Geum.ru

Н. Э. Баумана «утверждаю» Первый проректор проректор по учебной работе Е. Г. Юдин «11» 07 2000 г. «Микропроцессорные системы» Программа

Вид материалаПрограмма

Содержание


Кафедра «Компьютерные системы и сети» МОСКВА 20001.
Подобный материал:
Министерство образования Российской Федерации

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана


«УТВЕРЖДАЮ»

Первый проректор - проректор по учебной работе

__________________Е.Г. Юдин

«11» 07 2000 г.

«Микропроцессорные системы»


Программа к учебному плану специальности 220100

«Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»

Объёмы учебной работы (в часах) и виды итогового контроля знаний:
Всего
7 сем.

(17 нед.)

Выделено на дисциплину
153
153

Аудиторная работа
85
85

Лекции
51
51

Семинары
17
17

Лабораторные занятия
17
17

Внеаудиторная работа
68
68

Курсовая работа
51
51

Самостоятельная проработка курса
17
17

Контроль знаний






Рубежный контроль



(10)

Зачеты



зачет

Экзамены



экзамен

В скобках указаны номера недели выдачи и приёма задания или рубежного контроля и контрольных работ.

Факультет «Информатика и системы управления»

Кафедра «Компьютерные системы и сети»

МОСКВА 2000


1. Цели и задачи дисциплины.

Дисциплина обеспечивает проектно-конструкторскую подготовку по проектированию микропроцессорных систем (МПС) и микроконтроллеров (МК).

1.1. Задачи дисциплины:
  • изучение базовых архитектур микропроцессоров и однокристальных микроЭВМ,
  • принципы организации МПС, системные интерфейсы, стандартные интерфейсы внешних устройств, каналы последовательной связи;
  • проектирование МПС для управления объектом, микроконтроллерные системы на основе однокристальных ЭВМ, многопроцессорные системы, промышленные платформы МПС;
  • системы команд МП (аккумуляторного типа, "регистр-регистрового" типа). Технология программирования и отладки микроконтроллеров и МПС.

1.2. Профессиональные навыки, умения и знания, приобретенные в результате изучения дисциплины. Студент должен знать:
  • состав и характеристики современных микропроцессорных комплектов;
  • владеть методикой проектирования МПС в целом и отдельных подсистем согласно поставленным требованиям;
  • правильно осуществлять выбор аппаратных средств, уметь проектировать микроконтроллеры для систем управления;
  • уметь использовать кросс-программные средства отладки программного обеспечения.

Дисциплина базируется на ранее и параллельно читаемых дисциплинах "Схемотехника ЭВМ", "Системное программирование", "Основы построения ЭВМ", "Периферийные устройства".

2. Содержание лекционного курса (51 час)

2.1. Введение (3 часа).

Микропроцессоры (МП) в информационно-управляющих системах, системах контроля и управления. Задачи и особенности архитектуры систем управления. Системы сбора информации. Управляющие системы универсального и специализированного назначения. Обобщенная структура программируемых логических и программируемых регулирующих микроконтроллеров.

Классификация МП. МП-комплекты, их состав, основные технические характеристики, области применения. Семейства микроконтроллеров, области применения.

2.2. Однокристальные микропроцессоры и ОЭВМ (10 час).

8-разрядные МП: архитектура, интерфейс внешних связей. Первичный управляющий автомат МП: режимы работы, разновидности циклов, слово состояния процессора. Средства обработки запросов прерываний.

8-разрядные ОЭВМ. Состав и основные характеристики ОЭВМ семейств iMCS48, iMCS51, Motorola и их аналогов. Архитектура и интерфейс ОЭВМ. Битовый процессор. Регистровый файл. Логическая организация памяти программ, данных, битового сегмента. Схемотехника и назначение двунаправленных и квазидвунаправленных портов. Средства поддержки режима реального времени. Канал последовательного ввода-вывода. Типовые циклы ОЭВМ.

2.3. Обработка данных в МПС (7 час).

