava kvara zbog toga, čiji bi rezultat trebao biti, u svom

red čekanja, proslijeđen na izlaz predmeta koji se proučava kako bi se napravio

uočljiv kvar.

Dijagnostika greške je postupak utvrđivanja uzroka greške pomoću

rezultate testiranja.

Debugging je proces otkrivanja grešaka i utvrđivanja

izvori njihove pojave prema rezultatima ispitivanja tijekom projektiranja MPS-a.

Alati za otklanjanje pogrešaka su uređaji, kompleksi i programi. Ponekad pod

Debugging se odnosi na otkrivanje, lokalizaciju i uklanjanje grešaka. Uspjeh

otklanjanje pogrešaka ovisi o tome kako je sustav dizajniran, je li

svojstva koja ga čine prikladnim za otklanjanje pogrešaka, kao i od korištenih alata

za otklanjanje pogrešaka.

Da bi se izvršilo otklanjanje pogrešaka, projektirani MPS mora imati

svojstva upravljivosti, uočljivosti i predvidljivosti.

Upravljivost – svojstvo sustava u kojem je njegovo ponašanje podložno

upravljanje, tj. Moguće je zaustaviti rad sustava u

određeno stanje i ponovno pokrenite sustav.

Uočljivost– svojstvo sustava koje vam omogućuje praćenje njegovog ponašanja

sustava, iza promjene njegovih unutarnjih stanja.

Predvidljivost– svojstvo sustava koje omogućuje instalaciju sustava

stanje iz kojeg se mogu predvidjeti sva sljedeća stanja.

MPS može značajno varirati u svojoj složenosti, zahtjevima i funkcijama

radni parametri, obujam softvera, vrsta

mikroprocesorski set itd. S tim u vezi, proces projektiranja može

variraju ovisno o zahtjevima za sustav.

Proces dizajna je iterativni proces. Kvarovi otkriveni tijekom faze prihvatljivog testiranja mogu dovesti do ispravka specifikacije, i

dakle na početak projektiranja cjelokupnog sustava. Pronaći

greške se moraju otkriti što je ranije moguće; za ovo morate kontrolirati

ispravnost projekta u svakoj fazi razvoja. Postoje sljedeće metode

kontrola ispravnosti projektiranja: provjera (formalne metode

dokaz o ispravnosti projekta); modeliranje; testiranje.

Nedavno se puno rada pojavilo na provjeri softvera

softver, firmware, hardver. Međutim, ti su radovi i dalje

teorijske prirode. Stoga se u praksi češće koristi modeliranje

ponašanje objekta i testiranje na različitim apstraktnim razinama

prikazi sustava.

U fazi formalizacije zahtjeva sustava, praćenje ispravnosti projekta

posebno potrebno jer mnogi ciljevi dizajna nisu formalizirani ili

načelno se ne može formalizirati. Funkcionalna specifikacija može

analizira tim stručnjaka ili simulira i testira u

eksperimentalno utvrditi postizanje željenih ciljeva. Nakon odobrenja

funkcionalna specifikacija započinje razvoj testnih programa,

dizajniran za uspostavljanje ispravnog rada sustava u skladu s

njegovu specifikaciju. U idealnom slučaju, testovi su razvijeni u cijelosti

na temelju ove specifikacije i omogućavanje provjere bilo kojeg

implementacija sustava koji je proglašen sposobnim za obavljanje funkcija

navedeno u specifikaciji. Ova metoda je potpuna suprotnost ostalima,

gdje su testovi izgrađeni u odnosu na specifične implementacije. Međutim, u praksi

razvoju testova često se daje manji prioritet od

projekta, pa se testni programi pojavljuju puno kasnije od njega

Faza razvoja je najodgovorniji, radno intenzivan i zahtijeva visokokvalificirane programere, budući da se pogreške napravljene u ovoj fazi obično otkrivaju tek u fazi testiranja gotovog uzorka i zahtijevaju dugotrajnu i skupu preradu cijelog sustava.

Jedan od glavnih zadataka ove faze je raspodjela funkcija, koju izvodi mikroprocesorski sustav, između njegovih hardverskih i programskih dijelova. Maksimalno korištenje hardvera pojednostavljuje razvoj i osigurava visoke performanse sustava u cjelini, ali je obično praćeno povećanjem troškova i potrošnje energije. Istodobno, povećanje specifične težine softvera omogućuje smanjenje broja uređaja sustava i njegovu cijenu, povećava sposobnost prilagodbe sustava novim uvjetima primjene, ali dovodi do povećanja potrebnog kapaciteta memorije, smanjenja performansi i povećanje vremena projektiranja.

Proces redistribucije funkcija između hardverskih i softverskih dijelova MPS-a je iterativan. Kriterij odabira ovdje postoji mogućnost maksimalne implementacije određenih funkcija softverom, ovisno o pružanju navedenih pokazatelja (performanse, potrošnja energije, trošak itd.).

