Основы микропроцессорной техники с элементами моделирования в среде Multisim

Московский государственный технический университет  

имени Н.Э. Баумана

И.А. Васильев

Основы микропроцессорной техники  

с элементами моделирования в среде Multisim 

Курс лекций

УДК 621.3.049.77
ББК 32.973
 
 В19

ISBN 978-5-7038-4647-6

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017
© Оформление. Издательство 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

В19  
Основы микропроцессорной техники с элементами моделирования в среде Multisim : курс лекций / И. А. Васильев. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — 56, [4] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4647-6

Даны основы применения микроконтроллеров для управления электронными 
устройствами. Приведены примеры подключения к микропроцессору внешних 
устройств с параллельным и последовательным интерфейсом. Рассмотрено управление программой микропроцессора по флагам простейшего кнопочного пульта 
и прерывание исполнения программы от внешнего устройства и таймера микроконтроллера. 
Для студентов, обучающихся по специальности «Техническая физика» в МГТУ 
им. Н.Э. Баумана.

УДК 621.3.049.77
ББК 32.973

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/72/book1622.html

Факультет «Фундаментальные науки»  
Кафедра «Электротехника и промышленная электроника»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

 
Васильев, И. А.

Предисловие

Предлагаемый вниманию читателей курс лекций разработан на основе учебного курса «Электротехника и электроника», читаемого автором на протяжении 
пяти лет студентам, обучающимся по специальности «Техническая физика» на 
факультете «Фундаментальные науки» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Курс лекций рассчитан на студентов, имеющих начальную подготовку по курсу «Аналоговая и 
цифровая электроника». Материалы лекций могут быть использованы студентами 
других специальностей, изучающими основы микропроцессорной техники.
Цель настоящего курса лекций — помочь студентам развить теоретические и 
практические навыки применения микропроцессорных систем. Автор предлагает 
оригинальный подход к изучению микропроцессоров с элементами моделирования в программной среде Multisim. Примеры и схемы разработаны автором. Примеры программ прошли отладку и полностью работоспособны. Предлагаемая 
методика изучения позволяет практически с первых шагов реализовать схемные 
и программные решения в виде функционирующей модели с возможностью подключения цифровых индикаторов, осциллографа и клавиатуры. Возможность 
практической реализации решений способствует усвоению теоретического материала лекций. 
Изложение материала основано на использовании алгоритмического языка С. 
Это позволяет сосредоточиться на изучении применения устройств, а не тратить 
время на разработку алгоритмов на языке Ассемблер. Язык Ассемблер сложен для 
изучения, даже простейшие написанные на нем алгоритмы могут иметь довольно 
сложный вид. Утверждение, что ассемблерный код всегда оптимален по сравнению с кодом на языке С, утратило свою актуальность, поскольку современные 
компиляторы языка С для микропроцессоров имеют несколько уровней оптимизации кода.
Для изучения курса лекций студенты должны иметь навыки моделирования в 
среде Multisim. Существует множество различных пособий по применению этой 
моделирующей программы, однако лучшие результаты дает изучение среды с помощью раздела Help. Скачать программную среду с ограниченными правами использования можно с сайта разработчика Multisim (ni.com/multisim/try), пройдя 
процедуру регистрации. Можно также пользоваться лицензионной программной 
средой, установленной на компьютерах в компьютерном зале кафедры электротехники. При моделировании примеров и собственных разработок нужно соблюдать 
правила построения схемы модели. Рекомендуется продвигаться от простого варианта решения к более сложному, иначе трудности, возникающие при отладке модели, могут оказаться непреодолимыми. При необходимости можно получить консультацию по электронной почте автора ivasiliev@rslab.ru.
Использование рассмотренного в курсе лекций метода моделирования микропроцессоров в среде Multisim позволит студентам самостоятельно разрабатывать и 
отлаживать микропроцессорные системы.

