Курский государственный технический университет

Кафедра вычислительной техники

Методические указания

к курсовому проекту по дисциплине

“Микропроцессорные системы”

Проектирование управляющей микроЭВМ

Курск – 1999 г.

Составитель А.П.Жмакин

Методические указания к курсовому проекту по дисциплине "Микропроцессорные системы". Курский государственный технический университет, 1999. 19 с.

Предназначены для студентов, обучающихся по специальности 22.01 - "ЭВМ, комплексы, системы и сети".

Рецензент :

Редактор :

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ.................

1.1. Общая структура разрабатываемой ЦВМ.........................................

1.2. Алгоритм управления объектом..........................................................

1.3. Реакция системы на внешние события.................................................

1.4. Общая структура программного обеспечения...................................

1.5. Структура задания...............................................................................

2. ЭТАПЫ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ. СОДЕРЖАНИЕ ЭТАПОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ..................................................

2.1. Расшифровка и анализ задания.........................................................

2.2. Разработка процессорного модуля, интерфейса и уточненной структурной схемы..........................................................................................................

2.3. Разработка подсистемы памяти.........................................................

2.4. Разработка подсистем ввода/вывода, прерываний и ПДП...............

2.5. Разработка отладочного пульта........................................................

2.6. Разработка программного обеспечения............................................

3. Задания..................................................................................................

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ

Целью курсового проектирования по курсу "Микропроцессоры и микропроцессорные системы" является:

· обобщение, закрепление и углубление знаний по дисциплинам, связанным с проектированием средств ВТ: "Схемотехника", "Теория и проектирование ЭВМ и С", "Основы проектирования микропроцессорных устройств";

· формирование навыков разработки и оформления текстовой и графической технической документации;

· развитие навыков устных сообщений по содержанию технического проекта.

Содержанием курсового проекта является разработка микропроцессорной управляющей ЦВМ, реализующей заданные взаимодействия с объектом управления (ОУ) и разработка программных средств системы, обеспечивающих выполнение заданного алгоритма управления.

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

1.1. Общая структура разрабатываемой ЦВМ

1.1.1. Управляющая ЦВМ проектируется на базе однокристального микропроцессора или однокристальной микро-ЭВМ и включает в себя следующие основные устройства:

· процессорный модуль;

· память, состоящую из ОЗУ и ПЗУ;

· устройства параллельного ввода/вывода для связи с ОУ;

· блок последовательного канала для связи с ЭВМ верхнего уровня;

· программируемый системный таймер;

· контроллер прерываний;

· контроллер прямого доступа в память^[1] ;

· пульт управления;

· отладочный пульт.

1.1.2. Все модули (устройства) системы объединяются интерфейсом (магистралью), требования к которому определяются заданным типом микропроцессора (микро-ЭВМ).

Обмен данными по интерфейсу может осуществляться как в едином адресном пространстве, так и в разделенном с помощью управляющих сигналов обращения к ЗУ и ВУ.

1.1.3. Процессорный модуль включает в себя микропроцессор (микроЭВМ) и, при необходимости, дополнительные БИС (СИС), обеспечивающие реализацию вспомогательных функций (тактовый генератор, шинные формирователи, регистры-защелки и др.).

1.1.4. Устройства ввода для связи с ОУ должны обеспечить ввод в ПМ значений x₁ , x₂ , x₃ , x₄ двоичных датчиков, а так же 8-разрядных двоичных кодов NU₁ , NU₂ , NU₃ , принимаемых с выходов АЦП. Сигнал датчика аварийной ситуации x_a воспринимается только подсистемой прерываний.

Устройства вывода на ОУ должны обеспечить выдачу двоичных управляющих воздействий y₁ , y₂ , y₃ определенной длительности и кода управляющего напряжения Y₄ - 8-разрядного двоичного вектора на вход ЦАП.

В структуру ОУ входит устройство, принимающее массив данных из ПЗУ (ОЗУ) в режиме прямого доступа в память[2] (ПДП). Запрос на ПДП возникает асинхронно по отношению к процедуре управления.

