Правительство Российской Федерации Московский институт электроники и математики Научно-исследовательского университета

Правительство Российской Федерации
Московский институт электроники и математики
Научно-исследовательского университета
"Высшая школа экономики"
Факультет Информационных технологий и вычислительной техники
Кафедра Вычислительные системы и сети
Программа дисциплины
«Микропроцессорные системы»
для направления 230100.01 «Информатика и вычислительная техника»
подготовки специалиста
Автор программы
доцент, к.т.н. В.В.Ерохин
verokhin@hse.ru
Одобрена на заседании кафедры вычислительных систем и сетей
«___»____________ 2012 г
Зав. кафедрой А.В. Вишнеков
Москва
1. Цели и задачи дисциплины
Целью курса "Микропроцессорные системы" является
ознакомление студентов с
микропроцессорными средствами и методами проектирования микропроцессорных
систем на их основе.
В результате изучения курса студенты должны усвоить определенные знания и
умения.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
Основные знания, приобретаемые студентами при изучении дисциплины:
- структура, архитектура и назначение микропроцессорных комплексов БИС и микроЭВМ;
- методы выбора структуры и построения цифровых систем на основе
микропроцессорных средств;
- средства и методы разработки программного обеспечения микропроцессорных
систем;
- средства и методы разработки и отладки технических средств и микропроцессорных
систем в целом.
Основные умения, приобретаемые студентами при изучении дисциплины:
- выбор микро-ЭВМ или микропроцессорного набора БИС для построения цифровых
систем;
- разработка программного обеспечения микропроцессорной системы;
- разработка технических средств МП-системы.
3. Объем дисциплины и виды учебной деятельности
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия:
Лекции (Л)
Практические занятия (ПЗ)
Семинары
Лабораторные работы (ЛР)
Курсовой проект (КП) или работа (КР)
Самостоятельная работа:
Расчетно-графические работы
Реферат
Дом. задания (ДЗ) и др.
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
Семестры
Всего
часов
1
2
102
51
–
51
17
51
34
–
34
-
51
17
–
17
17
–
10
–
6
Экзамен
–
4
зачет
4. Содержание дисциплины
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№
п/п
Аудиторные занятия
Лекции ПЗ (С)
ЛР
Раздел дисциплины
2
1
2
3
4
5
6
7
8
Введение
Организация микропроцессоров и
микропроцессорных систем
Организация ввода-вывода в МПС
Блоки памяти МПС
Характеристика современных микропроцессоров и
микроконтроллеров
Устройства ввода-вывода информации
Процесс и средства проектирования
микропроцессорных систем
Заключение
*
*
*
*
*
*
*
*
однокристальные микро-ЭВМ и контроллеры, организация и особенности проектирования
систем на их основе; краткий обзор состояния и перспективных проектов МПС;
мультимикропроцессорные системы, основные конфигурации, области их использования;
транспъютерные системы;
4.2. Содержание разделов дисциплины
1. Введение. (2 часа)
Цель курса. Роль микропроцессорной техники в технической революции. Основные
понятия в микропроцессорной технике. Классификация, краткая характеристика
возможностей и применений микропроцессорных средств.
2. Организация микропроцессоров и микропроцессорных систем. (14 часов)
Архитектура микропроцессорной системы (МПС). Архитектуры современных
микропроцессоров и отличие их от классической архитектуры фон Неймана: системы с
прерываниями, прямым доступом к памяти; гарвардская архитектура, архитектура
сигнальных процессоров. Типовая организация подсистем обработки и управления.
Способы передачи информации в микроЭВМ: синхронный, асинхронный, асинхронносинхронный. Интерфейсы. Функции интерфейсов. Характеристики интерфейсов.
Внутренние и внешние интерфейсы. Способы организации интерфейсов: с
изолированной шиной, с общей шиной. Радиальная и смешанная структура интерфейса.
Интерфейс ОШ: варианты реализации, типовая структура, диаграммы взаимодействия.
Стандартные интерфейсы.
3. Организация ввода-вывода в МПС(16 часов)
Организация подсистем ввода-вывода в МПС: по опросу, по прерыванию, в режиме ПДП.
