ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОПРОЦЕСОРНА ТЕХНІКА-2. Мікропроцесорні системи - Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)

Реквізити навчальної дисципліни
Рівень вищої освіти Перший (бакалаврський)
Галузь знань 12 Інформаційні технології
Спеціальність 126 Інформаційні системи та технології
Освітня програма Інтегровані інформаційні системи
Статус дисципліни Нормативна
Форма навчання очна(денна)/заочна/дистанційна
Рік підготовки, семестр 2 курс, осінній семестр; 3 курс, весняний
Обсяг дисципліни 90 годин (36 годин – Лекції, 18 годин – Лабораторні, 36 годин – СРС)
Семестровий контроль/ контрольні заходи Залік/залікова робота
Розклад занять http://rozklad.kpi.ua
Мова викладання Українська
Інформація про керівника курсу / викладачів

Лектор: к.т.н., Новацький Анатолій Олександрович

novatski.a@gmail.com

моб. +38(067)748-57-16

Лабораторні: ст. викладач, , Шимкович Володимир Михайлович

shymkovych.volodymyr@gmail.com

моб. +38(097) 602-51-73
Розміщення курсу https://campus.kpi.ua

Програма навчальної дисципліни

Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання

Опис дисципліни. Кредитний модуль «Мікропроцесорні системи» є другою частиною дисципліни «Електроніка та мікропроцесорна техніка», яка входить у навчальний план підготовки бакалаврів за освітньою програмою «Інтегровані інформаційні системи» за спеціальністю 126 «Інформаційні системи та технології».

Предмет навчальної дисципліни: цей кредитний модуль забезпечує засвоєння студентами складу, основних характеристик, структури, організації пам’яті, програмної моделі, способів адресації операндів та характеристики команд мікропроцесорних систем на мікроконтролерах сім`ї AVR; основних модулів мікропроцесорних систем: паралельні та послідовні інтерфейси; підсистема переривань; аналоговий компаратор; таймери; аналого-цифровий та цифро-аналоговий перетворювачі, CAN, I2C, SPI і тю ін.; моделювання у пакеті PROTEUS типових пристроїв мікропроцесорних систем.

Міждисциплінарні зв’язки. Курс «Мікропроцесорні системи» належить до циклу дисциплін професійної та практичної підготовки. Кредитний модуль базується на таких забезпечующих дисциплінах: «Основи системної інженерії», «Фізика», «Спецрозділи математики», «Програмування», «Комп’ютерна електроніка».

Мета навчальної дисципліни. Метою викладання дисципліни є підготовка висококваліфікованих спеціалістів, які вміють аналізувати, проектувати та моделювати сучасні мікропроцесорні та мікроконтролерні системи.

Основні завдання навчальної дисципліни

Знання:

  • склад та основні характеристики мікропроцесорних систем на мікроконтролерах сімейства AVR;

  • склад, призначення окремих вузлів та роботу типового мікроконтролера сімейства AVR за структурною схемою;

  • програмну модель, формати команд та даних, способи адресації операндів та характеристику окремих команд типового мікроконтролера сімейства AVR;

  • особливості архітектури окремих функціональних модулів мікроконтролера: пам’яті; паралельних та послідовних інтерфейсів; таймерів/лічильників зовнішніх подій; переривань;

  • організацію взаємодії мікроконтролера із типовими об’єктами управління.

Уміння:

  • програмувати окремі модулі мікропроцесорних систем на базі мікроконтролера AVR;

  • моделювати окремі частини мікропроцесорних систем на персональному комп’ютері;

  • проектувати мікропроцесорні пристрої та системи на базі мікроконтролера AVR.

Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)

Пререквізити: дисципліна «Електроніка та мікропроцесорна техніка», кредитний модуль «Мікропроцесорні системи» базується на навчальних дисциплінах: вища математика; спецрозділи математики; програмування; фізика; комп`ютерна електроніка.

Постреквізити: дисципліна «Електроніка та мікропроцесорна техніка», кредитний модуль «Мікропроцесорні системи» необхідна для вивчення навчальних дисциплін: технології інтернету речей, інженерія інформаційних систем, моделювання процесів і систем, комп`ютеризовані системи управління, проектування інформаційних систем.

Зміст навчальної дисципліни

Очна форма

Лекційні заняття

Розділ 1. Основні поняття та особливості мікропроцесорної техніки

Тема 1.1. Основні поняття та особливості мікропроцесорної техніки

Тема 1.2. Структурна, функціональна схеми мікропроцесорної системи та характеристика окремих модулів МПС

Тема 1.3. Структура типового мікропроцесора (МП) та мікроконтролера (МК)

Розділ 2. Програмування AVR- мікроконтролерів

Тема 2.1. Склад, основні характеристики та структура AVR-мікроконтролерів

Тема 2.2. Організація пам’яті

Тема 2.3. Програмна модель мікроконтролера

Тема 2.4. Cпособи адресації операндів

Тема 2.5. Характеристика базового набору команд

Тема 2.6. Нові команди

Тема 2.7. Самопрограмування AVR- мікроконтролерів

Тема 2.8. Програмування FLASH- та EEPROM- пам’яті

Розділ 3. Периферійні модулі AVR-мікроконтролерів

Тема 3.1. Порти введення/виведення

Тема 3.2. Послідовний синхронно/асинхронний інтерфейс

Тема 3.3. Послідовний синхронний інтерфейс TWI (I2C)

Тема 3.4. Послідовний периферійний інтерфейс SPI

Тема 3.5. Послідовний периферійний інтерфейс USI

Тема 3.6. Система переривань

Тема 3.7. Аналоговий компаратор

Тема 3.8. Таймери

Тема 3.9. Аналого-цифровий перетворювач

Тема 3.10. Спеціальні режими роботи

Тема 3.11. Цифро-аналоговий перетворювач

Тема 3.12. CAN -модуль

Лабораторні заняття

1. Дослідження команд пересилання, арифметичних та логічних команд та команд роботи з окремими бітами.

2. Дослідження команд передачі керування, виклику та повернення із підпрограм.

3. Дослідження нових команд МК-рів Mega та Xmega.

