Основы проектирования микропроцессорной техники

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 
Ю.И. Рассадкин, А.В. Синицын 
 
 
 
Основы проектирования  
микропроцессорной техники 
 
 
 
 
Учебное пособие по дисциплине 
«Микропроцессорная техника» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 
 

УДК 004.318(075.8) 
ББК  32.973.26 
         Р24 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/190/book1427.html 
Факультет «Специальное  машиностроение» 
Кафедра «Специальная робототехника и мехатроника» 
Р24 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве Учебного пособия 
 
 
Рецензент  
д-р техн. наук, профессор В.К. Хохлов 
  
 
Рассадкин, Ю.И. 
Основы проектирования микропроцессорной техники : учебное пособие по дисциплине «Микропроцессорная техника» /   
Ю. И. Рассадкин, А. В. Синицын. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2016. — 75, [5] с. : ил. 
 
ISBN 978-5-7038-4416-8 
 
Приведены основные сведения, необходимые студенту при изучении 
курса «Микропроцессорная техника». Рассмотрены вопросы проектирования устройств сопряжения с объектами для различных видов преобразования сигналов и способов взаимодействия с ведущим устройством,  
в том числе и при использовании микроконтроллеров. 
 
  УДК 004.318(075.8) 
   ББК 32.973.26 
 
 
 
 
 
 
 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4416-8                              
 
      МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 
 
2 

Предисловие 
Цель учебного пособия — получение студентами знаний в области микропроцессорных  систем (МПС) специального назначения, формирование навыков проектирования МПС управления мехатронными системами путем изучения принципа действия и 
основ проектирования устройств сопряжения с объектом, принципа действия и основ применения микроконтроллеров.  
При изучении материала рекомендуется особое внимание обратить на организацию адресации устройств в описываемых схемах, выполняемую путем дешифрации адресной информации. 
В учебном пособии рассмотрены основные подходы к проектированию микропроцессорных систем, являющихся составной 
частью цифровых систем автоматического управления. Проектирование МПС можно представить в виде совокупности двух задач: 
проектирование цифрового фильтра и проектирование каналов 
связи, называемых также устройствами сопряжения с объектом.  
Проектирование цифрового фильтра сводится к выбору микропроцессора исходя из предъявляемых технических требований и 
запоминающего устройства нужного объема, совместимого с выбранным микропроцессором.  
Устройство сопряжения с объектом (УСО) проектируется для 
каждой МПС индивидуально в зависимости от состава и вида вводимых и выводимых сигналов. Проектирование УСО, в свою очередь, подразделяется на проектирование соединения с микропроцессором и проектирование собственно УСО.  
Проектирование соединения УСО с микропроцессором в случае мультиплексированной шины адреса/данных сводится к разработке схемы демультиплексирования.  
Проектирование собственно УСО выполняется исходя из вида 
вводимого или выводимого сигнала и характера преобразования 
информации в УСО. При этом могут применяться различные способы взаимодействия с микропроцессором — синхронный обмен, 
асинхронный обмен, обмен по прерываниям и обмен в режиме 
прямого доступа в память.  
3 

При использовании микроконтроллеров задача проектирования 
существенно упрощается, так как в большинстве случаев ввод и 
вывод сигналов может быть реализован с использованием внутренних блоков микроконтроллера. 
Полученные студентами в результате изучения данного  материала знания будут полезны при освоении последующих дисциплин, связанных с вопросами проектирования мехатронных систем, выполнении курсовых и дипломного проектов.  
После изучения представленного материала студент должен  
      знать: 
– устройство, принцип действия и основы проектирования 
устройств сопряжения с объектом; 
– устройство, принцип действия и основы применения микроконтроллеров; 
уметь: 
– вести анализ и разработку структурных и принципиальных 
схем аппаратных средств МПС; 
– разрабатывать и отлаживать программные средства МПС, реализующие алгоритмы управления; 
– создавать экспериментальные и макетные образцы; 
– обосновывать технические требования к микропроцессорным 
системам по общему техническому заданию. 
 
