Проектування мікропроцесорних систем. Функціонування, проектування та архітектура мікропроцесорних пристроїв та систем. розробки мікропроцесорних пристроїв та систем

Міністерство науки та освіти Республіки Казахстан

Багатопрофільний коледж

Північно-Казахстанського державного університету

імені академіка М. Козибаєва

Пояснювальна записка

до курсового проекту

з дисципліни: «Цифрові пристрої та мікропроцесорні системи»

на тему: "Проектування мікропроцесорної системи на основі мікропроцесора I 8086"

Варіант №16

Виконав: студент гр. РЕМ-к-09

Сафронов С.В

Перевірив: викладач

Михайлова О.М

Петропавловськ 2010

1. Введення

2. Загальна структура МПС

3. 16-розрядний мікропроцесор i8086

3.1 Система команд

4.Внутрішня структура

5. Пристрої пам'яті

6. ОЗУ. Принципи побудови

7.Постійні запам'ятовуючі пристрої (ПЗП)

8. Цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП)

9. Розробка функціональної схеми модуля введення/виводу

10 Висновок

Список літератури

Додаток А

1. Введення

Метою дисципліни «Цифрові пристрої та мікропроцесори» є вивчення принципів побудови цифрових пристроїв різної функціональної складності – від логічних елементів до мікропроцесорів та мікро-ЕОМ.

Компактна мікроелектронна пам'ять широко застосовується в сучасній електронній апаратурі різного призначення. У ПК пам'ять визначають як функціональну частину, призначену для запису, зберігання та видачі команд та оброблюваних даних. Комплекс технічних засобів, що реалізують функцію пам'яті, називають пристроєм, що запам'ятовує (ЗУ). Задля більшої роботи процесора (мікропроцесора) необхідні програма, т. е. послідовність команд, і дані, з яких процесор виробляє запропоновані командами операції. Команди і дані надходять в основну пам'ять ЕОМ через пристрій введення, на виході якого вони отримують цифрову форму подання, тобто форму кодових комбінацій Про і 1. Основна пам'ять, як правило, складається з двох видів оперативного (ОЗП) і постійного ( ПЗП).

Оперативне ЗУ призначене зберігання змінної інформації, воно допускає зміна свого вмісту під час виконання процесором обчислювальних операцій із даними. Це означає, що процесор може вибрати (режим зчитування) з ОЗУ код команди та дані та після обробки помістити в ОЗУ (режим запису) отриманий результат.

Ця курсова робота присвячена вивченню блоку пам'яті. Зокрема, завдання полягає у побудові простору пам'яті заданого обсягу та конфігурації.

2. Загальна структура МПС

Мікропроцесор (МП) - центральна частина будь-якої мікропроцесорної системи (МПС) - включає арифметико-логічний пристрій (АЛУ) і центральний керуючий пристрій (ЦУУ), що реалізує командний цикл. МП може функціонувати тільки у складі МПС, що включає, крім МП, пам'ять, пристрої вводу/виводу, допоміжні схеми (тактовий генератор, контролери переривань і прямого доступу до пам'яті (ПДП), шинні формувачі, регістри-заскочки та ін.

У будь-якій МПС можна виділити такі основні частини (підсистеми):

процесорний модуль;

• зовнішні пристрої (зовнішні ЗУ + пристрої введення/виводу);

  підсистему переривань;

  підсистему прямого доступу на згадку.

Малюнок 1 – Структура МПС з інтерфейсом "Загальна шина"

Зв'язок між процесором та іншими пристроями МПС може здійснюватися за принципами радіальних зв'язків, загальної шини або комбінованим способом. У однопроцесорних МПС, особливо 8 - і 16-розрядних, найбільшого поширення набув принцип зв'язку " Загальна шина " , у якому всі пристрої підключаються до інтерфейсу однаковим чином (Малюнок 1).

