Nachrichtenverarbeitung Entwurf von Schaltwerken mit Mikroprozessoren

174 Pages·1991·2.051 MB·German

by  Prof. Dipl.-Ing. Wilhelm Nüchel (auth.)

Teubner
Studienskripten (TSS)
Mit der preiswerten Reihe Teubner Studienskripten
werden dem Studenten ausgereifte Vorlesungsskripten
zur UnterstOtzung des Studiums zur VerfOgung ge
stellt. Die sorgfaltigen Darstellungen, in Vorle
sungen erprobt und bewahrt, dienen der EinfOhrung
in das jeweilige Fachgebiet. Sie fassen das fOr
das Fachstudium notwendige Prasenzwissen zusammen
und ermoglichen es dem Studenten, die in den Vor
lesungen erworbenen Kenntnisse zu festigen, zu ver
tiefen und weiterfOhrende Literatur heranzuziehen.
FOr das fortschreitende Studium konnen Teu6ner
Studienskripten als Repetitorien eingesetzt werden.
Die auch zum Selbststudium geeigneten Veroffent
lichungen dieser Reihe sollen darOber hinaus den
in der Praxis Stehenden Ober neue Strbmungen der
einzelnen Fachrichtungen orientieren.
Zu diesem Buch
Dieses Skriptum umfaBt den dritten Teil durch
vom Verfasser an der Fachhochschule K5ln ge
haltenen Vorlesung "Nachrichtenverarbeitung".
Es behandelt den Aufbau und die Programmierung
von Mikrocomputern sowie die Simulation kon
ventioneller Schaltnetze und Schaltwerke durch
Software.
Das Skriptum setzt die Kenntnis des zweiten Teils
dieser Vorlesung "Entwurf digitaler Schaltwerke"
oder ahnliche Kenntnisse tiber festverdrahtete
Logikschaltungen voraus.
Das infolge vieler Beispiele auch zum Selbst
studium geeignete Werk wendet sich an Studen
ten von Fachhochschulen und Universitaten sowie
an Interessenten, die sich in das Gebiet der
programmierbaren Logik einarbeiten wollen.
Nachrichtenverarbeitung
3 Entwurf
von Schaltwerken
mit Mikroprozessoren
w.
Von Dipl.-Ing. Niichel
Professor an der
Fachhochschule K61n
3., iiberarbeitete Auflage
Mit 152 Bildern, 9 Tafeln
und 46 Beispielen
B. G. Teubner Stuttgart 1991
Prof. Dipl.-Ing. Wilhelm Niichel
Geboren 1936 in Eitorf. 1956 bis 1961 Studium der Nachrichten
technik an der Technischen Hochschule Aachen. 1961 bis 1964
SIEMAG Feinmechanische Werke Eiserfeld (jetzt Philips
Kommunikations Industrie): Gruppenleiter fUr Entwicklung und
Priifung elektronischer Schaltungen. 1964 bis 1967 Wanderer
Werke AG Keln (jetzt SNJ): Gruppenleiter fUr Elektronik
Entwicklung. 1967 Dozent an der Staatlichen Ingenieurschule
Keln. 1971 Hochschullehrer im Fachbereich "Nachrichtentechnik"
der Fachhochschule K51n. Vertretene Fachgebiete: Nachrichten
verarbeitung und Mikrocomputertechnik.
Die Deutsche Bibltothek - CIP-Einheitsaufnahme
Nachrichtenverarbeitung / von W. NUchel. - Stuttgart
Teubner
(Teubner-Studienskripten ; .•. )
1 und 2 verL von G. Schaller und W. NUchel
NE: NUchel, Wilhelm; Schaller, Georg
3. NUchel, Wilhelm: Entwurf von Schaltwerken mit
Mikroprezessoren. - 3., Uberarb. Auf!. - 1991
Niichel, Wilhelm:
Entwurf von Schaltwerken mit Mikroprozessoren / von W.
