Методические указания для практических занятий по дисциплине мдк. 02. 01
 Скачать 7.37 Mb.
|
|
МИНИCTEPCTBO НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт сервиса, туризма и дизайна (филиал) СКФУ в г.Пятигорске Колледж Института сервиса, туризма и дизайна(филиал) СКФУ в г.Пятигорске МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ МДК.02.01 Микропроцессорные системы Специальности СПО 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы Квалификация техник по компьютерным системам Пятигорск 2020 2 Методические указания для практических занятий по дисциплине МДК.02.01 Микропроцессорные системы составлены в соответствии с требованиями ФГОС СПО. Предназначены для студентов, обучающихся по специальности 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы Рассмотрено на заседании ПЦК ИСТиД (филиал) СКФУ в г. Пятигорске Протокол №_8_от _12.03___2020 г. Составитель: Н.А. Чернова Директор З.А. Михалина 3 Введение Целью данных методических указаний является создание единого учебно- методического комплекса по изучению дисциплины «Микропроцессорные системы». Данное методическое указание предназначено для студентов третьего курса СПО специальности 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы» очной формы обучения и содержат материалы для практических занятий. В результате освоения учебной дисциплины обучающийся должен уметь -составлять программы на языке ассемблера для микропроцессорных систем; -производить тестирование и отладку микропроцессорных систем (далее - МПС); -выбирать микроконтроллер/микропроцессор для конкретной системы управления; -осуществлять установку и конфигурирование персональных компьютеров и подключение периферийных устройств; -подготавливать компьютерную систему к работе; -проводить инсталляцию и настройку компьютерных систем; -выявлять причины неисправностей и сбоев, принимать меры по их устранению; В результате освоения учебной дисциплины обучающийся должен знать: -базовую функциональную схему МПС; -программное обеспечение микропроцессорных систем; структуру типовой системы управления (контроллер) и организацию микроконтроллерных систем; -методы тестирования и способы отладки МПС; -информационное взаимодействие различных устройств через информационно-телекоммуникационную сеть "Интернет" (далее - сеть Интернет); -состояние производства и использование МПС; -способы конфигурирования и установки персональных компьютеров, программную поддержку их работы; -классификацию, общие принципы построения и физические основы работы периферийных устройств; -способы подключения стандартных и нестандартных программных утилит; -причины неисправностей и возможных сбоев. 4 Практическая работа №1. Ознакомление с работой учебного микропроцессорного комплекса. Цель работы: ознакомиться с учебным микропроцессорным комплексом на базе восьмиразрядного CISC микропроцессора i8080 (отечественный аналог КР580ВМ80) с архитектурой фон Неймановского типа. Теоретическая часть Учебный микропроцессорный комплекс (УМК) представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, которые позволяют изучать работу микропроцессора и других программируемых интегральных схем. Основа аппаратных и программных средств УМК - центральный блок, представляющий собой по структуре внутрисхемный эмулятор с программным монитором - вариант отладочного комплекса, используемого при создании программных средств для микропроцессорных контроллеров. Аппаратные средства центрального блока УМК представлены на Рис. 1. Программные средства (системный монитор) содержатся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ1) центрального блока и занимают объем 1 килобайт с адреса 0 по адрес 03ffh. Системный монитор содержит программные средства, обеспечивающие: начальный запуск микропроцессора, работу в непрерывном или шаговом режиме, фиксацию точек останова с сохранением состояния процессора в стеке, работу клавиатуры и индикатора, выполнение некоторых встроенных процедур. Рис. 1 Структурная схема центрального блока УМК Кроме того предусмотрена прямая двоичная индикация состояния микропроцессора (PSW) и его шины данных и адреса. ПЗУ2 объёмом 1К занимает адреса с 03ffh до 07ffh и зарезервировано для расширения системных возможностей УМК. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или в англоязычной аббревиатуре RAM) статического типа (SRAM) объёмом 1К предназначено для хранения программ пользователя (прикладных программ), организации стека монитора и стека 5 пользователя, а также для поддержки работы системного монитора. Начальный адрес ОЗУ - 0800h. В УМК предусмотрено расширение аппаратных возможностей за счет подключения к системному разъему центрального блока (см. Рис. 1) плат расширения, каждая из которых содержит комплект дополнительных аппаратных средств. Кроме того, большинство плат расширения дает возможность создания произвольных аппаратных структур на макетном поле. Перечень плат расширения : М1- параллельный интерфейс ; ПГМ - программатор РПЗУ и последовательный интерфейс; ПС - светодиодная матрица и дополнительная клавиатура; АЦА - аналоговый интерфейс ввода-вывода; М2 - расширение объема ЗУ и параллельный интерфейс; КОП – магистральный приборный интерфейс; ППИ - таймер с аппаратным и акустическим выходом. Включение УМК После включения кнопкой “ВКЛ” не должны светиться индикаторы перегрузки блока питания. В противном случае необходимо выключить УМК и после выдержки около 5 секунд повторить включение. После включения питания нажать и отпустить кнопку “СБРОС”. В момент ее отпускания на входе “RESET” микропроцессора формируется сигнал высокого логического уровня для его начальной установки. На Рис. 2 представлены фрагменты электрической принципиальной схемы для цепи формирования сигнала “ RESET”. На рисунках сохранены все обозначения и нумерация элементов, принятые на электрических принципиальных схемах технического описания УМК завода изготовителя, поэтому порядок индексов отличается от того, который предписан ЕСКД. Рис. 2 Схема формирования сигнала “RESET” Окончательное формирование системного сигнала “RESET” происходит в системном генераторе КР580ГФ24 (элемент D9 на Рис. 15). Для согласования контактной пары клавиши “СБРОС” с входом системного генератора используется стандартный набор аппаратных средств, основное назначение которых – исключение дребезга контактов при их размыкании и замыкании. Дребезг контактов – это переходный процесс, заключающийся в многократных коммутациях контактов при их соединении или разъединении. Длительность процесса составляет около 5 mc и зависит от упругости контактов и их поверхностных свойств. Многократные коммутации приводят к ошибкам при вводе информации с любых контактных датчиков, в т.ч. клавиатуры. Для исключения ошибок используются программные и 6 схемные методы. В данном случае рассматривается наиболее распространенный схемный метод с использованием RS-триггера. Схема, представленная на Рис. 15 содержит несколько элементов, расположенных в различных блоках УМК. Для их электрической связи используются разъёмы и межблочные соединения (межблочный монтаж). На электрических принципиальных схемах межблочные соединения, как правило, не приводятся, и наличие электрической связи подразумевается между одноименными контактами одноименных разъемов. Для упрощения графики сложных электрических принципиальных схем используются условные групповые линии, каждая из которых содержит необходимое число реальных соединительных линий. Каждая реальная линия при входе в канал нумеруется цифрами или буквенно-цифровым символом. Кроме номеров линий на принципиальной схеме приводятся номера выводов корпуса интегральной схемы и ее позиционный номер. Межблочные соединения приводятся на отдельной схеме соединений. Встроенные процедуры После прохождения сигнала “RESET”, сформированного аппаратным путем, происходит обнуление внутренних регистров МП. Устанавливается машинный цикл М1 – чтение кода первой операции из ячейки ЗУ с нулевым адресом. С нулевого адреса микропроцессор начинает выполнение программ системного монитора и продолжает их выполнение в циклическом режиме, поддерживая работу клавиатуры, индикатора и других элементов структуры. В этом режиме УМК ожидает нажатия оператором одной из функциональных клавиш для выполнения стандартной процедуры, входящей в состав программ системного монитора. В состоянии ожидания выбора процедуры в старшем разряде индикатора формируется знак "-". Выполнение (“ВП”) Процедура “ВП” (аналог “Enter” в компьютере) подтверждает принятые ранее установки оператора. Пробел (“_”) Нажатие клавиши “_” разделяет элементы вводимой с клавиатуры информации, например, адрес и данные или два разных адреса. При записи в память или чтении из памяти процедура, вызываемая клавишей “_” , выполняет операцию “инкремент” для кода адреса . Обращение к внутренним регистрам (“РГ") После нажатия клавиши "РГ" микропроцессор выполняет процедуру обращения к регистрам и находится в режиме ожидания имени регистра. Для ввода имени регистра используется основная шестнадцатеричная