Programas para el diseño de dispositivos microprocesadores. Microprocesadores. Operadores y operaciones
Un sistema de adquisición de datos por microprocesador debe cumplir los siguientes requisitos: proporcionar un alto rendimiento y ser sencillo de implementar, debe garantizar un funcionamiento estable y sin problemas, ser relativamente económico y consumir pocos recursos. Para realizar las tareas asignadas y de acuerdo con los requisitos básicos, es adecuado el microcontrolador de la serie K1816BE51.
Figura 3 - Diagrama de bloques de un sistema de adquisición de datos por microprocesador.
chip de algoritmo de programa de microprocesador
El sistema de microprocesador (MPS) consta de los siguientes bloques: microcontrolador (MC), memoria de acceso aleatorio (RAM), memoria de solo lectura (ROM), temporizador programable (PT), interfaz programable en paralelo (PPI), analógico a digital. convertidor (ADC), convertidor digital a analógico (DAC), multiplexor (MUX), controlador de interrupción programable (PIC).
El MK forma un bus de direcciones (ABA), un bus de datos (SD) y un bus de control (CC). Los bloques RAM, ROM, PT, PPI, PKP están conectados a los buses.
La RAM está diseñada para almacenar datos de encuestas de sensores, así como datos intermedios. La ROM está diseñada para almacenar código de programa y varias constantes.
PT está diseñado para contar el intervalo de tiempo necesario para ejecutar los comandos MK. Antes de realizar la operación, se inicia el PT. Si la operación tiene éxito, el MK reinicia el PT. Si no se recibe ningún comando de reinicio del conteo desde el MC (se ha producido una congelación), el PT, al final del conteo del intervalo de tiempo, genera una señal de reinicio del MC.
PPI está destinado a la conexión. dispositivos externos. Un ADC, un multiplexor discreto y un DAC están conectados al SPI.
El ADC está diseñado para convertir una señal analógica de sensores y un código digital, que se alimenta al MK a través del PPI. Los sensores analógicos están conectados al ADC a través de un multiplexor analógico.
Los datos de sensores discretos se reciben a través de un multiplexor discreto.
El DAC está diseñado para generar acciones de control.
El panel de control está diseñado para dar servicio a interrupciones externas.
Etapas del diseño de sistemas de microprocesadores.
Los sistemas de microprocesadores en su complejidad, requisitos y funciones pueden diferir significativamente en parámetros de confiabilidad, volumen software, ser monoprocesador y multiprocesador, construidos sobre un tipo de conjunto de microprocesadores o varios, etc. En este sentido, el proceso de diseño se puede modificar en función de los requisitos de los sistemas. Por ejemplo, el proceso de diseño de MPS que se diferencian entre sí en el contenido de la ROM consistirá en desarrollar programas y fabricar ROM.
Al diseñar sistemas de microprocesadores multiprocesador que contienen varios tipos de conjuntos de microprocesadores, es necesario resolver problemas de organización de la memoria, interacción con los procesadores, organización del intercambio entre los dispositivos del sistema y el entorno externo, coordinación del funcionamiento de dispositivos con diferentes velocidades de funcionamiento, etc. A continuación se muestra una secuencia aproximada de etapas típicas de la creación de un sistema de microprocesador:
1. Formalización de requisitos del sistema.
2. Desarrollo de la estructura y arquitectura del sistema.
3. Desarrollo y producción de hardware y software de sistemas.
4. Pruebas integrales de depuración y aceptación.
Etapa 1. En esta etapa, se elaboran las especificaciones externas, se enumeran las funciones del sistema, se formalizan las especificaciones técnicas (TOR) del sistema y los planes del desarrollador se declaran formalmente en la documentación oficial.
Etapa 2. En esta etapa, se determinan las funciones de los dispositivos y software individuales, se seleccionan los conjuntos de microprocesadores sobre la base de los cuales se implementará el sistema, se determinan la interacción entre el hardware y el software y se determinan las características de sincronización de los dispositivos y programas individuales. .
Etapa 3. Después de determinar las funciones implementadas por el hardware y las funciones implementadas por los programas, los diseñadores de circuitos y programadores comienzan simultáneamente a desarrollar y fabricar un prototipo y software, respectivamente. El desarrollo y fabricación de equipos consiste en el desarrollo de diagramas estructurales y de circuitos, producción de prototipos y depuración fuera de línea.
