Разработка микропроцессорной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

"Разработка микропроцессорной системы"

Введение

Целью данного курсового проекта является углубление знаний по аппаратным принципам построения устройств микропроцессорной техники и приобретение практических навыков по разработке микропроцессорных систем и их программного обеспечения.

Проектирование микропроцессорной системы заключается в обеспечении управления необходимыми шинами микропроцессорного устройства с учетом требуемой нагрузочной способности. Нагрузочная способность обеспечивается буферными регистрами и шинными формирователями, при этом необходимо различать статистическую и динамическую нагрузки.

микропроцессорный система микросхема

Задание на курсовой проект

Исходные данные: спроектировать микропроцессорное устройство, содержащее: МП ATmega64.

Дополнительные требования: клавиатура, индикация - индикатора JE-AN16202.

1. Структура микроконтроллера ATMega

1.1. Назначение выводов

На рис.1.1 изображен корпус и приведено назначениевыводов микроконтроллера. В скобках указана альтернативная функция вывода.

Микроконтроллер ATmega64 включает следующие функциональные блоки:

- 8-разрядное арифметическо-логическое устройство ( АЛУ );

- внутреннюю флэш-память программ объемом 64 Кбайт с возможностью внутрисистемного программирования через последовательный интерфейс;

- 32 регистра общего назначения;

- внутреннюю EEPROM память данных объемом 4 Кбайт;

- внутреннее ОЗУ данных объемом 4 Кбайт;

- 6 параллельных 8-разрядных портов;

- 4 программируемых таймера-счетчика;

- 10-разрядный 8-канальный АЦП и аналоговый компаратор;

- последовательные интерфейсы UART0, UART0, TWI и SPI;

- блоки прерывания и управления (включая сторожевой таймер).



Рис.1. Вид корпуса и обозначение выводов микроконтроллера ATmega64.

Port A (PA7..PA). 8-разрядный двунаправленный порт. К выводам порта могут быть подключены встроенные нагрузочные резисторы (отдельно к каждому разряду). Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА и способность прямо управлять светодиодным индикатором. При использовании выводов порта в качестве входов и установке внешнего сигнала в низкое состояние, ток будет вытекать только при подключенных встроенных нагрузочных резисторах. Порт А при наличии внешней памяти данных используется для организации мультиплексируемой шины адреса/данных.

Port B (PB7..PB0). 8-разрядный двунаправленный порт со встроенными нагрузочными резисторами. Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА. При использовании выводов порта в качестве входов и установке внешнего сигнала в низкое состояние, ток будет вытекать только при подключенных встроенных нагрузочных резисторах. Порт В используется также при реализации специальных функций.

Port C (PC7..PC0). Порт С является 8-разрядным выходным портом. Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА. Порт C при наличии внешней памяти данных используется для организации шины адреса.

Port D (PD7..PD0). 8-разрядный двунаправленный порт со встроенными нагрузочными резисторами. Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА. При использовании выводов порта в качестве входов и установке внешнего сигнала в низкое состояние, ток будет вытекать только при подключенных встроенных нагрузочных резисторах.

Port Е (PЕ7..PЕ0). 8-разрядный двунаправленный порт со встроенными нагрузочными резисторами. Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА. При использовании выводов порта в качестве входов и установке внешнего сигнала в низкое состояние, вытекающий через них ток обеспечивается только при подключенных встроенных нагрузочных резисторах. Порт E используется также при реализации специальных функций.

Port F (PF7..PF0). 8-разрядный входной порт. Входы порта используются также как аналоговые входы аналого-цифрового преобразователя.

#RESET. Вход сброса. Для выполнения сброса необходимо удерживать низкий уровень на входе более 50 нс.

XTAL1, XTAL2. Вход и выход инвертирующего усилителя генератора тактовой частоты.

TOSC1, TOSC2. Вход и выход инвертирующего усилителя генератора таймера/счетчика.

#WR, #RD. Стробы записи и чтения внешней памяти данных.

ALE. Строб разрешения фиксации адреса внешней памяти. Строб ALE используется для фиксации младшего байта адреса с выводов AD0-AD7 в защелке адреса в течение первого цикла обращения. В течение второго цикла обращения выводы AD0-AD7 используются для передачи данных.

AVCC. Напряжение питания аналого-цифрового преобразователя. Вывод подсоединяется к VCC через низкочастотный фильтр.