1.1.5. Пульт управления должен обеспечивать ввод в ПМ значения 8-разрядной двоичной константы К, ввод двоичного значения сигнала "СТОП", формирование сигнала начальной установки системы, вывод на светодиодную индикацию значений x₁ , x₂ , x₃ , x₄ , y₁ , y₂ , y₃ , NU₁ , Y₄ . Кроме того, необходимо предусмотреть светодиод или зуммер аварийной сигнализации.

1.1.6. Системный таймер должен обеспечить отсчет временных задержек, реализуемых при работе алгоритма управления.

1.1.7. Блок последовательного обмена предназначен для передачи на ЦВМ верхнего уровня информации о состоянии процесса управления. По запросу со стороны "центральной" ЦВМ разрабатываемая УЦВМ должна обеспечить выдачу по последовательному каналу кадра, содержимое которого приведено в п. 1.3 (прерывание INT3). Передача информации с верхнего уровня на нижний не предусмотрена.

1.1.8 . Контроллер прерываний обеспечивает фиксацию запросов на прерывания от различных источников (см. п. 1.3) и дисциплину обслуживания запросов.

В подсистеме векторного прерывания контроллер формирует код команды вызова, а при наличии в системе радиального входа запроса на прерывания - код состояния регистра запросов.

1.1.9. Отладочный пульт предназначен для подключения к системе только в процессе ее отладки (поиска неисправностей) и должен обеспечивать доступ к ячейкам памяти, портам ввода/вывода. Кроме того, с помощью отладочного пульта должна быть обеспечена возможность пошаговой и/или потактовой работы системы. Управление в процессе отладки обеспечивает программа МОНИТОР, хранящаяся в системном или "теневом" ПЗУ.

1.2. Алгоритм управления объектом

1.2.1. Для формирования управляющего воздействия y₁ снимается информация с цифровых датчиков x₁ , x₂ , x₃ , x₄ и вычисления значения булевой функции f₁ (x₁ , x₂ , x₃ , x₄ ).

При единичном значении f₁ вырабатывается управляющий сигнал y₁ =1 длительностью t₁ . Это значит, что через t₁ после выдачи y₁ =1 необходимо выработать y₁ =0.

1.2.2. При обработке информации с аналоговых датчиков ПМ принимает коды NU₁ , NU₂ с выходов АЦП и код константы К с тумблерного регистра пульта управления. Далее вычисляется значение функции NU=f₂ (NU₁ , NU₂ , K) и сравнивается с константой Q, хранящейся в ПЗУ. В зависимости от результатов сравнения вырабатывается (аналогично y₁ ) один из двух двоичных управляющих сигналов y₂ или y₃ заданной длительности по следующему правилу:

если NU < Q, то выдать у₂ длительностью t₂ , иначе выдать у₃ длительностью t₃ .

Далее формируется управляющее воздействие Y₄ , для чего с АЦП вводится значение NU₃ и производится вычисление по формуле

Y₄ = 4 ´NU₃ ,

а значение Y₄ в виде 8-разрядного кода выдается на вход ЦАП.

Все двоичные переменные и константы, участвующие в вычислениях: NU₁ , NU₂ , NU₃ , K, Q, Y₄ рассматриваются как целые без знака.

1.2.3. После выдачи всех управляющих воздействий проверяется состояние тумблера "СТОП" на пульте управления. Если СТОП=0, цикл управления начинается с начала, иначе выполняется процедура останова системы, включающая следующие действия:

· формируется сигнал установки системы в исходное состояние путем подачи на линию начальной установки интерфейса двух прямоугольных импульсов длительностью 30 мкС с интервалом 30 мкС;

· выполняется команда процессора СТОП.

