Рудякова А.Н., Липинский А.Ю., Данилов В.В., Рудяков И.Ю. Аппаратно-программные средства встраиваемых компьютерных систем

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Украины

Донецкий национальный университет

На правах рукописи

Рудякова А.Н., Липинский А.Ю., Данилов В.В., Рудяков И.Ю.

УДК 004.3:004.4

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ВСТРАИВАЕМЫХ

КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ

Учебник

по курсу «Апаратно-програмні засоби вбудованих комп’ютерних систем» для

студентов специальности 8.070201 – «Радиофизика и электроника»

Донецк, 2010

Рудякова А.Н., Липинский А.Ю., Данилов В.В., Рудяков И.Ю.

Аппаратно-программные средства встраиваемых компьютерных систем. –

Учебник по курсу «Апаратно-програмні засоби вбудованих комп’ютерних

систем» для студентов специальности 8.070201 – «Радиофизика и

электроника». – Донецк, 2010 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 6

ГЛАВА 1. АРХИТЕКТУРА И СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ СОВРЕМЕННЫХ

ОДНОКРИСТАЛЬНЫХ МИКРО-ЭВМ ................................................................ 8

1.1. Архитектура и особенности применения микроконтроллеров семейств

AVR, PIC, 8051, ARM .......................................................................................... 8

1.2. Интегрированные среды разработки Atmel AVRStudio,

CodeVisionAVR, Microchip MPLAB IDE, IAR Embedded Workbench .......... 15

1.3. Средства моделирования Proteus VSM, Multisim, VMLAB ................... 19

Практикум 1. Знакомство с AVRStudio, WinAVR .......................................... 23

Краткие справочные сведения ...................................................................... 23

Пример выполнения ........................................................................................ 26

Варианты заданий ......................................................................................... 29

Вопросы для самоконтроля к главе 1 .............................................................. 31

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЯЗЫКА C. КОМПИЛЯТОР GCC ......... 32

2.1. Типы данных, выражения, операторы ...................................................... 33

2.2. Использование функций, макроопределений .......................................... 64

2.3. Структура программы на языке C, компиляция ...................................... 73

Практикум 2. Циклы активного ожидания ................................................... 78

Краткие справочные сведения ...................................................................... 78

Пример выполнения ........................................................................................ 81

Варианты заданий ......................................................................................... 85

Вопросы для самоконтроля к главе 2 .............................................................. 87

ГЛАВА 3. СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ЗАДАННЫХ ВРЕМЕННЫХ

ПАРАМЕТРОВ ВСТРАИВАЕМЫХ СИСТЕМ ................................................. 88

3.1. Организация прерываний ........................................................................... 88

3.2 Восьмибитные таймеры-счетчики ............................................................. 91

Практикум 3. Прерывание по переполнению таймера-счетчика ............. 123

Краткие справочные сведения .................................................................... 123

Пример выполнения ...................................................................................... 123

Варианты заданий ........................................................................................ 126

3.3. Шестнадцатибитные таймеры-счетчики ................................................ 128

3.4. Внешние прерывания ............................................................................... 177

3.5. Сторожевой таймер ................................................................................... 182

Вопросы для самоконтроля к главе 3 ............................................................. 187

ГЛАВА 4. ПОРТЫ ВВОДА-ВЫВОДА МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ .............. 188

4.1. Устройство и назначение линий ввода-вывода, программирование ... 188

4.2. Способы устранения дребезга механических контактов при вводе

информации ...................................................................................................... 197

Вопросы для самоконтроля к главе 4 ............................................................. 201

ГЛАВА 5. УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ .................... 202

5.1. Семисегментные индикаторы .................................................................. 202

Практикум 4. Динамическая индикация ........................................................ 206

Краткие справочные сведения .................................................................... 206

Пример выполнения ...................................................................................... 207

Варианты заданий ........................................................................................ 210

5.2. Жидкокристаллические дисплеи ............................................................. 211

Практикум 5. Вывод информации на ЖКД .................................................. 229

Краткие справочные сведения .................................................................... 229

Пример выполнения ...................................................................................... 229

Варианты заданий ........................................................................................ 232

Вопросы для самоконтроля к главе 5 ............................................................. 234

ГЛАВА 6. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ .................................... 235

6.1. Интерфейс SPI ........................................................................................... 235

