Разработка микропроцессорной системы

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Кафедра «Системы автоматического управления»

Курсовая работа

по дисциплине

ЭВМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

на тему

"РАЗРАБОТКА МПС"

Тула 2004 г.

Введение

Одним из крупнейших достижений микроэлектроники и вычислительной техники является создание микропроцессоров (микропроцессорных наборов БИС). В решении актуальных задач ускорения научно-технического прогресса им принадлежит существенная роль.

Высокая производительность, малые габаритные размеры и энергопотребление, эргономичность, развитое, ориентированное на массового пользователя базовое и прикладное программное обеспечение микроЭВМ и ПЭВМ обеспечивают значительное повышение эффективности труда в различных отраслях народного хозяйства. Это особенно важно при автоматизации сложной управленческой, хозяйственной, инженерной детельности, научных исследований и экспериментов, учебного процесса.

Массовый выпуск микропроцессорных наборов БИС с широкими функциональными возможностями, их низкая стоимость, гибкость и точность цифровых методов обработки информации превратили МП в системные элементы, на основе которых создаются системы промышленной автоматики, связи, измерительной техники, управления транспортом и т.д.

Создание МПС на базе МП содержит два этапа: разработка аппаратной части и разработка программного обеспечения на языке низкого уровня (языка кодовых комбинаций, Ассемблера).

В данной работе рассматривается пример разработки микропроцессорной системы, которая является ПИД-регулятором.

Выбор микропроцессора

Исходя из данных задания (разрядность, тактовая частота, общий объём памяти) выбираем процессор Z80 фирмы Zilog.

Схема подключения микропроцессора показана на рис. 1

Рисунок 1. Схема подключения микропроцессора

По заданию (вторая часть) на входе МПС – 16‑ти битный сигнал ошибки САУ , синхронный со срезами внешнего синхросигнала постоянной частоты со скважностью (меандр). Следовательно МПС должна начать обрабатывать новый сигнал, как только он поступил. Этот процесс организован с помощью подключения синхросигнала с выходу маскируемого прерывания .

Организация памяти

Шестнадцатибитная линия адреса процессора Z80 при разрядности 8 бит позволяет адресовать 64 Кбайта памяти и 512 устройств вводавывода (256 ввода, 256 вывода).

По заданию требуется спроектировать блок памяти:

· ПЗУ – 32 Кслов (32Кбайт),

· ОЗУ – 8 Кслов (8Кбайт).

Для хранения 32 Кбайт ПЗУ используем четыре микросхемы 573РФ4 (объём 65536 бит, организация 8192×8)

Для хранения 8 Кбайт ОЗУ – четыре микросхемы 537РУ10 (объём 16384 бит, организация 2048×8).

Составим карту памяти (табл. 1), исходя из того, что ПЗУ занимает нижние адреса памяти, адреса ОЗУ следуют за ПЗУ, остальные 24 Кбайта не используются.

Таблица 1. Карта памяти

Из табл. 1 можно сделать следующие выводы по организации памяти:

· Шина данных подключается сразу ко всем восьми микросхемам.

· Для выбора той или иной микросхемы достаточно одного двойного демультиплексора 531ИД14, осуществляющего преобразование 1-4. Одна его часть отвечает за выбор схемы ПЗУ, другая – за выбор ОЗУ.

· Бит А15 равен 0, если адресуется ПЗУ и равен 1, когда адресуется ОЗУ.

· ПЗУ. По линии адреса на микросхему подаются биты А0‑А12, биты А13 и А14 определяют, в какой именно банк происходит адресация.

· ОЗУ. По линии адреса на микросхему подаются биты А0‑А10, биты А11 и А12 определяют конкретный банк, биты А13 и А14 всегда равны 0.

Сигналы с выхода демультиплексора подаются непосредственно на входы в ПЗУ и на входы в ОЗУ.

Для активизации демультиплексора, отвечающего за ПЗУ, на вход необходимо подавать активный уровень сигнала (логический 0), если происходит цикл обращения к памяти () и . Необходимый управляющий сигнал достигается при использовании логического функции и элемента дисъюнктора. Справедливы аналогичные рассуждения для демультиплексора, отвечающего за ОЗУ, за исключением того факта, что в дисъюнкцию должно войти отрицание элемента – .

На вход ОЗУ необходимо подать логическую функцию (логическое , элемент конъюнктор), а на вход – выход МП .

Напряжения.

Т.к. ПЗУ не находится в режиме программирования, то на входы питания ПЗУ (,,) требуется подать +5V, а входы и – заземлить (на рис. не показано).

На вход ОЗУ также подаётся +5V, а вход заземляется.

Схема подключения памяти к шинам представлена на рис. 2.

Рисунок 2. Организация памяти

Организация вводавывода

По заданию МПС должна принимать и выдавать 16 ти битный код. Кроме того у МПС имеются перемычки для задания шестнадцатибитных констант регулятора , , .

