ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 2
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Липецкий государственный технический университет
Факультет автоматизации и информатики
Кафедра автоматизированных систем управления
Индивидуальное домашнее задание
по дисциплине Архитектура вычислительных систем
«Разработка вычислительной системы на основе определенного процессора»
| Студент Группа ПИ-20-2 | | Арнаутов М. С. |
| Руководитель | | Болдырихин О. В. |
Липецк 2022 г.
Задание кафедры
Изучить материал по теме: техническую документацию по выбранному
процессору, периодическую, учебную и другую литературу.
Выбрать необходимые дополнительные элементы для данного процессора для реализации вычислительной системы.
Создать схему вычислительной системы в программе Proteus.
Разработать управляющую программу для данной вычислительной системы.
Запустить, протестировать и отладить систему, исследовать ее работу.
Управление электродвигателем постоянного тока с помощью микроконтроллера ATmega 32.
Ход работы
Схема созданной системы представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Разработанная система
Спецификация элементов схемы представлена в таблице 1.
Таблица 1 – Спецификация схемы
| № | Обозначение | Элемент | Количество |
| 1 | MC | ATmega32 микроконтроллер | 1 |
| 2 | DTFF | Триггер (flip-flop) D-типа с прямым и инверсным выходами. | 2 |
| 3 | SSeg | Семисегментный двоично-десятичный индикатор | 2 |
| 4 | CLOCK | Генератор тактовых импульсов | 2 |
| 5 | ELECTRIC MOTOR | Электродвигатель постоянного тока | 1 |
Описание элементов:
ATmega32 микроконтроллер
AVR – представляет собой 8-разрядный микроконтроллер общего назначения c RISC-ядром.
Кристаллы AVR имеют «на борту» Flash-память программ, память данных EEPROM и SRAM, порты ввода-вывода и типовые для 8-битных микроконтроллеров периферийные устройства. Некоторые серии кристаллов содержат блок LCD, интерфейсы CAN и USB.
Гарвардская архитектура AVR в сочетании с одноуровневым конвейером обеспечивает производительность 1MIPS на 1МГц. В отличие от «классической» архитектуры 8051, платформа AVR содержит регистровый файл из 32 регистров общего назначения, что существенно повышает скорость пересылки данных при работе программы.
AVR-архитектура, на основе которой построены микроконтроллеры семейства, объединяет мощный гарвардский RISC-процессор с раздельным доступом к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения, каждый из которых может работать как регистр-аккумулятор, и развитую систему команд фиксированной 16-бит длины. Большинство команд выполняются за один машинный такт с одновременным исполнением текущей и выборкой следующей команды, что обеспечивает производительность до 1 MIPS на каждый МГц тактовой частоты.
32 регистра общего назначения образуют регистровый файл быстрого доступа, где каждый регистр напрямую связан с АЛУ. За один такт из регистрового файла выбираются два операнда, выполняется операция, и результат возвращается в регистровый файл. АЛУ поддерживает арифметические и логические операции с регистрами, между регистром и константой или непосредственно с регистром.
Регистровый файл также доступен как часть памяти данных. 6 из 32-х регистров могут использоваться как три 16-разрядных регистра-указателя для косвенной адресации. Старшие микроконтроллеры семейства AVR имеют в составе АЛУ аппаратный умножитель.
Базовый набор команд AVR содержит 120 инструкций. Инструкции битовых операций включают инструкции установки, очистки и тестирования битов.
Все микроконтроллеры AVR имеют встроенную FLASH ROM с возможностью внутрисхемного программирования через последовательный 4-проводной интерфейс.
Периферия МК AVR включает: таймеры-счётчики, широтно-импульсные модуляторы, поддержку внешних прерываний, аналоговые компараторы, 10-разрядный 8-канальный АЦП, параллельные порты (от 3 до 48 линий ввода и вывода), интерфейсы UART и SPI, сторожевой таймер и устройство сброса по включению питания. Все эти качества превращают AVR-микроконтроллеры в мощный инструмент для построения современных, высокопроизводительных и экономичных контроллеров различного назначения.
