Embedded Systems Bitte beachten Sie die extra auf den Proki gelegten Folien zum Thema! ES1_16_V5

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1 Embedded Systems I Themen am : Embedded C; Pseudoanweisungen für Compiler, ISP In System Programming, Bitte beachten Sie die extra auf den Proki gelegten Folien zum Thema! ES1_16_V5 Ulrich Schaarschmidt FH Düsseldorf, WS 2016/17 Literaturhinweise (unbewertete Reihenfolge!) Datenblätter der Fa. Atmel, ATmega16.pdf Application Notes der Fa. Atmel Atmel AN AVR035: Efficient C Coding for AVR AVR-GCC-Codeoptimierung: Michael J. Pont: Embedded C el_j_pont_2002.html?s=1 2002/2005, Pearson Education Limited (Addison-Wesley) Schmitt, Günter: Mikrocomputertechnik mit Controllern der Atmel AVR-RISC- Familie Bollow, F.; Homann, M.; Köhn, K.-P.: C und C++ für Embedded Systems 2002, mitp-verlag, Bonn Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 2 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 1

2 Zum Praktikum im Informatik-PC-Pool Aus gegebenem Anlass: Es besteht absolutes Verbot auf den Laborrechnern Ihre (Web-) s abzuholen und zu bearbeiten. Es besteht ein Verbot der selbständigen Nutzung von USB-Memory-Sticks aller Art. Bitte zu Hause bearbeitete Software ausschließlich über die Betreuer in den Server transferieren Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 3 Embedded C mit Mikrocontrollern Der niedrige Preis verbunden mit der leichten Erwerbbarkeit, der große Einsatzbereich und die einfache Anwendbarkeit machen die Mitglieder der Atmel AVR- Familie zur idealen Einstiegsplattform für das grundlegende Lernen von und mit Eingebetteten Systemen. Für den Auf-/Umstieg auf 16- und 32-bit-Mikrocontroller- Syteme werden hier die Grundlagen gelegt, die auch später NICHT überflüssig werden, da es einen kostenkritischen Markt für Mikrocontroller gibt, der von Pentium (und ähnlichen) Workstation-Prozessoren NICHT bedient werden kann (siehe Einführungsfolien) Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 4 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 2

3 Embedded C Der offensichtlich geringe Speicherplatz auf den AVR-Controllern ist für die Implementierung der Betriebssysteme wie Windows oder Linux zu gering. Auch die für Embedded Systems speziell entwickelten Embedded- Windows (CE / NT) oder Embedded Linux (elinos) und andere sind für viele MCUs zu umfangreich. Trotzdem werden zur Erleichterung der Arbeit auf und für Atmel- AVR-Controller einige RTOS (Real Time Operating System) angeboten. Sie lernen also die Arbeit mit einem nackten System und werden am Ende Ideen entwickelt haben, wie ein einfaches (selbstgebautes) Betriebssystem mit einigen Schlüsselfunktionen auf dem relativ kleinen AVR implementiert werden könnte Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 5 C - Toolchain [ Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 6 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 3

4 Embedded C (Programmtext) Globaler Vereinbarungsteil, Hauptfunktion main In main werden lokale Vereinbarungen und Anweisungen in Blockbegrenzungs- { } eingeschachtelt; Vereinbarungen: Deklaration und Definition (zusammengefaßt ohne Unterscheidung der Unterschiede) Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 7 Embedded C (Programmtext) Deklaration: Eigenschaften einer Funktion oder eines benutzerdefinierten Datentyps werden vereinbart. Definition: Speicherplatz für Daten reservieren, Code für Befehle erzeugen. Initialisierung: Konstante festlegen, Variable mit Startwerten festlegen Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 8 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 4

5 Embedded C (Datentypen) [Schmitt, 3. Aufl.] Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 9 Embedded C (Konstante) Volatile für Speichervariablen davor setzen [Schmitt, 3. Aufl.] Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 10 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 5

