Средства проектирования и отладки систем управления на базе микроконтроллеров Motorola

Шагурин И.И., Бродин В.Б., Калинин А.В., Толстов Ю.А.,
Петров С.Г., Исенин И.М., Эйдельман С.Л., Ванюлин В.А.

Аннотация

Большинство современных цифровых систем управления реализуются на базе микроконтроллеров-специализированных микропроцессоров, ориентированных на выполнение управляющих функций. Ведущим производителем микроконтроллеров является компания Motorola (США), продукция этой компании недавно появилась на российском рынке. В предлагаемой статье дается краткий обзор номенклатуры, основных характеристик и областей применения 8-, 16- и 32-разрядных микроконтроллеров, выпускаемых компанией Motorola. Описываются аппаратно-программные комплексы для проектирования и отладки систем управления, реализуемых на базе этих микроконтроллеров, которые разработаны специалистами учебно-методического центра "Моторола-Микропроцессорные Системы" Московского государственного инженерно-физического института.

Средства проектирования и отладки систем управления на базе микроконтроллеров Motorola.

Однокристальные микроконтроллеры (МК) являются наиболее массовыми представителями современной микропроцессорной техники, объем выпуска которых составляет около 2,5 млрд. штук в год. Интегрируя на одном кристалле высокопроизводительный процессор, память и набор периферийных устройств, МК позволяют с минимальными затратами реализовать высокоэффективные системы и устройства управления различными объектами и процессами. Благодаря этому они находят широкое применение в промышленной автоматике, контрольно-измерительных приборах и системах, аппаратуре связи, автомобильной электронике, бытовой технике и многих других применениях. Лидером в производстве МК является компания Motorola (около 17% мирового выпуска), которая предоставляет потребителям большую номенклатуру изделий этого класса. Компания выпускает около 300 типов МК, начиная с относительно простых 8-разрядных моделей семейств 68HC05, 68HC11 и кончая сложнофункциональными 32-разрядными моделями семейств 68300, MPC500, ядром которых служат CISC-процессоры 68020 и RISC-процессоры PowerPC [1-3]. Большая номенклатура и высокие технико-экономические характеристики МК, выпускаемых компанией Motorola, позволяют удовлетворить запросы широкого круга разработчиков систем управления разнообразными объектами и процессами.
    Для реализации системы управления на базе МК необходим комплекс специализированных программных и аппаратных средств, помогающих разработчику на различных этапах проектирования, программирования и отладки [4-7]. Для микроконтроллеров Motorola разработан широкий набор средств, поддерживающих процедуру проектирования-отладки. Большую номенклатуру таких средств выпускают Motorola, Hewlett-Packard, Tektronics, Applied Microsystems, Microtec International, Microware Systems и другие производители. Ряд разработок в этой области выполнен российскими организациями, продукция которых отличается доступными ценами при достаточно высоких технических характеристиках.
    В статье описываются средства проектирования и отладки систем управления на базе широко распространенных семейств 8-, 16- и 32-разрядных МК семейств 68HC05, 68HC11, 68HC16, 68300, разработанные в учебно-методическом центре "Моторола-Микропроцессорные Системы" Московского государственного инженерно-физического института (МИФИ). Этот центр создан в соответствии с соглашением о сотрудничестве в области образования и научных исследований, заключенным МИФИ и компанией Motorola. Сотрудниками центра накоплен значительный опыт разработки программно-аппаратных средств проектирования и отладки систем различного назначения на базе МК. Эти средства могут применяться для следующих целей:

• реализация и комплексная отладка макета системы управления на базе МК семейств 68HC05, 68HC11, 68HC16, 68300, который используется в качестве прототипа для создания рабочего образца системы;
• сборка и отладка рабочего образца системы управления, базовыми модулями которой служат разработанные средства;
• тестирование и отладка программного обеспечения систем на реальных МК;
• изучение функционирования и программирования МК, получение навыков их практического применения.

