Основы формализованного подхода к разработке прикладных программ МП-контроллеров

На начальном этапе разработки МП-контроллера можно приме­нять некоторые формализованные приемы синтеза комбинационных схем и цифровых автоматов на интегральных элементах. Формализо­ванные методы проектирования комбинационных и последовательностных (автоматных) схем на интегральных элементах низкой степени интеграции получили широкое теоретическое развитие, а также практическое применение. Указанные формализованные методы не могут быть непосредственно применены для проектирования систем, использующих МП, так как сам МП - программно-управляемый ав­томат с жесткой структурой и однозначно кодированной системой со­стояний и команд. К процедурам, которые могут быть применены для разработки МП-систем, относятся: минимизация булевых функций и автоматных таблиц-переходов (выходов), методы описания работы последовательных устройств на языке графов автоматов Мили и Му­ра. Микропроцессорная реализация булевых функций не требует до­полнительной аппаратуры, но быстродействие контроллеров теряется.

Рисунок 48 – Схема реализации булевой функции

Рассмотрим комбинационную схему (рис. 48), реализующую булевую функцию от шести пере­менных: F=(A^(BvC))v(E^H)vL. Группа датчиков объекта управ­ления генерирует пять независи­мых двоичных сигналов: А и В от концевых выключателей; С, Е, Н - три младших бита от десятипози­ционного переключателя; L-сигнал состояния некоторого про­граммного признака (например, прохождения теста), фиксируемого в определенном разряде одного их рабочих регистров R.

Выходной сигнал через порт вывода передается на светодиод индикации и реле исполнительного устройства. Сигналы от датчиков подаются в именные порта ввода информации. После ввода информа­ции необходимо провести проверку состояния отдельных бит введен­ного байта и формирование значения выхода F.

Отдельные биты в байте обрабатываются путем их маскирова­ния непосредственными операндами в командах логических операций AND, OR или XOR с последующей проверкой (истина/ложь) и соот­ветствующей передачей управления (по командам JNZ или JZ).

Блок-схема алгоритма МП реализации булевой функции пред­ставлена на рисунке 49, где учитывается последовательность проверок, которая определяется скобочной формой записи функции F.

Рисунок 49 – Схема алгоритма программной реализации

Рисунок 50 – Граф автомата «а» и эквивалентная ему БСА «б>:

При реализации булевых функций в МП практически нет ника­ких ограничений на число переменных. С ростом их числа увеличива­ется время формирования сигнала F. Законы функционирования по­следовательных схем задаются или таблицами переходов/выходов, или в виде графа (диаграмма состояний) автомата.

Переход от графа автомата проектируемого МП-контроллера к БСА программы - ключевой этап методики, позволяющий отобразить таблицы состояний входов - выходов автомата на систему команд ис­пользуемого типа МП.

Сравнив классические приемы синтеза логических схем, выра­женных фрагментами графа автомата М или и БСА, можно заметить, что они эквивалентны (рис.50).

Операторные прямоугольники в БСА могут быть интерпретиро­ваны как вершины (устойчивые состояния) графа автомата, а услов­ные операторы - как дуги графа X_i/Z_i, т.е. как переходы к одному автоматическому состоянию. Операторный прямоугольник представ­ляет собой фрагмент программы (линейный, циклический, но невет­вящийся) с одним входом и одним выходом. В течение всего периода устойчивого состояния Q, выходной вектор Z, остается неизменным до тех пор, пока не изменит своего состояния входной вектор X. Для этого в течение устойчивого состояния Q; условные операторы алго­ритма программной реализации автомата селектируют (с заданным периодом дискретности) изменение входного вектора X, если оно про­изошло под воздействием внешних по отношению к МП событий. В результате такого селектирования МП-контроллер переходит к ново­му устойчивому автоматному состоянию Q_i+1 и генерирует новый вы­ходной вектор Z_i+1, значения которых полностью определены графом автомата и эквивалентной ему блок-схемой алгоритма.

Так как любой оператор БСА, изображенный на рисунке 50, может быть представлен последовательностью команд МП, то дальнейшие действия по разработке прикладного ПО МП-контроллера представ­ляют собой трансляцию (отображение алгоритма на систему команд МП), в результате которой формируется исходный текст прикладной программы.