Микропроцессорные системы

 

Содержание

Задание на проектирование и исходные данные……………………………….3

Введение……………………………..………………………….………….…….4

1. Теоретический вопрос..……..……………………….…………………..……6

2. Описание принципа работы разрабатываемой МПС…………………...…..13

3. Блок-схема алгоритма работы МПС……………………………………..…..20

4. Текст программы на языке Ассемблер……………………………………....22

Заключение…………………………………………………………………..…...24

Литература…….………………………………………………………………....25

Принципиальная электрическая  схема МПС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание на проектирование и исходные данные

Разработать микропроцессорную  систему управления объектом на основе ОМЭВМ К1830ВЕ51. Объект задан видом и количеством данных поступающих с объекта, потребным ресурсом для обработки данных, видом и количеством управляющих сигналов. Необходимо разработать принципиальную электрическую схему МПС, составить подпрограмму обработки данных, отладить её с помощью программного эмулятора и получить листинг программы.

Число каналов информации МПС для взаимодействия с объектом управления: ввода – 16, вывода – 16. Объем внешней памяти программ (ПЗУ) – 32 Кбайт, данных (ОЗУ) – 4 Кбайт. Частота синхронизации МК-51 – 5 МГц, длительность импульса – 55 мс, скорость передачи данных через УАПП – 300 бит/с, номер банка памяти, где будут располагаться регистры-счётчики – 0, номер линии порта P3 – 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Микропроцессор – это микросхема или совокупность нескольких микросхем, предназначенных для преобразования данных под управлением программы, записанной в памяти. МП является основной микросхемой микропроцессорного комплекта (МПК). Под МПК понимают совокупность микросхем, совместимых по технологическому и конструктивному признакам и позволяющих строить на их основе МПС. Микропроцессорной системой обычно называют специализированную информационно-вычислительную или управляющую систему, построенную на основе МПК БИС.

Следует обратить внимание на дуализм микропроцессорной техники. МПС – это программно управляемая система, которая функционирует благодаря наличию, как аппаратной части, так и программного обеспечения.

Все многообразие выпускаемых МП можно классифицировать по следующим признакам: по виду обрабатываемой информации МП делятся на цифровые  (подавляющее большинство современных МП) и аналоговые; по разрядности обрабатываемых данных МП делятся на 4, 8, 16, 32 и 64 – разрядные; по области применения МП можно разделить на универсальные и специализированные, которые, в свою очередь, подразделяются на: однокристальные ОМЭВМ (микроконтроллер), RISC МП, арифметические сопроцессоры, транспьютеры и цифровые процессоры обработки сигналов (ЦПОС).

Как и любое  другое функционально сложное изделие  МП принято характеризовать параметрами функционирования, к которым относятся: разрядность шин данных и адреса, объем адресуемой памяти, число команд, функциональная мощность команды типа «регистр - регистр» и т.д. С другой стороны, МП – интегральная микросхема, которая характеризуется статическими и динамическими параметрами (входные и выходные токи и напряжения, времена задержек, тактовая частота и т.д.).

В настоящее время  на основе МП строятся практически  все универсальные и специализированные ЭВМ, подавляющее большинство периферийных устройств, системы промышленной автоматики, связи, управления транспортом и т.п. Столь обширная область применения МП обусловлена их значительными функциональными возможностями, гибкостью, обеспечиваемой на программном уровне, высокой надежностью, малыми габаритами и низкой стоимостью. В свою очередь, это порождает проблему обслуживания и модернизации этих устройств, выполненных с использованием МП. Причем, с этим сталкиваются специалисты, не имеющие специальной подготовки в области проектирования МПС. С учетом изложенного, знание принципов функционирования МП и МПС, методов разработки аппаратных и программных средств систем, технического обслуживания МПС должно являться неотъемлемым элементом подготовки инженеров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Теоретический  вопрос

КР1830ВЕ51 содержат масочно-программируемое  в процессе изготовления кристалла  ПЗУ памяти программ емкостью 4096 байт и рассчитаны на применение в массовой продукции. За счет использования внешних  микросхем памяти общий объем  памяти программ может быть расширен до 64 Кбайт. ОМЭВМ КР1830ВЕ51 содержит встроенное ОЗУ памяти данных емкостью 128 байт с возможностью расширения общего объема оперативной памяти данных до 64 Кбайт за счет использования внешних  микросхем ЗУПВ.