4. Дослідження моделі модуля УАПП.

5. Дослідження моделі пристрою керування двигуном постійного струму.

6. Дослідження моделі АЦП.

7. Дослідження моделі цифрового вольтметра.

8. Дослідження моделі послідовного інтерфейсу I2C.

9. Дослідження моделі послідовного інтерфейсу SPI.

Заочна форма

Лекційні заняття

Лекція 1. Основні поняття та особливості мікропроцесорної техніки

Лекція 2. Особливості архітектури AVR- мікроконтролерів

Лабораторні заняття

1. Дослідження моделі послідовного порту (інтерфейсу УАПП).

2. Дослідження моделі пристрою керування двигуном постійного струму.

Навчальні матеріали та ресурси

Базова література

  1. Проектування мікропроцесорних систем: Проектування мікропроцесорних систем на базі AVR-мікроконтролерів: Периферійні модулі AVR-мікроконтролерів: Навчальний посібник для студентів напряму підготовки 6.050201 «Системна інженерія» кафедри Автоматики та управління у технічних системах / Укл.: А.О. Новацький– К: НТУУ „КПІ”, 2012. – 470 c. : ил.

  2. Навчальний посібник з дисципліни «Проектування мікропроцесорних систем», розділ «Програмування мікроконтролерів родини AVR» для студентів напряму підготовки 6.050201 «Системна інженерія» кафедри Автоматики та управління у технічних системах / Укл.: А.О. Новацький, Є.В. Глушко – К: НТУУ „КПІ”, 2013. – 109 c. : ил.

  3. Мікропроцесорні та мікроконтролерні системи : підручник. У 2 ч. Ч. 1. Мікропроцесорні системи [Електронний ресурс] / А. О. Новацький. – Електронні текстові дані (1 файл: 16,7 Мбайт). – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, Вид-во «Політехніка», 2020. – 361с.

  4. Мікропроцесорні та мікроконтролерні системи: Ч.2 «Проектування мікропроцесорних систем» [Електронний ресурс] : підручник для студ. освітньої програми «Інтегровані інформаційні системи» за спеціальністю 126 «Інформаційні системи та технології» / А.О. Новацький ; КПІ ім. Ігоря Сікорського. – Електронні текстові дані (1 файл: 20,3 Мбайт). – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. – 462 с.

  5. Мікропроцесорні та мікроконтролерні системи, кредитний модуль «Мікропроцесорні системи» : Лабораторний практикум [Електронний ресурс] : навч. посіб. для студ. освітньої програми «Інтегровані інформаційні системи» спеціальності 126 «Інформаційні системи та технології», / КПІ ім. Ігоря Сікорського; автор: А.О. Новацький. – Електронні текстові дані (1 файл: 18.96 Мбайт). – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. – 365 с.

  6. Мікропроцесорні та мікроконтролерні системи: Частина 2. Проектування мікропроцесорних систем: Лабораторний практикум [Електронний ресурс] : навч. посіб. для студ. освітньої програми «Інтегровані інформаційні системи» спеціальності 126 «Інформаційні системи та технології» / А.О. Новацький ; КПІ ім. Ігоря Сікорського. – Електронні текстові дані (1 файл: 22,38 Мбайт). – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. – 268 с.

  7. Проектування мікропроцесорних систем: Проектування мікропроцесорних систем на базі мікроконтролерів сімейства MCS-51: Периферійні модулі мікроконтролерів сімейства MCS-51 :навч. посіб. для студ. напряму підготовки 6.050201 «Системна інженерія» кафедри Автоматики та управління у технічних системах / А. О. Новацький. – Київ : НТУУ «КПІ», 2016. – 399 с.: ил.

  8. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL – М.: Додэка, 2005 – 560 с.: ил.

  9. Евстифеев А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. – М.:Издательский дом «Додэка-XXI», 2007. – 592 с.: ил.

  10. Проектування CAN-мережі: Навчальний посібник для студентів спеціальності 8.050201.01 «Комп’ютеризовані системи управління та автоматика» кафедри Автоматики та управління у технічних системах / Автор: А.О. Новацький К: НТУУ „КПІ”, 2011- 169 с.

  11. Комп’ютерна електроніка [Електронний ресурс] : підручник для студ. спеціальності 126 «Інформаційні системи та технології», спеціалізації «Інтегровані інформаційні системи» / А.О. Новацький ; КПІ ім. Ігоря Сікорського. – Електронні текстові дані (1 файл: 80.9 Мбайт). – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2018. – 468 с.

Допоміжна література

  1. Голубцов М.С., Кириченкова А.В. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному. – М.: Солон-Пресс, 2005.

  2. Трамперт Вольфган. AVR-RISC микроконтроллеры. – Перевод с немецкого. – Киев.: МК – Пресс, 2006.

  3. Баранов В.Н. Применения микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы. – М.: Додэка, 2004.

  4. Ревич Ю. В. Практическое программирование микроконтроллеров Atmel AVR на языке ассемблера. – 2-е изд., испр. – СПб.:БХВ-Петербург,2011.

  5. Кравченко А. В. 10 практических устройств на AVR-микроконтроллерах. Книга 1 – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», К. «МК-Пресс», 2008.

  6. Кравченко А. В. 10 практических устройств на AVR-микроконтроллерах. Книга 2 – К. «МК-Пресс», СПб.: «КОРОНА-ВЕК», 2009.

  7. Кравченко А. В. 10 практических устройств на AVR-микроконтроллерах. Книга 3 – К. «МК-Пресс», СПб.: «КОРОНА-ВЕК», 2011.

  8. Александров Е. К., Грушвицкий Р. И. Микропроцессорные системы: Учебное пособие для вузов. – СПб.: Политехника, 2002.

