Mikrocomputertechnik. Thema: Der Aufbau des XC888-Mikrocontrollers -Teil 1 -

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1 Mikrocomputertechnik Thema: Der Aufbau des XC888-Mikrocontrollers -Teil 1 -

2 Mikroprozessor-Achritekturen Folie 2

3 Mikroprozessor-Achritekturen Klassifizierung anhand Wortbreite CPU-Architektur und Busleitungen sind mit entsprechender Anzahl von Bits ausgelegt Die Wortbreite bestimmt die Anzahl der Bits pro Register Die Wortbereite wirkt sich somit auf die maximale Größe der zu verarbeitenden Zahlen aus Beispiel: 16-Bit Prozessor kann zwei 16-Bit-breite Zahlen direkt einlesen und verarbeiten ( straight forward Programmierung) Sollen Zahlen mit größerer Wortbreite verarbeitet werden muss dies anhand mehrerer Softwareschritte realisiert werden Folie 3

4 Beispiel Addition 32-Bit Zahlen auf 32-Bit CPU Folie 4

5 Beispiel Addition 32-Bit Zahlen auf 16-Bit CPU Pseudocode: low(ergebnis) = low(a_32) + low(b_32) high(ergebnis)= high(a_32) + high(b_32) + Überlaufbit low-addition Folie 5

6 Beispiel Addition 32-Bit Zahlen auf 16-Bit CPU Folie 6

7 8051-Rechnerarchitektur Der 8051 Mikrocontroller besitzt eine 8-Bit CPU Viele der heutigen 8-Bit Prozessoren stammen vom 8051 ab Verschiedene Derivate für unterschiedliche Applikationen Es gibt oftmals Gleichteile, wie z.b. Rechnerkern, Assembler- Befehlssatz, Der in der Vorlesung und dem Labor verwendete XC888 besitzt eine Vielzahl von Anforderungen der Automotiv-Industrie. Beispiele: CAN-, LIN-Bus, PWM-Signalerzeugung, Verarbeitung von Hall-Sensorsignalen, Folie 7

8 8051 Core XTAL1 XTAL2 Counters Oscillator and Timing 4 kbyte Program Memory 128 Byte Data Memory 2 x 16-Bit Timer/Counter 8051 CPU Interrupts 64 kbyte Bus Expander Control Programmable I/O Programmable Serial Port -Full duplex UART -Synchronous Shifter Interrupts Control Parallel Ports Address Data Bus and I/O Pins Serial IN Serial OUT Folie 8

9 XC888 Core Folie 9

10 Blockschaltbild 8051 RAM-Adressen- Dekodierer RAM 128 x 8 ROM 4k x 8 ROM-Adressen- Dekodierer Daten-Pointer Programmzähler Stack- Pointer Port 2 Akku Temp. Register Status- Register B- Register Befehlsdekodierer IE IP Interrupt- Steuerung Port 0 Temp. Register ALU SCON SBUF (Send.) SBUF (Empf.) Serieller Port Port 1 Oszillator Steuersignale Steuerlogik TCON TMOD TH0 / TL0 TH1 / TL1 XTAL 1 XTAL 2 EA ALE PSEN RST Zähler/ Zeitgeber Steuerung Port 3 Folie 10

11 CPU CPU steht für Central Processing Unit Sie ist das Gehirn des Rechners Sie besteht aus folgenden miteinander in Verbindung stehenden Komponenten: ALU (Arithmetic Logic Unit) CPU-Register Steuerlogik Boolescher Prozessor (Besonderheit des 8051) Folie 11

12 Register allgemein Register sind temporäre Speicherplätze in der CPU Register können über bestimmte Assemblerbefehle direkt, also ohne Adressierung, angesprochen werden Auf Registerinhalte kann somit sehr schnell zugegriffen werden Es gibt Register mit festem Verwendungszweck (z.b. Programmzähler) für allgemeine Verwendung (z.b. Akkumulator) Besonders zu erwähnen: Arbeitsregister r0, r1, r2, r7 Arbeitsregister liegen an den RAM-Speicheradressen 0x00 bis 0x07 Folie 12

13 Programmzähler Beinhaltet Adresse im Flash-ROM, an welcher nächster auszuführender Befehl steht Nach Abholen eines Befehls wird Programmzähler im Eins inkrementiert Sprungbefehle können den Programmzähler auch direkt auf anderen Wert setzen Sprung zu anderem Programmbereich Folie 13

14 Befehlsdekodierer Der Befehlsdekodierer lädt den nächsten auszuführenden Befehl in die Steuerlogik, welche diesen danach ausführt Befehlsdekodierer analysiert den aktuell auszuführenden Befehl Interne Signale werden erzeugt und steuern Abläufe in der CPU (z.b. Werte von RAM in Register kopieren, ALU-Operation starten, Ergebnis speichern) Folie 14

15 Statusregister Auch Programmstatuswort (PSW) oder Flagregister genannt Flags des PSW werden von der ALU in Anhängigkeit der zuletzt durchgeführten Operation gesetzt Ein Flag im Statusregister zeigt z.b. den Überlauf nach einer Rechenoperation an (Carry-Flag) Folie 15

16 Statusregister Symbol CY AC F0 RS1 RS0 Funktion Carry-Flag. Wird gesetzt, wenn bei der letzten Rechenoperation mit vorzeichenlosen Ganzzahlen ein Übertrag von Bit 7 auftrat. Auxilary Carry-Flag. Dieses Hilfs-Carry-Flag wird beim Übertrag von Bit 3 gesetzt. Wird meist für BCD-Operationen verwendet. Flag wird vom µp nicht verwendet. Kann vom Benutzer beliebig eingesetzt werden. RS0 und RS1 dienen zur Auswahl der aktuellen Arbeitsregisterbank. RS1 RS0 0 0 Bank Bank Bank Bank 3 Folie 16

17 Statusregister Symbol OV F1 P Funktion Overflow-Flag. Wird gesetzt, wenn bei der letzten Rechenoperation mit vorzeichenbehafteten Ganzzahlen 1. ein Übertrag von Bit 6 und kein Übertrag von Bit 7 oder 2. ein Übertrag von Bit 7 und kein Übertrag von Bit 6 stattfand. Flag kann bei arithmetischen Operationen von vorzeichenlosen Ganzzahlen ignoriert werden. Flag wird vom µp nicht verwendet. Kann vom Benutzer beliebig eingesetzt werden. Parity-Flag. Wird gesetzt, wenn der Akkumulator eine ungerade Anzahl von Einsen enthält. Anderenfalls wird das Flag gelöscht. Folie 17

18 Akkumulator, B-Register und Carry-Flag Akkumulator (Akku, A), B-Register und Carry-Bit (C) dienen der CPU als Ergebnisspeicher bei mathematischen Operationen Der Programmierer sollte diese Speicherstellen daher nicht für eigene Zwischenergebnisse verwenden Passt Ergebnis von arithmetischer Operation nicht mehr in 8-Bit Wert, wird B-Register für Teilergebnis verwendet Multiplikationen (A*B): A enthält den niederen Teil, B den hohen Teil des Ergebnis Division (A:B): A enthält das ganzzahlige Ergebnis, B den Rest der Division Folie 18

19 Beispiel Programmabarbeitung 6 Folie 19

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