Микропроцессорные системы на основе микроконтроллеров

Тема: Проектирование Микропроцессорных устройств План: 1. Методология проектирования микропроцессорного устройства; 2. Задачи проектирования микропроцессорной системы; 3. Классификация микропроцессорных устройств; 4. Этапы разработки и модернизации; 5. Микропроцессорные системы на основе микроконтроллеров часто используются как встроенные системы для решения задач управления некоторым объектом. Важный аспект, принимаемый во внимание – работа в реальном времени. 1. Методология проектирования микропроцессорного устройства 1. Составление технического задания. Формулировка требований к контролеру. Что пользователь или заказчик хочет от контроллера? Что разрабатываемый прибор должен делать? На основании требований составляется функциональная спецификация (функции выполняемые контроллером для пользователя). Описание форматов данных. 2. Разработка алгоритма управления. Выбор алгоритма на основе соотношения объема программных и аппаратных средств. 3. Выбор типа микроконтроллера. Учитываются разрядность, быстродействие, набор команд и способов адресации, объѐм ПЗУ и ОЗУ, наличие документации (или еѐ полноты). 4. Разработка структуры аппаратных и программных средств. Определяются следующие элементы. Состав имеющихся и подлежащих разработке аппаратных модулей, протоколы обмена между модулями, типы разъѐмов. Вырабатывается конструкция контроллера. Определяется состав и связи программных модулей, язык программирования. Осуществляется выбор средств проектирования и отладки. 5. Разработка и отладка аппаратных средств. Разработка общей принципиальной схемы. Разводка топологии плат. Монтаж макета и его автономная отладка. 6. Разработка и отладка программы. Использование интегральной среды разработки, высокоуровневое программирование, низкоуровневое программирование. Оптимизация кода. Использование программных симуляторов. 7. Интеграция разработанного контроллера в систему. 8. Испытание. 9. Эксплуатация. 2. Задачи проектирования микропроцессорной системы 2.1 Технико-экономический анализ и обоснование Применение микропроцессорной техники (далее – МТ) при проектировании устройств должно быть технически и экономически обоснованным. Техническое обоснование – это выявление характеристик, функциональных возможностей устройства, которые значительно улучшаются или расширяются при использовании выбранных микропроцессорных средств (далее – МС). В рамках такого мероприятия должно быть показано, что достичь этих характеристик, используя другую элементную базу (базовые матричные кристаллы, программируемые технологическим путѐм в заводских условиях; программируемые логические интегральные схемы), сложно или технически нецелесообразно. Экономическое обоснование предполагает определение прямой или косвенной экономии денежных средств, которая возникает при производстве либо при эксплуатации данного устройства в случае использования выбранных МС. 2.2 Использование микропроцессорной техники Характер применения МТ в проектируемых устройствах: 1. Использование МТ для реализации главных управляющих блоков в проектируемой системе, которые обеспечивают управление и координацию работы всех остальных узлов проектируемой системы. Это разработка микропроцессорной системы (МПС), которая может включать несколько микропроцессорных контроллеров, взаимодействующих между собой, большое количество периферийных устройств, датчиков и устройств сопряжения. Эта система может быть распределенной иерархической и включать управляющие компьютеры верхних уровней. 2. Использование МТ для выполнения строго ограниченных функций в проектируемой электронной системе, в некоторых случаях вспомогательных (обеспечение ввода/вывода информации, первичной обработки информации, обслуживание различных устройств хранения информации). Это разработка так называемого локального устройства на базе МС в рамках проектируемой электронной системы. Разработка подразумевает подборку и составление следующих документов (в идеальном случае): 1. Подробное описание назначения, работы и структурную схему объекта, для которого осуществляется проектирование системы. 2. Анализ подобных существующих систем с выбором способа построения. 3. Общий алгоритм работы проектируемой системы. 4. Технические требования и требуемые характеристики системы (техническое задание к проекту). 5. Структурная схема проектируемой системы (в первом пункте речь шла об описании структурной схемы объекта, для которого проектируется система, здесь же составляется структурная схема проектируемой для объекта системы). 