Методические указания для практических занятий по дисциплине мдк. 02. 01
 Скачать 7.37 Mb.
|
|
Описание лабораторного макета Схема лабораторного макета показана на следущем рисунке: Схема содержит RC-цепочки для синхронизации и сброса. Параметры время задающей цепочки (5,1 Ком и 22 Пф) обеспечивают рабочую частоту контроллера (10 Мгц). К выводам порта «В» контроллера (RB0 – RB7), через токоограничивающие резисторы (510 Ом), подключены светодиоды. Питание схемы осуществляется от источника постоянного напряжения +5 В. Применение светодиодов, позволяет наглядно контролировать прохождение сигналов в схеме. Ниже приведен текст, демонстрационной программы написанной на языке Ассемблера, реализующей алгоритм «бегущий огонь». 276 Практическая часть. На основе приведенного выше текста демонстрационной программы разработать программу, реализующую следующий алгоритм управления светодиодами: а) «бегущий огонь»; б) «мигают» крайние светодиоды; в) «мигает» один светодиод и т. д. Порядок выполнения работы 1. Используя программатор или симулятор, ввести и отладить программу, реализующую заданный преподавателем алгоритм. 2. Оформить отчет. Отчет должен содержать схему лабораторного макета и текст разработанной программы. Контрольные вопросы 1. Назначение выводов контроллера. 2. Назначение и порядок работы элементов схемы. 3. Назначение и порядок работы команд программы. Практическая работа №59. Интерфейс с периферийными устройствами (Передача типа Управление (Control)). Цель работы: работа предназначена для изучения принципов построения схем и разработки программного обеспечения микропроцессорных устройств, выполненных на основе контроллеров семейства PIC. Основные теоретические положения В устройствах, предназначенных для измерения различных физических величин и для управления технологическими процессами, одним из наиболее важных узлов является узел отображения информации. Наиболее целесообразно в таких схемах использовать современную элементную базу, так как применение микроконтроллеров позволяет значительно расширить круг решаемых задач, повысить надежность и уменьшить затраты на разработку и изготовление устройств отображения информации. Наиболее простыми и широко распространенными современными индикаторами являются семисегментные полупроводниковые индикаторы. Существует большое разнообразие цифровых индикаторов, например, индикаторы типа: АЛС 320, АЛС 324 и т. д. Описание лабораторного макета Схема лабораторного макета приведена на следующем рисунке: 277 Неиспользованные выводы контроллера на схеме не показаны. Схема содержит цифровой семисегментный индикатор, подключенный к выводам (RB0 – RB7) порта «В» контроллера. RC-цепочка (5,1 К, 22 Пф) служит для задания рабочей частоты (10 Мгц). RC-цепочка (10 К, 1,0 мкф) обеспечивает необходимую длительность сигнала «сброс». Ниже приводится текст программы, выводящей на индикатор последовательность символов: Практическая часть. 1. Используя программатор или симулятор, ввести и отладить программу, реализующую заданный алгоритм. Оформить отчет. Отчет должен содержать схему лабораторного макета и текст разработанной программы. Контрольные вопросы 1. Назначение элементов схемы и принципы ее работы. 2. Назначение команд программы. Практическая работа №60. Интерфейс с периферийными устройствами (применение программируемой логики). Цель работы: работа предназначена для изучения схемотехники подключения клавиатуры к портам контроллера и принципов разработки программного обеспечения для управления клавиатурой. Основные теоретические положения Применение клавиатуры необходимо для обслуживаемых микропроцессорных систем, когда есть необходимость в оперативном изменении режимов работы системы или вводе необходимой для работы информации. Сложность клавиатуры зависит от сложности решаемых задач. Широкое применение находят матричные клавиатуры, так как в этом случае клавиатура имеет минимальное количество клавиш при максимальном количестве решаемых функций. Функциональная схема лабораторного макета показана на следующем рисунке: 278 Схема содержит цифровой семисегментный индикатор, подключенный к разрядам порта «В» и матричную клавиатуру (4 х 4). Клавиши клавиатуры пронумерованы символами от 0 до F. Опрос клавиатуры осуществляется методом сканирования, при этом разряды порта « А» (RA0 – RA3) контроллера должны быть настроены на ввод, а разряды порта «В» – на вывод информации. Разряд RA4 порта «А» должен быть настроен на вывод: этот разряд позволяет разрешать (выводится лог.1) или запрещать (выводится лог.0) работу индикатора. Ниже приведен текст демонстрационной программы, отображающей на индикаторе цифры: 0, 1, 2, 3, что зависит от номера нажатой клавиши клавиатуры (0, 1, 2, 3). 279 Практическая часть. 1. Разработать ассемблер программу, реализующую заданный алгоритм. 