В рамках единой базовой архитектуры AVR-микроконтроллеры подразделяются на три подсемейства:
-
Classic AVR — основная линия микроконтроллеров с производительностью отдельных модификаций до 16 MIPS, FLASH ROM программ 2–8 Кбайт, ЕEPROM данных 64–512 байт, SRAM 128–512 байт; -
mega AVR с производительностью 1–16 MIPS для сложных приложений, требующих большого обьёма памяти, FLASH ROM программ 4–128 Кбайт, ЕEPROM данных 64–512 байт, SRAM 2–4 Кбайт, SRAM 4 Кбайт, встроенный 10-разрядный 8-канальный АЦП, аппаратный умножитель 8x8; -
tiny AVR — низкостоимостные микроконтроллеры в 8-выводном исполнении имеют встроенную схему контроля напряжения питания, что позволяет обойтись без внешних супервизорных микросхем.
AVR-микроконтроллеры поддерживают спящий режим и режим микропотребления. В спящем режиме останавливается центральное процессорное ядро, в то время как регистры, таймеры-счётчики, сторожевой таймер и система прерываний продолжают функционировать. В режиме микропотребления сохраняется содержимое всех регистров, останавливается тактовый генератор, запрещаются все функции микроконтроллера, пока не поступит сигнал внешнего прерывания или аппаратного сброса. В зависимости от модели, AVR-микроконтроллеры работают в диапазоне напряжений 2,7–6В либо 4–6В (исключение составляет ATtiny12V с напряжением питания 1,2 В).
Средства отладки. ATMEL предлагает программную среду AVR-studio для отладки программ в режиме симуляции на программном отладчике, а также для работы непосредственно с внутрисхемным эмулятором. AVR-studio доступен с WEB-страницы ATMEL, содержит ассемблер и предназначен для работы с эмуляторами ICEPRO и MegaICE. Ряд компаний предлагают свои версии Си-компиляторов, ассемблеров, линковщиков и загрузчиков для работы с микроконтроллерами семейства AVR. Как и продукция MICROCHIP, микроконтроллеры ATMEL широко применяются в России и, как следствие, программируются многими отечественными программаторами. Ряд российских фирм предлагает также различные аппаратные средства отладки AVR-микроконтроллеров.
Структурная схема AVR микроконтроллера представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Структурная схема
Блоки на схеме:
-
JTAG Interface (Joint Test Action Group Interface) - интерфейс внутрисхемной отладки (4 провода); -
FLASH - перепрограммируемая память для сохранения программы; -
Serial Peripheral Interface, SPI - последовательный периферийный интерфейс (3 провода); -
EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) - перепрограммируемое ПЗУ, энергонезависимая память; -
CPU (ЦПУ) - центральный процессор управления, сердце микроконтроллера, 8-битное микропроцессорное ядро; -
ALU (АЛУ) - арифметико-логическое устройство, основа блока CPU; -
RAM (Random Access Memory) - оперативная память процессора; -
Program Counter - счетчик команд; -
32 General Purpose Registers - 32 регистра общего назначения; -
Instruction Register - регистр команд, инструкций; -
Instruction Decoder - декодер команд; -
OCD (On-Chip Debugger) - блок внутренней отладки; -
Analog Comparator - аналоговый компаратор, блок сравнения аналоговых сигналов; -
A/D Converter (Analog/Digital converter) - аналогово-цифровой преобразователь; -
LCD Interface (Liquid-Crystal Display Interface) - интерфейс для подключения жидко-кристаллического дисплея, индикатора; -
USART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), UART - универсальный асинхронный приемопередатчик; -
TWI (Two-Wire serial Interface) - последовательный интерфейс с двухпроводным подключением; -
Watchdog Timer - сторожевой или контрольный таймер; -
I/O Ports - порты вода/вывода; -
Interrupts - блок управления и реакции на прерывания; -
Timers/Counters - модули таймеров и счетчиков.
Микроконтроллеры AVR имеют систему сокращенного набора команд RISC, хотя целиком и не полностью попадают под это определение.
