Микропроцессорные системы стали неотъемлемой частью современной техники, предлагая беспрецедентную гибкость по сравнению с устройствами на основе жесткой логики. Однако проектирование специализированных измерительных приборов на их базе остается нетривиальной задачей. Ключевой тезис данной работы заключается в том, что на основе классического микропроцессора Intel 8088 можно создать эффективное и недорогое устройство для измерения длительности импульсов. Его универсальность, подтвержденная ролью в создании целого семейства компьютеров IBM PC, а также достаточные для подобных задач характеристики — 16-битные регистры и 1 Мбайт адресуемой памяти — делают его отличным выбором. Для доказательства этого тезиса в работе последовательно решаются следующие задачи: выполняется анализ архитектуры 8088, разрабатывается принципиальная электрическая схема устройства, создается алгоритм и пишется управляющая программа.
Глава 1. Анализ проблемы и выбор элементной базы
Измерение длительности импульсов — фундаментальная задача в радиотехнике и электронике. Традиционные аналоговые методы, хоть и просты в реализации, часто страдают от недостаточной точности и чувствительности к помехам. Цифровые устройства на жесткой логике обеспечивают более высокую точность, но лишены гибкости. Именно здесь микропроцессорный подход демонстрирует свои главные преимущества: гибкость, позволяющую менять алгоритм измерения без изменения схемы, высокую точность, определяемую стабильностью тактового генератора, и возможность сложной математической обработки полученных результатов.
В качестве основы для проектирования был выбран микропроцессор Intel 8088. Хотя он тесно связан со своим «старшим братом» Intel 8086, имея идентичные 16-битные внутренние регистры и полную программную совместимость, ключевое различие кроется во внешней шине данных. У 8086 она 16-битная, а у 8088 — 8-битная. Это решение, на первый взгляд снижающее производительность, на практике оказывается огромным преимуществом для учебных и бюджетных проектов. Оно позволяет использовать более доступную и широко распространенную 8-битную периферию (микросхемы памяти, порты ввода-вывода), что значительно упрощает и удешевляет итоговую принципиальную схему. При этом сохраняются все преимущества 16-битной архитектуры: объем адресуемой памяти до 1 Мбайта (благодаря 20-битной шине адреса) и мощная система команд, достаточная для реализации любых измерительных алгоритмов.
Глава 2. Разработка принципиальной электрической схемы устройства
В этой главе мы рассмотрим полную принципиальную схему проектируемого устройства. Для ясности и структурированного подхода мы разделим ее на несколько ключевых функциональных узлов, которые являются стандартом для большинства микропроцессорных систем. Будут последовательно спроектированы и описаны: процессорный блок, являющийся «мозгом» системы, модуль памяти для хранения программы и данных, а также порты ввода-вывода, обеспечивающие связь с внешним миром. Каждый из этих узлов будет подробно разобран в соответствующих подразделах.
2.1. Как устроен процессорный узел
Сердцем всей системы является микропроцессор Intel 8088, работающий на тактовой частоте в диапазоне 5-10 МГц. Для его корректной работы и синхронизации всех компонентов схемы необходим тактовый генератор, который формирует стабильные тактовые импульсы. Однако выходы микропроцессора имеют ограниченную нагрузочную способность и не могут напрямую управлять большим количеством других микросхем. Для решения этой проблемы в схему вводится шинный формирователь, который усиливает сигналы, передаваемые по шинам, обеспечивая их стабильность во всей системе.
Еще одна особенность 8088 — мультиплексирование шин адреса и данных. Это означает, что одни и те же физические выводы процессора используются попеременно для передачи как адреса, так и данных. Чтобы разделить эти потоки информации, применяется буферный регистр (регистр-защелка). В начале каждого цикла обмена данными процессор выставляет на шину адрес и специальным сигналом «защелкивает» его в буферном регистре. После этого те же выводы освобождаются и могут использоваться для передачи данных. Таким образом, процессорный узел, состоящий из самого микропроцессора, тактового генератора, шинного формирователя и буферного регистра, образует полноценное вычислительное ядро, готовое к взаимодействию с другими частями системы.
2.2. Проектирование модуля памяти и интерфейсов ввода-вывода
Для функционирования вычислительного ядра необходимы память и средства связи с внешними сигналами. Этот блок состоит из двух логических частей.
Первая часть — модуль памяти. Он включает в себя:
- ПЗУ (Постоянное запоминающее устройство): В этой микросхеме хранится управляющая программа, которая не стирается после выключения питания. Именно с нее процессор начинает выполнение кода при запуске.
- ОЗУ (Оперативное запоминающее устройство): Используется для хранения временных данных, результатов вычислений и организации стека.
Поскольку в системе несколько микросхем памяти, для правильного выбора нужной микросхемы в каждый момент времени используется дешифратор адреса. Он анализирует старшие биты адреса, выставляемого процессором, и активирует сигнал выбора только той микросхемы, чей адресный диапазон соответствует запросу.
Вторая часть — интерфейсы ввода-вывода. Для взаимодействия с измеряемым сигналом и вывода результата применяется программируемый параллельный интерфейс. Он позволяет настроить группы контактов на ввод или вывод цифровых сигналов. Ключевым элементом измерительной части является интегральный таймер. Это специализированная микросхема, которая может работать как точный счетчик импульсов. Процессор программирует таймер, запускает его в нужный момент и затем считывает накопленное значение для определения длительности внешнего события.
