Цифровой измеритель времени

Министерство Образования РБ Белорусский Государственный Университет Информатики и Радиоэлектроники

Кафедра ЭВС

К защите допускаю

" «________ 2001 г.

Руководитель работы Давыдов А.Б.

Пояснительная записка к курсовому проекту на тему:

«Цифровой измеритель времени»

Выполнил:

Студент гр. 810 702

Демух А.

Проверил:

Давыдов А. Б Минск 2001 г.

1 Анализ задачи

2 Функции выполняемые системой

3. Интерфейс Система-пользователь

4 Выбор соотношения между аппаратной и программной частями.

5. Проектирование аппаратных средств системы. Разработка функциональной и принципиальной схемы системы

6. Описание работы системы по принципиальной схеме.

6.1. Формирование адреса и данных.

6.2 Принцип работы устройства ввода информации.

6.3. Обмен информацией в системе.

6.4. Схема сброса устройства

6.5. Подключение схем индикации

7. Программа Заключение Литература

В настоящее время благодаря широкому распространению дешёвых микрокомпьютеров их влияние на повседневную жизнь усиливается с каждым годом. В домах появляются различные устройства и приспособления, имеющие целью повысить жизненный уровень населения, украсить их быт, автоматизировать многие процессы в повседневной жизни, упростить и зачастую попросту обезопасить жизнь людей.

Несмотря на то, что первые электронные цифровые вычислительные машины появились сравнительно недавно, ЭВМ приобретают всё большее и большее значение в повседневной жизни.

В настоящее время благодаря широкому распространению дешёвых микрокомпьютеров можно ожидать, что в недалёком будущем их влияние ещё больше усилиться.

Конструирование электронных схем из конденсаторов и резисторов состоит в определении параметров этих компонентов, измеряемых фарадами и омами, а также в уточнении ограничений по напряжению и мощности. Их функциональные и эксплуатационные характеристики заранее известны.

Микрокомпьютер, в отличие от других компонентов не обладает фиксированным набором функциональных характеристик. Его характеристики определяются во время проектирования системы с помощью процесса, называемого программированием. Практически неограниченный диапазон программируемых функциональных возможностей микрокомпьютера придаёт этому компоненту особое значение.

Проектирование аппаратуры и программного обеспечения должно проводиться на системной основе с целью минимизации, как стоимости проектирования, так и времени, затрачиваемого на разработку.

Таким образом, основываясь на общих положениях, изложенных выше, можно сделать заключение, что система, спроектированная с помощью и на основе микропроцессора, будет в большей мере соответствовать требованиям нынешнего времени и быть более дешёвой, по сравнению с системой, реализованной на дискретных элементах.

1. Анализ задачи

Исходя из снижения себестоимости устройства, необходимо спроектировать систему, которая отвечала бы требуемым параметрам и одновременно была недорогой. В ходе изучение задания, делаем следующие выводы:

1: Устройство должно быть максимально простым в использовании, так как будет использоваться преимущественно рядовыми сотрудниками;

2: Необходимо использовать наиболее дешёвые элементы и компоненты с целью снижения себестоимости устройства, тем не менее, они должны удовлетворять заданному условию по точности получаемого результата;

3: Необходимо оптимально разделить ресурсы между программной и аппаратной частями устройства с целью снижения стоимости/ повышения быстродействия/создания запаса по точности ;

4: Необходимо создать защиту устройства от неквалифицированного пользователя;

5: Предусмотреть возможность модернизации устройства.

Для выбора компонентов устройства, необходимо знать критерии их выбора. По условию задания, необходимо в качестве «ядра» устройства использовать микропроцессор 8086. Для данной системы это оптимальный вариант: при малой цене он обладает достаточной производительностью (многое ещё зависит от состава микропроцессорной системы и качества программы «зашитой» в ПЗУ). В данной схеме можно обойтись без применения дополнительных контроллеров ввода/вывода, так как в этом нет необходимости — микропроцессор сам может формировать сигнал обращения к памяти или портам ввода/вывода, а также сигналы чтения /записи, тем более что нет необходимости обрабатывать прерывания от внешних устройств.