1.3. Реакция системы на внешние события

В системе необходимо предусмотреть следующие линий запроса на внешние прерывания:

INT0 - отказ источника питания;

INT1 - сигнал X_а аварийного датчика ОУ;

INT2 - запрос от пульта управления (прерывание оператора);

INT3 - запрос от ЦВМ верхнего уровня.

Запросы на прерывания приведены в порядке убывания приоритетов (INT0 - высший приоритет). Система должна реагировать на запросы следующим образом:

INT0 :

· вырабатывается сигнал установки системы в исходное состояние (см.п.1.2.3) ;

· выполняется команда СТОП.

INT1 :

· на пульте управления включается аварийная сигнализация (световая с частотой 2Гц или звуковая с частотой 500Гц);

· на индикацию пульта выдается состояние двоичных датчиков х1, х2, х3, х4 и цифровой код NU1;

· выполняется команда СТОП.

INT2 :

· выдается на индикацию значения следующих булевых переменных:

Þ функция f1,

Þ результат сравнения NU<=Q,

Þ значение выражения х1 & х2 & х3 & х4,

Þ значение выражения x1Úx2Úx3Úx4;

· выдается на индикацию значение сохраняемой в ПЗУ константы Q;

· организуется выход из прерывания на начало цикла управления.

INT3 :

выдать в последовательный канал следующую информацию:

· код символа '!' ("Внимание!");

· двухзначный номер абонента (номер студента в списке группы);

· максимальное значение Y₄ , вычисленное за период от предыдущего сеанса связи до текущего цикла управления;

· минимальное значение Y₄ за тот же период;

· код символа '#' ("Конец передачи").

Кроме перечисленных, в системе могут использоваться прерывания от ВУ, обеспечивающих связь с ОУ, системного таймера и канала последовательного обмена.

1.4. Общая структура программного обеспечения

Программное обеспечение системы разрабатывается на языке Ассемблера соответствующего микропроцессора (микро-ЭВМ) и включает следующие основные модули:

· модуль начальной инициализации системы;

· модуль управления;

· подпрограммы обслуживания прерываний, в том числе драйвер последовательного канала;

· программа МОНИТОР.

1.4.1. Модуль начальной инициализации должен включать в себя тест системы процедуры загрузки управляющих слов в программируемые контроллеры и установку индикаторов пульта в исходное состояние.

1.4.2. Модуль управления реализует цикл управления, описанный в п. 1.2.

1.4.3. Подпрограммы обслуживания прерываний обеспечивают реакцию системы на внешние события согласно алгоритмам, приведенным в п. 1.3

1.4.4. Программа МОНИТОР должна обеспечивать доступ к регистрам процессора и ячейкам памяти со стороны отладочного пульта, возможность запуска программ в пошаговом или автоматическом режиме, формирование и аппаратное отслеживание одной точки останова.

1.5. Структура задания

Задания на курсовой проект, приведенные в разделе 4, включают в себя некоторый набор исходных данных и ограничений для проектирования управляющей ЦВМ. Все варианты задания сведены в таблицу 1. Строка таблицы представляет один вариант задания, причем номер варианта определяется номером группы (1..2) и порядковым номером студента по списку группы (1..25).

Задание определяет:

· базовый микропроцессор (микро-ЭВМ), на основе которого требуется построить управляющую ЦВМ. Это не исключает возможности применения БИС других серий, например, для реализации контроллеров прерываний, ПДП, последовательного обмена и др.;

· алгоритм управления определяется в задании видом функций f₁ и f₂ , длительностями управляющих сигналов t₁ , t₂ , t₃ . В строках табл.1 имеются ссылки на таблицы 2 и 3, и которых и определены параметры f₁ , f₂ , t₁ , t₂ , t₃ . Для четных вариантов задания необходимо при срабатывании аварийного датчика (INT1) сформировать на пульте аварийную сигнализацию зуммером (500Гц), а для нечетных вариантов - светодиодом (2Гц);

· типы БИС, на которых должны быть реализованы блоки ПЗУ и ОЗУ, заданы в табл. 1.