Программистские модели МП. Характеристика системы команд МП, форматы команд и данных, способы адресации данных. Слово состояния программы. Операции двоичной и десятичной арифметики. Обработка многобайтных операндов. Логические и сдвиговые операции. Работа с подпрограммами. Работа со стеком. Обработка прерываний.

Реализация типовых вычислительных процедур на МП типа i8080, i8085, i8051, Z80 и совместимых с ними МП (сложение, умножение, деление, сортировка и др.).

Реализация типовых функций управления (формирование управляющих сигналов, временных задержек, измерения временных интервалов, таймера реального времени, регистрации событий и др.).

Системы команд ОЭВМ. Программирование процедур обработки данных. Работа с портами ввода-вывода. Управление режимами реального времени. Взаимодействие микроЭВМ по последовательному каналу связи.

2.4. Организация МПС и микроконтроллерных систем (7 часов).

Понятие "ядра" МПС. МПС с трехшинной и двухшинной организацией. Типовые циклы системной магистрали. Адресное пространство МПС. Механизм управления доступом к памяти программ и данных, к внешним устройствам при совмещенном и изолированном вводе-выводе.

Системные контроллеры: основные функции и способы реализации. Типовые циклы чтения-записи памяти, ввода-вывода данных. Характеристика стандартных интерфейсов 8-разрядных МПС (И41, МПИ и др.).

Подсистема памяти. Общая характеристика применяемых ЗУ. Контроллеры динамических ЗУПВ.

Подсистема ввода-вывода. Виды взаимодействия МП по параллельным и последовательным каналам связи с внешними устройствами. Схемотехника портов ввода-вывода (буферные регистры и приемопередатчики, многорежимный буферный регистр). Синхронный и асинхронный ввод-вывод: схемы портов и программирование процедур ввода-вывода. Интерфейсы параллельной связи. Программируемый адаптер параллельного интерфейса; основные режимы работы, программирование адаптера, схема включения в МПС.

Интерфейсы последовательной связи: RS-232 и др., токовая петля. Универсальный программируемый адаптер последовательного интерфейса.

Система прерываний. Способы обработки прерываний в МПС: программный и аппаратный поллинг, векторные прерывания при децентрализованной системе прерываний и с применением контроллера прерываний. Схемы включения одного и нескольких контроллеров в МПС. Временные диаграммы обработки прерываний.

Программируемый интервальный таймер: функции, основные режимы работы и схема включения таймера. Программирование таймера. Примеры применения.

Контроллер прямого доступа к памяти; структура и программирование контроллера, схема включения в МПС, построение программы обмена данными.

Организация микроконтроллера на основе ОЭВМ, распределение адресного пространства памяти и устройств ввода-вывода. Построение МК-систем с расширенной памятью программ и данных. Организация сетей с распределенной обработкой.

Технические средства сопряжения с объектом управления (аналоговые мультиплексоры, АЦП и ЦАП).

Взаимодействие управляющей МПС с оператором: ввод данных с клавиатуры и отображение информации на дисплей. Обмен информацией с ЭВМ верхнего уровня.

2.5. Проектирование аппаратурных средств МПС на базе 16-разрядных МП (18 часов).

Базовая структура и интерфейс МП i8086, i8088, i80286. Особенности архитектуры МП последующих поколений.

Интерфейсы МПС: состав, временные диаграммы циклов обмена данными, арбитраж шины. Характеристика стандартных интерфейсов ISA, PCI и др. Особенности построения подсистем памяти и ввода-вывода. Режим прямого доступа к памяти и контроллеры ПДП. Обработка прерываний в 16-разрядных МПС. Минимальная и максимальная конфигурация МПС. Особенности построения МПС на основе i80x86. Средства сопряжения с ПЭВМ.

16-разрядные ОЭВМ. Классы. Функциональное назначение. Архитектура. Форматы данных. Виды адресации. Характеристика интерфейсов и системы команд. Периферийные модули современных микроконтроллеров (модули высокоскоростного ввода-вывода, процессоры событий, ШИМ-генераторы, серверы периферийных транзакций и др.).