Система RISC подразумевает полную симметрию между ресурсами памяти разного типа. Это, в частности, позволяет обращаться к регистрам, портам и памяти данных одними и теми же командами, что и обуславливает их небольшое количество. Однако, несмотря на то, что адресное пространство памяти AVR действительно непрерывно, всё же три разных его области используются только для своих специфических целей. РОН – преимущественно для математических операций, РВВ – для управления процессором, ОЗУ – только как хранилище информации. В связи с этим существуют группы команд как для работы с каждым видом памяти в отдельности, так и для пересылки данных из одной области памяти в другую. Поэтому и количество команд AVR достаточно велико. В фирменной документации, где много говорится про ортогональность ядра, в первую очередь имеется в виду полная равноправность именно РОН.
Большинство команд ассемблера используют различные ячейки памяти микроконтроллера и, соответственно, содержат кроме кода операции (КОП) также их адреса. В зависимости от того в каком виде в команде хранится адрес различают два способа адресации: прямую и косвенную. В первом случае адрес ячейки задан явно, а во-втором он находится в одном из регистров-указателей (у AVR это 16-разрядные регистры X,Y,Z). У микропроцессоров различного типа, оба способа адресации могут иметь множество вариаций.
Семисегментный двоично-десятичный индикатор
Индикатор представляет собой обычный 7-сегментный индикатор со встроенным дешифратором BCD-7Seg.
7-сегментные цифровые индикаторы – устройства, состоящие из 7 светодиодов, которые установлены в форме цифры 8. С помощью зажигания отдельных сегментов отображаются цифры от 0 до 9, а также некоторые буквы (обычно латинского алфавита).
Триггер (flip-flop) D-типа с прямым и инверсным выходами.
При появлении активного фронта (переход из 0 в 1) на входе CLK, сигнал на входе D фиксируется на выходе Q. Активный фронт можно изменить, применив свойство INVERT=CLK. Асинхронный вход SET (активный уровень 1) устанавливает триггер в состояние 1, а асинхронный вход RESET (активный уровень 1) сбрасывает триггер в состояние 0.
Описание работы и устройства системы.
Для генерации тактового импульса используется внешний генератор. Порт D предназначен для отображения текущей скорости на семисегментных индикаторах. Для изменения скорости имеются две кнопки, которые соединены с триггерами, на выходе которых генерируются сигналы счета вверх или вниз, которые в свою очередь подаются на порт C.
Изменение направления вращения происходит без участия микроконтроллера. Схема элемента CMUX 2:1, отвечающего за направление вращения, представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Элемент CMUX
Демонстрация работы приведена на рисунках 4-6.
Рисунок 3 – Увеличение скорости вращения
Рисунок 4 – Уменьшение скорости вращения
Рисунок 5 – Изменение направления и увеличение скорости вращения
Вывод
В ходе выполнения индивидуального домашнего задания мной были изучены устройство и система команд микроконтроллера AVR, были получены навыки разработки управляющей программы для микропроцессора архитектуры RISC на языке ассемблер.
Приложение А
Код управляющей программы
.equ TCCR0Config = 0b01100110
.equ PortBDDR = 0b00001000
.equ LoopDelayA = 255
.equ LoopDelayB = 12
.include "m32def.inc"
.org 0
rjmp start
.org $0050
start:
ldi r16, $FF
out ddra, r16
out ddrd, r16
ldi r16, PortBDDR
out ddrb, r16
ldi r16, $FC
out ddrc, r16
ldi r16, 0
out TCNT0, r16
ldi r16, 0
out OCR0, r16
ldi r16, TCCR0Config
out TCCR0, r16
InfLoop:
IncCheck:
SBIS pinc, 0
rjmp DecCheck
in r25, OCR0
cpi r25, 255
brsh DecCheck
inc r25
out ocr0, r25
rjmp delay
DecCheck:
SBIS pinc, 1
rjmp Delay
in r26, OCR0
cpi r26, 1
brlo Delay
dec r26
out ocr0, r26
Delay:
in r17, OCR0
out portd, r17
ldi r18, 0
ldi r19, 0
CounterLoop:
inc r18
cpi r18, LoopDelayA
brsh CounterLoop2
rjmp CounterLoop
CounterLoop2:
ldi r18, 0
inc r19
cpi r19, LoopDelayB
brsh InfLoop
rjmp CounterLoop
rjmp InfLoop