клавиатура УМК. Список регистров и их обозначения на клавиатуре: "А"- регистр аккумулятор, поддерживающий работу АЛУ; " B,C,D,E,H,L"- регистры общего назначения; " SL,SH"- регистры младшего и старшего байта счетчика стека; "РL,PH"- регистры младшего и старшего байта счетчика команд. После ввода имени регистра, в двух младших разрядах индикатора УМК появляется содержимое данного регистра, представленное в шестнадцатеричной системе счисления. В старших разрядах - имя регистра. Очередность действий при модификации содержимого регистров: нажатие "РГ" для входа в процедуру обращения к регистрам ввод имени регистра чтение содержимого регистра на светодиодном индикаторе; набор нового байта данных на шестнадцатеричной клавиатуре; нажатие клавиши "-" для записи нового байта данных в регистр или подтверждения существующего байта данных и перехода к режиму ожидания имени нового регистра; нажатие клавиши "ВП" для подтверждения сделанных изменений и выхода из процедуры. Содержимое регистров сохраняется до нажатия клавиши “СБРОС”. Обращение к ячейкам памяти (“П”) Очередность действий при модификации содержимого ОЗУ: нажатие "П" для входа в процедуру обращения к памяти набор начального 7 адреса на шестнадцатеричной клавиатуре и ввод адреса нажатием клавиши "-"; чтение содержимого данной ячейки ЗУ на светодиодном индикаторе; набор нового байта данных на шестнадцатеричной клавиатуре; нажатие клавиши "-" для записи нового байта данных или подтверждения существующего и перехода к следующему адресу массива (операция инкремент для кода адреса); нажатие клавиши "ВП" для подтверждения сделанных изменений в содержимом ячеек памяти и выход из процедуры. Начать выполнение программы ("СТ") Процедура "СТ" предназначена для запуска любой программы, расположенной в массиве ОЗУ или ПЗУ. Очередность действий при запуске программы: нажатие "СТ" для входа в процедуру; набор начального адреса программы на шестнадцатеричной клавиатуре и ввод адреса нажатием клавиши "-"; набор конечного адреса программы на шестнадцатеричной клавиатуре; ввод адреса и запуск программы пользователя нажатием клавиши "ВП". В момент нажатия клавиши "ВП" микропроцессор выходит из программ системного монитора и выполняет программу пользователя. После окончания выполнения программы пользователя микропроцессор возвращается в системный монитор и в старших разрядах индикатора появляется адрес ячейки ЗУ, где расположен последний код выполненной программы. До нажатия клавиши "СБРОС" состояние всех регистров микропроцессора соответствует их состоянию на момент окончания программы пользователя. Состояние регистров сохраняется в стеке и восстанавливается при обращении к ним. Подсчет контрольной суммы ("КС") Очередность действий при запуске процедуры определения контрольной суммы: нажатие "КС" для входа в процедуру; набор начального адреса массива ЗУ на шестнадцатеричной клавиатуре и ввод адреса нажатием клавиши "-"; набор конечного адреса массива ЗУ на шестнадцатеричной клавиатуре; ввод адреса и подсчет контрольной суммы при нажатии "ВП". После выполнения директивы в младших разрядах индикатора выводится значение контрольной суммы. Директива используется для проверки правильности загрузки программ пользователя. Запись константы ("ЗК") Процедура предназначена для заполнения константой заданного массива ЗУ. Очередность действий при запуске процедуры для записи константы: нажатие "ЗК" для входа в процедуру; набор начального адреса массива ЗУ на шестнадцатеричной клавиатуре и ввод адреса нажатием клавиши "-"; набор конечного адреса массива ЗУ на шестнадцатеричной клавиатуре и ввод нажатием клавиши "-"; набор однобайтовой константы на шестнадцатеричной клавиатуре; ввод и запись в массив нажатием клавиши "ВП". Перемещение массива данных ("ПМ") Очередность действий при запуске процедуры перемещения: нажатие "ПМ" для входа в процедуру; набор начального адреса перемещаемого массива ЗУ на шестнадцатеричной клавиатуре и ввод адреса нажатием клавиши "-"; набор конечного адреса перемещаемого массива ЗУ на шестнадцатеричной клавиатуре и ввод адреса нажатием клавиши "-"; набор начального адреса размещения на шестнадцатеричной клавиатуре; ввод адреса и выполнение перемещения нажатием клавиши "ВП". 