El desarrollo de software consiste en desarrollar algoritmos; escribiendo texto programas fuente; traducciones de programas fuente a programas objeto; depuración fuera de línea.
Etapa 4. Consulte Depuración completa.
En cada etapa del diseño de MPS, las personas pueden introducir fallas y tomar decisiones de diseño incorrectas. Además, pueden producirse defectos en el equipo.
Fuentes de errores
Consideremos las fuentes de errores en las primeras tres etapas del diseño.
Etapa 1. En esta etapa, las fuentes de errores pueden ser: inconsistencia lógica de los requisitos, omisiones, inexactitudes del algoritmo.
Etapa 2. En esta etapa, las fuentes de errores pueden ser: omisiones de funciones, inconsistencia del protocolo de interacción entre equipos y programas, elección incorrecta de conjuntos de microprocesadores, inexactitudes de algoritmos, interpretación incorrecta de requisitos técnicos, omisión de algunos flujos de información.
Etapa 3. En esta etapa, las fuentes de errores pueden ser: durante el desarrollo del equipo: omisiones de algunas funciones, interpretación incorrecta de los requisitos técnicos, defectos en los circuitos de sincronización, violación de las reglas de diseño; durante la producción de un prototipo: mal funcionamiento de los componentes, fallas de instalación y montaje; al desarrollar software: omisiones de algunas funciones términos de referencia, imprecisiones en algoritmos, imprecisiones en codificación.
Cada una de las fuentes de error enumeradas puede generar una gran cantidad de fallas subjetivas o físicas que deben localizarse y eliminarse. La detección de errores y la localización de fallas es una tarea difícil por varias razones: primero, debido a la gran cantidad de fallas; en segundo lugar, por el hecho de que diferentes fallos pueden manifestarse de la misma forma. Al no existir modelos de faltas subjetivas, esta tarea no está formalizada. Ha habido algunos avances en el campo de la creación de métodos y herramientas para la detección de errores y localización de fallas físicas. Estos métodos y herramientas se utilizan ampliamente para verificar el estado operativo y diagnosticar fallas de sistemas discretos durante el diseño, producción y operación de estos últimos.
Las averías subjetivas se diferencian de las físicas en que, una vez detectadas, localizadas y corregidas, ya no se producen. Sin embargo, como sugiere la lista de fuentes de error, se pueden introducir fallas subjetivas durante el desarrollo de la especificación del sistema, lo que significa que incluso después de las pruebas más exhaustivas de un sistema frente a sus especificaciones externas, es posible que aún haya fallas subjetivas presentes en el sistema.
El proceso de diseño es un proceso iterativo. Los fallos descubiertos durante la fase de pruebas de aceptación pueden dar lugar a la corrección de las especificaciones y, en consecuencia, al inicio del diseño de todo el sistema. Es necesario detectar fallas lo antes posible, para ello es necesario controlar la corrección del proyecto en cada etapa de desarrollo.
Validación del diseño.
Los principales métodos para controlar la corrección del diseño son los siguientes: verificación: métodos formales para demostrar la corrección del diseño; modelado; pruebas.
Hay mucho trabajo en la verificación de software, firmware y hardware. Sin embargo, estos trabajos son de carácter teórico. En la práctica, todavía se utilizan el modelado del comportamiento de los objetos y las pruebas.
Para controlar la corrección del proyecto en cada etapa de diseño, es necesario realizar modelados en varios niveles de la representación abstracta del sistema y verificar la correcta implementación de un modelo determinado mediante pruebas. En la etapa de formalización de requisitos, el control de la corrección es especialmente necesario, ya que muchos objetivos de diseño no están formalizados o no pueden formalizarse en principio. La especificación funcional puede ser revisada por un equipo de expertos o simulada y probada para determinar si se están logrando los objetivos deseados. Una vez aprobada la especificación funcional, se inicia el desarrollo de programas de pruebas funcionales para establecer el correcto funcionamiento del sistema de acuerdo con su especificación funcional. Idealmente, se desarrollan pruebas que se basan completamente en esta especificación y brindan la capacidad de probar cualquier implementación de un sistema que se afirma que es capaz de realizar las funciones especificadas en la especificación. Este método es exactamente lo opuesto a otros, donde las pruebas se crean en relación con implementaciones específicas. La verificación funcional independiente de la implementación suele ser atractiva sólo en términos teóricos, pero no tiene importancia práctica debido a su alto grado de generalidad.