6 Steuerzeichen für die Kommunikation (via Terminal) [Schmitt, 3. Aufl.] Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 11 Angaben zur Taktrate in den Vereinbarungen [Schmitt, 3. Aufl.] Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 12 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 6

7 Pseudoanweisungen 2 Preprozessor Macro Definition: 1. #ifdef name 1. #ifdef FOO // do something #endif 2. #ifndef name Entsprechender Einsatz Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 13 Pseudoanweisungen 3 Einbinden von vorhandenen Programmen durch den Preprozessor: 1. #include <file> 1. #include <m48def.inc> 2. Sucht in dem Verzeichnis für include-files 2. #include "file 1. #include "mydefs.inc 2. Aktuelles Arbeitsverzeichnis entspricht der Assembleranweisung.include Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 14 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 7

8 Pseudoanweisungen 4 vordefinierte Macros Die vordefinierten Anweisungen (z.b. von Atmel) sind durch name zu erkennen. Z.B.: AVRASM_VERSION (Typ) Integer, Assembler Version, encoded as (1000*major + minor) CORE_VERSION (Typ)String, AVR core version. DATE (Typ)String, Build date. Format: "Jun ". TIME (Typ)String, Build time. Format: "HH:MM:SS". FILE (Typ)String, Source file name. Und andere Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 15 ISP - Interface 3 Leitungen, mit deren Hilfe der Controller interne Flashspeicher bzw. das EEPROM (für Programme und Konstanten) beschrieben und gelesen werden kann. SCK (serial clock) Taktsignal, das die zu schreibenden Bits in ein Schieberegister eintaktet und zu lesende Bits aus einem weiteren austaktet. MOSI (Master Out Slave In) Datensignal, das die einzutaktenden Bits an den Zielchip liefert. MISO (Master In Slave Out) Datensignal, das die auszutaktenden Bits liefert Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 16 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 8

9 Anschluss des ISP an den SPI-Bus der Zielschaltung SPI -> Serial Peripheral Interface; ISP -> In System Programming Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 17 Vorzusehende Anschlüsse für Schaltungen mit ISP Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 18 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 9

10 Header Connector (6 pins) Auch 10 Pin Steckverbinder sind üblich (auf dem SDK500 sind beide vorhanden) Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 19 Eine Möglichkeit der ISP mit 6 Leitungen / Pins Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 20 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 10

11 Einfaches (Selbstbau-) IS- Programmiergerät AN: AVR910, 05/ Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 21 SPI Interface Beispiel: AVR Master -> ser. EEPROM AN: AVR320 Software SPI Master Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 22 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 11

12 Timing der Übertragung AN: AVR320 Software SPI Master Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 23 Flussdiagramm des SPI-Masters Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 24 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 12

13 Beschreibung der Unterprogramme init_spi Initialisierung der Port-Leitungen. ena_spi Sicherstellen, dass SCK Low- Signal führt, bevor /SS in den aktiven Zustand geht. disa_spi bringt das Signal /SS in den High-Zustand (inaktiv). Sollte benutzt werden, wenn eine Übertragungssequenz komplett ist, um zufällige Taktungen der SPI-Slaves zu verhindern Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 25 Beschreibung der Unterprogramme rw_spi sendet oder empfängt entweder 8 oder 16 bit Datenworte (abhängig vom Quellcode). Sie hinterlässt das SCK- Signal low bis zum Ende und modifiziert das /SS-Signal nicht. Durch wiederholten, einfachen Aufruf dieser Routine können viele hin- und her-übertragungen stattfinden Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 26 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 13

14 Setup and Hold Timing Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 27 JTAG Schnittstelle zum Programmieren & Debuggen Das AVR-JTAG - Interface ist ein Programmierund Emulator-Interface für die neueren AVR- Controller mit JTAG-Interface. Es ist ein universelles Entwicklungstool für die Programmierung, Echtzeitemulation und das Debugging (Fehlersuche) von allen AVR- Controllern der ATmega Serie mit JTAG-Interface (z.b. ATmega16, ATmega162, ATmega169, ATmega32, ATmega64, ATmega128) und der aktuellen ATXmega Bausteine Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 28 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 14