Усі сигнали інтерфейсу діляться втричі основні групи – даних, адреси та управління. Численні різновиди інтерфейсів "Загальна шина" забезпечують передачу роздільними або мультиплексованими лініями (шинами). Наприклад, інтерфейс Microbus, з яким працюють більшість 8-розрядних МПС на базі i8080, передає адресу і дані по окремих шинах, але деякі сигнали, що управляють, передаються по шині даних. Інтерфейс Q-bus, що використовується в мікро-ЕОМ фірми DEC (вітчизняний аналог - мікропроцесори серії К1801), має мультиплексовану шину адреси/даних, за якою ця інформація передається з поділом у часі. Природно, що за наявності мультиплексованої шини у складі ліній управління необхідно включати спеціальний сигнал, що ідентифікує тип інформації на шині. Обмін інформацією за інтерфейсом здійснюється між двома пристроями, один з яких є активним, а інший – пасивним. Активний пристрій формує адреси пасивних пристроїв та сигнали, що управляють. Активним пристроєм виступає, як правило, процесор, а пасивним завжди пам'ять і деякі ВУ.

Однак іноді швидкодіючі ВП можуть виступати як задатчик (активний пристрій) на інтерфейсі, керуючи обміном з пам'яттю. Концепція "Загальної шини" передбачає, що звернення до всіх пристроїв МПС проводиться в єдиному адресному просторі, однак, з метою розширення числа об'єктів, що адресуються, в деяких системах штучно поділяють адресні простори пам'яті і ВУ, а іноді навіть і пам'яті програм і пам'яті даних.

3.16-розрядний мікропроцесор i8086

Перший 16-розрядний процесор i8086 фірма Intel випустила у 1978 році. Частота – 5 МГц, продуктивність – 0,33 MIPS для інструкцій з 16-бітними операндами (пізніше з'явилися процесори 8 та 10 МГц). Технологія 3 мкм, 29000 транзисторів. Пам'ять, що адресується 1 Мбайт. Через рік з'явився i8088 - той самий процесор, але з 8-розрядною шиною даних. З нього почалася історія IBM PC, нерозривно пов'язана з усім подальшим розвитком процесорів Intel, Масове поширення та відкритість архітектури IBM PC призвели до лавиноподібних темпів появи нового програмного забезпечення, що розробляється великими, середніми і дрібними фірмами, а також ентузіастами-одинаками. Технічний прогрес тоді і зараз був би немислимий без розвитку процесорів, але з урахуванням величезного обсягу вже існуючого програмного забезпечення для PC вже тоді виник принцип зворотної програмної сумісності - старі програми повинні працювати на нових процесорах. Таким чином, усі нововведення в архітектурі наступних процесорів мали прилаштовуватися до існуючого ядра.

16-розрядний МП i8086 став подальшим розвитком лінії однокристальних МП, розпочатої i8080. Поряд із збільшенням розрядності в i8086 реалізовано низку нових архітектурних рішень:

розширена система команд (за набором операцій та способами адресації);

архітектура МП спрямовано мультипроцесорну роботу. Розроблено групу допоміжних БІС (контролерів та спеціалізованих процесорів) для організації мультимікропроцесорних систем різної конфігурації;

розпочато рух у бік поєднання у часі виконання різних операцій. МП включає два паралельно працюючі пристрої

обробки даних та зв'язку з магістраллю, що дозволяє поєднати у часі процеси обробки інформації та передачі її магістраллю;

введено нову (порівняно з i8080) організацію пам'яті, яка далі використовувалася у всіх старших моделях сімейства INTEL - сегментація пам'яті. Для збереження наступності моделі з i8080 до i8086 передбачено два режими роботи - "мінімальний" і "максимальний", причому в мінімальному режимі i8086 працює просто як досить швидкий 16-розрядний i8080 з розширеною системою команд (архітектура МПС на базі i8086-min нагадує архітектуру базі i8080).

Максимальний режим орієнтований на роботу i8086 у складі мультимікропроцесорних систем, в яких, крім кількох центральних процесорів i8086, можуть функціонувати спеціалізовані процесори вводу/виводу i8089, співпроцесори "арифметики, що плаває" i8087. Визначимо чіткіше введені вище поняття:

Центральний процесор – підтримує власний командний цикл, виконує програму, що у системної пам'яті, по скидання системи управління, зазвичай, передається центральному процесору (чи одному з ЦП, якщо їх у системі). Спеціалізований процесор - підтримує власний командний цикл, виконує програму, що зберігається в системній пам'яті, але ініціалізується лише за командою ЦП, після закінчення програми повідомляє ЦП про завершення роботи. Співпроцесор не підтримує власний командний цикл, виконує команди, що вибираються йому ЦП із загального потоку команд. Насправді співпроцесор є розширенням ЦП.

