Перечень сокращений

БИС — большая интегральная схема.

МК — микроконтроллер.

ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.

ПЗУ — постоянное запоминающее устройство.

ПК — персональный компьютер.

УАПП — универсальный асинхронный приемопередатчик.

ЭВМ — электронная вычислительная машина.

Введение

Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса.

Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при низкой стоимости.

Микроконтроллеры представляют собой эффективное средство автоматизации разнообразных объектов и процессов.

Все это определяет необходимость изучения микропроцессорных систем. В настоящее время в РАУ имеются учебные методические комплексы УМК ВЭФ, базирующиеся на микропроцессоре I8080, позволяющие получить знания в программировании микропроцессоров. К сожалению, на кафедре нет лабораторной установки, позволяющей получить практические навыки в программировании микроконтроллеров.

Необходимо создание новой лабораторной базы, использующей на наиболее распространенные микроконтроллеры. Такими микроконтроллерами могут послужить микроконтроллеры семейства MCS-51 фирмы Intel.

Такие лабораторные установки могут использоваться не только как учебно-методическое пособие при изучении курса микропроцессоров, но и как устройства управления другими учебно-методическими комплексами, используемыми в других курсах.

Вышесказанное указывает на актуальность рассмотрения вопроса организации обмена информацией между персональным компьютером и микроконтроллером MCS-51 фирмы Intel.

Анализ состояния вопроса

В устройствах управления объектами (контроллерах) на основе МК аппаратурные средства и программное обеспечение существует в форме неделимого аппаратурно-программного комплекса. При проектировании контроллеров приходиться решать одну из самых сложных задач разработки, а именно задачу оптимального распределения функций контроллера между аппаратурными средствами и программным обеспечением. Решение этой задачи осложняется тем, что взаимосвязь и взаимовлияние аппаратурных средств и программного обеспечения в микропроцессорной технике претерпевают динамические изменения. Если в начале развития микропроцессорной техники определяющим было правило, в соответствии с которым аппаратурные средства обеспечивают производительность, а программное обеспечение — дешевизну изделия, то в настоящее время это правило нуждается в серьезной корректировке. Так как МК представляет собой стандартный массовый (относительно недорогой) логический блок, конкретное назначение которого определяет пользователь с помощью программного обеспечения, то с ростом степени интеграции и, следовательно, функционально-логических возможностей МК резко понижается стоимость изделия в пересчете на выполняемую функцию, что в конечном итоге и обеспечивает достижение высоких технико-экономических показателей изделий на МК. При этом затраты на разработку программного обеспечения изделия в 2 – 10 раз превышают затраты на приобретение и изготовление аппаратурных средств.

В настоящее время наибольшее распространение получил методологический прием, при котором весь цикл разработки контроллеров рассматривается как последовательность трех фаз проектирования:

• анализа задачи и выбора (и/или разработки) аппаратурных средств контроллера;
• разработка прикладного программного обеспечения;
• комплексирования аппаратурных средств и программного обеспечения в прототипе контроллера и его отладки.
• Фаза разработки программного обеспечения, т. е. фаза получения прикладных программ, в свою очередь, разбивается на два существенно различных этапа:
• "от постановки задачи к исходной программе";
• "от исходной программы к объектному модулю".

Этап разработки "от исходной программы к объектному модулю" имеет целью получение машинных кодов прикладных программ, работающих в МК. Этот этап разработки прикладного программного обеспечения легко поддается формализации и поддержан всей мощью системного программного обеспечения МК, направленного на автоматизацию процесса получения прикладных программ. В состав средств системного программного обеспечения входят трансляторы с различных алгоритмических языков высокого уровня, ассемблеры, редакторы текстов, программы-отладчики, программы-документаторы и т. д. Наличие всех этих системных средств придает инженерной работе на этом этапе проектирования контроллеров характер ремесла, а не инженерного творчества. Так как в конечном изделии имеются только МК и его средства сопряжения с объектом, то выполнять отладку разрабатываемого прикладного программного обеспечения на нем невозможно (из-за отсутствия средств ввода, вывода, ОЗУ большой емкости и операционной системы), и, следовательно, разработчик вынужден обращаться к средствам вычислительной техники для выполнения всех формализуемых стадий разработки: трансляции, редактирования, отладки, загрузки объектных кодов и программируемую постоянную память МК.

Этап разработки "от постановки задачи к исходной программе" не поддается формализации и, следовательно, не может быть автоматизирован. Проектная работа здесь носит творческий характер, изобилует решениями, имеющими "волевую" или "вкусовую" окраску, и решениями, продиктованными конъюнктурными соображениями. На этом этапе разработчик стакивается с наибольшим количеством трудностей.

На обоих этапах разработки необходимо тестировать программное обеспечение не только на эмуляторах, но и на "живом" МК, с целью выявления специфических ошибок (неправильная логика работы устройства, ошибки, связанные с эмуляцией). Это требует многократного перепрограммирования МК, что связанно с большой затратой времени (время стирания информации в ПЗУ с ультрафиолетовым, или электрическим стиранием может достигать нескольких десятков минут). Это время можно сократить, используя в качестве памяти программ не ПЗУ, а ОЗУ.

Разрабатываемое устройство значительно упростит оба этапа разработки, позволяя отлаживать программное обеспечение непосредственно на "живом" МК и позволит сэкономить время, связанное с записью и стиранием тестируемых программ.

При решении задач об оптимальном распределении функций между аппаратурными средствами и программным обеспечением необходимо исходить из того, что использование специализированных интерфейсных БИС упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие системы в целом, но сопряжено с увеличением стоимости, объема и потребляемой мощности. Больший удельный вес программного обеспечения позволяет сократить число компонентов системы и стоимость ее аппаратурных средств, но это приводит к снижению быстродействия и увеличению затрат и сроков разработки и отладки прикладных программ. При этом еще может несколько увеличиваться число БИС внешней памяти МК — системы. Решение о выборе того или иного варианта распределения функций между аппаратурными и программными средствами системы принимается в зависимости от тиражности изделия, ограничений по стоимости, объему, потребляемой мощности и быстродействию изделия. Программная реализация основных элементов алгоритма работы контроллера допускает его модификацию путем перепрограммирования. В то время как возможность изменения уже существующей фиксации элементов алгоритма в аппаратуре контроллера практически отсутствует.

После получения объектного кода программы неизбежно наступает этап отладки, т. е. установления факта ее работоспособности, а также выявления и устранения ошибок. Без этого этапа разработки никакое программное обеспечение вообще не имеет права на существование.

Обычно отладка прикладного программного обеспечения осуществляется в несколько этапов. Простые (синтаксические) ошибки выявляются уже на этапе трансляции. Далее необходимо выполнить:

· автономную отладку каждой процедуры в статическом режиме, позволяющую проверить правильность проводимых вычислений, правильность последовательности переходов внутри процедуры (отсутствие "зацикливания") и т. п.;

· комплексную отладку программного обеспечения в статическом режиме, позволяющую проверить правильность алгоритма управления (по последовательности формирования управляющих воздействий);

· комплексную отладку в динамическом режиме без подключения объекта для определения реального времени выполнения программы и ее отдельных фрагментов.

Эти этапы отладки осуществляются обычно с использованием кросс-систем. В состав кросс-систем входят программы-отладчики, интерпретирующие выполнение программ написанных для МК. Но как бы ни был хорош интерпретатор, он все равно не может полностью заменить реальный МК.