Также необходимо наличие портов ввода/вывода, набора регистров, обязательно наличие шинных формирователей, схем индикации для отображения информации, ОЗУ, ПЗУ, таймера, а также дискретных элементов. Для вывода информации достаточно четырёх восьмисегментных схем индикации (семь сегментов + точка).

2. Функции, выполняемые системой

Анализируя условие задания можно выделить следующие функции, выполняемые системой:

1: Функция хранения полученных в ходе работы устройства данных. Данную функцию выполняет блок оперативной памяти. Блок оперативной памяти устройства в связи с этим должен обладать следующими свойствами (в идеале):

а) достаточным для данного устройства объёмом ОЗУ;

б) достаточным быстродействием ;

в) высокой надёжностью;

г) низкой потребляемой мощностью;

д) возможностью дальнейшего наращивания .

2: Функция хранения «драйвера» устройства. Эту функцию выполняет блок ПЗУ. В связи с этим данный блок должен характеризоваться следующими параметрами (в идеале):

а) достаточным для данной программы объёмом;

б) возможностью перезаписи с целью улучшения работы «драйвера» устройства (применение новых алгоритмов, расширения диапазона применения);

в) низкой потребляемой мощностью;

г) высоким быстродействием;

д) требования надёжности .

3: Функция информационного обмена. Эту функцию выполняет блок ввода-вывода. К этому блоку предъявляются следующие требования (в идеале):

а) высокое быстродействие;

б) функциональная завершённость;

в) возможность работы при отсутствии внешнего контроллера.

4: Функция диалога система — пользователь. Эту функцию реализует система индикации и система ввода информации. К ним предъявляются следующие требования (в идеале):

а) достаточная яркость изображения;

б) защита от неправильного ввода информации;

5: Функция обработки поступаемых данных. Микропроцессор Intel 8086. Вследствие этого, основными требованиями к этим компонентам микропроцессорной системы являются требования по точности и быстродействию.

3. Интерфейс: Система — пользователь

Интерфейс оператор — система осуществляется при помощи системы индикации (для отображения полученной информации) и системы ввода информации для задания параметров обработки поступающей информации.

Необходимо отметить, что интерфейс должен быть простым и доступным для неквалифицированного пользователя.

4. Выбор соотношения между аппаратной и программной частями

При выборе соотношения между аппаратной и программной частью устройства необходимо руководствоваться прежде всего теми требованиями к устройству, которые предъявляются в ТЗ на данное устройство. Для получения высокого быстродействия, естественно, лучше будет если все компоненты системы будут реализованы аппаратно, что в свою очередь увеличит стоимость изделия в целом. Необходимо найти такое соотношение между программной и аппаратной частями, для которого при достаточной производительности, будет наименьшая стоимость изделия. В нашем случае можно предложить следующий вариант:

1: Блок хранения полученных в ходе работы устройства данных.

Данный блок реализуется аппаратно в виде набора микросхем ОЗУ.

2: Блок хранения «драйвера «устройства.

Данный блок реализуется аппаратно в виде набора микросхем ПЗУ.

3: Блок информационного обмена.

Данный блок реализуется аппаратно в виде набора портов ввода — вывода.

4: Блок диалога система — пользователь.

Данный блок реализуется аппаратно в виде набора схем индикации и клавиатуры.

5: Блок управления и анализа сигналов.

Данный блок реализуется аппаратно в виде микропроцессора Intel 8086 и программно в виде программы алгоритма работы микропроцессора.

6: Блок получения данных для последующей обработки.

Данный блок реализован аппаратно в виде дискретных элементов и таймера.

5. Проектирование аппаратных средств системы. Разработка функциональной и принципиальной схемы системы

В нашем курсовом проекте используется в качестве управляющего ядра отечественный аналог микропроцессора 8086 процессор К1810ВМ86 (далее просто ВМ86). Данный микропроцессор выполнен в едином сорокавыводном корпусе, по n-МОП-технологии. Потребляет данная микросхема 1.7 Вт, и питается от источника питания +5 В.

