Проектирование современной микропроцессорной техники и цифровых систем. Проектирование микропроцессорной системы контроля. Проектирование микропроцессорных систем

логика прерываний запоминает уровень приоритета обслуживаемого прерывания. При выполнении команды RET уровень приоритета сохраняется и следующим может быть обслужено только прерывание с более высоким уровнем приоритета. Команда RETI отличается от команды RET тем, что она сбрасывает уровень приоритета, что позволяет обслуживать запросы на прерывания с низким уровнем приоритета.

К типовым условным операциям относятся команды JZ и JNZ, JC

и JNC. Две последних включены в группу «булевых». В команде CJNE сначала сравниваются, по правилам вычитания целых чисел, два байта

и в соответствии с результатом сравнения устанавливается флаг C. Затем, в случае их несовпадения, выполняется ветвление.

В команде DJNZ в качестве счетчика может использоваться не только один из регистров текущего регистрового банка Rn, n=0...7, но и прямо адресуемая ячейка памяти данных DSEG. При исполнении команды сначала выполняется декремент счетчика и, если содержимое счетчика не равно нулю, ветвление.

3. Проектирование микропроцессорных систем

Технология проектирования МПС на основе микроконтроллеров полностью соответствует концепции неразрывности процесса проектирования и отладки аппаратной и программной составляющих, принятой в микропроцессорной технике. Важной особенностью применения микроконтроллеров является работа в реальном масштабе времени, т.е. гарантированная реакция на внешние события в течение определенного интервала времени. Очевидно, что решение задачи совместной отладки аппаратной и программной составляющих в реальном масштабе времени при произвольной структуре и схемотехнике микропроцессорной системы является весьма сложной, дорогостоящей и долговременной работой.

3.1. Этапы проектирования

Особенностью МПС является то, что сами они встраиваются (интегрируются) в некоторый объект. Это предполагает, что перед разработчиком МПС такого рода стоят задачи полного цикла проектирования, начиная от разработки алгоритма функционирования и заканчивая комплексными испытаниями в составе изделия, а возможно, и сопровождением при производстве. Основные этапы проектирования МПС отображены на рис. 28 .

Технические требования начинают цикл проектирования МПС. Возможность программирования микропроцессорной системы стимулирует заказчика возложить на нее выполнение максимального числа функций. Критерием выбора должна служить экономическая целесообразность любого увеличения объема аппаратных средств, что определяется в результате исследования рынка приборов данного типа, и максимальное улучшение показателя цена/функциональные возможно-

сти. На этом этапе явно или неявно формулируются требования к типу
используемого микропроцессора или микроконтроллера.
Этап разработки алгоритма является наиболее ответственным,
поскольку ошибки этого этапа обнаруживаются при испытании закон-
ченного изделия и приводят к дорогостоящей переработке всей МПС.
Прорабатывается несколько вариантов алгоритма, обеспечивающих
выполнение технических требований с использованием наработанных
ранее функционально-топологических модулей. Основные варианты
отличаются соотношением объема программного обеспечения и аппа-
	Технические требования к микропроцессорной системе
Коррекция
алгоритма
управления		Разработка алгоритма			Библиотека
				функционально-
		Разработка структуры аппаратных и		топологических
		программных средств
Коррекция	Разработка программы		Разработка аппаратуры		Коррекция
исходного		(исходный текст)	(принципиальныесхемы,
			топология плат)
					топологии
	Трансляция программы		Монтаж макета
		Отладка программы	Автономная отладка
		на модели	аппаратуры
		Совместная отладка программных и аппаратных
		средств системы в реальном масштабе времени
	Интеграция микропроцессорной системы в изделие
		Испытание изделия
	Микропроцессорная система, соответствующая тех-
		ническим требованиям

ратуры. Критерием выбора является реализация максимального числа функций программным способом при наименьших аппаратных затратах, обеспечивающая заданные показатели быстродействия и надежности в полном диапазоне эксплуатационных воздействий. Часто определяющим требованием является возможность размещения кода программы во внутренней памяти микроконтроллера, что позволяет обеспечить его защиту от несанкционированного доступа. На этом этапе окончательно определяется тип микроконтроллера и важнейших схем обрамления (память, ПЛИС, интерфейс, АЦП, и т. п.).

На этапе разработки структуры МПС окончательно определяет-

ся состав имеющихся и подлежащих разработке аппаратных модулей, протоколы обмена между модулями, типы разъемов. Поскольку МПС встраивается в изделие, выполняется предварительная проработка конструкции плат. В части программного обеспечения определяются состав и связи программных модулей, язык программирования. Здесь же производится выбор средств проектирования и отладки.