8-разрядные микроконтроллеры семейств 68HC05, 68HC11 и средства проектирования-отладки систем управления, реализуемых на их основе.
    Микроконтроллеры семейства 68HC05 имеют низкую стоимость и ориентированы на реализацию устройств управления в изделиях массового применения. Это семейство включает более 180 моделей МК, которые имеют одинаковый процессор, но отличаются объемом и типом внутренней памяти, номенклатурой размещенных на кристалле периферийных устройств и рядом технических характеристик [1,3]. Процессор содержит один 8-разрядный аккумулятор и один адресный регистр, выполняет набор из 65 команд, реализующих основные операции обработки 8-разрядных данных, включая умножение и битовые операции (деление не выполняется). Для хранения программ и данных используется внутренняя память: ОЗУ емкостью до 768 байт и ПЗУ емкостью до 32 Кбайт, которое в зависимости от модели МК может быть масочное, однократно программируемое (ППЗУ), программируемое с электрическим стиранием (ЭСППЗУ).
    В набор периферийных устройств, размещаемых на кристалле МК, входят:

• 8-разрядные параллельные порты ввода-вывода данных (от 2 до 4 портов);
• устройства последовательного обмена: асинхронный связной порт SCI (обеспечивает интерфейс RS-232 со скоростью обмена до 125 Кбод), синхронный периферийный порт SPI;
• 16-разрядный таймер со схемами фиксации времени поступления входных сигналов и формирования выходных сигналов в заданные моменты времени;
• сторожевое устройство (watchdog), который проверяет периодичность записи в специальный регистр заданных кодов и сбрасывает МК в начальное состояние при "зависании" рабочей программы, когда эта процедура не выполняется;
• 8-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), имеющий от 1 до 8 входов;
• широтно-импульсный модулятор (ШИМ), формирующий последовательность выходных импульсов с программируемой частотой и скважностью, который имеет от 1 до 9 независимо программируемых выходов;.
• выходные драйверы для подключения индикаторных приборов: светодиодов, жидко-кристаллических дисплеев, вакуум-флюоресцентных индикаторов.

Ряд моделей МК содержат схемы формирования символов для ЭЛТ, тональные генераторы, синтезаторы частот, схемы опроса клавиатуры и др.
    В связи с большим разнообразием характеристик МК семейства 68HC05 делятся на ряд серий, которые отличаются функциональными возможностями и областями применения. В серию C входят МК общего назначения, имеющие минимальное количество периферийных модулей, МК серии B содержат расширенный набор модулей, включая АЦП и ШИМ. Серии L и M ориентированы на применение в аппаратуре, имеющей жидкокристаллические дисплеи и вакуум-флюоресцентные индикаторы. В теле- и видеоаппаратуре применяются МК серии T, которые служат в качестве контроллера экранного дисплея, формируя графические образы символов на экране ЭЛТ. МК серии F содержат двухтональный многочастотный приемник-передатчик, применяются в связной аппаратуре, сотовых и радиотелефонах. МК серии X имеют встроенный контроллер локальной управляющей сети CAN и применяются в системах управления производством и различными объектами. Специфическую область применения имеют МК серии SC, которые используются в устройствах с кодированным доступом, в том числе в электронных кредитных картах SmartCard, обеспечивая защиту от несанкционированного доступа. Серии J,K,P в дешевых корпусах с малым числом выводов предназначены для использования в устройствах массового применения, где стоимость является первостепенным фактором.
    МК семейства 68HC05 работают при напряжении питания Vп от 3 до 5 В. Максимальная тактовая частота Ft составляет 2 МГц при Vп = 5 В и 1 МГц при Vп = 3 В. Для выполнения большинства команд требуется 3-6 тактов, для умножения - 10 тактов. Некоторые модели имеют модификации с повышенной частотой Ft (до 4 МГц при Vп = 5 В), с пониженным напряжением питания (до Vп = 2 В). Для всех МК реализуются энергосберегающие режимы ожидания и останова. В режиме ожидания останавливается процессор, но работают таймер и последовательные порты. При этом потребление мощности снижается в 2-3 раза. В режиме останова функционирование МК полностью прекращается, и потребление мощности снижается до десятков мкВт. Например, для МК типа MC68HC705C8 мощность при Vп = 5 В составляет 35 мВт в рабочем режиме, 15 мВт в режиме ожидания, менее 250 мкВт при останове. При Vп = 3 В потребление мощности снижается, соответственно, до 9 мВт, 3 мВт и 60 мкВт.
    Семейство 68HC11, которое также делится на несколько серий (A,C,D,E,F и др.), содержит свыше 40 моделей МК и является развитием семейства 68HC05. МК этого семейства имеют более высокую производительность и расширенные функциональные возможности, что позволяет использовать их для выполнения достаточно сложных функций управления в приборах промышленной автоматики, контрольно-измерительных устройствах, связной аппаратуре, медицинском оборудовании, бытовой технике [1,3]. Процессор семейства 68HC11 содержит два 8-разрядных аккумулятора и два 16-разрядных адресных регистра. Он выполняет набор из 108 команд, реализующих операции обработки 8- и 16-разрядных данных, включая деление. Для хранения программ и данных используется внутренняя память: ОЗУ емкостью до 1278 байт, масочное ПЗУ емкостью до 32 Кбайт, ЭСППЗУ емкостью до 2 Кбайт. Обеспечена возможность подключения внешней памяти программ и данных емкостью по 64 Кбайт. Ряд моделей имеет выходы сигналов выборки кристаллов CS, использование которых позволяет организовать отдельные банки памяти и расширить ее объем до 1 Мбайт.
    Набор периферийных устройств семейства 68HC11 содержит большинство устройств, используемых в МК семейства 68HC05, и обеспечивает реализацию ряда дополнительных функций. Введен таймер, реализующий периодические прерывания. Число параллельных 8-разрядных портов составляет в различных моделях от 2 до 8. В ряде моделей используется 10-разрядный АЦП. В некоторых МК имеются контроллеры прямого доступа к памяти, сопроцессоры для ускоренного выполнения арифметических операций.
    Все МК семейства 68HC11 работают при напряжении питания Vп = 5 В с максимальной частотой Ft до 4 Мгц и реализуют режимы ожидания и останова. Выполнение большинства операций занимает от 2 до 7 тактов, умножение - 10 тактов, деление - 41 такт. Потребление мощности зависит от состава периферийных модулей. Например, для модели MC68HC11F1 при Ft = 4 МГц потребляемая мощность составляет 250 мВт в рабочем режиме, 125 мВт в режиме ожидания и не более 250 мкВт в режиме останова.
    При разработке систем на базе МК обычно используется схемный эмулятор, который в процессе отладки замещает микроконтроллер в реализуемой системе [3-6]. В результате функционирование отлаживаемой системы становится наблюдаемым и контролируемым. Разработчик имеет возможность контроля за работой системы на экране компьютера и управления ее работой путем модификации содержимого регистров и памяти. Cхемный эмулятор является универсальным и эффективным отладочным средством для комплексной отладки аппаратных средств и программного обеспечения проектируемой системы.

