CC BY
29УДК 621.396
Учебный лабораторный комплекс по микропроцессорной технике
В.К.Макуха, А.В.Марков, В.А.Микерин, В.В.Миронов, А.Ф.Соловьёв Новосибирский государственный технический университет
Описан универсальный учебный лабораторный комплекс по микропроцессорной технике. Объектами изучения являются микропроцессор архитектуры x86, микроконтроллер семейства MCS-51 и программируемая логическая интегральная схема класса CPLD. В состав комплекса входит комплект методических материалов. Возможна работа в режиме удаленного доступа.
Ключевые слова: учебный лабораторный комплекс, микропроцессор, микроконтроллер, программируемая логическая интегральная схема, дистанционный пульт.
Современные государственные образовательные стандарты высшего профессионального образования практически для всех направлений, связанных с электроникой, предусматривают изучение микропроцессорной техники с обязательным лабораторным практикумом. Для быстрого освоения новых изделий микропроцессорной техники выпускается множество стартовых комплектов разработчика (DSK, evaluation board, demo board). Однако эти изделия предназначены скорее для специалистов, а не для студентов, которые проходят курс обучения с начального уровня. Кроме того, отмеченные стартовые комплекты разработчика не сопровождаются методическими указаниями. Это только руководства пользователя, принципиальные схемы и типовые программы (examples). Образовательный процесс будет эффективнее при наличии специальных методических указаний к лабораторным работам, которые нацелены на изучение принципов работы микропроцессорной техники. В высших учебных заведениях актуально использование специальных стендов, ориентированных в первую очередь на учебный процесс и обеспечивающих эффективную подготовку специалистов, начиная с самых азов. Такие стенды должны обязательно сопровождаться подробной документацией и методическими указаниями, иметь открытую конструкцию (с методически продуманным представлением изучаемой аппаратуры) и интуитивно понятный интерфейс. Учебные стенды предназначены для получения студентом начального представления и понимания работы микропроцессорных систем. Стенды должны быть созданы так, чтобы можно было постепенно повышать уровень сложности занятий, а последовательность этапов обучения основываться на принципе «от простого к сложному».
Существуют два основных подхода к организации лабораторных работ: использование учебного лабораторного стенда - реального микропроцессорного комплекса с открытой конструкцией; использование симулятора - программы, имитирующей работу микропроцессорной системы на обычном персональном компьютере. Использование учебных стендов (аппаратных средств) предпочтительнее, потому что они дают наглядное представление о физическом устройстве микропроцессорной системы, об устройстве аппаратной части. Работая со стендом, студент получает опыт и навыки работы
© В.К.Макуха, А.В.Марков, В.А.Микерин, В.В.Миронов, А.Ф.Соловьёв, 2011
с реальными приборами, периферией и интерфейсами. Аппаратные средства имеют особенности и специфику работы, которые симулятор учесть не может.
На кафедре электронных приборов факультета радиотехники и электроники Новосибирского государственного технического университета разработан учебный лабораторный стенд по микропроцессорной технике, позиционируемый именно как учебный. Стенд предназначен в первую очередь для использования в образовательном процессе. Стенд является универсальным и содержит на одной плате три объекта изучения: микропроцессор (МП), микроконтроллер (МК), программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), наиболее часто используемые в микропроцессорной технике на сегодняшний день аппаратные средства.
Функциональная схема. Упрощенная функциональная схема стенда представлена на рис.1. На стенде можно выделить блоки: МП, МК, ПЛИС. Каждый блок включает в себя соответствующий объект изучения, непосредственно подключенные специфические периферийные устройства и интерфейсы. Кроме того, имеется широкий набор стандартных внешних устройств ввода-вывода (блок ВУ). Учебный лабораторный стенд имеет шины адреса, данных и управления, связывающие между собой изучаемые блоки, блок ВУ и статическое оперативное запоминающее устройство (СОЗУ). МП подключается к блоку ВУ и СОЗУ по классической схеме, используя шины адреса, данных и управления. МК и ПЛИС подключаются к блоку ВУ и СОЗУ своими портами ввода-вывода опосредованно через системный блок, который мультиплексирует их шины.
Управление лабораторным стендом, в том числе и объектами изучения, осуществляется системным блоком, выполненным на основе системных МК и ПЛИС. Такая реализация стенда позволяет изучать объекты в сопоставлении друг другу, когда можно оценить и сравнить их возможности при решении каждым конкретной задачи, например работа с внешними устройствами. Для этого предусмотрен специальный сквозной цикл лабораторных работ.