Платформы промышленных микроконтроллеров.

Мультимикропроцессорные системы (ММПС). Основные конфигурации: сопроцессорная, сильно связанная, слабо связанная. Примеры и способы построения ММПС различной конфигурации. Методы разделения адресного пространства на системное и локальное.

Организация арбитража в ММПС. Подключение арбитра шины в МП-модуле. Взаимное подключение арбитров в ММПС. Области использования ММПС.

Транспьютеры и транспьютерные системы (ТС). Основные архитектурные отличия ТС. Пример современного транспьютерного комплекта и ТС на его основе.

2.6. Проектирование и средства отладки МПС (6 часов).

Влияние МП и ОЭВМ на процесс проектирования МПС. Программное и аппаратное проектирование как двуединый процесс разработки МПС. Основные этапы проектирования МПС.

Средства автономной отладки аппаратуры МПС. Логические и сигнатурные анализаторы, внутренние эмуляторы, отладочные комплексы.

Проектирование программного обеспечения МПС (микроконтроллеров). Средства подготовки программ (ассемблер, редактор связей, загрузчик).

Основы технологии разработки программного обеспечения для ОЭВМ с использованием ассемблера, сегменты (регистровый, оверлейновый регистровый, кодовый, данных, констант), псевдокоманды, средства модульного программирования, библиотечные функции.

Резидентные и кросс-программные комплексы для отладки целевых программ.

Визуальное программирование. Система разработки программного обеспечения сбора данных и управления для промышленного применения.

Программаторы. Программное обеспечение для тестирования и самодиагностики аппаратурных средств МПС.

Комплексная отладка МПС. Оценочные и отладочные комплексы. Комплексы развития. Внутрисхемные эмуляторы.

Заключение. Перспективы развития микропроцессорных систем. Открытые системы. Международные стандарты. Сертификация компонентов МПС в России и странах СНГ. Встроенные системы. Системы реального времени. Сети микроконтроллеров. Расширение сферы применения.

3. Темы семинарских занятий (17 часов).

1.Построение схем выборки устройств МПС (2 часа).

2.Проектирование устройств для измерения временных интервалов (2 часа).

3.Проектирование управляющих автоматов на однокристальном МП и микроконтроллере (2 часа).

4.Изучение микросхем МПК и способов их применения (2 часа).

5. Система команд и программирование на ассемблере типовых задач. На базе учебно- отладочного комплекса с ПЭВМ (3 часа).

6. Изучение кросс-программных средств. Отладка программ для микропроцессоров с помощью кросс-программных средств (2 часа).

7.Программирование и отладка программ обработки данных для ОЭВМ (2 часа).

8.Программирование режимов работы с таймерами (1 час).

9.Программирование режимов последовательного ввода-вывода (1 час).

4. Лабораторный практикум (17 часов).

На учебно-отладочных стендах УПМК-80, УПМК-86:

1. Интервальный таймер (3 часа).

2. Исследование адаптера параллельного интерфейса (3 часа).

3. Исследование адаптера последовательного интерфейса (3 часа).

4. Контроллер клавиатуры и дисплея (3 часа).

5. Изучение архитектуры 16-разрядной МПС (5 часа).

5. Примерные темы курсовых работ(51 час).

1. Пульт дистанционного управления на базе ОЭВМ.

2. Логический контроллер для формирования управляющих сигналов.

3. Система сбора и регистрации сигналов.

4. Система терморегулирования камеры.

5. Система охранной сигнализации.

6. Система контроля работы конвейера.

7. Стенд контроля качества изделия (платы ТЭЗа, ИС и др.)

8. Контроллер взаимодействия с панелью оператора.

9. Контроллер графопостроителя планшетного типа.

10. Оценочный модуль для тестирования программ ОЭВМ.

11. Внутрисхемный эмулятор.

12. Логический анализатор.

13. Распределенная сеть для сбора данных на основе ОЭВМ.

6. Самостоятельная проработка курса (17 час.).