• Для микроконтроллеров Motorola рядом зарубежных производителей выпускаются универсальные схемные эмуляторы, которые позволяют выполнять отладку систем на базе любых типов МК данного семейства, имеют большой объем памяти трассы, хранящей данные о значениях сигналов на выводах МК, реализуют функции логического анализатора [3,7]. Эти эмуляторы обладают широким набором функциональных возможностей и имеют стоимость порядка нескольких тысяч долларов. Чтобы обеспечить аналогичные характеристики при существенно меньшей стоимости, в центре "Моторола-Микропроцессорные Системы" МИФИ разработано семейство схемных эмуляторов K-xx на базе универсальной платформы, которая подключается к шине персонального компьютера. На платформе размещается процессорно-независимая часть эмуляторов: эмуляционная память емкостью 64 Кбайт, память трасс емкостью 8Кх24 бит, память контрольных точек и схема управления. На базе этой платформы реализован схемный эмулятор для МК серий A,E семейства 68HC11, использующий два модуля специализации. Внешний модуль, который, содержит эмулирующий МК, расширитель портов 68HC24 и синхрогенератор, вынесен к эмуляционной вилке, благодаря чему повышается устойчивость работы эмулятора с отлаживаемой системой. Внутренний интерфейсный модуль обеспечивает согласование эмулирующего модуля и платформы. В процессе отладки системы эмулятор работает с компьютером, использующим интегрированную среду программирования-отладки DEBUG-11. Стоимость такого эмулятора составляет несколько тысяч рублей, причем по желанию заказчика можно с небольшими дополнительными затратами модифицировать его для эмуляции других типов МК.
• Для макетирования и отладки систем управления на базе МК семейства 68HC11 можно использовать отладочную плату TЕT-HC11EVB, разработанную в учебно-методическом центре "Моторола" МИЭТ. Производство таких плат освоено заводом "Протон" при МИЭТ. Плата содержит МК типа MC68HC711E9, эмуляционную память, последовательный порт с интерфейсом RS-232 для подключения к персональному компьютеру, макетное поле для реализации устройств пользователя. Обеспечивается работа с внутренней и внешней памятью. Плата используется вместе комплексом средств программирования (редактор, ассемблер, отладчик), работающих в составе интегрированной среды разработки.