  9. Официальное описание микроконтроллеров XMEGA
    http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Atmel/micros/avr\_xmega/start.htm

  10. Опис CAN-протоколу – http://www.itt-ltd.com/reference/ref_can.html

  11. CAN-словарь CAN-dictionaryv2_ru PDF-формат – http://www.can-cia.org

  12. Схеми та пояснення роботи CAN контролерів та трансиверів – http://atmel.com

  13. CAN-трансивер – https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PCA82C250.pdf

  14. CAN-трансивер – https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/MC33388.pdf

  15. Фьюзі-біти – http://easyelectronics.ru/avr-uchebnyj-kurs-konfiguraciya-fuse-bit.html

Навчальний контент

Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Очна форма

Лекційні заняття

№ з/п Назва теми лекції та перелік основних питань
(перелік дидактичних засобів, посилання на літературу та завдання на СРС)
1

Розділ 1. Основні поняття та особливості мікропроцесорної техніки

Тема 1.1. Основні поняття та особливості мікропроцесорної техніки

Тема 1.2. Структурна, функціональна схеми мікропроцесорної системи та характеристика окремих модулів МПС

Тема 1.3. Структура типового мікропроцесора (МП) та мікроконтролера (МК)

Лекція 1. Основні поняття та особливості мікропроцесорної техніки.

Основні розділи та завдання курсу, зв`язок з іншими дисциплінами. Основні поняття: мікропроцесор, мікро-ЕОМ (МЕОМ), однокристальна мікро-ЕОМ (ОМЕОМ), мікроконтролер (МК), мікропроцесорна система (МПС). Структура гіпотетичної МПСУ та її опис. Функціональна схемиа гіпотетичної МПС управління (МПСУ), та проблеми, що пов`язані з її проектуванням. Схема алгоритму роботи системи. Розрядність шини даних, адреси та кількість комірок пам`яті, які спроможен адресувати МП-р (МК-р).

Література: [3, 5]

Завдання на СРС. Двійкова, десяткова, двійково-десяткова, шістнадцяткова системи числення та коди, характеристика та особливості застосування у МПС. Формати подання чисел із знаком та без знаку. Прямий, інверсний та додатковий коди. Поняття: біт, байт, тетрада, слово, подвійне слово. Двійкове додавання, віднімання, множення та ділення. Особливості двійково-десяткової арифметики. Двійково-десятковий код в упакованому та неупакованому форматах
2

Лекція 2. Структурна, функціональна схеми мікропроцесорної системи та характеристика окремих модулів МПС

Структурна схема типової МПС. Призначення та характеристики її основних модулів: мікропроцесора, пам`яті, введення – виведення, АЦП – ЦАП, таймерів, контролера переривань (КПРЕ), контролера прямого доступу до пам”яті (КПДП) та інші. Системна шина (СШ), як складова МПС. Призначення та загальна характеристика складових СШ: системної шини адреси (США), системної шини даних (СШД) та системної шини управління (СШУ). Підключення основних модулів МПС до системної шини. Робота МПС за структурною схемою.

Література: [3, 5]

Завдання на СРС. Структура типової локальної мікропроцесорної системи управління.
3

Лекція 3. Структура типового МП та МК

Основні вузли МП-ра та МК-ра. Призначення та характеристика. Відмінність МП-ра від МК-ра. Призначення та характеристики окремих виводів та управляючих сигналів. Підключення до системної шини МПС. Часові співвідношення у МП-рі та МК-рі. Поняття: такт, командний цикл, машинний цикл. Оцінка часу виконання окремих команд та програм.

Література [3, 5]

Завдання на СРС. Структура типового мікроконтролера.
4

Розділ 2. Програмування AVR-мікроконтролерів

Тема 2.1. Склад, основні характеристики та структура AVR-мікроконтролерів

Тема 2.2. Організація пам’яті

Тема 2.3. Програмна модель мікроконтролера

Тема 2.4. Способи адресації операндів

Лекція 4. Склад, основні характеристики та структура AVR-мікроконтролерів. Порівняльна характеристика. Основні властивості. Застосування. Організація пам’яті. Організація пам’яті даних та пам’яті програм. Програмна модель мікроконтролера. Способи адресації операндів. Програмна модель мікроконтролера та її опис. Лічильник команд і виконання програми. Способи адресації операндів. Регістри загального призначення.

Література: [1, 2, 4, 6]

Завдання на СРС. Розвиток мікроконтролерів сімейства AVR. Регістри введення/виведення моделей MEGA640X/1280X/1281X/2560X/2561X. Особливості мови асемблера при написанні керуючих програм для мікроконтролерів сімейства AVR. Література: [1, 2, 4, 6]
5

Тема 2.5. Характеристика базового набору команд

Лекція 5. Характеристика базового набору команд.

Система команд мікроконтролера: передачі даних; арифметичні; логічні; порівняння; зсувів; роботи з окремими бітами; переходів; виклику та повернення; із підпрограм; управління процесором. Довжина команд в байтах та їх розміщення в пам’яті програм. Типи команд. Час виконання команд.

Література: [1, 2, 4, 6].

Завдання на СРС. Детальний опис окремих команд AVR-мікроконтролера. Література: [1, 2, 4, 6]
6

Тема 2.6. Нові команди

Лекція 6. Нові команди. Команди в різних сімействах AVR-мікроконтролерів. Нові команди AVR-мікроконтролерів.

Література: [1, 2, 4, 6]

Завдання на СРС. Детальний опис окремих нових команд AVR-мікроконтролера. Література: [1, 2, 4, 6]
7

Тема 2.7. Самопрограмування AVR-мікроконтролерів

Лекція 7. Самопрограмування AVR-мікроконтролерів.

Особливості режиму самопрограмування. Керуючі регістри. Програмування. Прапорець зайнятості секції RWW і його скидання. Функціонування завантажувача. SPM-переривання. Конфлікти EEPROM-пам’яті.

Література: [1, 2, 4, 6]

Завдання на СРС. Читання конфігураційних комірок та комірок захисту. Переривання. Програмування по інтерфейсу JTAG. Використання інтерфейсу JTAG для програмування кристалу. Література: [1, 2, 4, 6]
8

Тема 2.8. Програмування Flash- та EEPROM-пам’яті

Лекція 8. Процедури оновлення Flash-пам’яті. Режим захисту Flash-пам’яті. Програмування Flash- та EEPROM-пам’яті. Організація пам’яті програм і даних. Програмування по послідовному каналу. Паралельне програмування.

