Mikroprotsesorni-pristroyi (1)
.pdfМІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»
Ю.С. Грищук
МІКРОПРОЦЕСОРНІ ПРИСТРОЇ
НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК по дисципліні «Мікропроцесорні пристрої» для студентів електромеханічних спеціальностей
Затверджено редакційно-видавничою радою університету протокол № 2 від 17.06.2005 р.
Харків НТУ «ХПІ» 2007
ББК 32.973.26-04 Г85
УДК 004.315(075)
Рецензенти: А.Д. Черенков, доктор техн.наук, професор ХНТУСГ; О.Б. Богаєвський, канд. техн. наук, доцент ХНАДУ; М.І. Шпика, канд. техн. наук, зав. проектноконструкторським і науково-дослідним відділом проектування електроприводів і систем управління ДП заводу “ Електротяжмаш”
Гриф надано Міністерством освіти і науки україни,
лист № 1.4/18– Г–1305 від 25.07.2007 р.
Г85 Грищук Ю.С. Мікропроцесорні пристрої: Навчальний посібник. –
Харків: НТУ “ ХПІ”, 2007.– 280 с.
ISBN 978-966-593-696-1
Викладено навчально-теоретичний матеріал, що описує основні терміни і поняття, арифметичні, логічні, фізичні основи і архітектуру мікропроцесорів і однокриcталевих мікроконтролерів, інтерфейси, запам’ятовуючі і спеціалізовані периферійні пристрої. Посібник містить лабораторний практикум, особливості і приклади практичного застосування мікроконтролерів, контрольні запитання і завдання.
Призначено для студентів спеціальностей 7092206 – “ Електричні машини і апарати”, 7092205 – “ Електропобутова техніка” і може бути корисною для студентів технічних вузів, аспірантів та інженерно-технічних працівників.
Іл. 72. Табл. 40. Бібліогр. 35 назв.
ББК 32.973.26-04
ISBN 978-966-593-696-1
© Ю.С. Грищук, 2007
2
ЗМІСТ |
|
Передмова .............................................................................................................. |
5 |
Умовні скорочення і позначення......................................................................... |
9 |
Вступ..................................................................................................................... |
16 |
Основні терміни і визначення............................................................................ |
18 |
1. Арифметичні, логічні і фізичні основи......................................................... |
27 |
1.1. Системи числення .............................................................................. |
27 |
1.2. Переклад чисел з однієї системи числення в іншу......................... |
32 |
1.3. Арифметичні дії з двійковими числами........................................... |
35 |
1.4. Одиниці інформації........................................................................... |
39 |
1.5. Логічні основи і алгебра логіки........................................................ |
40 |
1.6. Способи представлення складних функцій..................................... |
47 |
1.7. Мінімізація складних виразів............................................................ |
48 |
1.8. Фізичні основи реалізації логічних функцій................................... |
48 |
1.9. Логічні схеми з напівпровідниковими елементами....................... |
50 |
Контрольні питання і завдання............................................................... |
52 |
2. Архітектура мікропроцесорів......................................................................... |
55 |
2.1. Типова структура мікропроцесора................................................... |
55 |
2.2. Мікропроцесорний комплект серії КР580....................................... |
70 |
Контрольні питання і завдання................................................................ |
78 |
3. Запам'ятовуючі пристрої мікропроцесорних систем..................................................... |
81 |
3.1. Класифікація запам'ятовуючих пристроїв....................................... |
81 |
3.2. Оперативні запам'ятовуючі пристрої............................................... |
84 |
3.3. Постійні запам'ятовуючі пристрої.................................................... |
87 |
3.4. Зовнішні запам'ятовуючі пристрої................................................... |
91 |
Контрольні питання і завдання................................................................ |
95 |
4. Інтерфейс мікропроцесорних систем............................................................ |
97 |
4.1. Визначення і функції інтерфейсу..................................................... |
97 |
4.2. Пристрої вводу-виводу інформації ................................................ |
101 |
3
4.3. Інтерфейс каналу мікроЕОМ .......................................................... |
107 |
4.4. Спеціалізовані периферійні пристрої ........................................... |
109 |
Контрольні питання і завдання.............................................................. |
114 |
5. Однокристальні мікроконтролери............................................................... |
115 |
