Научная статья на тему 'Выбор программно - аппаратных средств для начального обучения студентов основам микропроцессорной техники'

Выбор программно - аппаратных средств для начального обучения студентов основам микропроцессорной техники Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
192
43
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА / МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Смирнов В. А., Шуваева О. В.

Рассмотрен выбор лабораторной базы для изучения микропроцессорной техники.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

HARDWARE AND SOFTWARE CHOISE FOR STUDENTS TRAINING IN MICROPROCESSOR TECHNOLOGY PRINCIPLES

Laboratory hardware and software choice for study of microprocessor technology is discussed.

Текст научной работы на тему «Выбор программно - аппаратных средств для начального обучения студентов основам микропроцессорной техники»

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, [email protected] (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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.