Література: [1, 2, 4, 6]

Завдання на СРС. Читання конфігураційних комірок та комірок захисту. Переривання. Програмування по інтерфейсу JTAG. Використання інтерфейсу JTAG для програмування кристалу. Література: [1, 2, 4, 6]
9

Розділ 3. Периферійні модулі AVR-мікроконтролерів

Тема 3.1. Порти введення/виведення

Лекція 9. Порти введення/виведення.

Призначення та місце пристроїв введення/виведення даних у мікропроцесорних системах. Паралельне та послідовне введення/виведення. Порти введення/виведення мікроконтролерів сімейства AVR.

Література: [1, 2, 4, 6]

Завдання на СРС. Апаратний модулятор. Робота модуля USART в режимі MSPI. Література: [1, 2, 4, 6]
10

Тема 3.2. Послідовний синхронно/асинхронний інтерфейс

Лекція 10. Послідовний синхронно/асинхронний інтерфейс. Загальна характеристика інтерфейсу. Використання модулів USART/UART. Структура. Особливості застосування. Мультипроцесорний режим роботи.

Література: [1, 2, 4, 6]

Завдання на СРС. Апаратний модулятор. Робота модуля USART в режимі MSPI. Література: [1, 2, 4, 6]
11

Тема 3.3. Послідовний синхронний інтерфейс TWI (I2C)

Лекція 11. Характеристика інтерфейсу TWI (I2C).

Загальна характеристика інтерфейсу. Архітектура інтерфейсу. Структура. Режими роботи модуля.

Література: [[1, 2, 4, 6]

Завдання на СРС. Мікросхеми AVR, які мають інтерфейс TWI. Пристрої, які підтримують інтерфейс TWI. Програмування модуля у режимах: ведучий передавач; ведучий приймач; ведений приймач; ведений передавач.

Література: [1, 2, 4, 6]
12

Лекція 12. Керуючі регістри. Програмування інтерфейсу TWI.

Література: [1, 2, 4, 6]

Завдання на СРС. Мікросхеми AVR, які мають інтерфейс TWI. Пристрої, які підтримують інтерфейс TWI. Програмування модуля у режимах: ведучий передавач; ведучий приймач; ведений приймач; ведений передавач.

Література: [1, 2, 4, 6]
13

Тема 3.4. Послідовний периферійний інтерфейс SPI

Тема 3.5. Універсальний послідовний інтерфейс USI

Тема 3.6. Система переривань

Тема 3.7. Аналоговий компаратор

Лекція 13. Послідовний периферійний інтерфейс SPI.

Універсальний послідовний інтерфейс USI. Характеристика архітектури. Режими передачі даних. Система переривань. Аналоговий компаратор. Система переривань AVR-мікроконтролерів. Обробка переривань. Зовнішні переривання. Функціонування компаратора.

Література: [1, 2, 4, 6]

Завдання на СРС. Режими програмування пам’яті послідовним каналом. Периферійні пристрої з SPI-інтерфейсом. Універсальний послідовний інтерфейс USI. Особливості використання модуля переривань у мікроконтролерах XMega

Література: [1, 2, 4, 6]
14

Тема 3.8. Таймери

Лекція 14. Восьмирозрядні таймери. Модулятор. Вартовий таймер. Загальні відомості. Особливості архітектури таймерів. Восьмирозрядні таймери/лічильники. Режими роботи. 16-розрядні таймери/лічильники. Загальна характеристика. Звернення до 16-розрядних регістрів. Керування тактовим сигналом. Режими роботи.

Література: [1, 2, 4, 6]

Завдання на СРС. Модулятор. Вартовий таймер.

Література: [1, 2, 4, 6]
15

Тема 3.9. Аналого-цифровий перетворювач

Лекція 15. Модуль аналого-цифрового перетворювача.

Аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Загальна характеристика. Структура модуля АЦП. Часові діаграми роботи. Особливості схеми аналогового входу.

Література: [1, 2, 4, 6]

Завдання на СРС. Підвищення точності перетворення АЦП. Особливості застосування режимів зниженого енергоспоживання. Опис окремих видів скидання.

Література: [1, 2, 4, 6]
16

Тема 3.10. Спеціальні режими роботи

Лекція 16. Тактування, режими зниженого енергоспоживання і скидання. Тактовий генератор. Режими зниженого енергоспоживання: загальна характеристика. Керуючі регістри. Вибір режиму зниженого енергоспоживання. Скидання. Події, які визивають скидання.

Література: [1, 2, 4, 6]

Завдання на СРС. Підвищення точності перетворення АЦП. Особливості застосування режимів зниженого енергоспоживання. Опис окремих видів скидання.

Література: [1, 2, 4, 6]
17

Тема 3.11. Цифро-аналоговий перетворювач

Лекція 17. Модуль цифро-аналогового перетворювача.

Характеристика модуля ЦАП. Структура. Джерела опорної напруги. Режими роботи. Опис регістрів. Програмування.

Література: [1, 2, 4, 6]

Завдання на СРС. Обмеження часових характеристик. Калібрування.

Література: [1, 2, 4, 6]
18

Тема 3.12. CAN-модуль

Лекція 18. Властивості CAN-мережі. Архітектура CAN-модуля AVR-мікроконтролера. Керуючі регістри. Програмування.

Література: [4, 10, розділ 10, стор 439...458]

Завдання на СРС. Алгоритми роботи.

Література: [4, 10]

Лабораторні заняття

№ з/п Назва лабораторних робіт Кількість ауд. годин
1 Дослідження команд пересилання, арифметичних та логічних команд та команд роботи з окремими бітами 2
2 Дослідження команд передачі керування, виклику та повернення із підпрограм 2
3 Дослідження нових команд МК-рів Mega та Xmega 2
4 Дослідження моделі модуля УАПП 2
5 Дослідження моделі пристрою керування двигуном постійного струму 2
6 Дослідження моделі АЦП 2
7 Дослідження моделі цифрового вольтметра 2
8 Дослідження моделі послідовного інтерфейсу I2C 2
9 Дослідження моделі послідовного інтерфейсу SPI 2

Самостійна робота студента

№ з/п

 Назва тем, що виноситься на самостійне опрацювання Кількість годин СРС
1 Тема 1.1. Двійкова, десяткова, двійково-десяткова, шістнадцяткова системи числення та коди, характеристика та особливості застосування у МПС. Формати подання чисел із знаком та без знаку. Прямий, інверсний та додатковий коди. Поняття: біт, байт, тетрада, слово, подвійне слово. Двійкове додавання, віднімання, множення та ділення. Особливості двійково-десяткової арифметики. Двійково-десятковий код в упакованому та неупакованому форматах 2
2 Тема 1.2. Структура типової локальної мікропроцесорної системи управління. 2
3 Тема 1.3. Структура типового мікроконтролера. 3
4

Тема 2.1, 2.2, 2.3, 2.4.

