Медяников А.В. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ
АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОБУЧЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ
Abstract
ПО МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ СИСТЕМАМ
Медяников А.В.
ДонНТУ
Кафедра ЭВМ
Peresvet@ukrtop.com
Medyanikov A.V. Development and research of algorithms of the automated system
of training and the control of knowledge on microprocessor systems. Development of
program modeling of logic schemes of microsimulator МТ1804.
Общее положение
В наше время широкое распространение получила цифровая техника с
применением микропроцессоров. Они применяются в различных сферах жизни
человека: в бытовой технике, в производственных станках, в оборудовании для
научных исследований. В связи с этим есть необходимость в обучении специалистов
программированию микропроцессоров и разработке различных схем на их основе.
Один из популярных и доступных отечественных микропроцессорных комплектов –
К1804. Данный комплект включает основные элементы необходимые для разработки
различных вычислительных и управляющих ЭВМ. Для изучения архитектуры,
принципов применения программирования и основ программирования
микропроцессорного комплекса К1804 применяется микротренажер МТ1804. МТ1804
предназначен для изучения архитектуры, основ микро программирования и
принципов применения микро процессорного комплекса К1804. Специфические
особенности микротренажера обусловлены необходимостью ведения отладки
микропрограммы и стремлением создать сравнительно недорогое устройство.
Особенности микротренажера МТ1804
Функционально микротренажер состоит из двух основных узлов: операционного
узла и узла управления.
204

Операционная часть включает (Рис. 1):
• микропроцессорную секцию (МПС) К1804ВС1;
• регистр состояния на основе микросхемы К531ИР19П;
• мультиплексор флагов состояния на основе микросхемы К555КП12;
• мультиплексоры сдвига на основе микросхем К555КП12;
• регистр выходных данных на основе микросхемы К1804ИР1.
Благодаря мультиплексорам сдвигов выполняются операции сдвига, недоступные для
МПС.
205

206

207

Управляющая часть содержит (Рис. 2):
• устройство управления адресом микрокоманды (МК) К1804ВУ1;
• ОЗУ на 16*32-х разрядных слов, на основе микросхем К155РУ2;;
• 8 регистров К1804ИР1, выполняющих функции 32-х разрядного регистра
МК;
• схема управления выборкой следующего адреса на основе микросхемы
К155РЕ3;
• переключатели задания адреса и данных;
• органы управления режимами загрузки в память и синхронизации.
Оперативная память программируется вручную при помощи набора тумблеров.
Контроль за программированием и модификацией данных в рабочем режиме
осуществляется с помощью набора светодиодов.
В микротренажере используется 32-разрядная микрокоманда. Рассмотрим
назначение отдельных полей микрокоманды:
D[3-0] - поле входных данных в АЛУ. Задает входные данные процессорного
элемента. Разряды 3-0 регистра микрокоманд подключены к входам D3-D0
микросхемы К1804ВС1;
В[3-0] - поле адреса В. Задает адрес регистра по входу или выходу массива РОН.
Разряды 7-4 регистра микрокоманд подключены к входам В3-В0 микросхемы
К1804ВС1;
А[3-0] - поле адреса А. Задает адрес регистра по выходу A массива РОН.
Разряды I1-8 регистра микрокоманд подключены к входам А3-А0 микросхемы
К1804ВС1;
I [5-3] - поле функции АЛУ. Задает вид операции, выполняемой в АЛУ. Разряды
I4 - I2 регистра микрокоманд подключены к входам I5 - I3 микросхемы К1804ВС1;
I [2-0] - поле источника операнда. Задает источник операндов для АЛУ. Разряды
I8 - I6 регистра микрокоманд подключены к входам I2 - I0 микросхемы К1804ВС1;
I [8-6] - поле выбора приемника результата. Задает приемник результата
операции в АЛУ и источник выходных данных. Разряды 22 - 20 регистра микрокоманд
подключены к входам I8 - I6 микросхемы К1804ВС1;
208

