В.В. Демьянов Микропроцессорная техника

Министерство образования Российской Федерации Кузбасский государственный технический университет Кафедра электропривода и автоматизации

МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА

Программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения специальностей 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок

итехнологических комплексов»

и100400 «Электроснабжение»

Составитель В.В. Демьянов Утверждены на заседании кафедры Протокол № 3 от 16.01.01 Рекомендованы к печати учебнометодической комиссией по специальности 180400 Протокол № 4 от 16.01.01 Электронная копия хранится

в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2001

1

1. ВВЕДЕНИЕ

С развитием технологии и схемотехники цифровых интегральных схем появились большие интегральные схемы (БИС), представляющие собой универсальные по назначению и функционально законченные устройства. В программируемых БИС режимы работы задаются путем подачи определенных командных сигналов. Основным типом программируемых БИС являются микропроцессорные БИС.

Микропроцессор - это программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких БИС. В микропроцессор входят блок управления, арифметическологическое устройство, аккумулятор, регистры и др. На базе микропроцессорных БИС строятся микроконтроллеры и микроЭВМ.

Целью изучения дисциплины является:

−изучение принципов построения и функционирования микропроцессорных устройств;

−изучение особенностей применения микропроцессорных устройств

всистемах контроля, защиты и управления.

Врезультате изучения дисциплины студент должен знать:

−архитектуру микропроцессоров и микроконтроллеров;

−типовые интерфейсы и протоколы обмена информацией между микропроцессором и периферийными устройствами;

−основные приемы программирования микропроцессорных систем;

−основные требования к микропроцессорным системам, применяемым в системах контроля, защиты и управления.

Впроцессе изучения курса студенты выполняют контрольную работу. Студенты, представившие контрольную работу, допускаются к выполнению лабораторных работ, которые проводятся в период за- четно-экзаменационной сессии. Цель лабораторных работ - приобретение практических навыков в разработке простейших программ для микропроцессорных систем.

При выполнении лабораторных работ студент допускается к экзамену, успешная сдача которого в немалой степени зависит от знаний теоретического материала.

2

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ 1. Системы счисления и команд.

2.Ознакомление с работой на учебной микроЭВМ.

3.Запись и выполнение простых программ.

4.Выполнение арифметических операций.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Основная литература

1. Шефкинд Ю.М. Микропроцессорная техника. Уч. пособие/ Ю.М. Шефкинд, А.Н. Бандурин.-Кемерово, 1997.-125 с.

2.Микропроцессоры: В 3 кн. Кн.1: Архитектура и проектирование микроЭВМ. Организация вычислительных процессов: Учеб. для втузов/ Под ред. Л.Н. Преснухина.-Минск: Высш.шк., 1988.-386 с.

3.Микропроцессоры: В 3 кн. Кн.2: Средства сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющие системы: Учеб. для втузов/ Под ред. Л.Н. Преснухина.-Минск: Высш.шк., 1988.-354 с.

4.Микропроцессоры: В 3 кн. Кн.3: Средства отладки, лабораторный практикум: Учеб. для втузов/ Под ред. Л.Н. Преснухина.- Минск: Высш.шк., 1988.-351 с.

5.Электронные промышленные устройства: Учеб. для вузов/ В.И. Васильев, Ю.М. Гусев, В.Н. Миронов, С.Г. Обухов, В.А. Семе-

ран.-М.: Высш. шк., 1988.-303 с.

Дополнительная литература

6.Каган Б.М. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики/ Б.М. Каган, В.В. Сташин.-М.: Энергоатомиздат,

1987.-304 с.

7.Майоров В.Г. Практический курс программирования микропроцессорных систем/ В.Г. Майоров, А.И. Гаврилов.- М.: Машиностроение, 1989.-272 с.

8.Сташин В.В. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах/ В.В. Сташин, А.В. Урусов, О.Ф.Мологонцева.-М.: Энергоатомиздат, 1990.-224 с.

9.Демьянов В.В. Изучение системы команд микропроцессора серии К580 на учебно-отладочной микроЭВМ. Метод. указания.- Кемерово: КузГТУ, 2000.-44 с.

3

ТЕМА 1. Общие сведения

Основные понятия и определения, принятые в микропроцессорной (МП) технике. Достоинства и недостатки МП по сравнению с устройствами с жесткой структурой. Системы счисления и преобразование данных из одной системы в другую. Кодирование информации.

Литература: [1, с. 4-11; 2, с. 6-20; 7, с. 6-13]

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Изучая материал этой темы, необходимо уяснить основные понятия и определения, принятые в МП технике (процессор, микропроцессор, микропроцессорная система). Разобрать системы счисления: двоичную, десятичную, шестнадцатеричную. Уяснить полную и краткую запись числа, код числа, типы кодов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что такое микропроцессор и МП система?