Проектирование и отладку систем управления, реализованных на базе МК семейства 68HC05 можно выполнить с помощью комплекса, состоящего из отладочной платы 68HC05EVM и интегрированной среды программирования- отладки DEBUG-05. Отладочная плата 68HC05EVM, выпускаемая компанией Motorola, выполняет функции эмулятора для многих типов МК этого семейства: MC68HC05A6, B4/B6, C2/C3/C4/C8/C9, L6, P1/P7, MC68HC705C8, MC68HC805B6, C4. Плата содержит эмуляционную память емкостью 16 Кбайт и два последовательных порта, один из которых используется для подключения к COM-порту компьютера. Для соединения платы с отлаживаемой системой служит эмуляционная вилка, для подключения дополнительных внешних устройств имеется параллельный порт расширения. Установленное на плате ПЗУ содержит резидентный монитор-отладчик, предоставляющий простейшие средства отладки системы. При его использовании для отладки не требуется компьютер - достаточно подключить терминал к последовательному порту платы 68HC05EVM. Отладочная плата позволяет также выполнять программирование ППЗУ, которое размещается на кристалле МК типа MC68HC705, MC68HC805.

Рис. 1. Эмулятор ПЗУ типа RET для отладки систем управления на базе 8-разрядных микроконтроллеров.