Способы согласования работы ЦП и УВВ во времени: асинхронный, асинхронный
стробируемый, синхронный. Ввод-вывод по опросу. Прерывания. Общая схема обработки
прерываний. Определение источников прерывания: полинг, дейзи-цепочки, векторные
прерывания. Способы реализации системы прерываний. Особенности разработки ПО в
системе с прерываниями. Система прерываний IBM PC. ПДП: преимущества и недостатки. Типовые схемы организации ПДП.
3
4. Блоки памяти МПС. (8 часов).
Микросхемы памяти, классификация. Статические ЗУ, временные диаграммы.
Синхронная и асинхронная память. Особенности построения и работы динамических ЗУ,
временные диаграммы.
Типовые схемы построения блоков динамических ЗУ.
Организация подсистем памяти в МПС: одноуровневая (линейная, страничная, с
интерливингом) и
с КЭШ - памятью. Методы расширения адресного пространства
микроЭВМ: банков памяти, базовых регистров, окна. Контроль информации в ЗУ.
5. Характеристика современных микропроцессоров и микроконтроллеров. (6 часа).
Однокристальные микро-ЭВМ и контроллеры, организация и особенности
проектирования систем на их основе. Микроконтроллеры фирмы INTEL,
Микроконтроллеры фирмы Motorola. Микроконтроллеры особо малого класса PIC.
Сигнальные процессоры. Краткий обзор состояния и перспективных проектов МПС;
мультимикропроцессорные системы, основные конфигурации, области их использования;
транспъютерные системы. Системы на кристалле как развитие микроконтроллеров.
6. Простейшие устройства ввода-вывода информации (2 часа).
Тумблеры, переключатели, светодиодные индикаторы. Клавиатура. Клавиатурный блок
IBM PC.
7. Процесс и средства проектирования микропроцессорных систем. (4 час.).
Основные задачи проектирования МПС. Последовательность проектирования. Этапы
разработки программного обеспечения для МПС. Резидентные и кросс-системы.
Последовательность разработки и отладки аппаратной части. Средства разработки и
отладки МПС. Инструментарий разработчика аппаратной части. Моделирование МПС на
языках проектирования аппаратуры VHDL, Verilog.
8. Заключение. (2 час.)
Перспективы развития микропроцессорной техники. Системы на кристалле
4.3. Понедельный план проведения занятий лекционных и практических
(1-й семестр)
Неделя
Разделы и темы дисциплины
Лекции
(час.)
2
1
2
Введение
Способы передачи информации в микроЭВМ:
синхронный, асинхронный, асинхронно-синхронный.
2
3
Интерфейсы. Функции интерфейсов. Характеристики
интерфейсов.
Внутренние и внешние интерфейсы.
Способы организации интерфейсов: с изолированной
шиной, с общей шиной. Радиальная и смешанная
структура интерфейса.
Интерфейс ОШ: варианты реализации, типовая
структура, диаграммы взаимодействия.
Стандартные интерфейсы. RS-232, I2C, SPI, USB
2
4
5
6
7
4
2
2
2
2
ПЗ
(час.)
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Стандартные интерфейсы. RS-232, I2C, SPI, USB
(продолжение)
Организация ввода-вывода в МПС: по опросу, по
прерыванию, в режиме ПДП.
Способы согласования работы ЦП и УВВ во времени:
асинхронный, асинхронный стробируемый,
синхронный.
Прерывания. Общая схема обработки прерываний.
Определение источников прерывания: полинг, дейзицепочки, векторные прерывания.
Способы реализации системы прерываний.
Особенности разработки ПО в системе с
прерываниями. Система прерываний IBM PC.
Обработка прерываний. Временные диаграммы.
ПДП: преимущества и недостатки. Типовые схемы
организации ПДП.
Микросхемы памяти, классификация. Общая
характеристика
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
(2-й семестр)
Неделя
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Разделы и темы дисциплины
Статические ЗУ, временные диаграммы.
Синхронная и асинхронная память. Особенности
построения и работы динамических ЗУ, временные
диаграммы.
Типовые схемы построения блоков динамических ЗУ.