Розвиток мікроконтролерів сімейства AVR. Регістри введення/виведення моделей MEGA640X/1280X/1281X/2560X/2561X. Особливості мови асемблера при написанні керуючих програм для мікроконтролерів сімейства AVR

 3
5

Тема 2.5, 2.6.

Детальний опис окремих команд AVR-мікроконтролера. Детальний опис окремих команд AVR-мікроконтролера.

 2
6 Тема 2.7, 2.8. Читання конфігураційних комірок та комірок захисту. Переривання. Програмування по інтерфейсу JTAG. Використання інтерфейсу JTAG для програмування кристалу 2
7 Тема 3.1, 3.2. Апаратний модулятор. Робота модуля USART в режимі MSPI. 2
8 Тема 3.3. Мікросхеми AVR, які мають інтерфейс TWI. Пристрої, які підтримують інтерфейс TWI. Програмування модуля у режимах: ведучий передавач; ведучий приймач; ведений приймач; ведений передавач. 3
9 Тема 3.4, 3.5, 3.6, 3.7. Режими програмування пам’яті послідовним каналом. Периферійні пристрої з SPI інтерфейсом. Універсальний послідовний інтерфейс USI. Особливості використання модуля переривань у мікроконтролерах XMEGA 2
10 Тема 3.8. Модулятор. Вартовий таймер. 1
11 Тема 3.9, Підвищення точності перетворення АЦП. Особливості застосування режимів зниженого енергоспоживання. Опис окремих видів скидання. 2
12 Тема 3.10. Підвищення точності перетворення АЦП. Особливості застосування режимів зниженого енергоспоживання. Опис окремих видів скидання.
13 Тема 3.11. Обмеження часових характеристик. Калібрування. 2
14 Тема 3.12. Алгоритми роботи. 3
15 Модульна контрольна робота 3
16 Підготовка до заліку 4
17 Всього 36

Посилання на літературу для СРС викладено у розділі 5.

Заочна форма

Лекційні заняття

№ з/п Назва теми лекції та перелік основних питань
(перелік дидактичних засобів, посилання на літературу та завдання на СРС)
1

Розділ 1. Основні поняття та особливості мікропроцесорної техніки

Тема 1.1. Основні поняття та особливості мікропроцесорної техніки

Тема 1.2. Структурна, функціональна схеми мікропроцесорної системи та характеристика окремих модулів МПС

Тема 1.3. Структура типового мікропроцесора (МП) та мікроконтролера (МК)

Лекція 1. Основні поняття та особливості мікропроцесорної техніки.

Основні розділи та завдання курсу, зв`язок з іншими дисциплінами. Основні поняття: мікропроцесор, мікро-ЕОМ (МЕОМ), однокристальна мікро-ЕОМ (ОМЕОМ), мікроконтролер (МК), мікропроцесорна система (МПС). Структура гіпотетичної МПСУ та її опис. Функціональна схемиа гіпотетичної МПС управління (МПСУ), та проблеми, що пов`язані з її проектуванням. Схема алгоритму роботи системи. Розрядність шини даних, адреси та кількість комірок пам`яті, які спроможен адресувати МП-р (МК-р).

Література: [3, 5]

Завдання на СРС. Двійкова, десяткова, двійково-десяткова, шістнадцяткова системи числення та коди, характеристика та особливості застосування у МПС. Формати подання чисел із знаком та без знаку. Прямий, інверсний та додатковий коди. Поняття: біт, байт, тетрада, слово, подвійне слово. Двійкове додавання, віднімання, множення та ділення. Особливості двійково-десяткової арифметики. Двійково-десятковий код в упакованому та неупакованому форматах
2

Розділ 2. Програмування AVR-мікроконтролерів

Тема 2.1. Склад, основні характеристики та структура AVR-мікроконтролерів

Тема 2.2. Організація пам’яті

Тема 2.3. Програмна модель мікроконтролера

Тема 2.4. Способи адресації операндів

Лекція 4. Особливості архітектури AVR-мікроконтролерів.

Порівняльна характеристика. Основні властивості. Застосування. Організація пам’яті. Організація пам’яті даних та пам’яті програм. Програмна модель мікроконтролера. Способи адресації операндів. Програмна модель мікроконтролера та її опис. Лічильник команд і виконання програми. Способи адресації операндів. Регістри загального призначення.

Література: [1, 2, 4, 6]

Завдання на СРС. Розвиток мікроконтролерів сімейства AVR. Регістри введення/виведення моделей MEGA640X/1280X/1281X/2560X/2561X. Особливості мови асемблера при написанні керуючих програм для мікроконтролерів сімейства AVR. Література: [1, 2, 4, 6]

Лабораторні заняття

№ з/п Назва лабораторних робіт Кількість ауд. годин
1 Дослідження моделі послідовного порту (інтерфейсу УАПП). 1
2 Дослідження моделі пристрою керування двигуном постійного струму 1

Самостійна робота студента

Очна форма

№ з/п

 Назва тем, що виноситься на самостійне опрацювання Кількість годин СРС
1

Тема 1.1, 1.2, 1.3, 1.4.

Розвиток мікроконтролерів сімейства AVR. Регістри введення/виведення моделей MEGA640X/1280X/1281X/2560X/2561X. Особливості мови асемблера при написанні керуючих програм для мікроконтролерів сімейства AVR

 3
2

Тема 1.5, 1.6

Детальний опис окремих команд AVR-мікроконтролера. Детальний опис окремих команд AVR-мікроконтролера.