15 JTAG Schnittstelle zum Programmieren & Debuggen AVR-JTAG bietet den vollen Zugriff auf die Ressourcen des angeschlossenen Mikrocontrollers, inkl. Flash, EEPROM, RAM, Register, Fusebits und I/O-Module. Breakpoints für Programm- und Datenzugriffe, Einzelschrittbetrieb und In-System Programmierung sind Standardfeatures des AVR-JTAG. Das Tool ist komplett in Atmels Entwicklungsumgebung AVR Studio integriert Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 29 JTAG Schnittstelle der Anschluss / Connector Pin Signal AVR Pin Pin 01 TCK TCK Pin 02 GND GND Pin 03 TDO TDO Pin 04 VREF VCC Pin 05 TMS TMS Pin 06 NSRST RESET Pin 07 VCC nicht verb. Pin 08 NTRST nicht verb. Pin 09 TDI TDI Pin 10 GND GND Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 30 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 15

16 JTAG für Atmel-Controller Technische Daten / JTAGICE voll integriert in der AVR Studio Entwicklungsumgebung; Firmware-upgrades/updates über das AVR Studio möglich; RS232- oder USB- Verbindung zum PC Flachbandkabel (ca. 20cm) mit 10-pol. JTAG-Stecker zum Target (beim USB-Modul Potential mit Optokopplern vom PC getrennt und Stromversorgung aus USB-Schnittstelle) 3V..5V Betriebsspannung (vom Target über das JTAG- Kabel) In-System Programmierung On-Chip Debugging voller Zugriff auf alle Ressourcen des Controllers Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 31 JTAG - Interface Programmieren des Flash und EEproms unabhängig vom dem an der CPU anliegenden Clocksignal. Debuggen in der Schaltung (ICE) mit der original CPU ohne zusätzliche Spezial Fassungen - JTAG Debugging bietet die Funktionen: Breakpoint setzen/rücksetzen Run/Stop Single Step Watches auf Variable setzen Register und IO-Port view Testen der CPU und des kompletten Ports über das Boundary Scan Feature der CPU. Dazu muss das Board nur Spannung haben, ein Programm in der CPU ist nicht notwendig. Nicht einmal der Oszillator muss dazu funktionieren Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 32 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 16

17 JTAG Interface / Atmel-Infos The JTAGICE mkii is a mid-range development tool for use with 8- and 32- bit AVR devices with On Chip Debug capability. JTAGICE mkii is used for source level debugging, NanoTrace (if supported by the device) and device programming. JTAGICE mkii supports the following programming modes: SPI JTAG PDI awire It also supports debugging using the following interfaces: debugwire JTAG PDI awire Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 33 Boundary Scan Die interne Boundary Chain der CPU wird dazu benutzt, alle internen Register und Ports der CPU zu lesen und zu schreiben. Dadurch ist es möglich, jeden Pin der CPU fernzusteuern bzw. einzulesen. Durch entsprechendes Steuern der IO-Pins der CPU wird auf der Hardware (Board) ein bestimmtes Verhalten erzeugt, das dann über die IO-Pins wieder eingelesen werden kann. Da bei bestimmten Soll-Vorgaben durch PIN-Outputs auch eine bestimmte Reaktion der sonstigen Hardware erwartet werden muss, kann durch einlesen der Pins und anschließendem Vergleich von Ist- und Sollwert auf Hardware Fehler des Boards geschlossen werden. Anhand des Schaltplans/Layouts und den auftretenden Fehlern ist dann sogar eine recht gute Bestimmung der Art des Fehlers und dessen Position auf dem Board möglich Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 34 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 17