PROF. DR. M. FÖLLER NORD INSTITUT EMBEDDED AND MOBILE COMPUTING, FAKULTÄT FÜR INFORMATIK

Transkript

1 Microcomputing and Embedded Development (MCP) 01 Einführung und Grundlagen 1

2 Organisatorisches Wahlfach für Informatik Bachelor (6/7IB) RGS4: Vorlesung des Moduls Hardwarenahe Softwareentwicklung Gemeinsame mündliche Prüfung mit Robotik Wahlfach für Mechatronik(4MEBa) Zulassung zur Prüfungsleistung: Durch erfolgreich bestandene Pflichtübungen (Testat) Foliensatz zur Vorlesung im Internet unter: mannheim.de/~foeller E Mail: m.foeller@hs mannheim.de 2

3 Aufbau der Vorlesung Vorlesung Microcomputing Grundlagen Mikrocontroller Grundlagen Microcomputing am Beispiel eines ausgewählten Microcontrollers Pflichtübungen Programmierung des Mikrokontrollers in der Programmiersprache C Ansteuerung/Lesen von Hardwarekomponenten Im Rahmen von mehreren Pflichtübungen 3

4 Literatur Brinkschulte, Ungerer; Microcontroller und Mikroprozessoren; Springer Verlag; 2002 Bähring; Mikrorechner Technik Band I und II; Springer Verlag; 2002 Bollow, Homann, Köhn; C und C++ für Embedded Systems, mitp C167CR User Manual C167CR/CS DataSheet, V 3.2, Infineon Technologies, Juli 2001 Instruction Set Manual for the C166 Family of Infineon 16 Bit Single Chip Microcontrollers V2.0; Infineon Technologies, März 2001 phycore 167 QuickStart Instructions, PHYTEC phycore 167 Hardware Manual, PHYTEC 4

5 Microcomputing Microprocessor Mikrorechnersystem DSP Microcomputer Digital Signal Processor Microcontroller RS SoC Mikrocontroller Embedded Controller Mikroprozessor P Mikrorechner C CPU MPU Embedded Systems Digitaler Signalprozessor Microcomputer System 5

6 Microcomputing Mikroprozessor Microprocessor CPU MPU P Mikrorechner Microcomputer Mikrorechner system Mikrocontroller Microcomputer system Microcontroller RS C Embedded Controller Embedded Systems Digitaler Signalprozessor Digital Signal Processor DSP SoC 7

7 Microcomputing Mikroprozessor Microprocessor CPU MPU P Zentraleinheit eines Datenverarbeitungssystems Mit weiteren Komponenten auf einem einzigen Chip untergebracht Besteht aus Steuerwerk und Rechenwerk und Schnittstelle zur Außenwelt Aufgabe: Ausführung von Programmen Mikrorechner Microcomputer Rechner (Computer) dessen Zentraleinheit aus einem oder mehreren Mikroprozessoren besteht Zusätzlich: Speicher, Ein/Ausgabe Schnittstellen, Verbindungssystem Mikrorechnersystem Microcomputer system RS Mikrorechner mit Peripheriegeräten i (Tastatur, t Drucker, etc) 8

8 Microcomputing Mikroprozessor Microprocessor CPU MPU P Mikrorechner Microcomputer Mikrorechner system Mikrocontroller Microcomputer system Microcontroller RS C Embedded Controller Embedded Systems Digitaler Signalprozessor Digital Signal Processor DSP SoC 9

9 Embedded System Embedded System: Ein Computer, der nicht als solcher wahrgenommen wird. 10

10 Einsatzgebiete von Embedded Systems Im Haushalt die Steuerung der Kaffeemaschine, der Waschmaschine, des Telefons, des Staubsaugers, des Fernsehers,... In der Automatisierung das Steuern und Regeln von Prozessen, dasüberwachen von Prozessen, das Regeln von Materialflüssen, die Steuerung von Fertigungs und und Produktionsanlagen,... In der Medizintechnik Infusionsgeräte Beatmungsgeräte Herz Kreislauf Monitor Bestrahlungsgeräte,... Musik/Unterhaltung Keyboard Mischpult Effektgeräte Audio-Interfaces 11

