1667

2

УДК 004.384

Микропроцессорная техника: методические указания для самостоятельной работы по направлению подготовки бакалавра 09.03.02 – «Информационные системы и технологии» (профиль – Информационные системы и технологии в микроэлектронике, форма обучения – очная) / А.В. Стариков; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

– Воронеж, 2019. – 13 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ

Рецензент: заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», доктор технических наук, профессор Афоничев Д.Н.

3

Введение

Учебный план по направлению подготовки бакалавра 09.03.02 – «Информационные системы и технологии» включает изучение факультативной дисциплины «Микропроцессорная техника» в течение 6-го семестра в объёме 72 часа, из которых 18 часов отводится для лекционных занятий, 18 часов для лабораторных работ, 36 часов для самостоятельной работы студентов. Итоговый контроль осуществляется в виде сдачи зачёта.

Рабочая программа дисциплины определяет в качестве основной цели усвоение студентами принципов организации, методов функционирования и использования микропроцессоров и систем, построенных на их основе

Для достижения данной цели в ходе изучения дисциплины решаются следующие задачи:

ознакомление с базовой структурой микропроцессорной системы управления, особенностями организации подсистем памяти и вводавывода, составом периферийных устройств;

изучение функциональных возможностей и классификации микропроцессоров и однокристальных микроконтроллеров, используемых для построения микропроцессорных систем управления технологическим оборудованием в автоматизированном производстве;

уяснение структуры многоуровневых микропроцессорных систем, особенностей программно-технических средств, используемых для их реализации, путей повышения производительности микропроцессорных систем управления;

приобретение навыков работы с 1) учебно-лабораторным стендом ОАВТ, предназначенным для изучения основ автоматики и вычислительной техники; 2) учебным стендом «Классик-1» (модульным учебным комплексом «Цифровая и микропроцессорная техника» МУК-МП1), предназначенным для изучения основ

микропроцессоров и микропроцессорных систем.

В результате освоения дисциплины «Микропроцессорная техника» студент должен:

знать: структуру, функциональные возможности и классификацию микропроцессоров и однокристальных микроконтроллеров, принципы построения многоуровневых микропроцессорных систем управления с их использованием, элементы программирования на языке ассемблера для разработки программного обеспечения встроенных микропроцессорных систем управления;

уметь: использовать возможности программно-технических средств микропроцессорных систем управления для повышения производительности технологического оборудования;

владеть: методикой и практическими приемами выполнения лабораторных работ с использованием учебно-лабораторного оборудования стендов ОАВТ и «Классик-1» (модульный учебный комплекс «Цифровая и микропроцессорная техника» МУК-МП1),

4

способами разработки программного обеспечения для микропроцессорных систем управления в автоматизированном производстве.

1 Содержание учебной дисциплины

В соответствии с рабочей программой освоение дисциплины «Микропроцессорная техника» предусматривает изучение следующих разделов (тем) и вопросов, входящих в их состав:

Раздел 1. Введение. Структура базовой микропроцессорной системы управления

Цели и задачи дисциплины. Основные понятия и классификация микропроцессорных систем. Современные тенденции развития микропроцессорных систем управления технологическими комплексами. Типовая архитектура однокристальных микропроцессоров и микроконтроллеров. Основные принципы организации систем управления на базе микропроцессоров и микроконтроллеров. Преимущества микропроцессорных систем управления. Примеры различных структур микропроцессорных систем управления.

Раздел 2. Архитектура и классификация микропроцессоров Аппаратные и программные принципы реализации систем управления и

контроля. Процессорное ядро микропроцессорных систем управления. Принстонская (фон-неймановская) и гарвардская архитектуры микропроцессорных систем. Микропроцессоры с CISC и RISC-архитектурой. Системы команд микропроцессоров. Логическая и арифметическая обработка данных. Формат команд и режимы адресации микропроцессоров фирмы Intel. Особенности микропроцессора Intel 80386EX. Архитектурные особенности и функциональные возможности типовых семейств микроконтроллеров MCS-51, AVR, ARM и других.

