Компьютерное моделирование

Микропроцессорная техника постепенно замещает и вытесняет традиционную цифровую на «жесткой логике». Универсальность, гибкость, простота проектирования аппаратуры, практически неограниченные возможности по усложнению алгоритмов обработки информации - всё это объясняет столь широкое использование микропроцессорных систем в современном производстве.

Большое место в микропроцессорной технике занимают микроконтроллеры. В настоящее время происходит настоящая революция, оказавшая значительное влияние на каждого из нас - это автоматизация практически всей окружающей нас среды с помощью дешёвых и мощных микроконтроллеров. Микроконтроллер - это самостоятельная компьютерная система, которая содержит процессор, память, вспомогательные схемы и устройства ввода-вывода данных, размещенные в общем корпусе. Микроконтроллеры, используемые в различных устройствах, выполняют функции интерпретации данных, поступающих с клавиатуры пользователя или от датчиков, определяющих параметры окружающей среды, обеспечивают связь между различными устройствами системы и передают данные другим приборам. Применение микроконтроллеров позволяет значительно снизить количество и стоимость используемых материалов и комплектующих изделий, что обеспечит снижение себестоимости конечной продукции. Использование микроконтроллеров может существенно увеличить привлекательность продукции для потребителя благодаря реализации «дружественного интерфейса» при относительно небольших дополнительных затратах. Обеспечивается также возможность расширения области применения выпускаемой продукции путем использования одних и тех же аппаратных средств с разнообразным программным обеспечением, специализированным для реализации различных функций.

Проектирование любой сложной системы начинается с создания математической модели и исследования ее на ЭВМ. В настоящее время при проектировании микропроцессорных систем широко применяются методы аналитического и имитационного моделирования с использованием автоматизированных систем. Одним из плодотворных подходов к оценке важнейших конструктивных показателей служит вероятностное моделирование, которому посвящены исследования таких ученых как: О.И. Авен, И.Н. Альянах, В.Н. Тарасов.

Наличие в микропроцессорной системе, как аппаратных, так и программных средств обуславливает ряд специфических особенностей, присущих процессу ее создания. Он существенно отличается от проектирования традиционных электронных устройств, не предполагающих программное обеспечение. В отличие от традиционного подхода, когда все функции, возлагаемые на устройство, достигаются чисто аппаратными средствами и другой альтернативы просто не существует, при аппаратно-программной реализации выполняемые функции оптимально располагаются между программными и аппаратными средствами микропроцессорной системы.

Идея единства программного и аппаратного обеспечения систем на базе микроконтроллеров является очень важной и получила свое воплощение в интегрированных средах разработки. Важным преимуществом интегрированной среды при проектировании микропроцессорной системы является объединение инструментальных средств разработки программного обеспечения с инструментальными средствами разработки аппаратного обеспечения.

Первичным инструментом для отладки приложений является симулятор. Это программа, которая выполняет программный код, используя модель микроконтроллера, и позволяет при этом пользователю наблюдать за ходом выполнения программы. Симулятор является частью интегрированной среды программирования, где отладка происходит на уровне исходного текста. Часто проблема использования симулятора заключается в изобилии предоставляемых возможностей: различные контрольные точки, возможные варианты вывода, формирование входных тестовых комбинаций, вывод на дисплей содержимого регистров и обрабатываемых данных, окна модификации и многое другое.

Самый эффективный способ познакомиться с симулятором - это использовать его при разработке конкретной программы. Важное преимущество симуляторов — возможность многократного воспроизведения рабочих ситуаций. Если надо понять, почему участок программы работает некорректно, можно повторять этот участок снова и снова до тех пор, пока ошибка не будет обнаружена.

Данные методические указания посвящены моделированию микропроцессорных систем на базе микроконтроллеров ATmega16 с использованием симулятора Proteus. Proteus использует уникальный метод симуляции приложений. Вместо разработки специального тестового файла Proteus позволяет создать виртуальную схему, с которой взаимодействует приложение.

В симуляторе помимо программирования, компиляции и отладки программы предоставляется возможность подключения к микроконтроллеру виртуальных ресурсов: светодиодов, кнопок, семисегментных индикаторов, LCD-дисплея и др. Применяя интегрированную среду Proteus, студенты имеют возможность моделировать микропроцессорное устройство от начального этапа (постановки задачи) до программной реализации всех возможных режимов работы на модели устройства с отладкой управляющей программы. Результатом работы является полностью собранная и отлаженная виртуальная аппаратно-программная модель микропроцессорной системы.

Использование интегрированных сред разработки вычислительных систем для организации учебного процесса по курсу «Микропроцессорные системы» позволяет значительно повысить готовность студентов к решению практико-ориентированных задач высокого уровня сложности, способствует вовлечению студентов в профессиональную деятельность.