11 Embedded Systems in der KFZ Technik Airbag Intelligente Bordysteme (GPS, ) Klimaautomatik/ Heizung Elektr. Schiebedach Sitzheizung, Sitzverstellung Türverriegelung, Diebstahlsicherung Motorsteuerung Rückleuchten Rückfahrhilfen Antiblockiersystem Spiegelverstellung (ABS) Lenküberwachung Bremshilfen Anti-Schlupf-Regelung (ASR) Elektronische Differentialsperre (EDS) Elektronisches Stabilisierungsprogramm (ESP) 12

12 Anforderungen an Embedded Systems (1) Gegenüber reinen Rechensystemen stellen eingebettete Systeme weitere Anforderungen: Shi Schnittstellenanforderungen: mehr und vielfältigere ilfäli Schnittstellen als bei reinen Rechensystemen Mechanische Anforderungen: robuster Aufbau, rauhe Umgebung, mechanische Belastung, begrenzter Raum, vorgegebene geometrische Form Elektrische Anforderungen: vorgegebene Versorgungsspannung, limitierter Energieverbrauch, geringe Abwärme 14

13 Anforderungen an Embedded Systems (2) Zuverlässigkeitsanforderungen: Ausfallsicherheit, Notbetrieb, z.b. bei Bremsen, der Steuerung eines Kernreaktors, einem Flugzeug,... Zeitanforderungen: Ausführung von Tätigkeiten innerhalb einer vorgegebenen Zeit => Echtzeitsysteme Ein Ergebnis ist nur korrekt, wenn es logisch korrekt ist und zur rechten Zeit zur Verfügung steht! Harte Echzeit: das Nichterfüllen einer zeitlichen Beschränkung hat fatale Folgen (ABS, Airbag, Werkzeugmaschinen) Weiche Echtzeit: Einhalten zeitlicher Bedingung, deren Verletzung allenfalls eine verminderte Nutzung bedeutet (Voice over IP, Audio/Video Streaming) 15

14 Microcomputing Mikroprozessor Microprocessor CPU MPU P Mikrorechner Microcomputer Mikrorechner system Mikrocontroller Microcomputer system Microcontroller RS C Embedded Controller Embedded Systems Digitaler Signalprozessor Digital Signal Processor DSP SoC 16

15 Microcontroller Mikrorechner auf einem Chip Prozessorkern, Speicher und Ein /Ausgabeschnittstellen Zusätzlich: On Chip Peripherie Einheiten Ziel: Steuerungs oder Kommunikationsaufgabe mit möglichst wenigen Bausteinen lösen Beispiel: Fernbedienung 17

16 Steuerung von Bedienelementen Eingabe: Matrix Tastatur Ausgabe: LCD DisplayDi 18

17 Komponenten eines Microcontrollers Prozessor kern RAM ROM (Flash) Takt On Chip Peripherie Einheiten Ein / Ausgabe Steuerung Interrupt Handling Erweiterungsbusschnittstelle 19

18 DSP (Digitale Signalprozessoren) Spezielle Prozessorarchitekturen zur digitalen Verarbeitung analoger Signale Hochleistungsarithmetik zur schnellen fortgesetzten Multiplikation und Addition (MAC, Multiply pyand Accumulate) => schnelle Berechnung von Polynomen vom Anwender steuerbare Parallelität spezielle Schnittstellen zur Ein und Ausgabe von analogen Signalen 20

19 SoC (System onchip) Konsequente Weiterentwicklung der Mikrocontrolleridee, Systeme mit möglichst wenigen Bausteinen zu realisieren Mikrocontroller: standardisierter Rechnerbaustein, mit wenigen anderen Komponenten entsteht anwendungsspezifisches System SoC: vollständiges anwendungsspezifisches System auf einem einzigen Chip 21

