Методическая разработка открытого урока по дисциплине: «Вычислительная техника» тема: «Микроконтроллеры»

Министерство образования Республики Башкортостан

Государственное автономное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Учалинский горно-металлургический техникум

Методическая разработка открытого

видео урока

по дисциплине: «Вычислительная техника»

тема: «Микроконтроллеры»

Разработал: А.А. Валеев, преподаватель

Учалы

2012

«Не идите на поводу у истории.

 Проявите инициативу и сделайте что-нибудь удивительное».

Роберт Нойс

 

Модуль: Микропроцессоры

Подмодуль: Микроконтроллеры

Введение

Дисциплина: _Вычислительная техника_____________________________________

Раздел: Микропроцессоры _______________________________

I. Тема:__Микроконтроллеры

Специальность_ГЭМ________________________________________________________

Группа:    ГЭМ-10Д1______________________________________________________________

IV. Тип урока: комбинированный урок.

V. Количество часов:  2

II. Цели подмодуля:

1.     Дидактическая (обучающая) цель:

·        изучить понятие Микроконтроллера, показать основные принципы его работы;

·        провести классификацию контроллеров;

·        показать разницу микроконтроллера и промышленных контроллеров;

·        подвести студентов к выполнению самостоятельной (необязательной) работы по программированию контроллеров.

Задачи:

·        студент должен продемонстрировать уровень осмысленного воспроизведения и свободного применения уже изученных знаний (назначение и основные понятия алгебры логики, логические основы ЭВМ, перевод из десятичной СС в двоичную и обратно; логические основы ВТ, типовые узлы и устройства вычислительной техники: регистры, дешифраторы, счетчики, триггеры, сумматоры);

·        на уровне осмысленного воспроизведения студент должен знать: а) понятие АЛУ; б) построение и работу АЛУ; в) строение сумматора, компаратора;

·        студент должен уметь самостоятельно выполнять: а) построение и анализ стандартного АЛУ из библиотеки EWB 74181 (Alu/Function Generator); б) уметь использовать ключи для: 1) переключения АЛУ из «логики» в «арифметику»; 2) выполнения задания, из таблицы истинности функций АЛУ.

2.     Развивающая цель:

·        развивать умение анализировать и обобщать полученные данные;

·        развивать творческое отношение к изучаемому материалу;

·        способствовать развитию логического мышления.

·        развивать технические умения по конструированию и анализу логических схем.

Задачи:

·        студент должен демонстрировать логический и аналитический поиск при построении схем;

·        должен творчески подходить к построению схем с использованием различных инструментов пакета EWB.

3.     Воспитательная цель:

·        формировать потребность в применении  современной вычислительной техники  на рабочих местах на производстве и в быту (в домашних условиях).

Задачи:

·        студент должен проявлять потребность  в информационной культуре;

·        студент должен проявлять интерес к моделированию схем на ПК и их анализу вне технической сборки.

III. Вопросы для самоподготовки к освоению данной темы.

1.   Что такое микроконтроллер?

2.   Составные части МК

3.   Типы МК внутри группы (по процессору)

4.   Классификация МК

5.   Промышленные контроллеры

6.   Принцип работы МК

7.   Применение МК

Форма изучения модуля:

1,3 занятия: Лекция по теме «Микропроцессор, микроконтроллеры».

2,4 занятия: Лабораторная работа по теме «АЛУ».

IV. Тип: полное интегрированное занятие.

VI. Оборудование:

·        класс ПЭВМ на 15 ПК (14 ученических мест и 1 – учительское);

·        программа Electronics Workbench;

·        программа сетевого администрирования Remote Administrator;

·        программа сетевого администрирования Net Op Scool;

·        комплект папок с краткими теоретическими конспектами лекции и заданиями для самостоятельной и лабораторной работы (в электронном виде);

·        Учебные фильмы: Микроконтроллеры – 2 части; Управление технологическим процессом упаковки продукции при  помощи контроллеров фирмы Siemens - S7 Step 200 (300) на заводе «Техноплекс», г. N-ск.

·        Стенд (самодельный) для демонстрации работы промышленного контроллера МК (ЦМУ, светофор).

·        Стенд (самодельный) для демонстрации работы промышленного контроллера МК, Схема вентиляции N-ого подземного рудника.

·        проектор.

Длительность изучения подмодуля: 3 часа 00 минут.