Стадия создания программы образует внутренний, часто повторяющийся цикл. Она состоит из этапов разработки исходного текста, трансляции, отладки программы на модели и коррекции исходного текста. Содержание этих этапов существенно зависит от используемых системных средств. В настоящее время ресурсы микропроцессоров и микроконтроллеров достаточны для поддержки программирования на языках высокого уровня. Это позволяет использовать все преимущества структурного программирования, разрабатывать программное обеспечение как проект с использованием раздельно транслируемых модулей. В настоящее время самым мощным средством разработки программного обеспечения для микропроцессоров и микроконтроллеров являются интегрированные кросс-системы программирования на языках высокого уровня типа Паскаль, Си. Например, интегрированная система разработки программного обеспечения Паскаль-51 содержит в своем составе редактор текста, компилятор с редактором связей, библиотеку стандартных функций периода выполнения и отладчик. Такие системы позволяют значительно сократить затраты времени на выполнение этого внутреннего цикла. Однако программы, написанные на языках высокого уровня, имеют больший объем и более низкое быстродействие, чем аналогичные программы, написанные на языке ассемблера. Поэтому язык ассемблера продолжает широко использоваться, особенно при ограниченных ресурсах МПС и необходимости обеспечить выполнение контролируемых интервалов времени.

На этих этапах обнаруживаются и устраняются синтаксические и логические ошибки программы. Синтаксические ошибки связаны с нарушением синтаксиса команд, директив транслятора и использованием не определенных ранее меток и имен. Логические ошибки приводят к неправильному функционированию программы. Они связаны с ошибками программы (указан неверный переход при ветвлении, записана не

та команда и т.д.) и ошибками алгоритма. Содержание этих этапов при разработке программ на языке ассемблера приведено ниже.

Стадия создания аппаратуры представляет другой внутренний цикл, выполняемый параллельно с первым. Она содержит разработку общей принципиальной схемы, разводку топологии плат, монтаж макета и его автономную отладку. Эти этапы можно считать завершенными после того, как «оживает» системная магистраль МПС и через нее можно обратиться к памяти, устройствам ввода/вывода. Время выполнения этого этапа зависит от имеющегося набора опробованных функ- ционально-топологических модулей и квалификации разработчика. Распространенными системами проектирования, используемыми на этапе ввода принципиальной схемы и разработки топологии, являются

PCAD и OrCAD (CAD – computer aided design – автоматизированное проектирование). Эффективность работы с ними значительно зависит от имеющегося в распоряжении разработчика объема библиотек используемых элементов.

Этап совместной отладки аппаратуры и программного обеспечения в реальном масштабе времени является самым трудоемким и обязательно требует использования таких высокопроизводительных средств, как внутрисхемный эмулятор, эмулятор ПЗУ, логический анализатор. Выбор одного из перечисленных средств обусловлен используемым методом отладки. На этом этапе выявляются динамические ошибки, возникающие при взаимодействии программных и аппаратных средств в реальном масштабе времени. Эти ошибки обусловлены различными задержками распространения сигналов по линиям системной магистрали и взаимными помехами между линиями, возникающими при их неудачном взаимном расположении. Динамические ошибки обнаружить значительно сложнее из-за нерегулярности их появления.

Для локализации динамических ошибок используются логические анализаторы. Логические уровни сигналов системной магистрали или отдельных шин и линий в режиме приема постоянно записываются в память типа FIFO. Прекращение записи производится при появлении выбранного события (совпадение заданного и фактического адреса на ША, кодов команд на ШД или появление короткого импульса помехи). В это время в памяти содержится вся предшествующая данному событию информация. Анализируя предысторию события, записанную в памяти, можно определить и причину появления сбоя в работе МПС. Информация на дисплее может быть представлена в графическом виде, в виде двоичного, шестнадцатеричного кода или мнемоники команд. Логические анализаторы состояний выполняют запись с тактовой частотой МПС. Для фиксации быстро протекающих процессов используются временные логические анализаторы, у которых тактовая частота записи в память значительно превышает тактовую частоту МПС.

Совместная отладка аппаратных и программных средств в реальном масштабе времени выполняется с помощью эмуляторов ПЗУ и внутрисхемных эмуляторов под управлением инструментальной ЭВМ.

Процесс проектирования микропроцессорных систем включает три этапа (рис. 1.1): 1) системный; 2) функционально– схемотехнический; 3) отладка и оценка характеристик.