 2
3 Тема 1.7, 1.8 Читання конфігураційних комірок та комірок захисту. Переривання. Програмування по інтерфейсу JTAG. Використання інтерфейсу JTAG для програмування кристалу 2
4 Тема 2.1, 2.2 Апаратний модулятор. Робота модуля USART в режимі MSPI. 2
5 Тема 2.3 Мікросхеми AVR, які мають інтерфейс TWI. Пристрої, які підтримують інтерфейс TWI. Програмування модуля у режимах: ведучий передавач; ведучий приймач; ведений приймач; ведений передавач. 1
6 Тема 2.4,2.5,2.6,2.7 Режими програмування пам’яті послідовним каналом. Периферійні пристрої з SPI інтерфейсом. Універсальний послідовний інтерфейс USI. Особливості використання модуля переривань у мікроконтролерах XMEGA 2
7 Тема 2.8 Модулятор. Вартовий таймер. 1
8 Тема 2.9,2.10 Підвищення точності перетворення. Особливості застосування режимів зниженого енергоспоживання. Опис окремих видів скидання. 2
9 Тема 2.11. Розрахунок цифро-аналогових перетворювачів на основі резисторної матриці R-2R з підсумуванням напруг 1
10 Тема 2.12. Послідовний периферійний інтерфейс CAN 1
11 Модульна контрольна робота 3
12 Підготовка до заліку 4
13 Всього 24

Посилання на літературу для СРС викладено у розділі 5.

Заочна форма

№ з/п

 Назва тем, що виноситься на самостійне опрацювання Кількість годин СРС
1

Тема 1.1, 1.2, 1.3, 1.4.

Розвиток мікроконтролерів сімейства AVR. Регістри введення/виведення моделей MEGA640X/1280X/1281X/2560X/2561X. Особливості мови асемблера при написанні керуючих програм для мікроконтролерів сімейства AVR

 3
2

Тема 1.5, 1.6

Детальний опис окремих команд AVR-мікроконтролера. Детальний опис окремих команд AVR-мікроконтролера.

 2
3 Тема 1.7, 1.8 Читання конфігураційних комірок та комірок захисту. Переривання. Програмування по інтерфейсу JTAG. Використання інтерфейсу JTAG для програмування кристалу 2
4 Тема 2.1, 2.2 Порти введення/виведення. Послідовний синхронно/асинхронний інтерфейс Апаратний модулятор. Робота модуля USART в режимі MSPI. 2
5 Тема 2.3 Характеристика інтерфейсу TWI (I2C). Мікросхеми AVR, які мають інтерфейс TWI. Пристрої, які підтримують інтерфейс TWI. Програмування модуля у режимах: ведучий передавач; ведучий приймач; ведений приймач; ведений передавач. 1
6 Тема 2.4,2.5,2.6,2.7 Режими програмування пам’яті послідовним каналом. Периферійні пристрої з SPI інтерфейсом. Універсальний послідовний інтерфейс USI. Особливості використання модуля переривань у мікроконтролерах XMEGA 2
7 Тема 2.8 Таймери . Модулятор. Вартовий таймер. 1
8

Тема 2.9,2.10 Аналого-цифровий перетворювач. Спеціальні режими роботи

Підвищення точності перетворення. Особливості застосування режимів зниженого енергоспоживання. Опис окремих видів скидання.

 2
9 Тема 2.11. Цифро-аналоговий перетворювач . Розрахунок цифро-аналогових перетворювачів на основі резисторної матриці R-2R з підсумуванням напруг 1
10 Тема 2.12. Послідовний периферійний інтерфейс CAN 1
11 Модульна контрольна робота 3
12 Підготовка до заліку 4
13 Всього 24

7. Модульна контрольна робота

Модульна контрольна робота охоплює такі питання з програмування AVR-мікроконтролерів: програмістська модель мікроконтролера AVR; організація пам’яті; формати команд та даних; команди мікроконтролера ті їх характеристика: коментар; довжина в байтах; час виконання; розміщення в пам’яті; способи адресації операндів; типи команд; вплив на прапорці.

Для студентів денної форми МКР складається із двох завдань:

Перше завдання

Зміст завдання: сформувати у двійковому коді безпосередній операнд та назвати логічну команду мікроконтроллера AVR за допомогою якої можливо скинути в нуль/встановити в одиницю/проінвертувати вказані у завданні біти регістра R17, інші біти залишити без змін.

Відповідь подати у вигляді:

; x/y/z=0/1– логічні змінні.

Друге завдання

Зміст завдання: для заданої команди мікроконтролера AVR виконати наступне:

1. Записати коментар до команди.

2. Назвати способи адресації операндів.

3. Визначити довжину команди у байтах.

4. Визначити час виконання команди, якщо тактова частота дорівнює fT =10МГц.

5. Визначити вплив на прапорці.

6. Виконати функцію компілятора, сформувати машинний код команди та розмістити її в пам’яті програм з початкової адреси: PCпоч = $0010.

Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Система вимог, які ставляться перед студентом:

  • відвідування лекційних та лабораторних занять є обов’язковою складовою вивчення матеріалу;

  • на лекції викладач користується власним презентаційним матеріалом; використовує відповідні додатки для викладання матеріалу поточної лекції, додаткових ресурсів, лабораторних робіт та інше; викладач відкриває доступ до певної директорії гугл-диска для скидання електронних лабораторних звітів та відповідей на МКР;

  • на лекції заборонено відволікати викладача від викладання матеріалу, усі питання, уточнення та ін. студенти задають в кінці лекції у відведений для цього час;

  • лабораторні роботи захищаються у два етапи – перший етап: студенти виконують завдання на допуск до захисту лабораторної роботи; другий етап – захист лабораторної роботи. Бали за лабораторну роботу враховуються лише за наявності електронного звіту;

  • модульні контрольні роботи пишуться на лекційних заняттях без застосування допоміжних засобів (мобільні телефони, планшети та ін.); результат пересилається у файлі до відповідної директорії гугл-диску;

  • заохочувальні бали виставляються за: активну участь на лекціях; участь у факультетських та інститутських олімпіадах з навчальних дисциплін, участь у конкурсах робіт, підготовка оглядів наукових праць; презентацій по одній із тем СРС дисципліни тощо. Кількість заохочуваних балів на більше 10;

  • штрафні бали виставляються за: невчасну здачу лабораторної роботи. Кількість штрафних балів на більше 10.