План изучения подмодуля:

№ п/п	Название этапа урока	Время, мин.	Методические приемы, используемые на данном этапе урока.
1.	Актуализация опорных знаний. Постановка целей урока	10	Сообщение темы занятия. закрепление уже пройденного материала. Прием - повествование, опрос.
2.	Объяснение и показ нового материала	45	Лекция с использованием проектора и ПО. Форма реализации – лекция объяснительно - иллюстративного типа.
3.	Постановка задачи лабораторной работы	10	Постановка задачи лабораторной работы, раздача вариантов. Прием – повествование.
4.	Выполнение лабораторной работы № 10 по теме «Арифметико-логическое устройство»	90	Работа на ПК в творческих парах или поодиночке. Метод – практический (решение конкретных задач с помощью ПК)
5.	Сдача лабораторных работ	20	Анализ качества выполнения лабораторных работ 5-8 (по желанию студентов). Выставление оценок. Прием – индивидуальная работа со студентами.
6.	Подведение итогов урока	5	Анализ качества работы студентов. Выставление сроков сдачи лабораторной работы. Прием – повествование.

VII. Содержание занятия:

Ход изучения подмодуля:

1.     Актуализация опорных знаний. Постановка целей урока.

1.     Разбора вопросов, возникших по выполнению предыдущей лабораторной работы №9 по теме «Исследование сумматора»

2.     Актуализация опорных знаний путем опроса.

А) Вопросы, которые можно задать студентам при актуализации темы:

·        Какие логические узлы и элементы ВТ мы прошли?  (Ожидаемый ответ: триггеры, регистры, дешифраторы, шифраторы)

·        Какие виды триггеров бывают? (Ожидаемый ответ: RS, JK, T-триггеры)

·        На какие типы подразделяются RS триггеры? (Ожидаемый ответ: асинхронные и синхронные)

·        Что такое сумматор? (Ожидаемый ответ: Сумматор, Устройство предназначенное для выполнения операций арифметического сложения чисел, представленных в виде двоичных кодов.)

·        Что такое АЛУ? (Ожидаемый ответ: предназначено для обработки информации в соответствии с полученной процессором командой) Примерами обработки могут служить логические операции (типа логического “И”, “ИЛИ.), то есть побитные операции над операндами, а также арифметические операции (типа сложения, вычитания, умножения, деления и т.д.).

Основными вопросами для повторения являются вопросы, связанные с устройством  и работой  АЛУ, процессора, так как именно они являются основой составления схем контроллеров.

Примечание: На этом этапе необходимо, чтобы ребята открыли программу Electronics Workbench (EWB). Желательно, чтобы работа транслировалась и через проектор, тогда и при повороте головы, ребята будут видеть необходимую информацию.

Д, Е) Открываем схему АЛУ. Выполняем по вариантам задания (файл - Задания для работы по проверке работоспособности АЛУ.doc D:\мои документы с klass3\урок 4)

Ответы:

1 вар 1

Доп 2

2 вар B

Доп - С

VIII. Учебно-исследовательская работа по данной теме

Проверка виртуальных данных на стенде «АЛУ» собранном одним из студентов.

После того, как был повторен материала, необходимо поставить цель подмодуля.

·        На сегодняшнем уроке мы продолжаем изучение функциональных узлов ВТ, – это микроконтроллеры.

Объяснение и показ нового материала.

1.     Вводится понятие микроконтроллера. Объясняются основные принципы его работы.

2.     Даются классификации микроконтроллеров.

3.     Рассматривается принцип построения микроконтроллера.

4.     Рассматривается принцип работы промышленного микроконтроллера, на основе которого проводиться экспериментальная часть.

5.     Рассматривается применение (микро) контроллеров.

Приведем краткий конспект лекционного материала с примечаниями по проведению отдельных частей лекции.

Краткий конспект лекционного материала.

Здесь дается основной материал, который необходим ребятам для выполнения лабораторной работы и составляет основу знаний по АЛУ и микроконтроллерам. В примечаниях указаны принципы работы и подачи материала на разных этапах лекционного материала.

Определение 1. Микроконтроллер - компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства. Эти устройства выполняют свои задачи под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера.

К наиболее распространенным встроенным устройствам относятся устройства памяти и порты ввода/вывода (I/O), интерфейсы связи, таймеры, системные часы. Устройства памяти включают оперативную память (RAM), постоянные запоминающие устройства (ROM), перепрограммируемую ROM (EPROM), электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM). Таймеры включают и часы реального времени, и таймеры прерываний. Средства I/O включают последовательные порты связи, параллельные порты (I/O линии), аналого-цифровые преобразователи (A/D), цифроаналоговые преобразователи (D/A), драйверы жидкокристаллического дисплея (LCD) или драйверы вакуумного флуоресцентного дисплея (VFD). Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.