AREF. Вход опорного напряжения для аналого-цифрового преобразователя. На этот вывод подается напряжение в диапазоне между AGND и AVCC. AGND. Это вывод должен быть подсоединен к отдельной аналоговой земле, если она есть на плате. В ином случае вывод подсоединяется к общей земле.

#PEN. Вывод разрешения программирования через последовательный интерфейс. При удержании сигнала на этом выводе на низком уровне после включения питания, прибор переходит в режим программирования по последовательному каналу.

VСС, GND. Напряжение питания и земля.

1.2 Организация памяти и портов ввода/вывода

Микроконтроллеры AVR имеют раздельные пространства адресов памяти программ и данных (гарвардская архитектура). Организация памяти МК ATMega64 показана на рис. 1.2.

Рис.2. Организация памяти микроконтроллера ATmega64

Высокие характеристики семейства AVR обеспечиваются следующими особенностями архитектуры:

* В качестве памяти программ используется внутренняя флэш-память. Она организована в виде массива 16-разрядных ячеек и может загружаться программатором, либо через порт SPI;

* 16-разрядные память программ и шина команд вместе с одноуровневым конвейером позволяют выполнить большинство инструкций за один такт синхрогенератора (50 нс при частоте FOSC=20 МГц);

* память данных имеет 8-разрядную организацию. Младшие 32 адреса пространства занимают регистры общего назначения, далее следуют 64 адреса регистров ввода-вывода, затем внутреннее ОЗУ данных объемом до 4096 ячеек. Возможно применение внешнего ОЗУ данных объемом до 60 Кбайт;

* внутренняя энергонезависимая память типа EEPROM объемом до 4 Кбайт представляет собой самостоятельную матрицу, обращение к которой осуществляется через специальные регистры ввода-вывода.

Как видно из рис. 1.2 и 1.3, 32 регистра общего назначения (РОН) включены в сквозное адресное пространство ОЗУ данных и занимают младшие адреса. Хотя физически регистры выделены из памяти данных, такая организация обеспечивает гибкость в работе. Регистры общего назначения прямо связаны с АЛУ. Каждый из регистров способен работать как аккумулятор. Большинство команд выполняются за один такт, при этом из регистров файла могут быть выбраны два операнда, выполнена операция и результат возвращен в регистровый файл. Старшие шесть регистров могут использоваться как три 16-разрядных регистра, и выполнять роль, например, указателей при косвенной адресации.



Рис.3. Регистры общего назначения микроконтроллера ATmega64

Следующие 64 адреса за регистрами общего назначения занимают регистры ввода-вывода (регистры управления/состояния и данныхПри использовании команд IN и OUT используются адреса ввода-вывода с $00 по $3F. Но к регистрам ввода-вывода можно обращаться и как к ячейкам внутреннего ОЗУ. При этом к непосредственному адресу ввода-вывода прибавляется $20. Адрес регистра как ячейки ОЗУ приводится далее в круглых скобках. Регистры ввода-вывода с $00 ($20) по $1F ($3F) имеют программно доступные биты. Обращение к ним осуществляется командами SBI и CBI, а проверка состояния - командами SBIS и SBIC. В таблице B1 приведен список регистров ввода-вывода.

Таблица 1. Некоторые регистры ввода-вывода микроконтроллера ATmega64

Название	Функция
PORTG	Регистр данных порта G
DDRG	Регистр направления данных порта G
PING	Выводы порта G
PORTF	Регистр данных порта F
DDRF	Регистр направления данных порта F
SREG	Регистр состояния
SPH	Указатель стека, старший байт
SPL	Указатель стека, младший байт
TIMSK	Регистр маски прерываний от таймеров/счетчиков
TIFR	Регистр флагов прерываний от таймеров/счетчиков
MCUCR	Регистр управления микроконтроллером
MCUCSR	Регистр управления и состояния микроконтроллера
TCCR0	Регистр управления таймером/счетчиком Т0
TCNT0	Счетный регистр таймера/счетчика Т0
OCR0	Регистр совпадения таймера/счетчика Т0
ASSR	Регистр состояния асинхронного режима
TCCR1A	Регистр управления А таймера/счетчика Т1
PORTA	Регистр данных порта А
DDRA	Регистр направления данных порта А
PINA	Выводы порта А
PORTB	Регистр данных порта В
DDRB	Регистр направления данных порта В
PINB	Выводы порта В
PORTC	Регистр данных порта С
DDRC	Регистр направления данных порта С
PINC	Выводы порта С
PORTD	Регистр данных порта D
DDRD	Регистр направления данных порта D
PIND	Выводы порта D
SPDR	Регистр данных SPI
SPSR	Регистр состояния SPI
SPCR	Регистр управления SPI
ACSR	Регистр управления и состояния аналогового компаратора
ADMUX	Регистр управления мультиплексором АЦП
ADCSRA	Регистр управления и состояния АЦП
ADCH	Регистр данных АЦП, старший байт
ADCL	Регистр данных АЦП, младший байт
PORTE	Регистр данных порта Е
DDRE	Регистр направления данных порта Е
PINE	Выводы порта Е
PINF	Выводы порта F



