Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные методы и способы реализации аппаратно - программного обеспечения систем управления и телекоммуникаций 8
1.1. Модульная архитектура 9
1.1.1. Требования к аппаратным платформам, используемым в системах управления и телекоммуникаций 10
1.1.2. Микроконтроллерные модули фирмы Contron 13
1.1.3. Микроконтроллерные модули фирмы Motorola 13
1.1.4. Микроконтроллерные модули фирмы Intel 15
1.1.5. Коммуникационное оборудование фирмы NSG 15
1.1. .6. Микроконтроллерные модули фирмы Advantech 16
1.2. Программное обеспечение 16
1.2.1. RTST технология программирования систем реального времени 17
1.2.2. Рекомендации лаборатории открытых систем (Open Source Development Lab) 18
1.2.3. Операционные системы реального времени (ОСРВ) 19
1.3. Коммуникационная подсистема 19
1.3.1. Поточная технология 23
1.3.2. Сокеты (BSD Sockets) 24
1.3.3. Уровневая структура драйверов в ОС Windows 2000 / ХР 25
Выводы и постановка задачи 26
ГЛАВА 2. Методика проектирования аппаратных средств и пограммного оеспечения микроконтроллерного модуля системы управления и телекоммуникаций 32
2.1. Совместная разработка аппаратной и программной компонент системы в приложении к микроконтроллерным системам управления и телекоммуникаций 32
2.2. Проектирование коммуникационной подсистемы микроконтроллерного модуля на базе стеков коммуникационных протоколов 39
2.3. Метод введения фильтрующих протоколов 51
2.4. Прикладная модель аппаратной реализации фильтрующего протокола 55
2.5. Методика проектирования микроконтроллерных модулей для систем управления и телекоммуникационного оборудования на основе стеков коммуникационных протоколов 57
Выводы 58
ГЛАВА 3. Применение методики проектирования микроконтроллерных модулей для систем управления и коммуникаций на основе стеков коммуникационных протоколов 61
3.1. Модуль ISDN BRI адаптера на базе ADSP-2181 61
3.1.1. Аппаратная часть ISDN BRI адаптера 67
3.1.2. Программное обеспечение ISDN BRI адаптера 75
3.1.3. Полученные результаты 82
3.2. Коммуникационный модуль на базе специализированного микроконтроллера МРС860 для системы управления оборудованием АЭС 84
3.2.1. Постановка задачи 85
3.2.2. Технические характеристики системы 87
3.2.3. Аппаратная часть специализированного коммуникационно-процессорного модуля 90
3.2.4. Программное обеспечение 97
3.2.5. Полученные результаты ПО
Выводы 111
ГЛАВА 4. Аппаратная реализации типовых микроконтроллерных модулей 114
4.1. Процессорный модуль на базе микроконтроллера MC68HC16AZ1 116
4.2. Процессорный и периферийный модули на базе микроконтроллера МС68332 120
4.3. Процессорно коммуникационный модуль на базе микроконтроллера MC68EN360 125
4.4. Серия интегрированных отладчиков DebugXX 130
4.5. Пакет средств отладки GNU для процессорных ядер M68k / PowerPC 132
Выводы 133
Заключение 135
Список литературы
- Требования к аппаратным платформам, используемым в системах управления и телекоммуникаций
- Проектирование коммуникационной подсистемы микроконтроллерного модуля на базе стеков коммуникационных протоколов
- Программное обеспечение ISDN BRI адаптера
- Процессорно коммуникационный модуль на базе микроконтроллера MC68EN360
Введение к работе
Рынок систем управления и телекоммуникаций продолжает динамично
развиваться и является одним из наиболее крупных потребителей электронной аппаратуры. Это связано с увеличением сложности управляемых объектов и разработкой новых стандартов и спецификаций. Ключевым элементом, обеспечивающим эффективную работоспособность систем управления [1], является система обмена информацией между управляющими и управляемыми объектами. Поэтому коммуникационная подсистема является неотъемлемой частью современных систем управления.