3.1 Система команд

У системі команд мікропроцесора 8086 налічувалося 98 інструкцій: 19 команд передачі, 38 команд обробки даних, 24 команди різних умовних і безумовних переходів і 17 команд управління ЦПУ.

Кожна команда складалася з коду операції (так званий опкод) та операндів. Зазвичай на опкод відводився перший байт команди і три середні біти другого байта або (у разі однобайтної команди) старша частина першого байта команди. Усього ж різних варіантів команд у i8086 налічується майже 4000.

За призначенням команди мікропроцесора I8086 поділяють на 6 груп:

1 Команди передачі даних: MOV, XCHG, PUSH, POP, PUSHF, POPF, LEA, LDS, LES, LAHF, SAHF, XLAT, IN.

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

3 Логічні команди: NOT,SHL/SAL,SHR,SAR,ROL,ROR,RCL,RCR,

AND, TEST,OR,XOR.

4 Команди маніпуляції ланцюжками: CMPS, LODS, MOVS, REP, SCAS, STOS.

5 Команди передачі управління: 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 Команди управління процесором: CLC, CMC, STC, CDL, STD, CLI, HLT WAIT, ESC, LOCK

4.Внутрішня структура

Структурна схема МП i8086 представлена ​​на рис. МП включає три основні пристрої:

УОД - пристрій обробки даних;

УСМ – пристрій зв'язку з магістраллю;

УУС - пристрій керування та синхронізації.

УОД призначено для виконання команд і включає 16-розрядне АЛУ, системні регістри та інші допоміжні схеми; блок регістрів (РОН, базові та індексні) та блок мікропрограмного управління.

УСМ забезпечує формування 20-розрядної фізичної адреси пам'яті та 16-розрядної адреси ВУ, вибір команд із пам'яті, обмін даними із ЗУ, ВУ, іншими процесорами по магістралі. УСМ включає суматор адреси, блок регістрів черги команд і блок сегментних регістрів.

УУС забезпечує синхронізацію роботи пристроїв МП, вироблення керуючих сигналів та сигналів стану для обміну з іншими пристроями, аналіз та відповідну реакцію на сигнали інших пристроїв МПС.

МП може працювати в одному з двох режимів - "мінімальному" (min) та "максимальному" (max). Мінімальний режим призначений для реалізації однопроцесорної конфігурації МПС з організацією, подібною до МПС на базі i8080, але зі збільшеним адресним простором, більш високою швидкодією і значно розширеною системою команд. Максимальна конфігурація передбачає наявність у системі кількох МП та спеціального блоку арбітра магістралі (використовується інтерфейс Multibus).

На зовнішніх висновках МП i8086 широко використовується принцип мультиплексування сигналів – передача різних сигналів загальним лініям з поділом у часі. Крім того, одні і ті ж висновки можуть використовуватися для передачі різних сигналів залежно від режиму (min - max).проектування апаратної частини... мікропроцесорна система набазі мікроконтролера - ... роботи пристрою на основіфункцій пристрою...

Якісні та кількісні зміни елементної бази засобів ВТ призвели до

зміни сформованих принципів їх проектування (таких, як жорстка

структура, послідовне центральне управління, лінійна організація

пам'яті та відсутність можливості адаптації структури ЕОМ до особливостей

розв'язуваної задачі).

На зміну класичним фоннейманівським принципам організації обчислювальних систем прийшли ідеї проблемної орієнтації МПС, паралельної та конвеєрної обробки інформації, використання табличних методів обробки даних, принципи регулярності та однорідності структур МПС; стає реальною

можливістю ідея створення адаптивно-перебудовуваних систем, а також

апаратна реалізація функцій програмного забезпечення Тому в даний час

час під час проектування обчислювальних систем на основі МПС отримав

застосування так званий принцип «3М»: модульність, магістральність,

мікропрограмність.