Рис.4 - Блок-схема микроконтроллера Atmega64

2. Микросхемы памяти

Микросхема ОЗУ приведена на рис. 13.

Рис. 13 УГО микросхемы КР565РУ1А

Назначение выводов

1 -- напряжение питания (-Uп3);

2, 3, 4, 8, 9, 10, 13, 14, 15, 19, 20, 21 -- входы адресные А0...А11;

5 -- вход сигнала выбора микросхемы;

6 -- вход информационный;

7 -- выход информационный;

11 -- напряжение питания (Uп2);

12-- вход сигнала выбор режима;

16 -- свободный;

17 -- вход сигнала разрешения;

18 -- напряжение питания (Uп1);

22 -- общий.

ИС имеет три источника питания, первым подключают и последним отключают источник питания Uп3 = -5В, так как он подается на подложку (кристалл), в противном случае может произойти тепловой пробой под воздействием двух других источников питания Uп1 и Uп2. Режим регенерации осуществляют по циклу считывания или считывания-модификации-записи при выполнении условия CS = 1, обеспечивающего блокировку информационных входов и выходов микросхемы и возможность работать ей «на себя». Выход микросхемы в это время находится в Z-состоянии. После включения питания нормальный режим функционирования устанавливается через восемь циклов.

Микросхема ПЗУ приведена на рис. 14.

Рис. 14 УГО микросхемы КР1601РР1

A0 ё A9 - входы адреса

D0 ё D3 - входы / выходы данных

CS - выбор кристалла

RD - вход сигнала считывания

PR - вход сигнала программирования

ER - вход сигнала стирания

U_PR -вход напряжения программирования

Режимы работы микросхемы представлены в таблице 1.

Таблица 1

CS	ER	PR	RD	A0ёA9	UPR	D1/0	Режим
0	X	X	X	X	X	Roff	Хранение
1	0	1	0	X	-33ё-31 B	X	Общее стирание
1	0	0	0	A	--//--	X	Избирательное стирание
1	1	0	0	A	--//--	D1	Запись данных
1	1	1	1	A	-33ё5 B	D0	Считывание

2.1 Карта распределения адресного пространства памяти

B000h	ПЗУ
A000h
9FFFh	ОЗУ
9ВFFh

Рис. 15. Карта распределения адресного пространства

Согласно приведенной карте адресного пространства 1 Кб ОЗУ расположен c адреса 9BFFh, а 4 Кб ПЗУ с адреса A000h.

2.2 Селектор ОЗУ

Таблица. Микросхема ОЗУ, объёмом 1Кбайт, будет занимать ячейки памяти с 9BFFдо 9FFF, что соответствует адресу 1001 1ххх хххх хххх.

	A15	A14	A13	А12	А11	А10	А9	А8	А7	А6	А5	А4	А3	А2	А1	А0
0	1	0	0	1	1	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	0
0	1	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	0
0	1	0	0	1	1	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	0
1	в остальных случаях	1

2.3 Селектор ПЗУ

ПЗУ объёмом 4Кбайт занимает ячейки памяти с A000 до B000, что соответствует адресу 101x xххх хххх хххх.

Таблица

	A15	A14	A13	А12	А11	А10	А9	А8	А7	А6	А5	А4	А3	А2	А1	А0
0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	1	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	1	0	1	X	X	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	0

Адресное пространство ОЗУ и ПЗУ удобно сделать на дешифраторе 3 в 8 К555ИД7.

Рис. 16. Адресный селектор памяти

Где на входы подаются сигналы PC5, PC6, PC7. Так как по ним можно точно определить какая именно микросхема будет задействована: вывод 11 - микросхема ОЗУ ; вывод 10 - микросхема ПЗУ.

