УТВЕРЖДАЮ
Директор института ИНК
___________
«____»_____________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Основы микропроцессорной техники
НАПРАВЛЕНИЕ (СПЕЦИАЛЬНОСТЬ) ООП
201000 БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ (СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ, ПРОГРАММА)
Биотехнические и медицинские аппараты и системы
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) бакалавр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ План ПРИЕМА 2011 г.
КУРС 3 СЕМЕСТР 6
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ 6
ПРЕРЕКВИЗИТЫ Б3.В1 «Цифровые устройства»
КОРЕКВИЗИТЫ
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции 54 час.
Лабораторные занятия 54 час.
час.
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ 108 час.
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 108 час.
ИТОГО 216 час.
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ дифференцированный зачет,
экзамен
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра промышленной и
медицинской электроники Института неразрушающего контроля
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ_____________( )
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП _______________ ()
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ ______________ ()
2011 г.
1. Цели освоения дисциплины
1. Получение знаний по основным принципам построения, функционирования и использования современных средств микропроцессорной техники.
2. Формирование навыков разработки микропроцессорных систем для применения в науке и промышленности.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Профессиональный цикл Б3, имеет реквизит Б3.В.1.1, пререквизит Б3.В1 «Цифровые устройства».
Дисциплина «Основы микропроцессорной техники» изучает логику работы, архитектуру микропроцессоров и микроконтроллеров, а также применение инструментальных программ при проектировании устройств на их основе.
Для успешного освоения дисциплины «Основы микропроцессорной техники» студенты должны
знать:
- характеристики, параметры и физических процессы в основных типах электронных и полупроводниковых приборах;
- принципы действия средств измерений, методы измерений различных физических величин;
- основные понятия и методы математического анализа и дискретной математики;
- фундаментальные законы природы и основные физические законы в области электричества и магнетизма.
- методы расчета и проектирования цифровых устройств управления и обработки сигналов.
уметь:
- работать на ПК в современных операционных средах;
- использовать технические средства для измерения различных физических величин;
- использовать стандартные пакеты прикладных программ для решения практических задач.
3. Результаты освоения дисциплины
В результате изучения дисциплины студент должен
знать:
- структуру, функциональное назначение, принципы построения и логику работы микропроцессоров;
- принципы построения микропроцессорных систем
- архитектуру современных микроконтроллеров;
- современную элементную базу на уровне микропроцессорного комплекта;
- принципы программирования микроконтроллеров и микропроцессорных систем.
иметь навыки:
- чтения структурных и принципиальных схем микропроцессорных устройств;
- использования средств автоматизированного программирования и отладки;
- применения полученных знаний как при эксплуатации микропроцессорной техники, так и при её разработке.
владеть методами:
- программирования микропроцессорных устройств;
- организации ввода-вывода информации в различных режимах;
В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие компетенции:
1.Универсальные (общекультурные) -
- способность владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения и переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством разработки микропроцессорных устройств (ОК-12);
- способность работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ОК-13).
2. Профессиональные -
- способность собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки и техники (ПК-6);
- готовность выполнять расчет и проектирование микропроцессорных устройств различного назначения в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизированного проектирования (ПК-10);
- готовность анализировать и систематизировать результаты исследований, представлять материалы в виде научных отчетов, публикаций, презентаций (ПК-21).
4. Структура и содержание дисциплины
4.1 Аннотированное содержание разделов дисциплины:
1. «Ведение». Теоретические основы микропроцессорных систем (МПС). Типовая структура МПС.
2. «Микропроцессоры». Основные характеристики и типы микропроцессоров (МП). Организация однокристальных 8-разрядных микропроцессоров. Архитектура микропроцессора серии К580. Система команд, режимы адресации данных. Управление МП системой на базе К580, тактирование МП и синхронизация микропроцессорной системы. Работа первичного управляющего автомата в режимах прерывания и прямого доступа к памяти. Слово состояния и основные циклы работы. Режим ожидания.