C0 - поле входа переноса. Задает значение сигнала переноса в младший разряд
АЛУ. Разряд I5 регистра микрокоманд подключен к входу С0 микросхемы К1804ВС1;
MS1, MS2 - поле управления сдвигом. Задает связи между РОН и регистром Q
при выполнении сдвиговых операций. Разряды 19 и 23 регистра микрокоманд
подключены к мультиплексорам сдвига операционного узла тренажера;
Р [ 3-0 ] - поле управления следующим адресом. Задает режим выбора адреса
следующей микрокоманды. БИС К1804ВУ1 выполняет 16 возможных переходов к
адресу следующей микрокоманды. Разряды 27-24 регистра микрокоманд подключены к
входам ПЗУ управления выборкой следующего адреса, которое формирует
управляющие сигналы БИС К1804ВУ1 для обеспечения вышеуказанных переходов;
R [ 3-0 ] - поле адреса перехода. Задает адрес перехода к следующей
микрокоманде. Разряды 31-28 регистра микрокоманд подключены к входам R3-R0
устройства управления последовательностью микрокоманд К1804ВУ1.
В регистре состояния операционного узла хранится слово состояния
процессорного элемента, которое определяется состоянием четырех флагов :
- Z ( F =0000 ) - флаг нулевого результата ;
- F3 - флаг знака результата ;
- OVR - флаг переполнения ;
- C4 - флаг арифметического переноса.
На момент создания данного тренажера он вполне удовлетворял всем
требованиям учебного процесса. Слабое развитие компьютерной техники и недостаток
персональных компьютеров делали не эффективным создание программной модели
тренажера МТ1804.
В настоящее время ситуация в корне изменилась. Быстрое развитие элементной
базы вычислительной техники приводит к быстрому моральному старению учебных
стендов, выполненных аппаратно. Имеющиеся в рабочем состоянии тренажеры
выпущены в 80-х годах прошлого века и на сегодняшний день морально и физически
устарели. Одновременно с эти научно-технический прогресс сделал доступными
достаточно мощные персональные компьютеры, что привело к появлению
возможности создания и эффективного использования программных моделей
209

различных логических схем, даже таких, как МТ1804. Параллельно с этим, в настоящее
время получили широкое распространение средства для проектирования и
виртуального тестирования логических и электрических схем. Такие средства дают
возможность промоделировать работу любого логического устройства. Использование
виртуального стенда может сильно повысить его гибкость , т.к. можно менять
структуру устройства.
Виды программных моделей микротренажера МТ1804
Существует два подхода в создании программных моделей логических схем:
1. Воспользоваться одной из существующих систем проектирования.
2. Написать на одном из языков программирования собственный
эмулятор логической схемы.
Оба подхода имеют положительные и отрицательные стороны. К
положительным сторонам первого подхода можно отнести можно отнести гибкость
таких моделей, при необходимости можно внести в модель изменения. Наличие в
современных мощных системах проектирования развитого пользовательского
интерфейса делает работу с моделью легкой и понятной. Пользователю не приходится
тратить много времени на разработку такой модели. Отрицательными сторонами
можно считать отсутствие в большинстве таких систем библиотек с
микропроцессорными элементами и неудобство системы визуализации. Также такие
системы, как правило, не дают возможность изучить внутренние процессы
микропроцессора. К положительным сторонам второго подхода можно отнести полную
свободу в реализации всех замыслов разработчика модели. Однако такие разработки
обычно обладают неразвитым пользовательским интерфейсом.
Обзор программных моделей микротренажера МТ1804
Создатели моделей микротренажера МТ1804, как правило, обращаются ко
второму подходу. В настоящее время существует несколько общедоступных
программных моделей:
• МТ1804 Emulator v1.1 – Автор Spectre, создана в 1999 году. Для роботы
данной программного обеспечения необходимы персональный компьютер
210