2. Используя программатор или симулятор для PIC-контроллера ввести и отладить программу. 3. Оформить отчет. Отчет должен содержать схему лабораторного макета и текст раз- работанной ассемблер программы. Контрольные вопросы 1. Назначение выводов PIC-контроллера. 2. Порядок настройки портов. 3. Назначение команд программы. Практическая работа №61. Элементарные приемы программирования. Цель работы: работа предназначена для изучения принципов построения схем и разработки программного обеспечения микропроцессорных устройств, выполненных на основе контроллеров семейства AVR. Основные теоретические положения Компания Atmel выпускает обширную линейку восьмиразрядных микроконтроллеров на базе AVR-ядра, разбитых на несколько подсемейств, различающихся по техническим характеристикам, области применения и цене. ATtiny – семейство AVR-микроконтроллеров, предназначенных для использования в устройствах, требующих относительно большой производительности (до 1,0 MIPS, способны работать на частотах до 20,0 МГц), низкого энергопотребления (ATtiny единственное семейство способное работать от 0,7 В напряжения питания!) и компактности (есть микроконтроллеры в SOT23-6 корпусе – всего 6 выводов, и при этом каждый вывод обладает несколькими функциями. ATmega – семейство AVR-микроконтроллеров, предназначенных для использования в самых разнообразных областях, благодаря очень большому набору периферийных устройств, большому объему памяти программ и портов ввода/вывода. ATxmega – новое семейство AVR-микроконтроллеров с еще большим набором периферийных устройств, чем у ATmega (добавилось устройство прямого доступа к памяти, ЦАП, полноценный USB-интерфейс, более быстрый АЦП и др.), с рабочими частотами до 32,0 МГц. Все вышеперечисленные семейства имеют единую архитектуру (что позволяет с легкостью переносить код с одного микроконтроллера на другой), выпускаются как в DIP, так и SMD корпусах. Контроллеры семейства AVR в настоящее время находят широкое применение в различных устройствах. На следующем рисунке показана схема расположения выводов для контроллеров AT90S2313 и ATtiny2313. Отличие между этими контроллерами состоит в том, что AT90S2313 имеет два порта PD и PB, а контроллер ATtine2313 содержит три порта PA, PB, PD. 280 Выводы XTAL2, XTAL1 используются для подключения кварцевого резонатора. Характеристика контроллера AT90S2313. AT90S2313 является 8-разрядным CMOS- микроконтроллером с низким энергопотреблением, основанным на усовершенствованной AVR RISC-архитектуре. Благодаря выполнению высокопроизводительных инструкций за один период тактового сигнала, AT90S2313 достигает производительности,приближающейся к уровню 1 MIPS на МГц, обеспечивая разработчику возможность оптимизировать уровень энергопотребления в соответствии с необходимой вычислительной производительностью. Ядро AVR содержит мощный набор инструкций и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра напрямую подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), что обеспечивает доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной инструкции за один такт. В результате, данная архитектура имеет более высокую эффективность кода, при повышении пропускной способности, вплоть до 10 раз, по сравнению со стандартными микроконтроллерами CISC. AT90S2313 имеет: 2 Кбайт Flash-памяти с поддержкой внутрисистем- ного программирования, 128 байт EEPROM, 15 линий I/O общего назначения, 32 рабочих регистра общего назначения, универсальные таймеры/счетчики с режимами сравнения, внутренние и внешние прерывания, программируемый UART последовательного типа, програм- мируемый следящий таймер с встроенным тактовым генератором и программируемый последовательный порт SPI для загрузки программ в Flash-память, а также, два программно-выбираемых режима экономии энергопотребления. Режим ожидания «Idle Mode» останавливает CPU, но позволяет функционировать SRAM, таймеру/счетчикам, SPI порту и системе прерываний. Режим экономии энергопотребления «Power Down» сохраняет значения регистров, но останавливает тактовый генератор, отключая все остальные функции микроконтроллера, вплоть до следующего внешнего прерывания или до аппаратной инициализации. Контроллер производится с применением технологии энергонезависимой памяти с высокой плотностью размещения, разработанной в корпорации Atmel. Встроенная Flash-память с поддержкой внутрисистемного программирования обеспечивает возможность перепрограммирования программного кода в составе системы, посредством SPI последовательного интерфейса, или с помощью стандартного программатора энергонезависимой памяти. Благодаря совмещению усовершенствованного 8- разрядного RISC CPU с Flash-памятью с поддержкой внутрисистемного программирования на одном кристалле получился высокопроизводительный микроконтроллер AT90S2313, обеспечивающий гибкое и экономически-высокоэффективное решение для многих приложений встраиваемых