На МПС должны быть 48 (16×3) перемычек для задания констант. Схема организации перемычек представлена на рис. слева. Перемычки собираются в группы по восемь (например, младший байт константы ) и подаются на приёмопередатчик 580ВА86. Таким образом задание трёх шестнадцатибитных констант требует шести 8‑ми битных приёмопередатчиков.

Входной и выходной сигналы целесообразно хранить в регистрах, где они будут дожидаться запроса МП на чтение при вводе и запроса внешнего устройства (фронта синхросигнала) при выводе кода. Таким образом требуется наличие четырёх 8‑ми битных регистров.

Всего же требуется адресовать 10 устройств вводавывода. При этом задействуются биты А0‑А3. Запишем адреса внешних устройств в табл. 3.

Таблица 2. Адреса внешних устройств

Обращение к тому или иному внешнему сигналу в зависимости от его адреса осуществим с помощью демультиплексора 555ИД7 1-8 и дополнительных логических элементов. На вход демультиплексора подаются биты А0‑А2. Бит А3 отвечает за то, осуществляется ли адресация к портам ввода или вывода.

Рассмотрим случай адресации к младшему байту порта ввода данных или вывода. Обозначим – сигнал с выхода демультиплексора №0, – сигнал, который подаётся на регистр, отвечающий за приём входного кода, – сигнал, отвечающий за запись в регистр выходного кода. Составим таблицу истинности (табл. 2). При этом необходимо помнить, что у активный уровень (подключается к входу ), а – сигнал положительной логики (подключается к входу ).

Таблица 3. Таблица истинности

Используя СКНФ, СДНФ и теорему де Моргана, запишем логические функции:

, .

Очевидно, что демультиплексор активируется, когда происходит цикл обращения к внешним устройствам () и хотя бы один из сигналовили равен нулю.

.

Сокращённая схема подключения устройств вводавывода изображена на рис. 3.

Общий вид МПС достигается совмещением рис. 1–3 на одном и соединением магистралей (шины данных, адреса и управления).

Рисунок 3. Проектирование устройств вводавывода

Разработка программного обеспечения

В соответствии с заданием программа разрабатывается на Ассемблере с использованием системы команд выбранного процессора.

Логически программа состоит из двух частей:

· основная часть программы для задания констант;

· программа обработки прерывания – получения входного шестнадцатибитного кода, выполнение математической операции и выдача шестнадцатибитного кода – результата математической операции:

. (1)

Интеграл и дифференциал

Интеграл и дифференциал считаются по приближённым формулам:

·

· .

В данных выражениях – период внешнего синхросигнала. В расчётах этот множитель участвовать не будет, а результат будет выдаваться пропорционально его значению.

Операция умножения восьмибитных чисел

В системе команд процессора Z80 нет операции умножения, поэтому умножение осуществляется с помощью операций сложения и сдвига. Операция умножения восьмибитных чисел в тексте программы выполнена в виде процедуры MUL8_8. В данной процедуре представлен один из вариантов умножения байтов – умножение младшими разрядами вперёд со сдвигом частичной суммы вправо.

Расположение операндов:

– множимое, – множитель, – двухбайтный результат, используется в качестве счётчика регистр L.

Операция умножения шестнадцатибитных чисел со знаком

Операция умножения шестнадцатибитных чисел построена на операции умножения восьмибитных чисел и выполнена в виде процедуры MUL16_16. Метод вычисления 32‑х битного результата представлен на рис. 4.

Рисунок 4. Схема умножения 16-битных чисел

Т.к. входной код, равно как и константы, могут быть отрицательным числом, записанным в дополнительном коде, необходимо контролировать знак произведения. При этом все отрицательные сомножители входят в произведение по модулю, а знак произведения изменяется на противоположный, если сумма минусов, стоявших перед сомножителями, равна 1 (младший бит равен 1).

Расположение операндов в памяти:

– множимое, – множитель, причём коэффициент всегда располагается на месте множителя.

Четырёхбитный результат помещается в память, начиная с адреса, указанного перед процедурой в парном регистре H-L.

Контроль знаков

Поскольку коэффициенты ПИД-регулятора по заданию постоянны, то нет смысла хранить их со знаком и при каждой операции умножения заново выделять знак и инвертировать при необходимости. Целесообразно хранить модули коэффициентов в одних ячейках памяти (KP, KI, KD), а знаки – в специальной ячейке памяти (далее «знаковой ячейке»), устройство которой представлено на рис. 5. Старшая тетрада является незначащей. Младшие четыре бита отвечают за отрицательность соответсвующего элемента, причём 1 означает, что соответсвующий коэффициент изначально отрицательный. В изображённом случае все коэффициенты положительны, кроме KP. Биты трёх коэффициентов остаются постоянными с момента запуска программы.

Рисунок 5. Организация знаковой ячейки

Значение же коэффициента E () изменяется не только при поступлении нового значения. Эта ячейка отвечает также за знак разности при приблизительном подсчёте дифференциала. Поэтому дифференциал целесообразно считать в последнюю очередь.