В последнее время для отладки систем на базе МК широко используется метод эмуляции ПЗУ программ. Эмулятор ПЗУ содержит ОЗУ, которое включается вместо памяти программ отлаживаемой системы и работает под управлением персонального компьютера. В процессе отладки эмулятор ПЗУ позволяет контролировать ход выполнения рабочей программы и производить ее оперативное изменение. После отладки программа с помощью программатора записывается в ПЗУ проектируемой системы. Обычно эмулятор ПЗУ содержит также память трассы, которая позволяет просмотреть предыдущие обращения к памяти программ, то есть проверить последовательность выбиравшихся команд. Во многих случаях возможности эмулятора ПЗУ оказываются достаточными для отладки микроконтроллерных систем. При этом эмуляторы ПЗУ проще и дешевле, чем схемные эмуляторы, так как они не эмулируют функции МК, который в процессе отладки продолжает работать в составе системы. Эмуляторы ПЗУ являются универсальными средствами, которые применяются для отладки систем с различными типами МК.
    В центре "Моторола-Микропроцессорные системы" МИФИ разработан эмулятор ПЗУ типа RET, обеспечивающий эмуляцию памяти программ емкостью до 128 Кбайт [8]. Эмулятор ориентирован на отладку систем управления на базе 8-разрядных МК, в том числе систем, использующих МК семейств 68HC05,68HC11. Эмулятор RET (рис.1) реализован на плате размером 60 х 80 мм, подключаемой к персональному компьютеру через параллельный LPT-порт. При систем эмулятор обеспечивает пошаговое выполнение программ и работает в качестве логического анализатора с памятью трассы 64 К.
    После отладки рабочая программа обычно заносится в ПЗУ разрабатываемой системы или устройства с помощью программатора. Из выпускаемых в России программаторов в настоящее время только программатор KROM, разработанный в центре "Моторола-Микропроцессорные системы" МИФИ, обеспечивает программирование внутренней памяти программ МК семейств 68HC705, 68HC711 [9]. Кроме них KROM программирует большую номенклатуру микросхем ППЗУ, РППЗУ, ЭСППЗУ и флэш-памяти, ряд типов программируемых логических микросхем, а также многие МК, выпускаемых другими производителями (Intel, Phillips, Atmel).
    Программатор KROM работает под управлением IBM-PC компьютера, к которому он подключается через параллельный интерфейс шины ISA, которая используется также в качестве программируемого источника напряжения. Управление производится в диалоговом режиме с помощью меню. Пользователю предоставляется возможность просмотра содержимого буферной памяти в двоичном, десятичном и шестнадцатеричном формате, в виде ASCII-кодов и логических диаграмм (графическая форма). Кроме функций программирования KROM реализует анализ и, при возможности, допрограммирование ППЗУ, стирание информации в ЭСППЗУ, программирование битов защиты и таблиц кодирования для ряда типов МК и ПЛИС, позволяет производить установку напряжений программирования с точностью 0,25 В. Сочетание широких функциональных возможностей, простоты использования, невысокой стоимости делают KROM одним из наиболее эффективных средств программирования МК, микросхем памяти и ПЛИС.
    16/32-разрядные микроконтроллеры семейств 68HC16, 68300 и средства проектирования-отладки систем управления, реализуемых на их основе.
    Особенностью этих семейств является модульный принцип построения МК, при котором их структура собирается из набора стандартных функциональных модулей, соединяемых внутренней шиной. Оба семейства реализуются на базе общего набора периферийных модулей и отличаются только типом процессора.
    В МК семейства 68HC16 [1,3] используется 16-разрядный процессор CPU16, который является дальнейшим развитием процессоров семейств 68HC05, 11. Процессор содержит два 16-разрядных аккумулятора, три 20-разрядных адресных регистра. В состав CPU16 входит умножитель-накопитель, используемый для цифровой обработки сигналов. Этот блок имеет два 16-разрядных регистра операндов и 36-разрядный аккумулятор результатов. Процессор CPU16 выполняет набор из 264 команд, в состав которого входит группа команд, реализующих операции цифровой обработки сигналов. Основной в этой группе является команда умножения-сложения дробных чисел с накоплением результата в аккумуляторе. Специальная команда позволяет повторять эту операцию заданное число раз, последовательно выбирая операнды из памяти.
    Процессор CPU16 обеспечивают обращение к внешней памяти объемом до 1 Мбайт. МК этого семейства содержат на кристалле масочное ПЗУ емкостью до 48 Кбайт, ОЗУ емкостью до 4 Кбайт, флэш-память емкостью до 50 Кбайт.
    В МК семейства 68300 [2,3] используется 32-разрядный процессор CPU32, аналогичный микропроцессору MC68020. Процессор содержит шестнадцать 32-разрядных регистров данных и адреса, выполняет набор из 154 команд, обеспечивающих обработку 8-, 16- и 32-разрядных операндов. Объем адресуемой внешней памяти составляет 16 Мбайт. МК этого семейства имеют внутреннее ОЗУ емкостью до 4 Кбайт, флэш-память емкостью до 64 Кбайт.
    В состав МК семейств 68HC16,68300 входят следующие периферийные модули [1-3].
    Модуль системной интеграции SIM или SCIM реализует интерфейс с внешними устройствами и обеспечивает нормальное функционирование МК. Для реализации интерфейса в состав модуля входят три или семь 8-разрядных портов. Модуль обеспечивает также обращение к внешней памяти. При этом могут формироваться 12 программируемых сигналов выборки кристалла CS, которые используются для организации отдельных банков данных. Модуль системной интеграции осуществляет захват шины, обеспечивая возможность ее совместного использования несколькими устройствами, генерирует тактовые импульсы, производит сброс в начальное состояние, осуществляет контроль выполнения программы с помощью сторожевого устройства (watchdog), принимает запросы прерывания от внешних устройств. Данный модуль содержит также специальный таймер, реализующий периодические прерывания.
    Модуль последовательного обмена QSM содержит асинхронный порт SCI, аналогичный используемому в МК семейств 68HC05, 11, и буферизованный синхронный порт QSPI, являющийся развитием порта SPI. В состав QSPI входит двухпортовое ОЗУ емкостью 80 байт, в которое заносятся команды обмена, принимаемые и передаваемые данные. Используя содержимое этого ОЗУ, можно организовать очередь данных для приема или передачи, циклический или непрерывный обмен, обмен с заданной задержкой. При этом обмен реализуется без участия процессора, который может выполнять другие задачи. Порт QSPI формирует сигналы выборки для 16 внешних устройств, обеспечивая связь с ними без участия модуля SIM или SCIM. Входящий в состав QSM 8-разрядный порт может использоваться для параллельного обмена данными.
    Таймерный модуль GPT содержит 16-разрядный таймер, который имеет 3-4 входа фиксации событий, 4-5 выходов сигналов совпадения. В состав модуля входит 8-разрядный счетчик, который может производить счет внешних сигналов или тактовых импульсов. Модуль GPT содержит также ШИМ с двумя независимо программируемыми выходами, обеспечивающий 255 значений скважности формируемых импульсов.
    Модуль таймерного процессора TPU обладает значительно более широкими функциональными возможностями. Он имеет 16 отдельно программируемых каналов, которые могут выполнять 20 стандартных таймерных функций. В число функций входят: формирование сигналов с заданной задержкой, измерение интервалов времени, генерация импульсов заданной частоты и длительности, асинхронная последовательная передача или прием данных, управление шаговым двигателем и другие. Выполнение этих функций производится без участия процессора с помощью микропрограмм, записанных в управляющее ПЗУ модуля. Специальное двухпортовое ОЗУ емкостью до 3,5 Кбайт служит для записи микропрограмм, обеспечивающих выполнение дополнительных нестандартных функций, задаваемых пользователем
    Модуль аналого-цифрового преобразователя ADC выдает 10-разрядные значения потенциалов, поступающих на восемь аналоговых входов.
    В состав семейства 68HC16 входят 8 моделей МК, в состав семейства 68300 - 20 моделей, включая 8 моделей специализированных коммуникационных контроллеров, используемых в связной аппаратуре. МК этих семейств работают при напряжении питания Vп = 5 В и имеют максимальную тактовую частоту Ft до 25 МГц при потреблении мощности 400-700 мВт. В режиме пониженного энергопотребления мощность снижается до уровня нескольких десятков мВт.
    МК семейств 68HC16, 68300 широко применяются в системах высокоточного регулирования для управления электродвигателями, автомобильными двигателями, роботами и другими устройствами, телекоммуникационной аппаратуре (сотовые телефоны, цифровые АТС, факсы, модемы), промышленной автоматике, сложной бытовой электронике (телевизоры, видеокамеры, цифровые аудиосистемы), контрольно-измерительной и медицинской технике. МК семейства M68HC16 используются в случаях, когда необходимо существенно улучшить характеристики устройств управления, реализованных на базе семейств 68HC05, 68HC11, не меняя кардинально их структуру и принципы функционирования. Эти МК широко применяются в качестве центральных блоков управления в системах, которые содержат несколько МК семейств 68HC05,11, обслуживающих отдельные объекты. Использование МК семейства 68HC16 обеспечивает также значительное улучшение характеристик систем, выполняющих цифровую обработку поступающих сигналов, которая производится с помощью специальных команд процессора CPU16. МК семейства 68300, имеющие существенно более мощный процессор, используются для реализации сложных алгоритмов управления или для обслуживания группы сложнофункциональных объектов. Достоинством этого семейства является возможность использования программного обеспечения, ранее разработанного для семейства 68000, включая компиляторы языков высокого уровня и операционные системы реального времени.
    Уникальной особенностью 16- и 32-разрядных МК, выпускаемых фирмой Motorola, является реализация специального режима отладки BDM (background debug mode), который позволяет производить отладку систем без использования схемных эмуляторов [3,7]. В BDM-режиме МК выполняет команды, поступающие от системы отладки через специальный последовательный BDM-порт. Команды отладки позволяют считывать и записывать содержимое любых регистров и ячеек памяти, выполнять вызов подпрограмм, сброс МК в начальное состояние, возвращение в рабочий режим. В качестве системы отладки используется компьютер с необходимым программным обеспечением - интегрированной средой отладки. Для обмена сигналами между МК и системой отладки используются выводы BDM-порта: DSI, DSO, DSCLK. На вход DSI от системы отладки поступают команды, адреса и данные, МК выдает на выход DSO данные или управляющую информацию, вход DSCLK служит для приема синхросигналов обмена.

