Лекции по «Проектированию и программированию микропроцессорных систем управления»

Модель процесса проектирования простых  микро-ЭВМ представлена в форме сетевого графа. Средняя часть графа содержит четыре параллельных и в известных пределах независимых ветви: разработка и изготовление систем ввода-вывода; разработка остальной аппаратной части; разработка математического обеспечения; разработка тестового обеспечения, необходимого для проверки работоспособности микро-ЭВМ.

1. — системный формализатор,
2. — выбор структуры МПС,
3. — выбор МП,
4. — заказ ядра,
5. — разработка УСО (устройства сопряжения с объектом),
6. — изготовление УСО,
7. — наладка,
8. — написание тестового и диагностического программного обеспечения,
9. — наладка диагностического программного обеспечения,
10. — наладка тестового программного обеспечения,
11. — написание основного программного обеспечения,
12. — отладка основного программного обеспечения,
13. — комплексная отладка,
14. — изготовление технической документации.

В рассматриваемой модели до разработки ПО предусмотрен системный этап, необходимый  для детального изучения назначения системы. Следует обратить внимание на то, что системная разработка заканчивается до выбора МП, а не после. Определяющее значение для времени выполнения проекта имеет время изготовления плат процессора и памяти или получения уже готовых плат. В последнем случае до поступления плат можно выполнить разработку и изготовление оборудования системы ввода-вывода, необходимого для сопряжения микро-ЭВМ с внешними объектами, и составить план его проверки.

После получения плат процессора и  памяти и изготовления микро-ЭВМ  осуществляется двухступенчатая проверка. На первом этапе в память микро-ЭВМ загружаются диагностические программы для проверки работоспособности и настройки специализированного оборудования ввода-вывода. При правильном функционировании системы можно загрузить программы реального применения и, используя их совместно с оборудованием специальной тестовой системы, окончательно проверить работу микро-ЭВМ.

Системное проектирование.

Так же, как и при выполнении системного этапа при проектировании любых ЭВМ, с самого начала должны быть определены и документированы  основные характеристики разрабатываемого устройства. Всякая неясность и неоднозначность обязательно приведут к последующим проблемам. Разработчики и изготовитель микро-ЭВМ могут интерпретировать характеристики не так, как заказчик, и это может привести к необходимости переделки всей уже выполненной работы. Результатом этого этапа должна быть структурная схема микро-ЭВМ. Очевидно, что здесь же должны быть определены все входные и выходные сигналы, их электрические и временные характеристики.

При разработке простых микро-ЭВМ и микро-ЭВМ средней сложности желательно на этом этапе составить «служебный обзор», в котором форма задания функциональных характеристик заказчика заменяется более удобной для разработчика. Это может быть конкретизированное или формализованное описание, которое представляется для согласования заказчику. В результате должно быть достигнуто полное понимание и единое толкование этого документа. В то же время можно внести предложения по улучшению микро-ЭВМ, которые могут заинтересовать заказчика.

Выбор микропроцессора.

Выбор МП–достаточно сложная процедура, при которой нужно учитывать  множество факторов. Если, например, доступна только одна модель МП, то проблема выбора сводится к ответу на вопрос: можно ли построить микро-ЭВМ  с требуемыми характеристиками на основе этого МП. При разработке микро-ЭВМ с предполагаемым большим объемом выпуска выбор, а затем проверка правильности принятого решения потребуют значительного времени.

Одним из главных критериев при  выборе МП является быстродействие. Время  выполнения операции сложения в МП может служить лишь грубой оценкой. Наибольшая точность оценки, безусловно, может быть получена только из анализа использования МП для предполагаемого применения. Самым распространенным методом такой оценки является использование бенчмарковских программ (БПр). БПр–это программа решения на анализируемом микропроцессоре такой задачи, которая по составу операций соответствует классу задач предполагаемого применения. Обычная длина БПр–100–200 команд. В состав ее обязательно должны входить операции по вводу и выводу информации. В качестве БПр для задач, связанных с выполнением вычислений, могут, например, использоваться программы арифметической обработки. Важным достоинством процедуры выбора МП на основе БПр является то, что она не только определяет время решения задачи на конкретном микропроцессоре, но и вскрывает достоинства и недостатки его системы команд для заданной области применения.