20 Schalenmodell eines Mikrocontrollers Prozessor kern prinzipiell kein Unterschied zum Kern eines Mikroprozessors Kosten spielen jedoch meist die dominante Rolle Einfacher als der Kern eines Mikroprozessors Zwei Ansätze: 1. für den Mikrocontroller entwickelter einfacher Kern 2. Verwendung von Prozessorkerne älterer Mikroprozessoren Modifikationen: Stromsparmodus keine virtuelle Speicherverwaltung => Reduktion des Stromverbrauchs, Verbesserung des Echtzeitverhaltens 22

21 Schalenmodell eines Mikrocontrollers Schreib /Lesespeicher (RAM) Prozessor kern EEPROM Flash Festwertspeicher integrierter Festwert und Schreiblesespeicher Aufnahme von Daten und Programmen Vorteil: Einsparung von Anschlüssen und Decodierlogik bei vollständiger interner Speicherung Größe und Typ des Speichers unterscheiden oft verschiedene Untertypen desselben Mikrocontrollers unterschiedlicher Typ des Festwertspeichers (ROM, PROM, EPROM, EEPROM, FLASH) 23

22 Schalenmodell eines Mikrocontrollers Schreib /Lesespeicher (RAM) Prozessor kern serielle/parallele I/O Kanäle EEPROM Flash Festwertspeicher grundlegenden digitalen Schnittstellen eines Mikrocontrollers I/O Ports I/O Port verfügt über mehrere Pins (4, 8, 16), die unabhängig voneinander betrieben werden können => parallele Ein /Ausgabe möglich Ansteuerung von seriellen Schnittstellen möglich RS 232, CAN Bus, I 2 C Bus, synchron oder asynchron unterschiedliche Anzahl von seriellen und parallelen Kanälen bei verschiedenen Mikrocontroller Untertypen 24

23 Schalenmodell eines Mikrocontrollers Schreib /Lesespeicher (RAM) AD Wandler Prozessor kern serielle/parallele I/O Kanäle EEPROM Flash Festwertspeicher grundlegenden analogen Schnittstellen eines Mikrocontrollers ADC: Wandlung eines analogen in einen digitalen Wert Anschluss analoger Sensoren DAC: Wandlung eines digitalen in einen analogen Wert Anschluß analoger Aktoren DACs sind seltener in Cs zu finden als ADCs. 25

24 Schalenmodell eines Mikrocontrollers Timer/Counter Schreib /Lesespeicher (RAM) Prozessor kern serielle/parallele I/O Kanäle EEPROM Flash Festwertspeicher wichtiges Hilfsmittel l für Vielzahl unterschiedlich komplexer Anwendungen Bsp: Zählen von Ereignissen, Messen von Zeiten kommen mit einem Zähler AD Wandler bzw. Zeitgeber aus Pulsweitemodulation (PWM), Frequenz oder Drehzahlmessung, Schrittmotorsteuerungen benötigen mehrere Einheiten => Die bei Mikrocontrollern verfügbare Bandbreite reicht von einfachen Up /Downcountern über Capture Compare Einheiten bis zu autonomen Zeitgeber Coprozessoren 26

25 Schalenmodell eines Mikrocontrollers Timer/Counter Schreib /Lesespeicher (RAM) serielle/parallele I/O Kanäle Wachhund zur Überwachung der Programmaktivitäten eines Mikrocontrollers Programm muss in regelmäßigen Abständen Lebenszeichen liefern Bleiben diese aus, so nimmt der Wachhund einen Fehler bl f Reset Dient zur Erkennung von Programmverklemmungen, Abstürzen, Stromausfällen,. Watchdog AD Wandler Prozessor kern im Programmablauf an => EEPROM Flash Festwertspeicher Wichtig für sicherheitskritische Anwendungen, z. B. Medizintechnik, etc. 27

