Введение
Среди видов деятельности инженеров в области вычислительной техники, предусмотренных Государственным стандартом высшего профессионального образования, важное место занимает проектно-конструкторская деятельность, а именно - проектирование микропроцессорных вычислительных систем. В связи с этим обучение методам проектирования вычислительных систем является актуальной задачей подготовки инженеров данного профиля.
В настоящее время широкое распространение получили микропроцессорные системы на основе микроконтроллеров, которые отличаются от других микропроцессорных систем не только архитектурой и характеристиками, но и особенностями функционирования и реализации. Большинство микроконтроллеров представляют собой процессор, интегрированный с памятью и устройствами вода/вывода данных. Когда разрабатывается система на основе микроконтроллера, то создаются не только аппаратные средства, которые реализуются соответствующим подключением микроконтроллера к внешним устройствам. Разработчик должен также обеспечить выполнение многих системных функций, которые в традиционных микропроцессорных системах обеспечиваются с помощью операционной системы и специальных периферийных микросхем. Это позволяет оптимизировать проект для конкретного применения. Проектирование любой сложной системы начинается с создания математической модели и исследования ее на ЭВМ. При проектировании микропроцессорных систем широко применяются методы аналитического и имитационного моделирования с использованием различных автоматизированных программных сред. Важным преимуществом среды при проектировании микропроцессорной системы является объединение инструментальных средств разработки программного обеспечения с инструментальными средствами разработки аппаратного обеспечения. Основной задачей такой среды является создание виртуальной модели микропроцессорного электронного устройства.
Эффективность проектирования микропроцессорных систем определяется в первую очередь квалификацией разработчика и арсеналом инструментальных средств. При изучении курса «Микропроцессорные системы» используются различные средства, выполняющие ввод/вывод аналоговых и цифровых сигналов, хранение и обработки данных, хранение и выполнения командных кодов, а также консольная индикация выполняемых операций и управление. По своей функциональной законченности различают следующие устройства: контроллеры-конструкторы; учебные микропроцессорные стенды.
В данных методических указаниях представлена характеристика современных методов проектирования микропроцессорных систем, дано описание этапов проектирования, рассмотрены инструментальные средства разработки приложений на основе микроконтроллеров, даны варианты заданий для курсового проекта по дисциплине «Микропроцессорные системы».
Встраиваемые МК
Промышленностью выпускается очень широкая номенклатура встраиваемых (embedded) МК. В этих МК все необходимые ресурсы (память, устройства ввода/вывода и т.д.) располагаются на одном кристалле с процессорным ядром. Всё, что необходимо сделать – это подать питание и тактовые сигналы.
Встраиваемые микроконтроллеры могут базироваться на существующем микропроцессорном ядре или на процессоре, разработанном специально для данного микроконтроллера.
Основное назначение встраиваемых МК – обеспечить с помощью недорогих средств гибкое программируемое управление объектами и связь с внешними устройствами. Эти МК не предназначены для реализации комплекса сложных функций, но они способны обеспечить эффективное управление во многих областях применения.
Встраиваемые МК содержат значительное число вспомогательных устройств, благодаря чему обеспечивается их включение в реализуемую систему с использованием минимального количества дополнительных компонентов. В состав этих МК обычно входят:
- схема начального запуска процессора (RESET);
- генератор тактовых импульсов;
- центральный процессор;
- память программ (FLESH, ЕЕРROM) и программный интерфейс;
- память данных (RAM);
- средства ввода-вывода данных;
- таймеры, фиксирующие число командных циклов.
Общая структура микроконтроллера показана на рисунке 5.1.
Более сложные встраиваемые микроконтроллеры могут дополнительно
реализовать следующие возможности:
- встроенный монитор/отладчик программ;
- внутренние средства программирования памяти программ (ROM);
- обработка прерываний от различных источников;
- аналоговый ввод – вывод;
- последовательный ввод – вывод (синхронный и асинхронный);
- параллельный ввод – вывод (включая интерфейс с компьютером);
- подключение внешней памяти (микропроцессорный режим).
Рисунок 5.1 – Общая структура микроконтроллера
Все эти возможности значительно увеличивают гибкость применения МК и делают более простым процесс разработки систем на их основе. Но для реализации этих возможностей требуется расширение функций внешних выводов. Типичные значения максимальной частоты тактовых сигналов составляют для различных микроконтроллеров 10-20 МГц. Главным фактором, ограничивающим их скорость, является время доступа к памяти, применяемой в МК.
