Программирование встраиваемых микропроцессорных систем

A.V. Bazhenov, N.Y. Bratchenko, N.V. Grivennaya

PROGRAMMING OF EMBEDDED 
MICROPROCESSOR SYSTEMS

TEXTBOOK

Stavropol
Publisher
North Caucasus federal university
2022

UDC  004:621.391
BBK  32.97

В 16

Is published by the decision
of the Editorial and Publishing Council
North Caucasus Federal University

© North Caucasus
Federal University, 2022

Bazhenov, A. V. 
В 16 
Programming of embedded microprocessor systems : textbook / 
A.V. Bazhenov, N. Y. Bratchenko, N. V. Grivennaya. – Stavropol : 
Publisher NCFU, 2022. – 302 p.

The textbook outlines the mathematical foundations of the construction 
and operation of embedded microprocessor systems. Technological methods of 
programming microcontrollers, programmable logic controllers and programmable 
logic circuits are given and illustrated with examples. To study the basics of 
programming microprocessor devices, a microcontroller 1887VE7T of domestic 
production was selected. It is intended for bachelors studying in the field of training 
09.03.04 Software engineering profile «Software development and maintenance», it 
can also be recommended for students of other bachelor’s and master’s degrees in 
the study of disciplines related to the design and operation of microprocessor control 
systems.

UDC 004:621.391
BBK 32.97

Authors:
Cand. of Technical Sciences, Professor A. V. Bazhenov,
Cand. of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor 
N. Y. Bratchenko,
Cand. of Technical Sciences, Associate Professor N. V. Grivennaya

Reviewers:
Doctor of Technical Sciences, Professor I. I. Pasechnikov
(Tambov State University named after G. R. Derzhavin),
Doctor of Technical Sciences, Professor G. I. Linets
(North Caucasus Federal University)

А. В. Баженов, Н. Ю. Братченко, Н. В. Гривенная

ПРОГРАММИРОВАНИЕ 
ВСТРАИВАЕМЫХ 
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

УЧЕБНИК 

Ставрополь
Издательство
Северо-Кавказского федерального университета
2022

УДК  004:621.391
ББК  32.97

Б 16

Печатается по решению 
редакционно-издательского совета 
Северо-Кавказского 
федерального университета

© Северо-Кавказский 
федеральный университет, 2022

Баженов, А. В. 

Б 16 
Программирование встраиваемых микропроцессорных систем : учебник / А. В. Баженов, Н. Ю. Братченко, Н. В. Гривенная. – Ставрополь : Изд-во СКФУ, 2022. – 302 с.

В учебнике изложены математические основы построения и функционирования встраиваемых микропроцессорных систем. Приведены и проиллюстрированы примерами технологические приемы программирования микроконтроллеров, программируемых логических контроллеров и программируемых 
логических схем. Для изучения основ программирования микропроцессорных 
устройств выбран микроконтроллер 1887ВЕ7Т отечественного производства. 
Предназначен для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 09.03.04 Программная инженерия профиля «Разработка и сопровождение 
программного обеспечения», может быть рекомендован также для студентов 
других направлений бакалавриата и магистратуры при изучении дисциплин, 
связанных с проектированием и эксплуатацией микропроцессорных систем 
управления.

УДК 004:621.391
ББК 32.97

Авторы:
канд. техн. наук, профессор А. В. Баженов,
канд. физ.-мат. наук, доцент Н. Ю. Братченко,
канд. техн. наук, доцент Н. В. Гривенная

Рецензенты:
д-р. техн. наук, профессор И. И. Пасечников
(Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина),
д-р. техн. наук, профессор Г. И. Линец
(Северо-Кавказский федеральный университет)

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие ........................................................................................................7

Введение  ...............................................................................................................8

1.  
Математические основы построения и программирования 
 
встраиваемых микропроцессорных систем .................................10
 
1.1.  Позиционные системы счисления и их основные свойства .....10
 
1.2.  Арифметические действия в позиционных системах 
 
 
счисления и перевод чисел из одной системы счисления 
 
 
в другую ............................................................................................17
 
1.3.  Машинные двоичные коды и действия с ними ......................26
 
1.4.  Общие сведения о функциях алгебры логики .........................37
 
1.5.  Переключательные функции и их минимизация ...................48

2.  
Состав и принципы работы встраиваемых 
 
микропроцессорных систем...............................................................62
 
2.1.  Принцип программного управления ........................................62
 
2.2.  Структура и порядок функционирования 
 
 
микропроцессорных систем управления .................................64
 
2.3.  Основные характеристики микропроцессорных систем .....67
 
2.4.  Форматы представления команд и чисел .................................69
 
2.5.  Обобщенная структура микропроцессора ..............................71
 
2.6.  Сравнительная оценка архитектуры микропроцессоров 
 
 
и микроконтроллеров ...................................................................78
 