Предварительный просмотр сводной  таблицы с характеристиками доступных  микропроцессоров обычно позволяет выбрать 3–4 модели, которые в дальнейшем и следует исследовать на соответствие требованиям технического задания. Начинать анализ целесообразно с МП со средним быстродействием. Составив для него БПр, следует проверить ее правильность на числовых примерах, а затем вычислить время ее выполнения для трех случаев: простейшего, среднего и наихудшего. Если проверка покажет, что БПр дает неудовлетворительные временные показатели, то следует использовать один из двух возможных подходов:

–повторить разработку для этого же МП, но перераспределить при этом программные и аппаратные средства таким образом, чтобы обеспечить требуемые характеристики по быстродействию

–выбрать более быстродействующий  МП.

Если быстродействие микро-ЭВМ  превышает необходимое, то, значит, имеются возможности для сокращения аппаратных затрат переложением функций соответствующего устройства на программные средства. При проектировании следует помнить, что большее быстродействие достигается и более дорогой ценой.

Разработка аппаратной части микро-ЭВМ.

Разработка аппаратной части микро-ЭВМ  должна начинаться с разработки ее процессора, поскольку в дальнейшем она может использоваться для  проверки других устройств. Особенностью процессора микро-ЭВМ является его  реализация на базе одной или нескольких стандартных БИС микропроцессора, схема соединения и режимы работы которых регламентированы техническими условиями на этот МП. Поэтому разработка процессора складывается обычно из ряда этапов по разработке вспомогательного оборудования, которое позволяет упростить проверку и отладку процессора.

Первым должен быть разработан и  изготовлен генератор тактовых импульсов. Генератор может быть единственным элементом, необходимым для запуска  МП.

Если микро-ЭВМ будет реализована  на большом числе ИС, а рабочая  программа достаточно сложна, то потребуется разработка и изготовление пульта. Пульт должен иметь индикацию состояния адресной шины и шины данных. Наконец, необходимо предусмотреть средства для ввода данных и команд в ОЗУ непосредственно с пульта. Проверку следует начать в выполнения команды условного перехода, которая передает управление самой себе. Это позволит, во-первых, убедиться в работоспособности МП, во-вторых, исследовать временную диаграмму работы МП с помощью осциллографа. На основе памяти в 16 слов можно проверить выполнения всех команд, а позже проверить работоспособность остальной аппаратуры микро-ЭВМ.

Запоминающие устройства занимают большую часть БИС микро-ЭВМ; их стоимость может составлять до 70% аппаратурных затрат микро-ЭВМ. В систему  памяти входят внутренние и внешние ЗУ. Обычный состав внутренней памяти – несколько БИС постоянных, полупостоянных и оперативных ЗУ. Различные БИС ЗУ подключаются одинаковым образом к шинам адреса и данных, их количество ограничено нагрузочной способностью шин; однако в состав МПК входят буферные схемы, позволяющие снять эти ограничения.

Программы микро-ЭВМ и константы, как правило, хранятся в ПЗУ как  в наиболее надежном и дешевом  типе памяти. Очевидно, что отладка  программ должна проводиться при  использовании оперативного или полупостоянного ЗУ.

Разработка системы  ввода-вывода.

Характеристики микро-ЭВМ в значительной степени определяются организацией обмена информацией между МП, основной памятью и внешними устройствами. Сложность этого этапа обуславливается  тем, что связь БИС, входящих в МПК, обычно функционально и структурно строго регламентирована руководящими техническим материалом, специфика микро-ЭВМ, предназначенной для конкретного применения, определяется исключительно внешними устройствами микро-ЭВМ и их связью с МП и основной памятью. На аппаратуру, обеспечивающую этот интерфейс, в некоторых случаях приходится 60–80% общих аппаратурных затрат. В функции интерфейса обычно входят операции по дешифрации адреса устройства, синхронизации обмена, согласование информационных и управляющих сигналов, дешифрация кода команды, генерирование запросов на прерывание процессора и др.