Проверка знака произведения осуществляется в самой процедуре умножения. Т.к. множимое представляет собой либо , либо разность , то ему однозначно соотстветствует младший бит ячейки памяти SIGN. С другой стороны необходимо знать, какой именно из коэффициентов участвует в произведении, чтобы потом определить его знак. Для этого используется другая ячейка памяти «ячейка номера» – NUMBER. В неё вносится номер: 1 соответствует КР, 2 – KI, 3 – KD. Во время процедуры значение этой ячейки полностью определяет, какой именно из коэффициентов участвует в произведении, поэтому перед выполнением процедуры умножения необходимо присвоить какое-либо значение из трёх.

Использование памяти.

Программа для вычисления (1) требует обращения к ОЗУ. Расположение данных в ОЗУ представлено в табл. 4.

Таблица 4. Использование ОЗУ

Обработка переполнения

Программно переполнение (результат (1) превышает 32 бита) контролируется в трёх случаях:

· на очередном шаге произошло переполнение интегральной суммы;

· переполнение после сложения и интегральной суммы;

· переполнение при выполнении операции (1).

Результатом переполнения является следующая последовательность действий:

· на выходе сигнал FFFFH;

· обнуляется интегральная сумма.

При этом сам пользователь должен контролировать: чтобы разность двух соседних сигналов и не превышала 2¹⁶.

Исходный текст программы

Вывод

В данной работе была разработана МПС на базе восьмиразрядного МП Z80. Довольно простое аппаратное решение дополняется весьма длинной программой на языке Ассемблер, которая занимает в памяти ПЗУ 627 байт. Программа выполняется примерно за 16000 (в самом худшем случае) тактов МП. Это накладывает определённые ограничения на частоту входного синхросигнала. Т.к. входной код синхронизирован по срезу, а выходной должен быть синхронизирован по фронту, то в простейшем случае (реализованный вариант) работа программы должна укладываться в половину периода синхросигнала.

При работе МП на частоте 2МГц один такт длится 500 нс. Программа выполняется за . Соответственно период входного сигнал не должен быть меньше , что накладывает ограничение на частоту входного синхросигнала .

Методы повышения частоты

1. Программный.

В задании сказано, что реализация выходного сигнала может отставать от входного, но не более 10 периодов синхросигнала. Учёт этого условия при пересмотре алгоритма программы (временного хранения поступающий входных сигналов при обработке предыдущих) позволит несколько увеличить частоту. В общем случае возможная частота синхросигнала будет зависеть от количества входных и выходных сигналов.

Примем отставание «выхода от входа» – 9,5 периодов. Тогда результат операции над первым кодом можно выдать через 9,5 периодов, второго – через 10,5 периодов и т.д. – , где – номер периода синхросигнала, в котором необходимо выдать обработанный код, поступивший на входе в периоде .

Нет оснований предполагать, что на при проведении операций над очередным входным сигналом, количество тактов, за которое обрабатывается программа уменьшится. Из этого предположения следует, что время затраченное на обработку каждого входного кода, постоянно. Следовательно максимальное время, выраженное в количестве периодов синхросигнала, которое может работать программа – , где – количество входных сигналов, которые планируется подать. От этого времени будет зависеть максимальная частота (примем продолжительность программы прежней).

Подставим конкретные числа:

, , ,

, , ,

Очевидно, что с ростом числа входных кодов частота будет стемиться к

2. Аппаратный.

Для значительного повышения максимально возможной частоты рекомендуется перенести часть расчётов из программной части в аппаратную, например, умножать шестнадцатибитные константы в умножителе двоичных чисел.

Список использованной литературы

1. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

2. Микропроцессорные автоматические системы регулирования. Основы теории и элементы: Учеб. пособие / В.В. Солодовников, В.Г. Коньков, В.А. Суханов, О.В. Шевяков; Под ред. В.В. Солодовникова. – М.: Высш. шк., 1991.

3. Микропроцессоры и микропроцессорные вычислительные системы: Учеб. пособие / О.В. Горячев; Тула, ТулГУ, 1998.

4. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления: Справочник / С.Т. Хвоща, Н.Н. Варлинский, Е.А. Попов: Под общ. ред. С.Т. Хвоща. – Л.: Машиностроение, 1987.

5. Микропроцессоры. В 3-х кн. Кн. 1. Архитектура и проетирование микро-ЭВМ. Организация вычислительных процессов: Учеб. для втузов / П.В. Нестеров, В.Ф. Шаньгин, В.Л. Горбунов и др.; Под редакцией Л.Н. Преснухина. М.: Высш. шк., 1986.

6. Мячев А.А., Степанов В.Н. Персональные ЭВМ и микроЭВМ. Основы организации: Справочник / Под ред. А.А. Мячева. – М.: Радио и связь, 1991.

7. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник. – М.: Радио и связь, 1990.

8. Скенлон Л. Персональные ЭВМ IBMPC и XT. Программирование на языке ассемблера: Пер. с англ. – М.: Радио и связь. 1989.