Реализация учебного стенда позволяет осуществлять коммутацию объектов изучения не только с внешними устройствами, но и между собой, тем самым предоставляя возможность одновременной работы с несколькими учебными блоками. Например, можно разработать и отладить собственный интерфейс взаимодействия МК и ПЛИС, или же разработать прототип какого-либо устройства, выполненного на МК и ПЛИС. Следует отметить, что такая реализация учебно-методического лабораторного комплекса по сравнению с лабораторными стендами с одним объектом изучения позволяет сократить количество используемых внешних устройств и источников питания.
Блок микропроцессора. Эффективнее начинать базовое обучение с микропроцессоров. Необходимо изучить принципы работы и организацию микропроцессора. Затем приступить к изучению микроконтроллеров, главной частью которых является микропроцессор, основные принципы работы которого уже знакомы.
Первый блок - блок микропроцессора. Самыми развитыми являются процессоры общего назначения Intel® Core™ (по состоянию на 2009 г.) [1]. Они не очень удобны для использования в обучающих стендах на начальных этапах изучения микропроцес-
Блок МП f-
\|- /-
ч-
-1
Л_И ГС
СОЗУ 64К х16
Блок ВУ
| 7-сегм. индикатор |
ША ШД ШУ
Рис.1. Функциональная схема учебного лабораторного стенда
DIP-переключ
сорной техники из-за высокой сложности, стоимости и большого энергопотребления. При этом они относятся к архитектуре IA-32 и Intel® 64, которая является развитием архитектуры х86, являющейся классической архитектурой микропроцессоров в персональных компьютерах класса IBM PC [2]. В качестве изучаемого микропроцессора выбрана модель Intel 80386EXTB, выпускаемая с 1985 г. Базовые принципы его работы не сильно отличаются от тех, что используются в современных микропроцессорах. Такой микропроцессор намного проще для изучения, чем более сложные версии той же архитектуры (80486, Pentium). Дальнейшие разработки, направленные на увеличение производительности, размеров памяти, разрядности обрабатываемых данных, только усложняют изучение основ архитектуры и программирования, для освоения которых обычно и предназначены учебные стенды. В учебных стендах важна простота и наглядность системы, в доступной форме иллюстрирующие работу и устройство микропроцессора. Следует отметить, что в России разрабатывается аналог микропроцессора Ï80386EX (ОАО «Светлана»), который маркируется как интегральная микросхема 1875ВД2Ф [3].
Изучаемый микропроцессор является статическим, что позволяет выполнять программы пользователя по тактам, циклам и командам. Дополнительным доводом использования МП Ï80386EX является то, что в нем интегрированы различные периферийные модули, характерные для микроконтроллеров (отличительная особенность встраиваемых МП) [4]: контроллер прямого доступа к памяти, блок синхронного и асинхронного обмена, таймеры/счетчики, параллельный порт ввода-вывода, контроллер приоритетных прерываний. Программные модели этих модулей и микросхем серии i82XX, используемых в современных персональных компьютерах класса IBM PC, совпадают. Такой микропроцессор дает возможность проводить лабораторные работы по изучению функционирования этих периферийных (интерфейсных) модулей.
Блок микроконтроллера. В настоящее время широко распространена классическая архитектура MCS-51. В качестве МК используется представитель этой архитектуры - МК C8051F341 фирмы Silicon Laboratories. Также имеется специальная колодка, предусмотренная для подключения плат с установленными на них МК семейства MCS-51 других производителей и МК других архитектур (например, ARM, AVR, PIC). В блоке заложена возможность выполнения лабораторных работ по изучению аналого-цифрового преобразователя МК и интерфейсов UART, USB, I2C (программирование цифрового потенциометра), SPI (программирование flash-памяти). Кроме того, линии интерфейсов выведены на разъемы, к которым можно подключать дополнительные периферийные устройства. Благодаря второму учебному блоку можно проводить лабораторные работы по изучению МК и современных интерфейсов.
Блок программируемой логической интегральной схемы. В электронной технике широко применяются ПЛИС. Поэтому третий блок - это блок ПЛИС на основе одного из представителей популярного семейства MAX II фирмы Altera, ведущего производителя микросхем программируемой логики. Для работы с ПЛИС желательно знание хотя бы одного из специальных языков программирования, называемых языками описания аппаратуры - HDL (Hardware Description Language).
Блок внешних устройств. Стенд имеет разнообразную периферию: последовательную flash-память, блок светодиодной индикации (43 светодиода), двухразрядный 7-сегментный светодиодный индикатор, знакосинтезирующий жидкокристаллический индикатор, цифровую и управляющую клавиатуры, набор кнопок для имитации сигналов внешних устройств, регистр ввода (соединенный с DIP-переключателем), регистр вывода (подключенный к линейке из 8 светодиодов), блок выбора адреса внешнего устройства, звуковой излучатель, драйвер шагового двигателя, энкодер, акселерометр (поставляется в комплекте), цифровой потенциометр, отладочные светодиоды, пере-
менный резистор. Этот набор внешних устройств обычно требуется для реализации микропроцессорных систем.
