Проектирование микроконтроллера

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ"

Факультет интегрированных образовательных программ

Кафедра "Вычислительные машины и системы"

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

на тему "Проектирование микроконтроллера"

по дисциплине

"Микропроцессорная система"

Выполнил студент гр.10В1З Кодоров А.С.

Руководитель: Сальников И.И.

уч. год

Техническое задание на курсовое проектирование

Разработать микроконтроллер встраиваемый в электронную аппаратуру. Микроконтроллер должен обеспечивать ввод данных с клавиатуры и отображение результатов обработки на индикации.

Номер студента в групповом журнале 12

Тип МПК, ОМЭВМ или СШК СШК ISA

Тип клавиатуры буквенно-цифровая матричная клавиатура 8х8

Опрос клавиатуры программный (пассивный)

Индикация динамическая светодиодная матричная на 4 индикатора

Расчет объем ОЗУ и ПЗУ

Объем расчетно-пояснительной записки 30.35 листов формата А4.

ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ: электрическая структурная и электрическая принципиальная схема.

Содержание

Введение

1. Описание активного элемента

1.1 Системная магистраль ISA

1.2 Разработка структурной схемы

1.3 Разработка клавиатуры

1.4 Разработка индикации

1.5 Программное обеспечение микроконтроллера

Список использованных источников

Приложения

Введение

История развития вычислительной техники насчитывает менее сотни лет. За это время уже сменилось множество поколений электронных вычислительных машин, существенно отличающихся друг от друга элементной базой, методами разработки программного обеспечения, конструкторско-технологическим исполнением, степенью унификации технических и программных средств, перечнем предоставляемых услуг, удобством общения пользователя с электронной вычислительной машиной.

Широкое внедрение электронных вычислительных машин во все сферы человеческой деятельности потребовало решения целого ряда масштабных задач. Поиски решения данной проблемы привели к созданию программируемых больших интегрируемых схем, которые сочетают в себе такие свойства, как дешевизна стандартного устройства и гибкость.

Микропроцессорные интегральные схемы и микро электронные вычислительные машины, построенные на их основе явились следствием бурного развития микроэлектроники, позволившей в одном кристалле полупроводника размещать сложные вычислительные структуры, содержащие десятки тысяч транзисторов.

Микропроцессорные большие интегральные схемы представляют собой тот класс интегральных схем, которые сочетают в себе высокую степень интеграции, обеспечивающие огромные функциональные возможности, с большой универсальностью по применению. Универсальность достигается тем, что в микропроцессоре больших интегральных схем реализованы сложные устройства, позволяющие выполнять над исходными данными логические и арифметические функции, при этом управление процессом вычисления позволяет вести программно.

Все современные мини электронные вычислительные машины построены с использованием больших интегральных схем, входящие в различные микропроцессорные комплекты. Под микропроцессорными большими интегральными схемами понимают совокупность микропроцессоров и других интегральных микросхем, совместимых по технологическому и конструкторскому исполнению и предназначенных для совместного использования при построении различных средств вычислительной техники.

Обозначения и сокращения

ISA - Industry Standard Architecture (промышленная стандартная архитектура)

микроконтроллер шина программное обеспечение

1. Описание активного элемента

1.1 Системная магистраль ISA

Системная шина (магистраль) ISA была разработана специально для персональных компьютеров типа IBM PC AT и является фактическим стандартом. В то же время, отсутствие официального международного статуса магистрали ISA (она не утверждена в качестве стандарта ни одним международным комитетом по стандартизации) приводит к тому, что многие производители допускают некоторые отклонения от фирменного стандарта.

Условно графическое обозначение ISA приведено в приложении Г.явилась расширением магистрали компьютеров IBM PC и IBM PC XT. В ней было увеличено количество разрядов адреса и данных, увеличено число линий аппаратных прерываний и каналов ПДП, а также повышена тактовая частота. К 62-контактному разъему прежней магистрали был добавлен 36-контактный новый разъем. Тем не менее, совместимость была сохранена, и платы, предназначенные для IBM PC XT, годятся и для IBM PC AT. Характерное отличие ISA состоит в том, что ее тактовый сигнал не совпадает с тактовым сигналом процессора, как это было в IBM PC XT, поэтому скорость обмена по ней не пропорциональна тактовой частоте процессора.

Магистраль ISA относится к не мультиплексированным (то есть имеющим раздельные шины адреса и данных) 16-разрядным системным магистралям среднего быстродействия. Обмен осуществляется 8-ми или 16-ти разрядными данными. На магистрали реализован раздельный доступ к памяти компьютера и к устройствам ввода/вывода (для этого имеются специальные сигналы). Максимальный объем адресуемой памяти составляет 16 Мбайт (24 адресные линии). Максимальное адресное пространство для устройств ввода/вывода - 64 Кбайт (16 адресных линий), хотя практически все выпускаемые платы расширения используют только 10 младших адресных линий (1 Кбайт). Магистраль поддерживает регенерацию динамической памяти, радиальные прерывания и прямой доступ к памяти. Допускается также захват магистрали.