2.7.  Система команд ..............................................................................89
 
2.8.  Особенности программирования микропроцессорных 
 
 
систем ................................................................................................93

3.  
Программирование встраиваемых микропроцессорных 
 
систем с использованием интегрированной среды 
 
разработки .............................................................................................100
 
3.1.  Общая характеристика технологии программирования 
 
 
встраиваемых микропроцессорных систем ...........................100
 
3.2.  Инструментальные средства программирования 
 
 
микроконтроллеров .....................................................................103
 
3.3.  Программирование ввода / вывода бинарной 
 
 
информации с использованием цифровых портов .............112
 
3.4.  Программирование ввода / вывода аналоговой 
 
 
информации ...................................................................................126
 
3.5.  Программирование встроенных таймеров ............................146

- 6 
Программирование встраиваемых микропроцессорных систем

4. Виды интерфейсов и их программирование ...................................168

 
4.1.  Назначение и классификация интерфейсов 
 
 
встраиваемых микропроцессорных систем ...........................168
 
4.2.  Универсальный синхронно-асинхронный 
 
 
приемопередатчик ........................................................................174
 
4.3.  Реализация интерфейсов RS232, RS485 ...................................183
 
4.4.  Последовательный интерфейс SPI............................................194
 
4.5.  Двухпроводный интерфейс I2C ................................................202
 
4.6.  Однопроводный интерфейс One Wire ....................................214

5.  
Программируемые логические контроллеры 
 
и особенности их программирования .............................................231

 
5.1.  Назначение и классификация программируемых 
 
 
логических контроллеров ...........................................................231
 
5.2.  Общая характеристика языков программирования ПЛК ......237
 
5.3.  Графические языки программирования ПЛК .......................239
 
5.4.  Текстовые языки программирования ПЛК ............................242
 
5.5.  Интегрированные среды программирования ПЛК .............243

6.  
Программируемые логические схемы и их применение 
 
во встраиваемых системах управления .......................................257

 
6.1.  Назначение и классификация программируемых 
 
 
логических схем ............................................................................257
 
6.2.  Основы проектирования встраиваемых систем 
 
 
на ПЛИС .........................................................................................263
 
6.3.  Пример реализации счетчика с заданным 
 
 
коэффициентом пересчета на ПЛИС ......................................266

Заключение ......................................................................................................277

Литература .......................................................................................................279

Приложение А .................................................................................................281

Приложение Б .................................................................................................283

Глоссарий..........................................................................................................290

Сокращения и аббревиатуры ......................................................................300

- 7 
Предисловие

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник предназначен как для начинающих изучать програм-
мирование встраиваемых микропроцессорных систем управления, так и для более подготовленных читателей, которым необходима систематизация полученных ранее знаний и практических 
навыков. Авторами рассмотрены не только основные принципы 
организации встраиваемых микропроцессорных систем управления, но и обобщены подходы к их программированию. Примеры программирования микроконтроллеров серии 1887 отечественного производства приведены в объеме, достаточном для 
проектирования и практического использования. Для качественного освоения теоретического и практического материала необходимо знание основ теории цепей и сигналов, информатики, 
цифровой электроники и микропроцессорной техники.
В первой главе учебника приведены математические основы 
построения и программирования встраиваемых микропроцессорных систем
Вторая глава посвящена структуре и порядку функционирования, основным характеристикам микропроцессорных систем, 
дана сравнительная оценка архитектуры микропроцессоров и 
микроконтроллеров.
В третьей главе рассмотрены технология и инструментальные 
среды программирования встраиваемых микропроцессорных систем, особенности организации ввода / вывода аналоговой и цифровой информации, программной генерации временных интервалов на 
примере микроконтроллера 1887ВЕ7Т производства АО «НИИЭТ».  
Четвертая глава посвящена программированию последовательных и параллельных интерфейсов встраиваемых микропроцессорных систем.
В пятой главе рассмотрены назначение, классификация, общая 
характеристика языков программирования, среды программирования программируемых логических контроллеров, а также практические вопросы программирования ПЛК100 компании «Овен».
В шестая глава посвящена программируемым логическим схемам и их применению во встраиваемых системах управления.
В конце каждой главы приведены вопросы для самоконтроля.