Темы, выносимые на самостоятельную проработку:

1. Особенности архитектуры высокопроизводительных МП с CISC- и RISC-архитектурой (6 час.).

2. Транспьютеры и транспьютерные системы( 6 час.).

3. CAN-интерфейс (5 час.).

7. Методические указания по изучению дисциплины.

При проведении лабораторных работ и семинаров используются учебно-отладочные комплексы УПМК-80, УПМК-86, микроконтроллеры МК51 в составе ПЭВМ. Используемое программное обеспечение - AVSIM8085, AVSIM8051.

Курсовые работы выполняются по типовым заданиям и нацелены на закрепление теоретических основ построения МПС в конкретных применениях. Студенты помимо выполнения схемотехнических решений должны научиться решать задачи, требующие программирования типовых процедур обработки данных и управления реальными устройствами (составлять с соблюдением требований ГОСТ схемы алгоритмов, спецификацию к программам, выполнять отладку написанных программ).

Индивидуальная работа по предлагаемым темам выполняется путем работы с документами, получаемыми из Internet, либо при наличии доступных литературных источников.

8. Литература.

8.1. Основная литература.

1. Н.Н.Щелкунов, А.П.Дианов. Микропроцессорные средства и системы. М.: "Радио и связь", 1989 г.

2. В.В.Сташин, А.В.Урусов, О.Ф.Мологонцева Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. М., "Энергоатомиздат", 1990г.

3. Современные микроконтроллеры. Под ред. И.В.Коршуна. М.,"Аким", 1998 г.

4. В.К.Злобин, В.Л.Григорьев. Программирование арифметических операций в микропроцессорах. М.:"Высшая школа", 1991 г.

5. В.Ф.Козаченко. Микроконтроллеры. М., "Эком", 1997 г.

6. Б.М.Каган,.В.Сташин Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики". М.:"Энергоатомиздат", 1987 г.

7. Бродин В.Б., Шагурин М.И. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс. Справочник. М., "Эком", 1999 г.

8. Микропроцессоры. Под.ред. Л.Н.Преснухина. В 3-х кн. М.: "Высшая школа", 1986г.

9. Ю-Чжен Лю, Г.Гибсон. Микропроцессоры семейства 8086/8088. М., Радио и связь, 1987 г.

10. С.Б.Домнин, Е.А.Иванов, Л.Л.Муренко. Средства комплексной отладки микропроцессорных устройств. М., Энергоатомиздат, 1988 г.

8.2. Дополнительная литература.

1. Однокристальные ЭВМ. Справочник. М., " Бином", 1994 г.

2. И.И.Шагурин Микропроцессоры и микроконтроллеры фирмы Motorola. М., "Радио и связь", 1998 г.

3. В.В. Гребнев. Однокристальные микроЭВМ семейства АТ89 фирмы Atmel. ЭФО. Санкт-Петербург. 1998. 76 стр.

4. Ю.В.Новиков, О.А.Калашников, С.Э.Гуляев. Разработка устройств сопряжения. М.,"Эком", 1997 г.

5. М.Рафикузаман. Микропроцессоры и машинное проектирование микропроцессорных систем. В 2-х кн. М.:"Мир", 1988 г.

6. Дж.Коффрон, В.Лонг. Расширение микропроцессорных систем. Пер. с англ. М.: "Машиностроение", 1987г.

7. А.И.Белоус, О.Е.Блинкова, В.В.Силин. Биполярные микросхемы для интерфейсов систем автоматического управления. Л. .-"Машиностроение", 1990г.

8. А.А.Мячев, В.В.Иванов. Интерфейсы вычислительных систем на базе мини-и микро-ЭВМ. М.: "Радио и связь", 1986 г.

Автор программы к.т.н., доцент В.Я.Хартов

Заведующий кафедрой ИУ-6 д.т.н В.В.Сюзев

Председатель методической комиссии факультета

д.т.н., профессор В.Н. Четвериков

Руководитель НУК ИУ профессор В.А.Матвеев

Начальник методического отдела Н.В.Васильев