Методические указания для практических занятий по дисциплине мдк. 02. 01
 Скачать 7.37 Mb.
|
|
Breakpoints окна Output; там же точки останова могут быть запрещены (путём сброса флажка напротив точки останова) и разрешены (путём установки флажка). При достижении точки останова во время прогона программы её выполнение приостанавливается. Повторный вызов команды установки точки останова на той же строке программы приводит к удалению точки останова. Удалить все заданные точки останова позволяет команда Remove Breakpoints меню Debug или команда Remove all Breakpoints контекстного меню закладки Breakpoints окна Output. Параметры точки останова задаются в диалоговом окне Breakpoint Condition, вызов которого осуществляется командой Breakpoints Properties контекстного меню редактора исходного текста программы. Установка флажка Iterations позволяет задать количество итераций (повторных выполнений) команды до останова прогона программы. При установке флажка Watchpoint по достижению точки останова производится только обновление значений регистров и ячеек памяти в окнах просмотра. Флажки Iterations и Watchpoint не должны устанавливаться одновременно. Установка флажка Show message обеспечивает отображение сообщений о достижении точки останова на закладке Breakpoints окна Output. Вызов диалогового окна задания свойств и удаление точки останова может быть произведено из контекстного меню закладки Breakpoints окна Output. 179 Точки трассировки предназначены для контроля выполнения программы в режиме реального времени. Трассировка позволяет отслеживать так называемую трассу программы - изменение содержимого регистров и ячеек памяти при выполнении определённых команд (команд, по адресам которых заданы точки трассировки). В среде AVR Studio функция трассировки может использоваться только при отладке программы с применением внутрисхемного эмулятора; при работе в режиме симулятора функция трассировки недоступна. Точки наблюдения задаются командой Add to Watch контекстного меню редактора исходного текста программы. Точки наблюдения представляют собой символические имена регистров или ячеек памяти, содержимое которых необходимо отслеживать. При выполнении команды Add Watch на экране появляется окно Watches, разделённое на четыре столбца: Name (символическое имя точки наблюдения), Value (значение), Type (тип), Location (местонахождение). Новая точка наблюдения может быть также задана в выделенной ячейке столбца Name окна Watches или командой Quickwatch в окне редактора исходного текста программы (при этом курсор должен находиться на имени регистра или ячейки памяти). Значения, отображаемые в столбце Value, обновляются при изменении содержимого соответствующего регистра или ячейки памяти. Удалить заданные точки наблюдения можно их окна Watches. Отладчик среды AVR Studio также обеспечивает следующие функции: выполнение до курсора (команда Run to Cursor меню Debug) и последовательное выполнение команд с паузами между ними (команда Auto Step меню Debug). Для удобства использования в процессе отладки ряд команд отладчика доступен с клавиатуры (табл. 2). Для просмотра и изменения содержимого регистров и ячеек памяти служат команды Registers, Memory, Memory 1, Memory 2, Memory 3 меню View. По команде Registers на экране отображается окно Registers, в котором приводятся шестнадцатеричные представления содержимого РОН. Изменение (модификация) содержимого регистров производится путём двойного щелчка мышью. Наблюдение за содержимым РОН может быть также произведено с помощью дерева устройств микроконтроллера, находящегося на закладке I/O окна Workspace. Для этого необходимо раскрыть объекты Register 0-15 и Register 16-31 щелчком мыши по знаку «+». Команды Memory, Memory 1, Memory 2, Memory 3 обеспечивают вызов окон Memory, служащих для отображения содержимого ячеек оперативной и энергонезависимой памяти данных, памяти программ, регистров ввода-вывода и РОН. Выбор типа памяти, отображаемой в окне Memory, производится с помощью списка, расположенного в панели управления окна (Data - оперативная память данных, Eeprom - энергонезависимая память данных, I/O - регистры ввода- вывода, Program - память программ, Register - РОН). Для наблюдения за состоянием процессора необходимо раскрыть объект Processor закладки I/O окна Workspace. При этом будет отображена следующая информация: содержимое программного счётчика (Program Counter); содержимое указателя стека (Stack Pointer), количество тактов, прошедших с начала выполнения (Cycle Counter); содержимое 16-разрядных регистров- указателей X, Y и Z; тактовая частота (Frequency); затраченное на выполнение время (Stop Watch). Таблица 2 Команда отладчика Клавиша Команда отладчика Клавиша Run F5 Step Into F11 Break Ctrl+F5 Step Out Shift+F11 Reset Shift+F5 Step Over F10 Run to Cursor Ctrl+F10 Toggle Breakpoint F9 180 Для наблюдения содержимого регистров ввода-вывода необходимо раскрыть объект I/O * закладки I/O окна Workspace, где * - тип микроконтроллера. Регистры ввода-вывода, входящие в объект I/O, сгруппированы по типам периферийных устройств. Модифицированные значения содержимого регистров и ячеек памяти действуют только во время текущего сеанса отладки, в исходный текст программы изменения не заносятся. Практическая часть. Провести отладку созданной в практической работе №32 программы с помощью симулятора-отладчика среды AVR Studio, проделав следующие операции. 1. Выполнить программу в пошаговом режиме, отслеживая изменение содержимого используемых в программе регистров. Обратить внимание на изменение содержимого программного счётчика. Сравнить содержимое программного счётчика при выполнении команд с их адресами в памяти программ, приведёнными в листинге трансляции и окне памяти программ. 2. Выполнить прогон программы. Проверить правильность результата работы программы. 3. Задать точку останова на команде загрузки в РОН числа В. Включить режим отображения сообщений о достижении точки останова. Выполнить прогон программы с контрольными точками. Задать точку останова на команде умножения. Выполнить прогон программы с контрольными точками. Удалить заданные точки останова. 4. Задать точки наблюдения в используемых РОН. Выполнить программу в пошаговом режиме, отслеживая изменение их содержимого. Содержание отчета. Отчёт должен содержать: титульный лист с указанием номера и названия практической работы, номера группы и фамилий выполнивших работу; цель работы; краткие теоретические сведения (классификацию средств отладки ПО, перечень основных функций программ- отладчиков); список использованных команд отладчика AVR Studio с указанием их назначения. Контрольные вопросы. 1. Классификация средств отладки прикладного ПО встраиваемых МП. 2. Виды и особенности аппаратных средств отладки ПО. 3. Основные функции программных средств отладки ПО. 4. Пошаговое выполнение программы и его возможности. 5. Особенности прогона программы с контрольными точками. 6. Контрольные точки: типы, назначение, использование. Практическая работа №34. Микроконтроллеры семейства МК51. Цель работы: изучить характеристики 8-разрядных микроконтроллеров семейства МК51. Теоретические сведения. 1. Характеристика отечественных 8-разрядных микроконтроллеров Семейство однокристальных 8-разрядных микроконтроллеров (МК) серий 1816. 1830 включает ряд моделей, модификации которых варьируются в зависимости от объема и характера вычислительных ресурсов (памяти программ и данных, тактовой частоты). Их недостатком является небольшой температурный диапазон эксплуатации (-10 - +70 С) , в то время как зарубежные фирмы Intel, Siemens производят модификации контроллеров, рассчитанные на применение в диапазонах: 0 - +70 С, -40 - +85 С, - 40 - +110 С и по особому закону -40 - +125С [5]. Семейство отечественных микроконтроллеров МК51 включает 6 модификаций серий КР1816, KP1830, KР1835, отличающихся по реализации резидентной памяти программ и мощности потреблении. В таблице 1 приводятся основные модели из указанного семейства микроконтроллеров. Таблица 1 - Семейство МК51 Модель Аналог Объем резидентной Объем резидентной Тактовая частота, Ток потребления, 181 памяти программ, Кбайт памяти данных, байт MГц мА