Embedded Systems

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1 Embedded Systems 1 Embedded Systems I Thema am : AVR-Studio, Befehlsstruktur der Atmel-AVR-Familie, Adressierungsarten, Initialisierung der Peripheriemodule, Vorbesprechung Praktikum 1 und 2. Übungsaufgabe ACHTUNG: OHP-Handfolien mitschreiben! Miniprojekt Ulrich Schaarschmidt FH Düsseldorf, WS 2016/17 Literaturhinweise nn: ATMega1284P, Datenblätter der Fa. Atmel / Microchip,doc8059.pdf Nn: AVRxxx.pdf (xxx = ), Atmel Application Notes nn: ATMega16, auch ATMega32, Datenblätter der Fa. Atmel / Microchip, Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 2 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 1

2 Embedded Systems 1 Anmerkungen zum Praktikum Der C-Compiler (WinAVR) ist im AVR- Studio integriert. D.h., dass der Quellcode direkt in einem Editor-Fenster des AVR- Studios eingegeben werden kann. Der eigentliche Programmablauf zur Erledigung von Aufgaben muss vom Software-Ingenieur vorher überlegt werden. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 3 Programmierung für MCUs Muss der Programmierer mehr wissen als bei der PC-Programmierung? Direkter an der Hardware als beim PC, Ein-/Ausgabe-Bausteine müssen initialisiert werden (damit ein Treiber für ein I/O-Beinchen weiß, ob er z:b. Input oder Output in verschiedenen Spielarten sein soll); Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 4 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 2

3 Embedded Systems 1 Programmierung für MCUs Was ist modulare Programmierung? Polling - was ist das? Was sind Interrupts und muss man Angst davor haben? Zeitschleifen oder Timer/Counter-Module? Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 5 ATMEGA1284P -Architektur Quelle: doc8059.pdf Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 6 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 3

4 Embedded Systems 1 Blockdiagramm ATMEGA Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 7 Übersicht Memory Maps Quelle: doc8059.pdf Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 8 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 4

5 Embedded Systems 1 Universal-Arbeitsregister des AVR Quelle: doc8059.pdf Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 9 Die Ports Ein-/ Ausgabemöglichkeiten Port A (PA7:PA0) Port A serves as analog inputs to the Analog-to-digital Converter. Port A also serves as an 8-bit bi-directional I/O port with internal pull-up resistors (selected for each bit). The Port A output buffers have symmetrical drive characteristics with both high sink and source capability. As inputs, Port A pins that are externally pulled low will source current if the pull-up resistors are activated. The Port A pins are tri-stated when a reset condition becomes active, even if the clock is not running. Port A also serves the functions of various special features of the ATmega1284P as listed on page 78 [doc8059.pdf]. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 10 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 5

6 Embedded Systems 1 Die Ports Ein-/ Ausgabemöglichkeiten Port B (PB7:PB0), Port C (PC7:PC0), Port D (PD7:PD0) Port B is an 8-bit bi-directional I/O port with internal pullup resistors (selected for each bit). The Port B output buffers have symmetrical drive characteristics with both high sink and source capability. As inputs, Port B pins that are externally pulled low will source current if the pull-up resistors are activated. The Port B pins are tri-stated when a reset condition becomes active, even if the clock is not running. Port B also serves the functions of various special features of the ATmega1284P as listed on page 80 [doc8059.pdf]. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 11 Ein- / Ausgabe ganz nah Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 12 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 6

7 Embedded Systems 1 General digitale I/O Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 13 Wieso Datenrichtungsregister? Each port pin consists of three register bits: DDxn, PORTxn, and PINxn. As shown in Register Description on page 90 [doc8059.pdf], the DDxn bits are accessed at the DDRx I/O address, the PORTxn bits at the PORTx I/O address, and the PINxn bits at the PINx I/O address. The DDxn bit in the DDRx Register selects the direction of this pin. If DDxn is written logic one, Pxn is configured as an output pin. If DDxn is written logic zero, Pxn is configured as an input pin. If PORTxn is written logic one when the pin is configured as an input pin, the pull-up resistor is activated. To switch the pull-up resistor off, PORTxn has to be written logic zero or the pin has to be configured as an output pin. The port pins are tri-stated when reset condition becomes active, even if no clocks are running. If PORTxn is written logic one when the pin is configured as an output pin, the port pin is driven high (one). If PORTxn is written logic zero when the pin is configured as an output pin, the port pin is driven low (zero). Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 14 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 7