Принцип модульної організаціїпередбачає побудову обчислювальних та

керуючих МПС на основі набору модулів: конструктивно, функціонально та

електрично закінчених обчислювальних пристроїв, що дозволяють самостійно

або разом з іншими модулями вирішувати завдання даного класу. Модульний

підхід при проектуванні мікроЕОМ та систем дозволяє (при реалізації як

універсальних, так і спеціалізованих модулів) забезпечити створення сімейств

(рядів) МПС, що відрізняються функціональними можливостями та характеристиками,

що перекривають значний діапазон застосувань, сприяє скороченню

витрат на проектування, а також спрощує нарощування потужності та

реконфігурацію систем, що відсуває час морального старіння обчислювальних

Магістральний спосіб обміну інформацієюна відміну способу організації

довільних зв'язків (за принципом «кожен з кожним») дозволяє впорядкувати та

мінімізувати кількість зв'язків у МПС. Він забезпечує обмін інформацією між

функціональними та конструктивними модулями різного рівня за допомогою

магістралей, що поєднують вхідні та вихідні шини. Розрізняють одно-, дво-,

три- та багатомагістральні зв'язки. Необхідно відзначити взаємозв'язок

схемотехнічних та структурних рішень, що виявляються при реалізації

даного способу обміну у вигляді створення спеціальних двонаправлених буферних

каскадів з трьома стійкими станами та використання тимчасового

мультиплексування каналів обміну

Мікропрограмне управліннязабезпечує найбільшу гнучкість при організації

багатофункціональних модулів та дозволяє здійснити проблемну орієнтацію

МПС, а також використовувати в них макрооперації, що ефективніше за використання

стандартних підпрограм. Крім цього, передача керованих слів у вигляді

зашифрованих кодових послідовностей відповідає умовам мінімізації

числа висновків НВІС та скорочення числа міжз'єднань у модулях.

Крім перерахованих вище основних особливостей проектування МПС, слідує

відзначити принцип регулярності, який передбачає закономірну

повторюваність елементів структури МПС та зв'язків між ними. Застосування цього

принципу дозволяє збільшити інтегральну щільність, зменшити довжину зв'язків

на кристалі, скоротити час топологічного та схемотехнічного

проектування БІС та НВІС, зменшити кількість перетинів та типів функціональних

та конструктивних елементів.

При розробці архітектури МПС (системний етап) необхідно вирішити такі

Дати опис концептуальної структури функціональної поведінки системи з

позицій обліку інтересів користувача при її побудові та організації

обчислювального процесу у ній;

Визначити структуру, номенклатуру та особливості побудови програмних та

мікропрограмних засобів;

Описати характеристики внутрішньої організації потоків даних та керуючої

інформації;

Провести аналіз функціональної структури та особливості фізичної

реалізації пристроїв системи з позиції збалансованості програмних,

мікропрограмних та апаратурних засобів.

Основні етапи проектування МПС наведено на рис. 3.1.

На початковій стадії проектування МПС може бути описана на одному з

наступних концептуальних рівнів: “чорна скринька”, структурна, програмна,

логічний, схемний.

На рівні “чорної скриньки” МПС описується зовнішніми специфікаціями, де

перераховуються зовнішні властивості.

Мал. 3.1. Етапи проектування МПС

Структурний рівень створюється апаратними компонентами МПС, яка

описується функціями окремих пристроїв, їх взаємозв'язком та інформаційними

потоками.

Програмний рівень поділяється на два підрівні (команд процесора та

мовний) і МПС інтерпретується як послідовність операторів або

команд, що викликають ту чи іншу дію над деякою структурою даних.

Логічний рівень властивий виключно дискретним системам і поділяється на

два підрівні: перемикачових схем та регістрових пересилок.

Перший підрівень утворюється вентилями (комбінаційні схеми та елементи пам'яті) та побудованими на їх основі операторами обробки даних. Другий підрівень характеризується більш високим ступенем абстрагування і є описом регістрів і передачу даних між ними. Він включає в себе дві

частини: інформаційну та керуючу: перша утворюється регістрами,

операторами та шляхами передачі даних, друга забезпечує залежні від

часу сигнали, що ініціюють пересилання даних між регістрами.

Схемний рівень полягає в описі роботи елементів дискретних устройств.

У життєвому циклі МПС, як і будь-якої дискретної системи, виділяються три стадії:

проектування, виготовлення та експлуатація.

Кожна із стадій підрозділяється на кілька фаз, для яких існують ймовірності виникнення конструктивних чи фізичних несправностей. Несправності класифікують відповідно до їхніх причин: фізична, якщо причиною її є дефекти елементів, і суб'єктивна, якщо її причиною є помилки проектування.

Суб'єктивні несправності ділять на проектні та інтерактивні. Проектні

несправності викликані недоліками, що вносяться до системи на різних стадіях

реалізації вихідного завдання. Інтерактивні несправності виникають у

процесі роботи з вини обслуговуючого персоналу (оператора) Результатом

прояви несправності є помилка, причому одна несправність може

служити причиною цілого ряду помилок, а та сама помилка може бути викликана

безліччю несправностей.