Рис. 2. Отладка микроконтроллерной системы управления в режиме BDM.

Средства отладки, использующие режим BDM, выполняют основную часть функций схемных эмуляторов при существенно меньшей стоимости. Благодаря реализации BDM-режима процедура проектирования и отладки систем на базе семейств 68HC16, 68300 может быть значительно упрощена путем использования специальных плат развития, которые представляют собой одноплатный контроллер, содержащий базовый МК, память и набор периферийных схем. Плата развития через BDM-порт подключается к персональному компьютеру, с помощью которого производится отладка системы (рис.2). После отладки плата отключается от компьютера и может работать в автономном режиме, выполняя заданные функции управления. Такие платы развития разработаны в центре "Моторола-Микропроцессорные Системы" МИФИ для проектирования и отладки систем управления на базе МК семейств 68HC16 и 68300 [7].
    Для реализации систем управления на базе МК семейства 68300 разработана плата развития 68300DB-MEPhI (рис.3), которая содержит МК типа MC66332, три панельки для включения микросхем памяти емкостью по 32 Кбайт, порт последовательного обмена по стандарту RS-232, BDM-порт, разъемы расширения для подключения периферийных устройств. Память может быть конфигурирована как 64 Кбайт ОЗУ и 32 Кбайт ПЗУ или наоборот. При необходимости можно увеличить объем памяти путем подключения мезонинной платы. В BDM-режиме плата работает под управлением персонального компьютера, соединенного с ней через параллельный LPT-порт. В процессе отладки используется разработанная в центре "Моторола - Микропроцессорные Системы" интегрированная среда DEBUG-32. После отладки плата 68300DB-MEPhI может отключаться от компьютера и использоваться как автономный контроллер или в составе более сложной системы управления.

