Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Микропроцессорные системы: Методические указания к выполнению курсовой работы

Голосов: 0

Рассматривается методология процесса проектирования МП-системы, приводятся методические указания к разработке МП-системы, правила оформления курсовой работы, примерные варианты заданий, список рекомендуемой литературы.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
      Пермский государственный технический университет
        Кафедра Информационных технологий
            и автоматизированных систем




                 Щемелева Т.К.



          Методические указания
к выполнению курсовой работы по дисциплине
      «Микропроцессорные системы»
          Тема: Разработка МП – системы.




                    Пермь-2006


     681.3
     М
      Щемелева Т.К. Методические указания к выполнению курсовой работы по
дисциплине «Микропроцессорные          системы» для студентов специальности 220100 –
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, КОМПЛЕКСЫ, СИСТЕМЫ И СЕТИ.
      Составитель: Щемелева Т.К. Пермь, Перм. гос. техн. ун-т 2006г., 26
Методуказания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры ИТАС ПГТУ « 2 »_февраля
2006г. Протокол №___




                                              2


                                                    Содержание
1.     Методология процесса проектирования МП – системы.......................................4
1.1.    Концепции и этапы проектирования МП- системы............................................4
1.2.    Факторы, влияющие на специфику проектирования............................................5
1.3.    Этапы проектирования с помощью САПР............................................................6
1.4.    Сопряженное проектирование и сопряженная верификация.....................................8
1.5.    Проектирование типовой конфигурации МП систем .........................................9
1.5.1. Типовые конфигурации.............................................................................................9
1.5.2. Основные этапы процедуры проектирования ....................................................10
1.6.    Средства и методы проектирования и автономной отладки аппаратных
        средств МП – системы..........................................................................................12
1.6.1. Выбор семейства МП/МК и стандартной периферии.......................................12
1.6.2. Аппаратные средства отладки.............................................................................13
1.7.    Средства и методы разработки программного обеспечения................................13
1.8.    Программные средства поддержки проектирования и отладки систем........14
2. Методические указания к разработке МП – системы ............................................15
2.1.    Исследовательский раздел.....................................................................................15
2.1.1. Исследование предметной области курсовой работы.......................................15
2.1.2. Составление технического задания на разработку МП – системы................15
2.2.    Конструкторский раздел.......................................................................................15
2.2.1. Системное проектирование...................................................................................15
2.2.2. Структурно – алгоритмическое проектирование.............................................16
2.2.3. Функционально – алгоритмическое проектирование..........................................17
2.2.4. Анализ функционирования МП – системы с помощью временной диаграммы.....17
3. Правила оформления курсовой работы (по ГОСТ 7.32-2000) .................................19
4. Примерные варианты заданий.......................................................................................
Список рекомендуемой литературы...............................................................................24




                                                            3


1. Методология процесса проектирования МП – системы
   1.1. Общие характеристики процесса проектирования МП- системы

