АППАРАТНЫЙ ЭМУЛЯТОР УЧЕБНОГО СТЕНДА С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ

Техническое решение относится к устройствам обработки информации, построенным на основе микроконтроллера. В настоящее время в высших учебных заведениях для обучения студентов по специальностям и направлениям, связанным с вычислительной техникой, широко используются различные учебно-отладочные устройства. Эти устройства построены на основе различных микропроцессоров. Они позволяют изучить архитектуру ЭВМ, систему команд и особенности функционирования.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является «Учебно-отладочное устройство «Электроника-580» (Широков Ю.Ф. Микропроцессорные средства и системы / Ю.Ф. Широков, Е.Н. Осипов, В.И. Жданов, Н.И. Гутовец // Учебно-отладочное устройство «Электроника-580». - 1985. - №2. - С.80-84).
Это устройство содержит микропроцессор, буфер адреса, буфер данных, регистр слева состояния, логику управления, дешифратор, генератор, ПЗУ, ОЗУ, буфер данных ОЗУ, узел ПДП, параллельный интерфейс, клавиатуру, дисплей, блок питания. Блок питания формирует три напряжения питания и выполнен по компенсационной схеме. Все составные части устройства выполнены на элементах малой и средней степени интеграции и дискретных элементах.
Устройство имеет следующие недостатки: низкая надежность, сложная конструкция, высокое электропотребление, устаревший низкоскоростной интерфейс для связи с внешними устройствами (параллельная организация, отсутствие защиты от внешних помех и перекрестных наводок, скорость обмена информацией 2,5 кбит/сек).
Прототипом предлагаемого устройства является аппаратный эмулятор учебного стенда на микроконтроллере (патент на полезную модель №148227).
Эмулятор содержит блок микроконтроллера с необходимым программным обеспечением, блок усилителя для согласования информационных сигналов при индикации, дисплей, клавиатуру, импульсный блок питания. Блок микроконтроллера имеет внешний интерфейс, аналогичный используемому в аналоге, со скоростью обмена информацией 2,5 Кбит/сек.
Недостатком прототипа является низкая скорость обмена информацией между устройством и внешними компонентами через устаревший параллельный интерфейс при необходимости построения сложной вычислительной системы.
Технический результат выражается в увеличении скорости и повышении помехозащищенности обмена информацией.
Технический результат достигается тем, что в аппаратный эмулятор учебного стенда с последовательным интерфейсом, содержащим блок микроконтроллера с необходимым программным обеспечением, блок усилителя для согласования информационных сигналов при индикации, импульсный блок питания, где первый информационный выход блока микроконтроллера подключен к блоку усилителя, выход которого подключен к входу дисплея, второй информационный выход блока микроконтроллера подключен к входу клавиатуры, выход которой подключен к информационному входу блока микроконтроллера, выход импульсного блока питания подключен к питающим входам блока микроконтроллера, блока усилителя, дисплея и клавиатуры, включен блок последовательных интерфейсов, третий информационный выход блока микроконтроллера подключен информационному входу блока последовательных интерфейсов, выход импульсного блока питания подключен к питающим входам блока последовательных интерфейсов.
Схема аппаратного эмулятора учебного стенда с последовательным интерфейсом представлена на чертеже. Двойными стрелками показано прохождение информационных сигналов, а одинарными отображены линии питания. Особенностью заявленного устройства является то, что функции учебно-отладочного устройства расширены путем введения в состав устройства блока последовательных интерфейсов 6.
Все функции устройства выполняет микроконтроллер в составе блока микроконтроллера 1. В его составе имеется требуемый объем постоянной и оперативной памяти, а также необходимое количество портов ввода-вывода. Блок усилителя 2 предназначен для повышения нагрузочной способности порта микроконтроллера, подключенного к дисплею 3 учебного стенда. Импульсный блок питания 4 формирует напряжения питания, необходимые для функционирования всех электронных блоков. Клавиатура 5 служит для ручного ввода информации в учебный стенд. Через блок последовательных интерфейсов 6 происходит высокоскоростной обмен информацией с внешними устройствами, например персональной ЭВМ.
Устройство функционирует следующим образом. Блок микроконтроллера 1 выполняет аппаратную эмуляцию, т.е. с точки зрения пользователя или студента работа на аппаратном эмуляторе учебного стенда на микроконтроллере 1 полностью идентична работе на «Учебно-отладочном устройстве «Электроника-580». С помощью клавиатуры 5 вводятся машинные коды команд разработанной программы. Вводимая информация отражается на дисплее 3 устройства. Затем пользователь запускает введенную программу на исполнение. Возможна работа программы в трех режимах: пошаговом, с остановками в контрольных точках, в реальном масштабе времени. Результат выполнения программы, а также содержимое запоминающих элементов и памяти устройства отражается на дисплее. При необходимости может быть выполнена предварительная отладка программы в первом или втором режимах работы. Возможно подключение к устройству внешних электронных компонентов и организация информационного обмена с ними через блок последовательных интерфейсов 6. Кроме того, через этот блок реализуется загрузка информации (создаваемой программы) в предлагаемое устройство из персонального компьютера, что является основным режимом работы пользователя при отладке программ.
В предлагаемом устройстве блок последовательных интерфейсов 6 реализует обмен по шине USB 2.0. Внутренняя шина данных блока последовательных интерфейсов подключена к одному из портов микроконтроллера, выход блока последовательных интерфейсов представляет собой разъем шины USB. Блок преобразует информацию от микроконтроллера, представленную в формате данных микроконтроллера, в последовательный формат шины USB или выполняет обратное преобразование. Шина USB является последовательной, использует экранированный кабель, что обеспечивает качественную и эффективную защиту от внешних помех и перекрестных наводок между линиями. При этом скорость обмена по спецификации шины составляет до 480 Мбит/сек (рост производительности до 190 тыс. раз) и обеспечивается надежная помехозащищенность передачи информации.
Для реализации всех вышерассмотренных возможностей аппаратный эмулятор имеет соответствующее программное обеспечение.
Благодаря добавлению блока последовательных интерфейсов по сравнению с прототипом имеет место увеличение скорости обмена и повышение помехозащищенности обмена информацией.