Организация ЗУ в МПС: одноуровневая (линейная,
страничная, с интерливингом) и с КЭШ - памятью.
Методы расширения адресного пространства
микроЭВМ: банков памяти, базовых регистров, окна.
Контроль информации в ЗУ.
Микроконтроллеры фирмы INTEL 8051, 80186,
Микроконтроллеры фирмы Motorola 6805, 6808, 6811.
Микроконтроллеры особо малого класса PIC 16, 17.
Сигнальные процессоры.
Тумблеры,
переключатели,
светодиодные
индикаторы. Клавиатура. Клавиатурный блок IBM PC.
Последовательность проектирования. Этапы
разработки программного обеспечения для МПС.
Резидентные и кросс-системы. Последовательность
разработки и отладки аппаратной части.
Инструментарий разработчика аппаратной части
Заключение
Лекции
(час.)
2
2
ПЗ
(час.)
2
2
2
2
2
2
2
4.4. Курсовой проект (работа)
В качестве курсовой работы предлагается разработать микропроцессорную
систему, реализующую управление объектом бытового назначения.
5
Этапы выполнения курсовой работы: разработка технического задания, общего
алгоритма функционирования устройства, разработка программной и аппаратной частей
устройства, отладка программного обеспечения на эмуляторе соответствующего
микропроцессора.
Контроль отдельных этапов выполняется преподавателем.
5. Лабораторный практикум
№
№ раздела
Наименование лабораторных работ
п/п дисциплины
1
7
Изучение принципов разработки программ на языке Ассемблера на
примере микропроцессорной серии х86
2
5, 7
Разработка и отладка программ на языке Ассемблера ASM-86
3
5, 7
Разработка и отладка программ на языке Ассемблера ASM-86
(продолжение)
4
5, 7
Изучение кросс-системы для работы на 8080
5
3, 7
Разработка программ для эмулятора процессора 8080
6
3, 6, 7
Методы ввода-вывода и управление внешними объектами на
основе эмулятора внешней среды.
7
3, 6, 7
Разработка подсистемы памяти для МПС на основе VHDL модели
статической памяти.
8
4
Разработка подсистемы памяти для МПС на основе VHDL модели
статической памяти (продолжение).
9
2, 3, 7
Изучение интерфейса SPI на основе VHDL модели.
10
2, 3, 4, 5, 7
Разработка МПС на основе VHDL модели микропроцессора Z80
(продолжение).
11
2, 3, 4, 5, 7
Разработка МПС на основе VHDL модели микропроцессора Z80
(продолжение).
12
2, 3, 4, 5, 7
Разработка МПС на основе VHDL модели микропроцессора Z80
(продолжение).
13
2, 3, 4, 5, 7
Разработка МПС на основе VHDL модели микропроцессора Z80
(продолжение).
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
6.1. Рекомендуемая литература
а) Основная литература
1. А.Г. Алексенко, А.А. Галицын, А.Д. Иванников "Проектирование
радиоэлектронной аппаратуры на микропроцессорах" - М. Радио и связь, 1984.
2. Морисита И. Аппаратные средства микроЭВМ: Пер. с яп. - М.: Мир, 1988.
3. Щелкунов Н.Н., Дианов А.П. Микропроцессорные средства и системы. - М.:
Радио и связь, 1989.
4. Морс С.П., Алберт Д.Д. Архитектура микропроцессора 80286: Пер. с англ.- М.:
Радио и связь, 1990.
5. Гук М., Юров В. Процессоры Pentium III, Athlon и другие. - СПб.: Питер, 2000.
6. Шагурин И.И. Микропроцессоры и микроконтроллеры фирмы Motorola:
Справоч. пособие.- М.: Радио и связь, 1998.
6
7. Нерода В.Я., Торбинский В.Э., Шлыков Е.Л. Однокристальные микроЭВМ
MCS®-51. - М.: Диджитал Компонентс, 1995.
8. Фридмен М., Ивенс Л. Проектирование систем с микрокомпьютерами: Пер. с
англ. - М.: Мир, 1986.
9. Ч. Гилмор."Введение в микропроцессорную технику" - М. - Мир, 1984г.
