СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Выбор и обозначение основных техническихрешений
1.1 Связь проектируемого устройства с IBMPC
1.2 Особенности магистрали ISA
1.3 Связь проектируемого устройства свнешними устройствами
1.4 Общая структурная схема
1.5 Возможные варианты структурных схем иих сравнительный анализ
1.6 Обоснование выбора структурной схемы
1.7 Обоснование выбора типа ОМК 2 Структурная схемаустройства и ее описание
2.1 Структурная схема.
2.1.1 Назначение отдельных функциональныхблоков.
2.1.1.1 Селектор адреса
2.1.1.2. Буфер данных
2.1.1.3 Блок CPU.
3 Разработка принципиальной схемыустройства
3.1 Блок регистров
3.2 Блок приема данных (от ВУ)
3.3 Блок прерываний
3.4 Блок сопроводительных стробов
4 Расчет основных параметров и характеристик
4.1 Расчет потребляемых токов
4.2 Расчет потребляемой мощности
4.3 Расчет надежности 5 Разработка и отладкарабочей программы МКУ
5.1 Блок – схема алгоритма и его описание
5.2 Структура программы
5.3 Распределение памяти данных
5.4 Текст программы Заключение
Список используемой литературы
ВВЕДЕНИЕ
Однокристальные микроконтроллеры (ОМК) позволяютсущественно расширить интеллектуальные возможности различного рода устройств исистем. Они представляют собой, по сути, специализированные однокристальныемикроЭВМ, содержащие для связи с внешней средой встроенные периферийные узлы иустройства, набор которых во многом определяет их функциональные возможности иобласти применения.
Они стали сегодня одним из самых распространенныхэлементов программируемой логики. Более двух третей мирового рынка микропроцессорныхсредств в настоящее время составляют именно однокристальные микроконтроллеры.
В структуру ОМК семейства PICзаложено много различных функциональных особенностей, делающих их самымивысокопроизводительными, микропотребляющими, помехозащищенными,программируемыми пользователем 8-ми битными микроконтроллерами. Благодаря этимособенностям ОМК семейства PIC могут обрабатывать аппаратно-программным способом какдискретные, так и аналоговые сигналы, а также формировать различного родауправляющие сигналы, а также осуществлять связь между собой и ЭВМ, находящейсяна более высоком иерархическом уровне в системе.
Существует два принципиально разныхподхода к проектированию цифровых устройств: использование принципа схемнойлогики или использование принципа программируемой логики.
Следует иметь в виду, что наивысшеебыстродействие достигается в процессорах, в которых управляющее устройствостроится с использованием системной логики, а операционное устройствовыполняется в виде устройства, специализированного для решения конкретнойзадачи.
Если в устройстве, построенном на принципесистемной логики, всякое изменение или расширение выполняемых функций влечет засобой демонтаж устройства и монтаж устройства по новой схеме, то в случае МКУблагодаря использованию принципа программируемой логики такое изменениедостигается заменой хранящегося в памяти программы новой программой,соответствующей новым выполняемым устройством функциям.
Такая гибкость применений вместе с другимисвязанными с использованием БИС достоинствами (низкой стоимостью, малымигабаритами), а также высокая точность, помехозащищенность, характерные дляцифровых методов, обусловили бурное внедрение МКУ в различные сферыпроизводства, научные исследования и бытовую технику.
1 ВЫБОР И ОБОЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
1.1 Cвязь проектируемого устройства сIBM PC
Обмен информацией между разрабатываемымадаптером и памятью осуществляется посредством системной шины ISA (IndustrialStandard Architecture).
Приемником информации является интерфейснаячасть разрабатываемого устройства.
В соответствии с определением интерфейса,должна обеспечиваться информационная, электрическая и конструктивнаясовместимость. Информационная совместимость предполагает использование сигналовмагистрали. Электрическая совместимость подразумевает согласование уровнейвходных, выходных и питающих напряжений и токов.
Интерфейсная часть устройства содержит всебе селектор адреса и буфер для обмена информацией с магистралью ISA.
Буферирование магистральных сигналов применяетсядля электрического согласования и выполняет две основные функции: электрическаяразвязка (для всех сигналов) и передача сигналов в нужном направлении (толькодля двунаправленных сигналов).
1.2 Особенности магистрали ISA
Магистраль ISA была разработана специальнодля персональных компьютеров типа IBM PC AT и является фактическим стандартомдля всех изготовителей.
