Скачать: kursovaya-po-vychmashu.zip [32,85 Kb] (cкачиваний: 18)

 

 

КАФЕДРА "АВТОМАТИЗАЦИЯ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ"

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ

"ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СИСТЕМЫ И СЕТИ"

 

на тему:

 

"Управление светодиодами"

Вариант №21 (1.11)

 

 

Выполнил

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание.

 

Введение. 3

Теоретическая часть. 5

Структура микрокомпьютера. 5

Память. 6

Арифметическое устройство. 6

Устройство управления. 7

Устройство ввода/вывода. 8

Основы построения программных средств. 8

Принципы соединения аппаратных средств микропроцессорных систем. 9

Принципы соединения аппаратных средств МП систем. 10

Микропроцессор 8085 фирмы Intel. 11

Ассемблеры.. 15

Экспериментальная часть. 15

Описание программы.. 15

Временная диаграмма.. 17

Листинг программы.. 19

Описаниекода операций. 20

Заключение. 22

Используемая литература.. 23

 

 

 

 

 

одержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вераций..11ичаммы.

Введение.

 

Проблема широкого использования вычислительных средств в различных сферах человеческой деятельности долгое время оставалась нерешённой. Даже разработка и освоение производства больших интегральных схем (БИС) не оказали вначале сколько-нибудь значительного влияния на изменение ситуации. Это объясняется тем, что для практических применений требуется большое разнообразие устройств управления обработки данных, т.е. необходим выпуск широкого ассортимента отдельных типов БИС.

Первую подобную БИС (модель 4004 фирмы Intel), получившую название микропроцессора, выпустили в 1971 году. С этого времени начался стремительный рост производства микропроцессоров (МП), которые благодаря непрерывному улучшению их технических характеристик и постоянному снижению стоимости получают все более широкое распространение.

Появление микропроцессоров привело к резким изменениям в методологии проектирования логических систем. При традиционных подходах системы строятся из отдельных логических блоков (триггеров, вентилей и счетчиков), выбор которых диктуется конкретным назначением системы. Эти блоки соединяются между собой таким образом, чтобы обеспечивалась необходимая структура потока данных. При использовании произвольной логики в каждом случае требуется свое решение, и поэтому различные системы имеют очень мало общего. Микропроцессор, наоборот, позволяет создать систему управления общего назначения, которая затем может быть адаптирована для самых различных целей посредством небольших изменений схемы. Индивидуальность каждой отдельной системы обусловливается последовательностью команд (называется программой), которые управляют работой системы. Следовательно, существуют два разных аспекта микропроцессорных систем: физические компоненты (называемые аппаратными средствами) и программы (называемые программными средствами).

В настоящее время наметились две основные области использования МП: область вычислительной техники, где МП выполняют функции калькуляторов, микро - и мини- ЭВМ, а также область, связанная с заменой специализированных электронных устройств.

Эффективное проектирование микропроцессорных систем невозможно без применения микрокомпьютерных систем поддержки разработок, которые используются на этапах конструирования, наладки, а иногда и на стадии документирования проектируемых систем.

Микропроцессор - это программируемое логическое устройство, изготовленное по БИС - технологии. Сам по себе он не может решить ту или иную конкретную задачу. Чтобы это сделать, его нужно запрограммировать, и соединить с другими устройствами. В их число обычно входят память и устройства ввода-вывода.

Некоторая совокупность соединенных друг с другом системных устройств, включающая МП, память и устройства ввода/ вывода, нацеленная на выполнение некоторой четко определенной функции, называется микрокомпьютеромили МП системой.

Язык, который понимает МП, называется машинным языком, команды машинного языка представляют собой двоичные коды. Для облегчения пользования машинным языком заменяют код каждой команды коротким именем, называемым мнемоническим. Мнемоника оказывается гораздо проще для запоминания, чем машинные коды. Программы, написанные с использованием мнемонических обозначений, называются программами на языке Ассемблера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теоретическая часть.

 

Структура микрокомпьютера.

Типовая компьютерная система включает пять функциональных блоков: устройство ввода, арифметическое устройство, память, устройство управления и устройство вывода (рис.1). Физические компоненты и схемы, составляющие микрокомпьютер - это его аппаратура (hardware). Аппаратура способна выполнять только ограниченный набор элементарных операций. Все прочие функциональные возможности микрокомпьютера достигаются программным путем. Программа - это определенным образом организованная совокупность элементарных машинных операций, называемых командами или инструкциями, с помощью которых осуществляется обработка информации или данных. Программы, написанные для компьютера, образуют его программное обеспечение.

Программа и данные сначала накапливаются в памяти, куда они поступают через устройства ввода. Затем отдельные команды программы одна за другой автоматически поступают в устройство управления, которое их расшифровывает и выполняет. Для выполнения операции обычно требуется, чтобы данные поступили в арифметическое устройство, содержащее все необходимые для их обработки схемы. В процессе вычислений или после их завершения полученные результаты направляются в устройство вывода. Арифметическое устройство и устройство управлении имеете обычно называются центральным процессорным элементом или центральным процессором - это и есть микропроцессор (МП).

Не только память, но и другие устройства ЭВМ способны хранить информацию. Информация запоминается как содержимое групп двоичных разрядов (битов) на запоминающих устройствах-регистрах. По существу, любую операцию в ЭВМ можно рассматривать как серию передач информации между регистрами. Группа двоичных цифр, обрабатываемых одновременно, называется машинным словом. Слово является базовой логической единицей информации в компьютере. Типичные МП имеют длину слова 4,8,12,16 и 32 двоичных разрядов. В силу особой распространенности слово длиной 8 бит имеет специальное название-байт.

 

Память.

Запоминание больших объемов информации происходит в памяти или, точнее, в запоминающем устройстве. Этот функциональный блок компьютера подразделяется на подблоки, называемые регистрами, каждый из которых способен хранить одно машинное слово. Каждый такой регистр, или ячейка памяти, имеет свой адрес. Адрес – это просто целое число, однозначно идентифицирующее ячейку. Слово, хранящееся в ячейке, называют содержимым этой ячейки. Таким образом, как данные, так и программа (команды) хранятся в памяти.

 

Арифметическое устройство.

Обработка данных осуществляется в арифметическом устройстве. Эта обработка включает как арифметические, так и логические операции. Встроенные операции, как мы увидим в дальнейшем, чрезвычайно элементарны. Более сложные математические действия должны выполняться с помощью программ, пользующихся встроенными операциями. Главный регистр в арифметическом устройстве называется аккумулято­ром. В нем, как правило, находится один из операндов перед выполнением операции, и в него же помещается ее результат. Арифметическое устройство часто содержит еще несколько вспомогательных регистров, называемых рабочими, oни упрощают составление программ.

 

Устройство управления.

Устройство управления автоматически, последовательно по одной, получает команды из памяти, декодирует каждую из них и генерирует необходимые для ее выполнения сигналы. Для того чтобы получить команду из памяти, устройство управления, прежде всего, должно знать ее адрес. Обычно команды выбираются из последовательных ячеек памяти, и их адреса указываются программным счетчиком, находящимся в устройстве управления, Далее, чтобы иметь возможность декодировать и выполнить текущую команду, её запоминают в регистре команды. Для того, чтобы правильно декодировать команду, она должна иметь определенную структуру, которую называют форматом команды. У разных микропроцессоров форматы команд различны. Однако код команды, а у некоторых микропроцессоров и адрес должны присутствовать в команде всегда. Код операции - это совокупность двоичных цифр, которые однозначно определяют операцию в процессе декодирования команды. Адресная часть команды (если она присутствует) указывает на ячейки памяти, к которым нужно обратиться, выполняя команду. Например, если выполняется команда сложения, то адресная часть команды указывает на ячейку, где находится второе слагаемое. Необходимо понимать различные употребления слова "адрес". Как правило, адрес команды не совпадает с адресной частью в самой команде.