Разработка новой системы требует учета множества различных параметров, которые существенно влияют на работоспособность системы. Повышение уровня сложности управляемых объектов, быстрое развитие протоколов передачи данных и появление новых стандартов требует постоянного обновления аппаратного и программного обеспечения блоков телекоммуникационного оборудования и систем управления. Если программное обеспечение, как правило, поддается модификации относительно легко, то изменение аппаратной составляющей часто требует разработки новых устройств.
Указанные причины привели к необходимости разработки метода проектирования, который бы обеспечивал возможность создания системы, как отвечающей заданным в настоящее время характеристикам, так и обеспечивающей возможность дальнейшей модернизации. При этом предлагаемые решения должны эффективно использовать существующие на текущий момент средства разработки и возможности элементной базы, что позволит ускорить процесс разработки и внедрения проектируемой системы.
Цель диссертации заключается в разработке процедур, методов и типовых решений, обеспечивающих эффективную реализацию коммуникационной подсистемы в микроконтроллерных системах управления.
Основными задачами диссертации являются:
Анализ существующих методов проектирования для выработки рекомендаций и разработки модели коммуникационного узла.
Развитие методов формирования функциональной структуры коммуникационной подсистемы микроконтроллерного устройства, обеспечивающих выполнение требований технического задания.
Разработка модели функциональной структуры коммуникационной подсистемы и способов реализации "критических" блоков.
Разработка аппаратных решений для реализации систем управления и коммуникационного оборудования, их применение в конкретных разработках.
Научная новизна:
Проведен анализ структуры коммуникационного канала с точки зрения программно-аппаратной реализации и выделены общие свойства, которые определяют технические характеристики коммуникационного канала и которые не зависят от специфики протокола. Определена специфика использования каналов обмена информацией в системах управления и в обычных коммуникационных системах.
Предложена функциональная структурная модель коммуникационной подсистемы, основанная на коммуникационных протоколах, реализуемых устройством. Модель ускоряет и упрощает процесс анализа и проектирования коммуникационной составляющей устройства.
На основании проведенного анализа сформулированы основные свойства коммуникационной подсистемы и предложен метод ее проектирования, исходя из функциональной схемы протокольного стека, позволяющий провести декомпозицию устройства на отдельные функционально и логически завершенные блоки, которые, фактически, представляют собой завершенные устройства, реализующие отдельные элементы коммуникационной подсистемы.
Практическая ценность диссертации:
Введена прикладная модель для реализации критического блока коммуникационной подсистемы - фильтрующего протокола.
Предложена инженерная методика проектирования коммуникационной подсистемы микроконтроллерных модулей. Использование методики позволяет получать эффективные решения при разработке, сокращая время и повышая качество разработки, решить комплексную задачу по обеспечению обмена данными и масштабирования системы при подключении новых классов управляемых объектов.
Разработаны типовые варианты построения универсальных процессорно коммуникационных модулей, ориентированных на передачу и обработку данных в системах управления различного класса.
Положения, выносимые на защиту:
Модифицированная модель протокольных стеков как база для построения функциональной структуры микроконтроллерного модуля, применяемого в системах управления и телекоммуникаций.
Прикладная модель реализации и метод введения в систему критического блока коммуникационной подсистемы - фильтрующего протокола.
Инженерная методика проектирования программно - аппаратных компонент коммуникационной подсистемы. Использование методики позволяет получать эффективные решения, сокращая время разработки за счет распараллеливания процесса создания отдельных элементов и удовлетворения ряда требований, предъявляемых к коммуникационной подсистеме микроконтроллерного модуля.
Типовые варианты реализации процессорно коммуникационных модулей на базе высокопроизводительных 16- и 32- разрядных микроконтроллеров.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, определены цели и основные задачи работы, изложены научная новизна,
практическая ценность полученных результатов работы и сформулированы положения, выносимые на защиту.
Первая глава является обзорной. Она состоит из четырех разделов, в которых рассмотрены ключевые моменты, возникающие при разработке распределенных систем управления и контроля, и сформулирована поставленная задача.
