Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им.
Факультет радиоэлектроники и информатики
Кафедра ²Вычислительные системы²
²УТВЕРЖДАЮ²
Декан факультета РЭИ
__________
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
По дисциплине ²Микропроцессорные системы²
для направления 230100 – Информатика и вычислительная техника
для специальности 230101 – Вычислительные машины, комплексы,
системы и сети
Распределение часов
Форма обучения | Очная | Очно-заочная | Заочная | ||
на базе ПСО | на базе СПО | на базе ПСО | на базе СПО | ||
Лекции | 28 | 36 | – | – | 6 |
Практические занятия | 14 | 18 | – | – | 8 |
Лабораторные занятия | 28 | 36 | – | – | |
Индивидуальные занятия | – | 5 | – | – | |
Самостоятельная работа в т. ч. курсовая работа | 100 | 80 | – | – | 156 |
Всего часов | 170 | 170 | – | – | 170 |
Форма контроля | экзамен | экзамен | – | – | экзамен |
Программу составил к. т.н. профессор _____________________
Рабочая программа рассмотрена на заседании кафедры ²Вычислительные системы² 6 сентября 2005 г.
Заведующий кафедрой к. т.н. профессор ____________________
Согласовано Декан ФЗО _________________________________
Рыбинск 2005
Настоящая программа составлена в соответствии с Государственным стандартом высшего профессионального образования и Учебным планом подготовки специалиста по направлению 220100 (230101).
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью преподавания дисциплины является овладение студентами знаниями и умениями в области проектирования аппаратного и программного обеспечения микропроцессорных систем (МПС) различного назначения.
Задачи изучения дисциплины.
В результате изучения дисциплины студенты должны:
– знать и уметь использовать основные типы микропроцессорных средств, подходы, основные этапы и особенности проектирования как отдельных подсистем так и МПС различного назначения в целом;
– владеть методикой проектирования и отладки аппаратного и программного обеспечения МПС;
– иметь представление о состоянии и тенденциях развития микропроцессорных средств, направлениях развития архитектур МПС, о возможных подходах к автоматизированному проектированию МПС.
Рекомендации по изучению дисциплины.
Изучение дисциплины основывается на знаниях и практических навыках, полученных студентами при изучении дисциплин “Алгоритмические языки и программирование”, “Электроника”, “Схемотехника ЭВМ”, “Системное программное обеспечение”, “Организация ЭВМ, комплексов и систем”, “Периферийные устройства”.
1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Введение (0,5 часа)
Цель и структура дисциплины.
Микропроцессор (МП) и микропроцессорные комплекты (МПК) БИС как результат развития элементной базы вычислительной техники. Влияние МП и МПК на методологию проектирования цифровых систем и их применение. Задачи проектирования МПС. Классификация МПС. Краткая характеристика возможностей и применений микропроцессорных средств.
1.1. Организация базовой МПС (1час)
Структура и состав базовой МПС. МикроЭВМ как основное устройство МПС. Структура и состав микроЭВМ: процессор как подсистема обработки и управления, память, интерфейс как подсистема ввода – вывода. Системная шина. Принцип действия микроЭВМ и МПС. Архитектура микропроцессорной системы (МПС).
1.2. Организация устройств микроЭВМ (4часа)
Организация подсистем обработки, управления, памяти и ввода-вывода.
Организация процессора. Операционный и управляющий блоки.
Организация памяти. Типы памяти.
Организация интерфейса. Методы обмена данными с периферийными устройствами: синхронный обмен, асинхронный обмен, обмен по прерыванию, обмен в режиме прямого доступа в память. Адресация портов и формирование управляющих сигналов. Обмен данными по последовательному каналу.
1.3. Элементная база МПС (12часов)
Состав элементов для построения МПС.
1.3.1. Элементы для построения процессора (4часа)
МП как основной элемент процессора. Однокристальные МП К1810ВМ86 и К1810ВМ88. Аппаратный интерфейс и функциональный смысл внешних сигналов. Структура и принцип действия. Временные диаграммы функционирования.
Генератор тактовых импульсов К1810ГФ84. Аппаратный интерфейс, структура и принцип действия.
Шинные буферы К1810ВА86.
1.3.2. Элементы для построения подсистемы памяти (4часа)
Элементы оперативной памяти. Элементы постоянной памяти. Элементы энергонезависимой памяти с электрической перезаписью данных.
1.3.3. Элементы для построения интерфейса (4часа)
Порт ввода-вывода К1810ИР82, универсальный порт ввода-вывода К589ИР12.