Микропроцессор содержит четырнадцать 16-битовых внутренних регистра, и образует 16-битовую шину данных. Шина адреса имеет двадцать линий, что позволяет адресовать до одного мегабайта.

Назначение выводов микропроцессора ВМ86 приведено в таблице 5.1.

Таблица 5.1- назначение выводов микропроцессора ВМ86

Для нормального функционирования микроЭВМ недостаточно управляющих сигналов, генерируемых микропроцессором. МикроЭВМ в каждом машинном цикле должна получать более полную информацию о состоянии МП.

Для принятия и передачи данных и команд микропроцессору необходимы вспомогательные микросхемы, входящие в состав комплекта. Приведём и их основные характеристики.

Генератор тактовых импульсов КР1810ГФ84 предназначен для управления центральным процессором КР1810ВМ86 и периферийными устройствами, а так же для синхронизации сигналов с тактовыми сигналами центрального процессора. Генератор тактовых импульсов включает схемы формирования тактовых импульсов, сигнал сброса и сигнала готовности.

Таблица 5.2. Назначение выводов микросхемы КР1810ГФ84

Схема формирования тактовых импульсов вырабатывает сигналы: -тактовой частоты для ВМ86, -тактовой частоты для управления периферийными БИС, -тактовой частоты задающего генератора, необходимые для управления устройствами, входящими в систему, и для синхронизации.

Сигналы могут формироваться из колебаний основной частоты кварцевого резонатора, подключаемого к входам Х1, Х2, или от внешнего генератора, подключаемого к входу .

Способ подключения генератора тактовых импульсов к микропроцессору показан на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Подключение генератора тактовых импульсов к микропроцессору ВМ86.

Восьмиразрядные шинные формирователи КР580ВА86, применяются как буферные устройства данных в микропроцессорных системах. Формирователь состоит из восьми функциональных блоков с общими сигналами управления и .

Назначение выводов: А7-А0 — вход/выход линии данных. Они могут быть как входными, если на Т — сигнал высокого уровня, и выходными, если на Тсигнал низкого уровня.

В7-В0 — вход/выход линии данных. Они являются входными, если на Т — сигнал низкого уровня, и выходными, если на Т — сигнал высокого уровня.

Твходной сигнал управления направлением передачи.- входной сигнал разрешения передачи. При = 0 снимается Z-состояния с выхода усилителяформирователя, выбранного по входу Т.

6. Описание работы системы по принципиальной схеме

6.1 Формирование адреса и данных

Шина данных организована посредством двух шинных формирователeй DD14, DD15. Управление процессом записи в буфер происходит посредством сигнала микропроцессора, а выдача данных из буфера для записи в ОЗУ происходит при поступлении на вход буфера сигнала микропроцессора.

Шина адреса формируется посредством пары регистров DD12, DD13. Запись адреса в регистры с выходов микропроцессора осуществляется при поступлении на вход регистра сигнала микропроцессора. Сигналы на выходе регистров не изменяются до следующей перезаписи.

6.2 Принцип работы устройства ввода информации

Устройство ввода информации не отображено на память, что позволяет с достаточной простотой опрашивать состояние регистров DD7-DD10, т. е. узнавать, какая клавиша в данный момент нажата. Принцип работы заключается в том, что при поступлении низкого уровня сигнала микропроцессора на вход С1 дешифратора DD3, при наличии комбинации разрядов А₁₂ А₁₁ соответственно 10 происходит опрос устройства в соответствии с D0. D3,, при наличии комбинации разрядов А₁₂ А₁₁ соответственно 00 происходит фиксация кода клавиши в регистрах DD7. DD10. Полученный код клавиши необходимо анализировать програмно.

6.3 Обмен информацией в системе

В системе информационный обмен осуществляется между микропроцессором и ПЗУ (исполнение кода программы), микропроцессором и ОЗУ (обработка и хранение промежуточных данных), микропроцессором и портами ввода-вывода. Все внешние устройства отображены на память, что обеспечивает простоту управления системой, придаёт ей гибкость, при этом нет необходимости использовать специализированные контроллеры.