6. Предварительная оценка способов и микропроцессорной базы построения системы с техническим и экономическим обоснованием. 7. Разбиение функций системы на программно и аппаратно реализуемые. В некоторых случаях требуется не разработка, а модернизация уже существующих как микропроцессорных, так и электронных систем. Модернизация может заключаться в следующем: 1. В построение и добавление дополнительного микропроцессорного устройства к уже существующей системе. 2. В переработке существующих устройств системы с использованием современной МТ. Задачи в рамках модернизации системы: 1. Подробное описание назначения, структуры и работы существующей системы. 2. Выявление недостатков системы, требующих еѐ модернизации. 3. Обоснование технической и экономической целесообразности модернизации. 4. Определение (на основе анализа подобных систем) основных путей модернизации. 5. Оценивание требуемых технических характеристик проектируемого устройства, составление технического задания на проект. 6. Детализация (до уровня принципиальных, функциональных схем) работы и принципов построения модернизируемого блока или блоков, с которыми непосредственно взаимодействует модернизируемый блок. 7. Составление алгоритма работы модернизируемого блока и структурной схемы модернизированной системы. 8. Предварительное разбиение функций системы на программно и аппаратно реализуемые. 3 Классификация микропроцессорных устройств Типы микропроцессорных устройств: 1. Системы программно-логического управления (ПЛУ) (рисцнок 1.1). Основные алгоритмы управления в таких системах базируются на вычислениях логических функций и выходных значений конечных логических автоматов с памятью. Входные сигналы (x1…xn) и выходные, подаваемые на объект (y1…yk) носят логический характер. Рисунок 1.1. Система программно-логического управления Возможные варианты систем: ◦ МПС защиты силовых устройств (трансформаторов, генераторов); ◦ системы передачи данных с кодированием и декодированием передаваемой информации; ◦ автоматические телефонные системы (автодозвона, определения номера и др.); ◦ разветвлѐнные системы охранной и пожарной сигнализации; ◦ автоматические регистраторы срабатывания реле защит с определением и ликвидацией аварийных ситуаций; ◦ системы управления некоторым бытовым и промышленным оборудованием. 2. Системы сбора и обработки информации (СОИ) (рисунок 1.2). Основные функции: сбор информации с большого числа распределенных датчиков, циклический контроль измеряемых параметров, сохранение измеренных значений и первичная обработка. Основные алгоритмы микропроцессорных контроллеров в таких системах реализуют обработку сигналов на основе: цифровой фильтрации, спектрального анализа, группировки и распознавания сигналов, идентификации процессов, сжатия и архивации данных, реализации протоколов передачи данных и другие первичные преобразования. Такие системы могут использовать распределѐнные базы данных для хранения накопленной информации. Основные элементы: микропроцессорный контроллер (МПК), аналогово- цифровой преобразователь (АЦП), аналоговый коммутатор (АК), нормирующие усилители сигналов (НУ) с датчиков (Д). Рисунок 1.2. Система сбора и обработки информации При проектировании таких систем необходимо изначально чѐтко определить функции, выполняемые каждым контроллером и компьютером в системе. Эти системы могут предполагать подробную разработку информационного обеспечения в форме различных распределѐнных баз данных, моделей данных и т.д. Варианты систем: - системы контроля потребления энергии и других ресурсов; - МПС мониторинга окружающей среды; - МПС медицинской диагностики; - системы технической диагностики и поиска неисправностей; - системы контроля параметров сложных технических объектов; - технологические системы учѐта количества и проверки качества выпускаемой продукции; - тренажерные системы; - системы на основе глобальных и локальных вычислительных сетей. 