4 

1. Проектирование микропроцессорных  
систем управления 
Рассмотрим частный случай цифровой САУ — цифровой электропривод (рис. 1.1). Как видно из рис. 1.1, САУ состоит из микропроцессорной системы — МПС (МП, ЗУ и трех УВВ) и непрерывной неизменяемой части (усилителя мощности (УМ), исполнительного двигателя (ИД), редуктора, нагрузки (Н) и датчика обратной 
связи (ДОС)). Выделим в этой системе четыре элемента: 
1) канал обратной связи (УВВ 1, ДОС и линии связи); 
2) канал управляющих сигналов (УВВ 2 и линии связи); 
3) канал входных сигналов (УВВ 3 и линии связи); 
4) цифровой фильтр (МП и ЗУ). 
Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема цифровой системы автоматиче- 
                                                 ского управления:  
МП — микропроцессор; ЗУ — запоминающее устройство; УВВ — устройство 
ввода-вывода; УМ — усилитель мощности; ИД — исполнительный двигатель;  
Н — нагрузка; ДОС — датчик обратной связи; g — задающее воздействие; x —  
                         регулируемая величина; u — управляющий сигнал 
 
Таким образом, в состав МПС управления (МПСУ) входит 
цифровой фильтр, три канала связи и непрерывная неизменяемая 
часть. 
Почему МП и ЗУ названы цифровым фильтром? В технике 
принято называть фильтром любое устройство, если при прохождении через него синусоидального сигнала амплитуда этого сигна5 

ла меняется. Любое корректирующее устройство представляет собой фильтр. В ЗУ хранится программа, реализующая алгоритм 
управления, а значит, осуществляющая фильтрацию сигналов, 
проходящих через МПС. Эта фильтрация называется цифровой, 
поскольку МП выполняет команды за конечное время и работает с 
дискретными величинами, квантованными по времени и по уровню. Следовательно, МП работает как цифровой фильтр. 
1.1. Проектирование аппаратных средств МПС 
В соответствии со сказанным выше МПС можно представить в 
виде совокупности цифрового фильтра и трех каналов связи — 
канала входных сигналов, канала обратной связи и канала управляющих сигналов (рис. 1.2). 
Рис. 1.2. Структура МПС 
 
Таким образом, задача разработки аппаратных средств МПС 
сводится к разработке цифрового фильтра и каналов связи. Разработка самого цифрового фильтра, как правило, не вызывает особых сложностей. По сути, это выбор микропроцессора, наиболее 
подходящего по условиям конкретной задачи по таким параметрам, как тактовая частота (быстродействие), разрядность (точность), стоимость и т. д.  
Разработка каналов связи выполняется индивидуально для 
каждой МПС с учетом специфики объекта управления, используемых ДОС и задающих устройств. Таким образом, при разработке 
аппаратных средств МПС основной и наиболее трудоемкой задачей является разработка каналов связи. В связи с этим представленный ниже материал посвящен прежде всего разработке каналов 
связи МПС. 
6 

Рис. 1.3. УСО в структуре
                       МПС 
Часто вместо термина «канал» используется термин «устройство сопряжения с объектом» (УСО). 
Классификация УСО. УСО могут быть классифицированы по 
нескольким признакам: 
по характеру преобразования сигнала: 
преобразование из непрерывной в дискретную форму (пример — 
ввод сигнала с непрерывного датчика обратной связи, например потенциометра, с использованием АЦП), 
преобразование из дискретной в непрерывную форму (например, при передаче управляющего сигнала в усилитель мощности), 
преобразование из дискретной в дискретную форму (пример — 
ввод данных с импульсного датчика скорости); 
по типу передачи данных, используемому в УСО: 
с использованием параллельной передачи данных, 
с использованием последовательной передачи данных; 
по способу взаимодействия с ведущим устройством: 
с использованием синхронного обмена, 
с использованием асинхронного обмена, 
с использованием обмена по прерываниям, 
с использованием прямого доступа в память; 
по количеству ведущих устройств: 
с одним ведущим устройством, 
с несколькими ведущими устройствами. 
Каждое УСО может характеризоваться одновременно несколькими признаками в соответствии с приведенной 
классификацией, например: «УСО с 
использованием параллельного асинхронного обмена с одним ведущим 
устройством и выполняющее преобразование сигнала из непрерывной в дискретную форму». 
Задачи проектирования УСО. 
Далее под УСО будем понимать не 
только отдельно взятый канал, но и 
объединенные конструктивно в один 
блок все каналы МПС (рис. 1.3). 
Таким образом, УСО представляет собой связующее звено 
между цифровым фильтром и объектом управления (ОУ). Задача 
разработки УСО распадается на три подзадачи: 
7 

1) разработка соединения УСО с микропроцессором (магистралью МП); 
2) разработка собственно УСО (устройств, обеспечивающих 
передачу данных и преобразование сигналов); 
3) разработка соединения УСО с объектом управления. 
Проектирование соединения УСО с МП. Рассмотрим два 
вспомогательных устройства, широко используемых при проектировании УСО: буферный регистр и шинный формирователь. 
Буферный регистр. Буферные регистры используются для организации запоминающих буферов, адресных защелок, портов 
ввода-вывода, мультиплексоров и т. п. Условное графическое обозначение и архитектура 8-разрядного буферного регистра представлены на рис. 1.4. 
Регистр
Выходной
усилитель
DO0
DO1
DO2
DO3
DO4
DO5
DO6
DO7
DI0
DI1
DI2
DI3
DI4
DI5
DI6
DI7
DI0
DI1
DI2
DI3
DI4
DI5
DI6
DI7
DO0
DO1
DO2
DO3
DO4
DO5
DO6
DO7
Устройство управления
STB
OE
STB
OE
а
б
Рис. 1.4. Интерфейс (а) и архитектура (б) буферного регистра 
 
