Микропроцессорные комплекты БИС/СБИС

Исследования микроконтроллеров

 

 

Методическиие указания

к лабораторным работам

 

 

Ростов-на-Дону 2008

 

 

УДК 681.3.06

 

Таран В.Н., Трофименко В.Н. Трофименко Е.Н. Техника микропроцессорных систем в электросвязи: Исследования микроконтроллеров. Методические указания к лабораторным работам. Ростов-на-Дону.: Ргупс. 2008. 81 с.

 

 

Содержит теоретические сведения по архитектуре микроконтроллеров. На примере микроконтроллеров AVR семейства Classic рассмотрены особенности архитектуры современных микроконтроллеров. Рассмотрена среда создания приложений - AVR Studio и представлены методические материалы по исследованию микроконтроллеров AVR: системы команд, портов ввода/вывода, таймеров-счетчиков. Материалы пособия могут быть использованы в курсовом и дипломном проектировании при разработке микроконтроллерных устройств управления.

Предназначено для студентов радиотехнических специальностей, изучающих цифровые устройства и микропроцессорную технику.

 

Рецензенты: к.т.н. доцент С.Е. Мищенко (ЮРГУЭС),

к.т.н. доцент Н. М. Нечитайло (РГУПС)

 

 

Оглавление

Введение........................................................................................................................................ 5

1 Микроконтроллеры.......................................................................................................... 6

1.1 Микропроцессорные комплекты БИС/СБИС....................................................................................... 6

1.2 Классификация и структура микроконтроллеров..................................................................... 6

1.3 модульная организация микроконтроллеров............................................................................... 7

1.4 Арихитектура микроконтроллеров.......................................................................................................... 9

1.4.1  Принстонская и гарвардская архитектура............................................................................................................ 9

1.4.2  CISC- и RISC-архитектура........................................................................................................................................ 11

1.4.3  Система команд МК................................................................................................................................................... 12

1.4.4  Память программ и данных МК............................................................................................................................. 12

1.5 ПОПУЛЯРНЫЕ СЕМЕЙСТВА 8-РАЗРЯДНЫХ МК............................................................................................ 17

1.5.1  МК с ядром MCS-51................................................................................................................................................... 17

1.5.2  МК семейства НС05 фирмы Motorola................................................................................................................... 18

1.5.3  МК семейства НС08................................................................................................................................................... 19

1.5.4  МК фирмы Microchip................................................................................................................................................. 20

1.5.5  МК семейства AVR...................................................................................................................................................... 20

1.6 микроконтроллеры AVR..................................................................................................................................... 21

1.6.1  Память микроконтроллеров AVR............................................................................................................................ 22

1.6.2  Рабочая частота и циклы команд микроконтроллеров AVR.......................................................................... 22

1.6.3  Таймеры микроконтроллеров AVR........................................................................................................................ 23

1.6.4  Порты ввода-вывода.................................................................................................................................................. 24

1.6.5  Ввод аналоговых данных......................................................................................................................................... 24

1.6.6  Пониженное энергопотребление............................................................................................................................ 25

1.6.7  Питающее напряжение.............................................................................................................................................. 26

1.6.8  Программная модель................................................................................................................................................. 26

1.6.9  Система команд........................................................................................................................................................... 32

2 Средства разработки программного обеспечения AVR-контроллеров 35

2.1 Ассемблер.............................................................................................................................................................................. 35

2.1.1  Команды микроконтроллера................................................................................................................................... 36

2.1.2  Директивы транслятора ассемблера.................................................................................................................... 36

2.2 Среда разработки приложений – AVR Studio.......................................................................................................... 36

3 Лабораторные работы по исследованию микроконтроллеров....... 44

3.1 Исследование арифметических и логических команд....................................................................................... 44

3.1.1  Программа исследования основных логических команд................................................................................ 45

3.1.2  Программа исследования основных арифметических команд...................................................................... 46

3.2 Исследование ветвящихся участков программ..................................................................................................... 47

3.2.1  Команды типа «проверка/пропуск»...................................................................................................................... 47

3.2.2  Команды условного перехода................................................................................................................................ 47

3.2.3  Команды безусловного перехода.......................................................................................................................... 48

3.2.4  Относительный переход – команда RJMP........................................................................................................... 48

3.2.5  Косвенный переход – команда IJMP..................................................................................................................... 48