Automatizar el tedioso trabajo de escribir programas de prueba no sólo reduce el período de diseño/depuración al generar programas de prueba durante la fase de diseño (ya que pueden generarse inmediatamente después de que se generan los requisitos del sistema), sino que también permite al diseñador cambiar las especificaciones sin tener que hacerlo. Preocúpese por reescribir todos los programas de prueba nuevamente. Sin embargo, en la práctica, al desarrollo de pruebas se le suele dar menor prioridad que al diseño, por lo que programas de prueba aparecer mucho más tarde de su finalización. Pero incluso si pruebas detalladas Cuando resultan estar preparados, a menudo no es práctico ejecutarlos en un simulador, ya que el modelado detallado requiere grandes gastos en desarrollo de programas y tiempo de cálculo, como resultado, la mayor parte del trabajo de depuración debe posponerse hasta la creación de un sistema prototipo.
Una vez detectado un error, se debe localizar su origen para poder realizar la corrección en el nivel adecuado de abstracción del sistema y en el lugar adecuado. La identificación falsa de la fuente del error o la realización de correcciones en otro nivel de la representación abstracta del sistema conduce al hecho de que la información sobre el sistema es niveles superiores se vuelve erróneo y no se puede utilizar para una mayor depuración durante la producción y operación del sistema. Por ejemplo, si se introduce un mal funcionamiento en el texto fuente de un programa escrito en lenguaje ensamblador y la corrección se lleva a cabo en código objeto, entonces se lleva a cabo una depuración adicional del programa en código objeto; en este caso, todas las ventajas de escribir un programa en lenguaje ensamblador se reducen a nada.
El diagrama de bloques del dispositivo se presenta en el Apéndice A.
Este sistema de microprocesador consta de los siguientes bloques: microprocesador, RAM, ROM, interfaz paralela programable, convertidor analógico a digital, temporizador, pantalla.
Las señales analógicas de los sensores llegan a las entradas de un multiplexor analógico integrado en el ADC, que en cada intervalo de tiempo conmuta una de las señales a la entrada del convertidor analógico a digital.
Se utiliza un convertidor de analógico a digital para convertir una señal analógica en un código digital con el que opera el microprocesador.
El microprocesador accede al ADC a través de una interfaz paralela programable. Lee información de las salidas del ADC y la almacena en una celda de memoria RAM. Además, el MP, a partir de la información recibida del sensor de presión de aceite en la salida de la estación, calcula el impacto regulatorio. Esta cantidad en la forma código digital se transmite el actuador.
La RAM se utiliza para el almacenamiento temporal de información recibida de sensores y resultados intermedios de cálculos del microprocesador.
El software del sistema se almacena en ROM (memoria de sólo lectura). La operación de lectura está controlada por el microprocesador.
El programa, que se almacena en la ROM, proporciona las siguientes operaciones del sistema:
Sondeo secuencial de sensores;
Control de conversión analógica a digital de una señal analógica;
Regulación de la presión del aceite;
Indicación y alarma;
Respuesta ante una pérdida de potencia.
Desarrollo del algoritmo del sistema.
El diagrama de bloques del algoritmo se presenta en el Apéndice B.
Inicialización
En esta etapa, las palabras de control se escriben en el RUS de la interfaz paralela programable. PPI DD10 funciona en modo cero. Los puertos funcionan de la siguiente manera: puerto A - entrada, puerto B - salida, puerto C - salida. PPI DD1 funciona en modo cero. Los puertos funcionan de la siguiente manera: puerto A - salida, puerto B - salida, puerto C - salida.
Sondeo de sensores
Los sensores analógicos son sondeados por el ADC. El microprocesador sondea los sensores discretos a través del puerto A del PPI 1.
Guardar en RAM
Los resultados obtenidos después de interrogar a los sensores se ingresan en un dispositivo de memoria de acceso aleatorio para su almacenamiento temporal.
