CC BY
47
УДК 378.371
В.А. Смирнов, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-05-72 (Россия, Тула, ТулГУ),
О.В. Шуваева, канд. техн. наук, доц. (4872) 35-05-52, sva37@tula.net (Россия, Тула, ТулГУ)
ВЫБОР ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ НАЧАЛЬНОГО ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ ОСНОВАМ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ
Рассмотрен выбор лабораторной базы для изучения микропроцессорной техники.
Ключевые слова: микропроцессорная техника, методика преподавания.
В настоящее время дисциплина «Электроника и микропроцессорная техника» является одной из базовых дисциплин при подготовке современного специалиста. При этом важно, чтобы при изучении столь сложной и практически важной дисциплины студент получил не только абстрактные теоретические знания, но и приобрел практические навыки в проектировании и отладке различных узлов аналоговой и цифровой электроники. При изучении микропроцессорной техники необходимо учитывать, что данная область является одной из наиболее быстро развивающихся отраслей науки и промышленности, что приводит к быстрому устареванию знаний и постоянному и значительному увеличению необходимого для освоения объема информации. Учитывая разнообразие микропроцессоров, возникает проблема выбора семейства, на котором студенты могут освоить основные принципы работы и программирования микропроцессорных устройств. Сжатые сроки обучения и сложность первоначального освоения микропроцессорной техники, а также ограниченность финансирования Российских вузов предъявляют следующие требования к выбору семейства микропроцессоров для первоначального изучения:
1) простоты архитектуры;
2) простора программирования;
3) возможности изучения не только работы микропроцессора, но и связанных с ним периферийных устройств (портов ввода-вывода, таймеров-счетчиков, и.т.п.);
4) наличия интегрированной среды программирования и отладки с простым и понятным интерфейсом;
5) доступности;
6) малой стоимости.
Перечисленным выше требованиям в наибольшей степени соответствуют восьмиразрядные микроконтроллеры фирмы «Atmel» с архитектурой AVR. Данные микроконтроллеры реализуют концепцию «Система на кристалле», т.е. с интегральной схемой такого микропроцессора можно работать, просто подав на нее напряжение питания, т.к. помимо микропро-
цессорного ядра, микросхема включает в себя тактовый генератор, ППЗУ программ, ОЗУ, ППЗУ данных и внутрисхемный программатор.
Семейство восьмиразрядных микроконтроллеров Atmel AVR в настоящее время включает в себя два семейства: tiny AVR, mega AVR, AVR Xmega.
Основные особенности микроконтроллеров данных семейств:
- возможность вычислений со скоростью до 1 MIPS/МГц;
- FLASH память программ объемом от 1 до 512 Кбайт (число циклов стирания/записи не менее 10000);
- память данных на основе статического ОЗУ (SRAM) объемом до 1024 байт;
- память данных на основе ЭСППЗУ (EEPROM) объемом от 64 до 1024 байт (число циклов стирания/записи не менее 100000);
- возможность защиты от чтения и модификации памяти программ и данных (в EEPROM);
- программирование в параллельном (с использованием программатора) либо в последовательном (непосредственно в системе через последовательный SPI-интерфейс) режимах;
- различные способы синхронизации: встроенный RC-генератор, внешний сигнал синхронизации или внешний резонатор (пьезокерамиче-ский или кварцевый);
- наличие нескольких режимов пониженного энергопотребления.
Основными характеристиками центрального процессора микроконтроллеров рассматриваемого семейства являются:
- полностью статическая архитектура; минимальная тактовая частота равная нулю;
- АЛУ, подключенное непосредственно к регистрам общего назначения;
- большинство команд выполняется за один машинный цикл;
- многоуровневая система прерываний; поддержка очереди прерываний;
- от 3 до 16 источников прерыванийЗ (из них до 2 внешних);
- наличие программного стека.
Микроконтроллеры семейства AVR обладают достаточно развитой периферией. Набор периферийных устройств зависит от конкретной модели. Основными периферийными устройствами:
- 8-разрядный таймер/счетчик с предделителем (таймер T0)1;
- 16-разрядный таймер/счетчик с предделителем (таймер T1);
- 8-разрядный таймер/счетчик с возможностью работы в асинхронном режиме (таймер T2);
- сторожевой таймер (WDT);
- одно- или двухканальный 8...10D разрядный генератор сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ);
- одноканальный 8-разрядный генератор сигнала с ШИМЗ;
- аналоговый компаратор;
- 10-разрядный АЦП (8 каналов);
- полнодуплексный универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (USART);
- последовательный синхронный интерфейс SPI.