2. ЭТАПЫ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ.
СОДЕРЖАНИЕ ЭТАПОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В курсовом проекте предлагается следующий состав и порядок выполнения этапов:

1. Расшифровка и анализ задания.

2. Разработка процессорного модуля, интерфейса и уточненной структурной схемы.

3. Разработка подсистемы памяти.

4. Разработка подсистемы ввода/вывода.

5. Разработка подсистемы прерываний.

6. Разработка подсистемы ПДП[3] .

7. Разработка отладочного пульта.

8. Разработка программного обеспечения.

9. Оформление проекта.

2.1. Расшифровка и анализ задания

По номеру группы и порядковому номеру в списке группы следует выбрать строку табл.1, а также указанные в ней строки табл. 2, 3, выписать их содержимое. Изучить общую структуру системы и проанализировать возможность ее реализации на заданных БИС. Если в процессе предварительного анализа будут замечены противоречия в задании, например - несоответствие параметров БИС микро-ЭВМ и памяти, то следует скорректировать задание - самостоятельно или по согласованию с руководителем.

2.2. Разработка уточненной структурной схемы

При реализации УМПС на базе однокристальной микроЭВМ следует прежде всего определить, следует ли использовать внешние ОЗУ и/или ПЗУ или ограничится ресурсами кристалла. С учетом принятого решения разрабатывается системный интерфейс, включающий средства подключения внешней памяти, подсистемы ввода/вывода других элементов УМПС.

Интерфейс проектируемой УМПС на базе однокристальной микропроцессора определяется типом заданного МП и практически не оставляет выбора при разработке. Поэтому этап проектирования интерфейса в этом случае сводится к изучению процедур управления системной шиной со стороны заданного МП.

Результатом разработки интерфейса должны быть:

- список линий интерфейса, их назначение и мнемоническое обозначение;

- алгоритмы основных процедур интерфейса (Чтение, Запись, Прерывание, ПП) - в форме ГСА или качественных временных диаграмм.

На этапе уточнения обобщенная структурная схема УМПС следует:

· изобразить все модули, входящие в состав МПС, в том числе полный набор УВВ, контроллеров прерываний, ПДП, селекторы адреса и т.п., пульты;

· показать состав линий магистрали, поступающих на каждый модуль и связь между модулями;

· произвести предварительное распределение адресного пространства системы, назначив адреса ОЗУ, ПЗУ и регистрам всех ВУ. Распределение адресов между ОЗУ и ПЗУ может уточняться при разработке ПО.

Результатами этапа должны быть:

- уточненная структурная схема УМПС;

- карта распределения адресного пространства.

2.3. Разработка подсистемы памяти

Подсистема памяти разрабатываемой МПС включает в себя модуль ОЗУ и модуль ПЗУ, доступ к которым осуществляется по системной магистрали. Исходные данные для разработки ОЗУ и ПЗУ определены в таблице 1, где указаны типы применяемых микросхем.

Требуется разработать принципиальные схемы ОЗУ и ПЗУ с учетом особенностей функционирования заданных микросхем и схему селектора адресов, вырабатывающую сигналы выборки кристалла для модулей памяти с учетом распределения адресного пространства, принятого в п. 2.2, причем схема селекции может включать в себя селекторы ВУ, если память и ВУ функциони­руют в едином адресном пространстве.

Если в УМПС используются БИС динамического ОЗУ, то необходимо предусмотреть схему регенерации памяти. Для этого можно воспользоваться серийной БИС контроллера динамического ОЗУ (например, К1818ВТ03) или разработать схему управления на СИС. В УМПС на базе Z80 целесообразно использовать встроенный контроллер регенерации.

Результатом проектирования подсистемы памяти должны быть:

- принципиальная электрическая схема ОЗУ;

- принципиальная электрическая схема ПЗУ

- принципиальная электрическая схема селектора адреса.