S gledišta kontrolirati I dijagnostika Ova faza MPS-a ima sljedeće karakteristike:

• nema razvijenih testnih programa: projektiranje hardvera MPS uvijek ide paralelno s razvojem programa, a ponekad i opreme za njega testiranje I otklanjanje pogrešaka ;
• konstrukcija ispitni programi a rezultate ručno analizira programer na temelju svojih ideja o principima rada i strukturi sustava koji se razvija;
• postoji velika vjerojatnost da će se nekoliko kvarova pojaviti istovremeno; mogu postojati kvarovi povezani s kvarovima u elektroničkim komponentama i pogreškama instalatera i programera;
• nesigurnost povezana s prethodnom situacijom o uzroku kvara: kvarovi hardvera ili programske pogreške;
• moguće pogreške programera: sustav može apsolutno ispravno izvršiti radnje koje je propisao programer, ali same ove upute nisu bile točne.

Svi ti razlozi čine zadatke kontrolirati I dijagnostika u fazi razvoja IPS-a su najsloženiji, a zahtjevi za kvalifikacijama osoblja vrlo su visoki.

Alati za praćenje i dijagnostiku u ovoj fazi moraju ispunjavati sljedeće zahtjeve:

• sposobnost mjerenja digitalnih i analognih signala;
• različiti načini rada i jednostavnost prilagodbe određenom načinu rada;
• učinkovitost i jasnoća prikaza rezultata mjerenja;

• sposobnost rada s hardverom i softverom.

  U fazi proizvodnje mikroprocesorski sustav U prvi plan dolaze sljedeći zahtjevi:

  • visoke performanse,
  • potpunost kontrolirati,
  • visoka automatizacija kako bi se smanjili zahtjevi za kvalifikacijama pogonskog osoblja.

  Kontrolirati u ovoj fazi se provodi korištenjem otpada ispitni programi. Ispitivanje se provodi na posebno dizajniranim kontrolnim postoljima (u slučaju dovoljno velikog volumena proizvodnje), dizajniranim za izdavanje ispitnih utjecaja i automatsku analizu reakcija na njih. U pravilu samo u ovoj fazi kontrolirati performanse sustava prema principu “go-no-go”. Utvrđivanje lokacije i prirode kvara provodi više kvalificirano osoblje tijekom zasebnog procesa.

  Kontrola tijekom rada, u pravilu, lakše nego u prethodnim fazama iz sljedećih razloga:

  • vjerojatnost da se dvije ili više neispravnosti pojave istovremeno je vrlo mala;
  • obično potrebno kontrolirati ispravan rad samo kod rješavanja specifičnih problema, a testovi se isporučuju uz sam proizvod.

Međutim, zahtjevi za alate namijenjene operativnom održavanju MPS-a vrlo su kontradiktorni.

S jedne strane, to je zahtjev za kompaktnošću, a često i prenosivošću ovih alata, s druge strane, postoji zahtjev za svestranošću i automatizacijom procesa. kontrolirati kako bi mogli koristiti nekvalificirano osoblje.

Razmotrimo sada stvarne alate kontrolirati I otklanjanje pogrešaka mikroprocesorski sustavi.

Točnost s kojom određeni test lokalizira kvarove naziva se njegova rezolucija. Potrebna rezolucija određena je specifičnim ciljevima ispitivanja. Na primjer, kod otklanjanja pogrešaka prototipa potrebno je prije svega utvrditi prirodu kvara (hardver ili softver). U tvorničkim uvjetima preporučljivo je provesti dijagnostika greške sve do razine najmanjeg zamjenjivog elementa kako bi se smanjili troškovi popravka. Prilikom testiranja opreme tijekom rada za njezin popravak, često je potrebno utvrditi koja zamjenska jedinica proizvoda ima kvar.

Objekti kontrolirati I otklanjanje pogrešaka mora:

• kontrolirati ponašanje sustava i/ili njegovog modela;
• prikupljati informacije o ponašanju sustava i/ili njegovom modelu, obrađivati ​​i prezentirati ih na razini pogodnoj za programera;
• simulirati ponašanje vanjskog okruženja sustava koji se projektira.

Vrijeme i kvaliteta otklanjanje pogrešaka sustavi ovise o fondovima otklanjanje pogrešaka. Što su napredniji alati dostupni razvojnom inženjeru, to prije može započeti otklanjanje pogrešaka hardvera i programa i brže se mogu otkriti i eliminirati pogreške, čije će otkrivanje i uklanjanje u kasnijim fazama dizajna koštati puno više.