NUchel. - 3., Uberarb. Auf!. - Stuttgart: Teubner, 1991
(Nachrichtenverarbeitung ; 3)
(Teubner- Studienskripten ; S3 : Elektrotechnik)
ISBN 978-3-519-20053-6 ISBN 978-3-322-94133-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-94133-6
NE: 2. GT
Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich
geschUtzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des
Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzuliissig
und strafbar. Das gilt besonders fUr Vervielfiiltigungen, Obersetzun
gen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in
elektronischen Systemen.
© B. G. Teubner Stuttgart 1991
Gesamtherstellung: Druckhaus Beltz, Hemsbach/BergstraBe
Umschlaggestaltung: W. Koch, Sindelfingen
Vorwort
Dieses Skriptum umfaBt den Stoff tiber Mikro omputer, aer aen
Studenten im Fachbereich Nachrichtentechnik der FH Koln in
der Vorlesung "Nachrichtenverarbeitung" vermittelt wird. Es
setzt Kenntnisse tiber die Grundlagen der konventionellen,
festverdrahteten Digitalelektronik voraus, wie sie in der
o.a. Vorlesung behandelt werden [3, 18].
Ziel dieses Skriptums ist es, Studenten der Ingenieurwissen
schaften und anderen interessierten Lesern zu zeigen, wie
die Funktionen konventioneller Schaltnetze und Schaltwerke
durch eine programmierbare Logik ersetzt werden konnen. Der
dazu benutzte Mikrocomputer bildet eine universelle Hard
ware, die ausnur wenigen Bausteinen einer hohen Integra
tionsstufe aufgebaut ist.
Die Moglichkeiten eines Mikrocomputers lassen sich nur dann
voll ausschopfen, wenn der Anwender sowohl mit dessen Hard
ware als auch der Software vertraut ist. Zwischen beiden be
stehen enge Wechselbeziehungen. Der Entwicklungsingenieur
kann sich nicht nur damit begntigen, ein Programm zu schrei
ben. Er muB i.allg. auch den Mikrocomputer aufbauen und te
sten. Dazu sind detaillierte Kenntnisse tiber den logischen
und zeitlichen Ablauf des Datenverkehrs innerhalb des Mikro
computers notwendig. Dartiber hinaus hat der Entwickler von
Produkten mit Mikrocomputersteuerung die Entscheidung zu
treffen, welche Funktionen er per Software und welche er
durch spezielle Hardwarebausteine (z.B. Zeitgeber) reali
sieren will.
Das als Einftihrung in die Mikrocomputertechnik gedachte
Skriptum baut aus didaktischen Grtinden auf einem in seiner
Struktur einfachen, hypothetischen 8-Bit-Mikrocomputer auf.
Derartige Mikrocomputer werden heute in groBen Sttickzahlen
bei einfachen Steuerungen als sog. Mikrocontroller einge
setzt. Reale Mikrocomputer sind zu komplex, als daB aIle
Funktionen und Befehle vollstandig und tiberschaubar im Rah
men eines solchen Skriptums wiedergegeben werden konnten.
- 6 -
Hardwarestruktur und Befehlssatz des hypothetischen Mikro
computers sind aber eng an die des M 6800-Systems ange
lehnt. Dadurch wird der Leser motiviert und in die Lage ver
setzt, die beschriebenen Programme selbst an einem entspre
chenden System zu erproben.
In dem Skriptum werden die Architektur und die wichtigsten
Funktionsablaufe des hypothetischen Mikrocomputers beschrie
ben. Zur Programmierung steht ein auf diesen Mikrocomputer
zugeschnittener Befehlssatz zur VerfUgung. Er umfaBt eine
bewuBt begrenzte, Uberschaubare Anzahl an Befehlen mit typi
schen Adressierungsmoglichkeiten.
Anhand einer Vielzahl von Beispielen werden Schaltnetze und
Schaltwerke simuliert. Die dabei benutzten Verfahren lassen
sich direkt mit dem M 6800 realisieren, aber auch leicht auf
andere reale Mikrocomputer Ubertragen.
Der Entwurf komplexer Schaltwerke mit einer entsprechend um
fangreichen Software erfordert Entwicklungshilfen, die kurz
beschrieben werden. AnschlieBend werden die Methoden aufge
zeigt, nach denen komplexe Schaltwerke realisiert werden
konnen. Praktische Beispiele vervollstandigen diesen Ab
schnitt.