   Основные концепции проектирования МП – системы изложены в [1]. Проектирование -
разработка технической документации, позволяющей изготовить устройство с заданным
функционированием, с заданными свойствами и в заданных условиях. В основе стратегии
проектирования лежит функциональная декомпозиция. Для системы в целом и ее блоков
используется концепция «черного ящика».
   Декомпозиция функций блоков выполняется до тех пор, пока не получатся типовые функции,
каждая из которых может быть реализована элементами выбранного уровня иерархии.
   Процесс проектирования -многоуровневый, многошаговый и итерационный, с возвратами
назад и пересмотром ранее принятых решений.
   Последовательная декомпозиция проекта на отдельные фрагменты (с определением функций
каждого фрагмента и его интерфейса) не зависит от иерархического уровня проектирования и
характерна для разработки широкого класса цифровых устройств, начиная от устройства целиком
и кончая проектированием отдельных БИС/СБИС. Такая методология проектирования отображает
процесс проектирования «сверху-вниз»: от технического задания до электрических схем, файлов
прошивки ПЗУ и конфигурации программируемых приборов, а также конструкции устройства в
целом.
   Следует отметить, что приведенное выше наглядное описание процесса проектирования
относится к каждому уровню проектирования. При этом декомпозиция заканчивается при
получении типовых функций, соответствующих выбранному уровню иерархии. Так, на верхнем
уровне (при многоплатной реализации) декомпозиция заканчивается при представлении проекта в
виде отдельных плат, на следующем уровне - в виде отдельной платы (типового элемента замены),
еще ниже декомпозиция осуществляется до реализации функций при помощи той или иной
микросхемы. А при ориентации на программируемые (разрабатываемые) пользователем
микросхемы процедура декомпозиции осуществляется уже для этой микросхемы в соответствии с
составом функциональных библиотек программируемых БИС/СБИС.
   С учетом возможностей современных систем автоматизации проектирования (САПР)
проектирование может считаться законченным после верификации проекта в целом, когда
завершена отладка готового изделия.
   Различие теоретической базы и понятийного аппарата, используемых на разных стадиях
проектирования, приводит к тому, что традиционным является разбиение процесса
проектирования цифровых устройств на следующие этапы:
          • системного проектирования;
          • структурно-алгоритмического проектирования;
          • функционально-логического проектирования;
          • конструкторско-технологического проектирования.
       На этапе системного проектирования определяется архитектура будущей системы, состав
компонентов и основные характеристики системы при таком её построении.
       При    структурно-алгоритмическом       проектировании     определяются    алгоритмы
функционирования аппаратных и программных компонентов системы.
       На этапе функционально-логического проектирования разрабатываются функциональные и
принципиальные электрические схемы, программы, подготавливаются тестовые и контрольные
данные.
       На конструкторском этапе производится привязка элементов проекта к конструктивным
элементам. Широкое использование САПР на всех этапах проектирования приводит к тому, что
современные подходы к разбиению процесса проектирования связывают с различием как
технических средств (инструментария), привлекаемых для создания проекта, так и технических
средств, используемых в качестве компонентов проекта и технологических особенностей
реализации конечного продукта. Хотя общая методология процесса проектирования не зависит от

                                             4


варианта разбиения процесса проектирования на отдельные уровни, содержание, а также методы и
средства проектирования для различных уровней оказываются очень специфичными и
существенно зависят как от типа применяемой элементной базы, так и от способа реализации
(изготовления) конечного продукта.

   1.2. Факторы, влияющие на специфику проектирования:

   Среди факторов, влияющих на специфику проектирования, можно выделить:
   1) тип обрабатываемой информации, методы и способы ее обработки (аналоговые, аналого-
      цифровые и/или цифро-аналоговые элементы)

   2) техническая база и технический способ реализации проекта (стандартные и/или заказные
      ИС)
   На рис.1 приведена классификация ИС




                                  Рисунок 1.-Классификация ИС
       К стандартным микросхемам отнесены схемы малой и средней степени интеграции -МИС и
СИС. Эти микросхемы производятся массовыми тиражами и реализуют стандартные элементы и
узлы, функционирование которых никак не определяется конкретными потребителями. К
стандартным схемам высокого уровня интеграции (БИС и СБИС) относятся цифровые схемы:
микропроцессоры, микроконтроллеры и запоминающие устройства (ЗУ), разнообразные
периферийные схемы для МП и МК, включая и аналого-цифровые схемы: аналого-цифровые
преобразователи (АЦП), цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Общее свойство этих схем то,
что они остаются неизменными после изготовления независимо от устройств и систем, в которых
они используются.
       К специализированным ИС (СпИС) относятся все, структура которых в отличие от
структур стандартных ИС массового производства каким-либо способом приспосабливается к
конкретным требованиям того или иного проекта. В английской терминологии СпИС именуются
ASICs (Application Specific Integrated Circuits). Среди СпИС различают классы полузаказных и
заказных. Разновидностями заказных микросхем являются полностью заказные и
спроектированные методом «на стандартных ячейках».
       Полностью заказные схемы целиком проектируются по требованиям конкретного
заказчика. Проектировщик имеет полную свободу действий, определяя схему по своему

                                             5


усмотрению вплоть до уровня схемных компонентов (отдельных транзисторов и т. п.). Для
изготовления схемы требуется разработка всего комплекта фотошаблонов, верификация и отладка
всех схемных фрагментов. Такие схемы очень дороги и имеют длительные циклы проектирования.
       МП-система создается в результате разработки комплекса программно-аппаратных средств.
Разработка аппаратной части сводится к компоновке системы из типовых модулей: центрального
процессорного элемента, различных видов памяти, адаптеров, контроллеров и внешних устройств.
Способы подключения модулей к шинам микропроцессорной системы, описания основных
модулей, сведения о типах и методике их выбора, программировании и применении приводятся в
литературе, посвященной описанию конкретных семейств. Ключевой проблемой при
проектировании МП-систем является разработка программного обеспечения (ПО). Некоторые
сведения о средствах и методике отладки ПО приведены в данной главе.