Разъем магистрали ISA разделен на две части, что позволяет уменьшать размеры 8-разрядных плат расширения, а также использовать платы, разработанные для компьютеров IBM PC XT. Внешний вид плат расширения показан на рисунке 1. Назначение контактов разъемов представлено в таблице 1. На магистрали присутствуют четыре напряжения питания: +5 В, - 5 В, +12 В и - 12 В, которые могут использоваться платами расширения.

Рисунок 1 - Внешний вид плат расширения ISA

В роли задатчика (Master) магистрали могут выступать процессор, контроллер ПДП, контроллер регенерации или другое устройство. Исполнителями (Slave) могут быть системные устройства компьютера, подключенные к ISA, или платы (карты) расширения.

Наиболее распространенное конструктивное исполнение магистрали - разъемы (слоты), все одноименные контакты которых параллельно соединены между собой, то есть все разъемы абсолютно равноправны. В слоты устанавливаются платы расширения, которые оснащены интерфейсными разъемами магистрали, выполненными печатными проводниками на краю платы. Количество установочных мест для плат расширения зависит от типа корпуса компьютера и составляет обычно от 2 до 8 и даже более.

В таблице 1 знак минус перед названием сигнала говорит о том, что активному (рабочему) уровню сигнала соответствует низкий уровень напряжения на соответствующей линии магистрали. На линиях адреса и данных логическому нулю соответствует низкий уровень напряжения, а единице - высокий (то есть логика положительная).

Таблица 1 - Назначение контактов разъема магистрали ISA

Назначение сигналов ISA

-       SA0. SA19 - фиксируемые адресные разряды (они действительны в течение всего цикла обмена).16-разрядным словам соответствуют четные адреса (SA0=0);

-       LA17. LA23 - не фиксируемые адресные разряды. Используются для адресации памяти. Действительны только в начале цикла обмена (в адресной фазе);

-       BALE - сигнал стробирования адресных разрядов (действительности адреса соответствует отрицательный фронт сигнала). Основное назначение - фиксация нефиксированных адресных разрядов в регистре-защелке;

-       SBHE - сигнал типа цикла передачи данных (8-ми или 16-разрядный цикл). Активен при передаче старшего байта;

-       SD0. SD15 - разряды данных. По линиям SD0. SD7 передается младший байт, по линиям SD8. SD15 - старший байт;

-       SMEMR, - MEMR - стробы чтения данных из памяти. Сигнал - SMEMR вырабатывается только при обращении к адресам, не превышающим FFFFF (находящимся в пределах младшего 1 Мбайта), а сигнал - MEMR - при обращении ко всем адресам памяти;

-       SMEMW, - MEMW - стробы записи данных в память. Сигнал - SMEMW вырабатывается только при обращении к адресам, не превышающим FFFFF (находящимся в пределах младшего 1 Мбайта), сигнал - MEMW - при обращении ко всем адресам памяти;

-       IOR - строб чтения данных из устройств ввода/вывода. При активном сигнале адресуемое устройство ввода/вывода должно выдать свои данные на шину данных;

-       IOW - строб записи данных в устройства ввода/вывода. По этому сигналу адресуемое устройство ввода/вывода должно принять данные с шины данных;

-       MEM CS16 - сигнал выставляется памятью для сообщения задатчику о том, что она имеет 16-разрядную организацию. Вырабатывается в ответ на распознавание адреса памяти;

-       I/O CS16 - сигнал выставляется устройством ввода/вывода для сообщения задатчику о том, что оно имеет 16-разрядную организацию, и необходим 16-разрядный цикл обмена. Вырабатывается в ответ на распознавание своего адреса;

-       I/O CH RDY - сигнал снимается (делается низким) исполнителем (устройством ввода/вывода или памятью) по переднему фронту сигналов - IOR и - IOW в случае, если он не успевает выполнить нужную операцию в темпе задатчика. То есть этот сигнал используется для асинхронного обмена по магистрали;

-       I/O CH CK - сигнал вырабатывается любым исполнителем (устройством ввода/вывода или памятью) для информирования задатчика о фатальной ошибке, например, об ошибке четности при доступе к памяти;

-       0WS - сигнал выставляется исполнителем для информирования задатчика о необходимости проведения цикла обмена без вставки такта ожидания;

-       REFRESH - сигнал регенерации, выставляется контроллером регенерации для информирования всех устройств на магистрали о выполнении циклов регенерации динамической памяти компьютера;