Функциональная спецификация
Первый шаг цикла проектирования микропроцессорной системы (МПС) включает в себя определение набора требований пользователя и создания вытекающей из них функциональной спецификации, а также формулирование системных требований к МПС. В качестве требований пользователя выступает задание на проектирование МПС. Функциональная спецификация МПС определяет, какие функции должны выполняться для удовлетворения требований пользователя и обеспечения интерфейса (связи) между системой и ее внешним окружением (обслуживающим персоналом, исполнительными устройствами, датчиками и т.д.). Последнее определяет наличие и количество индикационных элементов, клавиатуры, входов и выходов МПС. На этапе формулирования системных требований детализируется функциональная спецификация с точки зрения выполнения системных функций (системная функция ввода-вывода дискретной информации, системная функция ввода-вывода аналоговой информации, обслуживание клавиатуры и индикации и др.).
Работа с литературой
В учебнике Ю.В. Новикова и П.К. Скоробогатова «Основы микропроцессорной техники» приведены элементарные основы архитектуры микроконтроллеров, объяснены принципы их построения и функционирования. Книга М. Предко «Руководство по микроконтроллерам» дает достаточно полную информацию об архитектуре, программировании и средствах поддержки разработчиков устройств на базе микроконтроллеров семейств 8051, Motorola, Picmicro, Avr. В ней приведены конкретные примеры реализации приложений на базе различных микроконтроллеров. Книги «Электронные промышленные устройства» В.Н. Васильева, «Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики» Б.Н. Кагана, а также «Искусство схемотехники» П. Хоровица и У. Хилла необходимо использовать при выборе схемотехнических решений для реализации разнообразных приложений на базе микропроцессорной техники.
Для выбора конкретных типов микроконтроллеров при известных функциональных требованиях к микропроцессорной системе необходимо пользоваться такими справочниками, как Ремизевич Т.В. «Микроконтроллеры для встраиваемых приложений. От общих подходов – к семействам HC 05 и HC 08 фирмы MOTOROLA»; Тавернье К. PIC- микроконтроллеры. Практика применения».
Книга Г.И. Пухальского понадобится для разработки устройств на базе микророцессора К580, здесь приведены полные сведения об организации подсистем
памяти, параллельного и последовательного интерфейса, прерываний и прямого доступа к памяти. В книге В.В. Корнеева и А.В. Киселева «Современные микропроцессоры» представлены основные идеи построения суперскалярных и мультискалярных микропроцессоров, приведены описания универсальных микропроцессоров ведущих зарубежных компаний Motorola, Texas Instruments, Analog Devices, рассмотрены основы транспьютерной технологии, представлены нейросетевые алгоритмы и нейропроцессоры, приводятся конкретные примеры существующих микропроцессоров.
Варианты заданий для разработки курсового проекта
Общая постановка задачи:
- привести описание алгоритма работы разрабатываемой микропроцессорной системы;
- разработать функциональную спецификацию;
- осуществить системно-алгоритмическое разбиение микропроцессорной системы на аппаратную и программную части;
- определить входы и выходы аппаратных и программных блоков;
- провести анализ и выбор аппаратных модулей;
- разработать:
- схему структурную (Э1),
- схему функциональную (Э2),
- схему электрическую принципиальную (Э3),
- схему электрическую подключения (Э5);
- перечень элементов
- блок схему алгоритма программы.
- разработать программное обеспечение МПС;
- провести отладку программы с использованием учебного стенда UNI-DS3.
Вариант №1
Разработка микропроцессорной системы управления стиральной машиной
Требования к микропроцессорной системе:
1. задание (с помощью устройства ввода) времени процесса стирки;
2. задание (с помощью устройства ввода) температуры воды;
3. задание (с помощью устройства ввода) скорости отжима;
4. слежение за уровнем воды, температурой воды, скоростью вращения барабана;
5. автоматическая (программная реализация) подача сигналов управления: заливом/сливом воды, нагреванием воды, вращением барабана при стирке, отжимом;
6. отображение текущего времени;
7. сигнал оповещения о завершении процесса.
Отсчет времени осуществлять аппаратно, посредством встроенного таймера/счетчика.