В отличие от микроконтроллера контроллером обычно называют плату, построенную на основе микроконтроллера, но достаточно часто при использовании понятия "микроконтроллер" применяют сокращенное название этого устройства, отбрасывая приставку "микро" для простоты. Также при упоминании микроконтроллеров можно встретить слова "чип" или "микрочип", "кристалл" (большинство микроконтроллеров изготавливают на едином кристалле кремния), сокращения МК или от английского microcontroller - MC.

Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность данных, обрабатываемых арифметико-логическим устройством (АЛУ). По этому признаку они делятся на 4-, 8-, 16-, 32- и 64-разрядные. Сегодня наибольшая доля мирового рынка микроконтроллеров принадлежит восьмиразрядным устройствам (около 50 % в стоимостном выражении). За ними следуют 16-разрядные и DSP-микроконтроллеры (DSP - Digital Signal Processor - цифровой сигнальный процессор), ориентированные на использование в системах обработки сигналов (каждая из групп занимает примерно по 20 % рынка). Внутри каждой группы микроконтроллеры делятся на CISC- и RISC-устройства. Наиболее многочисленной группой являются CISC-микроконтроллеры, но в последние годы среди новых чипов наметилась явная тенденция роста доли RISC-архитектуры.

   Тактовая частота, или, более точно, скорость шины, определяет, сколько вычислений может быть выполнено за единицу времени. В основном производительность микроконтроллера и потребляемая им мощность увеличиваются с повышением тактовой частоты. Производительность микроконтроллера измеряют в MIPS (Million Instruсtions per Second - миллион инструкций в секунду).

Промышленный контроллер — управляющее устройство (контроллер от англ. control — управлять), применяемое в промышленности и других отраслях по условию применения и задачам, близким к промышленным (например, на транспорте). Применяется для автоматизации технологических процессов, в быту — для управления климатом и др.

Широкий термин, охватывающий множество возможных реализаций:

программируемые логические контроллеры и близко примыкающие к ним программируемые интеллектуальные реле;

встроенные электронные контроллеры;

Устройство управления на основе механических, гидравлических, пневматических, электрических и электронных схем, созданные до внедрения в системы автоматизации вычислительной техники; сохраняются благодаря тому, что оптимально решают некоторые частные задачи управления в конкретных устройствах, например контроллер электрического двигателя.

Примечание: Приведена краткая историческая справка, которую можно выдать в виде электронной лекции, на самостоятельную разработку. Местонахождение: «на диске D:\задания студенту\история контроллеров.»

С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры массового применения компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «контроллер» (англ. controller — регулятор, управляющее устройство).

В связи со спадом отечественного производства и возросшим импортом техники, в том числе вычислительной, термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микро-ЭВМ».

Первый патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам американской Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только процессор, но и память с устройствами ввода-вывода.

В 1976 году американская фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048. Через 4 года, в 1980 году, Intel выпускает следующий микроконтроллер: i8051. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер i8051 являлся для своего времени очень сложным изделием — в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре i8086.

На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 фирмы TI, а также 32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM, которую разрабатывает фирма ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их производства. Несмотря на популярность в России микроконтроллеров упомянутых выше, по данным Gartner Grup от 2009 года мировой рейтинг по объему продаж выглядит иначе первое место с большим отрывом занимает Renesas Electronics на втором Freescale, на третьем Samsung, затем идут Microchip и TI, далее все остальные.

В  велись разработки оригинальных микроконтроллеров, также осваивался выпуск  наиболее удачных зарубежных образцов.
В 1979 году в СССР НИИ ТТ разработали однокристальную 16-разрядную ЭВМ К1801ВЕ1, микроархитектура которой называлась «Электроника НЦ».

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д. В отличие от обычных компьютерных микропроцессоров, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти.

Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:

• универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;
• различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;
• аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
• компараторы;
• широтно-импульсные модуляторы;
• таймеры;
• контроллеры бесколлекторных двигателей;
• контроллеры дисплеев и клавиатур;
• радиочастотные приемники и передатчики;
• массивы встроенной флеш-памяти;
• встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер;

Ограничения по цене и энергопотреблению сдерживают также рост тактовой частоты контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания. Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.

Классификация микроконтроллеров:

Согласно действующему ГОСТу, на контроллеры вводится следующий шаблон маркировки (см. схему).