Вторая глава посвящена методу проектирования коммуникационных
модулей для систем управления и телекоммуникаций. Указывается на
необходимость использования методик совместной разработки аппаратной и
программной составляющих. Приводится типовая методика, указываются на
присущие ей недостатки, и делаются выводы о возможных путях сокращения
сроков и повышения качества проектирования. На базе типовой методики
вводится инженерная методика проектирования коммуникационной
подсистемы микроконтроллерных модулей, использующая в качестве базы
представление конечного устройства в виде стеков коммуникационных
протоколов, реализуемых разрабатываемым процессорно
коммуникационным модулем.
Третья глава посвящена применению изложенной методики на
практике. Методика использовалась при проектировании
коммуникационного модуля для цифровой управленческой АТС, который выполняет функции BRI-адаптера в сети ISDN. Модуль разрабатывался для оборудования диспетчерской железнодорожной связи, разрабатываемого ДКТБ "Контраст" (г. Ростов-на-Дону). На основе предложенной методики реализовано программное обеспечение для организации передачи данных с одного канала на другой при создании коммуникационного блока системы управления оборудованием АЭС в рамках совместных работ с ВНИИА (г. Москва) по модернизации системы ТПТС51.
Четвертая глава посвящена разработке аппаратных модулей. Типовые инженерные решения прорабатывались при проектировании отладочных модулей и модулей развития, в которых автор принимал активное участие.
Особенностью данных процессорно - коммуникационных модулей является
предоставление полного доступа к выводам микроконтроллера и
возможность смены интерфейсных адаптеров, выводящих
коммуникационные каналы микроконтроллера на физические линии передачи. Разработанные микроконтроллерные модули могут быть использованы для моделирования, проектирования, отладки, проработки прототипов, а так же как готовые блоки для обработки и передачи данных в управляющих и информационно-измерительных системах.
Требования к аппаратным платформам, используемым в системах управления и телекоммуникаций
Motorola Computer Group (MCG) [33] - подразделение фирмы Моторола, которое занимается разработкой аппаратного обеспечения. MCG -является одной из ведущих фирм в области проектирования индустриальных и встроенных систем. В качестве центральных процессоров MCG использует процессоры семейств PowerPC и m68k (МРС750, МРС7400, МРСбОх, МРС860, МРС8240, 68030, 68040, 68060), выпускаются также изделия на базе Intel Pentium II, III. Для процессорных модулей MCG использует относительно большие объемы памяти от 4 до 33Мб flash, от 16Мб до 2,5Гб ОЗУ. Связано это с тем, что MCG позиционирует свои процессорные модули как индустриальное и коммуникационное оборудование.
MCG широко использует подход: плата-носитель (с процессорным модулем или без него) - периферийные модули. Это позволяет гибко реагировать на требования заказчиков и производить быструю реконфигурацию периферийной части за счет замены периферийных модулей ввода-вывода. Данное решение заслуживает особого внимания при разработке распределенных систем управления, так как специфика использования последних требует наличия обширного набора интерфейсных модулей для обеспечения каналов обмена данными, а наличие сменных периферийных модулей не только облегчает конфигурирование, но и снижает стоимость системы.
С увеличением полосы пропускания физических интерфейсов фирма столкнулась с проблемой передачи данных с одного физического канала на другой. В связи с этим она в сотрудничестве с Intel предложила программу перехода на технологии класса Switching Fabric [34] (Star Fabric, PICMG 3.x [35-37]). Внедрение новой технологии потребовало от MCG использования внутреннего коммутатора, который обеспечивает коммутацию между внутренними каналами модуля ввода / вывода и внешней средой. Развитие коммутирующих технологий передачи данных, построенных на временном разделении каналов, подтверждает смещение акцента разработчиков с простоты реализаций пакетной коммутации в сторону детерминированных характеристик цифровых каналов, построенных на принципах временного мультиплексирования.
Микроконтроллерные модули фирмы Intel
Компания Intel [38], представленная на рынке в основном своей элементной базой, в последнее время стала активно развивать собственное производство процессорных и периферийных модулей. Особый интерес представляют разработки его подразделений [17] в области систем высокой готовности (High Availability) и поддержки избыточности системных контроллеров (Redundant Host Support)[39]. Эти разработки интересны с точки зрения методов и средств контроля состояния модуля, алгоритмов передачи управления в случае обнаружения ошибки и методов взаимодействия между отдельными модулями.
Компания занимает ведущие позиции в разработке систем контроля состояния аппаратных модулей. Одним из внедренных Intel принципов контроля является контроль работоспособности отдельных функциональных блоков системы. Реализация этого принципа требует четкого разделения модуля на отдельные функциональные блоки с собственными (независимыми) средствами диагностики. Разделения системы на независимые блоки облегчает разработку, анализ и отладку системы. Этот принцип будет использоваться при разработке метода проектирования коммуникационной подсистемы микроконтроллерных модулей.
Network System Group (NSG) I "Группа Сетевые Системы" [40] российская компания, которая разрабатывает, производит и поставляет современное телекоммуникационное оборудование. Компания реализует системы на базе платы носителя с процессорным модулем, для которой создается набор адаптеров физических интерфейсов. Процессорные модули строятся на базе коммуникационных контроллеров фирмы Моторола (MC68EN302, MC68EN360, МРС860) с использованием 512Кб flash и от 2 до 32Мб ОЗУ. Программное обеспечение реализуется на базе ОС RTEMS 4.5.0, рассматривается возможность перехода на клоны операционной системы Linux с ядрами семейства 2.4.x.
Проектирование коммуникационной подсистемы микроконтроллерного модуля на базе стеков коммуникационных протоколов
Поточная технология (streams) [67] была разработана для повышения модульности и гибкости подсистемы управления вводом-выводом. Причиной разработки послужили проблемы в сетевых системах Unix, связанные с дублированием функций сетевого ПО. Потоки выступают средством повышения модульности построения драйверов устройств и протоколов. Поток - это полнодуплексная связь между процессами и драйверами устройств, которая может включать в себя строковые интерфейсы и протоколы для промежуточной обработки данных. Модули потоков характеризуются четко определенным взаимодействием и гибкостью, позволяющей использовать их в сочетании с другими модулями.
Технология обладает врожденным дефектом: процесс обработки всего стека останавливается в случае переполнения очередей для ввода / вывода. Со стороны ввода модули не могут останавливаться, поскольку их выполнение вызывается программой обработки прерываний. Поэтому связь между модулями не должна быть симметричной в направлениях ввода и вывода. Модули приходиться наделять специальным механизмом диспетчеризации - программным прерыванием, независимым от обычного планировщика процессов. По этой причине модули не могут приостанавливать свое выполнение, так как они приостанавливали бы тем самым произвольный процесс (тот, который прерван). Модули должны хранить внутри себя информацию о своем состоянии, что делает лежащие в их основе программы более громоздкими, чем при разрешенной приостановке.
При реализации технологии можно определить следующие проблемные области:
1. Учет ресурсов процесса в потоках затрудняется, поскольку модулям необязательно выполняться в контексте процесса, использующего поток.
2. Потоки выступают средствами линейной связи и не имеют удобных механизмов мультиплексирования на уровне ядра.
Несмотря на эти несоответствия, на эту технологию возлагались особые надежды при реализации сетевых протоколов и драйверов. Из-за простоты реализации и легкости анализа технология в чистом виде применяется при реализации программного обеспечения в системах, имеющих ограничения по ресурсам (в том числе встроенных). Из этой технологии будет использован механизм организации полнодуплексной связи между соседними уровнями - это естественный подход обеспечения непрерывного канала с постоянной полосой пропускания. Проблема переполнения может возникнуть и здесь, но эта проблема может быть решена за счет использования правил коррекции, заложенных в сам протокол.
В целях создания универсальных методов сетевого взаимодействия
группой специалистов университета Berkeley [68] был создан пакет Berkeley Software Distribution (BSD) [69, 70], в котором внедрен механизм, получивший название BSD sockets. Он включает не только правила взаимодействия отдельных протокольных модулей, но и реализацию часто используемых сетевых протоколов (TCP/IP). Такой способ построения протокольного стека стал одним из основных, и многие фирмы декларируют совместимость своих реализаций с вышеуказанным.
Механизм специально разрабатывался для поддержки многоуровневых сетевых протоколов. Он включает в себя как механизмы выстраивания и конфигурации протокольного дерева, так и способы взаимодействия системы с пользователем. Допустимые сочетания протоколов и драйверов указываются при построении системы. Процессы взаимодействуют между собой по схеме клиент-сервер.
BSD sockets в том или ином виде поддерживается в рамках стандартов POSIX всеми известными производителями операционных систем. Механизм представляет собой полностью асинхронный способ взаимодействия между протокольными модулями, в отличие от синхронного, применяемого в потоковых технологиях. Несмотря на сложность реализации и ориентированность на работу в параллельной среде исполнения, идея, заложенная в BSD sockets, получила распространение за счет эффективной конфигурации протокольных модулей (хотя этот способ реализации уступает по гибкости потоковому механизму) в протокольном стеке. От данного подхода будет заимствован подход к разбиению протокольного стека на модули и методы асинхронного взаимодействия между ними. Уровневая структура драйверов в ОС Windows 2000 / ХР
В связи с усложнением операционной системы Windows фирма Microsoft столкнулась с необходимостью разработки эффективной системы взаимодействия и конфигурации драйверов устройств. В результате компания Microsoft разработала модель Windows Driver Model (WDM) [60] и механизмы, которые позволяют выстраивать древовидную структуру программных модулей. Механизмы рассчитаны на работу в параллельной среде и в состоянии обеспечивать передачу информации по маршруту следования, как в синхронном, так и в асинхронном режиме. Способ обмена информацией - пакетный (с поддержкой псевдопотоков данных).
Концепция WDM имеет широкий набор средств вертикального взаимодействия между программными модулями и средства обеспечения безопасности. Средства горизонтального взаимодействия существуют, но неэффективны в использовании. Относительным достоинством можно считать возможность подключиться к программному модулю на любом уровне иерархии.
Существенным недостатком внедренных механизмов является повышенная сложность разработки программных модулей, и трудности с расчетом времени отклика на события и времени следования информации по маршруту. Отсутствуют эффективные способы передачи информации между соседними (по уровню иерархии модулями). Связано это не только с самими механизмами, но и со сложностью самой системы. Несмотря на ориентацию системы на аппаратную архитектуру Intel x86/Pentium, и ее большие размеры, которые делают ее практически неприменимой во встроенных системах и вызывают сложности при использовании в системах управления и телекоммуникаций, модель WDM привлекает внимание разработчиков других ОС.
В рамках WDM предлагается древовидная иерархическая структура расположения модулей (она будет использоваться в разрабатываемой методике), что облегчает процедуры контроля и управления. При этом WDM допускает одновременное существование в системе нескольких "деревьев" иерархически расположенных модулей.
Выводы и постановка задачи Как показывает обзор, рекомендуемой архитектурой программного обеспечения для встроенных систем является конечный автомат со статическими потоками, количество которых не меняется в процессе работы. Дополнительно может выдвигаться требование о статическом выделении ресурсов. Вышеперечисленные требования обеспечивают детерминированность и высокую скорость работы системы. Подобная архитектура часто применяется в относительно простых системах управления.
Программное обеспечение ISDN BRI адаптера
Модуль инициализации
Модуль инициализации устанавливает начальные значения переменных, соответствующие исходному состоянию адаптера, а также происходит установка режимов работы процессора и периферийных микросхем, расположенных на плате адаптера. Последовательный порт SPORTO ADSP-2181 устанавливается в режим работы multichannel (т.е. в режим с временным разделением канала на 32 тайм-слота) на скорости 2Мбит/с от внешнего источника синхронизации. Приемник и передатчик этого порта программируются для работы с двумя буферами данных в режиме автоматической циклической приемопередачи. В эти буферы поступает информация с РСМ-портов ISDN контроллеров PSB-2115. Сами микросхемы PSB-2115 в процессе инициализации устанавливаются в режим обмена ненумерованными пакетами данных, причем каждая микросхема передает данные, полученные с интерфейса ISDN S/T в соответствующих ее номеру тайм-слотах последовательного интерфейса РСМ. На начальном этапе каждый ISDN контроллер принимает только пакеты данных, имеющие широковещательный адрес. В процессе установки соединения каждому контроллеру присваивается свой адрес (TEI), после чего они начинают работу только по конкретному логическому соединению.
Микросхемы фантомного питания РЕВ-2025 при выполнении процедуры инициализации переводят все линии интерфейса S/T во включенное состояние. Также для них устанавливается режим автоматического восстановления после перегрузки по току.
Последним периферийным блоком на модуле ISDN BRJ адаптера, требующим инициализации, является универсальный коммутатор тайм-слотов шины SC-bus, реализованный на микросхеме SC4000. Для избежания коллизий на линиях последовательных портов в начале работы коммутаторы локальные линии SC4000 переводятся в третье состояние.
Блок межмодульного взаимодействия
Этот блок в вечном цикле проверяет значение определенных флагов, указывающих на наличие готовых к обработке буферов данных, содержащих команды ISDN, и в случае необходимости вызывает соответствующие функции-разборщики кадров ISDN. Для каждого канала интерфейса S/T ISDN существует свой набор флагов. Каждый элемент в этом наборе соответствует либо команде от терминала ISDN, либо от ПК. Команды ISDN соответствуют процессу установления и разрыва соединения, а команды от ПК устанавливают маршрут передачи данных. При передаче блока данных между модулями не происходит их физического перемещения из одной области памяти в другую - происходит только передача адреса первого элемента блока данных и длины этого блока. Кроме того, данные, передаваемые от более высокого уровня к более низкому, располагаются в младшем байте 16-разрядного слова данных ADSP-2181, а от более низкого к более высокому - в старшем. Такой подход уменьшает время передачи данных между обработчиками, а также позволяет значительно экономить оперативную память процессора.
Блок разбора команд сигнализации ISDN уровня сети Уровень 3 обеспечивает управление процессом передачи данных по речевому каналу интерфейса BRI. Для этого используются команды сигнализации уровня 3 ISDN (уровня сети - сигнализация DSS1). К этой группе команд ISDN относятся 23 команды, имеющие ряд разнообразных полей. Каждый информационный элемент имеет свою собственную структуру, в которой надо анализировать отдельные биты и группы битов. Все это делает обработку команд сигнализации уровня сети на процессоре ADSP-2181 сложной для практической реализации, особенно с учетом наличия различных таймеров для каждого канала, устанавливающих максимальное время реакции удаленной стороны на посланную ей команду. Такого рода задачи удобно решать с помощью концепции многозадачного программирования. Поэтому модуль обработки команд уровня 3 ISDN вынесен на персональный компьютер и написан в платформонезависимом виде, что позволяет один и тот же код на языке C++ использовать как под ОС Windows, так и под ОС Linux.
Разработан также вариант реализации модуля обработки команд уровня 3 ISDN на ADSP-2181, который выполняет только основной набор функций по управлению процессом соединения.
Модуль обработки команд уровня звена данных ISDN Уровень звена данных (уровня 2) ISDN отвечает за установление и разрыв логического соединения по каналу D интерфейса BRI. Реализация уровня звена данных в комплексе ISDN BRI адаптера упрощается тем, что большая часть функций выполняется автоматически контроллером ISDN PSB-2115 после перевода его в соответствующий режим.
Процессорно коммуникационный модуль на базе микроконтроллера MC68EN360
При создании новых образцов систем на базе микроконтроллеров разработчик сталкивается с необходимостью последовательного выполнения этапов разработки и изготовления аппаратных средств и последующей установкой и отладкой программного обеспечения. При этом возрастают сроки и стоимость разработки из-за необходимости итеративной коррекции разрабатываемых аппаратных средств и программного обеспечения.
Для решения этой проблемы используются платы развития (evaluation / development board), которые по набору выполняемых функций и поддерживаемой периферии аналогичны с разрабатываемой целевой системой. Номенклатура подобных модулей, выпускаемых зарубежными производителями, достаточно широка [13, 33, 39 - 41]. Эти модули имеют относительно высокую стоимость (до нескольких тысяч долларов), но не отличаются достаточной гибкостью для применения в реальных проектах. К их недостаткам относится практическая невозможность получения доступа к периферийным выводам контроллеров и микросхем, расположенных на плате.
Для снижения стоимости процесса разработки систем управления на базе микроконтроллеров целесообразно иметь набор недорогих процессорных модулей [115-120], которые имеют все необходимое для работы в качестве одноплатных компьютеров, позволяют разработчикам получить доступ к любому выводу микроконтроллера и производить настройку его коммуникационных блоков (параллельные и последовательные порты ввода - вывода).
Для решения данной задачи разработан ряд микроконтроллерных модулей, реализованных на высокопроизводительных 16- и 32- разрядных микроконтроллерах фирмы Моторола, которые могут использоваться для следующих целей: 1. Создания прототипа (опытного образца) проектируемой системы. 2. Отладки программного обеспечения системы на реальном оборудовании. 3. Использования в качестве конструктивных модулей разрабатываемой целевой системы.
Эти модули могут также использоваться в процессе обучения специалистов [121] для практического освоения различных типов микроконтроллеров.
Модули проектировались, исходя из современных требований, предъявляемые к аппаратному обеспечению. Они содержат необходимые компоненты для реализации цифровой системы: 1. Микроконтроллер. 2. Оперативная и постоянная память в необходимом объеме. 3. Кварцевый резонатор, необходимый для генерации тактовых импульсов 4. Интерфейсные схемы (RS-232, BDM). 5. Светодиоды. 6. Необходимые согласующие компоненты. 7. Разъемы расширения для контроля и подключения внешней периферии.
Все элементы, требующего дополнительного программирования и настройки, устанавливаются в колодки, допускающие возможность снятия, программирования и обратной установки. Отдельные компоненты (ПЛИС), допускающие профаммирование в системе, встраиваются в плату с учетом возможности их внутрисистемного профаммирования и совместно с соответствующими разъемами.
Поскольку разрабатываемые микроконтроллерные модули предназначены для использования на ранних этапах разработки совместно с другим экспериментальным оборудованием, то отдельные интерфейсные микросхемы, ведущие на внешние физические каналы связи, устанавливаются в колодки, допускающие возможность быстрой замены в случае неисправности.
Система M68HC16Z1-DK (рис. 4-1 - 4-3) представляет собой процессорный модуль на базе микроконтроллера MC68HC6AZ1 [122, 123]. Модуль может содержать 32К 16-бит ПЗУ и 32К 8-бит ОЗУ, или 32К 8-бит ПЗУ и 32К 16-бит ОЗУ. Функции отладки, основанные на встроенном в M68HC16AZ1 фоновом отладочном режиме (BDM), позволяют производить пошаговое выполнение программы, модифицировать содержимое регистров и ячеек памяти.
Существует два режима работы модуля: отладочный, под управлением инструментального компьютера, и автономный, под управлением программы, записанной в ПЗУ M68HC16Z1-DK. В отладочном режиме модуль соединяется с LPT портом инструментального компьютера с помощью отладочного адаптера. Интегрированный отладчик Debug 16 позволяет подготовить рабочую версию исполняемой программы.
Модуль содержит микросхему программируемой логики (ЕР224), задающей работу выводов выбора микросхемы. Установлен блок светоиндикаторов, дающий возможность визуализировать содержимое ячеек памяти микроконтроллера, интерфейсная микросхема (МАХ233), обеспечивающая выход на интерфейс RS-232 и обеспечивающая преобразование напряжения питания из 5В в 12В. Кроме того, установлены схемы RESET, обеспечивается поддержка отладочного порта BDM и существует возможность подключения внешних прерываний. Отдельно стоит отметить, что на внешний разъем выведен вход внутреннего 8 разрядного АЦП микроконтроллера.