Раздел 3. Организация подсистемы памяти Типы памяти микропроцессорных систем. Подсистема оперативной

памяти. Подсистема энергонезависимой памяти. Особенности использования раздельной памяти программ и памяти данных. Внутренний интерфейс микропроцессорной системы управления: шины, протокол обмена, технические средства. Организация обмена информацией между элементами микропроцессорной системы управления.

Раздел 4. Организация подсистемы ввода-вывода Внешний интерфейс микропроцессорной системы. Организация связей

микропроцессоров и микроконтроллеров с периферийными устройствами. Подсистемы параллельного ввода-вывода. Синхронный и асинхронный обмен по параллельному интерфейсу с квитированием. Интерфейсы последовательной связи. Интерфейсы RS-232, RS-485, SPI, I2C (TWI), USB и протоколы обмена. Программирование функций приема-передачи данных в микроконтроллерах. Системы прерываний. Особенности реализации систем прерываний в микроконтроллерах. Сопряжение цифровых и аналоговых устройств. Использование аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.

5

Раздел 5. Программное обеспечение встроенных микропроцессорных систем управления

Состав и структура программного обеспечения встроенных микропроцессорных систем управления. Требования к программному обеспечению встроенных микропроцессорных систем. Программная реализация алгоритмов управления. Особенности программирования микропроцессорных систем в режиме реального времени. Обзор возможностей операционных систем реального времени (ОСРВ). Этапы разработки программного обеспечения. Языки программирования. Язык ассемблера. Языки высокого уровня. Быстродействие. Разрядность. Организация опроса датчиков. Формирование управляющих сигналов. Ожидаемые события, использование таймеров.

Раздел 6. Программно-технические средства разработки программного обеспечения встроенных микропроцессорных систем

Основные понятия и возможности кросс-систем разработки программного обеспечения встроенных микропроцессорных систем. Структура и функциональные возможности интегрированных систем разработки приложений. Эмуляторы и симуляторы программ встроенных микропроцессорных систем.

Назначение лекционных занятий по дисциплине «Микропроцессорная техника» получение теоретических знаний студентами по важнейшим разделам дисциплины, а также формирование общего представления по обзорным темам (вопросам) дисциплины.

Помимо лекционных занятий, обязательным элементом изучения дисциплины «Микропроцессорная техника» является выполнение студентом лабораторных работ. В соответствии с рабочей программой дисциплины «Микропроцессорная техника» предусматривается следующая тематика лабораторных занятий (в скобках указано нормативное количество времени, отводимое на выполнение и защиту лабораторной работы):

1.Общее знакомство с универсальным стендом для изучения основ автоматики и вычислительной техники (ОАВТ) (2 часа).

2.Изучение структуры и принципов функционирования арифметикологического устройства на примере ИМС К155ИП3 (4 часа).

3.Изучение работы оперативного запоминающего устройства и мультиплексного способа организации общей шины (2 часа).

4.Знакомство с учебно-лабораторным стендом «Классик-1» (модульным учебным комплексом «Цифровая и микропроцессорная техника» МУК-МП1) (2 часа).

подпрограммы и стека (4 часа).

Выполнение лабораторных работ предусматривает использование учебно-лабораторного оборудования, подготовку письменного отчёта о выполненной работе и его защиту. При защите отчёта студент должен

6

продемонстрировать знание необходимого теоретического материала по теме практического занятия, аргументировано ответить на вопросы преподавателя, касающиеся практической части работы.

В соответствии с учебным планом на самостоятельную работу студента предусматривается 50 % общего времени, отводимого на изучение дисциплины. При этом одну часть времени, планируемого для самостоятельной работы, предполагается использовать для самостоятельного изучения отдельных вопросов лекционного курса, другую для доработки отчётов о выполненных практических работах и подготовки к их защите.

