Методические указания к выполнению лабораторных работ санкт-Петербург 2012



Скачать 385.74 Kb.
страница1/4
Дата22.12.2012
Размер385.74 Kb.
ТипМетодические указания
  1   2   3   4
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

____________________________________________________________________________
ЭМУЛЯТОР AVR GCC

ДЛЯ НАЧАЛЬНОГО ДИСТАНТНОГО ОБУЧЕНИЯ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ





Санкт-Петербург

2012

Составитель: Балонин Н.А., Балонин Ю.Н., Сергеев М.Б.
Рецензенты: кафедра информационно-сетевых технологий ГУАП,

д-р техн. наук, профессор З.М.Юлдашев
Содержатся указания к выполнению лабораторных работ по изучению принципов программирования AVR-микропроцессоров средствами дистантного обучения с использованием Интернет и беспроводной персональной сети ZigBee.

Методические указания предназначены для проведения лабораторных работ со студентами дневного и вечернего обучения по специальности "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети".

Подготовлены к изданию кафедрой вычислительных систем и сетей по рекомендации редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения

СПб: ГУАП, 2012
ВВЕДЕНИЕ
Дистантные системы обучения – системы нашего времени, времени внедрения технологий Интернет. Отчасти это блоги и сетевые журналы, форумы, социальные сети. Однако у инженеров есть собственные потребности в коммуникации, в частности, нужны математические инструменты, исполняемые в сети примеры, удаленное тестирование учеников и т.п. Для этого предназначены, например, такие математические и обучающие системы, такие как SAGE и MOODLE.

Математическая система SAGE позволяет завести блокнот с математическими примерами, исполняемыми на сервере с помощью Питон. Система MOODLE содержит подсистемы выкладывания в сети учебных материалов и тестирования учеников (курирует освоение этих материалов).

Структуры учебных блоков и пакетов учебного материала обучающих систем регламентируются стандартом SCORM. Пакет может содержать курс, урок, тест, модуль и т. п. В пакет входят xml-файл (манифест), где описана структура пакета, и файлы, составляющие учебный блок. Этот файл должен иметь название imsmanifest.xml и находиться в корневой папке пакета.


Манифест пакета включает: метаданные (свойства компонентов учебного материала); организацию учебного материала (в каком порядке расположены компоненты); ресурсы (ссылки на файлы, содержащиеся в пакете); sub-Manifest (отдельные части пакета xml-файла - это может иметь смысл если пакет очень большой и имеет сложную структуру, чтобы не перегружать один файл большим объёмом данных). Блоки учебного материала, входящие в пакет, могут быть двух типов: Asset и Sharable Content Object (SCO).

Asset – элемент, не взаимодействующий с сервером системы управления обучением (LMS-сервером). Это может быть html-страница, просто картинка, звуковой файл, flash-объект и т.п. Asset может состоять из нескольких файлов (например, html-файл + css-файл c описанием его стилей + js-файл с описанием используемых в нём функций). С точки зрения системы и учащегося Asset будет рассматриваться как один неделимый объект.

SCO – элемент, который взаимодействует с системой управления обучением: сообщает о ходе и результатах обучения, получает и передаёт дополнительные данные и т.п. Как минимум SCO сообщает о своем запуске и завершении (путём вызова методов Initialize("") и Terminate("") объекта API_1484_11, используемого системой для взаимодействия).

Система SAGE

Sage (англ. “Мудрец”) – система компьютерной алгебры, затрагивающая много областей математики, включая алгебру, комбинаторику, вычислительную математику и математический анализ. Первая версия Sage была выпущена 24 февраля 2005 года в виде свободного программного обеспечения с лицензией GNU GPL. Первоначальной целью проекта было “создание открытого программного обеспечения, альтернативного системам Magma, Maple, Mathematica, и MATLAB”. Разработчиком Sage является Уильям Стейн – математик Университета Вашингтона (официальный сайт: sagemath.org).

Система MOODLE

Система реализует философию “педагогики социального конструкционизма” и ориентирована прежде всего на организацию взаимодействия между преподавателем и учениками, хотя подходит и для организации традиционных дистанционных курсов, а также поддержки очного обучения.

MOODLE переведена на десятки языков, в том числе и на русский, и используется почти в 50 тысячах организаций из более чем 200 стран мира. В РФ зарегистрировано более 600 инсталляций. Количество пользователей MOODLE в некоторых инсталляциях достигает 500 тысяч человек.