26 Schalenmodell eines Mikrocontrollers Timer/Counter Schreib /Lesespeicher (RAM) AD Wandler Prozessor kern serielle/parallele I/O Kanäle Watchdog Real Time Ports Echtzeiterweiterung der parallelen E/A Kanäle Kopplung eines parallelen Kanals mit einem Zeitgeber => Ein /Ausgabezeitpunkt wird von der Hardware und nicht der Software bestimmt Echtzeit Kanäle EEPROM Flash Festwertspeicher => Jitterfreie Ein /Ausgabe 28

27 Schalenmodell eines Mikrocontrollers Prozessor kern Watchdog Echtzeit Kanäle Timer/Counter Schreib /Lesespeicher (RAM) AD Wandler DMA/ Interrupts serielle/parallele I/O Kanäle EEPROM Flash Festwertspeicher Interrupts: Unterbrechung des Programmablaufs bei Ereignissen Behandlung eines Ereignisses durch eine Interrupt Service Routine Danach Aufnahme der normalen Programausführung an der unterbrochenen Stelle Schnelle, vorhersagbare Reaktion auf Ereignisse wichtig bei Echtzeitanwendungen DMA: Direkter Datentransfer zwischen Peripherie i und Speicher ohne Beteiligung des Prozessorkerns Höhere Datenraten durch spezielle Transferhardware Entlastung des Prozessorkern Meist in Mikrocontrollern gehobener Leistungsklasse zu finden 29

28 Schalenmodell eines Mikrocontrollers Prozessor kern Watchdog Echtzeit Kanäle Timer/Counter Oft begrenzter Energievorrat oder Wärmeemission bei Mikrocontroller Anwendungen Ruhebetrieb (Standby Modus) zur Reduktion des Energieverbrauchs Abschaltung nicht benötigter Peripheriekomponenten und Festwertspeicher Erhaltungsspannung am Schreib /Lesespeicher Statische Prozessorkerne (Zustandsinformation in Flip Flops) erlauben einen Takt von 0 Hz Energieverbrauch proportional zur Taktfrequenz Schreib /Lesespeicher (RAM) AD Wandler DMA/ Interrupts serielle/parallele I/O Kanäle EEPROM Flash Festwertspeicher Ruhebetrieb 30

29 Schalenmodell eines Mikrocontrollers Timer/Counter Schreib /Lesespeicher (RAM) serielle/parallele I/O Kanäle AD Wandler Reichen die internen Komponenten eines Mikrocontrollers für eine Anwendung nicht aus => Erweiterungsbus zum Anschluss externer Komponenten Ein Bus benötigt viele Anschlüsse (z.b. 16 Bit Adressen, 8 Bit Daten, 4 Steuersignale = 28 Anschlüsse) > Multiplexing (z.b. Daten /Adressmultiplexing: Daten Prozessor kern Anschlüsse) => EEPROM Flash Festwertspeicher Watchdog Echtzeit Kanäle Erweiterungsbus Ruhebetrieb DMA/ Interrupts und Adressen teilen sich die gleichen Leitungen) Bus muss sich Anschlüsse mit internen Peripheriekomponenten teilen (Ressourcenkonflikt) 31

30 Microcontrollerfamilien es existiert eine Vielzahl verschiedener Mikrocontroller Organisation in Mikrocontrollerfamilien Die Mitglieder einer Familie besitzen meist estgec gleichen e Prozessorkern e => Gleichen Befehlssatz (instruction set) Unterscheiden sich in: Speicher Ein /Ausgabeschnittstellen On Chip Peripherie Einheiten 32

31 Beliebte Mikrocontroller Familien Hersteller Familie Leistungsklasse Microchip Technologies PIC10 8 Bit PIC 12 PIC 16C5x 8 Bit 8 Bit Atmel 80C51 8 Bit AVR 8 Bit Infineon C500 8 Bit C166 TriCORE 16 Bit 32 Bit Motorolla MC68HC05 8 Bit MC68HC12 MCore 16 Bit 32 Bit ST Microelectronics i STM32F100xx 32 Bit Urvater aller Microcontroller: 8051 von Intel 33