   1.3. Этапы проектирования с помощью САПР

   Основные этапы проектирования приведены на рисунке 2:




      Рисунок 2.- Укрупненная структура алгоритма автоматизированного проектирования
                   вычислительных устройств с использованием МП-средств

       Проектирование на концептуальном уровне возлагается на проектировщика и слабо связано
с автоматизацией. Исходные данные для проектирования на этом этапе содержат требования к
основным технико-экономическим показателям: производительности, энергопотреблению,
стоимости, надежности, конструктивным и другим параметрам. Кроме того, для управляющих
систем должны быть определены реализуемые алгоритмы управления, для универсальных систем
- классы выполняемых задач.


                                             6


       На этом уровне, исходя из требуемого функционирования устройства, проектировщик
осуществляет разбиение проекта на части, определяет множества входных и выходных сигналов
(как устройства в целом, так и его составных частей), их характер и взаимосвязь, а также решает
отдельные вопросы реализации составных частей. Основным результатом этого этапа является
разбиение алгоритмов работы системы на две составляющие для реализации программным и
аппаратным обеспечением выбранного типа МП-ядра, а также выделение задач, требующих для
своего выполнения разработки нетипового оборудования, как цифрового, так и аналогового.
   Результаты концептуального этапа позволяют перейти к следующим этапам проектирования.
Порядок работы по параллельным ветвям процедуры проектирования произволен и может во
времени выполняться как параллельно или последовательно, так и в произвольных комбинациях.
Более того, даже этап конструкторско-технологического проектирования может начинаться
(благодаря перепрограммируемости результатов любой ветви проектирования) до получения
окончательных результатов проектирования отдельных фрагментов устройства. Следует отметить
схожесть процедур проектирования по всем параллельным ветвям. Как разработка программного
обеспечения для МП- (МК) ядра, так и разработка дискретной и аналоговой частей проекта могут
рассматриваться как последовательность трех этапов.
   1) Ввод исходной для проектирования информации (спецификация работ этапа).
   2) Компиляция проекта.
   3) Верификация (тестирование) полученных результатов.
 Конкретное содержание этапов для аппаратной и программной частей проекта (а тем более
цифровой                                      и                                      аналоговой
частей) естественно различное. Компиляция аппаратной части проекта приводит к синтезу
устройства (или устройств) в базисе выбранных элементов (со стандартной и/или
программируемой структурой), а компиляция программной части проекта приводит к синтезу
кодового представления программ. Полученные результаты требуют тщательной проверки,
поэтому за этапом синтеза следует этап верификации, проводимого моделированием и/или
реальными экспериментами. Моделирование, как правило, имеет несколько уровней с разной
степенью отображения свойств реального объекта. Оно может быть функциональным,
проверяющим правильность логической структуры устройства или программы, временным,
учитывающим задержки сигналов в схемах устройства без учета окончательной топологии
трассировки или время исполнения отдельных программных фрагментов и т. д. В результате
верификации могут выявиться ошибки, требующие исправления, что придает процессу
проектирования итеративный характер с возвратами к прежним этапам и введением в проект
нужных коррекций.
   Более того, по мере отработки решений по отдельным ветвям проектирования отрабатываются
и вопросы связи между этими ветвями (например, между программной и аппаратной частями
проекта), хотя комплексный анализ и отладка могут быть выполнены только после завершения
отдельных ветвей процедуры проектирования. Естественно, такое последовательное
проектирование является условным. В реальных условиях выполняется последовательно-
параллельное проектирование с многократными итерационными возвратами к началу проектных
процедур.
   Завершение этапов проектирования по отдельным ветвям создает исходные данные для
завершающего конструкторско-технологического этапа проектирования, результатом которого
явится создание реальной системы. Физическая реализация проекта в свою очередь создает основу
для комплексной отладки решений, полученных на отдельных ветвях проектирования.

