Лекции по «Проектированию и программированию микропроцессорных систем управления»

 

 

 

ИНТСТИТУТ ПРОБЛЕМ ИСКУСССТВЕННОГО  ИНТЕЛЛЕКТА

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекции по курсу

«Проектирование и программирование микропроцессорных  систем управления»

Разработчики курса: Поливцев С.А. – к.т.н., нач. отдела Интеллектуальных

Робототехнических Систем (ИРТС);

      Цыбульник Е.С.  – научный сотрудник  ИРТС. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г.Донецк 2011

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.  Введение, цели и  задачи курса    ………………………………………………………………    3

2.  Историческая справка ………………………………………………………………………….     4

3.  Структурная организация  типового микроконтроллера МК51 ……………………………..     7

4.  Методология проектирования  систем на основе МП и МЭВМ  …………………………….     8

5. Описание микроконтроллера C8051F310/311 ………………………………………………    12

1. Краткий обзор ………………………………………………………………………………    12

2. Предельно допустимые параметры ………………………………………………………     24

3. Основные электрические параметры  …………………………………………………… .    25

4. Описание корпусов и выводов  ……………………………………………………………    26

5. 10-разрядный АЦП …………………………………………………………………………    30

6. Источник опорного напряжения  …………………………………………………………     44

7. Компараторы …………………….…………………………………………………………     46

8.4. Режимы управления электропитанием     ………………………………………………     53

9. Источники сброса ………………………….………………………………………………     55

10. Flash-память ………………………………………………………………………………     60

11. Встроенная память XRAM ………………………………………………………………     70

12. Генераторы …………………………………………………………….…………………     72

13. Порты ввода/вывода ……………………..………………………………………………     76

14. SMBus ……………………………………..………………………………………………     87

15. UART0 ……………………………………..………………………………………………     103

16. Модуль расширенного SPI (SPI0) ……..………………………………………………       111

17. Таймеры ………………………………………………………………………………………       122

18. Программируемый массив  счетчиков ………………………………………………………       137

 

 

 

 

Список использованных источников ……………………………………………………………

 

 

 

 

 

 

1. Введение, цели и задачи курса

Приведем наиболее известные области  применения микроконтроллеров:

- пульты дистанционного управления  различными приборами и устройствами;

- устройства управления бытовой  техникой – стиральные машины, плееры и т.п.;

- устройства связи – начиная  от радиотелефонов, мобильных телефонов  и до учрежденческих 

миниАТС;

- робототехника – сенсоры, исполнительные  механизмы;

- вычислительная техника – в  каждой ПЭВМ встроено до 10 микроконтроллеров  различного назначения и производительности, включая управление видеокартой, звуковой картой, дисководом, управление жестким диском, клавиатура, мышь и т.д.;

- автомобильная техника – управление  двигателем, управление блокировкой  колес, управление системой безопасности и система автопарковки;

- военная и аэрокосмическая  техника – управление системами  наведения, работа в составе  систем обнаружения противника, системы распознавания свой-чужой  и т.п.

Из этого, довольно краткого перечня  следует, что в настоящее время  задачи, требующие

довольно сложных логических вычислений и быстрой реакции на внешние  воздействия или требующие длительной безотказной работы при минимуме энергопотребления, решаются применением  микроконтроллеров.

По сути, применение микроконтроллеров  минимизирует финансовые и временные затраты на разработку конечного изделия, позволяет быстро выпустить на рынок товар с новыми “интеллектуальными” свойствами, что в мире современной конкуренции является определяющим фактором для успешного существования предприятия.

Основной целью данного курса является ознакомление студентов с принципами

организации микропроцессоров применяемых  в различных системах управления и, более конкретно, с работой  и организацией программирования однокристального микроконтроллера с системой команд МК51 на базе современного изделия фирмы Silicon Labs (США) типа C8051F310. Данный микроконтроллер имеет высокую производительность, встроенные аналоговые и цифровые устройства.

Основной задачей курса является обучение студентов выбору микроконтроллера, программированию микроконтроллера на языке высокого уровня – С, запись программ в микроконтроллер, отладка программ в реальном времени.

В курсе не рассматривается система  команд микроконтроллера – она является типовой,

стандартной, и описана во многих источниках. 
2. Историческая справка

К началу 70-х годов  были созданы сложные системы. Возникла потребность в передаче части  функций управления периферийным устройствам, расположенным рядом с объектом управления. К концу 60-х годов  в технике стала проявляться тенденция к децентрализации управления. Для этого требовались недорогие, малогабаритные и надежные вычислители. С другой стороны электрическая промышленность к этому времени способна была производить интегральные микросхемы (ИМС) до 3-го уровня интеграции. Разрешением этого противоречия явилось создания микропроцессора (МП). МП появился в 1971 году, как результат разрешения противоречий между потребностью в разнообразных больших интегральных схемах (БИС) в небольших количествах для конкретных применений и нерентабельностью производства таких БИС.