Acción de control
El sistema de microprocesador analiza los datos recibidos y genera una acción de control digital.
Desarrollo de un diagrama esquemático.
El diagrama esquemático del dispositivo se presenta en el Apéndice D.
El bus de direcciones se forma mediante un registro de búfer y un controlador de bus. La selección de registros se realiza mediante la señal ALE del microprocesador. Se necesita el conductor del autobús para aumentar la capacidad de carga del byte alto de la dirección.
El bus de datos se forma utilizando un controlador de bus, que se selecciona aplicando las señales DT/R y OE.
El bus del sistema se forma a través del decodificador DD10 aplicando una combinación de señales M/IO, WR, RD.
Tabla 1 - Señales de control
La selección de ROM, RAM y otros dispositivos se realiza mediante las líneas A13-A15 del bus de direcciones a través de un decodificador. Las celdas ROM están ubicadas en la dirección 0000h.
Tabla 2 - Selección de dispositivo
|
Dispositivo |
|||
La selección de un puerto o registro de la palabra de control PPI se realiza a través de las líneas A0, A1 del bus de direcciones. Se suministran sensores discretos a las entradas del puerto A PA0-PA7 del PPI DD12; a las entradas del puerto B - desde el ADC; Los LED están conectados a las entradas del puerto C.
El multiplexor analógico se utiliza para seleccionar el dispositivo desde el cual se lee la información. Un multiplexor analógico está integrado en el ADC. El ancho del ADC coincide con el ancho del bus de datos y es de 8 bits.
Las resistencias R2-R4 se utilizan para convertir una señal de corriente unificada de 4...20 mA en un voltaje de 1...5V.
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rutinas estándar. Además, la transmisión de palabras controladas en la forma
Las secuencias de códigos cifrados corresponden a las condiciones de minimización.
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Además de las características principales del diseño MPS enumeradas anteriormente, se debe
Tenga en cuenta el principio de regularidad, que presupone un
repetibilidad de los elementos de la estructura del MPS y las conexiones entre ellos. Aplicación de este
El principio le permite aumentar la densidad integral, reducir la longitud de los enlaces.
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Al desarrollar la arquitectura MPS (etapa del sistema), es necesario resolver lo siguiente
Describir la estructura conceptual del comportamiento funcional del sistema con
Posiciones de tener en cuenta los intereses del usuario durante su construcción y organización.
proceso computacional en eso;
Determinar la estructura, nomenclatura y características de la construcción de software y
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Describir las características de la organización interna de los flujos de datos y el control.
información;
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microprograma y hardware.
Las principales etapas del diseño del MPS se muestran en la Fig. 3.1.
En la etapa de diseño inicial, el MPS se puede describir en uno de
los siguientes niveles conceptuales: “caja negra”, estructural, programa,
circuito lógico.
En el nivel de “caja negra”, el MPS se describe mediante especificaciones externas, donde
Se enumeran las características externas.
Arroz. 3.1. Etapas del diseño de MPS
El nivel estructural lo crean los componentes de hardware del MPS, que
descrito por las funciones de los dispositivos individuales, sus interconexiones e información
corrientes.
El nivel de software se divide en dos subniveles (instrucciones del procesador y
idioma) y el MPS se interpreta como una secuencia de operadores o
Comandos que provocan una u otra acción sobre una determinada estructura de datos.
El nivel lógico es inherente exclusivamente a los sistemas discretos y se divide en
dos subniveles: circuitos de conmutación y transferencias de registros.
El primer subnivel está formado por puertas (circuitos combinados y elementos de memoria) y operadores de procesamiento de datos construidos sobre su base. El segundo subnivel se caracteriza por un mayor grado de abstracción y representa una descripción de los registros y la transferencia de datos entre ellos. Incluye dos
partes: información y control: la primera está formada por registros,
operadores y rutas de transmisión de datos, el segundo proporciona dependiendo de
señales de tiempo que inician la transferencia de datos entre registros.
El nivel del circuito se basa en una descripción del funcionamiento de elementos de dispositivos discretos.
En el ciclo de vida de un MPS, como cualquier sistema discreto, existen tres etapas:
diseño, fabricación y operación.