5.1. Мікроконтролери сімейства МК51 ................................................ |
115 |
5.2. Однокристальний мікроконтролер КМ1816ВЕ51 ........................ |
119 |
5.3. Мікроконтролери фірми Аtmel...................................................... |
160 |
5.4. Мікроконтролери фірми Microchip ................................................ |
167 |
5.5. Мікроконтролери фірми Motorola.................................................. |
184 |
Контрольні питання і завдання.............................................................. |
200 |
6. Лабораторний практикум і стенд МК51 ..................................................... |
203 |
6.1. Лабораторна робота № 1. Дослідження лабораторного стенду |
|
мікроконтролера МК51................................................................... |
203 |
6.2. Лабораторна робота № 2. Програмування і ввод програм з |
|
клавіатури стенду МК51................................................................ |
212 |
6.3. Лабораторна робота № 3. Складання і відладка програм............ |
218 |
6.4. Лабораторна робота № 4. Дослідження аналого-цифрового |
|
перетворювача................................................................................ |
233 |
7. Застосування мікроконтролерів.................................................................. |
240 |
7.1. Застосування мікроконтролерів в електромеханічних системах240 |
|
7.2. Застосування мікроконтролерів в електроапаратобудуванні...... |
242 |
7.3. Застосування МК51 при випробуваннях електричних |
|
апаратів захисту............................................................................... |
245 |
7.4. Структурна схема АСУТПВ з паралельними АЦП..................... |
252 |
Контрольні питання і завдання.............................................................. |
261 |
Список літератури............................................................................................. |
263 |
Додаток 1.Таблиця Д 1 – Система команд мікропроцесора КР580 ............. |
266 |
Додаток 2. Приклади виконання завдань....................................................... |
271 |
Додаток 3. Система команд РІС16Х17ХХ...................................................... |
272 |
Додаток 1.Таблиця Д 4 – Команди Асемблера МК51 ................................... |
274 |
4
ПЕРЕДМОВА
Найважливішою умовою подальшого соціально-економічного розвитку країни є стабільне зростання енергетики, що забезпечує роботу промисловості, транспорту і інших галузей народного господарства.
Конкретні завдання науково-технічного прогресу в паливноенергетичному, електротехнічному, машинобудівному і транспортному комплексах висувають в даний час на перше місце проблему забезпечення необхідної надійності, живучості і безаварійності складних технічних об'єктів і їх систем управління. До таких об'єктів відносяться сучасні потужні електроенергетичні системи і їх елементи (наприклад, електричні станції, дальні лінії електропередачі, електричні розподільні системи крупних промислових підприємств, автономні електроенергетичні, перетворювальні, електротехнічні і електромеханічні установки і системи управління ними), що включають пристрої релейного захисту і протиаварійної автоматики, контактні розподільні пристрої. Комутація, захист, управління, регулювання і інші функції в цих об'єктах, як правило, виконуються різними електричними апаратами (ЕА).
Останніми роками у зв'язку з появою мікропроцесорів (МП) намітилася тенденція до широкого використання їх в електропобутовій техніці (ЕПТ) і електроапаратобудуванні, до безпосереднього впровадження в пристрої управління ЕА, техніку релейного захисту, системи протиаварійної автоматики, в автоматизовані системи управління технологічними процесами (АСУТП) виробництва, випробування і дослідження ЕПТ і ЕА. Це викликано появою
5
нових підвищених і різноманітних вимог до систем автоматизації управління об'єктами. У зв'язку з цим традиційні ЕА і системи управління і регулювання, виконані на аналогових елементах, опинилися не в змозі конкурувати з цифровими пристроями, в яких використовуються мікропроцесори.
Відмінними рисами пристроїв і систем, виконаних на базі МП, є: можливість значного розширення функцій шляхом додавання нових алгоритмів і програм в систему програмного забезпечення, високий рівень уніфікації елементів, можливість перепрограмування, для реалізації тих або інших функцій без зміни комплексу технічних і апаратних засобів і автоматизації процесів діагностики і настройки апаратури. Сучасні МП мають малі габаритні розміри, і можуть розміщатися поруч з керованими об’єктами, володіють високою надійністю і розвиненими логічними можливостями, характеризуються низькими енергоспоживанням і вартістю. У багатьох застосуваннях сучасні МП можуть складатися тільки одну ВІС з одним рівнем напруги +5 В. Крім того, їх застосування в системах управління забезпечує високу швидкодію, гнучкість і ефективність.