Рис. 1.1. Этапы проектирования МПС

На этапе системного проектирования сначала проводится системный анализ задачи, поставленной перед МПС, выявляются назначение, основные свойства, потребности, идеи реализации, сумма финансирования и другие особенности, достаточные для принятия решения о путях проектирования. Затем формулируются функциональное поведение системы и требования к ней с позиций обеспечения совокупности выполняемых функций, необходимой производительности, выявления критических функций, определения состава периферийного оборудования системы, структуры входных и выходных данных, характеристик потоков данных и управляющей информации. Разрабатываются укрупненный алгоритм функционирования системы и формализованное описание алгоритма работы МПС. Следующим шагом на этапе системного проектирования является определение числа уровней иерархии МПС, связей между ними и внешней средой или системой. Определяются требования к архитектуре системы, осуществляется распределение функций, реализуемых аппаратными и программными средствами, обосновываются требования к интерфейсам. Необходимо сбалансировать требования к аппаратным и программным средствам системы с учетом заданного быстродействия и возможности уменьшении сложности и стоимости, сокращения сроков разработки. Чем больше функций реализуется аппаратно, тем выше быстродействие, но сложнее архитектура системы и дольше время разработки.

В настоящее время в связи с развитием возможностей БИС и СБИС наблюдается тенденция возложения на аппаратные средства таких функций, которые до недавнего времени выполнялись только программным способом. Интеграция программных возможностей в аппаратных конструкциях, главным образом в виде микропрограмм ПЗУ или «математических» кристаллов, – направление, которое находит все более широкое применение в микропроцессорных системах. Многие функции операционной системы уже начинают реализовываться аппаратным методом путем размещения программ в кристаллах ПЗУ. Возможно, придет очередь и аппаратной реализации функций языков программирования.

Важным моментом системного этапа проектирования является выбор элементной базы, базового МПК, т.е. типа микропроцессорного семейства, и других БИС. На основе этого этапа составляется техническое задание (ТЗ).

Этап системного проектирования в основном эвристический, и его результатом является структурная схема микропроцессорной системы и ТЗ, где указаны все требования, которым должна удовлетворять разрабатываемая МПС.

Функционально-схемотехнический этап разделяется на три направления: разработка аппаратных средств, разработка программных средств и разработка вспомогательных средств, которые в свою очередь содержат и аппаратную, и программную части. Отличительные особенности выполнения этого этапа следующие:

1) необходимость совместной разработки и отладки технических средств и программного обеспечения, ориентированного на конкретную структуру технических средств;

2) использование принципиально новых методов и средств разработки и отладки микропроцессорных систем, таких как внутрисхемные эмуляторы, логические и сигнатурные анализаторы, отладочные комплексы и средства автоматизации программирования;

3) сильная взаимосвязь и даже интеграция этапов проектирования, при которой разработчик должен одновременно обладать опытом проектирования микропроцессорных систем, а также разбираться в конкретной области их применения.

На этапе функционально-схемотехнического проектирования на основе структурной схемы МПС разрабатываются функциональные и принципиальные схемы технических средств, алгоритмы и модули прикладных программ. Этот этап характеризуется широким использованием типовых схемных и программных решений и сильной взаимозависимостью технических и программных средств, разработка которых должна осуществляться параллельно на всех этапах. Заканчивается этап объединением аппаратных и программных средств, которым начинается этап отладки всей МПС в целом.

Отладка МПС представляет собой наиболее трудоемкий этап, поэтому разработке средств встроенного контроля и методики использования стандартных отладочных средств должно уделяться такое же внимание, как и разработке аппаратных и программных средств. Для отладки требуются встроенные средства, программные и аппаратные, а также специальные приборы типа логических и сигнатурных анализаторов, отладочные комплексы, внутренние эмуляторы. Встраивание средств диагностики и контроля несколько растягивает и удорожает разработку системы, но значительно облегчает ее отладку и дальнейшую эксплуатацию.

Проектирование системы завершается опытными испытаниями разработанной МПС в системе, для которой она предназначалась, оценкой полученных характеристик. Если результаты оценки не удовлетворяют требованиям ТЗ, то выполняется анализ причин и на его основе – перепроектирование отдельных модулей МПС или всей системы в целом.

Проектирование заканчивается разработкой методического обеспечения, содержащего рекомендации по рациональному использованию проектируемой МПС и всю необходимую документацию.

Рассмотренные этапы выполняются, как правило, в виде научно-исследовательской работы при участии относительно небольшого числа высококвалифицированных специалистов.

Дальнейшие стадии проектирования выполняются обычно в виде опытно-конструкторских работ и требуют привлечения большого числа исполнителей.

Проектирование микропроцессорной системы

Структура

Структурная схема системы представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Структурная схема МПС

МП является центральным блоком МПС. Он управляет всеми микросхемами и производит обработку данных.