Следующей функцией устройства управления является синхронизация работы отдельных блоков компьютера. Она осуществляется с помощью генератора тактовых импульсов, или тактового генератора. Обработка команды занимает несколько периодов тактового генератора. Выборка команды, ее декодирование я выполнение распадаются на несколько временных интервалов. Каждый из этих интервалов, включающих один или более периодов тактового генератора, представляют собой машинный цикл, а совокупное время выборки, декодирования и выполнения образует командный цикл, или цикл выполнения команды.

 

Устройство ввода/вывода.

Последние два блока машины - это устройство ввода и устройство вывода. Через эти устройства осуществляется контакт компьютера с внешним миром. Они являются буферами для преобразования информации с тех языков и тех скоростей, на которых работает компьютер, к тем, которые воспринимает человек или другая, связанная с компьютером система. Устройство ввода получает из внешнего мира данные и команды, которые поступают в память. Устройство вывода получает вычисленные результаты и передает их человеку-оператору или другой системе. Точки контакта между устройствами ввода/вывода и МП называются портами ввода/вывода. Они имеют свои адреса, так что к одному МП может быть подключено несколько устройств ввода/вывода.

 

Основы построения программных средств.

Язык, который понимает МП, называется машинным языком. Поскольку МП имеют дело только с цифровыми сигналами, команды машинного языка представляют собой двоичные коды. МП распознает конкретную группу кодов, которая называется системой команд данного МП.

Человеку нелегко пользоваться машинным языком, поскольку, например, неясен смысл кода ООП 1100 (ЗС). Можно заменить код каждой команды коротким именем, называемым мнемоническим. Например, код ЗС для МП 8085 означает "увеличить содержимое регистра А" и его имя - INR А. Мнемоника оказывается гораздо проще для запоминания, чем машинные коды. Программы, написанные с использованием мнемо­нических обозначений, называются программами на языке ассемблера.

Несмотря на то, что язык Ассемблера удобнее, чем машинный язык, на нем все же трудно писать сложные программы. Для упрощения программирования разработаны языки высокого уровня. Транслирующие программы, которые переводят программу, написанную на языке высокого уровня, на машинный язык, называются компиляторами. Наиболее удобными для программиста являются языки высокого уровня. Однако для перевода написанных программ на машинный язык в памяти микро-ЭВМ необходимо хранить длинные транслирующие программы. Машинные программы, получаемые трансляцией с языков высокою уровня, менее эффективны также и в смысле обеспечиваемой скорости выполнения предписываемых действий, и по степени использования памяти. Та же самая программа, написанная на языке Ассемблера, обычно выполняется быстрее и занимает меньше места в памяти. В ситуациях, когда программа должна выполняться как можно быстрее или должна занимать как можно меньше места в памяти, язык. Ассемблера является самым подходящим. Программирование на языке Ассемблера полезно и в плане обучения, поскольку дает наилучшее представление о том, как работает конкретная МП система.

 

Принципы соединения аппаратных средств микропроцессорных систем.

Концепция "шины". Отдельные блоки микрокомпьютера связаны друг с другом с помощью шин. Шина представляет собой совокупность линий, по которым передается информация от любого из нескольких источников к любому из нескольких приемников. Существует три типа шин. Адресная шина однонаправленная, служит для передачи адреса от МП к памяти, вводному или выводному устройству.

Шина данных является двунаправленной, т.е. информация по ней может передаваться в обоих направлениях.

Шина управления состоит из линий, по которым передаются тактовые, синхронизирующие сигналы, а также информация о состоянии устройств. Часть линий в управляющей шине однонаправленные, часть двунаправленные.