Застосування мікропроцесорів вимагає від розробників корінного перегляду традиційних методів при проектуванні систем управління ЕПТ, ЕА і електронними апаратами, заміни у багатьох випадках проектування схем і систем управління розробкою програм настройки мікропроцесорної апаратури на виконання певних функцій. Рішення цих задач вимагає підготовки кваліфікованих фахівців, здатних проектувати, розробляти, експлуатувати і обслуговувати таку складну МП техніку, як ЕА і ЕПТ з мікропроцесорним управлінням.
Для підготовки таких фахівців виникає необхідність у виданні додаткової навчальної літератури, що містить одночасно основи мікропроцесорної техніки і нову інформацію про розвиток мікропроцесорних засобів. Зокрема, потрібна інформація про однокристальні мікроконтролери (МК), які часто в публікаціях називають мікроЕОМ, і їх застосування в ЕПТ, електроапаратобудуванні і інших галузях. Доцільним і корисним, на думку автора, є включення інформації
6
про лабораторний практикум, що виконується на реальних лабораторних стендах, створених на базі МК, що дозволяє досліджувати їх будову, принцип дії і різні режими роботи найбільш широко вживаних МК.
Мета посібника – сприяти поглибленню знань студентів, що навчаються за спеціальностями 092206 “ Електричні машини і аппарати'', 092205 “ Електропобутова техніка” і іншими технічними спеціальностями в області мікропроцесорних систем, і отриманню ними практичних навичок у роботі з реальними мікропроцесорними пристроями і однокристальними МК. Посібник складений за матеріалами лекцій, лабораторних і практичних занять, курсового проектування по дисциплінах, що пов'язані з мікропроцесорною технікою і її використанням в ЕПТ і ЕА, які включені в навчальний процес НТУ «ХПІ» і що проводяться автором з 1984 р. по теперішній час.
Зміст посібника визначений, перш за все, прагненням викласти ті аспекти МП пристроїв і їх застосування в ЕПТ, електроапаратобудуванні і в інших напрямках, які недостатньо відображені в літературі, що є на даний час. Зокрема, в посібнику описаний один з дев'яти лабораторних стендів, розроблених на основі однокристальних мікроконтролерів сімейства MCS51 (МК51) на кафедрі “ Електричні апарати” НТУ «ХПІ» за ініціативою і при особистій участі автора посібника. Стенд дозволяє досліджувати 24 режими роботи МК. Тут же подано лабораторний практикум до вивчення МК, складений автором і апробований у навчальному процесі. У лабораторному практикумі передбачається дослідження лабораторного стенда і ознайомлення із структурою однокристальних МК та їх системою команд, дослідження режимів їх роботи, складання і виконання програм, програмування МК і вводу програм з клавіатури лабораторного стенда, складання і вводу програм на мові Асемблер з використанням ПЕОМ, відладка програм крос-засобами, дослідження роботи аналого-цифрових перетворювачів.
У посібнику викладені відомості про сучасні МК провідних зарубіжних виробників: сімейства MCS151 і MCS251 фірми Intel, серії АТ89 і АТ90 фірми
Atmel, сімейств PIC16/17 і PIC16X7XX фірми Microchip, сімейств HC05, HC08,
7
HC11 фірми Motorola, сімейство цифрових сигнальних процесорів (ЦСП) TMS320Cxxx (платформи С2000, С5000 і С6000 продуктивністю від 20 MIPS до 8800 MIPS) фірми TEXAS INSTRUMENT. Розглянуті їх архітектура, структурні схеми, особливості різних модифікацій сімейств, вказані їх основні технічні характеристики, а також області їх практичного застосування. Приведені приклади застосування різних МК в системах управління транспорту, ЕА, комплектними розподільними пристроями (КРП), гнучкими системами релейного захисту (ГСРЗ), технологічними процесами випробувань і досліджень електричних апаратів, в управлінні електромеханічними системами і електроприводами і т.ін.
Автор вважає своїм приємним обов’язком подякувати ст.н.с. В.М. Лещенко, асс. А.В. Дудник кафедри «Автоматики і управління в
технічних системах» за консультації і допомогу в розробці і наладці мікроконтролерних лабораторних стендів, студентам і співробітникам кафедри “ Електричні апарати” за надану допомогу при створенні лабораторних стендів і лабораторії МПС, зав. лабораторією кафедри інформаційних систем і технологій в міському господарстві Харківської Національної академії міського господарства С.Ю. Грищуку за надану істотну допомогу в підготовці рукопису і оригінал-макету посібника.