6.2. Двухпроводной интерфейс I

C (TWI) ..................................................... 249

6.3. Универсальный асинхронный (синхронно-асинхронный)

приемопередатчик UART(USART) ................................................................ 256

6.4. Однопроводной интерфейс 1-Wire .......................................................... 276

Вопросы для самоконтроля к главе 6 ............................................................. 288

ГЛАВА 7. РАБОТА С АНАЛОГОВЫМИ СИГНАЛАМИ ............................. 289

7.1. Аналоговый компаратор .......................................................................... 289

7.2. Аналого-цифровое преобразование ........................................................ 293

Вопросы для самоконтроля к главе 7 ............................................................ 314

ГЛАВА 8. ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ МОДУЛЕЙ ВСТРАИВАЕМЫХ

КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ .......................................................................... 315

8.1. Часы реального времени на основе DS1307 .......................................... 315

8.2. Устройство записи и воспроизведения звуковых сигналов ................. 326

ЛИТЕРАТУРА ..................................................................................................... 336

ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................... 338

П1. Номенклатура микроконтроллеров AVR ............................................... 338

П2. Описание стенда УСМК-2010 ................................................................. 344

П3. Перечень векторов прерываний компилятора WinAVR ....................... 346

ВВЕДЕНИЕ

Компьютерные технологии все больше проникают в повседневную

жизнь людей, и относительно новое понятие «встраиваемые системы»

(embedded systems) отнесено разработчиками к техническим решениям,

заведомо гарантирующим успех. Это объясняется тем, что встраиваемые

компьютерные системы (ВКС) представляют собой совокупность

программных и аппаратных средств, реализующих алгоритм управления, и,

по сути своей, являются управляющими ЭВМ. При

этом ВКС могут быть

автономными, работающими практически без участия человека и других

вычислительных средств, или являться подсистемами, управляемыми

человеком или другими вычислительными системами.

Стремительное развитие микроэлектроники привело к созданию

однокристальных микро электронных вычислительных машин (ОМЭВМ),

так называемых «компьютерных систем на одном кристалле». Технология

использования ОМЭВМ позволяет, частично используя библиотечные

описания,

поместить в одной микросхеме микропроцессорное ядро

требуемой конфигурации и все дополнительные специализированные

аппаратные модули, необходимые для реализации алгоритма управления, т.е.

реализовать ВКС в одной микросхеме. В отличие от проектирования

заказных микросхем весь технологический процесс, как при проектировании,

так и при производстве может проводиться силами разработчика ВКС.

Возможности встроенных систем кажутся

неограниченными, от

«умных» домов до автоматизированных автомагистралей, хотя их стоимость

часто оказывается чрезмерно высокой, а надежность - недостаточной. Как это

ни парадоксально, именно недостатки современных процессов разработки,

валидации и сопровождения приводят к тому, что программное обеспечение

является наиболее дорогостоящей и наименее надежной частью

встраиваемых приложений. В результате индустрия не может извлечь

выгоду

Введение

из огромного потенциала технологий встраиваемой компьютерной и

коммуникационной аппаратуры.

Основные причины этой ситуации следующие:

- встраиваемые системы в основном игнорируются как объект

исследований в области компьютерной науки, поскольку в исследованиях

обычно применяются абстракции, не позволяющие принимать во внимание

схемотехнические ограничения;

- для проектирования встраиваемых систем оказывается недостаточно

традиционного опыта специалистов в области

электроники, так как

составными частями этих систем являются вычисления и программное

обеспечение.

Подготовленные специалисты в области электроники повседневно

проектируют архитектуры программных систем, и подготовленные

компьютерные специалисты постоянно сталкиваются с ограничениями

схемотехнических решений. Тем не менее, проектирование встраиваемых

систем занимает периферийные позиции в учебных программах,

относящихся к обоим этим направлениям. Различие

этих двух областей во

многом объясняется тем, что компьютерная наука, в основном, базируется на

дискретной математике, а традиционные технические дисциплины - на

непрерывной математике. В индустрии ВКС существует острая потребность

в квалифицированных инженерных и научных работниках, с

соответствующим уровнем подготовки, как в области схемотехники

встраиваемых систем, так и их программного обеспечения. Учебная

дисциплина «Аппаратно-программные средства встраиваемых

компьютерных систем» должна заложить основы теоретических знаний и

практических навыков, необходимых для подготовки таких интегрированных

специалистов.