2.4. Разработка подсистем ввода/вывода, прерываний и ПДП

2.4.1. В разрабатываемой МПС должна быть предусмотрена следующая номенклатура ВУ:

1) устройство ввода информации с цифровых датчиков x₁ , x₂ , x₃ , x₄ ;

2) устройство ввода информации с аналогового датчика NU₁ ;

3) устройство ввода информации с аналогового датчика NU₂ ;

4) устройство ввода информации с аналогового датчика NU₃ ;

5) устройство ввода константы К с пульта оператора;

6) устройство вывода цифрового управляющего сигнала y₁ ;

7) устройство вывода цифрового управляющего сигнала y₂ ;

8) устройство вывода цифрового управляющего сигнала y₃ ;

9) устройство вывода 8-разрядного кода Y₄ на ЦАП;

10) устройство вывода значений x₁ , x₂ , x₃ , x₄ , y₁ , y₂ , y₃ на светодиодную индикацию пульта оператора;

11) устройство вывода кода NU₁ на индикацию пульта оператора;

12) устройство вывода кода Y₄ на индикацию пульта оператора;

13) устройство вывода аварийной сигнализации на пульт оператору.

Кроме того, к средствам ввода/вывода можно отнести управляющие регистры и регистры состояния контроллеров прерываний, ПДП, последовательного обмена, о которых будет сказано ниже. Каждое из перечисленных выше устройств должно получить свой адрес в едином адресном пространстве или в пространстве ввода/вывода. При этом следует учесть, что устройства 1..4, 6..9 относятся к ВУ объекта управления, а 5, 10..13 - к пульту оператора. В качестве средств ввода/вывода можно использовать многорежимные буферные регистры или специальные интерфейсные БИС, входящие в базовую серию или другие серии, совместимые с базовой (например, БИС КР580ВВ55).

Результатом проектирования подсистемы ввода/вывода должно быть:

- карта распределения адресного пространства ввода/вывода или фрагмента единого адресного пространства, отведенного под ввод/вывод;

- принципиальная схема УВВ ОУ.

- принципиальная схема пульта оператора.

2.4.2. Подсистема прерываний должна обеспечивать реакцию на системные запросы INT0 - INT3 и, кроме того, если инициатором обмена может выступать ВУ, то дополнительно должны быть организованы линии запросов на прерывания от УВВ ОУ. Если в системе предусмотрена радиальная система прерываний, то источник запроса идентифицируется программно.

При векторной подсистеме прерываний необходимо предусмотреть контроллер прерываний, который, анализируя все запросы, выбирает наиболее приоритетный и, получив подтверждение от ПМ, выставляет на линии данных вектор прерывания. В качестве контроллера прерываний можно использовать любую серийную БИС соответствующего назначения (К580ВН59, К1810ВН59А, К1801ВП135 и др.) или разработать собственный контроллер на СИС.

В радиальной подсистеме прерываний также можно использовать контроллер прерываний для фиксации запросов, генерации сигнала INT и программного анализа слова запросов или слова состояний.

2.4.3. Канал ПДП необходимо предусмотреть только в МПС, реализованных на однокристальных микропроцессорах . КПДП должен обеспечить передачу массива данных только в одном направлении - из памяти к ВУ. Для реализации канала можно воспользоваться серийным контроллером ПДП (например, К580ВТ53), что в данном случае существенно избыточно, или разработать собственный упрощенный контроллер на один канал.

Результатом проектирования подсистем ПДП и прерываний должны быть:

- схема включения контроллера прерываний в систему (если он применяется);

- схема контроллера прерываний (если используется "самодельный" контроллер);

- карта распределения векторов прерываний в памяти;

- схему подключения в систему КПДП;

- принципиальную схему "самодельного" КПДП, если он применен.

2.5. Разработка отладочного пульта

Отладочный пульт (ОП) предназначен для подключения к системе только в процессе ее отладки (поиска неисправностей) и должен обеспечивать доступ к ячейкам памяти, портам ввода/вывода как в режиме статического отладчика, так и под управлением программы МОНИТОР, причем программа МОНИТОР должна обеспечить доступ и к регистрам МП (внутреннему ОЗУ МЭВМ).