Існує також поняття дефекту – фізична зміна параметрів

компонентів системи, що виходять за допустимі межі Дефекти називають

збоями, якщо вони мають тимчасовий характер, і відмовими, якщо вони постійні.

Дефект не може бути виявлений доти, доки не будуть створені умови для

виникнення через нього несправності, результат якої має бути, у свою

чергу, передано на вихід досліджуваного об'єкта для того, щоб зробити

несправність спостережуваної.

Діагностика несправності - процес визначення причини появи помилки по

результати тестування.

Налагодження – процес виявлення помилок та визначення

джерел їх появи за результатами тестування під час проектування МПС.

Засобами налагодження є прилади, комплекси та програми. Іноді під

налагодженням розуміють виявлення, локалізацію та усунення несправності. Успіх

налагодження залежить від того, як спроектована система, чи передбачені

властивості, що роблять її зручною для налагодження, а також від засобів, що використовуються

для налагодження.

Для проведення налагодження проектована МПС повинна мати

властивостями керованості, спостережуваності та передбачуваності.

Керованість –властивість системи, у якому її поведінка піддається

управлінню, тобто. є можливість зупинити функціонування системи в

певному стані та заново запустити систему.

Спостережуваність- Властивість системи, що дозволяє простежити за поведінкою

системи за зміною її внутрішніх станів.

Передбачуваність- властивість системи, що дозволяє встановити систему в

стан, з якого всі наступні стани можуть бути передбачуваними.

МПС за своєю складністю, вимогами та функціями можуть значно відрізнятися.

експлуатаційними параметрами, обсягом програмних засобів, типом

мікропроцесорного набору і т.д. У зв'язку з цим процес проектування може

видозмінюватися в залежності від вимог, які пред'являються до системи.

Процес проектування – ітераційний процес. Несправності, виявлені на етапі приймальних випробувань, можуть призвести до корекції специфікації, а

отже, до початку проектування всієї системи. Виявляти

несправності необхідно якомога раніше; для цього треба контролювати

коректність проекту кожному етапі розробки. Існують такі методи

контролю правильності проектування: верифікація (формальні методи

докази коректності проекту); моделювання; Тестування.

Останнім часом з'явилося багато робіт з верифікації програмного забезпечення.

забезпечення, мікропрограм, апаратури. Однак ці роботи поки що носять

теоретичний характер. Тому на практиці частіше використовують моделювання

поведінки об'єкта та тестування на різних рівнях абстрактного

уявлення системи.

На етапі формалізації вимог до системи контроль за коректністю проекту

особливо необхідний, оскільки багато цілей проектування не формалізуються або

неможливо знайти формалізовані у принципі. Функціональна специфікація може

аналізуватися колективом експертів або моделюватися та перевірятись у

дослідному порядку виявлення досягнення бажаних цілей. Після затвердження

функціональної специфікації починається розробка тестових програм,

призначених для встановлення правильності роботи системи відповідно до

її специфікацією. В ідеальному випадку розробляються тести, цілком

засновані на цій специфікації та дають можливість перевірки будь-якої

реалізації системи, яка оголошується здатною виконувати функції,

обумовлені у специфікації. Цей спосіб – повна протилежність іншим,

де тести будуються стосовно конкретних реалізацій. Однак на практиці

розробці тестів часто надають нижчий пріоритет у порівнянні з

проектом, тому тестові програми з'являються значно пізніше за нього

Етап розробкиє найбільш відповідальним, трудомістким і вимагає високої кваліфікації розробників, оскільки помилки, допущені цьому етапі, зазвичай виявляються лише стадії випробування закінченого зразка і потребують тривалої і дорогої переробки всієї системи.

Однією з головних завдань цього етапу є розподіл функцій, що виконуються мікропроцесорною системою, між її апаратною та програмною частинами. Максимальне використання апаратних засобів спрощує розробку та забезпечує високу швидкодію системи в цілому, але супроводжується, як правило, збільшенням вартості та споживаної потужності. У той же час збільшення питомої ваги програмного забезпечення дозволяє скоротити кількість пристроїв системи, її вартість підвищує можливість адаптації системи до нових умов застосування, але призводить до збільшення необхідної ємності пам'яті, зниження швидкодії, збільшення термінів проектування.