Введение

Микропроцессорная техника — современное направление в области науки и 
техники. Бурное развитие этого направления началось в 1970-е годы, после появления на рынке первых микропроцессоров. Потребности в микропроцессорных 
устройствах с различными функциональными возможностями непрерывно растут. 
Собственно микропроцессоры не производятся в виде отдельных микросхем — 
микропроцессор является основным компонентом широкого класса микросхем, 
называемых микроконтроллерами. Микроконтроллер представляет собой законченное устройство контроля и управления, предназначенное для построения различных автоматизированных устройств.
Однокристальные микроконтроллеры помимо микропроцессора содержат, как 
правило, многоканальные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) и таймеры времени. Это позволяет создавать 
автоматизированные системы, используя АЦП для контроля состояния их 
устройств и вырабатывая сигналы управления устройствами с помощью ЦАП. 
При этом таймеры времени позволяют создавать различные временные диаграммы для управляющих сигналов. Однако более сложные системы требуют применения дополнительных микросхем, не входящих в микросхему однокристального 
микроконтроллера. Такое изделие обычно называют контроллером, дополнительно указывая имя системы (контроллер экрана, контроллер клавиатуры и т. п.). 

Особое значение микропроцессорные устройства имеют при автоматизации 
научных исследований. Трудно представить современного исследователя, записывающего в блокнот показатели стрелочных приборов при проведении экспериментов. Микропроцессорные средства автоматизации позволяют проводить 
многопараметрические измерения и получать результаты в виде цифровых файлов 
в реальном масштабе времени. Такие данные легко систематизировать и обрабатывать. 
Рассмотрим, как реализовать схемные и программные решения в виде функционирующей модели.   

Основные условные обозначения

АЛУ  — арифметико-логическое устройство
АЦП  — аналого-цифровой преобразователь
ОЗУ  — оперативное запоминающее устройство
ПЗУ  — постоянное запоминающее устройство
РОН  — регистр общего назначения
ЦАП  — цифроаналоговый преобразователь
CISC  — компьютеры c полной системой команд  
(Complex Instruction Set Computers)
COM  — коммуникационный порт (Communications Port)
CS  
— выбор микросхемы, выбор ведомого (Chip Select)
GND  — заземление (Ground)
LIFO  — последним пришел, первым ушел (Last In, First Out)
MISO  — вход ведущего, выход ведомого (Master Input, Slave Output)
MOSI  — выход ведущего, вход ведомого (Master Output, Slave Input)
RISC  — компьютеры с сокращенной системой команд  
(Reduced Instruct Set Computers)

SCLK  — последовательный тактовый сигнал (Serial Clock) 
SPI 
— последовательный периферийный интерфейс  
(Serial Peripheral Interface)

USB  — универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus)
VCC  — напряжение постоянного тока + 5 В (Voltage Constant Current)

Лекция 1

1.1. Понятие «архитектура процессора»

Процессор — электронный логический автомат, способный исполнять конечное число команд и реализующий строго заданную программу.
Процессор состоит из большого числа элементарных переключателей 
(транзисторов) — миллиарда и более для современных многоядерных процессоров. Изменение структуры процессора осуществляется путем переключения транзисторов под управлением команд процессора.
Число команд относительно невелико (обычно менее 250 для универсальных 
процессоров или нескольких десятков для специальных совсем простых процессоров). Огромное разнообразие функций процессорного устройства можно 
наблюдать на примере ЭВМ, поскольку из сравнительно небольшого набора 
команд может быть создано огромное число программ с различными функциями и вычислениями. Этим свойством процессор радикально отличается от 
обычных логических автоматов, выполняющих простые логические операции. 
Для изменения функций такого автомата необходимо преобразовать его структуру (заменить микросхему, переключить перемычки и т. п.). Для изменения 
функций процессора достаточно переработать программу процессора, тогда 
один и тот же процессор сможет обслуживать станок с числовым программным 
управлением или синтезировать музыку в караоке-микрофоне.
На основе процессора может быть создана сложная ЭВМ или сравнительно простое устройство в виде отдельной микросхемы, называемой микроконтроллером.
Простейшая структура ЭВМ показана на рис. 1.1.
Ядром ЭВМ является центральный процессор. Задача процессора — после 
выполнения команды «Пуск» выполнить программу управления, размещенную в памяти компьютера. Ритм работы процессора задается кварцевым 
тактовым генератором частоты. Именно частоту тактового генератора называют рабочей частотой процессора. После выбора команды «Пуск» специальный программный счетчик PC (Program Counter) указывает адрес первой 
команды, после исполнения которой содержимое РС увеличивается на единицу (инкремент), что обеспечивает переход к следующей команде программы. Далее процесс продолжается до завершения выполнения всей программы.
Описанная процедура работы слишком примитивна для конструирования 
процессора, но вполне пригодна для пояснения принципа его действия.