-       RESET DRV - сигнал сброса в начальное состояние всех устройств на магистрали. Вырабатывается центральным процессором при включении или сбое питания, а также при нажатии на кнопку сброса RESET компьютера;

-       SYSCLK - сигнал системного тактового генератора, тактовый сигнал магистрали. В большинстве компьютеров его частота равна 8 МГц независимо от тактовой частоты процессора;

-       OSC - не синхронизированный с SYSCLK сигнал кварцевого генератора с частотой 14,31818 МГц;

-       IRQ - сигналы запроса радиальных прерываний. Запросом является положительный переход на соответствующей линии IRQ;

-       DRQ - сигналы запроса ПДП;

-       DACK - сигналы предоставления ПДП;

-       AEN - сигнал выбора устройства, запросившего ПДП. Отключает все остальные устройства, не участвующие в данном цикле ПДП.

Условно графическое обозначение системной шины ISA приведено в приложении Г.

1.2 Разработка структурной схемы

Структурная схема устройства, выбирается исходя из технического задания. Согласно техническому заданию микроконтроллер в своем составе дожжен содержать:

-       системную шину ISA, для управления работой микроконтроллера;

-       клавиатуру, для ввода символьной информации;

-       индикацию, для отображения вводимых символов;

-       дешифратор шины адреса, для управления устройствами.

На основании этого разрабатывается структурная схема микроконтроллера на базе системной шины ISA (рисунок 2).

-       центральный процессор компьютера, согласно управляющей программе, производит опрос клавиатуры;

-       если во время опроса произошло нажатие какой-либо клавиши, то микропроцессор должен определить какая клавиша была нажата, считать код изображения символа и переслать его на индикацию.

Рисунок 2 - Структурная схема МПК на базе СШК ISA

1.3 Разработка клавиатуры

В разрабатываемом микроконтроллере используется клавиатура матричного типа на 64 клавиши. Используется программный (пассивный) опрос состояния клавиатуры.

Клавиатура пассивного типа не может самостоятельно инициировать обмен данными при нажатии клавиши. Поэтому центральный процессор компьютера обязан периодически проверять состояние каждой клавиши.

Схема пассивной матричной клавиатуры на 64 клавиши представлена на рисунке 3. В матричной клавиатуре в цикле производится групповой опрос клавиш по столбцам и по строкам.

Рисунок 3 - Схема матричной клавиатуры

1.4 Разработка индикации

Индикация используется в микроконтроллере для отображения вводимых с клавиатуры символов. В качестве индикаторов используются светодиодные матрицы. Цифро-буквенные индикаторы на основе светодиодов представляют собой интегральную микросхему из диодных структур и необходимых электрических соединений.

Матричная индикация позволяет отображать не только цифры, но и буквы.

Матричный индикатор представляет собой матрицу из 5х7 светодиодов, размещенных в узлах строк и столбцов.

В динамической индикации в любой момент времени работает только один индикатор. Благодаря этому достигается уменьшение потребляемой мощности индикатором. Схема включения матричного индикатора с общим анодом представлена на рисунке 4. Для включения индикатора необходимо в соответствующий разряд регистра записать "1".

Рисунок 4 - Схема матричного индикатора

1.5 Программное обеспечение микроконтроллера

Прежде чем приступить к разработке программного обеспечения необходимо определить алгоритм работы микроконтроллера, то есть взаимодействие пользователя и микроконтроллера. В курсовом проекте работа микроконтроллера должна выполняться следующим образом:

-       при включении питания или снятия сброса микроконтроллер должен перейти в исходное состояние;

-       на первом индикаторе должны быть выведен символ курсора;

-       программа должна непрерывно обновлять состояния индикаторов и проверять нажатие клавиш;

-       если какая-либо клавиша нажата, то символ этой клавиши отображается на индикаторе, где был курсор;

-       курсор должен переместиться вправо на следующую клавишу;

-       при достижении крайнего правого состояния курсор должен возвратиться в начальную позицию, то есть в крайнюю левую.

Алгоритм работы микроконтроллера представлен схемой программы в приложении Б.

Исходный текст кода программы представлен в приложении В.

Список использованных источников

1.       ibm.com [В Интернете] / авт. IBM // IMB. - 3 Апрель 1996 г. - ftp: // service. boulder. ibm.com/rs6000/PPC_support/misc/odyssey_planar. pdf.

2.      Ассемблер и программирование для IBM PC [Книга] / авт.В.Г. Ершова.

3.      Курсы/Основы микропроцессорной техники / Лекция 15: Системная магистраль ISA [В Интернете] // wiki. intuit.ru.

4.      Микропроцессорные контроллеры [Книга] / авт. И.И. Сальников. - [б. м.]: Пензенский государственный университет, 2011.

Приложения

Приложение А

Приложение Б

Приложение В