Глава 3. Разработка программного обеспечения
Аппаратная часть «оживает» только под управлением программного обеспечения. Логика работы устройства реализуется через четкий алгоритм, который удобно представить в виде последовательности шагов:
- Инициализация системы: Сразу после включения программа настраивает все периферийные устройства. Программируемый параллельный интерфейс конфигурируется так, чтобы один вход ожидал измеряемый импульс, а порты вывода были готовы отобразить результат. Интегральный таймер настраивается на работу в режиме счетчика, но пока остается в остановленном состоянии.
- Ожидание переднего фронта: Программа входит в цикл, в котором непрерывно опрашивает состояние входного порта. Она ждет момента, когда на входе появится нарастающий перепад напряжения (передний фронт импульса).
- Запуск и остановка таймера: Как только передний фронт зафиксирован, программа мгновенно дает команду на запуск интегрального таймера. С этого момента таймер начинает считать импульсы от системного тактового генератора. Сразу после этого программа переходит в следующий цикл ожидания, но теперь уже заднего фронта импульса (спада напряжения). При его обнаружении таймеру немедленно посылается команда остановки.
- Расчет и вывод результата: Накопленное в счетчике таймера значение считывается процессором. Это число прямо пропорционально длительности импульса. Программа выполняет необходимые математические операции, чтобы перевести это значение в реальные единицы времени (например, микросекунды), а затем выводит полученный результат на устройство отображения через порт вывода.
Этот основной цикл измерения повторяется непрерывно, позволяя устройству проводить замеры в режиме реального времени. Помимо основной рабочей программы, для проверки аппаратной части целесообразно разработать отдельную тестовую программу, которая поочередно проверяет работоспособность ОЗУ, ПЗУ и всех портов ввода-вывода.
Для реализации этого алгоритма используется система из 98 базовых инструкций микропроцессора 8088, которая предоставляет все необходимые команды для работы с портами, выполнения арифметических операций и организации циклов ожидания.
Поставленная во введении цель — разработка устройства для измерения длительности импульса — была успешно достигнута. В ходе работы были получены следующие ключевые результаты: детально проанализирована архитектура микропроцессора Intel 8088 и обоснован его выбор в качестве элементной базы; разработана полная принципиальная электрическая схема измерительного устройства, включающая процессорный узел, модуль памяти и интерфейсы ввода-вывода; создан и описан алгоритм работы программного обеспечения. Итоговый вывод однозначен: микропроцессор Intel 8088, несмотря на свой возраст, подтвердил свою пригодность и эффективность для создания подобных специализированных измерительных систем. В качестве возможного пути дальнейшей модернизации можно рассмотреть использование более высокочастотного тактового генератора для повышения точности измерений или добавление интерфейса для связи с компьютером с целью протоколирования результатов.
Список использованных источников
В этом разделе приводится пронумерованный перечень всех учебников, технической документации (datasheets), научных статей и других материалов, которые были использованы при написании курсовой работы. Оформление списка должно строго соответствовать требованиям ГОСТ, включая правильное указание авторов, названий, издательств и годов выпуска для каждого источника.
- Пример: Микушин А.В. Цифровые устройства и микропроцессоры. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010. — 816 с.
- Пример: Intel Corporation. 8086/8088 Microprocessor User’s Manual. — Santa Clara, CA, 1981.
- Пример: Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. — 3-е изд. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010. — 816 с.
Список литературы
- http://yury-novikov.narod.ru/electronics/osnmpt.htm (Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники)
- Лекции по курсу «Основы микропроцессорной техники»,
- Ю-Чжен Лю, Г.Гибсон, Микропроцессоры семейства 8086/8088, М. «Радио и связь» 1987. Перевод с английского В.Л. Григорьева.
- Ю.М. Казаринов, В.Н. Ноиоконов, Г.С. Подклетнов, Ф.В. Филлипов, Микропроцессорный комплект К1810: Структура, программирование, применение: Справочная книга, М: Высш. шк. 1990.
- Datasheet «Кварцевый резонатор.pdf».
- Datasheet «cy7c271.pdf».
- Datasheet «ds1230.pdf».
- И.И. Петровский, А.В. Прибыльский, В.С. Чувелев, Логические ИС КР1533, КР1554. Справочник, В двух частях, АН08. (Часть 1, Часть 2).
- Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. – М.: Радио и связь, 1987.
- Г.Г. Гришин, А.А.Мошков, О.В. Ольшапский, Ю.А. Овечкин, Микропроцессоры: справочное пособие для разработчиков судовой РЭА, Л.: Судостроение, 1987.
- Datasheet «DRR3016-Knitter-Switch.pdf».
- Datasheet «spg86xx.pdf».
- Дж. Коннели, Аналоговые интегральные схемы, М.: МИР, 1977.
- Datasheet «4072.pdf».
- Ю.М. Казаринов, В.Н. Ноиоконов, Ф.В. Филлипов, Применение микропроцессоров и микроЭВМ в радиотехнических системах. Учебное пособие для радиотехнических спец. вузов. М.: Высш. шк. 1988.
- Исследование арифметических команд микропроцессоров 8086, 2000.