Кроме того, с помощью отладочного пульта должна быть реализована возможность пошаговой и/или потактовой работы системы.

ОП должен включать в себя средства задания состояния системной шины при отключенном процессоре и средства индикации состояния шины данных - для режима статического отладчика [10].

В этом режиме производится захват системной шины ОП, который формирует статические сигналы кода адреса, управляющие сигналы и код данных - в режиме записи. В режиме чтения состояние шины данных индицируется с помощью двоичных индикаторов.

В режиме "монитор" УМПС находится под управлением специальной программы монитор, которая обслуживает шестнадцатеричную и управляющую клавиатуру и семисегментные индикаторы.

Клавиатура позволяет осуществлять набор адресов и данных, а так же задавать инструкции монитору - просмотр и модификация ячеек памяти, регистров, старт программы пользователя с заданного адреса, организация пошагового режима работы УМПС и др.

Конкретные функции ОП и программы мо­ни­тор уточняются автором проекта.

Монитор может располагаться как в системном ПЗУ, так и в ПЗУ ОП, размещенного в свободной области адресного пространства системы.

2.6. Разработка программного обеспечения

В рамках разработки ПО в курсовом проекте требуется:

- разработать общую структуру ПО МПС, включив в него основную управляющую программу, подпрограммы обслуживания прерываний, программу монитор, взаимодействующую с отладочным пультом; определить функции, входные и выходные параметры программ;

- разработать алгоритмы программ;

- написать тексты программ на Ассемблере соответствующего микропроцессора (микро-ЭВМ).

3. Задания

Таблица 1

Таблица 1 (окончание)

^*) Примечание . В конкретной реализации проекта на базе однокристальной микроЭВМ может не использоваться постоянная и/или оперативная память на внешних БИС

Таблица 2

Таблица 3

Литература

1. Алексенко А.Г., Галицин А.А.,Иванников А.Д. Проектирование радиоэлектронной аппаратуры на микропроцессорах. М.: Радио и связь, 1984. -272с.

2. Хвощ С.Т., Варлинский В.В., Попов Е.А. Микропроцессоры и микро-ЭВМ /Справочник. - Л.: Машиностроение, 1987. -640с.

3. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем /Справочник в 2 томах. Под редакцией Шахнова В.А. - М.: Радио и связь, 1988. - Т1-368с.,Т2-368с.

4. Большие интегральные схемы запоминающих устройств /Справочник. Под редакцией Гордонова А.Ю. и Дьякова Ю.Н. М.: Радио и связь, 1990. -288с.

5. Щелкунов Н.Н., Дианов А.П. Микропроцессорные средства и системы. -М.: Радио и связь, 1989.-288с.

6. Однокристальные микроЭВМ. Справочник. М.: МИКАП, 1994,- 400с.: ил. [621.3 О432]

7. Однокристальная микроЭВМ MC68HC11E9. Техническое описание[4]

8. Однокристальная микроЭВМ MC68HC11F1. Техническое описание¹

9. Микропроцессорный комплект Z80: справочное пособие. В 7-ми книгах. Кн. 1. "Центральный процессор Z80CPU". Минск, УКИК "Центр", 1991.- 99с.

10. Микропроцессоры: системы проектирования и отладки/ Под ред. Мясникова В.А., Нгнатьева М.Б. М.: Энергоатомиздат 1985. -272с.

11. Применение интегральных микросхем памяти. Справочник. Под ред. Гордонова А.Ю., Дерюгина А.Л. М.: Радио и связь, 1994 [681.3(031) П-764]

[1] в данном курсовом проекте подсистема ПДП предусматривается лишь в МПС на базе однокристальных микропроцессоров

[2] см. сноску на стр. 5

[3] см. сноску на стр. 5

[4] Компьютерный файл