Контроллеры для систем автоматизации

http://bookasutp.ru/Chapter6_1.aspx

1.     Страна-производитель (фирма)

·         MCS 51 (Intel)

·      MSP430 (TI)

·      ARM (ARM Limited)

·      AVR (Atmel) 3-+

o  ATmega

o  ATtiny

·      PIC (Microchip)

2.     Мощность

·         наноконтроллеры (часто с встроенными функциями), имеющие до 15 входов/выходов;

·         малые контроллеры, рассчитанные на 15-100 входов/выходов;

·         средние контроллеры, рассчитанные примерно на 100-300 входов/выходов;

·         большие контроллеры, рассчитанные примерно на 300-2000 входов/выходов;

·         сверхбольшие контроллеры, имеющие примерно от 2000 и более входов/выходов.

3.     Область применения

·        Специализированный контроллер со встроенными функциями

·        Контроллер для реализации логических зависимостей (коммандоаппарат)

·        Контроллер, реализующий любые вычислительные и логические функции

·        Контроллер противоаварийной защиты

·        Контроллер телемеханических систем автоматизации

4.     Открытость архитектуры

5.     PC-совместимость

6.     Конструктивное исполнение

·         встраиваемые;

·         размещаемые в общий конструктив;

·         модульного типа;

http://kipia.su/kipia-raspred-sys.html

Принцип работы

Рис_Архитектура_ПЛК

Программирование (показать пример)

Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков, например, Форта. Используются также встроенные интерпретаторы Бейсика.
Известные компиляторы Си для МК:

• CodeVisionAVR (для AVR)
• IAR [1] (для любых МК)
• ICC (для AVR, MSP430, ARM7, Motorola )
• WinAVR (для AVR)
• Keil (для архитектуры 8051 и ARM)
• HiTECH (для архитектуры 8051 и PIC от Microchip)

Для отладки программ используются программные симуляторы (специальные программы для персональных компьютеров, имитирующие работу микроконтроллера), внутрисхемные эмуляторы (электронные устройства, имитирующие микроконтроллер, которые можно подключить вместо него к разрабатываемому встроенному устройству) и интерфейс JTAG.

Применение (показать рис)

Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:

• в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD;
• электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления — стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах;

В промышленности:

• устройств промышленной автоматики — от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК,
• систем управления станками

В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие больши́ми вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры. (специализированный микропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов (обычно в реальном масштабе времени).)

Д\З ВТ глава 11 (мк 11.5); МТ Глава 4 (мк4.4)

Заключение

На этом уроке мы с Вами повторили:

·        изучить    понятие Микроконтроллера, показать основные принципы его работы;

·        провести классификацию контроллеров;

·        показать разницу микроконтроллера и промышленных контроллеров;

·        подвести студентов к выполнению самостоятельной (необязательной) работы по программированию контроллеров.

Задачи:

·        студент должен продемонстрировать уровень осмысленного воспроизведения и свободного применения уже изученных знаний (логические основы ВТ, триггеры, регистры, сумматоры, АЛУ);

·        на уровне осмысленного воспроизведения студент должен знать: а) понятие АЛУ; б) построение и работу АЛУ; в) строение сумматора, компаратора;

·        студент должен уметь самостоятельно выполнять: а) построение и анализ стандартного АЛУ из библиотеки EWB 74181 (Alu/Function Generator); б) уметь использовать ключи для: 1) переключения АЛУ из «логики» в «арифметику»; 2) задания из таблицы истинности функций АЛУ.

Содержание

Модуль: Микропроцессоры.. 2

Подмодуль: Микроконтроллеры.. 2

Введение. 2

Форма изучения модуля: 3

Название этапа урока. 4

Актуализация опорных знаний. Постановка целей урока. 4

Объяснение и показ нового материала. 4

Ход изучения подмодуля. 4

Объяснение и показ нового материала. 5

Классификация микроконтроллеров: 9

Принцип работы.. 10

Программирование (показать пример) 11

Применение. 12

Заключение. 12

Содержание. 13

Краткое описание документа:

На данном уроке рассматривается понятие микроконтроллера, основные принципы его работы, классификация контроллеров, разница микроконтроллера и промышленных контроллеров. Урок предназначен для обучающихся в ССУЗ-ах по дисциплине "Вычислительная техника", "Архитектура КС" и пр., а также может быть интересен школьникам по предмету "информатика и ИКТ". К данному уроку есть приложения.