Das Skriptum als EinfUhrung in die Mikrocomputeranwendung
ist so allgemein wie moglich und so speziell wie notig ver
faBt. Der Leser solI das Wesen dieser neuen Technik versteh
hen lernen und in die Lage versetzt werden, sich aufgrund
des erworbenen Basiswissens anhand von Firmenunterlagen in
spezielle Mikrocomputer einzuarbeiten.
In dem Skriptum sind die Normen DIN 44 300, 66 000, 66 001
und 40 700 weitgehend beachtet.
Diese 3. Auflage ist gegenUber der 2. Auflage Uberarbeitet.
Wertvolle Anregungen erhielt ich von Herrn Prof. Dr.-Ing.
U. Piller, FH Koln. Dem Verlag B.G. Teubner mochte ich fUr
die gute Zusammenarbeit danken.
Koln, im Juli 1991 Wilhelm NUchel
Inhalt Seite
1. Wesen freiprogrammierbarer Logik 11
1.1. Abgrenzung zur festverdrahteten Logik 11
1.2. Prinzipieller Aufbau eines Mikrocomputers 13
2. Informationsdarstellung im Mikrocomputer 15
2.1. Zahlendarstellung 16
2.2. Zeichendarstellung 16
2.3. Befehlsdarstellung 17
3. Architektur eines hypothetischen Mikrocomputers 19
3.1. Grundstruktur 19
3.2. Bus-System 20
3.3. Mikroprozessor 20
3.3.1. Register 22
3.3.1.1. Befehlsregister 22
3.3.1.2. Akkumulatoren 22
3.3.1.3. Statusregister 22
3.3.1.4. Befehlszabler 23
3.3.1.5. Operanden-AdreE-Register 24
3.3.1.6. Indexregister 24
3.3.1.7. Stapelzeiger 24
3.3.2. Rechenwerk 25
3.3.3. Steuerlogik 25
3.4. Halbleiterspeicher 28
3.4.1. Schreib-Lese-Speicher 28
3.4.1.1. Prinzipielle Speicherorganisation 28
3.4.1.2. Speicherbaustein des hypothetischen Mi- 29
krocomputers
3.4.1.3. AnschluE des Speichers an den Bus 29
3.4.2. Festwertspeicher 31
3.5. Ein-Ausgabebausteine 31
3.5.1. Baustein fUr parallele Ein-Ausgabe 32
3.5.1.1. Grundprinzip der parallelen Ein-Ausgabe 32
3.5.1.2. Hypothetischer Ein-Ausgabebaustein 33
3.5.1.3. Funktion des Datenrichtungsregisters 35
3.5.1.4. Funktion des Steuerregisters 35
- 8 -
Seite
3.5.1.5. Adressierung der Register 38
3.5.2. Baustein fur serielle Ein- und Ausgabe 39
3.6. Zaaler-Zeitgeberbaustein 42
3.7. Baustein zur Unterbrechungssteuerung 44
3.8. Minimalkonfiguration des Mikrocomputers 47
3.9. Spezielle Funktionsablaufe im Mikrocomputer 48
3.9.1. Ablauf eines Ladevorganges 48
3.9.2. Programmunterbrechung 50
3.9.3. Quittungsbetrieb 52
4. Programmierung von Mikrocomputern 57
4.1. Programmiersprachen 57
4.1.1. Maschinensprache 57
4.1.2. Assemblersprache 58
4.2. Adressierungsarten 59
4.2.1. Implizierte Adressierung 59
4.2.2. Unmittelbare Adressierung 59
4.2.3. Absolute Adressierung 59
4.2.4. Indizierte Adressierung 60
4.2.5. Relative Adressierung 61
4.3. Befehlsliste 62
4.3.1. Datentransportbefehle 68
4.3.2. Arithmetische und logische Befehle 69
4.3.3. Sprung- und Verzweigungsbefehle 70
4.3.4. Sonderbefehle 70
4.4. Entwicklung eines einfachen Programms 71