- нагрузочная способность всех выходов составляет до 20 мА, что позволяет непосредственно управлять светодиодными индикаторами.
Для программирования и отладки данного семейства микроконтроллеров разработчик предлагает интегрированную среду программирования и отладки AVR Studio, работающую в среде операционных систем семейства Windows. Этот программный продукт включает в себя:
- встроенный текстовый редактор, для набора исходного кода программы;
- компилятор с языка Ассемблер;
- программный симулятор аппаратной части микроконтроллеров семейства Atmel;
- поддержку внешних устройств, таких, как - внутрисхемные эмуляторы (ВСЭ) ICEPRO, ICE200 и программаторы типа AVR ISP и STK500/501.
- поддержку свободно распространяемого компилятора языка C.
Необходимо отметить, что среда AVR Studio свободно распространяется разработчиком без ограничения функциональности.
При программировании микроконтроллера можно использовать языки программирования высокого уровня - Си, Паскаль, Бейсик, но для освоения принципов работы микропроцессорных систем при их изучении представляется целесообразным использование языка низкого уровня - ассемблера. С этой точки зрения выбор микроконтроллеров AVR, основанных на расширенной Гарвардской RISC архитектуре, также представляется весьма целесообразным. Применение в ассемблере AVR коротких простых команд делает его легким для освоения.
Программный симулятор среды AVR Studio наглядно моделирует работу микропроцессора и встроенной периферии при выполнении программы, что значительно облегчает отладку программы и способствует лучшему пониманию особенностей работы микропроцессорных систем. Симулятор позволяет пошагово выполнять программу, наблюдая изменение состояния микропроцессора, памяти, периферийных устройств и времени выполнения каждой команды ассемблера.
Применение среды AVR Studio позволяет ставить полноценные виртуальные лабораторные работы. Использование виртуальных лабораторных работ позволяет легко обеспечить каждого студента индивидуальным заданием, варьировать содержание работ в соответствии с уровнем подготовки студентов и развивать тематику лабораторных работ. Преиму-
ществом виртуальных лабораторных работ также является простота экспериментирования с изменением параметров программы, что способствует развитию у студентов навыков исследования и обеспечивает лучшее понимание работы микропроцессорной схемы. Кроме того, отсутствует опасность повреждения лабораторного стенда в результате неточной работы студента, что нередко случается при работе с реальными лабораторными стендами.
Однако, несмотря на все преимущества виртуальных лабораторных работ, нельзя полностью исключать из учебного процесса работу с реальными лабораторными стендами и электронными схемами. Работа с реальными электронными схемами позволяет студенту приобрести практические навыки работы, ознакомиться с реально существующей элементной базой. Работа с реальными электронными элементами и устройствами позволяет студентам «почувствовать» схему, понять различие между моделированием и реальной работой.
Использование микроконтроллеров AVR позволяет легко перейти от виртуальных лабораторных работ к реальным. Это возможно благодаря широкому выбору недорогих демонстрационных плат на базе данных микроконтроллеров и возможности внутрисхемного программирования через последовательный интерфейс SPI микроконтроллера, сопрягаемого с интерфейсом RS-232 персонального компьютера.
Суммируя все выше сказанное можно рекомендовать изучение микропроцессорной техники на базе микроконтроллеров с архитектурой AVR фирмы Atmel путем имитационного моделирования с последующим исследованием реального стенда.
Список литературы
1. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Classic фирмы «ATMEL». М.: Додэка-XXI, 2002. 288 с.
2. Гребнев В.В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы «ATMEL». М.: Радиософт, 2002. 176 с.
3. http://www.atmel.com/.
4. http://www.atmel.ru/.
V.A. Smirnov, O. V. Shuvaeva
HARDWARE AND SOFTWARE CHOISE FOR STUDENTS TRAINING IN MICROPROCESSOR TECHNOLOGY PRINCIPLES.
Laboratory hardware and software choice for study of microprocessor technology is discussed.
Key words: microprocessor technology, teaching methodology.
Получено 17.10.12