Микроконтроллер выполнен на основе высокоуровневой КМОП технологии и выпускается в корпусе БИС, имеющем 40 внешних выводов. Для работы КР1830ВЕ51 требуется один источник электропитания +5 В. Через четыре программируемых порта ввода/вывода МП взаимодействует со средой в стандарте ТТЛ-схем с тремя состояниями выхода.

Корпус МП имеет два  вывода для подключения кварцевого резонатора, четыре вывода для сигналов, управляющих режимом работы МК, и восемь линий порта, которые могут быть запрограммированы пользователем на выполнение специализированных (альтернативных) функций обмена информацией со средой.

Структурной схемы МП образует внутренняя двунаправленная 8-битная шина, которая связывает между собой  все основные узлы и устройства: резидентную память, АЛУ, блок регистров  специальных функций, устройство управления и порты ввода/вывода.

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

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

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

Схемный уровень базируется на описании работы элементов дискретных устройств [1].

8-битное АЛУ может выполнять  арифметические операции сложения, вычитания, умножения и деления;  логические операции И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, а также операции циклического сдвига, сброса, инвертирования и т.п. В АЛУ имеются программно недоступные регистры Т1 и Т2, предназначенные для временного хранения операндов, схема десятичной коррекции и схема формирования признаков.

Простейшая операция сложения используется в АЛУ для инкрементирования  содержимого регистров, продвижения  регистра-указателя данных и автоматического вычисления следующего адреса РПП. Простейшая операция вычитания используется в АЛУ для декрементирования регистров и сравнения переменных.

Простейшие операции автоматически  образуют "тандемы" для выполнения в АЛУ таких операций, как, например, инкрементирование16-битных регистровых пар. В АЛУ реализуется механизм каскадного выполнения  простейших операций для реализации сложных команд. Так,  например, при выполнении одной из команд условной передачи управления по результату сравнения в АЛУ трижды инкрементируется СК, дважды производится чтение из РПД, выполняется арифметическое сравнение двух переменных, формируется 16-битный адрес перехода и принимается решение о том, делать или не делать переход по программе. Все перечисленные операции выполняются в АЛУ всего лишь за 2 мкс. Важной  особенностью АЛУ является его способность оперировать не только байтами, но и битами. Отдельные программно-доступные биты могут быть установлены, сброшены, инвертированы, переданы, проверены и использованы в логических операциях.

Таким образом, АЛУ может  оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевскими (1 бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В АЛУ выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации (7 - для данных и 4 - для адресов), то путем комбинирования "операция/ режим адресации" базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции.

Память программ и память данных, размещенные на кристалле  МК51, физически и логически разделены, имеют различные механизмы адресации, работают под управлением различных  сигналов и выполняют разные функции.

Память      программ    (ПЗУ   или   СППЗУ)   имеет   емкость 4 Кбайта и предназначена для хранения команд, констант, управляющих слов инициализации, таблиц перекодировки входных и выходных переменных и т.п. РПП имеет 16-битную шину адреса, через которую обеспечивается доступ из счетчика команд или из регистра-указателя энных. Последний выполняет функции базового регистра при косвенных переходах по программе или используется в командах, оперирующих с таблицами.

Память данных (ОЗУ) предназначена  для хранения переменных в процессе выполнения прикладной программы, адресуется одним байтом и имеет емкость 128 байт. Кроме того, к адресному пространству РПД примыкают адреса регистров специальных функций (РСФ).

Память программ, так же как и память данных, может быть расширена до 64 Кбайт путем подключения внешних БИС.