Возможность совместного использования шины многочисленными устройствами обеспечивает шинный формирователь с тремя состояниями. Пока формирователь заблокирован, его выход находится в состоянии, характеризуемом высоким полным сопротивлением, и поэтому он не оказывает никакого влияния на логическое состояние шины. Сигналы блокировки вырабатываются логическим устройством управления микропроцессора, определяя моменты, в которые оно должно вывести данные на шину или считать их оттуда.

Шина данных используется совместно многими устройствами в процессе информационного обмена. Выбор конкретного устройства для работы с шиной данных обеспечивается совместно адресной и управляющей шинами. При использовании адресной шины каждая ячейка памяти или порт ввода/вывода имеет свой собственный однозначный адрес. Поэтому перед началом любой пересылки информации с использо­ванием шины данных МП должен указать конкретный адрес пересылки. Таким образом, МП может выбирать любой блок МП системы, с которым он должен взаимодействовать.

 

Принципы соединения аппаратных средств МП систем.

Концепция "шины". Отдельные блоки микрокомпьютера связаны друг с другом с помощью шин. Шина представляет собой совокупность линий, по которым передается информация от любого из нескольких источников к любому из нескольких приемников. Существует три типа шин. Адресная шина однонаправленная, служит для передачи адреса от МП к памяти, вводному или выводному устройству.

Шина данных является двунаправленной, т.е. информация по ней может передаваться в обоих направлениях.

Шина управления состоит из линий, по которым передаются тактовые, синхронизирующие сигналы, а также информация о состоянии устройств. Часть линий в управляющей шине однонаправленные, часть двунаправленные.

Возможность совместного использования шины многочисленными устройствами обеспечивает шинный формирователь с тремя состояниями. Пока формирователь заблокирован, его выход находится в состоянии, характеризуемом высоким полным сопротивлением и поэтому он не оказывает никакого влияния на логическое состояние шины. Сигналы блокировки вырабатываются логическим устройством управления микропроцессора, определяя моменты, в которые оно должно вывести данные на шину или считать их оттуда.

Шина данных используется совместно многими устройствами в процессе информационного обмена. Выбор конкретного устройства для работы с шиной данных обеспечивается совместно адресной и управляющей шинами. При использовании адресной шины каждая ячейка памяти или порт ввода/вывода имеет свой собственный однозначный адрес. Поэтому перед началом любой пересылки информации с использо­ванием шины данных МП должен указать конкретный адрес пересылки. Таким образом МП может выбирать любой блок МП системы, с которым он должен взаимодействовать.

Весь процесс информационного обмена координируется управляющей шиной, которая несет управляющие сигналы генерируемые микропроцессором. Глазное отличие управляющей шины от адресной шины и тины данных заключается в том, что каждая ее линия выполняет свою собственную единственную функцию. Что же касается адресной шины и шины данных, то в них по любой из линий передается один и тот же тип информации (1 бит адреса или данных).

 

Микропроцессор 8085 фирмы Intel.

На рис.1 представлена упрощенная структура МП 8085, который имеет следующие функциональные узлы:

арифметико-логическое устройство;

аккумулятор;

регистр команд;

флаговый регистр;

счетчик команд;

дешифратор команд и шифратор машинных циклов;

буфер адреса (А8...А15);

буфер адреса/данных (AD0...AD7);

блоки синхронизации и управления;

блок управления прерываниями;

блок последовательного ввода и вывода.

 

 

Аккумулятор соединен с шиной данных и с арифметико-логическим устройством (АЛУ). АЛУ выполняет все преобразования данных.

Аккумулятор- 8-разрядный программно-доступный регистр данных, предназначенный для хранения результатов операций АЛУ или данных при вводе/выводе.

Временный регистр обеспечивает другой вход АЛУ. Этот регистр недоступен программисту и управляется автоматически схемой управления микропроцессора.

Регистр признаков представляет собой набор триггеров, которые показывают определенные характеристики результата самой последней операции, выполненной АЛУ.

8-разрядный регистр команд используется для хранения выбранной команды для дешифратора команд и шифратора машинных циклов.