3. Индикация

JE-AN 16202

Характеристики ? Режим отображения: STN / TN, прямой / обратный тип отображения ? Формат экрана: 16 символов * 2 строки ? Метод передачи: 1/16 Duty, 1/4 Bias ? Направление обзора: 6 O `clock/12 O'clock ? Заднее освещение: LED / EL блок

Таблица. Механические характеристики

Параметр	Спецификация	Ед. изм.
Размер модуля (Ш х В х Г)	80.0 x 36.0 x 15.0(10) Max.	мм
Видимая область (Ш х H/)	64.5 x 13.8	мм
Размер шрифта (Ш х В)	5.0 x 7.0	точка
Размер символа (Ш х В)	2.95 x 3.8	мм
Размер шага (Ш х В)	3.65 x 5.05	мм
Размер точки (Ш х В)	0.55 x 0.5	мм
Вес	Около 100 г	г

Таблица. Назначение контактов

Номер контакта	Символ	Уровень	Функция
1	VSS (GND)	0 V	Земля
2	VDD (VCC)	+ 5V	Напряжение питания логики
3	V0	-	Напряжения питания ЖК
4	RS	H / L	H: Ввод данных L: Ввод инструкций
5	R / W	H / L	H: Чтения данных L: Запись данных
6	E	H, H L	Сигнал разрешения
7	DB0	H / L	Шина данных
8	DB1	H / L
9	DB2	H / L
10	DB3	H / L
11	DB4	H / L
12	DB5	H / L
13	DB6	H / L
14	DB7	H / L
15	NC	-
16	NC	-

Блок схема

Рис

Схема подключения питания

Рис. VDD - VO : Напряжение питания LCD

Таблица. Наборы инструкций

Инструкция	Код	Описание	Время запуска (макс.)
	RS	R/W	DB7	DB6	DB5	DB4	DB3	DB2	DB1	DB0
Очистка дисплея	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1		1.52 мс
Сброс	0	0	0	0	0	0	0	0	1	*	Возвращает дисплей при переключении	1.52 мс
Режим записи	0	0	0	0	0	0	0	1	I/D	SH		37 мкс
Управление дисплеем Вкл / Выкл	0	0	0	0	0	0	1	D	C	B		37 мкс
Отображение курсора или дисплея	0	0	0	0	0	1	S/C	R/L	*	*		37 мкс
Начало работы	0	0	0	0	1	DL	N	F	*	*		37 мкс
Установить CG Ram адрес	0	0	0	1	ACG		37 мкс
Установить DD RAM адрес	0	0	1	ADD		37 мкс
Чтение флага «занят» и адреса	0	1	BF			0 мкс
Запись данных в CG или DD RAM	1	0	AC		43 мкс
Чтение данных из CG или DD RAM	1	1	чтение		43 мкс

Таблица

Замечания
I/D	1	увеличение	0	уменьшение
SH	1	включить полный сдвиг	0	выключить полный сдвиг
S/C	1	Сдвиг дисплея	0	Установка курсора
R/L	1	сдвиг вправо	0	сдвиг влево
DL	1	Биты	0	Биты
N	1	Линии	0	Линии
F	1	5 х 11 Точек	0	5 х 8 точек
BF	1	Действующий внутренне	0	Может принимать инструкции

DD RAM Отображение данных оперативной памяти CG RAM: Генератор символов RAM

ACG: CG RAM Адрес ADD: CG RAM Адрес: Соответствует адресу курсора AC: Используется счетчик адреса для DD и CG RAM адреса ?: никакого эффекта.

Таблица. Символы шрифта

Рис

4. Расчет потребляемой устройством мощности

Таблица

Микросхема	Ток потребления, мА	Потребляемая мощность, мВт	Количество
ATmega64			1
К555ИД7	9,7	51	1
КР1601РР1		370	1
КР565РУ1А		450	1
JE-AN16202	1.4	500	1
КР580ИР82	160	800	2
КР580ВА86	90	450	1
К155ЛЕ1	27	64,8	2
К500ЛЕ106Е	21	34,23	1

Для определения мощности, потребляемой устройством, необходимо просуммировать мощности, потребляемые каждым элементом в отдельности:

.

Максимальная мощность (клавиши нажаты), рассеиваемая на резисторах R1-R3, сопротивлением кОм:

мВт.

Значит мощность, потребляемая устройством:

мВт.