Вариант №2
Разработка микропроцессорной системы управления бытовой хлебопечкой
Требования к микропроцессорной системе:
1. формировать сигнал на включение и отключение двигателя, используемого для замешивания теста (время замешивания - 10 минут);
2. задание (с помощью устройства ввода) и индикация времени начала и окончания брожения теста;
3. слежение за температурой брожения, при отклонениях, превышающих норму на 2 % подача сигнала на включение/отключение нагревателя;
4. задание времени окончания выпечки (с помощью устройства ввода);
5. слежение за температурой выпечки;
6. оповещение об окончании выпечки;
Отсчет времени осуществлять аппаратно, посредством встроенного таймера/счетчика
Вариант №3
Разработка микропроцессорной системы управления кондиционированием помещений офиса
Требования к микропроцессорной системе:
1. Количество помещений офиса – 3;
2. переключение режимов: режим «Зима» - нагрев воздуха, режим «Лето» - охлаждение воздуха;
3. задание значений температуры с помощью устройства ввода;
4. измерение температуры в трех помещениях;
5. отображение текущих значений температуры;
6. обеспечение частоты опроса датчика температуры каждые хх минут (задается с помощью устройства ввода);
7. формирование команд на включение и отключение кондиционеров;
8. оповещение о превышении и снижении температуры более чем на 20%.
Вариант №4
Разработка микропроцессорной системы управления холодильником
Требования к микропроцессорной системе:
1. задание температурных режимов производить переключателем;
2. предусмотреть 3 режима основной камеры: -3 °С, 0 °С, +1 °С;
3. предусмотреть 2 режима морозильной камеры: -5 °С, -7 °С;
4. измерение температуры в основной и морозильной камере;
5. оповещение о превышении и снижении температуры более чем на 5%.
6. фиксирование и оповещение о наличия льда в основной и морозильной камерах.
Вариант №5
Разработка микропроцессорной системы управления лифтом
Алгоритм работы контроллера управления лифта.
Лифт обслуживает 16-ти этажный дом. Код первого этажа 00h, код последнего 0Fh. Начальное состояние лифта – стоит на любом этаже без пассажиров, двери закрыты. При поступлении вызова с какого-либо этажа включается свет в лифте и запускается вращение двигателя в нужном направлении. Если этаж, с которого поступил вызов и этаж на котором находится лифт совпадают, то сразу происходит открывание дверей. После остановки лифта включается привод открывания дверей. После срабатывания датчика «Двери открыты» осуществляется выдержка 20 секунд, в течение которых пассажиры могут войти в лифт. Если этого не произошло (отсутствует давление на пол), то включается привод закрывания дверей. При срабатывании датчика «Двери закрыты» привод закрывания дверей выключается, свет гасится, лифт готов принять следующий вызов. Если при закрывании дверей на их пути встречается препятствие, то снова включается привод открывания дверей и после срабатывания датчика «Двери открыты» снова осуществляется выдержка 20 секунд.
При наличии давления на пол, лифт с открытыми дверями ожидает нажатия кнопки какого-либо этажа внутри кабины. При нажатии кнопки и отсутствии перегрузки лифта включается привод закрывания дверей. При срабатывании датчика «Двери закрыты» включается двигатель, перемещающий лифт в нужном направлении. Если при закрывании дверей встречается препятствие, то выключается привод закрывания дверей, включается привод открывания дверей и после срабатывания датчика «Двери открыты» выключается привод открывания дверей и снова осуществляется выдержка 20 секунд.
Если внутри кабины лифта нажимается кнопка того этажа, на котором находится лифт, то начинается процедура открывания дверей. Движение лифта с пассажирами аналогично движению пустого лифта. По достижению места назначения двери лифта открываются и остаются открытыми 20 секунд. Затем включается привод закрывания дверей. При срабатывании датчика «Двери закрыты» привод закрывания дверей выключается, свет гасится, лифт готов принять следующий вызов. Если при закрывании дверей встречается препятствие, то привод закрывания дверей отключается, начинается процедура открывания дверей, после выдержки 20 секунд двери закрываются.