8 При размещении программ в новом массиве ЗУ, например, при копировании в пространство ОЗУ системных программ, необходимо учитывать, что адреса ветвления и адреса, формируемые на основе заданных базовых адресов не будут модифицированы под новое адресное пространство, что приведет к ошибкам в работе программы. Средства отладки программ, аппаратная и программная реализация шагового режима Учебный микропроцессорный комплекс обладает набором средств для отладки и редактирования программ, представленных в машинных кодах. Для облегчения этого процесса при ограниченных возможностях УМК рекомендуется использовать модульный принцип при подготовке программ в ассемблере. Используемый в лабораторном курсе ассемблер не имеет средств для компоновки программы из отдельных модулей. При модульном принципе создания сложных программ каждый модуль должен быть скомпилирован в отдельную программу и отлажен средствами УМК. Для отладки программных модулей в УМК предусмотрен режим пошагового выполнения программы по машинным циклам и по командам. В шаговом режиме к шине данных и шине адреса микропроцессора подключаются двоичные индикаторы (см. Рис. 1). Двоичные индикаторы шины адреса и шины данных разбиты на тетрады для удобства восприятия двоичных чисел в шестнадцатеричной форме. Кроме того, предусмотрен двоичный индикатор кода состояния микропроцессора. Рис. 3 Схема формирования сигнала "STEP" и устранения дребезга контактов аппаратными средствами 9 Рис. 4 Схема порта шагового режима Шаговый режим выполнения программы устанавливается аппаратным путем при фиксации клавиши "РБ/ШГ" (Рис. 4) и может быть сброшен или восстановлен программным путем. Шаговый режим реализуется в микропроцессорных устройствах за счет использования внутреннего цикла ожидания микропроцессора. В цикл ожидания микропроцессор входит по сигналу на входе “RDY” (“ГОТОВНОСТЬ”). Окончательное формирование сигнала “ RDY” происходит в системном генераторе КР580ГФ24. Формирование входного сигнала “RD” Y для системного генератора выполнено программно-аппаратными средствами. На Рис. 17 приведен фрагмент схемы формирования сигнала “RDY” и порта шагового режима, доступного для программного управления. В шаговом режиме переключатель S2 коммутирует низкий логический уровень на вход D- триггера D14-1. Низкий логический уровень на выходе инвертора D-19 появится при наличии стробирующего фронта по входу С триггера D14-1 (переход из 1 в 0) с выхода элемента D11. Стробирующие импульсы для записи информации в триггер выбираются переключателем S1 и соответствуют машинным или командным циклам микропроцессора. Условием прохождения 10 импульсов является наличие высокого уровня на верхнем входе элемента D11. Высокий уровень на верхнем входе элемента D11 образуется после прохождения через счетчик D13 определенного числа импульсов машинных циклов МП (импульсов с выхода SYN МП ). Задержка включения шагового режима необходима для выполнения в непрерывном режиме процедуры "СТ" системного монитора при запуске программы пользователя в шаговом режиме. Запрет счета импульсов машинных циклов, т.е. фактически сброс шагового режима, происходит при наличии высокого уровня на инверсном выходе триггера D12. Элементы D22,D23,D20, D12 образуют порт шагового режима. Выполнение машинного цикла или команды в шаговом режиме происходит при нажатии клавиши "ШАГ", инициирующей управляющий сигнал “ STEP”. Процесс формирования сигнала “STEP” можно проследить по схемам на рис.2 и рис.3. Сигнал “STEP” выводит микропроцессор из режима ожидания. Возврат в режим ожидания происходит в момент прихода очередного импульса начала машинного цикла или начала команды. Процесс отладки программ значительно упрощается при использовании подпрограмм или процедур, в т.ч. имеющихся в составе системного монитора. Основой для использования подпрограмм является условие сохранения (восстановления) состояния микропроцессора при выполнении подпрограммы или целенаправленное изменение этого состояния по результату работы подпрограммы. В микропроцессоре ВМ80 автоматически (на микропрограммном уровне) сохраняется только содержимое программного счетчика (“ PC”), т.е. адрес возврата из подпрограммы. Для этого используется стековая память, организованная в массиве ОЗУ с помощью регистра стека “SP”. Для сохранения содержимого других регистров МП используются программные средства обращения к стеку. При начальной установке микропроцессора в регистр стека загружается адрес, являющийся нижней границей ОЗУ. Каждое обращение к стеку для записи информации уменьшает содержимое регистра “SP” на единицу. Каждое обращение для чтения информации из стека увеличивает содержимое регистра “SP” на единицу. При выполнении операции “ RET” микропроцессор считывает в качестве адреса возврата текущие значения двух байтов из вершины стека. |