Микропроцессор — это программоуправляемое устройство, предназначенное для обработки информации и управления процессом этой обработки, выполненные на одном или нескольких кристаллов.

МП содержит арифметико–логическое устройство (АЛУ), устройство управления, сверхоперативную память (регистры общего назначения РОН), средство внутреннего и внешнего интерфейса.

МП бывают однокристальными и многокристальными. В однокристальном микропроцессоре  вся архитектура размещается в одной микросхеме. Если требуемая архитектура МП современными технологическими средствами не может быть размещена на одном кристалле, то структуру МП разбивают на функционально завершенные части и реализуют их на отдельных кристаллах. Многокристальные микропроцессоры собираются на печатной плате из нескольких микросхем.

Можно отметить четыре этапа развития вычислительных систем.

Первый этап (1944–1955 гг.) — ламповые ЭВМ универсального назначения, ориентированные на решение научно–технический задач. Использование пакетов стандартных программ.

Второй этап (1955–1964 гг.) — ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах, расширение сфер применения ЭВМ. Широкое внедрение управляющих ЭВМ. Развитие специализированных ЭВМ, обладающих повышенными характеристиками надежности и быстродействия, уменьшение аппаратных затрат за счет узкой специализации. Развитие алгоритмических языков.

Третий этап (1964–1971 гг.) — ЭВМ третьего поколения на основе ИС. Разработка программно–совместимых и аппаратно–расширяемых ЭВМ для научно–технических и коммерческих расчетов, а также агрегатных средств вычислительной техники для управления производственными процессами. Создание бортовых информационно-управляющих систем. Разработка современных систем программного обеспечения.

Четвертый этап (1971–1975 гг.) — развитие ЭВМ четвертого поколения на основе БИС. Интенсивное развитие проблемно–ориентированных микро и мини-ЭВМ. Развитие систем с разделением времени, систем коллективного пользования.

Пятый этап (с 1975 г.) — разработка последующих поколений ЭВМ на основе БИС повышенной степени интеграции. Создание распределенных вычислительных систем с «интеллектуальными» абонентскими пунктами. Совершенствование периферийного оборудования. Создание специализированных функциональных модулей- «расширителей» – для повышения производительности вычислительных и управляющих систем.

В 80-х годах японцы объявили о  создании поколения ЭВМ (японский вызов), которое характеризовалось многопроцессорной  организацией с производительностью  более 100 млн. операций в секунду, объемом ОЗУ более 10 Мбайт. Предполагалось голосовое и визуальное общение оператора с ЭВМ. В дальнейшем были разговоры о 6 и 7 поколении, но научно–техническая элита прекратила деление на поколения. Инженерам нужна классификация микропроцессора и ЭВМ по их техническим характеристикам и сфере применения. ЭВМ бывают не только цифровые, но и аналоговые, а также гибридные. Аналоговые вычислительные машины АВМ специализируются на решении дифференциальных уравнений. В отличие от ЦВМ АВМ выполняет любую операцию с погрешностью и не может долго хранить информацию. Но АВМ справляется с решением дифференциальных уравнений высокого порядка или в частных производных легче и быстрее чем ЦВМ.

Микропроцессор является основой  ЭВМ. Первый МП появился в 1971 году, он был разработан американской фирмой INTEL. Микропроцессор содержал на кристалле около одной тысячи вентилей p–МОП технологии. Выделяют 3 поколения микропроцессоров.

Первое поколение (1971–1973 гг.). Эти МП обладают малой разрядностью (четыре и восемь разрядов), изготовляются по наиболее простой p-канальной МОП–технологии и обладают невысоким быстродействием (тактовая частота изменяется от 100 до 800 кГц, время выполнения команд от 10 до 60 мкс). Они также имеют простую структурную организацию, жесткое аппаратное управление или, как иногда говорят, программное управление с жесткой логикой и неразвитую систему команд. Типичными примерами МП первого поколения являются микропроцессоры типов 4004, 4040, 8008 фирмы Intel.

Второе поколение (1973–1975 гг.). Эти МП с жестким аппаратным управлением обладают словом из 8–16 разрядов, изготавливаются по более прогрессивной технологии (n–МОП) и обеспечивают среднее быстродействие. Тактовая частота изменяется от 0,8 до 2 МГц, время выполнения команды от 2 до 8 мкс. Кроме того, МП второго поколения обладают более совершенной структурой, содержат более мощную и эффективную систему команд. Типичными примерами МП второго поколения являются МП типа 8080 фирмы Intel, M6800 фирмы Motorola, F8 фирмы Fairchild.

Третье поколение (1974–1976 гг.). Эти МП обладают высоким быстродействием, имеют более совершенную структурную организацию, более развитый интерфейс, эффективную систему команд, и изготовляются на основе передовой технологии (n–канальной МОП, ТТЛ, ТТЛШ, инжекционной интегральной логики или кремний на сапфире). Они часто бывают 16–разрядными или имеют наращиваемую разрядность и микропрограммное управление. Типичными примерами МП третьего поколения являются микропроцессоры типа 3000 фирмы Intel, 5701/670 фирмы Monolithic Memories, RP-16 фирмы Raytheon Semiconductor.