3. Системы цифрового автоматического управления (ЦАУ) (рисунок 1.3). Основное назначение – реализация управления, путѐм воздействия на объект, в соответствии с законом управления на основе измеренных и вычисленных параметров. Алгоритмы этих систем реализуют функции регуляторов, наблюдателей состояния, идентификации объектов или процессов. Сигналы управления ЦАУ формируются устройствами типа цифро- аналогового преобразователя (ЦАП), широтно-импульсного преобразователя (ШИМ). Важную роль в ЦАУ играет таймер, задающий интервалы измерения сигналов и выдачи управляющих воздействий. Рисунок 1.3. Система цифрового автоматического управления. НУ – нормирующее устройство; СУ – согласующее устройство; ИУ – исполнительное устройство; Д – датчик Имеют широкое распространение в технике и на производстве. Им свойственны более сложное алгоритмическое и программное обеспечение. Характеризуются различными показателями качества управления. Теоретическая база проектирования – теория цифровых систем управления. Варианты систем: ◦ МПС управления приводами транспортных средств; ◦ системы программного управления приводами станков с ЧПУ (числовым программным управлением); ◦ системы управления технологическими процессами в электроэнергетике, химической, пищевой или лѐгкой промышленностях; ◦ локальные системы управления параметрами различных технических, транспортных или технологических объектов. Разработку каждой из перечисленных систем можно рассматривать как триединую задачу: 1. Разработка математических алгоритмов функционирования, на основе расчѐта и проектирования регуляторов, фильтров, логических функций или автоматов, наблюдателей, систем распознавания и идентификации и т.п. 2. Разработку аппаратных средств системы. 3. Разработку программного и информационного обеспечения. Разработка информационного обеспечения осуществляется в случае реализации в системе информационной базы данных, зачастую распределѐнной. 4 Этапы разработки и модернизации Основные этапы: 1. Системный анализ объекта контроля и проектируемой МПС. 2. Выбор типа используемого микропроцессора, однокристального микроконтроллера (в котором есть микропроцессор) и определение структуры микропроцессорного контроллера. 3. Разработка аппаратных средств МПС. 4. Разработка программного и информационного обеспечения МПС. 5. Совместная отладка программного обеспечения и аппаратных средств. 6. Оценка характеристик построенной системы. 4.1 Системный анализ Составляющие: 1. Описание работы объекта контроля или управления. ◦ Описывается назначение объекта. ◦ На основе построенной структурной схемы объекта составляется словесный алгоритм работы объекта. ◦ Приводятся основные технические характеристики объекта. ◦ Определяются основные цели и задачи, решаемые проектируемой МПС. 2. Анализ вариантов построения системы. ◦ Патентный поиск, обзор периодической и иной литературы. ◦ Определение положительных и отрицательных сторон каждого из перечисленных вариантов реализаций и разработка своего варианта построения системы. ◦ Определяется требуемое количество контроллеров и компьютеров в системе, а также структура их соединения (радиальная, магистральная, смешанная) и характер взаимодействия (с централизованным или децентрализованным управлением, иерархическая или нет, связная или несвязная). ◦ Определяются количество и диапазон изменения величин контролируемых сигналов с объекта, а также сигналов управления объектом. 3. Разработка технического задания (ТЗ) на проект и обобщѐнной структурной схемы МПС. Даѐтся краткое экономическое и техническое обоснование предложенного варианта. ТЗ определяет: 1) назначение; 2) выполняемые функции; 3) структуру разрабатываемой системы; 4) основные технические параметры; 5) элементную базу; 6) условия эксплуатации; 7) параметры надежности работы устройства. 4. Осуществление математического описания системы и математическое моделирование работы. ◦ Математическое описание использующегося в системе алгоритма. ◦ Идентификация объекта, т.е. построение математической модели объекта. ◦ Расчѐт требуемых для реализации конкретного алгоритма параметров. ◦ Определение характеристик, форматов данных для хранения и преобразования информации. 5. Составление общего алгоритма функционирования системы. После определения состава реализуемых математических алгоритмов разрабатывается общий (укрупнѐнный) алгоритм работы МПС, он может состоять из отдельных алгоритмов работы каждого контроллера или компьютера в системе. Осуществляются построения: общей схемы работы системы, общей схемы программ или схем взаимодействия программ. Здесь же определяются требования к микропроцессорным контроллерам: а) по точности и скорости АЦП и ЦАП; б) по скорости расчѐта регулирующего воздействия (что связано с частотой дискретизации сигналов в системе) или по времени реакции на изменение входной величины (для логического регулятора); в) по объѐму хранимой предыстории при управлении объектом, объѐму иных хранимых параметров, что определяет требуемый объѐм памяти; г) по скорости передачи информации другим контроллерам или компьютерам и др. Формулируются требования к датчикам и исполнительным устройствам системы, нормирующим усилителям, согласующим устройствам. Эти требования включают диапазон изменения и иные временные, частотные параметры входных и выходных величин, максимальную допустимую погрешность преобразования, требования гальванической развязки и др. Если необходимо, осуществляется выбор того или иного принципа формирования управляющего воздействия – модуляции (амплитудно- импульсная – АИМ, широтно-импульсная – ШИМ, частотно-импульсная – ЧИМ). Определяются основные параметры устройств формирования управляющих воздействий. 