- 8 
Программирование встраиваемых микропроцессорных систем

ВВЕДЕНИЕ

Понятие «встраиваемая система управления» относится к микропроцессорным системам управления, которые располагаются 
непосредственно на объекте управления. Несомненными достоинствами таких систем является высокая оперативность, связанная с отсутствием канала передачи данных большой дальности, 
а также компактность и отсутствие требований по организации 
отдельных рабочих мест оператора. В свою очередь, близость к 
объекту управления определяет более жесткие требования к допустимым условиям функционирования, таким как температура, 
влажность, виброустойчивость, пылезащищенность и т. д. 
Встраиваемая система управления должна работать в режиме 
реального времени, когда реакция на изменение состояния объекта управления должна быть реализована до момента устаревания 
информации от датчиков. Реальный масштаб времени достигается 
использованием комплекса архитектурных, технологических и программных мер, позволяющих при имеющихся ограничениях на ресурсы обеспечить максимально высокое быстродействие системы.
Перечисленные 
выше 
особенности 
функционирования 
встраиваемых микропроцессорных систем управления определяют особенности их программирования. Среди которых можно 
выделить следующие:
• 
программный код должен быть максимально дружествен 
аппаратным ресурсам, при этом наиболее эффективными с 
точки зрения минимума программного кода и времени реализации будут ассемблер-подобные языки программирования;
• 
большая номенклатура производителей микропроцессорных 
устройств при разнообразии архитектурных принципов осложняет создание больших библиотек программного кода;
• 
существующая тенденция использования специализированных программных инструментальных сред каждым крупным 
производителем микропроцессоров вынуждает разработчиков отдавать предпочтения тем программно-аппаратным 
средствам, опыт использования которых сформирован по совокупности предыдущих проектов, иногда в ущерб целесообразности использования других технических средств. 

- 9 
Программное обеспечение встраиваемых микропроцессорных 
систем управления зависит от сложности объекта управления, количества его режимов функционирования, параметров, характеризующих его состояние, интенсивности поступления и вида обрабатываемых данных. С учетом перечисленных свойств объекта 
управления в качестве аппаратной части микропроцессорного 
устройства управления могут быть выбраны программируемые 
логические интегральные схемы (ПЛИС), микроконтроллеры, 
цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) или универсальные 
микропроцессоры. В каждом конкретном случае выбор аппаратной части осуществляется по критерию минимума стоимости 
при наличии необходимых функциональных возможностей. Если 
алгоритм управления представляет собой несколько взаимосвязанных логических выражений, то его реализация может быть 
выполнена на базе ПЛИС. Алгоритмы, в которых делается упор 
на конструкции «если… то», хорошо поддаются реализации на 
однокристальных ЭВМ, называемых также микроконтроллерами. Наличие в алгоритме процедур цифровой обработки больших 
одномерных или n-мерных массивов определяет выбор ЦСП. 
Выбор универсального микропроцессора со всеми необходимыми микросхемами обвязки (питание, синхронизация, организация ввода вывода, аналого-цифровое преобразование, хранение 
больших объемов данных и т. д.) оправдан, если управляющий 
алгоритм содержит элементы, перечисленные ранее для специализированных микропроцессорных устройств.
В настоящее время существует огромное количество литературы по программированию микропроцессорных устройств, 
в том числе и учебной. Но в предлагаемых учебниках рассматриваются в основном подходы к программированию специализированных устройств: микроконтроллеров, ПЛИС, ЦСП либо 
отдельных языков программирования или инструментальных 
сред, т. е. без выявления общих закономерностей и подходов, 
присущих встраиваемым системам. Поэтому целью данного 
учебника является систематизация и обобщение подходов к 
программированию встраиваемых микропроцессорных систем, 
реализуемых на различных аппаратных платформах. 

Введение

- 10 
Программирование встраиваемых микропроцессорных систем

1.  МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ 
 
И ПРОГРАММИРОВАНИЯ ВСТРАИВАЕМЫХ 
 
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

Вопросы
1.1.  Позиционные системы счисления и их основные свойства.
1.2.  Арифметические действия в позиционных системах счисления и перевод чисел 
из одной системы счисления в другую.
1.3.  Машинные двоичные коды и действия с ними.
1.4.  Общие сведения о функциях алгебры логики.
1.5.  Переключательные функции и их минимизация.

1.1.  ПОзИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ 
 
И ИХ ОСНОВНЫЕ СВОйСТВА

1.1.1. Основные сведения о системах счисления
 
Цифровые сигналы, с которыми работают цифровые вычислительные машины, представляют собой числа или цифры некоторой системы счисления. Происхождение чисел и способов 
счета связано с практическими потребностями людей в измерении различных величин. Числом выражают отношение между 
измеряемой величиной и величиной, принятой за единицу измерения. Число является отвлеченным, абстрактным выражением 
количества. Для пользования числами их необходимо свести в 
определенную систему, условиться о названиях чисел и способах их обозначения.
Система счисления (СС) – это совокупность приемов и правил, устанавливающих взаимно однозначное соответствие между числом и его записью.
Каждому числу А или каждой цифре d в записи числа А можно сопоставить некоторый количественный эквивалент, выражаемый числом.
Систему счисления называют позиционной (ПСС), если значение цифр определяется не только особенностями их начертания, но и зависит от места (позиции), занимаемого ими в числе. 
В противном случае систему счисления называют непозиционной (НПСС). Примерами ПСС и НПСС являются соответствен