32 Leistungsklassen und Familien Leistungsklasse eines Mikrocontrollers: wird vom Prozessorkern bestimmt. Datenbusbreite ist hier ein wesentliches Merkmal => 8 Bit, 16 Bit, 32 Bit Mikrocontroller Anmerkung: bezeichnet bei Mikrocontrollern oft nur die Breite des internen Datenbusses und der Register Breite des Erweiterungsbusses meist schmäler Mikrocontrollerfamilie: Menge von Mikrocontrollern mit gleichem Prozessorkern, aber unterschiedlicher Peripherie und unterschiedlichem Speicher => Anwendungsorientierte, kostenoptimale Lösungen werden möglich 34

33 C167 CR LM vs. STM32F100RB (1) CPU Block Core: 16 Bit CPU, C166 Architecture 20 (25/33) MHz CPU Takt ON Chip Speicher i h ARM 32 bit Cortex M3 CPU 24 MHz maximum frequency Memories ROM/Flash EPROM: RAM: 4 kbyte Adressumfang: Linearer Adressraum von 16 MByte für Programmcode und Speicher 128 Kbytes of Flash memory 8 Kbytes of SRAM Adressumfang: Linearer Adressraum von 4 GByte für Programmcode und Speicher Programmierbares Businterface für Zugriff auf externen Speicher und externe Peripherieeinheiten Interrupt System 56 interne/externe Interrupt Quellen 16 stufiges Interrupt Prioritäten System Flexible static tti memory controller (FSMC) für Zugriff auf externe Speichereinheiten Interrupts: 41 maskable interrupt channels 16 priority levels 35

34 C167 CR LM vs. STM32F100RB (2) 111 I/O lines 9 x 16 bit timers Capture/Compare Units p 1 PWM unit with 4 channels 1x 10 bit A/D converter (16 Channels) Convesion range: 0 to 5 V programmable watchdog timer Communication Interfaces: 2 serielle interfaces (RS 232) 2 CAN Bus interfaces Boostrap Loader Modul Power Down Modul 51 I/O lines 9 x 16 bit timers capture/compare p channels 3 PWM channels 1 12 bita/d converter (16 channels) Conversion range: 0 to 3.6 V Temperature sensor 2 12 bit D/A converters 2 watchdog timers Up to 8 communications interfaces I 2 C interface USART SPIs (12 Mbit/s) Consumer electronics control (CEC) interface CRC calculation unit 36

35 Den Richtigen finden Aufgabenstellung Peripherie Messen Steuern Regeln Überwachen Mensch Maschine Schnittstelle Ereignisbehandlung Allgemeine Leistungsmerkmale Auswahlkritierien Speicher Umgebung Ökonomische Merkmale Weitere technische Merkmale 37

36 Den Richtigen finden Anzahl der Unterbrechungseingänge Prioritäten Steuerung frei wählbare oder starre Prioritäten Sperren einzelner Unterbrechungen Reaktionszeit auf eine Unterbrechung Aufgabenstellung Peripherie Ereignisbehandlung Allgemeine Leistungsmerkmale Auswahlkritierien Speicher Umgebung Ökonomische Merkmale Weitere technische Merkmale 38

37 Den Richtigen finden Aufgabenstellung Peripherie Wieviel Programm und Datenspeicher wird benötigt Reicht interner Daten und Programmspeicher? Ist ein externer Busanschluss vorhanden? Was ist die max. externe Speichergröße? Ereignisbehandlung Allgemeine Leistungsmerkmale Auswahlkritierien Speicher Umgebung Ökonomische Merkmale Weitere technische Merkmale 39

38 Den Richtigen finden Peripherie Allgemeine Leistungsmerkmale, Architektur der CPU Aufgabenstellung CISC oder RISC Architektur Von Neumann oder Harvard Architektur Ereignisbehandlung Wortbreite otbete(8, 16, 32 Bit) Adressraum Befehlsarten: Lade und Speicher Operationen logische l i h & arithmetische Speicher ti h Auswahlkritierien Operationen Multiplikation & Division Schiebeoperationenp Bit Testoperationen Gleitkomma Operationen Umgebung Ökonomische Merkmale Weitere technische Merkmale 40