   1.4.      Сопряженное проектирование и сопряженная верификация

   До настоящего времени в проектировании аппаратно-программных систем доминирует
подход, основанный на разделении задачи на аппаратно-реализуемую и программно-реализуемую
части на ранних этапах проектирования, и эти части проектируются относительно независимо
вплоть до окончательного объединения системы. Тесное взаимодействие аппаратных и

                                              7


программных средств как в системах типа «процессор общего назначения -программируемый
аппаратный периферийный модуль», так и в системах SOPC потребовало разработки новых
подходов к процессу проектирования, что нашло свое отражение в концепции «сопряженного
проектирования аппаратно-программных систем» - (Hardware-Software Codesign).
    Основа методологии сопряженного проектирования (сопроектирования) - параллельная
взаимосвязанная проработка программных и аппаратных средств, что обеспечивает создание
наиболее эффективных конфигураций при сокращении времени разработки.
    Концепция сопроектирования предполагает решение следующих вопросов.
 1) Анализ задачи и ее разделение на фрагменты, безусловно назначаемые к исполнению
программно, безусловно исполняемые в аппаратуре, и фрагменты, которые могут быть
назначены как в аппаратную, так и в программную части таким образом, чтобы максимизировать
показатель качества системы в целом в зависимости от имеющихся ресурсов. Процедуру такого
предварительного          распределения         весьма        сложно         формализовать.
Рекомендуется назначать в программную часть сравнительно редко выполняемые фрагменты и
фрагменты,    требующие      больших     аппаратных    ресурсов,   например,    содержащие
операции арифметики с плавающей запятой. К безусловно аппаратным относят обычно
операции непосредственного управления периферией.
 2) Создание библиотеки возможных исполнителей алгоритмов, типичных для предполагаемой
области применения. Каждый объект такой библиотеки представляет некоторую
задачу и включает несколько вариантов программной реализации, например, в форме
С-кодов, а также несколько вариантов реализующих структур, обычно представляемых
как описания на языках схемотехнического проектирования, например VHDL. Эти вари-
 анты сопровождаются количественными характеристиками возможных исполнителей, таких как
время исполнения, затраты памяти, используемые ресурсы микросхем программируемой логики.
 3) Выбор оптимального сочетания исполнителей частей задачи исходя из определенной
целевой функции, ограничений и характеристик задачи. Обычно за критерий оптимизации
принимается время исполнения задачи. Имеющиеся ресурсы (память, свободные макроячейки
FPGA и т. п.) выступают как ограничения. Задача поиска оптимума является дискретной
оптимизационной задачей. Прямые, «точные» методы оптимизации, такие как метод ветвей и
границ, требуют весьма большого времени решения. Известен ряд приближенных эвристических
методов сокращения перебора, которые позволяют решать задачу выбора исполнителей с
приемлемой точностью при сравнительно не-больших затратах.
 4) Разработка соответствующего интерфейса между процессором общего назначения и
специализированным модулем, равно как и между блоками, включаемыми в аппаратную часть
системы. При этом следует обращать внимание на такие проблемы, как согласованность форматов
данных, буферизация, взаимное оповещение и взаимное блокирование процессов.

1.5. Проектирование типовой конфигурации МП систем

   1.5.1. Типовые конфигурации

      Методика проектирования/отладки МП- и МК-систем имеют определенную специфику. В
соответствии с названием МК-системы ориентированы на выполнение задач управления
определенными устройствами или их комплексами. МП-системы можно условно разделить на два
основных класса: универсальные, которые используются для решения широкого круга задач
обработки информации, и управляющие, которые специализируются на решении задач управления
процессами и объектами. Типичными примерами универсальных МП-систем являются
персональные компьютеры и рабочие станции, которые применяются в самых различных сферах
деятельности.
      Управляющие МП-системы имеют много общего с МК. Они также содержат различные
устройства, расширяющие возможности процессора для реализации сложных алгоритмов
управления. При этом периферийные устройства, многие из которых располагаются на кристалле