Дешифратор команд и шифратор машинных циклов осуществляют дешифрацию кодов команд, поступающих из регистра команд, и установку счетчиков шифратора машинных циклов в соответствии с этими кодами.

Блок регистров предназначен для хранения и выдачи различной информации, участвующей в процессе выполнения команд.

Буфер старших разрядов адреса представляет собой 8-разрядный выходной формирователь с тремя состояниями.

Буфер адреса/данных представляет собой 8-разрядный формирователь с тремя состояниями, предназначенный для выдачи младших разрядов адреса, либо приема/выдачи данных. В первом тактовом периоде машинного цикла буфером адреса/данных выводятся 8 младших разрядов адреса, во втором и третьем периодах производится ввод или вывод информации, т.е. эти разряды являются шиной данных.

Блок синхронизации и управления обеспечивает внутреннюю синхронизацию микропроцессора от встроенного тактового генератора. Возбуждаемая частота внутренними схемами делится на 2 и используется для синхронизации узлов как самого микропроцессора, так и внешних устройств системы с использованием вывода С.

Блок управления прерываниями переключает микропроцессор с выполнения одной программы на другую с помощью сигналов прерывания.

Блок последовательного ввода/вывода управляется командой RIM при вводе последовательных данных и командой SIM при выводе.

Регистр команд, дешифратор команд, счетчик команд и логические схемы управления и синхронизации используются для выпорки команд из памяти и управления их выполнением. Пусть, например, команда, которую нужно выполнить, находится в ячейке с адресом 0200. Для выполнения необходимо прочитать из памяти код операции, т.е. произвести выборку команды. Счетчик команд, который содержит требуемый адрес 0200,воздействует на адресную шину, в результате чего выбирается ячейка памяти с адресом 0200. ПЗУ выдает содержимое ячейки 0200(код операции) на шину данных, и МП запоминает код операции в регистре команд. Мы видим, что одна машинная команда может иметь более одного слова в длину. Любая команда, обращающаяся к памяти, должна иметь 16 бит только для указания адреса, не считая некоторого количества битов, нужного для указания самого действия-кода операции (КОП).

МП считывает из памяти команды последовательно одну ячейку за другой, выполняя указанные действия. Коды операций и данные взаимно перемешаны в памяти. За обеспечение правильной последовательности кодов операций и данных в памяти отвечает программист. Коды операций, адреса переходов и данные - это всего лишь двоичные комбинации, хранящиеся в памяти: считываются они абсолютно одинаково и передаются все по одной и той же шине данных. МП всегда должен без­ошибочно различать, что он считывает в данный момент; код операции или элемент данных, и поступать соответствующим образом. Предполагается, что первая ячейка, считываемая процессором, содержит код операции, который и определяет его дальнейшие действия. Если код операции требует наличия одного байта данных, МП "знает" (благодаря дешифратору команд), что следующий байт информационный, и обрабатывает его соответствующим образом. Далее считается, что за этим байтом данных следует очередной код операции. Если же элемент данных ошибочно интерпретируется как код операции, то система обычно полностью выходит из под контроля (возникает аварийная ситуация).

Система команд МП 8085 (как и большинства других МП) ограничена узким кругом простых команд. МП приобретает большие возможности, когда с помощью простых команд строится последовательность операций, реализующая сложные математические и управляющие функции. Программа, дающая возможность выразить сложную функцию через простые операции, называется алгоритмом. Выполнение алгоритма по соответствующей программе для конкретного микропроцессора про­изводится посредством операций записи или считывания. Каждая операция записи или чтения выполняется в течение машинного цикла. Сущность и последовательность машинных циклов определяется кодом операции команды, полученным в первом машинном цикле. Реальное число тактовых периодов при выполнении какой-либо команды определяется выполняемой командой, количеством тактовых периодов в цикле чтения кода операции и числом тактов ожидания, которые формируются, если на входе "готовность" низкий уровень.

Ассемблеры

Исходные программы не могут непосредственно исполняться микропроцессором. Исходный текст программы преобразуется сначала в форму, воспринимаемую микропроцессором. Для преобразования программ, написанных на языке ассемблера и подготовленных с помощью редактора, в программы на машинном языке используется специальная программа, которую называют ассемблером. Программы на машинном языке могут непосредственно выполняться процессором. В каждой строке исходной программы ассемблер различает 4 поля. Поля содержат переменное число знаков и определяются по своему положению в строке. В строке слева направо идут следующие поля, поле метки, поле операции, поле операндов и поле комментария. Поля разделяются ограничителями, по которым ассемблер определяет конец одного и начало следующего поля. Обычно в качестве ограничителей используются следующие знаки: пробел, табуляция

 

 

 

Метка	Код операций	Операнды	Комментарии
М1:	MVI	B,ACH
	MOV	A,B	;содержимое регистра B помещаем в аккумулятор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Экспериментальная часть.

Описание программы

Необходимо разработать электрическую принципиальную схему и программу функционирования на языке ассемблера ASM 85 управляющей микропроцессорной системы, состоящей из:

Микропроцессора (8085) 1821 BM 85;

Буферного регистра младшего адреса – 588ИР1;

Постоянного запоминающего устройства – 573РФ5;

Периферийной БИС – 1821РУ55;

Дешифратора адресов портов – логические микросхемы 2И-НЕ;

Делителя тактовой частоты для таймера – 1533ИЕ7;

Четырех светодиодов, которые необходимо включать и выключать с частотой 3-2-1-4Гц. Кнопка н.з. (нормально замкнутая) предназначена для подключения и отключения светодиодов.

 

Перед началом непосредственно работы программируем порт С на ввод, гасим светодиодные индикаторы, настраиваем работу кнопки. В соответствии с заданием кнопка - нормально замкнутая, принципиальная схема подключения ее к БИС приведена ниже:

Совершенно очевидно, что необходимо защитить вход микросхемы от короткого замыкания на 5В источника питания, для этого устанавливаем резистор R1. Выбираем его таким образом, чтобы при напряжении питания 5В получить на входе МС напряжение, соответствующее логической единице, т.е. от 2,7 до 5в.

Примем R1 = 1кОм, а напряжение на микросхеме 4В, тогда ток в цепи резистора:

I = (5В – 4В)/1кОм = 0,1 мА Для защиты входа МС от протекания тока замыкаем его на землю через резистор R2, который выбираем таким образом, чтобы сохранить разность потенциалов 4в:

R2 = 4в/0,1мА = 4 кОм

 

Временная диаграмма

На основании полученного задания, построим временную диаграмму. Необходимо, чтобы светодиоды включались и выключались с частотой и в порядке 3-2-1-4 Гц. Таким образом, необходимо, чтобы за одну секунду первый светодиод загорался три раза, второй – два раза, третий – один раз, четвёртый - четыре раза. В соответствии с этими условиями временная диаграмма будет иметь вид (рис. 2).

Для того, чтобы высвечивались символы, нужно в порт А (11 Н) отправить необходимую комбинацию из единиц и нулей в виде кода в шестнадцатеричной системе счисления, который соответствует символу.

Чтобы светодиод горел, нужно в порт А послать 0, чтобы погас - 1. В порт А(11Н) посылаем различные двоичные коды для зажигания одних светодиодов и гашения других. Сначала все светодиоды не будут гореть (этому соответствует код АА Н). Через 0,125 с загорится светодиод 4Гц (28 Н), ещё через 0,042с загорится светодиод 3Гц (28 Н), далее через 0,083с загорит светодиод 2Гц и при этом погаснет светодиод 4Гц (0А Н) и т. д.

 

 

На основании временной диаграммы представим необходимые для вывода в порт А комбинации в двоичной системе и переведем их в шестнадцатеричную.