9. Рейтингова система оцінювання результатів навчання

Рейтинг студента з дисципліни складається з балів, що він отримує за:

  1. виконання та захист 9 лабораторних робіт;

  2. виконання модульної контрольної роботи (МКР).

Система рейтингових (вагових) балів та критерії оцінювання

1. Лабораторні роботи (Rл)

Ваговий бал – 8. Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи дорівнює:

8 балів х 9 робіт = 72 бали.

Рівень підготовки до лабораторної роботи оцінюється до 2 балів (вхідний контроль підготовки до роботи).

Захист роботи до 5 балів.

Оформлення роботи – 1 бал.

2. Модульний контроль (Rм)

Ваговий бал – 28.

Критерії оцінювання:

  1. Виконання лабораторних робіт.

  • ‘відмінно’ - своєчасно та на високому рівні захищена теоретична та дослідницька частини лабораторної роботи - 8 балів;

  • ‘добре’ - не достатній рівень захисту однієї з частин лабораторної роботи-6 балів;

  • ‘ задовільно’ - низький рівень захисту теоретичної або дослідницької частини лабораторної роботи – 4 бали.

  1. Модульна контрольна робота:

  • ‘відмінно’, повна відповідь (не менше 90% потрібної інформації) – 28 балів;

  • ‘добре’, достатньо повна відповідь (не менше 75% потрібної інформації), або повна відповідь з незначними неточностями –26 балів;

  • ‘задовільно’, неповна відповідь (не менше 60% потрібної інформації) та незначні помилки – 24 бали;

  • ‘незадовільно’, незадовільна відповідь (не відповідає вимогам на ‘задовільно’) – 0 балів.

Штрафні ( rs) бали нараховуються за:

  • недопуск до лабораторної роботи у зв’язку з незадовільним вхідним контролем – 1 бал;

  • несвоєчасний захист лабораторної роботи – 1 бал;

– несвоєчасний захист МКР – 5 балів.

Заохочувальні (rs) бали від 4 до 8 нараховуються за:

  • модернізацію лабораторних робіт;

  • виконання завдань із удосконалення дидактичних матеріалів з дисципліни та інше.

Розрахунок шкали (R) рейтингу:

Сума вагових балів контрольних заходів протягом семестру складає:

R = = Rл +RМ += 72+28 = 100 балів.

Необхідною умовою допуску до заліку є:

  • зарахування всіх лабораторних робіт;

  • виконання МКР.

Сума балів переводиться до залікової оцінки згідно з таблицею 1.

Таблиця 1 – Переведення суми балів до залікової оцінки

Бали

R=+

 Оцінка ECTS Традиційна оцінка
95 – 100 А Зараховано
85 - 94 В
75 - 84 С
65 - 74 D
60 - 64 Е
R < 60 Fx Не зараховано
Не захищені всі ЛР та модульна КР F не допущено

На рисунку 1 наведено схему функціонування рейтингової системи оцінювання (РСО), для отримання заліка.

Рисунок 1 – Схема функціонування рейтингової системи оцінювання (РСО), для

отримання заліка

10. Проведення атестацій

За результатами навчальної роботи за перші 7 тижнів «ідеальний студент» має набрати 40 балів. На першій атестації (8-й тиждень) студент отримує «зараховано», якщо його поточний рейтинг не менше 20 балів.

За результатами 13 тижнів навчальної роботи «ідеальний студент» має набрати 60 балів. На другій атестації (14-й тиждень) студент отримує «зараховано», якщо його поточний рейтинг не менше 30 балів.

Студенти, які протягом семестру набрали менше 0,6R = 0,6 х 100 = 60 балів, до заліку не допускаються, отримують оцінку F (незадовільно) і повинні виконувати залікову контрольну роботу.

Студенти, які протягом семестру набрали необхідну кількість балів (RD ≥ 0,6R = = 0,6 х 100 = 60 балів) мають можливість:

  • отримати залікову оцінку «автоматом» відповідно до набраного рейтингу (таблиця 1);

  • виконувати залікову контрольну роботу з метою підвищення оцінки;

  • у разі отримання оцінки, більшої ніж «автоматом» з рейтингу, студент отримує оцінку за результатами залікової контрольної роботи;

  • якщо за результатами залікової контрольної роботи студент отримує оцінку нижче, ніж отриману «автоматом», то попередній рейтинг студента з дисципліни скасовується і він отримує оцінку тільки за результатами залікової контрольної роботи.

11. Проведення залікової контрольної роботи для підвищення рейтингу студента

Студенти, які наприкінці семестру мають рейтинг менше 60 балів, а також ті, хто хоче підвищити оцінку, виконують комплексну залікову контрольну роботу.

Контрольна робота оцінюється максимум 100 балів:

  • «відмінно», повна відповідь;

  • «добре», достатньо повна відповідь, або повна відповідь з незначними неточностями;

  • «задовільно», неповна відповідь та незначні помилки ;

  • «незадовільно», незадовільна відповідь (не відповідає вимогам на «задовільно»).

Завдання на залікову контрольну роботу

  1. Розробити, навести та описати робочу модель модуля УАПП

    мікроконтролера AVR в пакеті PROTEUS 8.6.

  2. Навести схему алгоритму роботи моделі та керуючу програму мовою Cі.

  3. Обгрунтувати, що отримана швидкість обміну відповідає завданню.

  4. Навести ASCII – код символа, який передав Virtual Terminal.

  5. Навести всі додаткові розрахунки та пояснення.

Залікова контрольна робота оцінюється максимум 100 балів. Можливі оцінки:

  • «відмінно», повна відповідь;

  • «добре», достатньо повна відповідь, або повна відповідь з незначними неточностями;

  • «задовільно», неповна відповідь та незначні помилки;

  • «незадовільно», незадовільна відповідь (не відповідає вимогам на «задовільно»).