Kao što pokazuje iskustvo razvoja, proizvodnje i rada MPS-a, konačno kontrolirati performanse moraju biti izvedene na stvarnoj opremi i na radnoj brzine takta. Stoga alati moraju ponuditi rješenja za probleme generiranja ulaznih utjecaja i snimanja izlaznih reakcija u stvarnom vremenu. Prisutnost dvosmjernih sabirnica u MPS-u zahtijeva mogućnost prebacivanja upravljačke opreme s prijenosa na prijem unutar jednog razdoblja taktna frekvencija. Praćenje vremena zahtijeva vrlo brze alate. Osim toga, značajna duljina ispitni programi zahtijeva korištenje RAM-a, kontrolera vanjskih uređaja, napajanja, generatora takta itd.

Kada autonomno otklanjanje pogrešaka oprema može zahtijevati uređaje koji mogu:

• obavljati analogna mjerenja;
• daju impulse određenog oblika i trajanja;
• opskrba niza signala istovremeno na nekoliko ulaza u skladu s danim vremenskim dijagramom ili određenim algoritam funkcioniranja oprema;
• spremiti vrijednosti signala iz mnogih linija za vremensko razdoblje određeno određenim događajima;
• obraditi i prezentirati prikupljene informacije u obliku pogodnom za programera.

Za autonomno otklanjanje pogrešaka oprema na razini sklopova, osciloskopi, voltmetri, ampermetri, frekvencijometri, generatori impulsa, analizatori potpisa. Na višoj razini, emulatori unutar kruga, ROM emulatori, logički analizatori, razvojne ploče, kao i posebne alate za uklanjanje pogrešaka koji su ugrađeni u LSI u fazi njihovog razvoja.

Proces projektiranja mikroprocesorskih sustava uključuje tri faze (slika 1.1): 1) sustav; 2) dizajn funkcionalnog sklopa; 3) otklanjanje pogrešaka i procjena performansi.

Riža. 1.1. Faze projektiranja MPS-a

U fazi projektiranja sustava najprije se provodi analiza sustava zadatka dodijeljenog MPS-u, identificiraju se svrha, glavna svojstva, potrebe, ideje implementacije, iznos financiranja i druge značajke dovoljne za donošenje odluke o projektnim putevima. Zatim se formulira funkcionalno ponašanje sustava i zahtjevi za njega sa stajališta osiguranja skupa funkcija koje se izvode, zahtijevane izvedbe, identificiranja kritičnih funkcija, određivanja sastava periferne opreme sustava, strukture ulaznih i izlaznih podataka. , karakteristike tokova podataka i kontrolnih informacija. U tijeku je izrada proširenog algoritma za funkcioniranje sustava i formaliziranog opisa algoritma za rad MPS-a. Sljedeći korak u fazi projektiranja sustava je određivanje broja razina hijerarhije MPS-a, veza između njih i vanjskog okruženja ili sustava. Utvrđuju se zahtjevi za arhitekturu sustava, raspodjeljuju se hardverski i programski implementirane funkcije i opravdavaju zahtjevi sučelja. Potrebno je uravnotežiti zahtjeve za hardverom i softverom sustava, uzimajući u obzir zadanu brzinu i mogućnost smanjenja složenosti i troškova te smanjenja vremena razvoja. Što je više funkcija ugrađeno u hardver, veća je izvedba, ali je arhitektura sustava složenija i vrijeme razvoja je dulje.

Trenutno, zbog razvoja LSI i VLSI mogućnosti, postoji tendencija da se hardveru dodjele funkcije koje su se do nedavno obavljale samo u softveru. Integracija mogućnosti softvera u dizajn hardvera, prvenstveno u obliku ROM firmvera ili "matematičkih" čipova, područje je koje se sve više koristi u mikroprocesorskim sustavima. Mnoge funkcije operacijskog sustava već se počinju implementirati u hardver postavljanjem programa u ROM čipove. Možda će red doći na hardversku implementaciju funkcija programskog jezika.

Važna točka u fazi projektiranja sustava je odabir baze elemenata, osnovnog MPC-a, tj. vrsta obitelji mikroprocesora i drugi LSI. Na temelju ove faze izrađuje se tehnička specifikacija (TOR).

Faza projektiranja sustava uglavnom je heuristička, a njen rezultat je blok dijagram mikroprocesorskog sustava i tehničke specifikacije, koje ukazuju na sve zahtjeve koje razvijeni MPS mora zadovoljiti.

Faza funkcionalnog sklopa podijeljena je u tri područja: razvoj hardvera, razvoj softvera i razvoj pomoćnih alata, koji zauzvrat sadrže i hardverske i softverske dijelove. Karakteristike ove faze su sljedeće:

1) potreba za zajedničkim razvojem i otklanjanjem pogrešaka hardvera i softvera usmjerenih na specifičnu strukturu hardvera;

2) korištenje temeljno novih metoda i alata za razvoj i otklanjanje pogrešaka mikroprocesorskih sustava, kao što su emulatori unutar kruga, logički analizatori i analizatori potpisa, kompleksi za uklanjanje pogrešaka i alati za automatizirano programiranje;

3) jaka međusobna povezanost i ravnomjerna integracija faza projektiranja, u kojoj programer mora istovremeno imati iskustvo u projektiranju mikroprocesorskih sustava, kao i razumjeti specifično područje njihove primjene.