8 Embedded Systems 1 PullUp was ist das nun wieder? MCUCR MCU Control Register Note: 1. Only available in the Atmel ATmega164PA/324PA/644PA/1284P. Bit 4 PUD: Pull-up Disable When this bit is written to one, the pull-ups in the I/O ports are disabled even if the DDxn and PORTxn Registers are configured to enable the pull-ups ({DDxn, PORTxn} = 0b01). See Configuring the Pin on page 73 for more details about this feature. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 15 Und was ist mit Low Active? Heißt: Eine logische 1 an einem Portbit (z.b. PORTA3) ausgegeben erzeugt auf dem STK500 eine dunkle LED. Eine logische 0 an einem Portbit (z.b. PORTA3) ausgegeben erzeugt auf dem STK500 eine leuchtende LED. Dies ist für belastete Ausgänge eine übliche Schaltmethode, da die Ausgangsschaltung mehr Strom gegen Masse abführen kann als Strom zu liefern. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 16 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 8

9 Embedded Systems 1 Verschieden Register, nur um einen Port zu beschicken Each port pin consists of three register bits: DDxn, PORTxn, and PINxn. As shown in Register Description on page 90, the DDxn bits are accessed at the DDRx I/O address, the PORTxn bitsat the PORTx I/O address, and the PINxn bits at the PINx I/O address. The DDxn bit in the DDRx Register selects the direction of this pin. If DDxn is written logic one,pxn is configured as an output pin. If DDxn is written logic zero, Pxn is configured as an input pin. If PORTxn is written logic one when the pin is configured as an input pin, the pull-up resistor is activated. To switch the pull-up resistor off, PORTxn has to be written logic zero or the pin has to be configured as an output pin. The port pins are tri-stated when reset condition becomes active, even if no clocks are running. If PORTxn is written logic one when the pin is configured as an output pin, the port pin is driven high (one). If PORTxn is written logic zero when the pin is configured as an output pin, the port pin is driven low (zero). Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 17 Und diese Ports muss man für eine Aus- oder Eingabe bearbeiten Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 18 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 9

10 Embedded Systems 1 Nicht alle (aber fast alle) Befehle funktionieren auf allen Registern All the register operating instructions in the instruction set have direct and single-cycle access to all registers. The only exception are the five constant arithmetic and logic instructions SBCI, SUBI, CPI, ANDI and ORI between a constant and a register and the LDI instruction for load immediate constant data. These instructions apply to the second half of the registers in the register file (R16..R31). The general SBC, SUB, CP, AND and OR and all other operations between two registers or on a single register apply to the entire register file. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 19 Register als doppelt lange Indesxregister nutzen The registers R26..R31 have some added functions to their general-purpose usage. These registers are address pointers for indirect addressing of the Data Space. The three indirect address registers X, Y, and Z are defined as: Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 20 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 10

11 Embedded Systems 1 Die Pointer- (Zeiger-) Register X, Y und Z Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 21 Register und SRAM The AT90S8515 contains 8K bytes On-chip In- System Programmable Flash memory for program storage. Since all instructions are 16- or 32-bit words, the Flash is organized as 4K x 16. The Flash memory has an endurance of at least 1000 write/erase cycles. The AT90S8515 Program Counter (PC) is 12 bits wide, thus addressing the 4096 program memory addresses. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 22 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 11

12 Embedded Systems 1 Speicheraufteilung The lower 608 data memory locations address the Register file, the I/O memory and the internal data SRAM. The first 96 locations address the Register file + I/O memory, and the next 512 locations address the internal data SRAM. An optional external data SRAM can be placed in the same SRAM memory space. This SRAM will occupy the location following the internal SRAM and up to as much as 64K - 1, depending on SRAM size. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 23 Internes und externes SRAM Accessing external SRAM takes one additional clock cycle per byte compared to access of the internal SRAM. This means that the commands LD, ST, LDS, STS, PUSH and POP take one additional clock cycle. If the stack is placed in external SRAM, interrupts, subroutine calls and returns take two clock cycles extra because the 2-byte program counter is pushed and popped. When external SRAM interface is used with wait state, two additional clock cycles is used per byte. This has the following effect: Data transfer instructions take two extra clock cycles, whereas interrupt, subroutine calls and returns will need four clock cycles more than specified in the instruction set manual. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 24 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 12

13 Embedded Systems 1 Organisation des SRAM Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 25 Adressierungsarten 1 OP = Operationscode-Anteil des Befehlswortes, der Operand befindet sich in Register d Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 26 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 13

14 Embedded Systems 1 Adressierungsarten 2 OP = Operationscode-Anteil des Befehlswortes, die Operanden befinden sich in den Registern Rr und Rd, Das Ergebnis wir in Register Rd abgelegt. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 27 Adressierungsarten 3 OP = Operationscode-Anteil des Befehlswortes, n bezeichnet das Register mit dem Byte, das auszugeben ist, p sind die 6 Bits des Befehlswortes, die den I/O-Port adressieren. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 28 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 14

