Микрокомпьютерные системы управления. Первое знакомство

МОСКВА

                        ДМК Пресс, Додэка

МИКРОКОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ. 

ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО

ЁСИКАДЗУ СУЭМАЦУ  

под редакцией

Ёсифуми  Амэмия 

2017

Yoshifumi AMEMIYA / Yoshikazu SUEMATSU

Illustrated Introduction to Mechatronics
Introduction to Personal Computer 
Based Controllers

Revised 2nd Edition

МИКРОКОМПЬЮТЕРНЫЕ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 

ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО

ЁСИКАДЗУ СУЭМАЦУ  

под редакцией

Ёсифуми  Амэмия 

Москва, 2017

— 1 —

УДК 004.382.7
ББК 32.973.26
С89

С89 
Суэмацу, Ёсикадзу
Микрокомпьютерные системы управления. Первое знакомство. 
/Пер. с яп.; под ред. Ёсифуми Амэмия. — 2е изд., стер. — 
М.: ДМК Пресс, 2017. — 256 с.: ил. 

ISBN 9785970605028

Kнига призвана дать общее представление об областях применения и  возможностях микрокомпьютеров, используемых в качестве управляющих устройств различными процессами и системами. В популярной форме излагаются основные понятия из области микропроцессорной техники, программирования, цифровой электроники, методы обработки данных, возможности и конфигурация микрокомпьютеров. На примере конкретных задач управления подробно рассмотрены принципы составления программ для микроЭВМ, системы
команд, взаимодействие с периферийными устройствами.
Предназначена для начинающих радиолюбителей, студентов и
школьников, осваивающих основы проектирования и программирования микропроцессорных контроллеров.

УДК  004.382.7
ББК 32.973.26 

Original Japanese edition published as Illustrated Introduction to Mechatronics.
Introduction to Personal Computers Based Controllers
(Revised 2nd Edition) by Yoshikazu Suematsu.
Published by Ohmsha, Ltd., 31 Kanda Nishikicho, Chiyodaku, Tokyo, Japan.

Translation rights arranged with Ohmsha, Ltd.

ISBN 9784274086755 (яп.)
© Yoshikazu Suematsu
ISBN 9785941202140 (  одэка)
© Перевод, макет, ДодэкаXXI

Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой
форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотографирование, ксерокопирование или иные средства копирования или сохранения информации, без письменного разрешения издательства.

© Издание, ДМК Пресс, 2017
ISBN 9785970605028 (          Пресс)
Д
ДМК 

ОГЛАВЛЕНИЕ

От редактора  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

1. МИКРОКОМПЬЮТЕР КАК ОРУДИЕ ТРУДА  . . . . . . . . . . . . .15
1.1. Где применяются микрокомпьютеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
1.2. Функции контроллеров бытовых приборов  . . . . . . . . . . . . . . . .21
1.3. Алгоритм работы микрокомпьютера  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
Обобщение главы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
Практические задания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

2. УСТРОЙСТВО МИКРОКОМПЬЮТЕРА  . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
2.1. Внешний вид микрокомпьютера  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
2.2. Процессор (ЦПУ)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
2.3. Запоминающее устройство  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
2.4. Порты вводавывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
Обобщение главы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
Практические задания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50

3. МИКРОКОМПЬЮТЕРНАЯ МАТЕМАТИКА  . . . . . . . . . . . . . . .51
3.1. Двоичная система счисления  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

5

Сложение двоичных чисел  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
Отрицательные двоичные числа 
(представление в дополнительном коде)  . . . . . . . . . . . . . . . .55
Вычитание двоичных чисел  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
Умножение двоичных чисел  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59

3.2. Шестнадцатеричная система счисления  . . . . . . . . . . . . . . . . . .59

3.3. Двоичнодесятичный код (BCD)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62

3.4. Логические операции  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
Логическое сложение (ИЛИ)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
Логическое умножение (И)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
Отрицание (НЕ)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
Исключающее ИЛИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68

Обобщение главы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
Практические задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70

4. ЦИФРОВЫЕ СХЕМЫ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

4.1. Вентильные схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74

4.2. Триггеры  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
Счетный триггер (Tтриггер)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
Dтриггер  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77

4.3. ТТЛ (транзисторнотранзисторные логические схемы)  . . . . .78
Вентильные схемы ТТЛ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
Схемы с Zсостоянием . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
Дешифратор  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
«Защелка»  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85

4.4. Архитектура микрокомпьютера  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
Соединение процессора и ЗУ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
Соединение ЦПУ с портами вводавывода . . . . . . . . . . . . . .92

Обобщение главы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
Практические задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96

5. ПРОГРАММЫ ДЛЯ МИКРОКОМПЬЮТЕРА  . . . . . . . . . . . . .97

5.1. «Лингвистические» способности микрокомпьютера  . . . . . . . .97

ОГЛАВЛЕНИЕ

6

0-1.qxd  18.11.02 13:17  Page 6

5.2. О том, что такое «мнемоника» и как она заменяет  
машинный код  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101

5.3. Схема выполнения команды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105

Обобщение главы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
Практические задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110

6. ВВЕДЕНИЕ В МАШИННЫЙ ЯЗЫК  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111