KP1816ВЕ31 8031АН 128 12 150 KP18I6BЕ51 8051АН 4К 128 12 150 KМ1816ВЕ751 875IAH 4К 128 12 220 KР1830ВЕ31 80C3IBH 128 12 18 KP1830BE51 80С51ВН 4К 128 12 18 KР1835BE51 80С51BU 4К 128 12 18 Из таблицы 1 видно, что наиболее экономичными являются большие интегральные схемы (БИС) серии КР1830 при одинаковых значениях основных технических характеристик. КМ1816ВЕ751, в отличии от KP1816BЕ51, содержит внутреннее ППЗУ емкостью 4 Кбайт с ультрафиолетовым стиранием. Следует отметить, что у всех моделей MK-51 за счет использования внешней памяти, емкость памяти программ и данных может быть расширена до 64 Кбайт. Приведем некоторые особенности моделей KM1830ВЕ751 и КМ1830ВЕ753 (аналог 8753Н фирмы AMD). Последняя отличается наличием перепрограммируемого запоминающего устройства (ППЗУ) с ультрафиолетовым стиранием на 8 Кбайт. Микросхемы имеют особенности: - специальный режим эксплуатации; - дополнительные средства защиты памяти программ, расположенной на кристалле два бита защиты памяти и шифровальную таблицу; - алгоритм программирования укороченными импульсами. Общие сведения об однокристальных микроконтроллерах семейства МК51 Восьмиразрядные высокопроизводительные однокристальные микроконтроллеры семейства МК51 выполнены по высококачественной n-МОП технологии (серия 1816) и КМОП технологии (серия 1830). Использование микроконтроллера семейства МК51 по сравнению с МК48 обеспечивает увеличение объема памяти команд и памяти данных. Новые возможности ввода-вывода и периферийных устройств расширяют диапазон применения и снижают общие затраты системы. В зависимости от условий использования быстродействие системы увеличивается минимум в два с половиной раза и максимум в десять раз. МК КМ1816ВЕ751 содержит ППЗУ емкостью 4096 байт со стиранием ультрафиолетовым излучением и удобен на этапе разработки системы при отладке программ, а также при производстве небольшими партиями или при создании систем, требующих в процессе эксплуатации периодической подстройки. За счет использования внешних микросхем памяти общий объем памяти программ может быть расширен до 64 Кбайт. МК КР1816ВЕ31 и КР1830ВЕ31 не содержат встроенной памяти программ, и могут использовать до 64 Кбайт внешней постоянной или перепрограммируемой памяти программ и эффективно использоваться в системах, требующих существенно большего по объему (чем 4 Кбайт на кристалле) ПЗУ памяти программ. Каждый МК рассматриваемого семейства содержит встроенное ОЗУ памяти данных емкостью 128 байт с возможностью расширения общего объема оперативной памяти данных до 64 Кбайт за счет использования внешних микросхем ЗУПВ. Общий объем памяти МК семейства МК51 может достигать 128 Кбайт: 64 Кбайт – память программ и 64 Кбайт – память данных. При разработке на базе МК более сложных систем могут быть использованы стандартные ИС с байтовой организацией, например, серии КР580. МК содержат все узлы, необходимые для автономной работы: - центральный восьмиразрядный процессор; - память программ объемом 4 Кбайт (только КМ1816ВЕ751, КР1816ВЕ51 и КР1830ВЕ51); 182 - память данных объемом 128 байт; - четыре восьмиразрядных программируемых канала ввода-вывода (порты P0, P1, P2, P3); - два 16-битовых многорежимных таймера/счетчика; - система прерываний с пятью векторами и двумя уровнями; - последовательный интерфейс; - тактовый генератор. Система прерываний, блок последовательного интерфейса и таймеры объединены в один блок. Память программ предназначена для хранения программ и имеет отдельное от памяти данных адресное пространство объемом до 64 Кбайт, причем для микросхем КР1816ВЕ51, КМ1816ВЕ751 и для КР1830ВЕ51 часть памяти программ с адресами 0000Н -0FFFH расположена на кристалле МК. Память программ, расположенная на кристалле, состоит из 12-разрядного дешифратора и ПЗУ емкостью 4К*8 бит для микросхем КР1816ВЕ51, КР1830ВЕ51 или ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием емкостью 4К*8 бит для КМ1816ВЕ751. Запись программ в ПЗУ происходит во время изготовления кристаллов. Если на вывод МК EA/NPP подано напряжение питания Vcc то обращение к внешней памяти программ происходит автоматически при выработке счетчиком команд адреса, превышающего 0FFFH. Если адрес находится в пределах 0000Н - 0FFFH, обращение происходит к памяти программ, расположенной на кристалле (внутренней памяти программ). Если на вывод EA/NPP подан «0», внутренняя память программ отключается и, начиная с адреса 0000Н, все обращения выполняются к внешней памяти программ. Если МК не имеет внутренней памяти программ, ее вывод EA/NPP должен быть подключен к общей шине. Чтение из внешней памяти программ стробируется сигналом PSEN. При работе с внутренней памятью программ сигнал PSEN не формируется. МК не имеют инструкций и аппаратных средств для программной записи в память программ. При обращениях к внешней памяти программ всегда формируется 16-разрядный адрес, младший байт которого выдается через порт Р0, а старший - через порт Р2. При этом байт адреса, выдаваемый через порт Р0, должен быть зафиксирован во внешнем регистре по спаду сигнала ALE, т. к. в дальнейшем линии порта Р0 используются в качестве шины данных, по которой байт из внешней памяти программ вводится в МК. 2. Функциональная схема включения МК МК51 с внешним ППЗУ программ Порт Р0 работает как мультиплексированная шина адрес/данные: выдает младший байт счетчика команд, а затем переходит в высокоимпедансное состояние и ожидает прихода байта из ППЗУ программ. Когда младший байт адреса находится на выходах порта Р0, сигнал ALE защелкивает его в адресном регистре RG. Старший байт адреса находится на выходах порта Р2 в течение всего времени обращения к ППЗУ. Сигнал РМЕ разрешает выборку байта из ППЗУ, после чего выбранный байт поступает на порт Р0 МК51 и вводится в МК. Память данных предназначена для приема, хранения и выдачи информации, используемой в процессе выполнения программы. Память данных, расположенная на кристалле МК, состоит из регистра адреса ОЗУ, дешифратора, ОЗУ и указателя стека. Регистр адреса ОЗУ предназначен для приема и хранения адреса выбираемой с помощью дешифратора ячейки памяти, которая может содержать как бит, так и байт информации. ОЗУ представляет собой 128 восьмиразрядных регистров, предназначенных для приема, хранения и выдачи различной информации. Указатель стека представляет собой восьмиразрядный регистр, предназначенный для приема и хранения адреса ячейки стека, к которой было последнее обращение. При выполнении команд LCALL, ACALL содержимое указателя стека увеличивается на 2. При выполнении команд RET, RETI содержимое указателя стека уменьшается на 2. При выполнении команды PUSH direct содержимое указателя стека увеличивается на 1. При выполнении команды POP direct содержимое указателя стека уменьшается на 1. После сброса в указателе стека устанавливается адрес 07Н, что соответствует началу стека с адресом 08Н. 183 В МК предусмотрена возможность расширения памяти данных путем подключения внешних устройств емкостью до 64 Кбайт. При этом обращение к внешней памяти данных возможно только с помощью команд MOVX. Команды MOVX ©Ri,A и MOVX A,@Ri формируют восьмиразрядный адрес, выдаваемый через порт Р0. Команды MOVX @DPTR,A и MOVX @A,DPTR формируют 16-разрядный адрес, младший байт которого выдается через порт Р0, а старший – через порт Р2. Байт адреса, выдаваемый через порт Р0, должен быть зафиксирован во внешнем регистре по спаду сигнала ALE, т. к. в дальнейшем линии порта Р0 используются как шина данных, через которую байт данных принимается из памяти при чтении или выдается в память данных при записи. При этом чтение стробируется сигналом RD, а запись – сигналом WR. При работе с внутренней памятью данных сигналы RD и WR не формируются. Порты P0, P1, P2, P3 являются двунаправленными портами ввода-вывода и предназначены для обеспечения обмена информацией МК с внешними устройствами, образуя 32 линии ввода- вывода. Каждый из портов содержит фиксатор-защелку, который представляет собой восьмиразрядный регистр, имеющий байтовую и битовую адресацию для установки (сброса) разрядов с помощью программного обеспечения. Физические адреса P0, P1, P2, P3 составляют для: P0 – 80Н, при битовой адресации 80Н -87Н; P1 – 90Н, при битовой адресации 90Н -97Н; P2 – А0Н, при битовой адресации А0Н – А7Н; P3 – В0Н, при битовой адресации В0Н – В7Н. Помимо работы в качестве обычных портов ввода/вывода линии портов Р0 – РЗ могут выполнять ряд дополнительных функций, описанных ниже. 1.3 Структура микроконтроллера KP1816ВЕ51 (МК-51) Условное графическое обозначение микроконтроллера МК-51 показано на рисунке 1. Назначение выводов: Uss - потенциал общего провода ("земли"); Ucc - основное напряжение литания +5 В; X1,X2 - выводы для подключения кварцевого резонатора; Рисунок 1 – Условное графическое обозначение микроконтроллера МК-51 RST/VPD - вход общего сброса/подключения резервного источника питания; PSEN - разрешение внешней памяти программ; выдается только при обращении к внешнему ПЗУ; 184 ALE - строб адреса внешней памяти; ЕА - отключение внутренней программной памяти; уровень 0 на этом входе заставляет микроконтроллер выполнять программу только внешней ПЗУ; игнорируя внутреннюю (если последняя имеется); P1 - восьмибитный квазидвунаправленный порт ввода/вывода: каждый разряд порта может быть запрограммирован как на ввод, так и на вывод информации, независимо от состояния других разрядов; P2 - восьмибитный квазидвунаправленный порт, аналогичный Р1; кроме того, выводы этого порта используются для выдачи адресной информации (старшего байта) при обращении к внешней памяти программ или данных (если используется 16-битовая адресация последней). Выводы порта используются так же для подключения и программирования расширителя (К580ВР43); РЗ - восьмибитный квазидвунаправленный порт, аналогичный. Р1; кроме того, выводы этого порта могут выполнять ряд альтернативных функций, которые используются при работе таймеров, порта последовательного ввода-вывода, контроллера прерываний, и внешней памяти программ и данных; Альтернативные функции порта Р3: RxD – вход приемника последовательного порта в режиме УАПП. Ввод/вывод данных в режиме сдвигающего регистра; TxD – выход передатчика последовательного порта в режиме УАПП. Выход синхронизации в режиме сдвигающего регистра; INT0 (инв), INT1 (инв) – входы запросов на прерывание (срабатывает по низкому уровню или срезу); TO, T1 – входы таймеров-счетчиков или тест-входы; RD (инв), WR (инв) – сигналы управления чтения и записи (формируются при обращении к внешней памяти); P0 - восьмибитный двунаправленный порт ввода-вывода информации: при работе с внешними ОЗУ и ПЗУ по линиям порта в режиме временного мультиплексирования выдается адрес внешней памяти, после чего осуществляется передача или прием данных. Структурная организация и система команд МК - 51 хорошо описана в [1], и приведена на рисунке 2. Отметим, что микроконтроллер можно представить в виде следующих основных узлов: - арифметико-логическое устройство (АЛУ); - память данных и программ; - аккумулятор; - регистр слова состояния (регистр признаков); - 8 - битный регистр - указатель стека; - 16 - битный регистр - указатель данных; - блок таймеров - счетчиков; - последовательный порт; - регистры специальных функций; - устройства управления и синхронизации; - порты ввода - вывода. МК - 51 работает от внутреннего генератора, который имеет внешние выводы для подключения кварцевого резонатора. Все порты (0,1,2,3) МК - 51 служат для побайтного ввода - вывода данных. Кроме того, порты 0 и 2 служат для вывода адреса. Выводы порта 3 могут быть использованы для реализации альтернативных функций. Порт 0 является двунаправленным, порты 1, 2, 3 - квазидвунаправленными: каждая линия порта может быть настроена для ввода или вывода данных. Нагрузочная способность портов 1, 2, 3 - один ТТЛ - вход, а порта 0 - два ТТЛ входа. PC - 16-разрядный программный счетчик. Аккумулятор (А) служит для хранения как операнда, так и результата операции. Но МК-51 может выполнять ряд команд и без участия аккумулятора. Выполнение многих команд 185 производится в арифметическо-логическом устройстве, а ряд признаков операций фиксируется в регистре слова состояния программы (PSW). Арифметическо-логическое устройство (8-битное) может выполнять арифметические операции сложения, вычитания, умножения и деления; логические операции И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, а также операции циклического сдвига, сброса, инвертирования и т.