6. Разбиение функций системы на программно и аппаратно реализуемые. Большинство функций могут быть реализованы либо программным, либо аппаратным способом. В первом случае требуется минимальное количество дополнительных аппаратных устройств, но скорость выполнения функции может быть низкой. Во втором случае требуется использование специальных аппаратных средств, реализующих функцию, но при этом скорость выполнения функции выше, чем при программной реализации. Например, реализация арифметических операций в формате с плавающей точкой в системе может реализовываться либо в виде специальных подпрограмм, либо с использованием специального устройства – арифметического сопроцессора или специализированного устройства, реализованного на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Для реализации быстрых алгоритмов фильтрации, преобразования Фурье, вычисления свѐрток, разностных уравнений могут применяться специализированные сигнальные процессоры (DSP), что обеспечит при необходимости высокую скорость обработки измеренной информации. 7. Определение требований к микропроцессорным контроллерам, компьютерам и другим устройствам системы. 8. Построение структурной схемы системы. Выбор типов используемых средств Основа любой МПС – микропроцессорные контроллеры (МПК). МПК реализуется на основе однокристальных микроконтроллеров (ОМК) или микропроцессоров (ОМП). Характеристики, влияющие на выбор ОМК и ОМП: • архитектура и разрядность процессора; • быстродействие; • объем адресуемой памяти (ОЗУ и ПЗУ); • особенности системы команд. Процессоры ОМК реализуют с использованием следующих архитектур: 1. RISC (Reduced Instruction Set Computer) – с сокращѐнным набором команд. 2. CISC (Complex Instruction Set Computer) – с традиционной расширенной системой команд. 3. ARM (Advanced RISC-machine) – расширенная RISC-архитектура. RISC-архитектура нацелена на реализацию максимальной производительности процессора. Основные черты RISC: 1. Минимальное число команд процессора (первоначально – несколько десятков, современная тенденция – несколько сотен). 2. Число регистров общего назначения (РОН) процессора максимально (приблизительно несколько тысяч). В качестве РОН используются ячейки резидентной памяти данных. 3. Каждая команда выполняется за минимально возможное время, что достигается применением в процессоре устройств управления (УУ) с «жесткой логикой». Использование УУ ограничивает число команд из-за увеличения числа требуемых электронных блоков на кристалле. 4. Увеличена разрядность команд процессора (12, 14, 16 бит и более) по сравнению с разрядностью обрабатываемых данных. Это позволяет реализовать эффективную систему 1 – 2 словных команд, быстро выбираемых из памяти и быстро выполняемых в УУ процессора. ARM-архитектура используется в современных 32-разрядных ОМК. В ОМК реализуется 2 системы команд: стандартная 32-разрядная (ARM-система) и 16-разрядная (THUMB-система). THUMB-команды в два раза плотнее размещаются в памяти, но в то же время могут работать с 32-разрядными операндами, как и 32-разрядные ARM-команды. Использование THUMB- команд позволяет в два раза экономнее расходовать память при сохранении или увеличении производительности. При реализации ОМК используют две основные архитектуры памяти: 1. Гарвардская (увеличение скорости обмена данными и командами). 2. Фон Неймановская (упрощение системы команд и уменьшение числа требуемых команд, т.к. одни и те же команды используются как для обращения к памяти, так и к устройствам ввода/вывода). Для реализации преимуществ как гарвардской, так и фон Неймановской архитектур в ряде контроллеров (PIC16f87x фирмы Microchip, AVR- микроконтроллеры фирмы Atmel) с гарвардской архитектурой реализуется оперативно перепрограммируемая непосредственно во время работы контроллера flash-память программ. Тем самым в гарвардской архитектуре реализуются загружаемые во время работы программы. Недостаток – время записи во flash память выше, чем в оперативную память при фон Неймановской архитектуре. Данную архитектуру иногда называют гарвардской с Flash CMOS. Кроме flash-памяти программ в контроллерах с данной архитектурой зачастую реализуют электрически перепрограммируемую память данных (EEPROM) объѐмом несколько сотен байт. Немаловажную роль при выборе ОМК и ОМП играют: 1. Номенклатура встроенных периферийных устройств (таймеров, последовательных интерфейсов, параллельных портов ввода/вывода, АЦП, модулей ШИМ, модулей обработки прерываний и др.). 