2.Что такое полная и краткая запись числа?

3.Какие цифры и символы используются в двоичной, десятичной и шестнадцатеричной системах счисления?

4.Укажите типы кодов, используемые в каналах обмена инфор-

мации.

ТЕМА 2. Архитектура МП и микроЭВМ

Классификация МП, их характеристики и рекомендуемая область применения. Типовые структуры МП и микроЭВМ. Организация однокристальных и секционированных МП. Функциональные блоки и организация управления.

Литература: [1, с. 12-14; 2, с. 69-86]

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

В данной теме необходимо рассмотреть архитектуру 8-, 16-, 32разрядных МП. Архитектура - состав, характеристики и взаимосвязь

4

устройств МП или микроЭВМ (структурная организация), принцип функционирования, машинный язык.

Особое внимание следует обратить на структуру МП системы, разрядность шин адреса, данных и управления. Так для 8-разрядного МП серии К580 шина адреса - 16-разрядная, а шины данных и управления - 8-разрядные. 16-разрядная шина адреса позволяет МП работать с памятью (постоянной и оперативной) емкостью до 64 кбайт (216 = 65 536 адресов, где 1К=1024=210). 8-разрядные шины работают с однобайтными машинными словами (1 байт = 8 бит информации).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объясните назначение элементов структурной схемы МП системы.

2.Объясните преимущества магистральной связи элементов и назначение буферных усилителей.

3.Какие блоки и устройства могут входить в модули периферийных устройств?

4.Какие устройства называются адаптерами или программируемыми контроллерами?

ТЕМА 3. Однокристальные МП и микроЭВМ

Элементная база однокристальных микропроцессоров и микроЭВМ. Микропроцессорный комплект БИС К580. Система команд однокристального МП серии К580. Машинные циклы. Управление МП системой. Организация циклов, прерываний, прямого доступа к памяти, параллельного и последовательного ввода-вывода информации, временных интервалов. Организация и система команд однокристальной микроЭВМ серии К1816.

Литература: [1, с. 15-54; 2, с. 131-178; 5, с. 162-186]

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

В данной теме необходимо рассмотреть структуру МП, основные команды МП: пересылки данных, арифметических операций, логических операций, передачи управления, специальные команды. Изучение МП следует проводить на примере широко распространенной серии К580. Четко уяснить роль аккумулятора (А), указателя сте-

5

ка (SP), регистра признаков аккумулятора (PSW), счетчика команд (РС) и регистров общего назначения (B, C, D, E, H, L). Обратить серьезное внимание на формирование из слова состояния МП сигналов на чтение ПЗУ, чтение/запись в ОЗУ и порты ввода-вывода, роль этих устройств при обработке информации МП системой. Вопросы построения алгоритмов и программ для МП системы следует рассматривать только после изучения системы команд МП серии К580, при этом нужно ясно представить группы, на которые разбиты команды МП.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что такое машинный такт и машинный цикл?

2.Какие типы машинных циклов имеются в МП серии К580?

3.Какие признаки формируются в МП и после выполнения каких операций?

4.Какие программнодоступные регистры есть в МП серии

К580?

5.Укажите различие в архитектуре МП серии К580 и микроконтроллера серии К1816.

ТЕМА 4. Типовые интерфейсы МП систем

Технические средства сопряжения МП с периферийными устройствами. Протоколы обмена информацией. Стандарты на интерфейсы. Типовые интерфейсные микросхемы. Технические средства для передачи и приема информации по линиям связи. Аналоговые микропроцессоры.

Литература: [1, с. 55-98; 3, с. 51-86, 144-170]

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

При изучении данной темы следует обратить внимание на маги- стрально-модульную организацию МП систем, унифицированные форматы данных, команды ввода-вывода, рассмотреть назначение адаптеров (программно-управляемых контроллеров). Важной особенностью организации обмена информацией в МП системах является использование специализированных интерфейсных БИС (контролле-

6

ров прямого доступа к памяти, параллельного и последовательного обмена, программируемого прерывания).

Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и правил (протоколов), обеспечивающих обмен информацией между устройствами системы.

При рассмотрении системы прерываний необходимо обратить внимание на векторное и невекторное прерывание, уровни приоритетов запросов на прерывание.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какие интерфейсные БИС входят в МП комплект серии К580?

2.Какие способы передачи информации между устройствами используются в МП системах?

3.Что такое гальваническая развязка и какие схемы используются для ее реализации?

4.Какой интерфейс называется унифицированным?