IBM PC XT совместимый, оборудованный манипулятором мышь и
операционной системой Dos 6.22/Windows 95/Windows98. Представленная
программная модель почти полностью соответствует моделируемому
микротренажеру МТ1804, обладает теме же недостатками: низкая
наглядность результатов моделирования, сложность в эксплуатации. Однако
она имеет одно преимущество – возможность редактирования программы в
файле и загрузка из него в ОЗУ модели. Это существенно облегчает работу
пользователю.
• Gr1804. Версия 1.0 – Данная учебная кросс-система проектирования МП
устройств на ИС 1804 разработана в Пензенском государственном
техническом университет на кафедра "Вычислительная техника" Граниным
Д.Б. и Ермаковым В.Н. под руководством Коннова Н.Н. в 1993 году. Данная
модель предоставляет возможность работы с файлами, использовать
разнообразные объемы памяти и просматривать основные регистры. Однако
в связи с тем, что работа с пользователем осуществляется в диалоговом
режиме, а вывод данных поочередно по запросу, это программное
обеспечение устарело на данный момент.
• Sim_1804 – Создана Рачниковым Евгением в 2000 году. Для роботы данной
программного обеспечения необходимы персональный компьютер IBM PC
XT совместимый, оборудованный операционной системой Dos 6.22 и turbo
assembler’ом любой версии. Данное программное обеспечение не является
классической программной моделью. Оно обеспечивает перевод программы
для К1804ВС1 в assembler’ную программу для i8086 и добавляет систему
визуализации состояния выходов одной секции К1804ВС1.
• Virtual тренажер MT1804. Для роботы данной программного обеспечения
необходимы персональный компьютер IBM PC XT совместимый,
оборудованный операционной системой
Windows95/Windows98/Windows2000/Windows XP. Данное программное
обеспечение является неплохо выполненной программной моделью
микротренажера МТ1804. Обладает хорошим пользовательским
интерфейсом, однако система визуализации почти полностью копирует
211

аналогичную систему тренажера, что сильно снижает наглядность. Большим
прогрессом можно считать наличие окна с содержимым ОЗУ модели и
регистров РОН и регистра микрокоманд. При тестировании данной модели
была выявлена нестабильность роботы.
• Эмулятор К1804 выполненный Тесленко Геннадием в 2004 году. Данная
программная модель обладает всеми положительными чертами
пользовательского интерфейса перечисленными выше. Разработчик данного
программного обеспечения добился существенного улучшения визуализации
результатов роботы модели, реализовав вывод на экран структуры
микротренажера и результатов роботы в соответствующих контрольных
точках. Также данная модель обладает определенной гибкостью –
количество процессорных элементов варьирует от одного до четырех.
Требования к программной модели МТ1804
Из приведенного выше можно вывести основные требования к программной
модели микротренажера МТ1804:
1) Наличие развитого пользовательского интерфейса.
2) Качественная система визуализации результатов.
3) Полнота архитектуры.
4) Гибкая структура.
Обзор САПР для разработки модели микротренажера МТ1804
Исходя из приведенных требований, можно сделать выводы: модель должна
быть реализована в одной из современных систем проектирования, а интерфейс с
пользователем – написан отдельно. Из приведенного выше можно сформулировать
требования к САПР:
1) Возможность создания необходимых библиотечных компонент.
2) Расширяемость данного САПР-а.
3) Удобство и наглядность при разработки новых схем.
4) Доступность программного обеспечения.
212

Существует множество пакетов для проектирования отладки и тестирования
электрических и логических схем. Их разнообразие также велико, как и их количество,
от первых версий Micro-CAP и AvtoCAD до мощных современных пакетов,
обладающих интересными возможностями, например виртуального тестирования
электронных схем, автоматизации расчета электронных схем, трехмерного
моделирования и т.д. Рассмотрим системы проектирования наиболее подходящие для
моделирования работы логических схем:
• САПР PLDSHELL PLUS, обладает всеми функциями, необходимыми для
разработки, тестирования и отладки логических схем, а так же прошивки их
в ПЛИС. Возможности PLDSHELL позволяют создавать собственные
микросхемы используя язык PLDasm, однако отсутствие режима
графического программирования логической схемы из заранее созданных
компонент сольно ухудшают дружелюбность пользователю на этапе
разработки и отладки. Данный САПР предоставляет возможность просмотра
результатов роботы запрограммированной схемы в виде временных
диаграмм или таблицы истинности, возможность управления из другого
объекта.
• Программа Electronics Workbench предназначена для схемотехнического
моделирования аналоговых и цифровых радиоэлектронных устройств
различного назначения и представляет собой виртуальную лабораторию.
Такая лаборатория включает библиотеки большого числа стандартных
радиоэлектронных элементов: переключателей и реле, резисторов и
конденсаторов, катушек индуктивности и трансформаторов, диодов и
транзисторов, тиристоров, светодиодов и индикаторов, операционных
усилителей и компараторов, аналого-цифровых и цифро-аналоговых
преобразователей, различных логических элементов, интегральных
микросхем
и т.п. типовых элементов, объединенных в группы. Однако данный САПР
обладает рядом существенных недостатков: сложное создание новых
библиотечных элементов, отсутствие возможности описания схемы на
языках описания аппаратуры, отсутствие возможности визуализации
213