2 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы

При осуществлении самостоятельной работы студент должен руководствоваться указаниями преподавателя, данными методическими указаниями, методическими материалами лабораторного практикума, материалами конспекта лекций, рекомендованной основной и дополнительной учебной литературой, включая электронные источники информации.

Ниже приведен перечень основной и дополнительной литературы, имеющейся в учебной библиотеке ВГЛТУ.

Основная литература

1.Гуров, В. В. Микропроцессорные системы [Электронный ресурс] : учебник / В. В. Гуров. – М. : ИНФРА, 2018. – 336 с. – ЭБС «Знаниум».

2.Беккер, В. Ф. Технические средства автоматизации. Интерфейсные устройства и микропроцессорные средства [Электронный ресурс] : учеб. пособие / В. Ф. Беккер. – 2-е изд. – М. : РИОР: ИНФРА-М, 2019. – 152 с. – ЭБС «Знаниум».

Дополнительная литература

1.Стариков, А. В. Микропроцессорная техника [Электронный ресурс] : лабораторный практикум для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавра 09.03.02 – Информационные системы и технологии / А.В. Стариков; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – 60 с. – ЭБС ВГЛТУ.

2.Стариков, А. В. Микропроцессорная техника [Электронный ресурс] : лабораторный практикум для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавра 09.03.02 – Информационные системы и технологии / А.В. Стариков; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – 60 с. – ЭБС ВГЛТУ.

3.Шишов О.В. Технические средства автоматизации и управления

[Электронный ресурс] : учеб. пособие / О. В. Шишов. – М. :ИНФРА-М, 2018. –

496с. – ЭБС «Знаниум».

4.Валов, А. В. Микропроцессоры и их применение в системах управления [Электронный ресурс] : учеб. пособие / А. В. Валов, С. П. Лохов. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2012. – Ч.1. – 77 с.; Ч.2. – 81 с.; Ч.3. –

58с. – ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам».

7

Для качественного освоения дисциплины, возможно, потребуются следующие ресурсы информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»:

ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам»: http://window.edu.ru/;

Интернет-университет информационных технологий: http://www.intuit.ru;

сайт для тех, кто интересуется электроникой, микроконтроллерами,

программированием: http://chipenable.ru;

сайт с обширной подборкой научной, учебной и учебно-методической литературы, представленной в виде библиотеки открытых электронных

источников: http://www.twirpx.com.

Поскольку лекции читаются не в полном объеме дисциплины, то студентам на самостоятельное изучение выносится ряд тем (табл. 1). Преподаватель сообщает студентам их общее содержание и организует контроль знаний по заявленным темам.

8

Проверка качества освоения разделов (тем) дисциплины осуществляется посредством текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации студентов. Результаты текущего контроля отражаются в баллах модульнорейтинговой системы оценки знаний.

Контроль результатов самостоятельной работы студентов выполняется преподавателем. При этом для проверки ряда разделов (тем) целесообразно организовать тестовую форму контроля знаний обучающихся.

После завершения лекционного курса и выполнения лабораторного практикума студент допускается к сдаче зачёта по дисциплине «Микропроцессорная техника». Перечень вопросов для подготовки к зачёту приведен ниже.

3 Перечень вопросов для подготовки к зачёту

1.Основные понятия и классификация микропроцессорных систем.

2.Современные тенденции развития микропроцессорных систем управления технологическими комплексами.

3.Типовая архитектура однокристальных микропроцессоров и

микроконтроллеров.

4. Основные принципы организации систем управления на базе микропроцессоров и микроконтроллеров.

5.Преимущества микропроцессорных систем управления.

6.Примеры различных структур микропроцессорных систем управления.

7.Аппаратные и программные принципы реализации систем управления и контроля.

8.Процессорное ядро микропроцессорных систем управления.

9.Принстонская (фон-неймановская) архитектура микропроцессорной системы.

10.Гарвардская архитектура микропроцессорной системы.

11.Микропроцессоры с CISC-архитектурой.

12.Микропроцессоры RISC-архитектурой.

13.Особенности системы команд микропроцессоров.

14.Логическая и арифметическая обработка данных.

15.Типы памяти микропроцессорных систем.

16.Подсистема оперативной памяти.

17.Подсистема энергонезависимой памяти.

18.Особенности использования раздельной памяти программ и памяти данных.

19.Внутренний интерфейс микропроцессорной системы управления: шины, протокол обмена, технические средства.

20.Организация обмена информацией между элементами микропроцессорной системы управления.

21.Внешний интерфейс микропроцессорной системы.

22.Организация связей микропроцессоров и микроконтроллеров с периферийными устройствами.

9

23.Подсистемы параллельного ввода-вывода.

24.Синхронный и асинхронный обмен по параллельному интерфейсу с квитированием.

25.Интерфейсы последовательной связи.

26.Интерфейс RS-232 и поддерживаемый протокол обмена.

27.Интерфейс RS-485 и поддерживаемый протокол обмена.

28.Интерфейс SPI и поддерживаемый протокол обмена.

29.Интерфейс SPI I2C (TWI) и поддерживаемый протокол обмена.

30.Интерфейс USB и поддерживаемый протокол обмена.

31.Программирование функций приема-передачи данных в микроконтроллерах.

32.Основные понятия и положения системы прерываний.

33.Особенности реализации системы прерываний в микроконтроллерах.

34.Сопряжение цифровых и аналоговых устройств.

35.Использование аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.

36.Архитектурные особенности и функциональные возможности типовых семейств микроконтроллеров MCS-51, AVR, ARM и других.

37.Состав и структура программного обеспечения встроенных микропроцессорных систем управления.

38.Требования к программному обеспечению встроенных микропроцессорных систем.

39.Программная реализация алгоритмов управления.

40.Особенности программирования микропроцессорных систем в режиме реального времени.

41.Обзор возможностей операционных систем реального времени.

42.Этапы разработки программного обеспечения.

43.Языки программирования. Язык ассемблера. Языки высокого уровня.

44.Быстродействие. Разрядность.

45.Организация опроса датчиков.

46.Формирование управляющих сигналов.

47.Ожидаемые события, использование таймеров.

48.Основные понятия и возможности кросс-систем разработки программного обеспечения встроенных микропроцессорных систем.

49.Структура и функциональные возможности интегрированных систем разработки приложений.

50.Эмуляторы и симуляторы программ встроенных микропроцессорных систем.

51.Современные подходы к повышению эффективности использования микропроцессорных систем управления автоматизированным производством

10

4.Тесты для проверки остаточных знаний и критерии оценки ответов

1.Что не является классификационным критерием для микропроцессорных систем?

1)назначение;

2)разрядность;

3)место изготовления;

4)архитектура.

2.Что не является обозначением архитектуры микропроцессоров?

1)RISC;

2)CISC;

3)ARM;

4)RAM.

3.Что не относится к гарвардской архитектуре микропроцессорных систем?

1)память программ;

2)память данных;

3)общая память программ и данных;

4)регистры.

4.Какая из шин нижнего уровня общей шины (системной магистрали) не предназначена для пересылки информационных сигналов?

1)шина адреса;

2)шина данных;

3)шина управления;

4)шина питания.

5.Основная характеристика регистровой памяти:

1)тактовая частота;

2)разрядность;

3)технологичность;

4)стоимость.

6.Область памяти, работающая по принципу LIFO: последним пришел, первым вышел:

1)регистры;

2)сегмент кода;

3)сегмент данных;

4)сегмент стека.

7.Не является регистром общего назначения:

1)IP;

2)BP;

3)AX;

4)ВХ.

8.Не является регистром общего назначения:

1)AX;