Обмен информацией между персональным компьютером и микроконтроллером

       Министерство образования  Российской Федерации

       Алтайский государственный технический университет 

       им. И. И. Ползунова 

             Кафедра "Методы и средства  измерений и автоматизации" 

       Отчет защищен с оценкой ____________

       "_____"_____________2011 г.

                                                          

                                                            

                        ____________    _________________________         

                           подпись             ф.и.о. руководителя от вуза  

       ОТЧЕТ

       об  учебной  практике в БТИ 
 

       Студент                                 ___________    

                                                      подпись

       Руководитель 

       от  университета                    ___________    

                                                      подпись

            
 
 
 
 
 

       2011

    Содержание 

Введение 3

Анализ  состояния вопроса 4

Разработка  вопросов аппаратного и программного сопряжения 9

Программное сопряжение микроконтроллера и ПК 13

Заключение 16

Список  используемой литературы 17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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. 

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. 
 
 
 
 

Анализ  состояния вопроса

 

       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.

       С использованием разрабатываемого устройства можно будет выполнять рассмотренные  этапы отладки уже непосредственно  на "живом" МК, подключая к нему реальные физические объекты. Эти этапы  отладки можно будет объединить со следующими этапами разработки устройства — отладка отдельных фрагментов программного обеспечения на отладочном модуле в режиме реального времени. Можно будет исключить этап комплексной отладки прикладного программного обеспечения на инструментальной микроЭВМ с внутрисхемным эмулятором.

       Разрабатываемое устройство должно обеспечить все необходимые  возможности, доступные в кросс-системах:

• доступ к любому ресурсу МК;
• пошаговое исполнение программ.

       Разрабатываемое устройство позволит промоделировать  практически все возможные варианты работы программы и тем самым  убедиться в ее работоспособности. Здесь возможна проверка работоспособности программы при нештатных ситуациях в условиях поступления некорректных входных воздействий

       Можно будет моделировать среду обитания МК, т. е. различного рода объекты и датчики, подключаемые к нему.

       Это устройство устраняет главный недостаток кросс-систем — невозможность прогона программы в реальном масштабе времени, т. е. со скоростью близкой к скорости выполнения программы в самом МК, а также невозможность комплексирования аппаратурных и программных средств разрабатываемой системы. Именно эти причины влияют на достоверность прикладных программ, отлаженных в кросс-системах. Эта достоверность, как правило, недостаточно высока.