систем управления. AVR AT90S2313 поддерживается полным набором программ и пакетов для разработки, включая: компиляторы С, макроассемблеры, от- ладчики/симуляторы программ, внутрисхемные эмуляторы и наборы для макетирования. Характеристика контроллера ATtiny2313. ATtiny2313 – низко-потребляющий 8-битный КМОП микроконтроллер с AVR-RISC архитектурой. Выполняя команды за один цикл, ATtiny2313 достигает производительности 1 MIPS при частоте задающего генератора 1 МГц, что позволяет разработчику оптимизировать отношение потребления к производительности. AVR- ядро объединяет богатую систему команд и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством (АЛУ), что позволяет получить доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной команды. В результате 281 эта архитектура позволяет обеспечить в десятки раз большую производительность, чем стандартная CISC-архитектура. ATtiny2313 имеет следующие характеристики: 2 КБ программируемой в системе Flash- память программы, 128-байтную EEPROM память данных, 128-байтное SRAM (статическое ОЗУ), 18 линий ввода-вывода общего применения, 32 рабочих регистра общего назначения, однопроводный интерфейс для встроенного отладчика, два гибких таймера/счетчика со схемами сравнения, внутренние и внешние источники прерывания, последовательный программируемый USART, универсальный последовательный интерфейс с детектором стартового условия, программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором и три программно- инициализируемых режима пониженного потребления. В режиме Idle останавливается ядро, но ОЗУ, таймеры/счетчики и система прерываний продолжают функционировать. В режиме Power- down регистры сохраняют свое значение, но генератор останавливается, блокируя все функции прибора до следующего пре- рывания или аппаратного сброса. В Standby режиме задающий генера-тор работает, в то время как остальная часть прибора бездействует. Это позволяет очень быстро запустить микропроцессор, сохраняя при этом в режиме бездействия мощность. Контроллер изготовлен по высокоплотной энергонезависимой технологии изготовления памяти компании Atmel. Встроенная ISP Flash позволяет перепрограммировать память программы в системе через последовательный SPI- интерфейс или обычным программатором энергонезависимой памяти. Объединив в одном кристалле 8-битное RISC-ядро с самопро- граммирующейся в системе Flash-памятью, ATtiny2313 стал мощным микроконтроллером, который дает большую гибкость разработчика микропроцессорных систем. ATtiny2313 поддерживается различными программными средствами и интегрированными средствами разра- ботки такими, как компиляторы C, макроассемблеры, программные отладчики/симуляторы, внутрисхемные эмуляторы и ознакомитель- ные наборы. Функциональная схема макета показана на следующем рисунке: Схема выполнена на основе микроконтроллера AT90S2313, к портам которого подключены светодиоды и кнопка. Резисторы, включенные последовательно со светодиодами, служат для ограничения токов, протекающих через светодиоды и выводы контроллера. Макет может быть реализован в виртуальном виде на основе программного продукта PROTEUS или AVR-Simulator. Ниже приведена программа управления светодиодами. 282 Практическая часть. 1. Ввести в память контроллера и выполнить выше приведенную программу, понять назначение команд программы. 2. Используя текст приведенной выше программы, разработать программу на языке Ассемблера, реализующую алгоритмы управления светодиодами: а) «мигает» один светодиод; б) «мигают» два светодиода. 3. Используя макет или симулятор схемы, ввести и отладить программу, реализующую заданный алгоритм. 4. Оформить отчет. Отчет должен содержать схему лабораторного макета и текст разработанной программы. Контрольные вопросы 1. Назначение элементов схемы и принципы ее работы. 2. Назначение команд программы. Практическая работа №62. Программирование микропроцессорных систем (архитектура и программная модель микроконтроллеров семейства AVR). Цель работы: изучить архитектуру, программную модель микроконтроллеров семейства AVR. Основные теоретические сведения. AVR-микроконтроллеры содержат на кристалле следующие аппаратные средства: 8- разрядное процессорное ядро, память программ, оперативную память данных, энергонезависимую память данных, регистры ввода-вывода, схему прерываний, схему программирования, а также периферийные устройства. 