Процес перерозподілу функцій між апаратною та програмною частинами МПС носить ітераційний характер. Критерієм виборутут є можливість максимальної реалізації заданих функцій програмними засобами за умови забезпечення заданих показників (швидкості, енергоспоживання, вартості і т. д.).

З точки зору контролюі діагностикиМПС даний етап має такі особливості:

• відсутні відпрацьовані тестові програми: проектування апаратної частини МПС завжди йде паралельно з розробкою програм, а іноді й апаратури для неї тестуванняі налагодження ;
• побудова тестових програмта аналіз результатів проводяться розробником вручну на підставі його уявлень про принципи роботи та структуру системи, що розробляється;
• існує велика ймовірність появи кількох несправностей одночасно; тут можуть бути несправності, пов'язані як з дефектами електронних компонентів, так і з помилками монтажників і програмістів;
• пов'язана з попереднім положенням невизначеність причини несправності: відмови в апаратурі чи помилки у програмі;
• можливі помилки розробників: система може абсолютно правильно виконувати запропоновані їй розробником дії, але ці приписи були неправильні.

Всі ці причини роблять завдання контролюі діагностикина етапі розробки МПС найскладнішими, а вимоги до кваліфікації персоналу дуже високими.

Інструментальні засоби контролю та діагностики на цьому етапі повинні відповідати таким вимогам:

• можливість вимірювань як цифрових, і аналогових сигналів;
• різноманітність режимів роботи та оперативність налаштування на заданий режим;
• оперативність та наочність подання результатів вимірювань;

• можливість роботи як з апаратурою, так і програмним забезпеченням.

  На етапі виробництва мікропроцесорної системина перший план висуваються вимоги:

  • високої продуктивності,
  • повноти контролю,
  • високої автоматизації з метою зниження вимог щодо кваліфікації обслуговуючого персоналу.

  Контрольна цьому етапі проводиться з використанням відпрацьованих тестових програм. Тестування проводиться на спеціально розроблених контрольних стендах (у разі досить великого обсягу виробництва), призначених для видачі тестових дій та автоматичного аналізу реакцій на них. Як правило, на цьому етапі проводиться тільки контрольпрацездатності системи за принципом "придатний - не придатний". Визначення місця та характеру несправності проводиться більш висококваліфікованим персоналом у ході окремого процесу.

  Контроль у процесі експлуатації, як правило, простіше, ніж на попередніх етапах, з наступних причин:

  • ймовірність появи двох і більше несправностей одночасно дуже мала;
  • зазвичай потрібно контрольправильності роботи лише за вирішенні конкретних завдань, у своїй тести поставляються разом із самим виробом.

Проте вимоги до інструментальних засобів, призначених для експлуатаційного обслуговування МПС, дуже суперечливі.

З одного боку, це вимога компактності, а часто навіть портативності цих засобів, з іншого - вимоги універсальності та автоматизації процесу контролющоб мати можливість використовувати персонал невисокої кваліфікації.

Розглянемо тепер власне інструментальні засоби контролюі налагодженнямікропроцесорних систем.

Точність , з якою той чи інший тест локалізує несправності, називається його роздільною здатністю. Необхідна роздільна здатність визначається конкретними цілями випробувань. Наприклад, при налагодженні дослідного зразка необхідно насамперед визначити природу несправності (апаратна чи програмна). У заводських умовах бажано здійснювати діагностикунесправності аж до рівня найменшого елемента, що замінюється, щоб мінімізувати вартість ремонту. При тестуванні апаратури в процесі експлуатації для її ремонту часто необхідно встановити, у якому змінному блоці виробу є несправність.

Засоби контролюі налагодженняповинні:

• керувати поведінкою системи та/або її моделі;
• збирати інформацію про поведінку системи та/або її моделі, обробляти та подавати на зручному для розробника рівні;
• моделювати поведінку довкілля проектованої системи.

Терміни та якість налагодженнясистеми залежать від коштів налагодження. Чим досконаліше прилади, що є в розпорядженні інженера-розробника, тим швидше можна почати налагодження апаратури та програм і тим швидше виявити та усунути помилки, виявлення та усунення яких на пізніших етапах проектування обійдеться набагато дорожче.