Магистраль ISA относится кдемультеплексированным (то есть имеющим раздельные шины данных и адреса) 16-тиразрядным системным магистралям среднего быстродействия. Обмен осуществляется8-ми и 16-ти разрядными данными. На магистрали реализован раздельный доступ кпамяти компьютера и к устройствам ввода/вывода (для этого имеются специальныесигналы).
Максимальный объем адресуемой памятисоставляет 16Мб (24 адресные линии). Максимальное адресное пространство дляустройств ввода/вывода – 64 Кб (16 адресных линий), хотя практически всевыпускаемые платы расширения используют только 10 адресных линий (1Кб). Магистральподдерживает регенерацию динамической памяти, радиальные прерывания и прямойдоступ к памяти. Допускается также захват магистрали.
Разъем магистрали ISA разделен на двечасти, что позволяет уменьшать размеры 8-ми разрядных плат расширения, а такжеиспользовать платы, разработанные для компьютеров IBM PC XT.
Следует отметить, что в магистрали ISAиспользуется положительная логика на шинах адреса и данных, то есть единицесоответствует высокий уровень напряжения, а нулю — низкий. На магистралиприсутствуют четыре напряжения питания: +5В, -5В, +12В, -12В, которые могутиспользоваться платами расширения.
Стандартом магистрали ISA установленыограничения на максимальное значение тока, потребляемого каждой платойрасширения (они связаны только с возможностями используемого разъема). Значенияэтих токов приведены в таблице 1.1.
Максимальные токи потребления платамирасширения
Таблица 1.1
Напряжение
8-ми разрядная плата
16-ти разрядная +5В 3.0 A 4.5 A -5В 1.5 A 1.5 A +12В 1.5 A 1.5 A -12В 1.5 A 1.5 A
Максимальный ток потребления всеми используемымиплатами расширения определяется типом источника питания данного компьютера и нестандартизирован.
При проектировании УС помимо протоколовобмена по магистрали надо учитывать также электрические характеристикисигналов. Стандарт магистрали определяет требования к входным и выходным токамприемников и источников сигнала каждой из плат расширения. Несоблюдение этихтребований может нарушить функционирование всего компьютера и даже вывести егоиз строя.
Выходные каскады передатчиковмагистральных сигналов УС должны выдавать ток низкого уровня не менее 24 мА(это относится ко всем типам выходных каскадов), а ток высокого уровня – неменьше 3 мА (для выходов с тремя состояниями и ТТЛ). Входные каскады приемниковмагистральных сигналов должны потреблять входной ток низкого уровня не больше0.8 мА, а входной ток высокого уровня – не больше 0.04 мА.
Кроме этого необходимо учитывать, чтомаксимальная длина печатного проводника от контакта магистрального разъема довывода микросхемы не должна превышать 65 мм, а максимальная емкостьотносительно земли по каждому контакту магистрального разъема не должна бытьбольше 20 пФ.
К некоторым линиям магистрали подключенынагрузочные резисторы, идущие на шину питания +5В. К линиям -IOR, -IOW, -MEMR,-MEMW, -SMEMR, -SMEMW, -I/O CH CK подключены резисторы 4.7 кОм, к линиям -I/OCS 16, -MEM CS 16, -REFRESH, -MASTER, -OWS — 300 Ом, а к линиям I/O CH RDY – 1кОм. Кроме того, к некоторым линиям магистрали подключены последовательныерезисторы: к линиям -IOR, -IOW, -MEMR, -MEMW,-SMEMR, -SMEMW и OSC – резисторыноминалом 22 Ом, а к линии SYSCLK – 27 Ом.
1.3 Связь проектируемого устройства свнешними устройствами
Связь проектируемого устройства с внешнимиустройствами осуществляется с помощью операционной части проектируемого устройства.Операционная часть выполняет прием данных от внешних устройств и передачудонных во внешние устройства с помощью буферных элементов.
1.4 Общая структурная схема
На основе выше изложенного предлагаетсяследующая общая структурная схема (рис. 1.1).
Данные из ОЗУ компьютера по системной шинеISA поступают на устройство сопряжения. Интерфейсная часть осуществляетсогласование УС с системной шиной. Данные из интерфейсной части устройствопередаются операционной части, с помощью которой эти данные передаются во внешниеустройства.
При передаче данных из внешнего устройствав ОЗУ компьютера осуществляется следующим образом: операционная часть согласуетвнешние устройства и устройство сопряжения. Данные через ОЧ передаются в ИЧ ипосредством системной шины — в ОЗУ компьютера.