Рис.3. Плата развития 68300BD-MEPhI для реализации и отладки систем управления на базе 32-разрядных микроконтроллеров семейства 68300.

Если состав средств, имеющихся на плате 68300DB-MEPhI, достаточен для реализации проектируемой системы, то разработка системы сводится к созданию необходимого программного обеспечения и выполнению отладки в BDM-режиме. Если имеющихся средств недостаточно, то необходимые устройства размещаются на дополнительной плате, подключаемой к плате развития. Так реализуется прототип (макет) проектируемой системы, на котором выполняется комплексная отладка программных и аппаратных средств, проверка их функционирования в рабочих условиях. Прототип может использоваться в качестве рабочей (целевой) системы, если его параметры и конструкция удовлетворяют требованиям техзадания.
    Для проектирования - отладки систем на базе МК семейства 68HC16 разработаны аналогичная плата развития 68HC16DB-MEPhI и интегрированная среда DEBUG-16. Плата 68HC16DB-MEPhI реализована на базе микроконтроллера MC68HC16Z1 и обеспечивает отладку систем в BDM-режиме с помощью среды DEBUG-16 с возможностью последующей работы платы в качестве автономного контроллера.
    Использование интегрированной среды программирования-отладки DEBUG-xx при разработке систем управления на базе микроконтроллеров Motorola.
    Эффективное применение описанных в статье средств проектирования-отладки систем управления на базе МК обеспечивается при использовании специального программного обеспечения - интегрированной среды программирования-отладки. Специалистами центра "Моторола-Микропроцессорные Системы" МИФИ разработано необходимое программное обеспечение для систем на базе МК семейств 68HC05,11,16, 68300, которое входит в состав комплексов DEBUG-05,11,16,32. Программное обеспечение работает в операционной системе MS-DOS и состоит из интегрированного отладчика, обеспечивающего работу эмулятора или платы развития под управлением персонального компьютера, подключаемых ассемблера и текстового редактора, служебной программы-монитора, загружаемой в эмулятор или плату развития при инициализации системы. Комплекс этих программных средств организован в виде интегрированной среды программирования-отладки DEBUG-xx. Оболочка среды написана с использованием пакета TurboVision и реализует многооконный интерфейс. Для каждого семейства МК разработана версия интегрированной среды хх = 05,11,16 или 32, обеспечивающая работу с аппаратными средствами отладки - схемным эмулятором или платой развития [7].
    Интегрированной среда DEBUG-хх реализует в процессе проектирования-отладки микроконтроллерных систем следующие возможности.

• Работа с файлами. Отладчик позволяет загрузить исполняемый файл с диска компьютера в память отлаживаемой системы и сохранить на диске содержимое любой области памяти в формате S-record фирмы Motorola, BIN (двоичный код), DIS (дизассемблированный текст).
• Отладка программ. Реализуются основные режимы отладки программ: пошаговое выполнение команд, прогон и останов программы, выполнение программы от курсора или до курсора, выполнение подпрограмм за один шаг. Можно установить до 32000 точек останова на любой команде программы во всем адресном пространстве.
• Дизассемблирование. Формируемое на экране окно дизассемблера позволяет видеть текст выполняемой программы в виде последовательности мнемоник команд. Текстовый редактор дает возможность вводить и модифицировать текст программы.
• Отображение ресурсов. Окно ресурсов представляет на экране содержимое всех регистров процессора, участка стека и фрагмент памяти. Отладчик позволяет менять содержимое регистров и памяти на каждом шаге отладки. Окно просмотра позволяет просматривать содержимое любой ячейки памяти в заданном формате.
• Использование любых DOS программ без выхода из среды и работа в сессиях DOS систем Windows 3.x, Windows 95. Интегрированная среда позволяет подключать дополнительные программные средства (редактор, ассемблер) с помощью меню.

