Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Дмитриев Универсалный лабораторный стенд. Аппаратные средства проектирования встраиваемых систем 2009

.pdf
Скачиваний:
62
Добавлен:
17.08.2013
Размер:
10.11 Mб
Скачать

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Н.А. Дмитриев, М.Н. Ёхин

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВСТРАИВАЕМЫХ СИСТЕМ

МОСКВА 2009

ББК 32.973.26-02я7 УДК 004.382.4(075) Д 53

Дмитриев Н.А., Ёхин М.Н. Универсальный лабораторный

стенд. Аппаратные средства проектирования встраиваемых систем: Учебное пособие. – М.: МИФИ, 2009. – 116 с.

В пособии рассмотрены организация аппаратных средств универсального лабораторного стенда (УЛС), особенности использования его основных составных частей и примеры решения некоторых типовых задач проектирования компонентов встраиваемых систем. Учебное пособие предназначено для обеспечения лабораторного практикума и курсового проектирования по курсу «Микропроцессорные системы» специальности 2301.01 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».

Рецензент А.Л. Зорин

Утверждено редсоветом института в качестве учебного пособия.

ISBN 978-5-7262-1129-9 © Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 2009

Редактор Е.Н. Кочубей

Оригинал-макет изготовлен С.В. Тялиной

Подписано в печать 10.04.2009. Формат 60×84 1/16. Уч.-изд. л. 7,25. Печ. л. 7,25. Тираж 100 экз. Изд. № 011-1. Заказ №

Московский инженерно-физический институт (государственный университет). 115409, Москва, Каширское ш., 31

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................

6

1. Структура аппаратных средств УЛС..............................................

10

1.1.Общее описание конструкции универсального

 

лабораторного стенда..........................................................

10

1.2. Структура аппаратных средств УЛС...................................

12

1.3.

ПЛИС FPGA XCS10-3-PC84 .................................................

13

1.4.

MK F80C552...........................................................................

15

1.5.Селектор адреса внешней памяти

 

и устройств ввода-вывода....................................................

17

1.6.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)...................

19

1.7.

Эмулятор ПЗУ .......................................................................

20

1.8.

Внешнее ОЗУ данных...........................................................

21

1.9. ОЗУ для хранения контрольных точек................................

21

1.10. Контроллер клавиатуры и индикации .................................

22

1.11.

Алфавитно-цифровой жидкокристаллический

 

 

индикатор...............................................................................

27

2. Особенности архитектуры МК PCF80C552 ....................................

31

2.1. Особенности архитектуры и организации памяти................

31

2.2. Регистры специальных функций............................................

35

2.3. Организация прерываний. Особенности использования

 

внешних прерываний в УЛС...................................................

41

2.4. Работа с параллельными портами ввода-вывода.

 

Особенности их использования в УЛС..................................

44

2.5. Таймер Т2.................................................................................

46

2.6. Сторожевой таймер Т3............................................................

53

2.7. Аналого-цифровой преобразователь....................................

54

2.8. Широтно-импульсный модулятор...........................................

57

3. Типовые задачи проектирования компонентов

 

встраиваемых систем на основе УЛС...........................................

59

3.1. Общие принципы организации программного

 

обмена МК с устройством на ПЛИС.

 

Циклы внешней шины МК.......................................................

59

3.2. Организация обмена по прерываниям между МК

 

и устройством на ПЛИС..........................................................

62

3.3. Организация программного обмена по флагу

 

готовности внешнего устройства ...........................................

66

 

3

 

3.4. Организация программного обмена

 

с использованием буфера FIFO.............................................

69

3.5. Программное управление работой АЦП ...............................

72

3.6. Программирование контроллера клавиатуры

 

и индикации..............................................................................

73

3.7. Программирование вывода символьной информации

 

на ЖКИ......................................................................................

77

3.8. Измерение временных интервалов и подсчет внешних

 

событий при помощи таймеров Т0 и Т1 ................................

80

3.9. Формирование временных интервалов при помощи

 

таймера Т2 ...............................................................................

91

Список литературы.............................................................................

103

Приложение 1 ................................................................................

104

Приложение 2 ................................................................................

111

4

Список сокращений

АЦП

аналого-цифровой преобразователь

ШИМ

широтно-импульсный модулятор

ИС

интегральная схема

САПР

– Система автоматизирования проектных работ

ПО

программное обеспечение

ОЗУ

оперативное запоминающее устройство

ЦАП

цифро-аналоговый преобразователь

5

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время CБИС микропроцессоров и программируемой логики являются основой построения цифровых систем для управления техническими устройствами и технологическими процессами в реальном времени. Такие системы называют встраиваемыми системами.

Типичная встраиваемая система состоит из микроконтроллера (МК), представляющего собой процессорное ядро (например, AVR, ARM7, MCS-51) с набором периферийных устройств (порты параллельного и последовательного ввода/вывода, таймер, АЦП, ШИМ) а также схем программируемой логики (ПЛИС) FPGA или CPLD для аппаратной реализации критичных по быстродействию алгоритмов обработки данных или построения специфических пользовательских устройств.

Обобщенная структура встраиваемой системы показана на рис. В.1.

Рис. В.1. Обобщенная структура встраиваемой системы

6

Объединение МК и ПЛИС в одной системе сочетает преимущества двух способов реализации алгоритмов обработки информации – программного и аппаратного. Фактически создается гибкая универсальная платформа для использования в различных проектах. Она приспосабливается для решения задач пользователя программированием ее составных частей.