5.Для каких целей используют схемы АЦП и ЦАП в МП систе-

мах?

ТЕМА 5. Проектирование, программирование и наладка МП систем

Определение требований к МП системе. Выбор архитектуры и технических средств. Программирование в среде Ассемблера. Отладка технического и программного обеспечения. Микропроцессорная система диагностики электроприводов экскаваторов-драглайнов.

Литература: [1, с. 106-110; 3, с. 19-23, 109-118, 171-183; 5, с. 203-

226]

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

При изучении данной темы обратить внимание на основные этапы разработки МП систем: составление алгоритма, программы, выбор архитектуры. Алгоритм представляет собой последовательность действий (операций) для решения поставленной задачи, а программа - последовательность команд. Языки программирования для МП систем можно разделить на три основных уровня: машинные, Ассемблера и алгоритмические высокого уровня. При разработке программ

7

часто используются кросс - Ассемблеры, т.е. Ассемблеры, работающие на других микроЭВМ, называемые в этом случае кроссЭВМ. Программа, написанная на Ассемблере, переводится на машинный (объектный) язык специальными устройствами - трансляторами. Для облегчения разработки и отладки программного обеспечения МП систем широко используются специальные системные программы, называемые компиляторами. Компилятор производит перевод с языка высокого уровня на машинный язык. Одним из важных применений МП систем является эмуляция - создание систем, работающих на языках других вычислительных устройств.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие программы называются системными, а какие - прикладными?

2.Какая программа называется монитором?

3.Какие программы называются кросс-Ассемблером, компиля-

тором?

4.Что такое мнемокод команды?

5.Как занести данные в память микроЭВМ и как их прочитать?

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Задание 1. Представьте номер своей зачетной книжки в шестнадцатеричном, а числа, состоящие из двух первых и двух последних цифр номера зачетной книжки, в двоичном прямом, инверсном и дополнительном двоичных кодах. Выполните с этими числами, записанными в прямом двоичном коде, логические операции И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Произведите сложение этих двух чисел и вычитание, используя для вычитания дополнительный код.

Задание 2. Рассмотрите правила выполнения команд СМА, INRA, DCRA, ADD A, ANA A, ORA A. Используя данные таблицы,

выберите коды команд и произведите указанные операции с числом, состоящим из двух последних цифр номера зачетной книжки. Разработайте программу для выполнения операций (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, СЛОЖЕНИЯ И ВЫЧИТАНИЯ) с числами, используемыми в задании 1.

8

Задание 3. Составьте схему алгоритма и программу для МП К580 (используя мнемонику Ассемблера, метки и комментарии): ввести число, равное последним числам шифра зачетной книжки, из порта А; вычесть это число из числа, хранящегося по адресу 8400; если результат положительный - вывести его в порт С, в ином случае - сложить его с числом, которое ввести из порта В. В качестве портов ввода-вывода применить программируемый параллельный интерфейс К580ВВ55, адрес порта А которого задан последней цифрой шифра зачетной книжки. Начальный адрес программы 8200.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Число различных команд микропроцессора составляет 78, и для них зарезервировано 78 имен команд, перечисленных выше. Многие базовые команды из числа 78 порождают несколько различных кодов операций, поэтому общее число кодов команд составляет 244 (см. таблицу). В таблице младший разряд приведен кодом в горизонтальной строке, а старший в столбце. Например, команда MOV А,В имеет код 7816, команда ADD B - код операции 8016.

При выполнении задания 2 исходные числа разместить по адресам 8400 и 8401, а результат выполнения программы по адресу 8402. Начальный адрес программы 8200. Пример записи программы приведен на рис. 2.

При выполнении задания 3 алгоритм и программу начать с настройки портов параллельного интерфейса на требуемый режим вво- да-вывода. После записи алгоритма записывают программу в мнемокодах Ассемблера с метками и комментариями и в последнюю очередь записывают адреса и машинные коды команд и операндов. Примеры записи алгоритма и программы с начальным адресом 8200 приведены на рис. 1 и рис. 2.

При записи двухбайтных операндов первым записывается младший байт операнда.

9

Рис. 1. Алгоритм программы

Адрес	Код команды		Метка	Мнемокод	Комментарий
8200	3A	0084	M1	LDA8400	загрузить в А число из
					адреса 8400
8203	06	0F		MV1 B, 0F	загрузить в В 0F
8205	A0			ANA B	А И В
8206	C2	0F82		JNZ M2	≠
					если А 0 идти к М2
8209	3A	0184		LDA8401	загрузить в А число из
					адреса 8401
820С	C3	0082		JMP M1	возврат в начало
820F	76		M2	HLT	останов

Рис. 2. Программа