Микро-ЭВМ (микроконтроллер) на базе МК8051.
Вопрос 1
Конфигурация аппаратных и программных средств систем управления.
В цифровых устройствах находят применение два способа реализации алгоритмов управления: аппаратурный и программный. Чтобы получить общее представление об этих способах, рассмотрим алгоритм вычислений по уравнению Z=(AX+Y)*(BY-X). Алгоритм состоит из пяти шагов: 1) A+X=M, 2)M+Y=N, 3)B*Y=K, 4)K-X=L, 5)N*L=Z, где A,B,X,Y – входные переменные; M, N, K, L, Z – переменные, присвоенные результатам выполнения соответствующих операций.
Для аппаратной реализации алгоритма из пяти действий необходимо устройство, состоящее их пяти операционных блоков, каждый из которых выполняет одну из операции алгоритма. Структурная схема такого устройства показана на рисунке 1. Так как обработка информации ведется одновременно в нескольких блоках, то рассмотренное устройство реализует алгоритм очень быстро.
При программном режиме все операции выполняются в последовательном режиме одним универсальным операционным блоком, называемым арифметическо-логическим устройством (АЛУ). Программа состоит из отдельных команд, каждая из которых определяет, какие переменные в данный момент необходимо подать на входы АЛУ и какую операцию в это время должно выполнить АЛУ. Помимо АЛУ необходимо дополнительное оборудование: запоминающее устройство (ЗУ) – для хранения исходных и промежуточных переменных, а также команд программы; устройство управления (УУ) – организующее обмен данными и командами между АЛУ и ЗУ; устройство ввода-вывода (УВВ) – для ввода исходных данных и программ и вывода результатов обработки. Устройство управления и АЛУ образуют процессор ЭВМ. Структурная схема устройства для программной обработки данных приведена на рис. 2. Основным его достоинством является универсальность структуры, пригодной для работы по любому алгоритму. При изменении решаемой задачи не требуется проводить каких-либо переделок внутри отдельных блоков или в схемах их соединений – достаточно занести в ЗУ новую программу обработки.
|
|
|
Сравнение двух способов преобразования информации показывает, что выполнение алгоритма при помощи аппаратурных средств происходит значительно быстрее, чем программным путем. Кроме того, при простых алгоритмах материальные затраты на реализацию первого устройства будут меньше затрат на программно-управляемый вычислитель. Однако аппаратурный способ имеет и очень серьезные недостатки: во-первых, полученное устройство (см. рис. 1) не универсально, т.к. оно реализует только один алгоритм; во-вторых, число операционных блоков, равное числу шагов алгоритма, быстро растет при увеличении сложности решаемых задач.
|
|
|
Схема виртуальной мини ЭВМ.
Вопрос 2
Микро-ЭВМ (микроконтроллер) на базе МК8051.
Система команд – это характерный для данного ЦП набор двоичных кодов, определяющих перечень всех его возможных операций. Каждый такой код определяет одну операцию и называется кодом операции или командой. …. МК8051 – восьмиразрядный, поэтому коды операций у него имеют размер 8 бит. Теоретически может быть всего 256 восьмибитных кодов операций. В 8051 используются 255.
В зависимости от числа использованных кодов операций системы команд подразделяют на две группы: C1SC и RISC. Термин CISC означает сложную систему команд и является аббревиатурой английского определения Complex Instruction Set Computer. Аналогично термин RISC означает сокращенную систему команд и происходит от английского Reduced Instruction Set Computer. Систему команд МК 8051 можно отнести к типу CISC. Смысл RISC- архитектуры в таком подборе комбинаций КОПов, которые могут быть выполнены за 1 такт ТГ, что упрощает … реализацию ЦП, повышает его производительность и снижается… Система команд МК семейства Microchip PIC16 включает в себя всего 35 инструкций и может быть отнесена к типу RISC. Одной команде CISC-архитектуры соответствуют несколько команд RISC-архитектуры. Выигрыш от повышения быстродействия в рамках RISC-архитектуры перекрывает потери от менее эффективной системы команд, что приводит к более высокой эффективности RISC-системы в целом. Фирма Amtel при создании МК семейства AVR совместила свойства CISC и RISC. RISC – система команд 120 инструкций (CISC), большинство из которых выполняется за 1 такт.
|
|
|
Тактовый генератор вырабатывает импульсы для синхронизации работы всех узлов устройства. Частоту их следования могут задавать кварцевый резонатор или RC- цепь, подключаемые к выводам МК. В некоторых МК предусмотрен режим работы тактового генератора без применения внешних элементов. В этом случае частота тактовых импульсов зависит от параметров кристалла, определяемых в процессе его производства.
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, предназначенное для хранения программ, поэтому эту память называют кодовой или памятью программ. До недавнего времени существовало две основные разновидности ПЗУ – масочные и программируемые.
В масочные ПЗУ информацию заносят в процессе изготовления МК с помощью технологических шаблонов – масок. Изменить ее после окончания производственного цикла невозможно, но они дешевые.
|
|
|
В программируемые ПЗУ информацию записывают с помощью устройства, называемого программатором. МК с такими ПЗУ бывают двух типов: однократно и многократно программируемые (перепрограммируемые). Первые МК с ОТР-памятью – от англ. One Time Programmable. Используют их в мелкосерийном производстве (до 1000 шт.), когда применение масочных МК экономически не оправдано.