Глава 1

ГЛАВА 1

АРХИТЕКТУРА И СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ СОВРЕМЕННЫХ

ОДНОКРИСТАЛЬНЫХ МИКРО-ЭВМ

1.1. Архитектура и особенности применения микроконтроллеров

семейств AVR, PIC, 8051, ARM

Однокристальная микро-ЭВМ (микроконтроллер) – интегральная схема,

предназначенная для решения задач управления в различных встраиваемых

системах. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и

периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. Использование

одной микросхемы вместо

некоторого их набора, как в случае традиционных

микропроцессоров, значительно снижает размеры, энергопотребление и

стоимость разрабатываемых устройств.

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс

между размерами и стоимостью с одной стороны, и гибкостью и

производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное

соотношение этих параметров может различаться очень сильно. Поэтому

существует большое количество типов

микроконтроллеров, отличающихся

архитектурой микропроцессорного ядра, размером и типом встроенной

памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. п.

В то время как 8-разрядные микропроцессоры общего назначения

полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные

микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется

тем, что существует большое количество применений, в которых не

требуется высокая производительность,

но важна низкая стоимость.

Ограничения по цене и энергопотреблению сдерживают также рост

тактовой частоты контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить

работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время,

предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на

Архитектура и средства разработки

современных однокристальных микро-ЭВМ

разные частоты и напряжения питания. Во многих моделях

микроконтроллеров в качестве ОЗУ и внутренних регистров используется

статическая память, что делает возможным работу на меньших частотах и не

приводит к потере данных при полной остановке тактового генератора.

Также предусматриваются различные режимы энергосбережения, в которых

отключается часть периферийных устройств.

Большое распространение получили микроконтроллеры

с RISC-

архитектурой. Сокращенный набор команд позволяет выполнять

большинство инструкций за один такт, что обеспечивает высокое

быстродействие даже при относительно низкой тактовой частоте.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную

энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих

контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее

дешёвые типы памяти допускают

лишь однократную запись. Такие

устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда

программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации

контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи

энергонезависимой памяти. В отличие от процессоров общего назначения, в

микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то

есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ

, соответственно.

Список периферии, которая может присутствовать в

микроконтроллерах, включает в себя: универсальные цифровые порты,

которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод, различные

интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394,

Ethernet, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи,

компараторы, широтно-импульсные модуляторы, таймеры, контроллеры

бесколлекторных двигателей, контроллеры дисплеев и клавиатур,

радиочастотные

приемники и передатчики, массивы встроенной флэш-

памяти, встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер.

Глава 1

Микроконтроллеры AVR - самая обширная производственная линия

флэш-микроконтроллеров фирмы Atmel, которая представила первый 8-

разрядный микроконтроллер в 1993 году, и с тех пор непрерывно

совершенствует технологию.

Прогресс данной технологии наблюдался в снижении удельного

энергопотребления (мА/МГц), расширения диапазона питающих напряжений

(до 1.8В) для продления ресурса батарейных систем, увеличении

быстродействия до 16 млн. операций в секунду,

встраиванием эмуляции в

реальном масштабе времени, реализации функции самопрограммирования,

совершенствовании и расширении количества периферийных модулей,

встраивании специализированных устройств (радиочастотный передатчик,

USB-контроллер, драйвер ЖКИ, программируемая логика, контроллер DVD,

устройства защиты данных) и др.

Успех AVR-микроконтроллеров объясняется возможностью простого

выполнения проекта с достижением необходимого результата в кратчайшие

сроки, чему способствует доступность большого числа

инструментальных

средств проектирования, поставляемых как непосредственно фирмой Atmel,

так и сторонними производителями. Ведущие сторонние производители

выпускают полный спектр компиляторов, программаторов, ассемблеров,

отладчиков, разъемов и адаптеров. Отличительной чертой инструментальных

средств от Atmel является их невысокая стоимость.

Другой особенностью AVR-микроконтроллеров, способствующей их

популяризации, является использование RISC-архитектуры, которая

характеризуются мощным набором инструкций, большинство которых

выполняются за

один машинный цикл. Таким образом, AVR-

микроконтроллеры предоставляют широкие возможности по оптимизации

производительности/энергопотребления, что особенно важно при разработке

приложений с батарейным питанием.

Выпускаются следующие семейства 8-разрядных микроконтроллеров

AVR: