Сушкин И.Н. Вычислительная техника и информационные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

Под управлением поведением системы или ее модели понимаются оп-

ределение и подача входных воздействий для запуска или останова системы

или ее модели, для перевода в конкретное состояние последних. Чтобы опре-

делить место субъективной неисправности, которая может быть внесена на

любой стадии проектирования, необходимо уметь собирать информацию о

поведении системы и представлять ее в тех формах, которые приняты для

данного проекта. Например, это могут быть временные диаграммы, принци-

пиальные электрические схемы, язык регистровых передач, ассемблер и др.

В общем случае нельзя локализовать источник ошибки проектируемой

системы, имея информацию о поведении системы только на ее внешних вы-

водах, поэтому проектируемую систему преобразовывают. Например, преж-

де чем изготовлять однокристальную микроЭВМ с теми или иными «зашив-

ками» ПЗУ, программы отлаживают на эмуляционном кристалле, у которого

магистраль выведена на внешние контакты и вместо ПЗУ установлено ОЗУ.

Автономная отладка. Процесс отладки прототипа проектируемой сис-

темы должен начинаться с отладки аппаратуры и отладки программ.

Отладка аппаратуры предполагает тестирование отдельных устройств

микропроцессорной системы – процессора, ОЗУ, контроллеров, блока пита-

ния, генератора тактовых импульсов путем подачи тестовых входных воз-

действий и приема ответных реакций. Тестовые входные воздействия и от-

ветные реакции определяются, исходя из спецификаций на устройства, а так-

же структурных схем устройств. При этом проверяются реальная аппаратура

прототипа, спецификации, структурные схемы и отлаживаются тесты. После

отладки отдельных устройств проверяется их взаимодействие. Процессор сис-

темы работает с шинами адресов, данных и управления. Анализируя их сигна-

лы, можно проконтролировать выполнение программы в процессоре.

Поскольку ША и ШД синхронные, их работу лучше всего проверить с

помощью методов логических состояний. Перед анализом последовательно-

стей данных на этих шинах необходимо удостовериться в том, что сигналы,

управляющие взаимодействием процессора с другими устройствами, выда-

ются в соответствующем порядке. Поскольку ШУ состоит из линий, рабо-

тающих асинхронно, необходимо просматривать сигналы многих линий в те-

чение одного и того же промежутка времени. Для анализа асинхронной рабо-

ты линий управления необходимо также наблюдать за сигналами на них при

возникновении определенного события, чтобы можно было четко разделить

и идентифицировать различные состояния линий. Например, среди сигналов

ШУ могут быть сигналы длительностью всего несколько наносекунд, но мо-

гут также возникать кратковременные ложные узкие импульсы, вызванные

перекрестными помехами или шумами.

После того как доказана работоспособность ШУ, проводится дальней-

шая проверка работы аппаратуры при различных режимах адресации процес-

сора и кодах выбираемых данных. Для проверки выполнения процессором

инструкций разрабатывается тестовая программа, которая помещается в ОЗУ

или ППЗУ. При этом проверяется временная диаграмма сигналов и прохож-

дения данных в системе (как осуществляется передача информации по отно-

шению к строб-сигналам). Если тестовая программа – системный проверяю-

щий тест пройдет успешно, можно утверждать, что автономно аппаратура

отлажена.

При автономной отладке аппаратуры могут потребоваться приборы,

умеющие:

а) выполнять функции аналогового прибора, т. е. измерять напряжение

и ток; воспроизводить форму сигнала, подавать импульсы определенной

формы и т. д.;

б) подавать последовательность сигналов одновременно на несколько

входов в соответствии с заданной временной диаграммой или заданным ал-

горитмом функционирования аппаратуры, представленным в спецификации

на языке высокого уровня, или другим способом;

в) собирать значения сигналов многих линий в течение одного и того

же промежутка времени, который определяется задаваемыми, программи-

руемыми событиями – комбинацией или последовательностью сигналов на

линиях, например, ложным сигналом на линии;

г) обрабатывать и представлять собранную информацию либо в виде вре-

менной диаграммы, либо в виде диаграммы или таблицы логических состояний,

либо на языке высокого уровня, например, языке регистровых передач.

Для автономной отладки аппаратуры широко используются осцилло-

графы, вольтметры, амперметры, частотомеры, генераторы импульсов, по-

зволяющие отлаживать аппаратуру на схемном уровне. Чтобы автономно от-

ладить аппаратуру МПС на более высоком уровне, применяют логические

анализаторы, генераторы слов, пульты, комплексы диагностирования.

Отладка программ. Отладка программ микропроцессорной системы

проводится, как правило, на тех же ЭВМ, на которых велась разработка про-

грамм, и на том же языке программирования, на котором написаны отлажи-

ваемые программы, и может быть начата на ЭВМ даже при отсутствии аппа-

ратуры МПС. При этом в системном программном обеспечении ЭВМ долж-

ны находиться программы (интерпретаторы или эмуляторы), моделирующие

функции отсутствующих аппаратных средств.

Проверка корректности программ, т. е. проверка соответствия их

внешним спецификациям, осуществляется тестированием. Программы про-

веряются на функционирование с различными исходными данными. Резуль-

таты функционирования программ сравниваются с эталонными значениями.

Отладка программ подразделяется на следующие этапы: планирование

отладки; составление тестов и задания на отладку; исполнение программ;

информирование о результатах исполнения программ по заданным исходным

данным; анализ результатов, обнаружение ошибок и локализация неисправ-

ностей.

Существует два способа начального тестирования программ: пошаго-

вый режим и трассировка программ.

В пошаговом режиме программа выполняется по одной команде за

один раз, а пользователь анализирует содержимое памяти, регистров и т. д.,

чтобы проверить, соответствуют ли результаты ожидаемым. Пошаговый ре-

жим может быть трудоемким, если средства отладки будут требовать отдель-

ных команд после каждого шага для того, чтобы показать необходимую ин-

формацию в понятном для пользователя виде. Имеются средства отладки, ав-

томатически показывающие после каждого шага содержимое регистров про-

цессора и ячеек памяти, используемых в последней команде, и несколько

следующих команд. Пошаговый режим является весьма мощным средством

предварительного тестирования, так как позволяет обнаруживать неисправ-

ности, прежде чем они существенно исказят программу и данные. Кроме то-

го, неоднократно проходя отдельными шагами через один и тот же участок

объектной программы, программист может легко изменять содержимое реги-

стров и ячеек памяти, особенно если средства отладки имеют динамически

обновляемый дисплей, и тем самым проверить работу программы в разных

условиях. Этот интерактивный режим отладки программы позволяет разра-

ботчику постоянно упреждать, что будет делать его программа, и оперативно

обнаруживать ошибку. Однако пошаговый режим с автоматическим показом

результатов возможен только тогда, когда средства отладки содержат в своем

составе дисплей с прямым доступом в память, так как после каждого шага на

экране дисплея нужно показывать большой объем информации.

Исполнение программ осуществляется по шагам последовательно во

времени и в соответствии с заданиями, содержащимися в операторах. При

этом производится переработка значений переменных и определение опера-

тора приемника. Если в ходе исполнения программы регистрируется после-

довательность операторов, реализуемых на каждом шаге процесса, то полу-

чается трасса или маршрут исполнения программы, который для конкретной

программы зависит только от значений исходных данных.

Трассировка программ больше пригодна для отладочных средств,

имеющих медленный, последовательный терминал. Программа-отладчик вы-

полняет непрерывно команду за командой и выводит содержимое регистров

процессора на терминал после каждого шага. Некоторые отладчики выводят

также на терминал команды в дизассемблерной форме. Но при этом способе

содержимое памяти не выводится на терминал и разработчик должен сам де-

лать выводы об изменениях в ней. Отслеживание программы продолжается

автоматически до тех пор, пока не будет остановлено извне. Результатом

трассировки программы будут данные на экране дисплея или же в случае ис-

пользования в качестве терминала печатающего устройства – длинная распе-

чатка с ходом выполнения программы. Программист, анализируя эти данные,

может обнаружить ошибки. Трассировка программ не дает, однако, возмож-

ности изменять содержимое памяти и регистров и может послужить причи-

ной того, что программа разрушит себя или свои данные прежде, чем отсле-

живание будет остановлено.

Отдельные участки программы после проверки, используя пошаговый

режим или трассировку, можно объединить и проверить с помощью установ-

ки контрольных точек, вводимых в программу и прерывающих ее исполне-

ние, для передачи управления программе-отладчику. По контрольным точкам

можно по желанию выполнить избранные участки программы и проанализи-

ровать результаты. Контрольные точки устанавливаются обычно для кон-

кретной команды, но в некоторых системах предусматриваются прерывания

программы при чтении или записи данных в определенные ячейки памяти.

Возможны и более сложные условия прерывания программы.

Расстановка контрольных точек предполагает, что программист связы-

вает с ней точный адрес памяти. Для некоторых отладчиков программист за-

дает абсолютный шестнадцатеричный адрес. Последние отладчики допуска-

ют символьные значения адресов, которые программист определяет в исход-

ной программе; это позволяет значительно экономить время, распечатывая

после каждого редактирования и транслирования программы новую копию

листинга.

При тестировании можно планировать проверку всех возможных мар-

шрутов исполнения программы для разных исходных переменных. Однако

это реализуемо только для очень простых программ небольшого объема при

малых диапазонах изменения исходных данных. Поэтому при планировании

отладки программ применяют критерии полноты тестирования, которые, од-

нако, не гарантируют полной проверки программ. Выбор критерия зависит от

наличия ресурсов для тестирования и структурной сложности отлаживаемой

программы. Критерии характеризуются глубиной контроля программ и объ-

емом проверок. Комплексная отладка микропроцессорных систем. Как пра-

вило, микропроцессорная система – это система реального времени, т. е. кор-

ректность ее функционирования зависит от времени выполнения отдельных

программ и скорости работы аппаратуры. Поэтому система считается отла-

женной после того, как рабочие программы правильно функционируют на

действительной аппаратуре системы в реальных условиях. Дополнительным

свойством, которым должны обладать средства комплексной отладки по

сравнению со средствами автономной отладки, является возможность управ-

ления поведением МПС и сбора информации о ее поведении в реальном вре-

мени.

Тенденция развития средств отладки микропроцессорных систем со-

стоит в объединении свойств нескольких приборов в одном комплексе, в соз-

дании универсальных средств, пригодных для автономной отладки аппарату-

ры, генерации и автономной отладки программ и комплексной отладки сис-

темы. Эти средства позволяют вести разработку и отладку, постепенно ус-

ложняя аппаратуру и программы. При этом разработка, изготовление и от-

ладка планируются поэтапно с нарастанием сложности; новая, не отлаженная

аппаратура и программа вводятся в создаваемую систему, присоединяются к

проверенной ее части.

Если отладка программ ведется с использованием эмуляционного ОЗУ,

а затем изготовляются микросхемы ПЗУ, то микропроцессорная система

должна быть протестирована.

Средства отладки на последних этапах не должны влиять на правиль-

ность функционирования системы, вносить задержки, дополнительные на-

грузки.

При комплексной отладке наряду с детерминированным используется

статистическое тестирование, при котором МПС проверяется при изменении

исходных переменных в соответствии со статистическими законами работы

источников информации. Полнота контроля работоспособности проектируе-

мой системы возрастает за счет расширения диапазона возможных сочетаний

переменных и соответствующих им логических маршрутов обработки ин-

формации.

Существуют пять основных приемов комплексной отладки микропро-

цессорной системы:

1) останов функционирования системы при возникновении определен-

ного события;

2) чтение (изменение) содержимого памяти или регистров системы;

3) пошаговое отслеживание поведения системы;

4) отслеживание поведения системы в реальном времени;

5) временное согласование программ.

Комплексная отладка завершается приемосдаточными испытаниями,

показывающими соответствие спроектированной системы техническому за-

данию. Для проведения комплексной отладки МПС используют логические

анализаторы и комплексы: оценочные, отладочные, развития микропроцес-

соров, диагностирования, средств отладки.

3. ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

В качестве примера выполнения курсового проекта рассмотрим зада-

ние. Разработать цифровой рекурсивный фильтр с максимальной частотой

входного сигнала 100 кГц.

Состав устройства:

1) Микропроцессорный блок, формирующий ШД, ША и ШУ.

2) ОЗУ и ПЗУ.

3) Интерфейс ЦАП и ЦАП.

4) Интерфейс АЦП и АЦП.

5) Таймер для формирования импульсов дискретизации.

Модуль

МП

Модуль

ОЗУ

Модуль ПЗУ

Таймер

ИФ

ЦАП

ИФ

АЦП

ЦАП АЦП

Ш Д

Ш А

Ш У

Рис. 16. Структурная схема разрабатываемого устройства

Для формирования шины данных используют стандартную схему,

включающую шинные формирователи К1810ВА86 и управляющие сигналы

RDT / и DEN . Для формирования шины адреса используются регистры

К1810ИР82. Шину управления можно собрать на дискретной логике, а также

используя дешифратор.

Таблица истинности:

IOM /

0 1 1

MEMW

0 1 0

IOW

1 0 0

IOR

1 0 1

MEMR

M/IO

IOW

IOR

MEMR

MEMW

Рис. 17. Формирования шины управления для ЗУ и ВУ

Распределение адресного пространства. При распределении адресного

пространства необходимо учитывать следующее:

1) ОЗУ и ПЗУ должны находится в разных областях.

2) ПЗУ состоит из двух частей:

- ПЗУ начальной загрузки (с адреса FFFF0H);

- ПЗУ для хранения программы;

- таблица векторов прерывания.

3) В системе используются два ВУ (программируемый параллельный

интерфейс и программируемый таймер), причем каждое ВУ использует ад-

ресное пространства из 4 байт, т. е. дополнительно используются A0 и A1.

Предлагается следующее распределение адресного пространства:

азряды ША

Адрес Тип устройства

А15 А14 А7 А1 А0

000

ПЗУ нач. загрузки

1 0 X X X 8000H ПЗУ программы

0 0 X X X 0000H ПЗУ табл. векторов

4000

ОЗУ

X X 1 X X 80H – 83H ППИ

00H

–

03H

ПИТ

Примечание: для выбора ВУ используется сигнал IOM / = 0.

В разрабатываемой курсовой работе продумайте и расставьте наиболее

оптимальные с вашей точки зрения контрольные точки для введения сигна-

тур, разработайте сигнатуры, обоснуйте свой вариант диагностики возмож-

ных неисправностей.

MEMR

MEMW

IOR

IOW

A15 - A0

D15 - D0

20 - 5

36 - 21

21 - 28

M/IO 37

29 - 36

21 - 28

29 - 36

BHE 40

5 - 16

W/R

RAM

W/R

RAM

ROM

DA0

DA7

DB0

DB7

к АЦП

к ЦАП

OUT

21 - 28

Рис. 18. Фрагмент функциональной схемы разрабатываемого устройства

Задания на курсовой проект.

Требование к оформлению курсового проекта.

Курсовой проект представляют в виде пояснительной записки и графи-

ческого материала. Пояснительная записка объемом не более 20 листов, вы-

полненная в соответствии с СТП включает: оглавление, исходные данные,

основные этапы разработки, описание работы схемы электрической принци-

пиальной, описание работы программы, граф-схему программы, список ли-

тературы и перечень элементов по ЕСКД.

Графический материал (два листа А1) состоит схемы электрической

структурной (электрической функциональной) и граф-схемы (первый лист) и

схемы электрической принципиальной (второй лист). Графический материал

должен быть выполнен в соответствии с ЕСКД и СТП.

Номер варианта задается преподавателем.

Курсовой проект можно разрабатывать как с применением изучаемого

микропроцессора, так и с применением любого другого, а также с примене-

нием микроконтроллера.

Задания на курсовой проект.

1) Разработать генератор шума с возможностью управления от IBM по

порту RS-232 с индикацией амплитуды выходного сигнала, со следующими

параметрами:

а) закон распределения нормальный с нулевым мат. ожиданием;

б) диапазон выходного напряжения регулируемый от 0,5В до 8В с ша-

гом 0,1В;

в) задание амплитуды производится с клавиатуры или с персонального

компьютера.

2) Разработать электронные часы с будильником (включение и отклю-

чение внешнего устройства в установленное время) и с возможностью управ-

ления (установки времени и программирования будильника) как от клавиату-

ры, так и от персонального компьютера по порту RS-232.

3) Разработать электронный вольтметр с автоматическим выбором диа-

пазона измерения со следующими характеристиками:

- диапазон входного напряжения по постоянному току до 300В с по-

грешностью измерения 1%;

- диапазон входного напряжения по переменному току до 500В с часто-

той от 10 ГЦ до 500 ГЦ и погрешность измерения 1%.

4) Разработать электронный частотомер (измеритель периода) и изме-

ритель скважности сигнала с индикатором и возможностью передачи данных

на персональный компьютер по RS-232 со следующими характеристиками:

- диапазон входного напряжения от 0,1В до 10В;

- диапазон измерения частоты сигнала от 10 ГЦ до 50 кГц;

- диапазон измерения скважности от 0,1 до 200.

5) Разработать электронные весы с автоматическим выбором диапазона

измерения и со следующими характеристиками:

- диапазон измерения от 10 гр. до 200 КГ;

- погрешность измерения 1%.

При разработке учесть, что существующие датчики измерения давле-

ния работают в следующих диапазонах:

от 10Н до 500Н ±0,1Н;

от 300Н до 1500Н ±1Н;

от 1000Н до 3000Н ±5Н.

6) Разработать генератор сигнала со следующими параметрами:

- вид сигнала: синусоидальный, импульс, треугольник;

- диапазон амплитуды от 0,1В до 10В;

- частота от 10Гц до 1кГц.

7) Параметры сигнала задавать с клавиатуры и выводить на индикатор.

8) Разработать свипирующий генератор с устанавливаемым уровнем

выходного сигнала от 0,1В до 10В (отображать на индикаторе) и с изменяе-

мой частотой сигнала от 10Гц до 100 кГц (не менее 100 периодов).

9) Разработать измеритель импульсной характеристики четырех по-

люсника с задаваемым уровнем входного сигнала от –5В до 5В с шагом 0,1В

(отображать на индикаторе) с выводом данных на персональный компьютер

по RS-232. Погрешность измерения 0,1%.

10) Разработать измеритель параметров сигнала (амплитуда, частота,

скважность) с отображением полученных данных на индикаторе и передачей

на персональный компьютер по RS-232 со следующими характеристиками:

- диапазон входного напряжения по постоянному току до 300В с по-

грешностью измерения 1%;

- диапазон входного напряжения по переменному току до 500В с часто-

той от 10 ГЦ до 500 ГЦ и погрешность измерения 1%.

11) Разработать генератор синусоидального сигнала с возможностью

ввода параметров сигнала с клавиатуры или с персонального компьютера по

RS-232 со следующими характеристиками:

- диапазон выходного сигнала от 0,1В до 10В;

- частота выходного сигнала от 1кГц до 1МГц.

Для обеспечения максимальной частоты формируемого сигнала целе-

сообразно использовать режим ПДП.

12) Разработать регистратор пульса (отображать на индикаторе) с вы-

водом данных на персональный компьютер по RS-232 со следующими харак-

теристиками:

- ввод с клавиатуры текущего времени (отображать на индикаторе) и даты;

- максимальное значение пульса 300 ударов в минуту;

- время накопления данных 24 часа;

- звуковая сигнализация при превышении пульса 200 ударов в минуту и

при снижении менее 30.

13) Разработать фильтр сигнала с возможностью передачи данных на

персональный компьютер по RS-232 (амплитуды входного и выходного сиг-

налов) работающий по следующему алгоритму

1iд1ii

xTyy

−−

14) В режиме ПДП запасать N отсчетов (1000≤N≤5000) в ОЗУ, полу-

ченные данные обработать по алгоритму «скользящего среднего» с периодом

20 и полученный результат вывести на осциллограф и на персональный ком-

пьютер по RS-232. Амплитуда входного сигнала не более 10В.

15) В режиме ПДП ввести N отсчетов (1000≤N≤5000) с АЦП в ОЗУ;

найти минимальное, максимальное и среднее значения вывести на индикатор

и персональный компьютер по RS-232. Уровень входного напряжения не

превышает 10В.