Отмеченные системы задают некоторый тренд разработки и стандартов громадного количества систем отмеченных видов. В математических инструментах большее внимание отводится корректному решению математических задач, их применение универсально и не зависит от содержимого курсов. Таков, например, математический справочник, отдаленно напоминающий Google, но для математиков, созданный под руководством Стефана Вольфрама: wolframalpha.com. В обучающих системах большее внимание отводится, очевидно, организации учебного процесса и наполнению конкретных курсов.

Аналогичные системы и модули создаются в лаборатории распределенных информационно-управляющих систем ГУАП [http://guap.ru/guap/lab_rius/krat_main.shtml]

В пособии [1] и методических указаниях [2] рассмотрены современные беспроводные сетевые технологии: стандарты передачи данных в беспроводных сетях Wi-Fi, Wi-MAX, Bluetooth, Wireless USB, Home RF, ZigBee, топологии беспроводных персональных сетей. Периферия из сенсоров и эффекторов строится с использованием современных микроконтроллеров, для получения навыков работы с которыми предназначены данные методические указания, а также программы и стенды лаборатории.

Руководители лаборатории выражают благодарность студентам Егоровой А., , ……, принимавшим активное участи в разработке и создании стендов для дистантного обучения.

СЕТЕВОЙ ЭМУЛЯТОР AVR-МИКРОПРОЦЕССОРОВ
Дистантные системы обучения программированию мало чем отличаются от обычных блогов или форумов. Как в тех, так и в других имеются система регистрации участников и средства, обеспечивающие функции администрирования со стороны преподавателя. Возможны как открытые, так и закрытые (для платных групп) формы обучения.

Однако в современной дистантной системе обучения уже должен быть исполняемый код, обеспечивающий обучающемуся возможность не только размещения дистантно своего примера, но просмотра его исполнения и получения замечаний от преподавателя. Обычный форум не располагает такими возможностями.

Все указанные свойства реализованы в сетевом эмуляторе AVR-микропроцессоров, новой системе дистантного обучения лаборатории распределенных информационно-управляющих систем ГУАП.

Для отделения текста исполняемого кода от комментариев используется стандартный тэг math, как это показано ниже:
Комментарии (студент, группа, номер лабораторной работы)



Коды исполняемой программы



Комментарии (диалог с преподавателем)
В существующей редакции системы обучения программа пишется на Javascript, поскольку это самый широко-распространенный сегодня интерпретируемый язык в сети. В ряде практически полезных случаев дополнительными тэгами или скобками помечаются вхождения программ на другом языке.

Так, например, для реализации формул векторно-матричного исчисления приняты двойные фигурные скобки {{ программа Java-MatLab }}. Усеченная версия AVR GCC для программирования микропроцессоров вводится сходно как {{C# программа AVR GCC}}. В примерах на WEB-программировании широко используются PHP-вставки, окаймляемые, как обычно, следующим образом .

Эти правила на сервере каком? не вечны, они могут меняться по мере развития дистантной системы, но такое употребление тэгов типично. Оно оговаривается отдельно в системе справки (HELP), сопровождающей любую обучающую или математическую систему.

Помимо исполняемых алгоритмов в системах обучения применяются и прочие средства, в частности, графические конструкторы управляемых кодами систем, а также сетевые эмуляторы микропроцессоров. Корпуса, светодиоды, кнопки, управляемые объекты воспроизводятся средствами графики. Существуют и смешанные системы, когда аппаратная часть существует физически и управление ею передается на расстояние. Это про твою систему или вообще требования? Давай только о твоей.
ОПИСАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ AVR
Каноническая вполне работоспособная электрическая схема микропроцессора вполне проста и обходится, как видно на рис. 1, немногими деталями, к которым относятся внешний кварцевый генератор тактовых импульсов и конденсаторы в цепи питания. Контрольным светодиодом можно проверить состояние ножек портов, сконфигурированных на выход.



Рисунок 1 – Минимальная схема включения микропроцессора AVR
В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру компьютера для военно-морской артиллерии. Победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура не использовалась вплоть до конца 70-х годов, когда развитие микропроцессорной техники позволило использовать ее преимущества.