12. Методичні рекомендації

Головна ідея вивчення матеріалу кредитного модуля «Мікропроцесорні системи» полягає у дотриманні логічного ланцюга викладення теоретичного матеріалу, а саме «основні поняття – програмування – периферійні модулі МК». Крім того, кожна тема модуля після викладення теоретичного матеріалу повинна закінчуватись розглядом конкретних питань та завдань для самоконтролю.

13. Інформаційні ресурси

Методичні матеріали дисципліни «МП та МК системи» доступні для вільного скачування з мережного ресурсу ‘Електронний Кампус’ НТУУ ‘КПІ’.

Робочу програму навчальної дисципліни (Силабус):

Складено доцентом, к.т.н., Новацьким Анатолієм Олександровичем

Ухвалено кафедрою ІСТ (протокол № 1 від 30.08.2020 р.)

Погоджено Методичною комісією факультету (протокол № 1 від 30.08.2020 р.)

Додаток 1

Перелік теоретичних питань до заліку

  1. Структура та алгоритм роботи типової мікропроцесорної системи

    керування

  2. Функціональна схема гіпотетичної мікропроцесорної системи керування

  3. Загальна характеристика мікроконтролерів сімейства AVR

  4. Загальна характеристика AVR‑мікроконтролерів сімейства Mega

  5. Характеристики процесора

  6. Характеристики підсистеми введення/виведення

  7. Периферійні пристрої

  8. Архітектура ядра

  9. Цокольовка та опис виводів

  10. Структура типового Mega AVR-мікроконтролера

  11. Організація пам’яті AVR-мікроконтролерів сімейства Mega

  12. Пам’ять програм

  13. Пам'ять даних

  14. Статичний ОЗП (СОЗП)

  15. Регістри загального призначення

  16. Регістри введення/виведення

  17. Використання зовнішнього ОЗП

  18. Енергонезалежна пам'ять даних (EEPROM)

  19. Стек

  20. Регістри введення/виведення моделей ATMEGA 640X/1280X/ 1281X/

    2560X/2561X

  21. Послідовність розробки керуючої програми

  22. Мова асемблера

  23. Програмна модель та її опис

  24. Регістри загального призначення

  25. Регістри введення/виведення

  26. Лічильник команд і виконання програми

  27. Функціонування конвеєра

  28. Затримки в конвеєрі

  29. Лічильник команд

  30. Команди типу «перевірка/пропуск»

  31. Команди умовного переходу

  32. Команди безумовного переходу

  33. Команди виклику підпрограм

  34. Команди повернення з підпрограм

  35. Способи адресації операндів

  36. Неявна адресація

  37. Безпосередня адресація

  38. Пряма адресація

  39. Пряма адресація одного регістра загального призначення

  40. Пряма адресація двох регістрів загального призначення

  41. Пряма адресація регістра введення/виведення

  42. Пряма адресація статичної пам’яті даних (СПД)

  43. Непряма адресація

  44. Проста непряма адресація

  45. Відносна непряма адресація

  46. Непряма адресація з попереднім декрементом (переддекрементом)

  47. Непряма адресація з наступним інкрементом (постінкрементом)

  48. Непряма адресація пам’яті програм

  49. Непряма адресація констант в пам’яті програм

  50. Відносна адресація пам’яті програм

  51. Загальна характеристика команд

  52. Мнемоніка команди та мнемокод

  53. Код операції команди

  54. Машинний код команди

  55. Операнди

  56. Типи (формати) команд

  57. Типи (формати) даних

  58. Довжина команд у байтах та їх розміщення у пам'яті програм

  59. Вплив команд на прапорці

  60. Час виконання команд

  61. Базовий набір команд мікроконтролера

  62. Команди логічних операцій

  63. Команди арифметичних операцій і команди зсуву

  64. Команди операцій з бітами

  65. Команди пересилання даних

  66. Команди передачі керування

  67. Команди керування мікроконтролером

  68. Нові команди AVR- мікроконтролерів

  69. Самопрограмування AVR-мікроконтролерів

  70. Області RWW та NRWW

  71. Прапорець зайнятості секції RWW і його скидання

  72. Функціонування завантажувача

  73. Керування процесом самопрограмування

  74. Зміна вмісту пам’яті програм

  75. Заповнення тимчасового буфера сторінки новим вмістом

  76. Очищення сторінки

  77. Перенесення вмісту тимчасового буфера до пам’яті програм і його

    зміна

  78. Режим захисту комірок завантажувача та прикладної програми і його

    зміна

  79. SPM-переривання

  80. Конфлікти EEPROM-пам’яті

  81. Типові процедури оновлення Flash-пам’яті

  82. Режим захисту Flash-пам’яті

  83. Призначення та місце пристроїв введення/виведення даних у

    мікропроцесорних системах

  84. Паралельне та послідовне введення/виведення

  85. Порти введення/виведення мікроконтролерів сімейства AVR

  86. 16-розрядні таймери/лічильники

  87. Звернення до 16-розрядних регістрів

  88. Керування тактовим сигналом

  89. Режими роботи

  90. Режим Normal

  91. Режим «Скидання за збігом» (Chop on Timer Coincidence)

  92. Режим «Швидкодіючий ШІМ» (Fast PWM)

  93. Режим «ШІМ з корекцією фази» (Phase Correct PWM)

  94. Режим «ШІМ з корекцією фази та частоти» (Phase and Frequency Correct

    PWM)

  95. Вартовий таймер

  96. Аналого-цифровий перетворювач. Характеристика. Структура. Режими

    роботи. Часові діаграми. Програмування.

  97. Цифро-аналоговий перетворювач. Характеристика. Структура. Режими

    роботи. Часові діаграми. Програмування.

  98. Аналоговий компаратор. Характеристика. Структура. Режими роботи.

    Програмування.

  99. Підсистема переривань. Характеристика. Програмування.

  100. Підсистема скидання.

  101. Режими зниженого енергоспоживання.

  102. Тактовий генератор. Варіанти виконання.

  103. CAN-модуль. Характеристика. Структура. Режими роботи. Часові

    діаграми. Програмування.