3. «Организация ввода-вывода информации». Общие принципы организации ввода-вывода информации, схемотехника портов ввода-вывода. Способы ввода-вывода: изолированный, с отображением на память; операции ввода-вывода: программно управляемый обмен, обмен информацией по прерываниям, прямой доступ к памяти; форматы ввода-вывода: последовательный, параллельный. Драйверы ввода-вывода. Интерфейсные БИС общего назначения. Параллельный периферийный адаптер К580ВВ55. Режим работы параллельного периферийного адаптера, его программирование. Универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик, контроллер прерываний, контроллер прямого доступа к памяти.
4. «Микроконтроллеры». Однокристальные микроЭВМ семейств MCS-51 и PIC-контроллеров, их сравнительные характеристики, логика работы. Проектирование систем управления и контроля на однокристальных микроЭВМ. Характеристика систем команд. Современные однокристальные РIС-контроллеры с гарвардской архитектурой.
5. «Средства автоматизированного программирования». Средства автоматизации проектирования программного продукта. Язык ассемблера, директивы языка ассемблера. Симуляторы для отладки программного обеспечения микропроцессорных систем, построенных на базе семейств MCS-51и PIC-контроллеров. Этапы разработки программного обеспечения.
6. Конференции по темам «современные микропроцессоры» и «современные микроконтроллеры».
7. «Заключение». Перспективы развития и применения микропроцессорной техники в медицине.
Перечень лабораторных работ:
- Обучение работе на УМК. Директивы монитора и режимы работы учебной микроЭВМ. Изучение работы УМК в пошаговом режиме.
- Регистры микропроцессора. Команды загрузки регистров. Методы адресации памяти. Команды работы с памятью.
- Арифметические команды. Логические команды. Команды сдвига.
- Команды безусловного и условного переходов.
- Выполнение интегрированного задания по программированию микропроцессорных систем.
- Работа с электронным учебником по теоретическим разделам дисциплины.
- Изучение программируемого периферийного адаптера КР580ВВ55.
- Применение АЦП и ЦАП в микропроцессорных системах.
- Однокристальный микроконтроллер К1816ВЕ51.
- PIC-микроконтроллеры. Порты, таймеры, АЦП.
- Режим ШИМ в PIC-контроллерах.
4.2 Структура дисциплины по разделам и видам учебной деятельности c указанием временного ресурса в часах.
Таблица 1.
Структура модуля (дисциплины)
по разделам и формам организации обучения
Название раздела/темы | Аудиторная работа (час) | СРС (час) | Контр. Р. Инд. З. | Итого | ||
Лекции | Практ./сем. Занятия | Лаб. зан. | ||||
1. Ведение | 2 | 5 | 7 | |||
2. Микропроцессоры | 14 | 18 | 20 | КР.1 | 52 | |
3. Организация ввода-вывода информации | 8 | 12 | 20 | ИДЗ.1 | 40 | |
4. Микроконтроллеры | 20 | 20 | 38 | 78 | ||
5. Средства автоматизированного программирования | 4 | 4 | 20 | 28 | ||
6. Конференции | 4 | 4 | ||||
7. Заключение | 2 | 5 | 7 | |||
Итого | 54 | 54 | 108 | 216 |
5. Образовательные технологии
Таблица 2.
Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО Методы | Лекц. | Лаб. раб. | Пр. зан./ Сем., | Тр*., Мк** | СРС | К. пр. |
IT-методы | · | · | · | |||
Работа в команде | · | · | ||||
Case-study | · | · | ||||
Игра | ||||||
Методы проблемного обучения | ||||||
Обучение на основе опыта | · | · | ||||
Опережающая самостоятельная работа | · | · | ||||
Проектный метод | · | |||||
Поисковый метод | · | · | ||||
Исследовательский метод | · | · | ||||
Другие методы |
* - Тренинг, ** - Мастер-класс
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
6.1. Текущая СРС:
- работа с лекционным материалом;
- подготовка к лабораторным занятиям;
- подготовка к контрольным работам, экзамену;
- обзор литературы и электронных источников информации по индивидуально заданной проблеме курсового проекта;
- опережающая самостоятельная работа;
- выполнение домашних заданий, а также изучение тем, не входящих в состав дисциплины, но рекомендуемых для расширения кругозора.
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа
(ТСР):
- выполнение индивидуальных заданий;
- выполнение курсового проекта.