Режимы работы учебного лабораторного стенда. Стенд работает в трех основных режимах: «МП», «МК», «ПЛИС». Также возможна реализация режимов работы с комбинацией объектов изучения. Выбор режима выполняется специальным переключателем.
В режиме работы «МП» можно проводить лабораторные работы по изучению МП и его периферийных модулей. Пользователь вводит программу для МП с клавиатуры учебного лабораторного стенда, при этом происходит автоматическое сохранение программного кода в СОЗУ. Для более глубокого понимания работы микропроцессора ввод программы осуществляется в машинных кодах. Кроме того, имеется возможность загрузки программы пользователя напрямую с компьютера. Затем написанная программа запускается на выполнение. Процесс выполнения программы отслеживается по состоянию блока светодиодной индикации, отображающего состояние всех системных шин МП: шины адреса, данных и управления, состоянию основных регистров МП, отображаемых на ЖКИ, по характерным данным в СОЗУ и другой периферии.
В режиме работы «МК», можно проводить лабораторные работы по изучению МК и современных интерфейсов (UART, uSb, I2Q SPI). Стенд подключается к ПК через USB-программатор, который входит в состав комплекса. В среде разработки пользователь создает свою программу, компилирует, загружает ее в МК и отлаживает. В качестве среды разработки используются бесплатная среда разработки фирмы Silicon Laboratories или оценочная версия ^Vision Evaluation Version фирмы Keil и другие среды разработки.
В режиме работы «ПЛИС», можно проводить лабораторные работы по изучению ПЛИС и HDL-языков. Стенд подключается к ПК через специальный загрузочный кабель Byte Blaster Multi Volt, который входит в состав комплекса. Проекты для ПЛИС пользователь создает в бесплатной среде разработки Quartus II Web Edition фирмы Altera. Далее проект загружается в ПЛИС, работа проектов контролируется с помощью средств индикации и других периферийных устройств ввода-вывода.
Удаленный доступ. Компьютерные сети и Интернет сделали доступными технологии дистанционного обучения.
Учебный лабораторный стенд предоставляет возможность удаленного доступа при работе со всеми объектами изучения (МП, МК, ПЛИС). Студенты, обучающиеся по очной форме, имеют возможность предварительно выполнять лабораторные работы с любого компьютера, имеющего доступ в Интернет.
Схема обеспечения удаленного доступа к учебному лабораторному стенду показана на рис. 2. Сервером называется компьютер с подключенным к нему стендом, на котором работает специальное программное обеспечение, реализующее удаленный доступ. Клиентом называется компьютер пользователя.
Пользователь работает на своем компьютере с клиентским приложением, которое является частью управляющей программы. Внешний вид главного окна клиентского приложения показан на рис.3. В окне отображается картинка, транслируемая установленной над стендом видеокамерой. В результате пользователь может сразу видеть реакцию стенда на свои действия, а управление стендом производится через щелчки мышью по изображениям кнопок. Приложение воспринимает их, переводит в коды кнопок и посылает через Интернет серверной части программы, которая передает системному микроконтроллеру стенда информацию о «нажатых» пользователем кнопках. Управле-
Рис.2. Схема обеспечения удаленного доступа к учебному лабораторному стенду
О/АХ Стенд не подключен!
Рис.3. Внешний вид главного окна клиентского приложения в режиме трансляции
ние стендом с ПК и с собственной клавиатуры стенда абсолютно равнозначны, так как в обоих случаях обработку нажатий кнопок выполняет один и тот же фрагмент системной программы стенда.
На сервере работает реализующее удаленный доступ программное обеспечение, которое состоит из трех компонентов:
- сервера видеотрансляции, передающего пользователю изображение стенда. В качестве сервера видеотрансляции используется VLC Player, передача осуществляется по протоколу HTTP, размер кадра 640*480 точек, частота 15 кадров в секунду. При использовании кодека Windows Media Video 9 для передачи видео с приемлемым качеством требуется полоса пропускания канала связи не менее 512 Мбит/с;
- серверной части управляющей программы, получающей от пользователя информацию о «нажимаемых» кнопках и передающей их стенду. Эта часть передает клиентскому приложению служебную информацию (состояние стенда, адрес сервера видеотрансляции и др.);
- среды разработки, необходимой для программирования учебного микроконтроллера и ПЛИС. Пользователь может получить доступ к ним, если подключится к серверу по стандартному протоколу RDP (remote desktop protocol).