Многократно программируемые микросхемы подразделяются на МК, оснащенные ПЗУ со стиранием ультрафиолетовым облучением (выпускаются в корпусах с «окном»), и МК с электрически перепрограммируемой памятью. Недостаток МК с ПЗУ со стиранием ультрафиолетовым облучением – очень высокая стоимость и относительно небольшое число циклов записи/стирания (зависит от суммарной дозы облучения кристалла и обычно не превышает 15…20).
Наиболее прогрессивной является новая технология реализации ПЗУ – Flash-память. Ее главное достоинство в том, что она построения на принципе электрической перепрограммируемости, т.е. допускает многократное стирание и запись информации с помощью программаторов. Минимальное гарантированное число циклов записи/стирания превышает несколько тысяч, что позволяет вносить изменения в программу МК как на этапе разработки системы, так и в процессе его работы в реальном устройстве.
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, используемое для хранения данных (эту память называют памятью данных). Число циклов чтения и записи в ОЗУ не ограничено, но при отключении питающего напряжения вся информация теряется.
Архитектура МК 8051 предполагает раздельное использование памяти программ и данных и носит название гарвардской. Такую архитектуру используют для повышения быстродействия системы за счет разделения путей доступа к памяти программ и данных, но в 8051 она была применена с целью получения памяти программ и данных, не требующих одинакового размера. Антипод гарвардской – архитектура фон Неймана – предполагает хранение программ и данных в общей памяти и наиболее характерна для микропроцессоров, ориентированных на использование в компьютерах. Примером могут служить микропроцессоры семейства х86.
Таймеры ТО, Т1 – шестнадцатиразрядные программируемые таймеры/счетчики. Их можно использовать для точного формирования временных интервалов, подсчета импульсов на выводах МК, формирования последовательности импульсов, тактирования приемопередатчика последовательного канала связи NUART. Таймеры/счетчики способны вырабатывать запросы прерываний, переключая ЦП на их обслуживание по событиям и освобождая его от необходимости периодического опроса состояния таймеров. Поскольку основное применение МК находят в системах реального времени, таймеры/счетчики являются их обязательным элементом. В некоторых модификациях число таймеров достигает 32.
Последовательный порт – канал информационного обмена МК с устройствами, удаленными на расстояние более 10-12 м. Такие каналы связи занимают минимальное число выводов кристалла, обеспечивая связь на значительные расстояния с минимальными аппаратными затратами. В 8051 реализован универсальный асинхронный последовательный приемопередатчик (UART), поддерживающий протокол стандарта RS-232C, что обеспечивает возможность организации связи этого МК с персональным компьютером. Кроме RS-232C, популярными протоколами являются RS-485, I2C (двухпроводная двунаправленная шина), SPI (последовательный периферийный фейс), Bitbus (последовательная магистраль управления), CAN (межконтроллерный сетевой интерфейс), USB (универсальная последовательная шина) и некоторые другие.
Параллельные порты ввода/вывода – также обязательная часть любого МК. Обычно их используют для связи с ближайшим окружением – датчиками и исполнительными механизмами.
Важная особенность параллельных портов МК – возможность программирования на выполнение нескольких функций. Например, в 8051 выводы портов Р0 и Р2 могут использоваться либо как обычные статические регистры ввода/вывода, либо в качестве шины адреса и данных для подключения внешних устройств, таких как дополнительная память программ, память данных, устройства ввода/вывода. Это придает МК архитектурную гибкость. Порт Р3 может либо использоваться как статический регистр ввода/вывода, либо выполнять специальные функции для работы последовательного канала, таймеров, контроллера прерываний и т.д. Возможность перепрограммирования позволяет с максимальной эффективностью задействовать все выводы МК в проектируемом устройстве.
Система прерываний, как часть систем реального времени определяет время реакции СУ на внешние события. Для каждого события разрабатывается отдельный фрагмент кода, который формирует реакцию МК на него. Этот фрагмент кода называют подпрограммой обработки запроса на прерывание (для краткости используют термин подпрограмма прерывания) и размещают в памяти программ по известному адресу. В момент возникновения ожидаемого события сигнал об этом поступает на вход контроллера прерываний. Последний представляет собой устройство, устанавливающее однозначное соответствие между входным сигналом о происшедшем событии и адресом программной памяти, по которому размещена точка входа в подпрограмму обработки запроса прерывания от данного события. Контроллер прерывает выполнение ЦП текущей программы и инициирует его переход на выполнение подпрограммы обработки прерывания. Время, прошедшее с момента возникновения события до начала выполнения первой инструкции подпрограммы прерывания, называют временем реакции МК на событие. После окончания обработки ЦП автоматически возвращается к выполнению прерванной программы.
Другая функция контроллера прерываний – установка приоритетов событий. Понятие приоритет означает, что выполняемая подпрограмма прерывания может быть прервана другим событием только при условии, что оно имеет более высокий приоритет, чем текущее. В противном случае ЦП перейдет к обработке нового события после окончания обработки предыдущего. Контроллер прерываний, входящий в состав МК 8051, имеет пять входов событий: два от ближайших внешних устройств, два от таймеров и один от последовательного канала.
Вопрос 3
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 566; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!