Аккумулятор и ССП. Аккумулятор является источником операнда и местом фиксации результата при выполнении арифметических, логических операций и ряда операций передачи данных. Кроме того, только с использованием аккумулятора могут быть выполнены операции сдвигов, проверка на нуль, формирование флага паритета и т.п.

Регистры-указатели. 8-битный указатель стека (РУС) может адресовать любую область РПД. Его содержимое инкрементируется прежде, чем данные будут запомнены в стеке в ходе выполнения команд PUSH и CALL. Содержимое РУС декрементируется после выполнения команд РОР и RET. Подобный способ адресации элементов стека называют прединкрементным/постдекрементным. В процессе инициализации МК51 после сигнала СБР в РУС автоматически загружается код 07Н (Это значит, что если прикладная программа не переопределяет стек, то первый элемент данных в стеке будет располагаться в ячейке РПД с адресом 08Н).

Таймер/счетчик. В составе средств МК51 имеются регистровые пары с символическими именами THO, TLO и ТН1, TL1, на основе которых функционируют два независимых программно-управляемых 16-битных таймера/счетчика событий.

Буфер последовательного  порта. Регистр с символическим именем SBUF представляет собой два независимых регистра — буфер приемника и буфер передатчика. Загрузка байта в SBUF немедленно вызывает начало процесса передачи через последовательный порт. Когда байт считывается из SBUF, это значит, что его источником является приемник последовательного порта.

Регистры специальных  функций. Регистры с символическими именами IP, IE, TMOD, ICON, SCON и PCON используются для фиксации и программного изменения управляющих бит и бит состояния схемы прерывания, таймера/счетчика, приемопередатчика последовательного порта и для управления мощностью электропитания МК51. Их организация будет описана ниже при рассмотрении особенностей работы МК51 в различных режимах.

Кварцевый резонатор, подключаемый к внешним выводам XI и Х2 корпуса МК51, управляет работой внутреннего генератора, который свою очередь формирует сигналы синхронизации.

Устройство управления МК51 на основе сигналов синхронизации формирует  машинный цикл фиксированной длительности, равной 12 периодам резонатора или шести  состояниям первичного управляющего автомата (S1-S6). Каждое состояние управляющего автомата содержит две фазы (Р1, Р2) сигналов резонатора. В фазе Р1, как правило, выполняется операция в АЛУ, а в фазе Р2 осуществляется межрегистровая передача. Весь машинный цикл состоит из 12 фаз, начиная с фазы S1P1 и кончая фазой S6P2.

Большинство команд МК51 выполняется  за один машинный цикл. Некоторые команды, оперирующие с 2-байтными словами  или связанные с обращением к  внешней памяти, выполняются за два  машинных цикла. Только команды деления  и умножения требуют четырех  машинных циклов. На основе этих особенностей работы устройства управления МК производится расчет времени исполнения прикладных программ.

Все четыре порта МК51 предназначены  для ввода или вывода информации побайтно. Каждый порт содержит управляемые регистр-защелку, входной буфер и выходной драйвер.

Выходные драйверы портов 0 и 2, а также входной буфер  порта О используются при обращении  к внешней памяти (ВП). При этом через порт 0 в режиме временного мультиплексирования сначала выводится  младший байт адреса ВП, а затем  выдается или принимается байт данных. Через порт 2 выводится старший байт адреса в тех случаях, когда разрядность адреса равна 16 бит.

Все выводы порта 3 могут  быть использованы для реализации альтернативных функций. Альтернативные функции могут быть задействованы путем записи 1 в соответствующие биты регистра-защелки (РЗ.О—Р3.7) порта 3.

Порт 0 является двунаправленным, а порты 1, 2 и 3 — квазидвунаправленными. Каждая линия портов может быть использована независимо для ввода или вывода информации. Для того чтобы некоторая линия порта использовалась для ввода, в D-триггер регистра-защелки порта должна быть записана 1, которая закрывает МОП-транзистор выходной цепи.