                                            8


МК, в МП-системах реализуются с помощью дополнительных микросхем, что повышает их
стоимость и снижает надежность. Разработка интегрированных МП, имеющих в своем составе ряд
периферийных устройств, и сложнофункциональных МК, содержащих высокопроизводительное
32-разрядное процессорное ядро, приводит к размыванию границы применения управляющих
МП- и МК- систем, постепенному стиранию функциональных и структурных различий между
ними.
       Основной особенностью МК является наличие в их составе ПЗУ (ППЗУ, РППЗУ, ЭСППЗУ,
флэш-памяти), в которое записывается резидентная рабочая программа системы. Разработка, отладка и
запись в ПЗУ этой программы является важнейшей стадией проектирования МК-систем. Записанная в
ПЗУ рабочая программа становится составной частью системы, последующее изменение или
коррекция которой обычно нежелательны или невозможны. При использовании внутреннего ПЗУ
возможности внешнего контроля работы МК в процессе отладки очень ограничены. Поэтому
комплексная отладка программного и аппаратного обеспечения МК-систем является достаточно
сложной процедурой, требующей использования специализированных методов и средств контроля.
Данный этап проектирования является также наиболее ответственным, так как невыявленная ошибка
может привести к весьма дорогостоящим последствиям. Особенностью МП-систем для ряда областей
применения является необходимость строгого соблюдения определенных норм времени на
выполнение программы или ее отдельных модулей.
       В МП-системах выполняемые модули рабочей программы загружаются в ОЗУ. Благодаря этому
имеется возможность оперативной коррекции рабочей программы в случае необходимости. В процессе
отладки проектировщик имеет доступ к общей шине, что облегчает текущий контроль за работой
системы. Однако наличие в большинстве современных МП внутренней кэш-памяти ограничивает
возможности внешнего контроля за ходом выполнения программы. Особенно возрастают сложности
отладки при использовании МП с суперскалярной структурой, в которых несколько команд
выполняются одновременно и естественная очередность их выполнения может не соблюдаться. Хотя
при проектировании МП-систем выполняются практически те же этапы, что и для МК-систем, однако
используемая процедура разработки и средства отладки во многих случаях существенно различаются.
Рассмотрим основные этапы проектирования/отладки этих систем и особенности их реализации.

   1.5.2. Основные этапы процедуры проектирования

   Общая процедура проектирования-отладки МП- и МК-систем включает этапы, показанные на
рисунке 3. Исходные данные для проектирования содержат требования к основным технико-




         Рисунок 3.- Основные этапы проектирования/отладки МП- и МК-систем
   экономическим     показателям:  производительности, энергопотреблению, стоимости,
надежности, конструктивным и другим параметрам.

                                               9


   Выбор типа МП-средств определяется прежде всего, классом выполняемых задач. В табл.1
приведены некоторые классы задач и рекомендации типа МП-средств.

      Таблица 1. Характеристики задач.
            Характеристика задачи                    Тип МП – средства    Основные требования
Управление специализированными и/или в
реальном времени объектами и процессами,                                    Быстродействие;
                                                     Микроконтроллеры
как        встраиваемое      или       автономное                         габариты, стоимость.
оборудование.
Управление системами и устройствами                                       Быстродействие;
связи                                                Универсальные МП     габариты,         стоимость,
                                                                          объем       внешней       и
                                                                          внутренней памяти.
Информационно – измерительные системы:
 2. Система регистрации аналоговых данных
 3.Измерительные приборы
 Системы управления технологическими                                      Унификация, гибкость
 процессами(ТП):                                                          подсистемы            ввода
 • Устройства сбора данных для контроля                                   вывода        информации,
 параметров ТП                                                            габариты,         стоимость,
 • и др.                                                                  потребление энергии.


Задачи фильтрации и поиск сигналов,                                      малые габариты, легкая
вычисление         спектров,       преобразование                        стыковка       с     аналого-
сигналов      из    одного     вида    в   другой,                       цифровыми и цифро-
устранение         отражений       и   выделение                       аналоговыми
                                                         Сигнальные
полезного сигнала на фоне помех                        микропроцессоры преобразователями,
                                                              и
                                                                       большая    разрядность
                                                       нейропроцессоры
                                                                       обрабатываемых
                                                                         данных     и       небольшой
                                                                         набор     математических
                                                                         операций
Обработка сигналов в реальном времени:                                   Максимальное
      • распознавание речи                             Транспьютеры      быстродействие.
      • обработка изображений

                                                     Нейропроцессоры

                                                     10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика