Устройство и принцип работы микропроцессорного контроллера

Введение

Целью вычислительной практики 2 является формирование у студентов практических навыков по программированию микропроцессорных контроллеров на языке программирования АССЕМБЛЕР.

Практика знакомит студентов с основами языка программирования АССЕМБЛЕР и его практического использования для программирования микропроцессорных контроллеров. Эти знания необходимы для изучения специальных дисциплин базовой подготовки.

Практика подразумевает выполнение каждым студентом индивидуального задания по разработке и отладке рабочей программы согласно алгоритму, включающему в себя арифметические и логические операции, а также заданные способы адресации данных. Студент должен составить блок-схему алгоритма задачи, написать текст программы на языке АССЕМБЛЕР, отладить программу в пошаговом режиме с помощью микропроцессорного контроллера, запустить программу и получить решение задачи с разными вариантами исходных данных.

Практическая отладка и выполнение рабочей программы производится с помощью учебного микропроцессорного контроллера УК52-ЭМ02.

Устройство и принцип работы микропроцессорного контроллера

Микропроцессорный контроллер (МК) или однокристальная микро-ЭВМ -

это вычислительное устройство, предназначенное для обработки информации (данных) представленной в цифровом виде и конструктивно реализованное в виде большой интегральной схемы (БИС). МК имеет в своей структуре все основные элементы, которые входят в состав любого цифрового вычислительного устройства: центральный процессор (ЦП), оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память, устройства ввода и вывода данных. На рис.1 показана упрощенная блок-схема вычислительного устройства, с помощью которой рассмотрим принцип его работы.

Основным элементом вычислительного устройства является центральный процессор (ЦП), который выполняет определенный набор арифметических и логических операций над данными, представленных в цифровом двоичном виде. ЦП состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), которое собственно и выполняет операции над данными, и устройства управления и синхронизации (УУС), обеспечивающее управление и синхронизацию ЦП с остальными элементами структуры.

Исходные данные и программа в виде набора команд для реализации алгоритма обработки данных хранятся в ПЗУ и представлены в двоичном виде.

ПЗУ представляет собой регулярную структуру, состоящую из определенного

Рис.1. Блок-схема вычислительного устройства

числа ячеек, в каждой из которых хранится двоичное число определенного формата (числа разрядов). Информация в ПЗУ записывается до начала работы устройства, и в дальнейшем изменяться не может. В процессе обработки данных информации из ПЗУ может только считываться.

ОЗУ предназначено для хранения промежуточных данных, возникающих в процессе работы, а также для хранения данных результата. Имеет структуру похожую на ПЗУ, но обычно меньше по количеству ячеек.

Исходные данные можно ввести с помощью устройства ввода данных, например, клавиатуры, сохранить их в ОЗУ и далее использовать их в процессе работы программы. Данные в ОЗУ могут записываться и считываться в процессе всего времени работы вычислительного устройства.

Результаты работы вычислительного устройства можно с помощью устройства вывода данных увидеть на дисплее, напечатать на бумаге, передать в любое другое цифровое устройство.

Работу вычислительного устройства можно представить в следующем виде. Каждая команда содержит в своем составе так называемый код операции (КОП), который определяет тип выполняемой операции над данными, и содержит указание над какими данными эта операция производится. По сигналам УУС из ПЗУ извлекается очередная команда, которая поступает в УУС и расшифровывается, в результате чего генерируется набор управляющих сигналов, с помощью которых АЛУ выполняет ту или иную операцию. Результат операции может либо остаться в АЛУ, если он необходим для следующей операции, либо записывается в ОЗУ. Далее цикл повторяется – извлекается следующая команда и т.д.

Для выполнения учебного задания практики используется учебный контроллер УК52–ЭМ02, предназначенный для изучения однокристальных микроконтроллеров семейства MSC-51 и для формирования навыков разработки и отладки программ. Контроллер представляет собой аппаратно-программный комплекс, предназначенный для проведения лабораторных и иных учебных работ, и состоит из аппаратной части и программной среды “монитор”. Устройство позволяет вводить и модифицировать учебную программу с клавиатуры, расположенной на лицевой панели. Выполнять программу можно как в непрерывном режиме, так и в пошаговом (отладочном), с возможностью отображения и изменения внутренних регистров контроллера после каждого шага, просматривать и модифицировать содержимое памяти данных (ОЗУ). Необходимая информация может быть отображена с помощью 9-разрядного цифрового индикатора (дисплея).

Программная среда “Монитор” осуществляет управление оборудованием контроллера, обеспечивает диалог с пользователем и управляет процессом выполнения учебной программы. Включает в себя 10 команд.

Учебный контроллер УК52–ЭМ02 разработан на основе микроконтролле-

ра i80c32 фирмы Intel и имеет следующие характеристики:

- 8 разрядов АЛУ;

- объем ОЗУ 128 байт;

- объем ПЗУ 2 Кбайт;

- быстродействие 1 млн. операций в секунду;

- число разрядов данных: 1, 4, 8, 16.

8-битное АЛУ 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. Важной особенностью АЛУ является его способность оперировать не только байтами, но и битами. Отдельные программно-доступные биты могут быть установлены, сброшены, инвертированы, переданы, проверены и использованы в логических операциях.

Основные понятия и определения

Для того, чтобы разработать и выполнить программу с помощью микроконтроллера, необходимо знать ответы на следующие вопросы:

· в каком виде могут быть представлены данные для обработки?

· что такое команда, и какие сведения она в себя включает?

· где хранятся данные, и как указывается их месторасположение?

· как пишутся команды, и в каком виде вводятся в память МК?

· какие операции может выполнять МК?