6.1. Назначение регистров ЦПУ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
Регистры A и F для хранения результатов вычислений  . . .111
Регистры общего назначения —  «записная книжка» 
процессора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114
Дополнительные регистры — «дублеры» главных 
регистров  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  .115
Регистры — указатели адреса IX и IY . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
Счетчик команд (PC) и указатель стека (SP) . . . . . . . . . . . .116

6.2. Kоманда загрузки данных (Load)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117

6.3. Kоманды арифметических операций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
Kоманды сложения и вычитания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
Kоманды  увеличения (INC) и уменьшения (DEC)  . . . . . .120
Kоманда сравнения (CP)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121

6.4. Kоманды логических операций  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
Kоманды «И», «ИЛИ», «Исключающее ИЛИ»  . . . . . . . . . .123
Kоманды инверсии (CPL) и изменения знака (NEG)  . . . .124

6.5. Kоманды перехода  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
Команды безусловного перехода (JP, JR) . . . . . . . . . . . . . . .125
Команды условного перехода  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127

6.6. Kоманды вызова подпрограммы и возврата 
из подпрограммы (CALL, RET)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129

6.7. Команды ввода и вывода (IN, OUT)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
Цикл считывания данных из порта ввода  . . . . . . . . . . . . . .134
Цикл записи в порты вывода  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136

Обобщение главы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
Практические задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139

ОГЛАВЛЕНИЕ

7

0-1.qxd  18.11.02 13:17  Page 7

7. СОСТАВЛЕНИЕ ПРОГРАММ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141

7.1. Технические характеристики микрокомпьютера 
(аппаратные средства)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141

7.2. Задача № 1 — поочередно зажечь определенное 
количество светодиодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
Программирование «по частям»  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
Kомпоновка единой программы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Программа в машинных кодах и на языке ассемблера . . . .149

7.3. Задача № 2 — запомнить последовательность сигналов 
и воспроизвести ее (вариант 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
Процедура записи в память последовательности 
сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
Процедура воспроизведения последовательности 
сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157

7.4. Задача № 3 — запомнить последовательность сигналов 
и воспроизвести ее (вариант 2)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
Запоминаем последовательность сигналов  . . . . . . . . . . . . .161
Воспроизводим последовательность сигналов, соблюдая 
временные интервалы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
Kоррекция ошибок ввода состояния выключателей 
(устранение «дребезга»)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170

7.5. Задача № 4 — программа с использованием 
таблицы данных  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  .173

7.6. Задача № 5 — управление шаговым двигателем . . . . . . . . . . .180
Kак управлять шаговым двигателем . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
Импульсы управления  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182
Описание программы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182

Обобщение главы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186
Практические задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186

8. ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЯЮЩЕГО 

МИКРОКОМПЬЮТЕРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187

8.1. БИС портов вводавывода  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187

ОГЛАВЛЕНИЕ

8

0-1.qxd  18.11.02 13:17  Page 8

8.2. Обработка прерывания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193
Понятие прерывания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193
Сигнал прерывания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195
Программирование ПИ на обработку прерывания  . . . . . .198
Задача № 6 — программа контроля механической 
системы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
8.3. БИС таймерасчетчика (CTC)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205
8.4. Преобразования цифровых и аналоговых сигналов . . . . . . . .208
Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) . . . . . . . . . . . .209
Аналогоцифровой преобразователь (АЦП)  . . . . . . . . . . . .214
Задача № 7 — программа ввода в ЦПУ изменяющегося 
во времени аналогового сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .222
Обобщение главы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
Практические задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227

Приложения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
Ответы к практическим заданиям . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .244
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251

ОГЛАВЛЕНИЕ

0-1.qxd  18.11.02 13:17  Page 9

ОТ РЕДАКТОРА

Серия «Механотроника. Первое знакомство (с иллюстрациями)»
издается с 1983 года. Kак раз в это время общественный интерес к новому направлению, получившему название «механотроника»1, начал
набирать силу. Именно тогда представители самых разных профессий,
так или иначе связанных с техникой и естественными науками, боясь
отстать от времени, ощутили потребность заполнить «пустоты» в своей
эрудиции, образовавшиеся в результате стремительного развития электроники, вычислительной и микропроцессорной техники. Аудитории, где проводились семинары и лекции, посвященные этим дисциплинам, были переполнены слушателями.
Приступая к работе над этой серией, авторы постарались таким
образом подобрать, скомпоновать и изложить материал, чтобы
рассматриваемые (в общем, достаточно сложные) вопросы и проблемы пробуждали у читателей, особенно у тех, кто впервые столкнулся с понятием «механотроника», интерес и стремление к более
глубокому их изучению и пониманию (а не наоборот!). Теперь, без
ложной скромности, можно утверждать, что мы с этой задачей
справились. Объективным свидетельством этого служит тот факт,
что и сейчас, по прошествии двух десятилетий, книги данной серии не залеживаются на прилавках. За это время было продано более 100000 экземпляров.
Учитывая столь очевидный интерес читателей, было принято решение о выпуске второго — исправленного и дополненного — издания книги. Теперь в конце каждой главы вы найдете разделы «Обобщение главы» и «Практические задания», в которых, для закрепления материала, в очень сжатой форме изложено основное содержа1 Механотроника (от англ. mechatronics) — соединение оборудования с микрокомпьютерами
(прим. переводчика). 

0-1.qxd  18.11.02 13:17  Page 10