Вариант №6
Разработка микропроцессорной системы управления проявкой фотопленки
Таблица - Алгоритм работы
| Тип | Название | Управление | Комментарий |
| Вых | Вентиль воды | При подаче „лог. 0” вентиль открывается и остается открытым пока на выходе „лог. 0” | При открытом вентиле в бачок поступает вода |
| Вых | Вентиль проявителя | При подаче „лог. 0” вентиль открывается и остается открытым пока на выходе „лог. 0” | При открытом вентиле в бачок поступает проявитель |
| Вых | Вентиль закрепителя | При подаче „лог. 0” вентиль открывается и остается открытым пока на выходе „лог. 0” | При открытом вентиле в бачок поступает закрепитель |
| Вых | Вентиль слива | При подаче „лог. 0” вентиль открывается и остается открытым пока на выходе „лог. 0” | При открытом вентиле осуществляется слив жидкости из бачка |
| Вход | кнопка «Пуск» | При нажатии на вход микропроцессорного контроллера поступает „лог. 1” | |
| Вход | датчик «Поплавок 1» | При активизации на вход микропроцессорного контроллера поступает „лог. 1” | Активизация происходит при наполнении бачка |
| Вход | датчик «Поплавок 2» | При активизации на вход микропроцессорного контроллера поступает „лог. 1” | Активизация происходит при полном сливе жидкости из бачка |
| Вход | датчик «Поплавок 3» | При активизации на вход микропроцессорного контроллера поступает „лог. 1” | Активизация происходит при наполнении бачка выше нормы |
| Вых | Звук | При подаче „лог. 0” возникает звуковой сигнал | Используется для сигнализации неисправности |
| Вых | лампочка «Проявление закончено» | При подаче лог. „лог. 0” загорается лампочка | |
| Вых | электродвигатель | При подаче лог. „лог. 0” включается электродвигатель | Электродвигатель вращает катушку с пленкой |
Вариант №7
Разработка микропроцессорной системы управления инкубатора
Требования к микропроцессорной системе:
1. включить систему обогрева камеры и систему поддержания влажности в течение 5 часов поддерживать температуру 38 °С, затем 30 минут поддерживать температуру 28 °С, и так повторять;
2. поддерживать влажность 50% постоянной;
3. обеспечить измерение значений температуры и влажности с периодичностью 5 минут;
4. вывод на дисплей значений температуры и влажности;
5. вывод на дисплей текущего времени;
6. в случае отклонения температуры /влажности от заданной на 5% включить предупредительную сигнализацию;
7. в случае отклонения температуры до 20 °С подавать короткий периодический звуковой сигнал;
8. в случае появления сигнала с датчика движения (вылупление цыплёнка) подать звуковой сигнал в течение 1 минуты частотой 1 кГц.
Отсчет времени осуществлять аппаратно, посредством встроенного таймера/счетчика
Вариант №8
Разработка микропроцессорного устройства измерения и анализа веса человека
Требования к микропроцессорной системе:
1. максимальный вес пользователя: 150 кг;
2. точность измерения: 100 г;
3. сохранение измеренного веса в энергонезависимой памяти (память на 4 человека);
4. ввод имени пользователя;
5. измерение и сохранение величины роста (в метрах) пользователя;
6. вывод по запросу пользователя предыдущего взвешивания;
7. вывод на дисплей динамики веса за период, вводимый с клавиатуры;
8. вывод текущего значения индекса массы тела ИМТ, рассчитанный по формуле
ИМТ = вес в кг/ (рост в м)2;
9. при ИМТ > 22 расчет количества лишних кг;
10. при ИМТ > 25, зажечь красный светодиод – опасно!
Примечание:
ИМТ = 19-21 соответствует норме;
ИМТ > 22 соответствует наличию лишнего веса;
ИМТ > 25 сигнал опасности ожирения.
Вариант №9
Разработка микропроцессорной системы контроля и управления работой хладоцентра ледового поля
Требования к микропроцессорной системе:
1. количество точек температурного контроля главной арены – 12, в том числе: грунта 4; бетонной плиты 4; границы раздела плита-лёд 4;
2. измерение температуры всех точек;
3. отображение текущей температуры;
4. включение/отключение систем охлаждения, обогрева грунта;
5. индикация о работе систем охлаждения, обогрева грунта;
6. оповещение аварийной ситуации (выхода из строя систем).
Вариант №10
Разработка микропроцессорной системы противодымной защиты офиса
Требования к микропроцессорной системе:
1. датчики дыма расположены в служебном помещении, на лестничной площадке, в лифтовой шахте. Всего датчиков – 3;
2. включение вытяжных систем;
3. включение клапанов дымоудаления;
4. переключающие устройства воздуховодов;
5. индикация состояния датчиков дыма;
6. индикация состояния клапанов и вытяжных систем.