Контроллеры параллельного и последовательного программируемого интерфейса. Контроллеры прерываний. Контроллеры прямого доступа в память.
1.4. Проектирование МПС (24часа)
Представление МПС как объекта проектирования. Основные задачи проектирования МПС. Основные этапы проектирования. Разработка архитектуры системы. Компромисс между аппаратной и программной реализацией функций в МПС.
1.4.1. Проектирование аппаратных средств (12часов)
Схемотехническое проектирование процессора. Буферизация и демультиплексирование шин адреса и данных. Варианты формирования сигнала готовности для асинхронного обмена с внешними устройствами.
Схемотехническое проектирование подсистемы памяти. Особенности организации памяти в МПС на базе различных МП. Банкирование памяти. Распределение адресного пространства. Дешифрация адреса. Наращивание памяти в системе.
Схемотехническое проектирование интерфейса. Проектирование интерфейса для реализации различных методов обмена данными в параллельной и последовательной формах.
Тестирование и настройка аппаратных средств. Тестирование статическими сигналами. Свободный прогон МП. Средства разработки и отладки МПС.
1.4.2. Проектирование программных средств (12часов)
Этапы жизненного цикла программы и их трудоемкость.
Реализация этапа точной постановки задачи и формулировки требований к программе.
Реализация этапа проектирования программы. Декомпозиция общей задачи, статическая модель программы. Разработка структуры данных. Алгоритмизация программы. Подходы к алгоритмизации. Языки описания алгоритмов. Подпрограммы как средство модульного программирования. Иерархическая организация алгоритма.
Реализация этапа кодирования программы. Выбор языка программирования. Реализация логических конструкций структурного программирования.
Тестирование и отладка программы. Занесение программы на рабочий носитель. Оформление документации на программу.
1.5. Комплексная отладка МПС (2часа)
Задачи комплексной отладки. Средства для комплексной отладки: логические и сигнатурные анализаторы, внутрисхемные эмуляторы, диагностические комплексы, интегрированные среды проектирования МПС.
1.6. Однокристальные микроЭВМ и контроллеры, организация и особенности проектирования систем на их основе (13часов)
Однокристальные микроконтроллеры (МК). Структурная организация МК КМ1816ВЕ51. Режимы работы.
Архитектура МК КМ1816ВЕ51. Система команд. Правила записи программ на языке ассемблера.
Проектирование МПС на базе МК. Схемы включения МК.
1.7. Методы повышения производительности МПС (5часов)
Арифметический сопроцессор. Структура и взаимодействие с центральным процессором МПС. Система команд сопроцессора.
Мультимикропроцессорные системы. Основные конфигурации, области их использования. Мультимикропроцессорные системы со слабосвязанной конфигурацией. Методы разбиения адресного пространства на системное и локальное. Средства для организации мультипроцессорной работы. Арбитр шины. Области использования мультимикропроцессорных систем.
1.8. Специализированные МП (2часа)
Типы специализированных МП. МП для цифровой обработки сигналов (ЦОС). Особенности алгоритмов ЦОС.
1.9. МП с RISC – архитектурой (2часа)
RISC – архитектура как средство повышения производительности МПС. Базовая структура МП с сокращенным набором команд. Примеры структурной организации RISC – микропроцессоров. Транспьютерные системы. Транспьютер как базовый элемент однородных МПС.
1.10. Заключение (0,5часа)
Анализ современного состояния и перспектив развития микропроцессорных средств по основным фирмам производителям. Краткий обзор состояния и перспективных проектов МПС.
2. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ И ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
В связи с отсутствием учебного лабораторного оборудования все лабораторные работы выполняются на базе интегрированных программных сред, эмулирующих работу соответствующих МП и МПС на их основе.
2.1. Изучение интегрированной программной среды DEMIS для проектирования МПС на базе МП К1810ВМ86/ВМ88.
2.2. Создание архитектуры заданной учебной МПС в среде DEMIS.
2.3. Разработка и подготовка ассемблерной программы работы учебной МПС в среде DEMIS.
2.4. Отладка программы работы учебной МПС в среде DEMIS.
2.5. Изучение интегрированной программной среды для работы с однокристальными МК.
2.6. Изучение архитектуры и системы команд однокристального МК КМ1816ВЕ51.
2.7. Разработка и подготовка ассемблерной программы учебной задачи для МК КМ1816ВЕ51.
2.8. Отладка программы учебной задачи для МК КМ1816ВЕ51.
3. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
В курсовом проекте проектируется система обработки информации или управления на базе однокристального МП или МК. Система обеспечивает заданный вариант обработки данных или управление заданным объектом путем формирования набора управляющих воздействий на этот объект. Входными сигналами системы являются сигналы от цифровых и аналоговых датчиков, а также органов управления с пульта оператора. В качестве элементной базы используются основные БИС МПК. Все задания индивидуальны. В результате выполнения проекта студенты разрабатывают аппаратные и программные средства заданной МПС.
Курсовой проект оформляется в виде пояснительной записки, в которой отражены все полученные результаты разработки. Ориентировочное время самостоятельной работы над проектом – 30 часов.
Примерный перечень тем курсового проекта:
- разработка системы управления промышленным роботом;
- разработка устройства управления лифтом;
- разработка устройства для управления производственным конвейером;
- разработка арифметического калькулятора;
- разработка устройства для фиксации температурных изменений.
4. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ И ПЕРЕЧЕНЬ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Основной
4.1.Комаров системы: Учебное пособие для вузов. – Рыбинск: РГАТА, 1997. – 324 с.
4.2. , Дианов средства и системы. – М.: Радио и связь, 1989. – 288 с.
4.3. Микропроцессорный комплект К1810: Структура, программирование, применение: Справочная книга / , , и др.: Под ред. . – М.: Высшая школа, 1990. – 269 с.
4.4. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах / , , . – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 224 с.
4.5. Уильямс микропроцессорных систем: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 253 с.
Дополнительный
4.6. Лю Ю-Чжен, икропроцессоры семейства 8086/8088. Архитектура, программирование и проектирование микрокомпьютерных систем: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1987. – 510 с.
4.7. Григорьев и программирование арифметического сопроцессора. М.: Энергоатомиздат, 1991. – 208 с.
4.8. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления: Справочник / , , : Под ред. . – Л.: Машиностроение, 1987. – 387 с.
4.9. Однокристальные микроЭВМ: Справочник / , , и др. – М.: МИКАП, 1994. – 400 с.
5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ СТУДЕНТАМ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛинЫ
Успешное освоение дисциплины проявляется в умении проектировать аппаратное и программное обеспечение МПС. Для достижения этой цели необходимо сначала изучить теоретические вопросы проектирования аппаратных и программных средств МПС. При самостоятельной подготовке целесообразно руководствоваться учебным пособием [1], в котором подробно рассмотрены все изученные вопросы.
Освоение дисциплины на уровне, необходимом для практического применения, невозможно без выполнения практических заданий. Практические задания по проектированию МПС на архитектурном уровне и разработке их программного обеспечения необходимо выполнять в интегрированной программной среде Design Microsystem. Эта среда позволяет проектировать МПС любой сложности и наглядно отражает их работу. Для практического освоения вопросов проектирования программного обеспечения МПС служит лабораторный практикум. В ходе лабораторных работ студент должен самостоятельно выполнить проектирование, сборку и отладку программного обеспечения заданной ему МПС. Если ему это удалось, то это свидетельствует о высокой степени освоения вопросов проектирования программных средств МПС.
Уровень освоения вопросов проектирования аппаратных средств проверяется при разработке курсового проекта по проектированию МПС. Если студент самостоятельно подготовил и защитил курсовой проект на заданную тему, то это свидетельствует о хорошей подготовке в области проектирования аппаратного обеспечения МПС. Для дополнительного контроля за уровнем освоения вопросов проектирования аппаратных средств МПС необходимо ответить на контрольные вопросы, приведенные в разделе 7.
6. СПИСОК ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ (ЗАЧЕТНЫХ) ВОПРОСОВ
1. Типовая структура микропроцессорных систем
2. Структура и принцип действия микроЭВМ
3. Организация процессора микроЭВМ. Операционный блок
4. Организация процессора микроЭВМ. Управляющий блок
5. Организация памяти микроЭВМ.
6. Организация интерфейса микроЭВМ. Типовая структура стандартного интерфейса
7. Методы обмена данными. Синхронный обмен
8. Методы обмена данными. Программный асинхронный обмен
9. Методы обмена данными. Аппаратная реализация асинхронного обмена
10. Методы обмена данными. Обмен по прерыванию
11. Методы обмена данными. Обмен в режиме прямого доступа в память
12. Представление микропроцессорной системы как объекта проектирования
13. Основные этапы проектирования микропроцессорной системы
14. Разработка архитектуры микропроцессорной системы
15. Представление программы в виде «черной сферы». Этапы жизненного цикла программы
16. Точная постановка задачи и формулировка требований к программе
17. Декомпозиция задачи. Общий подход
18. Обобщенная схема решения задачи в микропроцессорной системе. Рабочий и контрольный процессы
19. Структура данных в микропроцессорных системах
20. Алгоритм. Необходимые свойства алгоритмов. Подходы к алгоритмизации
21. Базовые логические конструкции структурного программирования и их реализация
22. Расширенные логические конструкции структурного программирования и их реализация
23. Алгоритмизация программы микропроцессорной системы
24. Иерархическая организация алгоритма
25. Тестирование и отладка программы
26. Занесение программы на рабочий носитель
27. Техническая документация на программу
28. Однокристальные микропроцессоры К1810ВМ86/ВМ88. Аппаратный интерфейс
29. Временные диаграммы функционирования МП К1810ВМ86/ВМ88
30. Генератор тактовых импульсов К1810ГФ84
31. Шинные буфера К1810ВА86
32. Схемотехническое проектирование процессора на базе МП К1810ВМ86/ВМ88
33. Микросхемы энергонезависимой памяти фирмы ATMEL. Общие сведения
34. Микросхемы энергонезависимой памяти группы EPROM (отечественные и фирмы ATMEL)
35. Микросхемы энергонезависимой памяти группы Parallel EEPROM (фирмы ATMEL)
36. Микросхемы энергонезависимой памяти группы Flash Memory (фирмы ATMEL)
37. Микросхемы оперативной памяти
38. Банкирование памяти в МПС на базе МП К1810ВМ86/ВМ88. Обращение к банкам
39. Организация банков памяти в МПС на базе МП К1810ВМ86/ВМ88
40. Распределение адресного пространства в банке памяти. Построение селектирующего дешифратора
41. Схемотехническое проектирование запоминающих устройств
42. Порт ввода/вывода К1810ИР82
43. Порт ввода/вывода К589ИР12
44. Программируемый параллельный интерфейс КР580ВВ55А. Общая организация
45. Программируемый параллельный интерфейс КР580ВВ55А. Функционирование в режимах 0 и 2
46. Программируемый параллельный интерфейс КР580ВВ55А. Функционирование в режиме 1
47. Банкирование интерфейса в МПС на базе МП К1810ВМ86/ВМ88. Обращение к банкам
48. Организация банков интерфейса на базе портов К1810ИР82
49. Организация банков интерфейса на базе портов К589ИР12
50. Организация банков интерфейса на базе программируемого параллельного интерфейса К580ВВ55А
51. Организация ввода/вывода данных. Линейные схемы подключения
52. Матричная схема ввода данных. Расчет ее элементов
53. Матричная схема вывода данных. Расчет ее элементов
54. Тестирование и настройка аппаратных средств
7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ (ЗАДАЧИ ИЛИ ТЕСТЫ САМОПРОВЕРКИ)
1. Какие элементы используются для построения МПС?
2. Чем отличаются минимальный и максимальный режимы работы микропроцессоров К1810ВМ86/ВМ88?
3. Для каких целей служат сигналы аппаратного интерфейса микропроцессоров К1810ВМ86/ВМ88?
4. Какие элементы необходимы для построения процессора и почему?
5. Основные типы и характеристики элементов постоянной памяти
6. Основные типы и характеристики элементов оперативной памяти
7. Чем отличаются порты ввода/вывода К1810ИР82 и К589ИР12?
8. Организация и использование программируемого параллельного интерфейса КР580ВВ55А
9. Схемотехническое проектирование процессора. Чем отличается организация МПС по принципу “постоянно готовая система” от организации по принципу “постоянно неготовая система”
10. Чем отличается организация памяти в МПС на базе микропроцессоров К1810ВМ86 и К1810ВМ88
11. С какой целью буферируются входные и выходные линии банков памяти и когда это необходимо
12. Как осуществляется доступ к интерфейсу в МПС на базе микропроцессоров К1810ВМ86 и К1810ВМ88
13. Каким образом обеспечивается минимизация аппаратных затрат для обращения к интерфейсу?
14. Чем отличаются принципы линейной и матричной организации доступа к портам ввода/вывода
15. Как выполняется расчет дискретных элементов в типовых схемах МПС?
16. В чем суть метода статических испытаний при настройке аппаратных средств МПС?
17. Для каких целей используется свободный прогон микропроцессора при настройке аппаратных средств МПС?
18. Какие задачи решаются на этапе комплексной отладки аппаратных и программных средств МПС?