С помощью клавиатуры осуществляется запуски останов работы драйвера устройства сопряжения. Монитор служит для отображениявыводимых сообщений во время работы УС. Все данные операции производятся подуправлением центрального процессора.
/>
ЦП – центральный процессор
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство
УС – устройство сопряжения
ИЧ – интерфейсная часть
ОЧ – операционная часть
КП – контроллер прерываний
Рис. 1.1 – Общая структурная схема
1.5 Возможные варианты структурных схеми их сравнительный анализ
Для реализации данного устройство можнопредложить два варианта:
- на одном кристалле;
- на двух кристаллах.
Вариант структурной схемы устройства наодном кристалле приведен на рисунке 1.2.
/>
СА – селектор адреса
БД – буфер данных
WR –блок сопроводительных стробов
БР – блок регистров
БПД – блок приемаданных
INT –блок обработки прерываний
Рис. 1.2 – Структурная схема устройства наодном кристалле
/>
Вариант структурной схемы устройства надвух кристаллах приведен на рисунке 1.3.
СА – селектор адреса
БД – буфер данных
БР – блок регистров
БПД – блок приемаданных
Рис. 1.3 – Структурная схема устройства надвух кристаллах
Алгоритмы работы микропроцессоров,согласно структурной схемы,
/> Начало
/>
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
Опрос
RESET
/>
/>/>/> да RESET= «1»/> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/> нет
Выдать SS=
«1111111» Опрос Ок!/> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/> нет Ok! = «1»/> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/> да
/>
Опрос
IOW/> /> /> /> /> /> /> /> />
нет IOW =«0» /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/> да
Читать
SA0…SA2
да
/>/> =«111»
нет
Преобразов. Выдать
2®поз. STRW7/> /> /> /> /> /> /> /> />
Выдать Задержка
STRW0…6/> /> /> /> /> /> /> /> />
Выдать Читать
WR0…6 №регистра/> /> /> /> /> /> /> /> />
Сбросить Преобразов.
WR0…6 2®поз.
/>/>
Выдать
SS0…SS6
/>
/>
/> да Питание
вкл?
/> нет
/> Конец
Рис. 1.4 – Схема алгоритма работы CPU1
/> Начало
/>
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
Опрос
RESET
/>
/>/>/> да RESET=«1»/> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/> нет
Выдать SS=
«1111111» Опрос INT/> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/>/> да INT=«1»/> /> /> /> /> /> /> />
/>/> нет
/>/>/>
Выдать Опрос
IRQ Ок!/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
нет Ok! =«1» /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/> да
Опрос
STRW7
/>
/> да
/>/>/> STRW7=«0»
нет
Опрос Читать
IOR D0…D7
/>
/>/> нет
Определить
да № регистра
/>/>
Читать
/> SA0…SA2
Выдать
да № регистра
/>/>/> =«111»
нет
Преобразов. Читать
/>/>/> 2®поз. INT
/>
/>
Выдать Выдать
/>/>/> STRR0…6 D0…D7/> /> /> /> /> /> /> />
/>
/> да Питание Сбросить
вкл? STRR0…6
/>/>/>
нет
/>
Конец Рис.1.5 – Схема алгоритма работы CPU2
Для сравнения этих двух структурных схемприведена таблица 1.2, в которой указаны параметры устройства, реализованногоразличными вариантами:
- на жесткой логике (см.бакалаврскую работу);
- на одном кристалле;
- на двух кристаллах.Сравнительная таблицавариантов реализации устройства
Таблица 1.2
Вариант
реализации Кол — во
корпусов
Скорость выдачи данных
Потребляемая мощность, Вт
Стоимость деталей, грн. Жесткая логика 27 »50нс 2,52 13,30 Один кристалл 24 >200нс 2,33 23,8 Два кристалла 21 >200нс 2,25 36,5
1.6 Обоснование выбора структурнойсхемы
Для реализации устройства выберемструктурную схему на одном кристалле, так как отсутствует взаимосвязь ОМК, чтоупрощает написание программы; скорость выдачи данных, как у первого варианта,так и у второго >200нс; стоимость деталей меньше.
1.7 Обоснование выбора типа ОМК
Для реализации данного устройства большевсего подходит микроконтроллер типа PIC16C64, так какимеет не высокую стоимость и большое число портов ввода/вывода (33). На этоммикроконтроллере и будет разрабатываться устройство.