6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
В разделе приводится развёрнутая характеристика тематического содержания самостоятельной работы:
1. Тематика курсовых проектов:
- Автомат для световых эффектов
- Электронные часы-будильник
- Электронный частотомер
- Генератор сигналов произвольной формы
- Измеритель скорости реакции человека
- Автоматическое зарядное устройство
- Модель светофоров на перекрестке
Примеры тем курсовых проектов:
Тема №1: Устройство для контроля длительности производственных операций
v Использовать микроконтроллер семейства MCS-51.
v Режим работы по прерываниям.
v Ошибка при воспроизведении сигнала по его дискретным значениям 2%.
v Организовать память программ с адреса 0А000Н.
v Разработать алгоритм работы устройства.
v Разработать принципиальную схему.
v Разработать программу на языке ассемблера ASM 51.
v Описать работу схемы.
v Продемонстрировать действующий макет устройства.
Тема №2: Устройство для определения максимального значения температуры в одной из 64-х точек.
v Использовать микроконтроллер семейства PIC.
v Режим работы – программно управляемый.
v Разработать алгоритм работы устройства.
v Разработать принципиальную схему.
v Разработать программу на языке ассемблера и отладить в среде MPLAB.
v Описать работу схемы.
v Продемонстрировать действующий макет устройства.
2. Темы индивидуальных заданий.
- Спроектировать шину адреса для микропроцессора i8080 на базе микросхем К155ЛП10 без режима прямого доступа к памяти. Определить нагрузочную способность шины.
- Спроектировать шину адреса для микропроцессора i8080 на базе микросхем КР1554АП6 с учетом режима прямого доступа к памяти. Определить нагрузочную способность шины.
- Спроектировать шину данных и шину управления для микропроцессора i8080 на базе микросхем КР1533АП9 и КР1533ИР22. Режим прямого доступа к памяти не учитывать. Определить нагрузочную способность шины.
3. Темы работ в структуре междисциплинарных проектов.
Все темы курсовых проектов являются междисциплинарными.
4. Темы, выносимые на самостоятельную проработку.
На самостоятельную проработку выносится изучение микроконтроллеров семейства AVR. Для этого студентам предоставляется лабораторное оборудование STK500 и методическое обеспечение (см. раздел 9).
6.3 Контроль самостоятельной работы
Для закрепления теоретического материала, выполнения отчетов по лабораторным работам по дисциплине во внеучебное время студентам предоставляется возможность пользования библиотекой ТПУ, библиотеками лабораторий кафедры, возможностями дисплейного класса кафедры, где имеются программа, методические указания по лабораторным работам, методические пособия и контролирующие материалы по дисциплине. Студенты имеют возможность получить консультации по вопросам дисциплины как у ведущего лектора, так и зав. лабораторией.
Составляющие самостоятельной работы:
- Закрепление теоретического материала при подготовке к лекциям, контрольным работам;
- Подготовка к лабораторным занятиям;
- Выполнение индивидуального задания;
- Выполнение курсового проекта в соответствии с этапами проектирования. Изучение и использование редактора , кросс-ассемблирующих программ M85.EXE, ASM51 а также симуляторов CDEM, MPLAB, SiLABS и AVSIM51 для написания, ассемблирования и отладки программ;
- Просмотр периодической литературы и итернет-источников.
Контроль заключается в оценке качества выполнения студентами вышеперечисленных пунктов.
6.4 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Перечень необходимого учебно-методического обеспечения приведен в разделе 9.
7. Средства (ФОС) текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
Вопросы для проверки текущей успеваемости:
- Программа работы микропроцессора хранится в памяти вместе c данными. Какой из перечисленных ниже объектов является единственным отличительным признаком между данными я командами программы:
а) длина слов, б) тип слова, в) местоположение в памяти, г) факт выполнения или невыполнения микропроцессором определенных действий?
- Каково назначение различных соединений сигнальных линий шины микро-ЭВМ:
а) соединять между собой блоки микро-ЭВМ, б) устранять тепловое излучение, в) осуществлять связь с устройством, допускающим обмен данными лишь в последовательном коде или г) использовать источник питания?