Буферный регистр включает собственно регистр, предназначенный для хранения информации и состоящий из триггеров, выходной усилитель, имеющий выходы с тремя состояниями, и 
устройство управления.  
Назначение выводов: DI7–DI0 — линии входных данных, 
DO7–DO0 — линии выходных данных, STB — стробирующий 
сигнал, OE — разрешение передачи данных.  
При сигнале высокого уровня на входе STB состояние входных 
линий DI7–DI0 передается на выходные линии DO7–DO0, т. е. буферный регистр работает как импульсный усилитель с единичным 
коэффициентом усиления. При переходе сигнала STB от высокого 
уровня к низкому происходит запоминание (защелкивание) информации в регистре. После этого, пока STB находится в состоя8 

BD
А0
1
2
3
4
5
6
7
А
А
А
А
А
А
А
B0
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
T
OE
 
Рис. 1.5. Условное графическое 
обозначение 
шинного 
форми- 
                    рователя 
 
нии логического нуля, буферный регистр не воспринимает информацию, поступающую на входные линии DI7–DI0, а на выходных 
линиях DO7–DO0 находятся данные, запомненные по заднему 
фронту сигнала STB.  
Сигнал OE управляет выходными буферами. При OE = 1 выходы DO7–DO0 переводятся в Z-состояние, что эквивалентно «отключению» буферного регистра от следующей за ним электрической схемы. 
Шинный формирователь. Шинные формирователи в МПС используются как буферные устройства 
шины данных. Условное графическое 
обозначение 
8-разрядного 
шинного формирователя представлено на рис. 1.5. 
Шинный формирователь представляет собой импульсный многоканальный усилитель с единичным коэффициентом усиления. Он 
имеет две группы выводов: A0–A7 
и B0–B7. В зависимости от значения сигнала T передача данных 
производится от выводов A к выводам B (при T = 1) или от выводов B к выводам A (при T = 0). Сигнал OE, как и в случае буферного регистра, переводит выходы микросхемы в Z-состояние. Таким образом, шинный формирователь не только усиливает сигнал, 
но и позволяет «отключить» одну часть электрической схемы передачи данных от другой. 
Демультиплексирование шины адреса/данных (ШАД). Вернемся к задаче проектирования соединения УСО с МП. Это соединение представляет собой внутреннюю магистраль, состоящую из 
шины адреса, шины данных и шины управления. Проблема заключается в том, что во многих МП шины адреса (ША) и шины данных 
(ШД) мультиплексированы, т. е. для передачи адреса и данных  
используются одни и те же линии с разделением во времени  
(как, например, в микропроцессоре Intel 8086). На временнóй диаграмме, изображенной на рис. 1.6, представлен цикл асинхронного 
обмена по мультиплексированной ШАД (A/D). На диаграмме видно, что адрес и данные передаются в разные моменты времени  по 
одним и тем же линиям AD. Однако вспомогательные микро9 

Рис. 1.6. Временнáя диаграмма обмена по мультиплексированной ШАД 
схемы, используемые в УСО, а также ЗУ требуют наличия адресной информации на своих входах в течение всего цикла обмена и 
имеют отдельные входы для адреса и данных. Следовательно, 
необходимо выполнить «разделение» мультиплексированной шины адреса/данных на ША (на которой адрес будет присутствовать 
в течение всего цикла обмена) и ШД. Очевидно, этим должна заниматься специально разработанная схема, называемая схемой демультиплексирования (рис. 1.7). 
Рис. 1.7. Схема подключения 
Попытаемся понять, что должна делать схема демультиплексирования. С одной стороны, она должна разделить адрес и данные, 
т. е. в момент, когда по мультиплексированной ШАД передается 
адрес (ALE = 1), она должна быть соединена с ША, в момент передачи данных (DEN = 0) — с ШД. Таким образом, схема демультиплексирования должна играть роль своеобразного переключателя, подключающего мультиплексированную ШАД МП к ША или 
ШД. С другой стороны, адрес должен находиться на ША в течение 
всего цикла обмена. Следовательно, он должен быть где-то запомнен, например, в буферном регистре.  
Обобщенная функциональная схема схемы демультиплексирования представлена на рис. 1.8. 
10