283 Процессорное ядро (Central Processing Unit – CPU) AVR-микроконтроллеров содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры общего назначения (РОН), программный счётчик, указатель стека, регистр состояния, регистр команд, дешифратор команд, схему управления выполнением команд. В АЛУ выполняются все вычислительные операции. Операции производятся только над содержимым РОН. На выборку содержимого регистров, выполнение операции и запись результата обратно в РОН затрачивается один машинный такт (один период тактовой частоты). Регистры общего назначения представляют собой 8-разрядные ячейки памяти с быстрым доступом, непосредственно доступные АЛУ. В AVR-микроконтроллерах имеется 32 РОН. Программный счётчик (Program Counter – PC) содержит адрес следующей выполняемой команды. Указатель стека (Stack Pointer – SP) служит для хранения адреса вершины стека. Регистр состояния (Status Register – SREG) содержит слово состояния процессора. Регистр команд, дешифратор команд и схема управления выполнением команд обеспечивают выборку из памяти программ команды, адрес которой содержится в программном счётчике, её декодирование, определение способа доступа к указанным в команде аргументам и собственно выполнение команды. Для ускорения выполнения команд используется механизм конвейеризации, который заключается в том, что во время исполнения текущей команды программный код следующей выбирается из памяти и декодируется. Память AVR-микроконтроллеров организована по схеме гарвардского типа – адресные пространства памяти программ и памяти данных разделены. Память программ представляет собой перепрограммируемое ПЗУ типа FLASH и выполнена в виде последовательности 16- разрядных ячеек, так как большинство команд AVR-микроконтроллера являются 16-разрядными словами. FLASH-память не обладает возможностью перезаписи отдельных ячеек, поэтому всегда выполняется полная очистка всей памяти программ. При этом гарантируется не менее 10 000 циклов перезаписи. Память программ имеет размер от 1 до 128K слов. Оперативная память данных представляет собой статическое ОЗУ (SRAM – Static Random-Access Memory) и организована как последователь- ность 8-разрядных ячеек. Оперативная память данных может быть внутренней (до 16K байт) и внешней (до 64К байт). Энергонезависимая (nonvolatile) память данных организована как последовательность 8-разрядных ячеек и представляет собой перепрограммируемое ПЗУ с электрическим стиранием (РПЗУ-ЭС, или EEPROM – Electrically Erasable Programmable Read-only Memory). Энергонезависимая память данных имеет размер до 64К байт. Регистры ввода-вывода предназначены для управления процессорным ядром и периферийными устройствами AVR-микроконтроллера. Схема прерываний обеспечивает возможность асинхронного прерывания процесса выполнения программы при определённых условиях. К периферийным устройствам AVR-микроконтроллера относятся порты ввода-вывода, таймеры, счётчики, сторожевой таймер, аналоговый компаратор, аналого-цифровой преобразователь, универсальный асинхронный (синхронно- асинхроный) приёмопередатчик – 284 УАПП (УСАПП), последовательный периферийный интерфейс SPI, интерфейс JTAG и др. Набором периферийных устройств определяются функциональные возможности микроконтроллера. Обмен информацией между устройствами AVR-микроконтроллера осуществляется посредством внутренней 8-разрядной шины данных. Программная модель AVR-микроконтроллеров. Программная модель микропроцессора представляет собой совокупность программно доступных ресурсов. В программную модель микроконтроллеров семейства AVR входят РОН, регистры ввода-вывода, память программ, оперативная память данных и энергонезависимая память данных. РОН (R0…R31) могут использоваться в программе для хранения данных, адресов, констант и другой информации. Шесть старших регистров объединены попарно и составляют три 16-разрядных регистра Х [R27:R26], Y [R29:R28] и Z [R31:R30]. РОН, регистры ввода- вывода и оперативная память данных образуют единое адресное пространство. Адресное пространство – это множество доступных ячеек памяти, различимых по адресам; адресом называется число, однозначно идентифицирующее ячейку памяти (регистр). Адреса ячеек памяти традиционно записыва- ются в шестнадцатеричной системе счисления, на что указывает знак $ в обозначении адреса. Адреса в едином адресном пространстве AVR- микроконтроллеров распределяются следующим образом. Младшие 32 адреса ($0000…$001F) соответствуют РОН. Следующие 64 адреса ($0020…$005F) занимают регистры ввода-вывода. Внутренняя опера- тивная память данных у AVR-микроконтроллеров начинается с адреса $0060. В память программ, кроме собственно программы, могут быть записаны постоянные данные, которые не изменяются в процессе работы микропроцес- сорной системы (константы, таблицы линеаризации датчиков и т. п.). Выполнение программы при включении питания или после сброса микроконтроллера начинается с команды, находящейся по адресу $0000 (т. е. в первой ячейке) памяти программ. Энергонезависимая память данных предназначена для хранения информации, которая может изменяться непосредственно в процессе работы микропро- цессорной системы (калибровочные коэффициенты, конфигурационные параметры и т. п.). Энергонезависимая память данных имеет отдельное адресное пространство и может быть считана и записана программным путём. |