Микропроцессорные системы

Микропроцессорные системы 

    Учебный материал дисциплины «Микропоцессорные системы» базируется на знаниях, полученных студентами при изучении дисциплин «Компьютерная электроника» и «Компьютерная схемотехника».

    Учебный план составлен на основе материалов лекций по дисциплинам, связанным с микропроцессорной техникой, авторского коллектива, состоящего из докторов и кандидатов технических наук, профессоров Киевского национального технического университета Украины, Донецкого национального технического университета, Днепродзержинского государственного технического университета.

    Базовым учебником по данной дисциплине является учебное пособие: Бойко В.И. и др. Схемотехника электронных систем. Микропроцессоры и микроконтроллеры /Авторы: В.И. Бойко, А.Н. Гуржий, В.Я. Жуйков, А.А. Зори, В.М. Спивак, Т.А. Терещенко, Ю.С. Петергеря. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004, с грифом «Затверджено Міністерством освіти і науки України як підручник для студентів вищих навчальних закладів», рекомендованное для студентов, преподавателей и специалистов в области электронной и микропроцессорной техники. 

    Учебный план по данной дисциплине состоит  из следующих разделов: 

1. Общие принципы  построения микропроцессорных  систем (основные понятия и определения, организация шин, принципы построения микропроцессорных систем, архитектура микропроцессора, основы программирования на языке Ассемблера). 

2. Однокристальные  микропроцессоры (однокристальный 8-разрядный микропроцессор, однокристальные 16-разрядные микропроцессоры, система команд МП i8080, построение модуля центрального процессора на базе i8080). 

3. Однокристальные  универсальные микропроцессоры  (старшие модели) (Микропроцессор i80286, архитектура 32-разрядных микропроцессоров, особенности архитектуры микропроцессоров i386 и i486, особенности архитектуры микропроцессоров Pentium, особенности архитектуры 64-разрядных микропроцессоров). 

4. Построение модулей  памяти микропроцессорных  систем (классификация систем памяти, построение модуля постоянного запоминающего устройства, построение модуля оперативного запоминающего устройства статического типа, построение модулей оперативного запоминающего устройства динамического типа, принципы организации кэш-памяти, принципы организации стековой памяти). 

5. Интерфейс устройств  ввода/вывода (функции интерфейса ввода/вывода, программируемый параллельный интерфейс, программируемый интерфейс клавиатуры и индикации, программируемый таймер, архитектура и функциональные возможности контроллера прямого доступа к памяти, программируемый последовательный интерфейс, программируемый контроллер прерываний). 

6. Однокристальные микроконтроллеры с RISC-архитектурой (однокристальные AVR-микроконтроллеры, характеристики AVR-микроконтроллеров, PIC-контроллеры) 

7. Однокристальные микроконтроллеры с CISC-архитектурой (архитектура и функциональные возможности однокристальных микроконтроллеров, система команд, расширение возможностей однокристальных микроконтроллеров. Архитектура и функциональные возможности 16-разрядных однокристальных микропроцессоров серии MCS 196/296). 

8. Сигнальные микропроцессоры (сигнальные процессоры обработки данных в формате с фиксированной запятой, сигнальные процессоры обработки данных в формате с плавающей запятой, технические характеристики сигнальных процессоров). 

    Учитывая  межпредметные связи, например, некоторые вопросы затрагиваются на практических занятиях по дисциплине «Архитектура компьютера», было решено акцент на практических занятиях по данной учебной дисциплине сделать на разработке микропроцессорных систем, базирующихся на микроконтроллерах с RISC-архитектурой, в частности на AVR-RISC микроконтроллерах фирмы Atmel (ATmega8535 и др.).

    Благодаря такому выбору, студенты могут разрабатывать  микропроцессорные системы для  различных практических применений, базовое ядро которых имеет следующие  функциональные особенности:

- систему команд, состоящую из 130 инструкций, большинство из которых выполняется за один такт частоты процессора;

- 32 х  8 внутренних рабочих регистров  общего назначения;

- наличие  статического режима работы;

- 8 KB внутренней программируемой Flash памяти;

- 512 B внутренней SRAM памяти;

- 512 В  внутренней EEPROM памяти (энергонезависимая память);

- два  8-ми битовых таймера с предварительной  установкой и с режимом сравнения;

- один 16-ти битовый таймер с предварительной  установкой и с режимом сравнения;

- часы  реального времени с отдельным  кварцевым резонатором;

- четыре  канала широтно-импульсной модуляции  PWM;

- 8-ми  канальный 10-ти разрядный аналого-цифровой  преобразователь с различными режимами выбора аналогового опорного напряжения для масштабирования оцифровки аналогового сигнала;

- аналоговый компаратор;

- USART интерфейс обмена информацией с внешними устройствами (например, компьютером) или периферийными модулями;

- TWI (I2C) интерфейс обмена информацией с интегральными микросхемами или для реализации межмодульного обмена;

- SPI интерфейс (Master/Slave) скоростного обмена информацией между интегральными микросхемами;

- WatchDog таймер для защиты устройства от сбоев в работе;

- 32 программируемых  линии ввода/вывода;

- режимы  пониженного энергосбережения Sleep Modes. 

    Вышеперечисленные функциональные особенности базового микроконтроллера определяют спектр микропроцессорных  систем, которые могут разрабатывать  студенты на практических занятиях. Такие разработки студенты проводят на базе макетной платы (см. приложение). 

    Учитывая  требования к сокращению аудиторного  времени и увеличения роли самостоятельной  работы студентов, а также программно-аппаратный принцип разработки микропроцессорной системы, практические занятия были разделены на две части, которые выполняются параллельно:

    Первая часть – «программная», выполняется студентами в аудиторное время в дисплейном классе в среде проектирования AVRStudio и относится к разработке программной части микропроцессорной системы. На данном этапе преподаватель также корректирует работу студента по разработке аппаратной части микропроцессорной системы.

    Вторая  часть – «аппаратная», выполняется студентом самостоятельно в неаудиторное время в условиях специализированной лаборатории (лаб. 411Б) или в домашних условиях. При выполнении этой части учебной работы предполагается работа студентов с простейшим радиомонтажным оборудованием. Одновременно студент получает соответствующие умения и навыки. 

    С помощью макетной платы и базового AVR-RISC микроконтроллера ATmega8535 студенты выполняют ряд стандартных заданий, а затем переходят к разработке индивидуальных микропроцессорных систем.

    Стандартные задания:

• опрос клавиатуры с выдачей состояния нажатия клавиш на светодиодные индикаторы;
• исследование работы аналогового компаратора;
• исследование работы аналого-цифрового преобразователя;
• исследование работы таймеров-счетчиков с помощью клавиатуры и светодиодных индикаторов;
• исследование работы ШИМ;
• разработка часов реального времени;
• обмен информацией с внешним компьютером через USART интерфейс;
• обмен информацией с периферийными интегральными микросхемами через интерфейсы TWI (I2C) и SPI.