Предусмотреть временные задержки.
Вариант №11
Разработка микропроцессорного устройства поддержания необходимого уровня жидкости в резервуаре
Требования к микропроцессорной системе:
1. измерение уровня жидкости;
2. задание частоты опроса датчика уровня;
3. отображение текущего уровня;
4. отображение интервала времени между двумя опросами;
5. ввод с клавиатуры заданных значений уровня (max, min);
6. индикация выхода уровня за рамки заданных пределов «Превышение выше максимального уровня», «Снижение ниже минимального уровня»;
7. управление открытием/закрытием клапана подачи жидкости в резервуар.
Вариант №12
Разработка микропроцессорной системы контроля температуры и влажности в теплице
Требования к микропроцессорной системе:
1. ввод с клавиатуры заданных значений температуры и влажности воздуха;
2. измерение температуры воздуха;
3. измерение влажности воздуха;
4. отображение измеренных величин;
5. индикация критических значений «Превышение выше максимального уровня», «Снижение ниже минимального уровня»;
6. управление включением/отключением нагревателя;
7. управление включением/отключением увлажнителя.
Вариант №13
Разработка микропроцессорной системы противопожарной защиты помещения
Требования к микропроцессорной системе:
1. измерение задымленности воздуха помещения;
2. измерение температуры воздуха помещения;
3. отображение измеренных значений;
4. индикация опасных значений задымленности и температуры воздуха;
5. управление включением/отключением вытяжных систем;
6. индикация состояния клапанов и вытяжных систем.
Предусмотреть временные задержки.
Вариант №14
Разработка микропроцессорной системы охраны нескольких помещений
Требования к микропроцессорной системе:
Количество помещений – 8.
1. обнаружение разрыва цепи периметра;
2. обнаружение движущегося объекта;
3. индикация обнаруженных нарушений;
4. управление включением/отключением сигнализации;
5. обеспечение сигнала тревоги на пульте оператора.
Вариант №15
Разработка микропроцессорной системы управления процессом смешивания жидкостей
Требования к микропроцессорной системе:
1. задание величин: уровня первой жидкости, результирующего уровня;
2. задание времени перемешивания;
3. измерение уровня первой жидкости;
4. измерение результирующего уровня жидкости;
5. индикация текущих значений уровня;
6. индикация времени от начала процесса перемешивания;
7. управление включением/отключением двигателя перемешивания жидкостей;
8. управление открытием/закрытием задвижек на трубопроводах подачи жидкостей;
8. сигнализация аварийного превышения уровня жидкости.
Вариант №16
Разработка микропроцессорной системы контроля электрических параметров сети 220 В, 50Гц
Требования к микропроцессорной системе:
1. измерение напряжения сети;
2. измерение частоты напряжения;
3. измерение силы тока потребляемого нагрузкой подключенной к сети;
4. сравнение результатов с эталоном (220 В, 50 Гц);
5. индикация текущих значений параметров сети;
6. индикация отклонений от эталона на 1%;
7. сигнализация при отклонениях на 2%
8. отключение нагрузки при превышении тока от заданного на 25%.
Вариант №17
Разработка микропроцессорной системы слежения за атмосферным давлением
Требования к микропроцессорной системе:
1. задание желаемой величины атмосферного давления;
2. измерение текущего времени;
3. ввод значений атмосферного давления с барометра;
4. сравнение результатов с заданным значением;
5. индикация текущего времени и давления;
6. индикация величины отклонения от заданного значения
7. включение предупредительной сигнализации при превышении давления выше/ниже заданной на 5%
8. включение аварийной сигнализации при превышении давления выше/ниже заданной на 10%
Вариант №18
Разработать микропроцессорную систему пожарной сигнализации офиса
Требования к микропроцессорной системе:
Количество помещений – 5.
1. обнаружение задымления/возгорания в помещениях;
2. включение световой и звуковой сигнализации при срабатывании датчиков;
3. проводить диагностику исправности подключения датчиков;
4. управление дистанционным включением/отключением сигнализации;
5. обеспечение сигнала тревоги на пульте оператора.
Вариант 19
Разработать микропроцессорную систему управления уличным освещением
Требования к микропроцессорной системе:
1. различать быстро и медленно движущиеся объекты (пешеход, велосипедист/автотранспорт). Для быстродвижущегося объекта освещение не включать.