39 Den Richtigen finden Peripherie Allgemeine Leistungsmerkmale Aufgabenstellung Auswahlkritierien parallelen E/A Kanäle seriellen E/A Kanäle Interrupt Eingänge Zähler/Zeitgeber A/D Wandler D/A Wandler DMA Controller Ereignisbehandlung Eht Echtzeitkanäle speziellen Peripherie wie CAN, I2C,... Speicher Umgebung Ökonomische Merkmale Weitere technische Merkmale 41

40 Den Richtigen finden Aufgabenstellung Peripherie Ereignisbehandlung Allgemeine Leistungsmerkmale Auswahlkritierien Taktfrequenz Tk Taktzyklen klspeicher pro Befehl Bfhl Möglichkeit zum Anschluss langsamer Peripherie Energiebedarf Abwärme Umgebung Stromspar Modus Ökonomische Merkmale Weitere technische Merkmale 42

41 Den Richtigen finden Aufgabenstellung Peripherie Ereignisbehandlung Allgemeine Leistungsmerkmale Auswahlkritierien Speicher Umgebung Hitze/Kältebeständigkeit tä Mechanische Belastbarkeit Ökonomische Merkmale Strahlungsfestigkeit Weitere technische Merkmale 43

42 Den Richtigen finden Aufgabenstellung Peripherie Ereignisbehandlung Allgemeine Leistungsmerkmale Ökonomische Merkmale Speicher Auswahlkritierien Preis Verfügbarkeit Umgebung Produktpflege Kundenunterstützung (Support) Weitere technische Merkmale 44

43 Software Entwicklung für Microcontroller Versions Verwaltung Quelldateien freigegebene Quelldateien Editor Compiler Cross Source Code Development Integrierte Entwicklungs Umgebung (IDE) Cross Development Objekt Dateien Symbole Linker Debugger Anwendungsprogramm Ausführbare Datei Test Entwicklungs PC Zielsystem:Microcontroller Prof. Dr. M. Föller-Nord, Institut für Embedded and Mobile Computing, Hochschule Mannheim 45

44 Programmiersprachen Früher nur Assembler heute meist C, nur zeitkritische Teile in Assembler bei leistungsfähigeren Mikrocontrollern auch C++, erfordert aber mehr Ressourcen und erzeugt mehr Dynamik Java in der Regel zu ressourcen intensiv Es existieren jedoch einige Forschungsbemühungen in diese Richtung Prof. Dr. M. Föller-Nord, Institut für Embedded and Mobile Computing, Hochschule Mannheim 46

45 Speicherbedarf wesentlicher Unterschied zur Programmentwicklung auf dem PC bi bei Mikrocontrollern ist Speicher ih eine knappe Ressource Compiler optimieren meist in Richtung Speicherbedarf (selten Geschwindigkeit) Speichersparende Algorithmen sind gefragt Prof. Dr. M. Föller-Nord, Institut für Embedded and Mobile Computing, Hochschule Mannheim 47

46 Entwicklungsprozess Entwicklungs PC Microcontroller Simulator (Software) Download: serielle Schnittstelle, USB, JTAG Download o. Programmieren von EPROM, Flash Microcontroller Testsystem PC Interface Micro controller Micro Contr. Db Debug Monitor Microcontroller Zielsystem Hardware Inteface Evaluation Board Test Hardware Ziel Hardware Prof. Dr. M. Föller-Nord, Institut für Embedded and Mobile Computing, Hochschule Mannheim 48

47 Evaluation Board/Starterkit für C167 phycore 167 auf phycore HD 200 Connectoren CAN RS 232 C167CR-LM Ext. Flash Ext. RAM Reset/Boot -Buttons Test-LED Spannungsversorgung Prof. Dr. M. Föller, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 49

48 Evaluation Board STM32 Discovery Connectoren USB STM32F100RB Test-LED Reset/User- Button Connectoren Test-LED 50