Использование более эффективных  методов обмена с помощью системы  прерываний или режима прямого доступа  в память связано с введением  дополнительных аппаратурных затрат и поэтому должно быть оправдано требованиями конкретного применения микро-ЭВМ. Если от системы прерываний требуется выбор одного из нескольких внешних устройств, то она может быть предельно упрощена за счет программной реализации ее функций.

При больших объемах передаваемой информации удельный вес затрат времени  и программной память на вход в  режим прерывания и выход из него становится слишком большим, в таких  случаях может оказаться более  эффективным режим прямого доступа  в память.

Разработка средств обеспечения обмена информацией заключается в выборе способа передачи информации, определении методов реализации отдельных функций канала и покрытии структурных решений компонентами какой-либо системы элементов.

Этап разработки и  изготовления УСО. Сопряжение МП с объектом требует разнообразных преобразований сигналов. Как правило, имеется возможность использовать стандартные модули УСО, широкая номенклатура УСО предлагается отечественными и зарубежными изготовителями, но электронная техника является бурно развивающейся отраслью в промышленности, предлагаемые модули могут не устраивать по цене, интерфейсу, техническим характеристикам, и вообще, необходимо поддерживать инженерное творчество.

Причины разработки УСО:

1. несмотря на широкий ассортимент УСО отечественного и зарубежного производства, требуется разработка новых типов УСО. Это происходит из-за следующих причин: а) метрологические характеристики отличаются от современных требований, б) интерфейс связи с микропроцессором отличается от требуемого;
2. стандартные модули УСО, как правило, универсальные. Универсальность обеспечивает массовость производства и невысокую цену. Специализированные УСО очень дорогие;
3. электронная техника бурно развивается, поэтому существующие и даже лучшие технические характеристики УСО могут быть достигнуты меньшей ценой, габаритами, массой, трудоемкостью изготовления и настройки с применением современной элементной базы.

Этап изготовления УСО. Изготовление УСО вручную допускается только для макетов. Изготовление УСО в единичном экземпляре или в малой серии необходимо заказывать на специализированном предприятии. Для этого необходимо подготовить всю техническую документацию в электронной форме. Некоторые фирмы имеют средства приобрести специальный станок для производства единичных и мало серийных печатных плат.

Система отладки.

У многих разработчиков бытует неправильное мнение, что программное обеспечение  может составляться без какой-либо аппаратуры. Уже на самых ранних этапах проектирования микро-ЭВМ совершенно необходимо иметь дополнительное оборудование для проверки и отладки программ. Очень часто программное обеспечение, разрабатываемое в конце, зависит от качества ранее разработанных программ. В качестве мощного вспомогательного средства в руках разработчика может быть выступать система отладки.

В случае простой микро-ЭВМ системой отладки может быть микро-ЭВМ  – прототип, дополненная некоторым  оборудованием и программами  для упрощения отладки.

Важным элементом системы отладки  программного обеспечения являются программы, моделирующие работу УВВ. Использование моделирующих программ требует некоторых аппаратных затрат. Во-первых, должны моделироваться все входные сигналы, во-вторых, необходимо контролировать все выходные сигналы, поэтому требуется их запоминание и вывод в удобной форме.

Этап наладки аппаратуры. Наладка аппаратуры МПС невозможна без диагностических программ. Диагностические программы разрабатываются под конкретную аппаратуру. Для диагностирования аппаратуры необходимы дополнительные устройства: тумблеры, светодиоды, приборы и т.п.

Этап отладки основного  и тестового программного обеспечения. Отладка может производиться в симуляторе, но только до определенного момента, пока не потребуется участие аппаратуры разрабатываемой МПС. Но в этом случае аппаратуру можно смоделировать (если симулятор имеет такие средства). Более удобным средством является внутрисхемный эмулятор. Он, в отличие от симулятора, точно воспроизводит временные характеристики программ. Для наладки аппаратуры в сложных случаях требуется запоминающий осциллограф или сигнальный аккумулятор.

Этап комплексной отладки предполагает пробную эксплуатацию изготовленной МПС сначала на решении заранее просчитанных тестовых задач. Если возможно, то производится пробная эксплуатация в реальных условиях. Приемо-сдаточные испытания, после системного этапа, следующие по ответственности. Для испытания готовится специальная программа, которая утверждается специальной организацией. Испытание контролируется независимыми экспертами.