15 Embedded Systems 1 Adressierungsarten 4 OP = Operationscode-Anteil des Befehlswortes, Die 16-Bit-Datenadresse befindet sich im unteren Wort der 2-Wort Instruktion. Rr bzw. Rd bezeichnen das Quell- oder Ziel- Register. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 29 Adressierungsarten 5 OP = Operationscode-Anteil des Befehlswortes, Die Adresse des Operanden ist das Ergebnis der Addition des Y- oder Z-Registers mit dem 6-Bit-Displacement (a) aus dem Befehlswort. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 30 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 15

16 Embedded Systems 1 Adressierungsarten 6 OP = Operationscode-Anteil des Befehlswortes, Die Adresse des Operanden befindet sich im X-, Y-, oder Z- Register. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 31 Adressierungsarten 7 OP = Operationscode-Anteil des Befehlswortes, Das X-, Y- oder Z-Register wird vor der Operation dekrementiert und Die dann als Zeiger (Pointer) auf den Operanden. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 32 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 16

17 Embedded Systems 1 Adressierungsarten 8 OP = Operationscode-Anteil des Befehlswortes, Das X-, Y- oder Z-Register dient als Zeiger (Pointer) auf den Operanden wird nach der Operation inkrementiert. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 33 Adressierungsarten 9 Adressierung einer Konstante mittels LPM-Befehl. OP = Operationscode-Anteil des Befehlswortes, Das Z-Register dient als Zeiger (Pointer) auf eine Konstante im Programmspeicher, wobei das LSB zur Selektion des oberen (LSB=1) bzw. unteren (LSB=0) Konstanten-Bytes benutzt wird.. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 34 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 17

18 Embedded Systems 1 Adressierungsarten 10 Indirekte Adressierung des Programmes für IJMP und ICALL. OP = Operationscode-Anteil des Befehlswortes, Das Programm wird an der Adresse fortgeführt, auf die das Z-Register (Zeiger = Pointer) zeigt. D.h. der PC wird mit dem Inhalt von Z geladen. Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 35 Adressierungsarten 11 Relative Adressierung im Programm mit den Befehlen RJMP und RCALL. OP = Operationscode - Anteil des Befehlswortes, k = relativer Anteil der Sprungadresse, die aus dem PC plus 1 gebildet wird. Das Programm wird an der Adresse PC + k +1 fortgeführt. Die relative Adresse k reicht, Dank der 12 Bits von bis Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 36 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 18

19 Embedded Systems 1 Miniprojekt (auf Handfolien): Toilettenlüftersteuerung Startet ca. 30 Sekunden nach dem Lichteinschalten, Läuft nach dem Lichtauschalten noch 60 Sekunden weiter. -> Zeitschleifen, -> Timer/Counter, -> T/C mit Interrupt; Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 37 Übungsaufgabe 2 Nachdem Sie im Praktikum 1b über die Zeitverhältnisse von Prozessor auf dem STK500 und der AVR-Studio-Simulation gestolpert sind (nachgedacht haben), überlegen Sie, wie eine Ampelschaltung (Praktikum 2) ablaufen könnte. Zeichnen Sie hierzu ein Ablaufdiagramm bzw. Nassi-Schneider-Diagramm! Schreiben Sie das Programm in C! Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 38 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 19

20 Embedded Systems 1 Übung zum Praktikum 2 vorbereiten Im Praktikum Nr. 2 wird eine Strassenkreuzung (Bild nächste Folie) an das STK500 angeschlossen (weitere Details Praktikumszettel). Überlegen Sie Timerstrategien hierzu und bereiten Sie die Programmierung der Timer- /Counter-Register vor! Zuerst nur die Kreuzung, dann der Fussgängerüberweg mit Anforderungstaster (mit der Hauptkreuzung synchronisieren). Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 39 Übungsaufgabe 2 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 40 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 20

21 Embedded Systems 1 Ampelphasen Hauptstrecke Nebenstrecke Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 41 Übungsaufgabe Welche Funktionen / Definitionen der io.h und der Stdint.h nutzen Sie für die Ampelsteuerung? Bereiten Sie die Ansteuerung der A-D-Wandler- Programmierung vor. Suchen Sie die Konfigurationsbits für das AD-Wandlerpraktikum heraus und packen diese in entsprechende (C-) Konstante, die Sie dann in Ihrem Programm einsetzen können! Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 42 FH Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 21