МП формирует адрес на США и осуществляет обмен с СШД.

ОЗУ предназначено для хранения промежуточных данных.

ПЗУ предназначена для хранения кода программы и различных констант.

ППИ предназначен для подключения внешних устройств. К ППИ подключены АЦП, дискретные сигналы и ПП.

АЦП предназначен для преобразования аналогового сигнала с датчиков в цифровой код.

ПП предназначен для организации обмена по последовательному каналу между диспетчерским пунктом и МП.

Проектирование принципиальной схемы

К МПС должна обеспечивать:

• - опрос 7 аналоговых датчиков;
• - сбор 8 дискретных сигналов;
• - формирование 4 дискретных управляющих воздействий.

Расчет необходимого объема памяти данных производится по формуле

где и - количество аналоговых и дискретных входных сигналов соответственно; и - разрядность аналогового и дискретного сигналов.

В нашем случае и.

В итоге для хранения данных опроса датчиков необходимо

В качестве центрального блока системы выбран микроконтроллер КМ1816ВЕ51. Его основными преимуществами являются:

• - наличие резидентной памяти программ и данных;
• - наличие встроенного ПП;
• - 4 порта;
• - низкое энергопотребление;
• - встроенные таймеры-счетчики.

Для хранения данных используется встроенные 128 байт памяти программ МК. Программа будет храниться в резидентной памяти программ.

Для опроса аналоговых датчиков используется микросхема К572ПВ4. К преимуществам микросхемы относятся:

• - наличие встроенного мультиплексора;
• - автоматический опрос датчиков без участи микропроцессора;
• - хранение результатов преобразования по каждому каналу во встроенной статической памяти.

Так как у МК нет выходов генератора, для формирования тактового сигнала используется микросхема генератора К531ГГ1.

Для организации обмена информации с диспетчерским пунктом используется встроенный в МК приемопередатчик. Однако ПП КМ1816ВЕ51 передает данные с помощью пятивольтовых логических сигналов: единица представляется уровнем напряжения от 2,4 В до 5 В, а нуль - от 0 до 0, 8 В. При передаче по каналу RS-232 нуль и единица кодируются одинаковыми по величине (от 5 до 12 В), но разными по знаку сигналами.

Поскольку для передачи по RS-232 пятивольтовые логические сигналы должны быть преобразованы в сигналы другого уровня, в МПС используется микросхема MAX202E от Maxim. Она содержат преобразователь напряжения из +5 В в ±10 В и каскады, осуществляющие преобразование логических сигналов стандартного пятивольтного уровня по стандарту RS-232. Она содержит преобразователи логического уровня для двух приемников и двух передатчиков, из которых используется только один приемопередающий канал.

Принципиальная схема МПС приведена в приложении В.

К выводам XTAL1 и XTAL2 микроконтроллера DD1 подключается кварцевый резонатор ZQ1 на 12 МГц. Для более стабильного запуска выводы кварцевого резонатора соединены с общим проводом через конденсаторы С1 и С2 емкостью 21 пФ.

При подаче напряжения питания на микроконтроллер обязателен сброс микроконтроллера. С этой целью вход RST соединен с шиной питания через конденсатор С3 емкостью 6 мкФ и с общим проводом - через резистор R1 сопротивлением 100 кОм. В момент включения питания конденсатор разряжен, и вход сброса оказывается под потенциалом, близким к напряжению питания. Несмотря на снижение этого потенциала вследствие заряда С3, в течение десятка миллисекунд уровень сигнала на входе сброса остается единичным, и осуществляется корректный запуск микроконтроллера.

На вход подается логическая единица, т.к. микроконтроллер будет выполнять программу из резидентной памяти .

К линиям порта P0 МК DD1 подключены дискретные входные сигналы DDAT1-DDAT8. К линиям порта P1 подключена АЦС DA1. На линиях P1.0-P1.3 формируются дискретные управляющие воздействия DOUT1-DOUT4.

Так как аналоговые датчики, подключаемые к АЦС DA1 должны иметь выходным параметром напряжение, находящееся в диапазоне от 0В до 2,5В. Для преобразования токовых сигналов датчиков в сигнал напряжения используются резисторы R2-R13 .

Спецификация элементов представлена в приложении Г.

Разработка алгоритма работы МПС

МПС работает в следующей последовательности:

• а) инициализация системы;
• б) опрос датчиков;
• в) управление насосным агрегатом;
• г) обмен данными с диспетчерским пунктом;
• д) переход к шагу б.

Блок-схемы алгоритмов программы работы МПС представлены в приложении Д, фрагмент кода программы - в приложении Е.