Рис.4. Представление информации на экране дисплея при отладке системы с помощью комплекса 68300DB-MEPI/DEBUG-32

Интегрированная среда DEBUG-xx обеспечивает выдачу информации о состоянии ресурсов системы, изменение содержимого регистров и ячеек памяти, представление выполняемой программы в мнемонической форме и ее модификацию. Вид информации, представляемой при отладке систем на базе МК семейства 68300, показан на рис.4.     На экране располагаются меню (верхняя строка экрана) и два основных окна: дизассемблера (слева) и ресурсов (справа). Пункт меню 'File' содержит команды для работы с файлами. Меню 'Run' обеспечивает запуск программы на выполнение, пошаговое выполнение программ и их остановку. Меню 'Debug' обеспечивает работу с точками останова и окном просмотра (окно 'Watch'). Команды меню 'Tools' позволяют подключать к оболочке различные внешние программы. Меню 'Options' служит для конфигурирования оболочки (изменение цветов, количества отображаемых строк и др.). Меню 'Hard' позволяет задавать некоторые параметры аппаратуры: адрес LPT-порта, к которому подключена плата и т.д. Меню 'Windows' обеспечивает работу с окнами. В окне дизассемблера представляется текст программы (адрес и мнемоника команд), курсор указывает на текущую команду. В нижней части окна есть строка ввода, где можно ввести и изменить ассемблерную команду. В окне ресурсов отображается содержимое регистров МК, участок стека и памяти. Все эти ресурсы доступны для редактирования.
    Аналогичный вид представляемой информации и режимы меню реализуются при работе версий интегрированной среды: DEBUG-05,11,16,32, обеспечивающих программирование-отладку систем на базе МК семейств 68HC05,11,16, 68300.
    Применение рассмотренных средств проектирования - отладки позволяет существенно сократить сроки и стоимость разработки систем управления на базе широко распространенных семейств МК, выпускаемых компанией Motorola. Центр "Моторола-Микропроцессорные Системы" МИФИ обеспечивает поставку этих средств, консультации по их использованию, разработку микроконтроллерных систем по заказам потребителей.

Московский государственный инженерно-физическиий институт
(технический университет)

Руководитель учебно-методического центра "Моторола-Микропроцессорные системы" МИФИ д.т.н., профессор Шагурин Игорь Иванович.

тел. (095) 324-0184, 323-93-57

E_mail: shagurin@d406.micro.mephi.ru

    Литература.

• Шагурин И.И. 8- и 16-разрядные микроконтроллеры компании Мotorola. / Сhip News, 1996. - №6-7, с.7-16.
• Белевич А.Ю., Сердюков О.В., Костин Г.Ю. Микроконтроллеры семейства 68300 фирмы Motorola. / Chip News, 1996. - №2, с. 32-36.
• Шагурин И.И. Микропроцессоры и микроконтроллеры фирмы Motorola. / Радио и связь. М.: 1998, 560с.
• Кобахидзе Ш, Тамазов А., Средства разработки и отладки для однокристальных микроконтроллеров. / Chip News, 1996. - №2, с.37-43.
• Бродин В.Б. Технология проектирования микропроцессорных контроллеров. / Электроника и компоненты, 1997. - №1, с.8-9, №2, с.7-9.
• Бродин В.Б., Калинин А.В. Эмуляторы 8-разрядных ОЭВМ к IBM PC. / Cб. статей "Библиотека информационной технологии", под ред. Г.Р. Громова. ИнфоАрт, М.: 1991.- Вып. 3, с.222-229.
• Шагурин И.И., Толстов Ю.А., Калинин А.В. и др. Программно-аппаратные комплексы для проектирования и отладки систем на базе микроконтроллеров Motorola. / Chip News, 1998. - №1, с.22-27.
• Бродин В.Б., Калинин А.В. Эмулятор ПЗУ на основе FPGA"./ Сб. трудов "Научная сессия МИФИ-98". М.: 1998. Часть 5, с.259.
• Бродин В.Б., Калинин А.В. Универсальный профессиональный программатор: критерии и реализация. / Chip News, 1997. - №4, с.15-20.