Як показує досвід розробки, виробництва та експлуатації МПС, остаточний контрольпрацездатності повинен проводитися на реальній апаратурі та на робочих тактові частоти. Тому інструментальні засоби повинні забезпечувати вирішення завдань генерації вхідних впливів та реєстрації вихідних реакцій у реальному часі. Наявність в МПС двонаправлених шин вимагає забезпечення можливості перемикання контрольного обладнання з передачі на прийом протягом одного періоду тактової частоти. Для контролю тимчасових показників потрібні дуже швидкодіючі інструментальні засоби. Крім того, значна довжина тестових програмвикликає потребу у використанні ОЗП, контролерів зовнішніх пристроїв, блоку живлення, генератора тактових імпульсів і т.д.

При автономній налагодженняапаратури можуть знадобитися прилади, які вміють:

• виконувати аналогові виміри;
• подавати імпульси певної форми та тривалості;
• подавати послідовність сигналів одночасно на кілька входів відповідно до заданої тимчасової діаграми або заданого алгоритмом функціонуванняапаратури;
• зберігати значення сигналів з багатьох ліній протягом проміжку часу, що визначається задаються подіями;
• обробляти та подавати зібрану інформацію у зручному для розробника вигляді.

Для автономної налагодженняапаратури на схемному рівні широко використовуються осцилографи, вольтметри, амперметри, частотоміри, генератори імпульсів, сигнатурні аналізатори На вищому рівні застосовують внутрішньосхемні емулятори, емулятори ПЗУ, логічні аналізатори, Плати розвитку, а також спеціальні налагоджувальні засоби, які вбудовуються в ВІС на етапі їх розробки.

Процес проектування мікропроцесорних систем включає три етапи (рис. 1.1): 1) системний; 2) функціонально-схемотехнічний; 3) налагодження та оцінка характеристик.

Мал. 1.1. Етапи проектування МПС

На етапі системного проектування спочатку проводиться системний аналіз завдання, поставленої перед МПС, виявляються призначення, основні властивості, потреби, ідеї реалізації, сума фінансування та інші особливості, достатні для ухвалення рішення про шляхи проектування. Потім формулюються функціональна поведінка системи та вимоги до неї з позицій забезпечення сукупності виконуваних функцій, необхідної продуктивності, виявлення критичних функцій, визначення складу периферійного обладнання системи, структури вхідних та вихідних даних, характеристик потоків даних та інформації, що управляє. Розробляються укрупнений алгоритм функціонування системи та формалізований опис алгоритму роботи МПС. Наступним кроком на етапі системного проектування є визначення числа рівнів ієрархії МПС, зв'язків між ними та зовнішнім середовищем чи системою. Визначаються вимоги до архітектури системи, здійснюється розподіл функцій, що реалізуються апаратними та програмними засобами, обґрунтовуються вимоги до інтерфейсів. Необхідно збалансувати вимоги до апаратних та програмних засобів системи з урахуванням заданої швидкодії та можливості зменшення складності та вартості, скорочення термінів розробки. Чим більше функцій реалізується апаратно, тим вища швидкодія, але складніша архітектура системи та довше час розробки.

В даний час у зв'язку з розвитком можливостей ВІС та НВІС спостерігається тенденція покладання на апаратні засоби таких функцій, які донедавна виконувались лише програмним способом. Інтеграція програмних можливостей в апаратних конструкціях, головним чином у вигляді мікропрограм ПЗП або «математичних» кристалів, – напрямок, який знаходить дедалі ширше застосування у мікропроцесорних системах. Багато функцій операційної системи вже починають реалізовуватися апаратним методом шляхом розміщення програм у кристалах ПЗП. Можливо, настане черга і апаратної реалізації функцій мов програмування.

Важливим моментом системного етапу проектування вибір елементної бази, базового МПК, тобто. типу мікропроцесорного сімейства та інших ВІС. За підсумками цього етапу складається технічне завдання (ТЗ).

Етап системного проектування в основному евристичний, і його результатом є структурна схема мікропроцесорної системи та ТЗ, де вказані всі вимоги, яким повинна задовольняти МПС, що розробляється.