2. Возможность режимов пониженного электропотребления, характеристики питающего напряжения. 3. В некоторых случаях промышленного применения контроллеров важны: диапазон рабочих температур, потребляемая мощность. Классификация ОМК: 1. 8-разрядные периферийные ОМК. Примеры: PIC-контроллеры от Microchip, контроллеры семейства UPI-42 от Intel, контроллеры AVR от Atmel. Особенности: ◦ гарвардская архитектура памяти; ◦ RISC-архитектура процессора; ◦ небольшой объѐм адресуемой памяти – до 10-100 тысяч слов; ◦ 8-разрядный процессор и система команд, не нацеленная на решение сложных вычислительных задач; ◦ не предусмотрена возможность аппаратного формирования сигналов внешней системной магистрали; ◦ малые габаритные размеры и электропотребление (КМОП (CMOS) технология). Используются для построения: ◦ простых систем логического управления; ◦ небольших локальных систем автоматического управления, не требующих высокой скорости и точности; ◦ иногда используются для построения «интеллектуальных» датчиков систем сбора и обработки информации; ◦ как вспомогательные процессоры управления вводом/выводом в контроллерах высокой и средней производительности. 2. 8-разрядные универсальные ОМК. Примеры: MCS-48, MCS-51/151/251 от Intel и Atmel, контроллеры семейств HC5-HC11 от Motorola, Z8 от Zilog. Используются для построения локальных МПК систем ПЛУ, СОИ, ЦАУ. Характеристики: ◦ достаточная производительность; ◦ простота системы команд; ◦ простота внутренней архитектуры; ◦ большая номенклатура встроенных в ОМК дополнительных устройств – причина широкого распространения в настоящее время. 3. 16-разрядные универсальные ОМК. Примеры: MCS-96/196/296 от Intel, C16X от Infineon Technologies, HC12 и HC16 от Motorola. Это высокопроизводительные микроконтроллеры, предназначенные для использования в различных системах реального времени: управления, сбора и обработки информации, системах связи, обработки речи и изображений, где требуется высокая скорость реакции на внешние события. Характеристики: ◦ система команд оптимизирована по быстродействию (RISC-архитектура) либо ориентирована на быструю обработку сигналов; ◦ широкая номенклатура встроенных устройств (процессор событий, коммуникационный процессор, модули быстрой обработки прерываний) позволяет строить на его базе высокоэффективные распределѐнные микропроцессорные системы. 4. 32-разрядные ОМК. Примеры: контроллеры семейства ARM на основе расширенной RISC архитектуры – THUMB с экономией памяти ARM7DTMI от Atmel и Intel, контроллеры на основе процессорных ядер CPU32 и ColdFire от Freescalse, PowerPC от Motorola. Используются в специальных системах, требующих достаточно высокой производительности, они реализуют команды сигнальной обработки. Быстродействие: 15-16 MIPS (тактовая частота до 350 МГц). 5. Контроллеры (процессоры) цифровой обработки сигналов, к которым относятся процессоры семейства TMS320C3X/4X от Texas Instruments, SHARC от Analog Device, К1813ВЕ1 из России, семейство MIPS контроллеров (Mobile Internet Phone System), предназначенных для мобильных систем Интернет-телефонии. Характеризуются либо высокой скоростью выполнения операций с плавающей точкой, либо системой команд, ориентированной на выполнение операций быстрого преобразования Фурье, фильтрации сигналов. Используются как вспомогательные процессоры в эффективных системах управления реального времени. Имеют разрядность АЛУ 16-32 бита и производительность до 120 MFLOPS (миллионов операций с плавающей точкой в секунду). ОМП, применяемые в МПК – 16, 32 или 64 разрядные, в основном IBM- используемые (I80X86, Pentium II, III, IV, К1810ВМ86), либо 16-64 разрядные архитектуры фирмы Motorola или простейшие 8-разрядные (I8085, К1821ВМ85, Z80, MC68XX) фирм Intel, Motorola, Zilog. Правильность выбора ОМП или ОМК для МПК по быстродействию в простейшем случае может быть оценена путем написания пробного фрагмента программы. Для этого выбирается наиболее критичная ко времени выполнения программно реализуемая функция системы. Эта функция кодируется на языке ассемблера выбранного ОМК (ОМП) и затем подсчитывается время еѐ выполнения как суммарное время выполнения всех команд фрагмента. Если полученное