Методическое обеспечение. Комплекс позиционируется в первую очередь как учебный, поэтому для него составлены методические указания, в которые входят циклы лабораторных работ по изучению МП i80386EX, МК архитектуры MCS-51, ПЛИС семейства MAX II Altera. Эти указания дополнительно сопровождаются учебным пособием, содержащим общие сведения по ПЛИС (область применения, современная классификация, структура, основные принципы функционирования), а также по основам языка VHDL.
Особенностью методических указаний для учебного лабораторного комплекса является то, что они написаны в едином методическом стиле, включающем в себя единый взгляд: при изучении того или иного объекта (МП, МК, ПЛИС), периферии и интерфейсов обучаемому не придется адаптироваться к различному изложению материала и подходам обучения.
Методические указания содержат достаточный для выполнения лабораторных работ теоретический материал, подробное описание каждого блока стенда (органы управления, системы индикации, функциональные и принципиальные схемы), методику работы со стендом и средами разработки (Quartus II, ^Vision). Кроме того, объясняются некоторые системные элементы функционирования стенда. Главная часть методических указаний - непосредственно комплекс лабораторных работ с заданиями, разработанными так, что каждый студент выполняет их индивидуально в соответствии c номером своего варианта. Цикл рассчитан на использование каждым студентом одного лабораторного стенда. Лабораторная работа в методических указаниях
сопровождается блоком контрольных вопросов, которые следует использовать при домашней подготовке, а также для проверки знаний после выполнения лабораторных работ.
В результате лабораторных циклов по изучению МП и МК студент получает базовые представления об организации и работе микропроцессорной системы на самом низком уровне, знакомится с классическими архитектурами (x86, MCS-51). Программирование в кодах позволяет глубже понять и прочувствовать работу МП системы. Студент осваивает некоторые начальные навыки программирования на языках ассемблер и Си и получает базовые знания в области схемотехники микропроцессорных систем, которые можно использовать в дальнейшей профессиональной деятельности. В результате лабораторного цикла по изучению программируемой логической интегральной схемы получает навыки работы в современной САПР по разработке цифровых устройств на базе микросхем фирмы Altera - САПР Quartus II, практический опыт работы с реальной микросхемой ПЛИС, а также навыки разработки принципиальных цифровых схем и программирования на языке описания аппаратуры VHDL.
Учебный лабораторный комплекс может быть использован в технических учебных заведениях, компаниях, на предприятиях для обучения прикладным цифровым технологиям с целью подготовки высококвалифицированных специалистов. Он также может быть использован для проведения исследовательских работ и как вспомогательный отладочный инструмент при разработке или тестировании аппаратно-программных средств.
Работа поддержана аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», проект № 3883.
Литература
1. Intel. Номера процессоров Intel. - [web-документ]. - URL: http://www.intel.com/products/processor_ number/rus/index.htm] (2.10.2009).
2. Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manual, Volume 1: Basic architecture Nove m-ber 2006 Order Number: 253668-022US.
3. СЫрЕХР0-2007. - [web-документ]. - URL: [http://chipexpo.chipexpo.ru/docs/for_uchastnikov/ chipexpo2007_book.pdf] (5.10.2009).
4. Intel386™ EX Embedded Microprocessor User's Manual 1996 Order Number: 272485-002
Статья поступила 2 февраля 2010 г.
Макуха Владимир Карпович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электронных приборов Новосибирского государственного технического университета (НГТУ). Область научных интересов: электронные цепи и микросхемотехника, микропроцессорные системы и персональные компьютеры, цифровая обработка сигналов, автоматизация эксперимента, медицинская электроника. E-mail: makukha@epu.ref.nstu.ru
Марков Артем Владимирович - аспирант кафедры электронных приборов НГТУ. Область научных интересов: электронные цепи и микросхемотехника, микропроцессорные системы и персональные компьютеры, автоматизация эксперимента, компьютерное проектирование электронных схем, цифровая обработка аудиоинформации.
Микерин Владимир Александрович - старший преподаватель кафедры электронных приборов НГТУ. Область научных интересов: автоматизация эксперимента, основы микропроцессорной техники.
Миронов Владислав Вячеславович - магистрант НГТУ. Область научных интересов: микропроцессорные системы и персональные компьютеры, автоматизация эксперимента, программирование.
Соловьёв Александр Федорович - аспирант кафедры электронных приборов НГТУ. Область научных интересов: электронные цепи и микросхемотехника, микропроцессорные системы и персональные компьютеры, автоматизация эксперимента.