10. Справочник "Микропроцессоры и МПК на ИС" - М. Радио и связь, 1988.
11. Балашов Е.П., Пузанков Д.В. Микропроцессоры и микропроцессорные
системы. - М.: Радио и связь. - 1981.
12. Казаринов Ю.М., Номоконов В.Н., Филиппов Ф.В. Применение
микропроцессоров и микроЭВМ в радиотехнических системах. - М.:
Высшая школа. - 1988.
13. Левенталь Л. Введение в микропроцессоры. - М.: Энергоатомиздат. 1983.
14. Клингман Э. Проектирование микропроцессорных систем. -М.: Мир. –
1980.
15. Уокерли Дж. Архитектура и программирование микроЭВМ. -М.: Мир. - 1984. 5
16. Трейстер Л. Персональные компьютеры фирмы IBM. - М.: Мир. - 1984.
17. Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. - М.: Радио и связь. - 1990.
18. Корячко В.П. Микропроцессоры и микроЭВМ в радиоэлектронных
средствах. - М.: Высшая школа. - 1990.
19. Шевкопляс Б.В. - Микропроцессорные структуры. Инженерные решения.
М.: Радио и связь.- 1990.
20. Франке К. Введение в микроЭВМ. - М.: Энергоатомиздат.- 1988
21. Микропроцессорный комплект К1810. Структура, программирование,
применение. Под ред. Казаринова Ю.М. 1997г.
22. Пузанков Д.В. Микропроцессорные системы. – М.: Политехника. – 2002
23. Клочков Г.Л. Цифровые устройства и микропроцессоры. – Воронеж: ВИРЭ.
- 2005
б) Дополнительная литература
1.
Лю Ю-Чжен, Гибсон Г. Микропроцессоры семейства 8086/8088.
Архитектура, программирование и проектирование микрокомпьютерных систем:
Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1987.
2.
Гук М. Процессоры Intel: от 8086 до Pentium II. СПб.: Питер, 1997.
3.
Шагурин И.И., Бердышев Е.М. Процессоры семейства Intel P6. Архитектура,
программирование, интерфейс. - М.: Горячая линия – Телеком, 2000.
4.
Современные микроконтроллеры: Архитектура, средства проектирования,
примеры применения, ресурсы сети Интернет / "Телесистемы"; Под ред.
Коршуна И.В.; Составление, пер. с англ. и лит. обработка Б.Б.Горбунова. - М.:
Аким, 1998.
5.
Фрир Дж. Построение вычислительных систем на базе перспективных
микропроцессоров: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990.
6.
Сташин В.В. и др. Проектирование цифровых устройств на
однокристальных
микроконтроллерах / В.В.Сташин,
А.В.Урусов,
О.Ф.Мологонцева. - М.: Энергоатомиздат, 1990.
в) Учебно-методическая литература
7
6.2. Средства обеспечения дисциплины
 Турбо-Ассемблер, Турбо-Линкер, отладчик AFD/FSD.
 Кросс-Система разработки и отдаки ПО и эмулятор внешней среды для К580.
 Система моделирование Active HDL.
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Специализированный сетевой компьютерный класс на базе IBM-совместимых
персональных компьютеров
8. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
8.1. Формы контроля
Контроль выполнения лабораторных
преподавателем.
работ
8
и
курсовой
работы
выполнятся
Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным образовательным
стандартом высшего профессионального образования , специальность – 23.01.01.65
«Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».
Программу составил(и)
к.т.н, доцент
В.В. Ерохин
Настоящая рабочая программа рассмотрена на заседании (методическом
семинаре) кафедры «
»
200 г. протокол №
и рекомендована к
применению в учебном процессе.
Зав. кафедрой «Вычислительная техника»
докт. техн. наук профессор
«
»
С.А. Митрофанов
200 г.
Срок действия программы продлен на:
200 /200 уч.год
200 /200 уч.год
200 /200 уч.год
200 /200 уч.год
С.А. Митрофанов
(подпись)
(Ф.И.О. зав. кафедрой)
(подпись)
(Ф.И.О. зав. кафедрой)
(подпись)
(Ф.И.О. зав. кафедрой)
9