2. иметь возможность программной настройки времени реакции и длительности свечения.
3. учитывать время суток и внешнюю освещенность.
4. обеспечить дистанционное управление освещением группы светильников по сети RS-485
Вариант 20
Разработать микропроцессорную систему контроля и управления вентиляцией в помещениях химической лаборатории
Требования к микропроцессорной системе:
1. раздельная индикация наличия вредных веществ (не менее 3) в атмосфере помещения лаборатории.
2. управление вентилятором вытяжки (4 режима – вкл/выкл, рабочий, повышенный, максимальный).
3. включение/выключение предупредительной сигнализации о превышении порога концентрации вредного вещества.
4. включение/выключение аварийной сигнализации о превышении порога концентрации вредного вещества.
5. индикация величины концентрации вредного вещества в атмосфере лаборатории.
6. Задание порогов (предупредительного и аварийного) срабатывания сигнализации.
Введение
Среди видов деятельности инженеров в области вычислительной техники, предусмотренных Государственным стандартом высшего профессионального образования, важное место занимает проектно-конструкторская деятельность, а именно - проектирование микропроцессорных вычислительных систем. В связи с этим обучение методам проектирования вычислительных систем является актуальной задачей подготовки инженеров данного профиля.
В настоящее время широкое распространение получили микропроцессорные системы на основе микроконтроллеров, которые отличаются от других микропроцессорных систем не только архитектурой и характеристиками, но и особенностями функционирования и реализации. Большинство микроконтроллеров представляют собой процессор, интегрированный с памятью и устройствами вода/вывода данных. Когда разрабатывается система на основе микроконтроллера, то создаются не только аппаратные средства, которые реализуются соответствующим подключением микроконтроллера к внешним устройствам. Разработчик должен также обеспечить выполнение многих системных функций, которые в традиционных микропроцессорных системах обеспечиваются с помощью операционной системы и специальных периферийных микросхем. Это позволяет оптимизировать проект для конкретного применения. Проектирование любой сложной системы начинается с создания математической модели и исследования ее на ЭВМ. При проектировании микропроцессорных систем широко применяются методы аналитического и имитационного моделирования с использованием различных автоматизированных программных сред. Важным преимуществом среды при проектировании микропроцессорной системы является объединение инструментальных средств разработки программного обеспечения с инструментальными средствами разработки аппаратного обеспечения. Основной задачей такой среды является создание виртуальной модели микропроцессорного электронного устройства.
Эффективность проектирования микропроцессорных систем определяется в первую очередь квалификацией разработчика и арсеналом инструментальных средств. При изучении курса «Микропроцессорные системы» используются различные средства, выполняющие ввод/вывод аналоговых и цифровых сигналов, хранение и обработки данных, хранение и выполнения командных кодов, а также консольная индикация выполняемых операций и управление. По своей функциональной законченности различают следующие устройства: контроллеры-конструкторы; учебные микропроцессорные стенды.
В данных методических указаниях представлена характеристика современных методов проектирования микропроцессорных систем, дано описание этапов проектирования, рассмотрены инструментальные средства разработки приложений на основе микроконтроллеров, даны варианты заданий для курсового проекта по дисциплине «Микропроцессорные системы».
Характеристика современных методов проектирования микропроцессорных систем
Наличие в микропроцессорной системе как аппаратных, так и программных средств обуславливает ряд специфических особенностей, присущих процессу ее создания. Он существенно отличается от проектирования традиционных электронных устройств, не предполагающих программное обеспечение. В отличие от традиционного подхода, когда все функции, возлагаемые на устройство, достигаются чисто аппаратными средствами и другой альтернативы просто не существует, при аппаратно-программной реализации выполняемые функции оптимально располагаются между программными и аппаратными средствами микропроцессорной системы.
Идея единства программного и аппаратного обеспечения систем на базе микроконтроллеров является очень важной. Объединение инструментальных средств разработки программного обеспечения с инструментальными средствами разработки аппаратного обеспечения может стать важным преимуществом при разработке устройства. Существуют пять различных инструментов, которые используются для разработки приложений на базе микроконтроллеров, и объединение их функций может существенно облегчить процесс проектирования:
- редактор исходных текстов;
- компилятор;
- программный симулятор;
- аппаратный эмулятор;
- программатор.
Хотя не все из этих инструментов являются необходимыми, и каждый из них может исполняться в отдельности, но их совместное использование упрощает разработку и отладку приложения.
Редактор используется для создания исходного кода программы. Существует множество самых разнообразных редакторов от простых, которые копируют код, вводимый с клавиатуры, в файл, до специализированных редакторов, реакция которых на нажатие определенных клавиш может программироваться пользователем. Такая реакция редактора избавляет разработчика от необходимости заботится о правильном синтаксисе оператора.
Компилятор используется для преобразования исходного текста в машинные коды микроконтроллера, т.е. в формат, который может быть загружен память программ.
Симулятор - это программа, которая выполняет откомпилированный программный код на инструментальном компьютере. Это позволяет осуществлять наблюдение за программой и реакцией модели микроконтроллера на различные события. Симулятор может быть неоценимым инструментом в процессе разработки программного обеспечения, позволяя исследовать различные ситуации, которые трудно воспроизвести на реальной аппаратуре. Важное преимущество симуляторов - возможность многократного воспроизведения рабочих ситуаций. Если надо понять, почему участок программы работает некорректно, можно повторять этот участок снова и снова до тех пор, пока ошибка не будет обнаружена. Воспроизводимость может быть расширена путем использования специальных файлов входных воздействий. Эти файлы служат для того, чтобы задать симулятору различные комбинации входных потоков данных и формы сигналов. Чтобы имитировать внешние условия и ситуации, обычно используется специальный файл входных воздействий. Этот файл задает последовательность входных сигналов, поступающих на моделируемое устройство. Разработка такого файла может потребовать много времени и больших усилий. Но для понимания того, как работают микроконтроллер и программа в определенных ситуациях, использование симулятора и файла входных воздействий является наилучшим методом. В большинстве случаев следует использовать симуляцию перед сборкой и включением реальной схемы. Если устройство не работает ожидаемым образом, то следует изменить файл входных воздействий и попытаться понять, в чем состоит проблема, используя для этого симулятор, который позволяет наблюдать за процессом выполнения программы в отличие от реальной аппаратуры, где можно увидеть только конечные результаты.
Эмулятор. Наиболее сложным и дорогим инструментом для отладки приложения и электрических интерфейсов является эмулятор. Эмулятор - это устройство, которое заменяет микроконтроллер в схеме и выполняет программу под Вашим управлением. Эмулятор является превосходным инструментом для разработки большинства приложений, хотя имеются некоторые разногласия по опросу их использования в процессе разработки. Обычно эмулятор содержит специальный эмуляторный кристалл, который подсоединяется в ведущему компьютеру или рабочей станции. Эмуляторный кристалл - это обычный микроконтроллер, помещенный нестандартный корпус с дополнительными выводами, которые подключаются к шине памяти программ и управляющим сигналам процессора. Эти дополнительные выводы позволяют соединять микроконтроллер с внешней памятью программ, которая подключена к ведущему компьютеру. Такой интерфейс позволяет легко загружать тестовые программы в эмуляторный кристалл. Выводы эмуляторного кристалла соединяются с разъемом (эмуляторная вилка), который подключается к отлаживаемому устройству, заменяя в нем микроконтроллер.
Взаимодействие с эмуляторами очень похоже на работу с симулятором. Разница состоит в том, что эмулятор не воспринимает файл входных воздействий, так как его выводы подключены к реальному устройству. Эмулятор предназначен для отладки приложений на реальном оборудовании.
Программатор. Последний инструмент разработчика - это программатор памяти программ микроконтроллера. Хотя некоторые производители микроконтроллеров предпочитают выпускать их с масочнопрограммируемой памятью программ, они обычно выпускают также аналогичные версии микроконтроллеров с EEPROM памятью для разработки приложений. Это значит, что существует возможность непосредственного программирования микроконтроллера при разработке приложения.
Для некоторых микроконтроллеров требуется специальный программатор, но чаще всего используются возможности внутрисистемного программирования ISP. В таком случае программатор является частью проектируемого устройства. Некоторые программаторы реализуют функции схемного эмулятора. При этом установленный в программаторе микроконтроллер подключается к отлаживаемой системе и управляет ее работой аналогично тому, как это выполняется в эмуляторе.
Дата: 2019-04-23, просмотров: 334.