Исторически первые системы подобного класса выполнялись в виде конструкций одноплатных модулей (System on board – SOB), представляющих печатную плату с установленными на ней микросхемами. Успехи микроэлектроники позволили перейти к объединению бескорпусных ИС процессорного ядра, программируемой логики и памяти программ/данных в одном корпусе интегральной схемы (System in package – SIP). Последнее революционное достижение интегральной технологии позволяет создавать встраиваемые системы уже на одном кристалле (System on chip – SOC). Однако ни структурная организация, ни способы взаимодействия составных частей данных вариантов конструктивного исполнения встраиваемой системы практически не отличаются друг от друга. Это сохраняет общность подходов к проектированию встраиваемых систем независимо от способов их конструктивного выполнения. Технология встраиваемых систем в виде SOB более доступна в реализации, что предпочтительно для организации процесса ее изучения и практического освоения. Полученные при этом знания и навыки могут быть востребованы и при разработке встраиваемых систем, выполненных по другим технологиям, в том числе совре-

менных SOC-систем с использованием IP (Intellectual property) –

ядер.

Разработка встраиваемых систем является сложной и трудоемкой задачей. Проектирование и автономная отладка их отдельных составных частей – программного обеспечения МК и устройств на ПЛИС поддерживается инструментальными средствами стандартных промышленных САПР и интегрированных сред. Важным этапом проектирования является комплексная отладка, которая завершает полный цикл разработки встраиваемой системы. Для решения этой задачи используются специальные комплексы, включающие аппаратную платформу для создания прототипа проектируемой системы, инструментальную ЭВМ, и отладочные программные и аппаратные средства (симуляторы, эмуляторы, логические анализа-

7

торы, осциллографы). На рис. В.2 приведен типовой маршрут разработки программного обеспечения МК встраиваемой системы. Методика разработки устройств на ПЛИС предполагает выполнение идентичных этапов: описание проекта в схемном редакторе или на одном из языков описания аппаратуры, например VHDL, функциональное и временное моделирование, отработка проекта на целевой или прототипной плате и получение «прошивки» для программирования ПЛИС в готовом изделии.

Рис. В.2. Типовой маршрут разработки ПО МК встраиваемой системы

Особенностью проектирования гетерогенных встраиваемых систем на МК и ПЛИС, является то, что первые два этапа их проектирования поддерживаются автономными инструментальными средствами. Отладочные средства для реализации третьего этапа должны создаваться разработчиками платформ для отработки про-

8

тотипов систем с учетом специфики организации их аппаратных средств. Такие средства должны обеспечивать не только автономную, но и комплексную отладку ПО для МК и проекта на ПЛИС.

При организации процесса обучения проектированию встраиваемых систем на основе МК и ПЛИС важна установка на освоение полного цикла проектирования как гарантии высокого уровня подготовки специалистов.

С этой целью на кафедре КСиТ разработан универсальный лабораторный стенд (УЛС) на основе МК PCF80C552 (семейства

MCS-51) и ПЛИС FPGA XCS10-3-PC84, который можно рассмат-

ривать как базовую аппаратную платформу для создания прототипа встраиваемой системы, выполненной в виде SOB. Кроме этого, УЛС обеспечивает возможность как автономного использования ПЛИС и МК, так и наращивания его функциональных возможностей путем подключения дополнительных устройств к внешней шине МК.

Для реализации рассмотренных выше маршрутов проектирования ПО МК и проектов на ПЛИС на инструментальной ЭВМ, подключенной к УЛС, установлены учебные версии САПР ПЛИС и инструментальных средств проектирования ПО МК, а также специально разработанные отладочные среды.

Эти особенности УЛС позволяют реализовать на его основе унифицированную лабораторную базу единой учебной среды по всем дисциплинам схемотехнического цикла специальности 2201: «Теория автоматов», «Схемотехника ЭВМ», «Организация ЭВМ», «Функционально-логическое моделирование», «Интерфейсы ЭВМ», «Микропроцессорные системы».

Целью пособия является описание особенностей построения и функционирования аппаратной части УЛС, изложение некоторых типовых приемов работы с его составными частями при решении учебных задач, выполняемых студентами в рамках лабораторных практикумов по перечисленным выше курсам. Изучение предлагаемого материала будет способствовать более эффективному формированию и закреплению практических навыков работы со средствами проектирования и отладки сложных цифровых систем.

9

1. СТРУКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ УЛС

1.1. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ УЛС

Рис. 1.1. Внешний вид УЛС

На рис. 1.1 показан внешний вид УЛС со стороны лицевой панели. Стенд состоит из приборного корпуса и помещенных в него четырехслойной печатной платы с двумя выносными блоками 16-канального анализатора. Корпус снабжен лицевой панелью, состоящей из прозрачного экрана и наклеенной на него декоративной пленки. В панель вмонтированы кнопочная клавиатура 4×4 и группы тумблеров с кнопками управления.

На лицевой панели имеются три прозрачных окна. В главном окне, расположенном слева, можно наблюдать фрагмент печатной платы с ПЛИС FPGA, МК и БИС внешней памяти программ и данных. Здесь же размещены шесть 4-разрядных шкал светодиодных индикаторов (A, B, C, D, E и F), подключенных к ПЛИС. Рядом с ПЛИС располагается светодиодный индикатор готовности ее к работе. В исходном состоянии ПЛИС светодиод включен, а после программирования ПЛИС он выключается. В верхнем правом окне

10

Соседние файлы в предмете Интегрированные системы управления и проектирования