В качестве источника питающего напряжения можно применить любые маломощные трансформаторы на напряжения 220 / 3.3 V с использованием микросхемы-стабилизатора напряжения Б5-43, обеспечивающую максимальный ток на выходе до 1,99 А и позволяющей подключить нагрузку потребляющую до 150 Вт, что покрывает необходимые потребности.

Таблица. Спецификация

Поз. обозначение	Наименование
DD1	ATmega64	1
DD5	К555ИД7	1
DD6	КР1601РР1	1
DD7	КР565РУ1А	1
DD8	JE-AN16202	1
DD2,DD3	КР580ИР82	2
DD4	КР580ВА86	1
Элементы 2ИЛИ-НЕ	К155ЛЕ1	2
Элементы ИЛИ-НЕ	К500ЛЕ106Е	1
R1-R3	С2-23-0,25-1 кОм ± 5 % А-В-В	3

5. Текст подпрограмм

Текст подпрограмм

В независимости от функционального назначения устройства алгоритм его работы содержит последовательность типовых операций: инициализация системы, чтение/запись памяти, чтение клавиатуры и портов ввода, вывод информации на индикаторы и порты вывода и др.

Рассмотрим примеры инициализации и работы с устройствами ввода-вывода разработанного устройства.

;ATmega64

.include "m64def.inc"

.def out_fig_code = r21 ;код выводимого символа для индикатора

.def out_seg = r22 ;номер текущего сегмента

.def d1 = r4

.def d2 = r5

.def d3 = r6

def d1 = r7

.def d2 = r8

.def d3 = r9

def d1 = r10

.def d2 = r11

.def d3 = r12

def d1 = r13

.def d2 = r14

.def d3 = r15

def d1 = r16

.def d2 = r17

def d1 = r18

.def d2 = r19

.equ out_seg16 = 7

.dseg

.org 0x100

.cseg

.org 0

rjmp reset

;-------------

; начало программы

reset:

clr out_fig_code

clr out_seg

ldi r20, out_seg16

; программирование портов F и С на вывод

ldi r20, 7

out ddrc, r20

ldi r20, $ff

sts ddrf, r20

start:

ldi out_seg, 1 ; на сегмент 1

ldi out_fig_code, LLHLHHHL ; вывод .

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

ldi out_seg, 2 ; на сегмент 2

ldi out_fig_code, LLHLHHHL ; вывод .

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

ldi out_seg, 3 ; на сегмент 3

ldi out_fig_code, LLHLHHHL ; вывод .

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

rcall delay05

ldi out_seg, 4 ; на сегмент 4

ldi out_fig_code, LLHLHHHL ; вывод .

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

ldi out_seg, 5 ; на сегмент 5

ldi out_fig_code, LLHLHHHL ; вывод .

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

ldi out_seg, 6 ; на сегмент 6

ldi out_fig_code, LLHLHLHL ; вывод *

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

rcall delay05

ldi out_seg, 7 ; на сегмент7

ldi out_fig_code, LHLLHLLL ; вывод H

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

ldi out_seg, 8 ; на сегмент 8

ldi out_fig_code, LHLLLHLH ; вывод E

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

ldi out_seg, 9 ; на сегмент 9

ldi out_fig_code, LHLLHHLL ; вывод L

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

rcall delay05

ldi out_seg, A ; на сегмент 10

ldi out_fig_code, LHLLHHLL ; вывод L

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

ldi out_seg, B ; на сегмент 11

ldi out_fig_code, LHLLHHHH ; вывод O

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

ldi out_seg, C ; на сегмент 12

ldi out_fig_code, LLHLHLHL ; вывод *

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

rcall delay05

ldi out_seg, D ; на сегмент 13

ldi out_fig_code, LLHLHHHL ; вывод .

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

ldi out_seg, E ; на сегмент 14

ldi out_fig_code, LLHLHHHL ; вывод .

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

ldi out_seg, F ; на сегмент 15

ldi out_fig_code, LLHLHHHL ; вывод .

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

rcall delay05

ldi out_seg, 10 ; на сегмент 16

ldi out_fig_code, LLHLHHHL ; вывод .

rcall out_pp ; вызов подпрограммы вывода

;-------------

; подпрограмма вывода на индикатор

out_pp:

out PORTC, r20

sts PORTF, out_fig_code

out PORTC, out_seg

ret



Рис.

Размещено на Allbest.ru