5. Simulation von Schaltnetzen und einfachen Schaltwerken 75
5.1 • Initialisierung des Mikrocomputers 75
5.2. Simulation von Schaltnetzen 76
5.2.1. Simulation eines Inverters 76
5.2.2. Simulation eines ODER-Gliedes 78
5.2.3. Simulation eines UND-Gliedes 80
5.2.4. Simulation eines NOR-Gliedes 81
5.2.5. Simulation eines NAND-Gliedes 82
5.2.6. Simulation eines UND-ODER-Gliedes 82
5.2.7. Codeumsetzer 84
- 9 -
Seite
5.2.7.1. Sequentielle Suchverfahren 84
5.2.7.2. Sprungverfahren 87
5.3. Simulation einfacher Schaltwerke 89
5.3.1. Simulation eines D-Flipflops 89
5.3.2. Simulation eines Monoflops 90
5.3.2.1. Einstellung kleiner Zeiten 91
5.3.2.2. Einstellung groBer Zeit en 92
5.3.3. Simulation eines astabilen Multivibrators 94
5.3.4. Simulation eines Zahlers 95
5.3.5. Sieben-Segment-Anzeige im Multiplexbe- 97
trieb
5.3.5.1. Aufbau der Sieben-Segment-Anzeige 97
5.3.5.2. Speichertabellen 98
5.3.5.3. Programmablaufplan 100
5.3.5.4. Programm 101
5.3.6. Verschieben von Speicherblocken 101
6. Entwicklungshilfen 112
6.1. Mikrocomputer-Trainings-System 112
6.1.1. Aufbau 112
6.1.2. Moglichkeiten der Fehlersuche 113
6.2. Mikrocomputer-Entwicklungs-System 113
6.2.1. Aufbau 113
6.2.2. Software-Untersttitzung 114
6.2.2.1. Editor 114
6.2.2.2. Assemblierer 115
6.2.2.3. Weitere Hilfsprogramme 117
6.2.3. Emulator 118
7. Entwurf von komplexen Schaltwerken 120
7.1. Allgemeine Entwurfssystematik 120
7.1.1. Entwicklungsschritte 120
7.1.2. Problemdefinition 121
7.1.3. Trennung von Hardware und Software 122
7.1.3.1. Schnittstellenfestlegungen 123
7.1.3.2. Formatanpassung 124
7.1.3.3. Zeitanpassung 124
- 10 -
Seite
7.1.4. Hardware-Entwicklung 125
7.1.5. Software-Entwicklung 125
7.1.5.1. Modular aufgebaute Programme 125
7.1.5.2. Strukturiertes Programmieren 127
7.1.5.3. Darstellung der Strukturelemente 127
7.1.5.4. Beispiel fUr ein Struktogramm 130
7.1.5.5. Entwicklung des Quellprogramms 131
7.1.5.6. Ubersetzen in die Maschinensprache 131
7.1.5.7. Programmtest 132
7.1.6. Systemtest 132
7.1.7. Dokumentation 132
7.2. Entwurf einer Ampelsteuerung 134
7.2.1. Problemdefinition 134
7.2.2. Trennung von Hardware und Software 135
7.2.3. Software-Entwicklung 137
7.2.3.1. Grobstruktur 137
7.2.3.2. Grober Programmablaufplan 138
7.2.3.3. Struktogramme zu den Funktionsmoduln 139
7.2.4. Entwicklung des Quellprogramms 141
7.2.5. Assemblieren und Binden 146
7.3. Tastaturabfrageprogramm 146
7.3.1. Aufgabenstellung 146
7.3.2. Hardware 146
7.3.3. Wirkungsweise 147
7.3.4. Struktogramm 147
7.3.5. Programmablaufplan 149
7.3.6. Quellprogramm 149
Mhang
WeiterfUhrende Literatur 153
Losungen zu den Ubungsaufgaben 154
AbkUrzungen und Formelzeichen 169
Sinnbilder fUr Programmablaufplane 171
Symbolik bei Blockschaltungen 171
Sachweiser 172