- Две идентичные микро-ЭВМ имеют различные значения частоты генератора тактовых сигналов: для машины А эта величина равна 5 МГц, для машины В период следования тактовых импульсов равен 1 мкс. Какая машина выполняет команды быстрее и почему?
- Регистр адреса памяти соединен с внутренней шиной данных микропроцессора. Какой из перечисленных ниже объектов может явиться источником данных для загрузки этого регистра:
а) счетчик команд, б) регистр общего назначения, в) память, г) все перечисленные объекты?
Итоговый контроль (экзаменационные вопросы):
1. Организовать режим работы микроконтроллера семейства MCS-51 с внешней памятью данных.
2. Архитектура микроконтроллера i8051
3. Получить на светодиодах порта вывода УМК эффект маятника.
4. Спроектировать микропроцессорную систему, в которой:
ПЗУ1 0000-033FFh
ПЗУ2 0000-07FFh
ПЗУ3 0000-08FFh
ПЗУ4 0000-0FFFh
ОРУ1 0000-15FFh
5. Принципы программного управления МПС.
6. Получить на светодиодах порта вывода УМК эффект бегущий «0»
7. Проанализировать программно-управляющий ввод информации в МПС с использованием АЦП типа К111ПВ1. Использовать изолированный ввод информации.
8. Тактирование МПС, цикл команды.
9. Организовать режим работы микроконтроллера семейства MCS-51 с внешней памятью программ. Обеспечить общую память программ 32 кбайт.
10. Способы ввода-вывода информации в МПС.
11. Заставить светодиоды порта вывода загораться через 1 с. поочередно после запуска программы.
12. Проанализировать асинхронный ввод в МПС в режиме 1. Какой АЦП можно использовать при этом? Жестче при этом требования к АЦП по быстродействию, по сравнению с синхронным вводом?
13. Общая характеристика подсистем ввода-вывода. Режимы ввода-вывода информации в МПС.
14. На светодиодах порта вывода УМК создать эффект бегущих огней.
15. Организовать синхронный ввод информации в МПС. Какой АЦП можно использовать при этом? Разработать систему ввода информации с отображением на память.
16. Память программ и данных микроконтроллера семейства MCS-51.
8. Рейтинг качества освоения модуля (дисциплины)
Приводится рейтинг-план текущей оценки успеваемости студентов в семестре и рейтинг промежуточной аттестации студентов по итогам освоения дисциплины. В соответствии с рейтинговой системой текущий контроль производится ежемесячно в течение семестра путем балльной оценки качества усвоения теоретического материала (ответы на вопросы) и результатов практической деятельности (решение задач, выполнение заданий, решение проблем).
В течение семестра предусмотрены две конференц-недели (на 9 и 18 неделях). Первая конференц-неделя нацелена на развитие коммуникативной составляющей общекультурных компетенций, вторая – призвана подвести итоги по данной дисциплине в семестре (отчетная, контролирующая функции).
Промежуточная аттестация (экзамен, зачет) производится в конце семестра также путем балльной оценки. Итоговый рейтинг определяется суммированием баллов текущей оценки в течение семестра и баллов промежуточной аттестации в конце семестра по результатам экзамена или зачета. Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам (60 – текущая оценка в семестре, 40 – промежуточная аттестация в конце семестра). Рейтинг-план освоения модуля прикладывается отдельным документом.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины)
ОСНОВНАЯ
1. Проектирование микропроцессорных систем. М.: Мир. 19с.
2. , , Мологонцева цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах.
3. AVR-RISK микроконтроллеры.: Пер. с нем. – К.: «МК-ПРЕСС», 2006.-464с., ил.
4. . Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеров. – К.: «МК-ПРЕСС», 2006.-400с., ил.
5. О. Николайчук. х51 – совместимые микроконтроллеры фирмы Silicon Laboratories (Cygnal). – M.: СКИМЕН», 2004. – 628., илл.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Введение в микропроцессоры. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 463с.
2. , и др. Однокристальные микроЭВМ. Справочник. – М.: БИНОМ, 1994. – 400с.