п. В АЛУ имеются программно недоступные регистры T1 и T2, предназначенные для временного хранения операндов, схема десятичной коррекции и схема формирования признаков. Восьмиразрядный указатель стека (SP) может адресовать любую область памяти данных. Содержимое его уменьшается на единицу в ходе выполнения команд PUSH и CALL и увеличивается на единицу при выполнении команд РОР и RET. При сбросе в SP автоматически загружается начальный код 07 Н. 16-разрядный регистр-указатель данных (DPTR) служит для фиксации адреса при обращении к внешней памяти. Он может работать как два независимых 8-разрядных регистра DPH и DPL. МК-51 имеет два независимых программируемых 16-разрядных таймера/счетчика, представленных в виде двух регистровых пар: TH0, TL0 и TH2, TL1, буфер последовательного порта SBUF - два независимых 8 - разрядных регистра: регистр приемника и регистр передатчика, регистры специальных функций с именами IP, IE, TMOD, TCON, SCON, PCON, позволяющие программировать схему прерывания, режимы работы таймеров-счетчиков и приемопередатчика. Память программ и память данных, размещенные на кристалле МК51, физически и логически разделены, имеют различные механизмы адресации, работают под управлением различных сигналов и выполняют разные функции. Память программ (ПЗУ или СППЗУ) имеет емкость 4 Кбайта и предназначена для хранения команд, констант, управляющих слов инициализации, таблиц перекодировки входных и выходных сменных и т.п. РПП имеет 16-битную шину адреса, через которую обеспечивается доступ из счетчика команд или из регистра-указателя данных. Последний выполняет функции базового регистра при косвенных переходах по программе или используется в командах, оперирующих с таблицами. Память данных (ОЗУ) предназначена для хранения переменных в процессе выполнения прикладной программы, адресуется одним байтом и имеет емкость 128 байт. Кроме того, к адресному пространству РПД примыкают адреса регистров специальных функций (РСФ), которые перечислены в таблице 2. Таблица 2 - Блок регистров специальных функций Символ Наименование Адрес * ACC Аккумулятор 0E0H * B Регистр-расширитель аккумулятора 0F0H * PSW Слово состояния программы 0D0H SP Регистр-указатель стека 81H DPTR Регистр-указатель данных (DPH) (DPL) 83H 82H * P0 Порт 0 80H * P1 Порт 1 90H * P2 Порт 2 0A0H * P3 Порт 3 0B0H * IP Регистр приоритетов 0B8H * IE Регистр маски прерываний 0A8H TMOD Регистр режима таймера/счетчика 89H * TCON Регистр управления/статус таймера 88H 186 TH0 Таймер 0 (старший байт) 8CH TL0 Таймер 0 (младший байт) 8AH TH2 Таймер 1 (старший байт) 8DH TL1 Таймер 1 (младший байт) 8BH * SCON Регистр управления приемопередатчиком 98H SBUF Буфер приемопередатчика 99H PCON Регистр управления мощностью 87H Примечание. Регистры, имена которых отмечены знаком (*), допускают адресацию отдельных бит. В таблице 3 приводится перечень флагов ССП, даются их символические имена и описываются условия их формирования. Таблица 3 - Формат слова состояния программы (ССП) Символ Позиция Имя и назначение C PSW.7 Флаг переноса. Устанавливается и сбрасывается при выполнении арифметических и логических операций AC PSW.6 Флаг вспомогательного переноса. Устанавливается и сбрасывается при выполнении команд сложения и вычитания и сигнализирует о переносе или заем в бите 3 F0 PSW.5 Флаг 0. Может быть установлен, сброшен или проверен программой как флаг, специфицируемый пользователем RS1 RS0 PSW.4 PSW.3 Выбор банка регистров. Устанавливается и сбрасывается программой для выбора рабочего банка регистров OV PSW.2 Флаг переполнения. Устанавливается и сбрасывается при выполнении арифметических операций - PSW.1 Не используется P PSW.0 Флаг паритета. Устанавливается и сбрасывается каждом цикле команды и фиксирует нечетное/четное число единичных бит в аккумуляторе Примечание RS1 RS0 Банк Границы адресов 0 0 0 00H-07H 0 1 1 08H-0FH 1 0 2 10H-17H 1 1 3 18H-1FH |