время меньше либо равно максимально возможному, то выбор осуществлен верно. Иначе требуется либо применять другой ОМК (ОМП), либо данную функцию реализовать аппаратно. Однако, нужно помнить, что применение высокопроизводительных ОМК (ОМП) увеличивает стоимость системы. Определение времени выполнения фрагмента программы удобно осуществлять, используя инструментальные средства разработки ПО МПК – программы-симулятора (программно-логические модели). Структура МПК выбирается или разрабатывается на основе выбранного ОМК (ОМП) исходя из требуемого количества каналов аналогового и дискретного ввода/вывода, объѐма требуемой памяти, требуемой номенклатуры периферийных устройств (таймеров, последовательных интерфейсов и т.д.). При этом важен выбор типа системной магистрали контроллера (ISA, PCI, VME, MultiBus II, I2C). МПК, как правило, имеет магистрально-модульную структуру, т.е. имеется общая системная магистраль (СМ), к которой подключаются основные модули контроллера. Помимо системных могут быть и дополнительные – локальные магистрали и магистрали расширения. Упрощенная структурная схема МПК Упрощенная схема Микропроцессорного контроллера представлена на рисугке 1.4. Где МПМ – микропроцессорный модуль, реализуемый на основе ОМП или ОМК; СС – схема сбора и синхронизации работы МПМ, включает генератор тактовой частоты; БЗУ – блок запоминающих устройств, включающий ОЗУ и ПЗУ МПК, в том числе память типа FLASH, EEPROM, «твердые диски»; БОП – блок обработки запросов прерываний от различных устройств МПС, включает контроллеры по обработке прерываний, процессоры событий, серверы периферийных транзакций и т.п.; УВФИ – устройство формирования и измерения временных интервалов, включает: таймеры, модули захват-сравнение, используемые для подсчета внешних импульсов, измерения временных интервалов; WDT (watch dog timer) – сторожевой таймер, исключающий ошибочные зацикливания ПО МПК; УВВ ДС – устройства ввода/вывода дискретных логических сигналов (порты ввода/вывода), при этом сигналы при вводе или выводе могут преобразовываться к тому или иному логическому уровню (ТТЛ, КМОП) с помощью преобразователей уровней (ПУ); УВВ АС – устройства ввода/вывода аналоговых сигналов, при этом устройства ввода реализуются на основе АЦП, а вывода – ЦАП или ШИМ, вводимые сигналы усиливаются (ослабляются) до требуемого уровня с помощью нормирующих устройств (НУ), а выводимые – с помощью согласующих устройств (СУ); УПС – устройства последовательной связи с компьютером верхнего уровня (ЭВМ ВУ) или другими МПК, представляют собой последовательные интерфейсы или промышленные вычислительные сети, с помощью которых по 2-4 проводной линии осуществляется взаимодействие между контроллерами и компьютерами верхнего уровня; ККИ – контроллеры клавиатуры и индикаторов (жидкокристаллические, светодиодные и т.п.), обеспечивающие работу клавиатуры и индикаторов в составе МПК; БФСМ – блок формирования внешней системной магистрали – сигналов шин адреса, данных, управления; БФИ – блок формирования интерфейса с внешними системными устройствами, обеспечивает усиление сигналов системной магистрали при выходе их на разъем. МПК называется с открытой архитектурой, если есть возможность доступа к его системной магистрали (СМ) через разъем. Иначе архитектура – закрытая. При разработке или выборе МПК для проектируемой системы следует придерживаться следующей последовательности действий: 1. Подобрать промышленный микропроцессорный контроллер (ПМПК), удовлетворяющий техническим и экономическим требованиям, реализованный на основе выбранного ОМП (ОМК). 2. Реализовать микропроцессорный контроллер самостоятельно на основе ОМК, если подобрать ПМПК не удалось. 3. Реализовать микропроцессорный контроллер самостоятельно на основе ОМП, если это выгодно с экономической или технической точки зрения. 4. При выборе промышленного МПК немаловажную роль играет наличие развитого инструментального обеспечения по его программированию: компиляторов с языков высокого уровня, программ отладчиков, операционных систем реального времени, инструментальных сред разработки программного обеспечения с использованием CASE-средств и т.