1.3. Основные этапы разработки микропроцессорной системы

Проектирование специализированной системы (МПС) содержит обычно три этапа:

I) выбор элементов к составление структурной, функциональной и принципиальной схем;

2) распределение памяти и присвоение элементам, к которым в процессе выполнения программы необходимо обращаться, соответствующих кодов и адресов;

3) составление и отладка программы.

Основными исходными данными для проектирования являются описание или схема алгоритма решаемой задачи, характеристики входных к выходных сигналов, требования к точности, быстродействию, потребляемой мощности, надежности. Часто в задании содержатся также рекомендации по применению определенной элементной базы. Во многих случаях указанные требования закладываются в схему устройства вначале лишь в общем виде (посредством выбора подходящих элементов), затем в процессе проектирования проверяется их выполнение и вносятся необходимые коррективы.

На первом этапе проектирования выбирается элементная база, в первую очередь микропроцессорный комплект. Выбор определяет прежде всего специфика реализуемых в МПС алгоритмов.

Если МПС предназначается для обработки сигналов, определяющим обычно является быстродействие МП и его разрядность. До последнего времени преимущество в этом смысле имели разрядно-модульные МП с микропрограммным управлением (например, типа К1804), но в настоящее время разработаны весьма совершенные специализированные однокристальные МП для цифровой обработки сигналов типа TMS 320, которым во многих случаях и следует отдать предпочтение.

Если МПС предназначена для реализации алгоритмов управления, важнейшим фактором при выборе МПК является возможность его сопряжения с объектами управления. Поскольку в системах связи таковыми часто являются электромеханические устройства, обладающие большой инерционностью, к быстродействию МП здесь предъявляются сравнительно невысокие требования, и в таких системах во многих случаях можно использовать однокристальные МП типа К580, К1810 и другие или микроконтроллеры, например типа К1816, которые позволяют строить достаточно простые и экономичные схемы.

Если МПС предназначена для построения информационно-справочной системы, определяющим требованием обычно является возможность подключения к МП ЗУ большой емкости.

Разумеется, гарантировать оптимальный выбор МПК на основании указанных весьма общих соображений нельзя, и может потребоваться проработка нескольких вариантов с последующим выбором наилучшего исходя из таких требований, как экономичность, минимальная потребляемая мощность, тип корпуса и т. д. В некоторых случаях решающим при выборе МПК является возможность использования имеющегося программного обеспечения, поскольку трудоемкость разработки новых программ сравнима или даже выше трудоемкости разработки аппаратной части.

На первом этапе проектирования выбираются также элементы памяти ОЗУ и ПЗУ, имеющие требуемую емкость, быстродействие и потребляемую мощность, а также интерфейсные модули, обеспечивающие связь МП с внешними устройствами (В.У). Если система «компактна», связь обеспечивается, как правило, с помощью параллельных периферийных адаптеров или многорежимных буферных регистров, если же ВУ разнесены на большие расстояния, связь иногда организуется с помощью последовательных адаптеров, при этом линии связи упрощаются, но производительность системы падает. Для частичной разгрузки ЦП в систему иногда включают таймер, который берет на себя функции «времязадающего» элемента, а также другие устройства.

Далее проводится проверка электрического сопряжения элементов схемы и при необходимости вводятся усилители, формирователи, преобразователи уровней и т. д. Затем составляются исходные варианты структурной, функциональной и принципиальной схем.

Выполнение второго этапа начинается с распределения адресного поля между ОЗУ, ПЗУ и ВУ. Если ЗУ имеет емкость 2k слов (байтов), для адресации его ячеек используются k линий шины адреса (ША) МПС, обычно линии A₀-A_k-1 (в МПС на базе К1810ВМ86, k = 16). Выбор (селекция) ОЗУ или ПЗУ осуществляется с помощью одной из неиспользованных линий ША, (например, А₁₅ = 0 может соответствовать ОЗУ, а А₁₅= 1 - ПЗУ).

Для адресации ВУ, подсоединяемых к МПС через порты, обычно используются младшие разряды ША. (В МПС на базе К1810ВМ86 - восемь разрядов.) Применение одних и тех же адресов и линий ША для ЗУ и ВУ возможно, поскольку обращение к этим, устройствам осуществляется с помощью разных команд МП, т. е. для селекции ЗУ или ВУ используются генерируемые в МПС управляющие сигналы.

Если в качестве портов применяются многорежимные буферные регистры и их не более восьми, то каждому порту ставится в соответствие одна линия ША, по которой передается сигнал, выбирающий этот порт (иными словами, каждый порт кодируется унитарным кодом). Если портов в МПС более восьми (в МПС на базе МП KI810BM86 - 9...65536), они кодируются различными двоичными кодами и для выбора используется дешифратор.

Если в качестве портов применяются программируемые периферийные адаптеры (параллельные или последовательные), то возникает возможность программного изменения конфигурации системы, но максимальное число портов оказывается меньше 65536, так как некоторая часть адресного поля отводится для адресации служебных регистров самих адаптеров.

Далее на втором этапе выделяются области ПЗУ для запоминания основной программы, подпрограмм (в том числе подпрограмм обработки прерываний), констант и т. д. В ОЗУ выделяются области для хранения поступающих из ВУ данных и промежуточных результатов, а также для организации стека; начало (вершина) стека часто располагается в последней ячейке ОЗУ. Затем специфицируются РО-Ны МП.

На третьем этапе составляется программа работы устройства. При этом, если решаемая задача простая (программа содержит до 100 команд), используется язык ассемблера выбранного МП, который позволяет непосредственно получить двоичные («объектные») коды команд, записываемых далее в ПЗУ. Если же задача достаточно сложная, то используется тот или иной язык высокого уровня; выбор языка определяется тем, какие имеются в распоряжении разработчика средства отладки программ и их трансляции в машинные коды выбранного МП. Система команд МП позволяет, как правило, нить ту или иную операцию алгоритма множеством способов. Поэтому составленную программу, даже если она правильно решает поставленную задачу, необходимо, тщательно проанализировать возможности оптимизировать с целью уменьшения емкости используемой памяти и времени выполнения.