результатов в виде временных диаграмм и таблиц истинности,
невозможность управления из другого объекта.
• САПР Active-VHDL созданный фирмой Aldec, обладает всеми функциями,
необходимыми для разработки, тестирования и отладки логических схем, а
так же прошивки их в ПЛИС. Данный САПР предоставляет широкие
возможности по разработки и тестированию логических схем: описание
схемы на языке описания аппаратуры VHDL, разработка схем в виде графов,
возможность визуального программирования схем из заранее созданных
блоков. К положительным чертам Active-VHDL можно отнести возможность
представления результатов работы схемы в виде временных диаграмм и
таблицы, возможность управления из другого объекта.
Выводы
Из приведенного выше видно, что наиболее доступной и современной системой
проектирования, позволяющей обеспечить выполнение требований, является САПР
VHDL.
Перспективы
Данную разработку можно использовать для обучения студентов разработке
устройств на базе микросхем семейства К1804 и написанию микропрограмм для
процессоров К1804ВС1. Благодаря необычной структуре данное программное
обеспечение можно легко приспособить для роботы с другими комплексами
микросхем.
Литература
1. Мик Дж., Брик Дж. Проектирование микропроцессорных устройств с разрядно-
модульной организацией: В 2-х книгах. Пер с англ. -М.: Мир, 1984, -кн.1. -253с.
Рассмотрен комплекс теоретических и практических проблем, относящихся к
созданию и функционированию микропроцессоров с разрядно-модульной
214

организацией. БИС МПК Аm2900 (аналог МПК К1804): Am2901-K1804BC1,
Am2903-K1804BC2, Am2902-K1804BP1, Am2904-K1804BP2, Am2909-
K1804ВУ1, Am2910-K1804ВУ4, Am2911-К1804ВУ2, Am29811A-К1804ВУ3,
Am2930-К1804ВУ4, Am2918-К1804ИР1, Am2920-К1804ИР2, Am29803A,
Am2922, Am29705, Am29761, Am29775.
2. Проектирование цифровых систем на комплектах микропрограммируемых БИС.
/С.С. Булгаков, В.М. Мещеряков, В.В. Новоселов, Л.А. Шумилов. Под ред. В.Г.
Колесникова. -М.: Радио и связь, 1984, -240с. БИС МПК серии К1804: ВС1, ВС2,
ВР1, ВР2, ВУ1, ВУ3, ВУ4, ИР1.
3. Комплект БИС К1804 в процессорах и контроллерах. /В.М. Мещеряков, И.Е.
Лобов, С.С. Глебов и др.: Под ред. В.Б. Смолова. -М.: Радио и связь, 1990, -256с.
Сведения о микросхемах комплекта К 1804, примеры проектирования МПС,
описаны средства отладки микропрограмм. МПК К1804: ГГ1, ВУ1, ВУ2, ВУ3,
ВУ4, ВУ5, ВМ1, ВС1, ВС2, ВР1, ВР3, ВН1, ВУ6, ВУ7, ИР1, ИР2, ИР3, ВА1,
ВА2, ВА3.
4. Гольденберг Л.М. и др. Цифровые устройства и микропроцессорные системы.
Задачи и упражнения: Учебн. пособие для ВУЗов /Л.М. Гольденберг, В.А.
Малев., Г.Б. Малько. -М.: Радио и связь, 1992, -256с. МПК серий: К580, К1816,
К1804, микропроцессор ТМS32010, системы команд.
5. Титов М.А. и др. Изделия электронной техники. Микропроцессоры и од-
нокристальные микроЭВМ: Справочник /М.А. Титов, А.Ю. Веревкин, В.И.
Валерьянов; Под ред. А.И. Ладика и А.И. Сташкевича. -М.: Радио и связь, 1994,
-120с. МП серий: К580, К1821, К1810, К1801, К1811, К588, К1843, К1865,
К1800, К1802, К1804. ОЭВМ серий: К1816ВЕ48, К1816ВЕ51, КМ1813ВЕ1,
КМ1827ВЕ3, К1827ВЕ4, ТМS 32010.
6. Хвощ С.Т. Микропроцессоры и МикроЭВМ в системах автоматического
управления (Справочник).
215