3.2.6  Команды вызова подпрограмм............................................................................................................................... 49

3.2.7  Относительный вызов подпрограммы – команда RCALL................................................................................ 49

3.2.8  Косвенный вызов подпрограммы – команда ICALL.......................................................................................... 49

3.2.9  Команды возврата из подпрограмм...................................................................................................................... 50

3.2.10 Программы исследования ветвящихся участков программ........................................................................... 50

3.3 Исследование портов ввода-вывода........................................................................................................................... 51

3.3.1  Общие сведения........................................................................................................................................................... 51

3.3.2  Обращение к портам ввода/вывода....................................................................................................................... 52

3.3.3  Конфигурирование портов ввода/вывода........................................................................................................... 54

3.3.4  Примеры конфигурирования................................................................................................................................... 55

3.4 Исследование таймера..................................................................................................................................................... 56

3.4.1  Таймеры микроконтроллеров AVR семейства Classic...................................................................................... 56

3.4.2  Таймер Т0...................................................................................................................................................................... 57

3.4.3  Таймер Т1...................................................................................................................................................................... 59

3.4.4  Сторожевой таймер (WATCHDOG)........................................................................................................................ 67

3.4.5  Формирование временных интервалов................................................................................................................ 69

3.4.6  Программа формирования временного интервала........................................................................................... 69

4 Задание на проведение исследований........................................................... 71

Литература.................................................................................................................................................................................. 71

Приложение............................................................................................................................................................................... 72

 

 

Введение

 

Более чем двухсотлетняя история развития электросвязи, начиная с электростатический телеграфа Маршалла (Англия, 1753 г.) [], неразрывно соединена с историей развития электротехники и электроники.

Микропроцессорная революция оказала влияние на архитектуру систем коммутации не только благодаря снижению стоимости управляющих компьютеров. Произошел отказ от полностью централизованного управления и переход к модульной архитектуре, появились удаленные микропроцессорные модули, разгрузившие основные системы и обеспечившие экономическую эффективность и в станциях малой емкости.

В современных устройствах и системах связи широкое распространение получили микроконтроллеры. Эти приборы, в отличие от универсальных микропроцессоров, сочетают в себе не только операционный блок и устройство управления, но и память программ и данных, набор периферийных устройств, перестраиваемые порты ввода-вывода. Интеграция в одном кристалле перечисленных элементов стало тем преимуществом, позволившим снизить габариты, потребляемую энергию, повысить универсальность устройств и систем связи.

В настоящем методическом пособии представлен теоретический материал по архитектуре микроконтроллеров, подробно рассмотрены универсальные 8-разрядные микроконтроллеры.

В качестве объекта исследования в данном пособии выбран современный микроконтроллер AVR семейства Classic фирмы ATMEL. Даны методические указания по исследованию арифметических и логических команд, ветвящихся участков программ, портов ввода-вывода, а также таймеров-счетчиков микроконтроллера AVR.

Исследование микроконтроллера AVR выполняется в среде разработки приложений AVR-Studio. AVR-Studio – программный продукт, свободно распространяемый фирмой ATMEL.

Методические указания  направлены на закрепление у студентов знаний по архитектуре современных микроконтроллеров, на развитие у студентов навыков программирования микроконтроллеров и проектированию приложений в интегрированной среде разработки.

Для студентов высших учебных заведений радиотехнических специальностей.

 

Микроконтроллеры

 

Микропроцессорные комплекты БИС/СБИС

 

Микропроцессором (МП)называют построенное на одной или нескольких БИС/СБИС программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки информации и управление им.

МП – центральный процессорный элемент микропроцессорной системы (МПС или микро-ЭВМ), в которую также входят память и устройства ввода/вывода (внешние устройства).

Решаемая задача определяется реализуемойпрограммой, структура микропроцессорной системы остается неизменной, что и определяет ее универсальность.

Совокупность больших/сверхбольших интегральных схем (БИС/СБИС), пригодных для совместного применения в составе микро-ЭВМ, называют микропроцессорным комплектом БИС/СБИС(МПК).

Понятие МПК задает номенклатуру микросхем с точки зрения возможностей их совместного применения (совместимость по архитектуре, электрическим параметрам, конструктивным признакам и др.). В состав МПК могут входить микросхемы различных серий и схемотехнологических типов при условии их совместимости.