п. Рисунок 1.4. Упрощѐнная структурная схема контроллера Разработка аппаратных средств Начинается с построения функциональной схемы микропроцессорной системы или разрабатываемых блоков. При этом каждый из блоков разбивается на субблоки. Предварительно определяется элементная база, тип интегральных схем для реализации каждого субблока. Разрабатывается карта распределения памяти контроллера и карта распределения устройств ввода/вывода в адресном пространстве с указанием адресов и назначения основных используемых ячеек и областей памяти. Оценивается требуемый объѐм ОЗУ и ПЗУ контроллера. Разработка принципиальных схем начинается с определения элементной базы реализации каждого блока системы. Осуществляется выбор и обоснование технологии используемых интегральных схем. Разработка программного обеспечения На основе общего алгоритма работы (схемы программы) микропроцессорной системы разрабатываются алгоритмы или схемы программ работы каждого контроллера и компьютера верхнего уровня, если такой есть в системе, в соответствии с выполняемыми ими функциями. Определяется использование стандартных функций той или иной операционной системы или операционной системы реального времени (ОС РВ), функций программы «монитор контроллера», функций библиотек стандартных подпрограмм. Использование ОС РВ в контроллере или компьютере позволяет регламентировать время реакции контроллера на те или иные внешние события, осуществлять параллельное слежение за несколькими событиями одновременно в строго определѐнных временных рамках (планировщик реального времени). В настоящее время используются следующие ОС РВ: RTX, OS-9, LynxOS, QNX и т.д. При разработке алгоритмов осуществляется разбивка на подпрограммы, подпрограммы обработки прерываний. Осуществляется выбор методов программной реализации основных функций: 1. Расчета разностных уравнений (передаточных функций). 2. Расчета логических функций и выходных значений конечных логических автоматов. 3. Реализация арифметических функций с плавающей точкой (операции умножения, деления). 4. Реализации основных математических функций (синус, косинус, радикал и т.д.). 5. Реализации быстрого преобразования Фурье. Могут разрабатываться схема программ и схема взаимодействия программ системы, на которой отображаются все основные составные части программного обеспечения и их размещение на контроллерах и компьютерах системы. Разрабатывается таблица распределения основных переменных и констант в памяти контроллера с указанием имени, размещения в памяти и их назначения. Если в системе реализуются взаимодействия между контроллерами и компьютерами верхнего уровня, то в проекте может разрабатываться протокол взаимодействия, форматы передаваемых сообщений (кадры). При этом могут использоваться модификации стандартных протоколов: HDLC, SDLC, Profibus-DP, CAN, CSMA/CD, TCP/IP. Определяется язык программирования, среда разработки (ISaGRAF для систем от фирм PEP и Motorola, UltraLogic для систем от Octagon Systems, HI+ для систем от Motorola, Studio-96 для Intel, …). Ряд сред разработки (ISaGRAF, UltraLogic, Genesis) поддерживают языки визуального графического программирования: язык последовательных логических схем, язык функциональных блоковых диаграмм, язык релейных диаграмм и т.д. в этом случае написание программы заменяется составлением той или иной графической схемы, которая затем автоматически компилируется в язык высокого уровня или коды требуемого микропроцессорного устройства. Правильность разработанного программного обеспечения проверяется с использованием программ-симуляторов, при этом осуществляется контрольный расчѐт с использованием конкретных числовых данных. Полученный результат сравнивается с эталонным. Эталонный результат можно получить на профессиональных моделирующих программах для систем. После сравнения делается вывод о работоспособности. Осуществляется оценка времени выполнения основных запрограммированных функций. Программное обеспечение компьютеров верхнего уровня системы разрабатывается с использованием языков высокого уровня или языков визуального программирования в среде ОС типа Windows или OS/2. При этом реализуются функции распределѐнных СУБД, алгоритмы экспертных систем и другие требуемые функции управления и контроля. Совместная отладка 1. Выбираются приборы. 2. Выявляются неисправности. 3. Разрабатываются инструкции по наладке и устранению выявленных неисправностей. Отладка программ может осуществляться на макетном образце системы или с использованием оценочных модулей, имитирующих работу системы: 1. Программа записывается в оценочный модуль или макет. 2. Осуществляется измерение характеристик системы и сравнение с требуемыми, при этом осуществляется имитация внешних сигналов с объекта. 3. Результаты измерения приводятся в виде временных или иных диаграмм. 4. Делаются выводы. 5. Возможна разработка тестовых программных процедур для проверки работоспособности основных узлов МПК с описанием их схем программ и принципов использования.