В настоящее время  микропроцессоры можно разделить  на четыре больших класса:

1. Универсальные (вычислительные МП) – это микропроцессоры для ПЭВМ и для микропроцессорных систем общего назначения. Характеризуются полным набором команд, развитой системой адресации, высоким быстродействием за счет применения конвейерной обработки команд и применения буферной сверхоперативной памяти. Достоинства – высокая скорость, большой объем памяти. Количество команд–70, ориентированы они на выполнение любого алгоритма за приемлемое время. Приемлемое время – это такое время, которое не приводит к существенному уменьшению качества системы. Качество характеризуется точностью и устойчивостью.
2. Однокристальные МЭВМ (ОМЭВМ). В одном кристалле присутствует МП, память данных, память программ, различные устройства ввода-вывода и встроенный генератор тактовых импульсов. Архитектура однокристальных микро-ЭВМ отлична от классической архитектуры. Отличие состоит в физическом и логическом разделении памяти программ и данных. Характеризуется полным набором команд. Внешний интерфейс предназначен для прямого подключения к объекту. Применение: автоматизация периферийных устройств ЭВМ, современных приборах.
3. Сигнальные процессоры или цифровые процессоры обработки сигнала (ЦПОС) – это специализированные микропроцессоры с сокращенным набором команд, имеющие встроенную память данных и программ, а также некоторые устройства ввода–вывода. Архитектура ЦПОС гарвардская и супергарвардская. Магистрали памяти и данных в ЦПОС разделены архитектурой полностью. В супергарвардской архитектуре между магистралями имеется логическая перемычка, позволяющая передавать информацию между магистралями. СМП отличается от обычного микропроцессора наличием трех вычислительных устройств: АЛУ, умножителя, сдвигателя. Производительность сигнального процессора при решении специальных задач существенно превышает производительность универсального МП за счет параллельного выполнения операций и одновременной пересылки разной информации по четырем магистралям (шинам). В настоящее время быстродействие СМП составляет около двух миллиардов операций в секунду. Сигнальный МП успешно справляется с теми задачами, которые ранее выполняли специальные микропроцессоры: конвольверы (МП для вычисления ковариации потоков данных, МП быстрого преобразования Фурье для спектрального анализа) и др.
4. Транспьютеры – это специальные МП с сокращенным набором команд ориентированные на коммуникационные задачи. Их архитектура характеризуется:

– Структурно-логическая организация простая – ориентированная на быструю передачу данных по многим каналам и направлениям.

–  Система  команд сокращенная, ориентированная  на коммуникационные задачи.

– Интерфейс  расширенный, приспособленный для  быстрого обмена по многим каналам  одновременно.

 

3. Структурная организация  типового микроконтроллера МК51

 

Однокристальные микроЭВМ (ОМЭВМ) часто называют микроконтроллером, так как их система команд расширена  в пользу выполнения логических операций. Особенность архитектуры ОМЭВМ  следующая: 

1. Cтруктурно - логическая организация  не является классической (’’фон  – неймановской’’), а именно, память  данных и память программ осуществляется  разными командами, а для внешней  памяти используются разные сигналы.  Кроме АЛУ, УУ и регистров,  ОМЭВМ содержит небольшую память данных (от 4КБ до 32КБ , таймеры , массивы защелок, порты с выводом во внешнюю среду (порт-это регистр), супервизор питания, часы реального времени, тактовый генератор, АЦП с мультиплексором, контроллеры последовательных интерфейсов.

Широкое распространение  получило представление о том, что  в микропроцессорах, архитектура  которых опирается на аккумулятор, большинство команд работают с ним, используя адресацию "по умолчанию" (неявную). В МК51 дело обстоит иначе. Хотя процессор в МК51 имеет в своей основе аккумулятор, однако он может выполнять множество команд и без участия аккумулятора. Например, данные могут быть переданы из любой ячейки РПД в любой регистр, любой регистр может быть загружен непосредственным операндом и т.д. Многие логические операции могут быть выполнены без участия аккумулятора. Кроме того, переменные могут быть инкрементированы, декрементированы и проверены (test) без использования аккумулятора. Флаги и управляющие биты могут быть проверены и изменены аналогично.

5. Методология проектирования систем на основе МП и МЭВМ

Здесь рассматриваются этапы проектирования устройств. Для решения поставленной задачи целесообразно привлекать схемотехника, программиста, специалиста в отрасли  для которой создается устройство. При разработке систем на основе МП необходимо придерживаться определенных правил и рекомендаций, несоблюдение которых является причиной многих неудачных проектов. Возможны различные варианты построения микро-ЭВМ, каждому из которых будут соответствовать специфические подходы к проектированию: простые микро-ЭВМ, разработка которых может выполнена одним специалистом; микро-ЭВМ, требующие для разработки большие по составу группы.