Функціонально-схемотехнічний етап поділяється на три напрямки: розробка апаратних засобів, розробка програмних засобів та розробка допоміжних засобів, які у свою чергу містять і апаратну, і програмну частини. Відмінні риси виконання цього етапу такі:

1) необхідність спільної розробки та налагодження технічних засобів та програмного забезпечення, орієнтованого на конкретну структуру технічних засобів;

2) використання принципово нових методів та засобів розробки та налагодження мікропроцесорних систем, таких як внутрішньосхемні емулятори, логічні та сигнатурні аналізатори, налагоджувальні комплекси та засоби автоматизації програмування;

3) сильний взаємозв'язок і навіть інтеграція етапів проектування, при якій розробник повинен одночасно мати досвід проектування мікропроцесорних систем, а також розбиратися в конкретній галузі їх застосування.

На етапі функціонально-схемотехнічного проектування на основі структурної схеми МПС розробляються функціональні та принципові схеми технічних засобів, алгоритми та модулі прикладних програм. Цей етап характеризується широким використанням типових схемних та програмних рішень та сильною взаємозалежністю технічних та програмних засобів, розробка яких має здійснюватися паралельно на всіх етапах. Закінчується етап об'єднанням апаратних та програмних засобів, яким починається етап налагодження всієї МПС загалом.

Налагодження МПС є найбільш трудомістким етапом, тому розробці засобів вбудованого контролю та методики використання стандартних налагоджувальних засобів має приділятися така ж увага, як і розробці апаратних та програмних засобів. Для налагодження потрібні вбудовані засоби, програмні та апаратні, а також спеціальні прилади типу логічних та сигнатурних аналізаторів, комплекси налагодження, внутрішні емулятори. Вбудовування засобів діагностики та контролю дещо розтягує та подорожчає розробку системи, але значно полегшує її налагодження та подальшу експлуатацію.

Проектування системи завершується досвідченими випробуваннями розробленої МПС у системі, на яку вона призначалася, оцінкою отриманих характеристик. Якщо результати оцінки задовольняють вимогам ТЗ, то виконується аналіз причин і його основі – перепроектування окремих модулів МПС чи всієї системи загалом.

Проектування закінчується розробкою методичного забезпечення, що містить рекомендації щодо раціонального використання проектованої МПС та всю необхідну документацію.

Розглянуті етапи виконуються, як правило, у вигляді науково-дослідної роботи за участю щодо невеликої кількості висококваліфікованих спеціалістів.

Подальші стадії проектування виконуються зазвичай як дослідно-конструкторських робіт і вимагають залучення великої кількості виконавців.

Мікропроцесорна система збору даних повинна задовольняти наступним вимогам: забезпечувати високу швидкодію та бути простою у виконанні, повинна забезпечувати стійку та безвідмовну роботу, бути порівняно дешевою та споживати невеликі ресурси. Для виконання поставлених завдань і відповідно до основних вимог підходить мікроконтролер серії К1816ВЕ51.

Малюнок 3 – Структурна схема мікропроцесорної системи збору даних.

мікропроцесорна програма алгоритм мікросхема

Мікропроцесорна система (МПС) складається з наступних блоків: мікроконтролера (МК), оперативного запам'ятовуючого пристрою (ОЗУ), постійного запам'ятовуючого пристрою (ПЗУ), програмованого таймера (ПТ), паралельного програмованого інтерфейсу (ППІ), аналого-цифрового перетворювача (АЦП), цифро-аналогового перетворювача (ЦАП), мультиплексора (MUX), програмованого контролера переривань (ПКП).

МК формує шину адреси (ША), шину даних (ШД) та шину управління (ШУ). Блоки ОЗП, ПЗП, ПТ, ППІ, ПКП підключені до шин.

ОЗП призначене для зберігання даних опитування датчиків, а також проміжні дані. ПЗУ призначена для зберігання коду програми та різних констант.

ПТ призначений для відліку інтервалу часу, який буде потрібний для виконання команд МК. Перед виконанням операції ПТ запускається. При успішному виконанні операції МК скидає ПТ. Якщо МК не надходить команди скидання рахунку (відбулося зависання), ПТ по закінченні відліку інтервалу часу виробляє сигнал скидання МК.

ППІ призначене для підключення зовнішніх пристроїв. До ППІ підключено АЦП, дискретний мультиплексор та ЦАП.

АЦП призначений для перетворення аналогового сигналу з датчиків та цифровий код, який через ППІ подається до МК. Аналогові датчики підключаються до АЦП через аналоговий мультиплексор.

Через дискретний мультиплексор надходять дані дискретних датчиків.

ЦАП призначений для формування керуючого впливу.

ПКП призначений обслуговування зовнішніх переривань.