Автор виражає глибоку подяку рецензентам:
Черенкову О.Д., доктору техн. наук, професору кафедри теоретичної електротехніки Харківського Національного технічного університету сільського господарства, ім. Петра Василенка;
Богаєвському О.Б., канд. техн. наук, доценту кафедри автомобільної електроніки Харківського Національного автодорожнього університету;
Шпика М.І., канд. техн. наук, зав. проектно-конструкторським і науководослідним відділом проектування електроприводів і систем управління ГП заводу “ Електротяжмаш”.
Ряд цінних порад і зауважень, які були зроблені ними при рецензуванні рукопису, в суттєвій мірі сприяли поліпшенню даного посібника.
8
УМОВНІ СКОРОЧЕННЯ І ПОЗНАЧЕННЯ
1.Українська нотація (у дужках приведена англійська нотація)
А– акумулятор (див. АСС)
АВ |
– |
автоматичний вимикач |
АЛП |
– |
арифметично – логічний пристрій |
АСУТПВ |
– |
автоматизована система управління технологічним |
|
|
процесом випробувань (досліджень) |
ВІС |
– |
велика інтегральна схема |
ШЗ |
– |
швидкодіючий запобіжник |
ВК |
– |
вибір корпусу (див. СЕ ) |
ЗПД |
– |
зовнішня пам'ять даних |
ЗПП |
– |
зовнішня пам'ять програм |
ВХПР |
– вхід приймача УАПП (см.RXD) |
|
ВИХПЕР |
– вихід передавача УАПП (див. TXD) |
|
ЗП |
– |
сигнал запису, що управляє (див. WR) |
ІС |
– |
інтегральна схема |
ЗПР |
– |
запит переривання( див. INT) |
КОП |
– |
код операції (поле в тілі команди) |
КРП |
– |
комплектно – розподільний пристрій |
МК |
– |
мікроконтролери однокристальні |
МК51 |
– мікроконтролери серії 1816: КМ1816ВЕ51 |
|
МП |
– |
мікропроцесор |
МПРЗ |
– |
мікропроцесорний релейний захист |
МПС |
– |
мікропроцесорна система |
ОЗП |
– оперативний запам'ятовуючий пристрій (див. RAM) |
|
ВРПП |
– |
сигнал відключення резидентної пам'яті програм, (див. ЕА) |
ПП |
– |
пам'ять програм |
ПРОГ |
– |
сигнал, що управляє програмуванням резидентної |
9
|
|
пам'яті програм (см.PROG) |
РА |
– регістр адреси (див. RAR) |
|
PBB |
– ВІС розширювача вводу/виводу |
|
ДЗПП |
– |
сигнал дозволу зовнішньої пам'яті програм (див. PSEN) |
РК |
– |
регістр команд (див. IR) |
РМП |
– |
регістр маски переривань (див. IE) |
РЗП |
– |
регістр загального призначення |
РП |
– |
регістр пріоритетів (див. IP) |
РПД |
– |
резидентна пам'ять даних |
РПП |
– |
резидентна пам'ять програм |
РРТЛ |
– |
регістр режиму таймера/лічильника (див. TМОD) |
РСФ |
– регістри спеціальних функцій (PSW, TMOD, TCON, SCON |
|
|
|
PCON, IE, IP) |
РУД |
– регістр покажчика даних (див. DPTR) |
|
РУП |
– регістр управління потужністю (див. PCON) |
|
РУПП |
– регістр управління послідовного порту (див. SCON) |
|
РПС |
– |
регістр покажчика стека (див. SP) |
РУСТ |
– |
регістр управління/стану таймера (див. ТСON) |
САЗП |
– |
сигнал строба адреси зовнішньої пам'яті (див. ALE) |
НВІС |
– |
надвелика інтегральна схема |
СКД |
– |
керуючий сигнал скидання (див. RST) |
ЛК |
– |
лічильник команд (див. РС) |
ССП |
– |
слово стану програми (див. PSW) |
Т/Л |
– |
таймер/лічильник подій (див. TCNT) |
УАПП |
– |
універсальний асинхронний приймач-передавач |
|
|
(послідовний порт МК51) |
ЧТ |
– |
керуючий сигнал читання (див. RD) |
ША, ШД |
– |
шина адреси, шина даних |
КРОК |
– |
керуючий сигнал покрокового (покомандного) режиму, |
|
|
роботи (див. SS) |
10