3. Изучение программируемого периферийного адаптера КР580ВВ55. Метод. указ. лаб. раб. сост. , 1990г.;
4. Изучение принципов программирования перепрограммируемых запоминающих устройств и организация ОЗУ и ПЗУ. Метод. указ. лаб. раб. сост. , 1991г.;
5. Применение АЦП и ЦАП в микропроцессорных системах. Метод. указ. лаб. раб. сост. , 1993г.;
6. Однокристальный микроконтроллер К181651. Метод. указ. лаб. раб. сост. , 1995г.;
7. Программная модель и программирование микроконтроллера К181648. Метод. указ. лаб. раб. сост. , ,
1998г.;
8. Генератор функции, управляемый микропроцессорной системой
Метод. указ. лаб. раб. сост. , 1992г.;
9. Обучение работе на УМК. Директивы работы монитора и режимы работы учебной микро-ЭВМ. Метод. указ. / сост. . – Томск: Изд. ТПУ, 1996. – 16с.
10. Изучение работы УМК в пошаговом режиме. Метод. указ. / сост. . – Томск: Изд. ТПУ, 1996. – 8с.
11. Регистры микропроцессора. Команды загрузки регистров. Команды пересылки. Метод. указ. напр. 210100 / сост. . – Томск: Изд. ТПУ, 1996. – 8с.
12. Методы адресации памяти. Команды работы с памятью. Метод. указ. / сост. . – Томск: Изд. ТПУ, 1996. – 11с.
13. Арифметические команды. Метод. указ. / сост. . – Томск: Изд. ТПУ, 1996. – 14с.
14. Логические команды. Метод. указ. напр. 210100 / сост. . – Томск: Изд. ТПУ, 1996. – 12с.
15. Команды сдвига. Метод. указ. напр. 210100 / сост. . – Томск: Изд. ТПУ, 1996. – 8с.
16. Команды сравнения, безусловного и условных переходов. Метод. указ. / сост. . – Томск: Изд. ТПУ, 1996. – 16с.
17. , , . Режим ШИМ в PIC-контроллерах. Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Основы микропроцессорной техники» для студентов направлений 210100 и 200300. Томск, изд. ТПУ, 2005 гс.
18. , , . PIC-контроллеры. Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Основы микропроцессорной техники» для студентов направлений 210100 и 200300. Томск, изд. ТПУ, 2004 гс.
19. , . Организация обмена информацией между IВМ РС и микроконтроллерами семейства РIС, АVR, МСS-51 в стандарте RS-232С. Справочное пособие к курсовому проектированию. Томск. Изд. ТПУ. 2005гс.
20. , , . Микроконтроллеры C8051F060 семейства MCS-51: методические рекомендации. – Томск, 2007 г. – 53 с.
21. , , . Микроконтроллеры семейства AVR. : лабораторный практикум. – Томск, 2008. – 90с.
22. , . Программирование и отладка микропроцессорных систем по интерфейсу JTAG. Методические рекомендации к выполнению лабораторных работ. – Томск: изд. ТПУ, 2011 г. – 24 с.
ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕСУРСЫ
1. ATMEL AVR AT90S8535 datasheet; Rev. 1041H–11/01
2. Техническое описание на микроконтроллеры фирмы ATMEL
3. MPLAB® IDE, SIMULATOR, EDITOR USER’S GUIDE
4. C8051F060 Datasheet
5. http://www. gamma. spb. ru – сайт фирмы «Гамма Санкт-Петербург»
6. http://www. gaw. ru – русскоязычный сайт по микропроцессорам
7. http://www. microchip. ru – русскоязычный сайт фирмы Microchip
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
- Учебный микропроцессорный комплект УМК (16 шт.)
- Отладочный комплекс для PIC-контроллеров фирмы Microchip (9 шт.)
- Отладочный комплекс STK500 для микроконтроллеров AVR фирмы ATMEL (10 шт.)
- Отладочный комплекс для микроконтроллеров семейства MCSшт.)
- Персональные компьютеры (10 шт.)
- Инструментальное программное обеспечение MPLAB IDE, AVR STUDIO, SiLABS.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению и профилю подготовки:
направление 210100 БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ,
профиль подготовки Биотехнические и медицинские аппараты и системы
Программа одобрена на заседании кафедры промышленной и медицинской электроники ИНК ТПУ.
(протокол № ____ от «___» _______ 20___ г.).
Автор:
Рецензент(ы) __________________________