Cada etapa se subdivide en varias fases para las cuales existen probabilidades de fallas estructurales o físicas. Las fallas se clasifican según sus causas: físicas, si la causa son defectos en los elementos, y subjetivas, si la causa son errores de diseño.
Las fallas subjetivas se dividen en diseño e interactivas. Diseño
Las fallas son causadas por deficiencias introducidas en el sistema en varias etapas.
implementación de la tarea original. Las fallas interactivas ocurren en
durante el trabajo por culpa del personal de servicio (operador). El resultado
manifestaciones de un mal funcionamiento es un error, y un mal funcionamiento puede
causar una serie de errores, y el mismo error puede ser causado
muchas averías.
También existe el concepto de defecto: un cambio físico en los parámetros.
componentes del sistema que excedan los límites permitidos. Los defectos se llaman
fracasos si son temporales y fracasos si son permanentes.
Un defecto no se puede detectar hasta que se cumplan las condiciones para
la aparición de un mal funcionamiento debido a la misma, cuyo resultado debe ser, en su
cola, pasada a la salida del objeto en estudio para realizar
mal funcionamiento observable.
El diagnóstico de fallas es el proceso de determinar la causa de un error mediante
resultados de la prueba.
La depuración es el proceso de detectar errores y determinar
fuentes de su apariencia según los resultados de las pruebas durante el diseño del MPS.
Las herramientas de depuración son dispositivos, complejos y programas. A veces bajo
La depuración se refiere a la detección, localización y eliminación de fallas. Éxito
La depuración depende de cómo está diseñado el sistema, si
propiedades que lo hacen conveniente para la depuración, así como de las herramientas utilizadas
para depurar.
Para realizar la depuración, el MPS diseñado debe tener
propiedades de controlabilidad, observabilidad y previsibilidad.
Controlabilidad – propiedad de un sistema en el que su comportamiento es susceptible de
gestión, es decir Es posible detener el funcionamiento del sistema en
cierto estado y reinicie el sistema.
Observabilidad– una propiedad de un sistema que le permite monitorear su comportamiento
sistema, detrás del cambio de sus estados internos.
Previsibilidad– una propiedad del sistema que permite que el sistema se instale en
un estado a partir del cual se pueden predecir todos los estados posteriores.
Los MPS pueden variar significativamente en su complejidad, requisitos y funciones.
parámetros operativos, volumen de software, tipo
conjunto de microprocesador, etc. En este sentido, el proceso de diseño puede
varían según los requisitos del sistema.
El proceso de diseño es un proceso iterativo. Los fallos detectados durante la etapa de prueba de aceptación pueden dar lugar a la corrección de las especificaciones, y
por tanto, al inicio del diseño de todo el sistema. Encontrar
los fallos deben detectarse lo antes posible; para esto necesitas controlar
corrección del proyecto en cada etapa de desarrollo. Existen los siguientes métodos
control de la corrección del diseño: verificación (métodos formales
prueba de la corrección del proyecto); modelado; pruebas.
Recientemente, ha aparecido mucho trabajo sobre la verificación de software.
software, firmware, hardware. Sin embargo, estos trabajos aún están
de carácter teórico. Por lo tanto, en la práctica, el modelado se utiliza con mayor frecuencia.
Comportamiento de objetos y pruebas en varios niveles abstractos.
representaciones del sistema.
En la etapa de formalizar los requisitos del sistema, monitorear la corrección del proyecto.
especialmente necesario porque muchos objetivos de diseño no están formalizados o
En principio no se puede formalizar. La especificación funcional puede
analizados por un equipo de expertos o simulados y probados en
experimentalmente para identificar el logro de las metas deseadas. Después de la aprobación
La especificación funcional comienza el desarrollo de programas de prueba.
diseñado para establecer el correcto funcionamiento del sistema de acuerdo con
su especificación. Lo ideal es que las pruebas se desarrollen íntegramente
basado en esta especificación y permitiendo la verificación de cualquier
implementación de un sistema que sea declarado capaz de realizar las funciones
especificado en la especificación. Este método es completamente opuesto a otros,
donde las pruebas se construyen en relación con implementaciones específicas. Sin embargo, en la práctica
El desarrollo de pruebas a menudo recibe una prioridad menor que la
proyecto, por lo que los programas de prueba aparecen mucho más tarde de lo que