Как видно из принципиальной схемы, обращение к таким внешним устройствам, как индикаторы, устройство ввода данных, происходит через порты ввода-вывода, что упрощает структуру системы.

При поступлении на вход порта сигнала выбора порта () и низкого уровня сигнала обращения к внешнему устройству микропроцессора происходит активизация порта. При наличии на входах или сигнала низкого уровня происходит чтение из порта или запись в порт в соответствие с поступившим сигналом чтения/записи. Сброс содержимого порта происходит при поступлении на вход микропроцессора сигнала. Выбор секции с которой происходит обмен информацией, осуществляется комбинацией разрядов А₁ А₀ адреса. Дальше, при наличии сигнала, происходит выбор микросхемы индикации в соответствие с комбинацией разрядов А₁₄ А₁₃ адреса. Сброс схем индикации (очищение входных регистров) происходит при поступлении сигнала.

6.4 Схема сброса устройства

Для сброса устройства необходимо на генераторе тактовых импульсов сформировать сигнал RESET. Для этого необходимо расчитать ёмкость конденсатора С₃, принимая сопротивление R₁=200 кОм. Расчёт произведём по формуле:

где t — время сохранения уровня сигнала (t=0,2 с.);

V — уровень логической еденицы (V=2.5 В) ;

Vccуровень логической еденицы (Vcc=5В);

Подставив исходные данные в формулу получим:

Что соответствует номиналу С=1.44 мкф.

6.5 Подключение схем индикации

Индикаторы (КЛЦ 201) HG1 — HG4 подключаются к выводам микросхем через ограничительные резисторы. Номинал резисторов рассчитываются из выражения:

где U_cc — напряжения источника питания;

U_пр — напряжение на светодиоде матричного индикатора;

U⁰_вых — напряжение логического нуля на выходе ИМС;

I — ток, протекающий через светодиод матричного индикатора.

7. Программа

Для начала, необходимо узнать по каким адресам и какими командами необходимо пользоваться для обращения к конкретному устройству. Для этого заполним таблицу 6.1:

Таблица 7.1 — кодировка внешних устройств

Как видно из таблицы обращение к внешним устройствам происходит по комманде MOV (память и отображённые на память устройства), либо IN/OUT (все остальные). Это необходимо физически реализовать. Как видно из схемы электрической принципиальной БГУИ ХХХХХХ.ХХХ.Э3.

В таблице приведём распределение адресного пространства:

Текст программы

Подготовка и вывод данных на индикацию

Dec1: and Ax, 1ffh; перевод из двоичной в двоично-десятичную систему

Mov Cl, 100

Div Cl

Or Bh, al

Mov Al, ah

Mov Ah, 0

Mov Cl, 10

Div Cl

Shl Al, 1

Shl Al, 1

Shl Al, 1

Shl Al, 1

Or Al, ah

Mov Ah, bh

mov 8000, ax; вывод на индикаторы HG1 — HG4

End Dec1

8. Заключение

В ходе данного курсового проекта углубили знания по курсу проектирование компьютерных систем, необходимо также отметить, что в ходе данной работы сказалась недостаточное количество знаний в области языков низкого уровня, поэтому программу пришлось писать условно, но весьма приближённо к ассемблеру. В ходе проведенной работы закрепили основные моменты теории и применили её на практике.

9. Литература

1. Петровский А. А., Качинский М. В. Методическое пособие по проектированию микропроцессорных средств и систем, ч.1. — Мн.: МРТИ, 1992.

2. Фридмен М., Ивенс Л. Проектирование систем с микрокомпьютерами. — М.: Мир, 1986.

3. Русак И. М., Луговский В. П. Технические средства ЭВМ. — Мн.: Высшая школа, 1991.

4. Каган Б. М., Сташин В. В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. — М.:Энергоатомиздат, 1987.

5. Романычев Э. Т. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА. — М.: Радио и связь, 1989.