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении шин передачи команд (инструкций) и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

Гарвардская архитектура используется в микроконтроллерах, таких, как Intel 4004, Intel 8051, Atmel AVR и многих других. Разработки фирмы Intel 80-х годов выдвинули некую общую модель MKS 51, которая по существу и определила класс последующих более совершенных микропроцессоров.

Среди них долгое время лидировали микроконтроллеры семейства PIC (Peripheral Interface Controller) компании Microchip на основе RISC-процессора. Reduced Instruction Set Computer (RISC) – вычисления с сокращённым набором команд, характеризуемые наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

В настоящее время в связи с доступностью программных средств и инструментальных плат разработки большое число публикаций связано с семейством восьмибитных микроконтроллеров AVR фирмы Atmel (рис. 2). Грань между RISC и CISC (Сomplex Reduced Instruction Set Computer) микропроцессорами стирается. Например, AVR имеют 133 команды, что соответствует CISC, но большинство из них выполняется за один такт, что является признаком RISC. Поэтому основным признаком RISC принято считать выполнение команд за один такт.

Рисунок 2 – Микропроцессор ATMEGA 8 фирмы Atmel
Регистры общего назначения (РОН) или General Purpose Registers (GPR) – их всего 32, имеют байтовый формат. РОН находятся в начале адресного пространства оперативной памяти, хотя физически не являются ее частью. Поэтому к ним можно обращаться двумя способами: как к регистрам и как к ячейкам памяти. Такое решение является особенностью AVR и повышает эффективность работы и производительность микроконтроллера.

В оперативную память можно лишь записывать данные из регистров, тогда как для работы с регистрам есть арифметические, логические и битовые операции. Система команд в разных модификациях насчитывает от 90 до 133 различных инструкций и построена на гарвардской архитектуре, программа (Flash-память – аналог жесткого диска, хранит коды, загружаемые в оперативную память SRAM) и данные (EEPROM-память) находятся в разных адресных пространствах, однако имеется возможность читать данные из памяти программы, используя специальные команды.

Все типы памяти интегрированы на одном чипе, что снимает необходимость во внешней памяти для большинства приложений. Коды в энергонезависимые хранилища Flash (hex), EEPROM заносятся через последовательный периферийный интерфейс SPI. Соответственно, его можно использовать для подключения программатора, цифровых потенциометров, ЦАП/АЦП, FLASH-ПЗУ и др. микроконтроллеров. Управление периферийными устройствами осуществляется через адресное пространство данных. Микропроцессоры AVR поддерживают тактовую частоту 0-20 МГц, но некоторые устройства работают на частоте 32 МГц.

Разъем ISP-программатора, загружающего hex-коды программы в микропроцессор, подсоединяется к соответствующим ножка микропроцессора (рис. 3).



Рисунок 3 – Схема подключения ISP-программатора
Четырехпроводной интерфейс JTAG, разработанный группой Joint Test Action Group, был зарегистрирован в качестве промышленного стандарта IEEE Std 1149.1-1990 для тестирования печатных плат, внутрисхемной отладки и программирования микроконтроллеров. Им оснащены все микроконтроллеры Mega с флэш-памятью емкостью 16 кбайт и более.

Для взаимодействия с компьютером через COM-порт по популярному протоколу RS-232 имеется универсальный асинхронный или универсальный синхронно/асинхронный приемопередатчик (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter – UART или USART), который включается через буферную микросхему MAX232, согласовывающую разницу напряжений на линиях связи (рис. 4) .



Рисунок 4 – Согласовывающая микросхема MAX232
Канал способен работать в дуплексном режиме (одновременная передача и прием данных). Помимо того, имеется двухпроводной последовательный интерфейс TWI (Two-wire Serial Interface), который позволяет объединить вместе до 128 различных устройств с помощью двунаправленной мультиплексной шины, состоящей из линии тактового сигнала (SCL) и линии данных (SDA). Это аналог интерфейса I2C (двухпроводная двунаправленная шина), предложенного фирмой Philips.

Организовать работу системы во времени по прерываниям помогают несколько таймеров с разрядностью 8 и 16 бит, работающие и как счетчики внешних событий. В режиме ШИМ (PWM) таймер может представлять собой широтно-импульсный модулятор и используется для генерирования сигнала с программируемыми частотой и скважностью. Сторожевой таймер WDT (WatchDog Timer) имеет свой собственный RC-генератор, работающий на частоте 1 МГц. Он предназначен для сбрасывания микропроцессора программой, что позволяет избежать зависаний перезапуском микропpоцессоpа с инициализацией pегистpов и приведения системы в рабочее состояние.

Микроконтроллер AVR использует питание от 1,8 до 6,0 Вт. Ток потребления составляет:

<1 мА для рабочей частоты 500 кГц;

5–6 мА для рабочей частоты 5 МГц;

8–9 мА для рабочей частоты 12 МГц.

Программно AVR переводится в один из трех режимов пониженного энергопотребления.

В режиме холостого хода (IDLE) процессора функционирует внутренний генератор синхросигналов, таймеры, система прерываний и сторожевой таймер. Ток потребления не превышает 2,5 мА на частоте 12 МГц.

В стоповом режиме (POWER DOWN) все функции выключены до поступления сигнала внешнего прерывания или аппаратного сброса. При включенном сторожевом таймере ток потребления в этом режиме составляет около 80 мкА, а при выключенном – менее 1 мкА для напряжения питания 5 В.

Существует еще экономичный режим (POWER SAVE), в котором работает только генератор таймера, что обеспечивает сохранность временной базы.

Схема BOD (Brown-Out Detection) при снижении питания ниже некоторого значения переводит микроконтроллер в состояние сброса. Когда напряжение питания вновь увеличится до порогового значения, запускается таймер задержки сброса. После формирования задержки внутренний сигнал сброса снимается и происходит запуск микроконтроллера.

Помимо аналого-цифровых преобразователей, переключаемых регистром опрашиваемого входа, имеются аналоговые компораторы, используемые в системе прерываний.

Для ознакомления с микропроцессором на тестовых платах размещают кнопку сброса RESET, управляющие кнопки, информационные светодиоды, триммерные контрольные сопротивления, температурный, световой и другие датчики.

Этот раздел можно разделить на подразделы, акцентировав в них внимание на RISK-архитектуру, ПАМЯТЬ, РЕГИСТРЫ, ТАЙМЕРЫ и операции с ними. Отдельно – вопросы питания.
  1   2   3   4

Похожие:

Методические указания к выполнению лабораторных работ санкт-Петербург 2012 iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию биполярных транзисторов Санкт-Петербург 2010
Методические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию биполярных транзисторов
Методические указания к выполнению лабораторных работ санкт-Петербург 2012 iconМетодические указания к выполнению лабораторных и курсовых работ иркутск 2007
...
Методические указания к выполнению лабораторных работ санкт-Петербург 2012 iconКафедра прикладной информатики и информационных систем Нейронные сети Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Интеллектуальные информационные системы»
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Интеллектуальные информационные системы» для студентов 4-го курса...
Методические указания к выполнению лабораторных работ санкт-Петербург 2012 iconМетодические указания по выполнению лабораторных работ №1-5 по информатике для студентов дневной формы обучения
Решение задач в пакете Mathcad : методические указания по выполнению лабораторных работ №1 – 5 по информатике для студентов дневной...
Методические указания к выполнению лабораторных работ санкт-Петербург 2012 iconМетодические указания и задания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Методы оптимизации» Хабаровск Издательство тогу 2010
Методы одномерной оптимизации : методические указания и задания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Методы оптимизации»/...
Методические указания к выполнению лабораторных работ санкт-Петербург 2012 iconО. Ф. Власенко, И. В. Беляева изучение си после паскаля: циклы, развилки, функции, обработка одномерных массивов методические указания к выполнению лабораторных работ по программированию для студентов направления 552800 «Информатика и вычислительная
Методические указания к выполнению лабораторных работ по программированию для студентов направления 552800 «Информатика и вычислительная...
Методические указания к выполнению лабораторных работ санкт-Петербург 2012 iconМетодические указания по выполнению 1 и 2 лабораторных работ по курсу «Методы и средства защиты информации»
Методические указания предназначены для студентов IV курса направления «Информатика и вычислительная техника»
Методические указания к выполнению лабораторных работ санкт-Петербург 2012 iconМетодические указания по выполнения лабораторных работ для студентов специальности 351400
Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по курсам Информационные системы и Информационные технологии....
Методические указания к выполнению лабораторных работ санкт-Петербург 2012 iconМетодические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Метеорология и климатология»

Методические указания к выполнению лабораторных работ санкт-Петербург 2012 iconМетодические указания по выполнению лабораторных работ работ по дисциплине
Для генерации схемы бд следует выбрать пункт меню Tools
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org