Расчет потребляемой мощности

Мощность, потребляемая всей системой, определяется как сумма мощностей, которые потребляют все части системы.

Расчет мощности сведен в таблицу 3.4.

Таблица 3.1 - Расчет потребляемой мощности

Система потребляет мощность.

Устройство передачи данных

Для обеспечения обмена с диспетчерским пунктом используется преобразователь интерфейса MI 486. Он позволяет осуществлять прием/передачу данных через сеть Ethernet с компьютера со скоростью до 112 кбод.

Преобразователь интерфейса показан на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Преобразователь интерфейса MI 486

Технические характеристики:

• - выходной интерфейс: RS-232;
• - макс. скорость - до 112 кбод;
• - входной интерфейс Ethernet 10BaseT/100BaseT;
• - разъем RJ45.

Функции средств отладки

Сроки и качество отладки системы зависят от средств отладки. Чем совершеннее приборы, имеющиеся в распоряжении инженера-разработчика, тем скорее можно начать отладку аппаратуры и программ и тем быстрее обнаружить ошибки, локализовать источники, устранение которых обойдется дороже на более позднем этапе проектирования.

Средства отладки должны:

1) управлять поведением системы или/и ее модели на различных уровнях абстрактного представления;

2) собирать информацию о поведении системы или/и ее модели, обрабатывать и представлять на различных уровнях абстракции;

3) преобразовывать системы, придавать им свойства контролепригодности;

4) моделировать поведение внешней среды проектируемой системы.

Под управлением поведением системы или ее модели понимаются определение и подача входных воздействий для запуска или останова системы или ее модели, для перевода в конкретное состояние последних. Чтобы определить место субъективной неисправности, которая может быть внесена на любой стадии проектирования, необходимо уметь собирать информацию о поведении системы и представлять ее в тех формах, которые приняты для данного проекта. Например, это могут быть вре-менные диаграммы, принципиальные электрические схемы, язык регистровых передач, ассемблер и др.

В общем случае нельзя локализовать источник ошибки проектируемой системы, имея информацию о поведении системы только на ее внешних выводах, поэтому проектируемую систему преобразовывают. Например, прежде чем изготовлять однокристальную микроЭВМ с теми или иными "зашивками" ПЗУ, программы отлаживают на эмуляционном кристалле, у которого магистраль выведена на внешние контакты и вместо ПЗУ установлено ОЗУ.

Микропроцессорные системы по своей сложности, требованиям и функциям могут значительно отличаться надежностными параметрами, объемом программных средств, быть однопроцессорными и многопроцессорными, построенными на одном типе микропроцессорного набора или нескольких, и т.д. В связи с этим процесс проектирования может видоизменяться в зависимости от требований, предъявляемых к системам. Например, процесс проектирования МПС, отличающихся одна от другой содержанием ПЗУ, будет состоять из разработки программ и изготовления ПЗУ.

При проектировании многопроцессорных микропроцессорных систем, содержащих несколько типов микропроцессорных наборов, необходимо решать вопросы организации памяти, взаимодействия с процессорами, организации обмена между устройствами системы и внешней средой, согласования функционирования устройств, имеющих различную скорость работы, и т. д. Ниже приведена примерная последовательность этапов, типичных для создания микропроцессорной системы:

1. Формализация требований к системе.

2. Разработка структуры и архитектуры системы.

3. Разработка и изготовление аппаратных средств и программного обеспечения системы.

4. Комплексная отладка и приемосдаточные испытания.

Этап 1. На этом этапе составляются внешние спецификации, перечисляются функции системы, формализуется техническое задание (ТЗ) на систему, формально излагаются замыслы разработчика в официальной документации.

Этап 2. На данном этапе определяются функции отдельных устройств и программных средств, выбираются микропроцессорные наборы, на базе которых будет реализована система, определяются взаимодействие между аппаратными и программными средствами, временные характеристики отдельных устройств и программ.

Этап 3. После определения функций, реализуемых аппаратурой, и функций, реализуемых программами, схемотехники и программисты одновременно приступают к разработке и изготовлению соответственно опытного образца и программных средств. Разработка и изготовление аппаратуры состоят из разработки структурных и принципиальных схем, изготовления прототипа, автономной отладки.
Разработка программ состоит из разработки алгоритмов; написания текста исходных программ; трансляции исходных программ в объектные программы; автономной отладки.

Этап 4. см. Комплексная отладка.

На каждом этапе проектирования МПС людьми могут быть внесены неисправности и приняты неверные проектные решения. Кроме того, в аппаратуре могут возникнуть дефекты.