U fazi projektiranja funkcionalnog sklopa, na temelju blok dijagrama MPS-a, razvijaju se funkcionalni i shematski dijagrami tehničkih sredstava, algoritama i aplikacijskih programskih modula. Ovu fazu karakterizira široka uporaba standardnih sklopovskih i programskih rješenja te snažna međuovisnost hardvera i softvera, čiji se razvoj mora odvijati paralelno u svim fazama. Faza završava integracijom hardvera i softvera, čime započinje faza otklanjanja pogrešaka cijelog MPS-a kao cjeline.

Debugiranje MPS-a najzahtjevnija je faza, stoga razvoju ugrađenih kontrolnih alata i metoda za korištenje standardnih alata za debugiranje treba posvetiti istu pozornost kao i razvoju hardvera i softvera. Otklanjanje pogrešaka zahtijeva ugrađene alate, softver i hardver, kao i posebne uređaje kao što su logički analizatori i analizatori potpisa, kompleksi za uklanjanje pogrešaka i interni emulatori. Ugradnja dijagnostičkih i kontrolnih alata donekle produljuje i poskupljuje razvoj sustava, ali uvelike olakšava njegovo otklanjanje grešaka i daljnji rad.

Projektiranje sustava završava pilot testiranjem razvijenog MPS-a u sustavu za koji je namijenjen, te vrednovanjem dobivenih karakteristika. Ukoliko rezultati ocjenjivanja ne zadovolje zahtjeve tehničke specifikacije, tada se radi analiza uzroka i na temelju nje redizajn pojedinih modula MPS-a ili cijelog sustava u cjelini.

Projektiranje završava izradom metodološke potpore koja sadrži preporuke za racionalno korištenje projektiranog MPS-a i svu potrebnu dokumentaciju.

Razmatrane faze provode se, u pravilu, u obliku istraživačkog rada uz sudjelovanje relativno malog broja visokokvalificiranih stručnjaka.

Daljnje faze projektiranja obično se provode u obliku razvojnih radova i zahtijevaju angažman većeg broja izvođača.

Mikroprocesorski sustav za prikupljanje podataka mora zadovoljiti sljedeće zahtjeve: osigurati visoku učinkovitost i biti jednostavan za implementaciju, mora osigurati stabilan i besprijekoran rad, biti relativno jeftin i trošiti malo resursa. Za obavljanje dodijeljenih zadataka iu skladu s osnovnim zahtjevima prikladan je mikrokontroler serije K1816BE51.

Slika 3 - Blok dijagram mikroprocesorskog sustava za prikupljanje podataka.

mikroprocesor programski algoritam čip

Mikroprocesorski sustav (MPS) sastoji se od sljedećih blokova: mikrokontroler (MC), memorija s izravnim pristupom (RAM), memorija samo za čitanje (ROM), programabilni mjerač vremena (PT), paralelno programabilno sučelje (PPI), analogno-digitalno pretvarač (ADC), digitalno-analogni pretvarač (DAC), multiplekser (MUX), programabilni kontroler prekida (PIC).

MK tvori adresnu sabirnicu (ABA), podatkovnu sabirnicu (SD) i kontrolnu sabirnicu (CC). Na sabirnice su spojeni blokovi RAM, ROM, PT, PPI, PKP.

RAM je dizajniran za pohranu podataka istraživanja senzora, kao i posrednih podataka. ROM je dizajniran za pohranu programskog koda i raznih konstanti.

PT je dizajniran za brojanje vremenskog intervala koji će biti potreban za izvršavanje MK naredbi. Prije izvođenja operacije, PT se pokreće. Ako je operacija uspješna, MK resetira PT. Ako od MC-a nije primljena naredba za resetiranje brojanja (došlo je do zamrzavanja), PT, na kraju brojanja vremenskog intervala, generira signal za resetiranje MC-a.

PPI je namijenjen povezivanju vanjskih uređaja. ADC, diskretni multiplekser i DAC spojeni su na SPI.

ADC je dizajniran za pretvaranje analognog signala iz senzora i digitalnog koda, koji se dovodi u MK kroz PPI. Analogni senzori su spojeni na ADC preko analognog multipleksera.

Podaci iz diskretnih senzora primaju se kroz diskretni multiplekser.

DAC je dizajniran za generiranje upravljačkog djelovanja.

Upravljačka ploča je dizajnirana za servisiranje vanjskih prekida.