Laborübung 4. Abnahme (bitte vom Betreuer per Unterschrift bestätigen lassen) Aufgabe 1 Aufgabe 2 Aufgabe 3 Aufgabe 4

Transkript

1 Maschinenorientierte Programmierung Prof. Dr. Sven-Hendrik Voß SoSe Juni 2017 Laborübung 4 Abnahme (bitte vom Betreuer per Unterschrift bestätigen lassen) Aufgabe 1 Aufgabe 2 Aufgabe 3 Aufgabe 4 Hinweise zum Labortermin 4 Beachten Sie die bereits bekannten grundsätzlichen Hinweise für die Labortermine. Für alle Programmentwurfsaufgaben ist der schon bekannte Ablauf einzuhalten. Achten Sie insbesondere auf die rechtzeitige Abgabe Ihres Laborberichts und Vollständigkeit der Unterlagen. Dazu zählen u.a. die Beantwortung aller behandelten Fragen unter Aufzeigung des Lösungsweges, Programmablaufpläne und kommentierter Code! Die Abnahme der Laborleistung erfolgt im Rahmen einer praktischen Vorführung auf der Hardware! Diese ist obligatorisch und muss vom Betreuer abgenommen und gegengezeichnet werden. Wie immer ist zum Gelingen der Laborübung eine gute Vorbereitung vorab unerlässlich. Markierte Aufgaben sind als Vorbereitung zu dem Termin vorab zu bearbeiten (Hausaufgabe) und am Anfang des Labortermins vorzuzeigen 1

2 Aufgabe 1 Kontrollfragen 1. Ein Programm bestehe aus mehreren Unterprogrammen. Jedes beinhalte 2 push-befehle zur Rettung von Registerinhalten. Wie tief könnten die Unterprogrammaufrufe verschachtelt sein, wenn der Stack-Bereich 28 Bytes umfaßt? 2. Was ist der Unterschied zwischen den Befehlen INC A und INC ACC? 3. Vertiefen Sie selbstständig die Eigenschaften des 8051 Mikrocontrollers im Hinblick auf den Betrieb im Primär- und Sekundärmodus (siehe Skript). Anschließend beantworten Sie Folgendes: Der Pin EA liege auf High-Pegel. Der Inhalt des Programmzählers sei B0B1h. Wird der nächste Befehl aus dem internen oder dem externen Programmspeicher geladen (Begründung)? Aufgabe 2 Der 8051 Mikrocontroller kann so programmiert werden, dass er eine Musiknote spielt, indem er einen Ton mit spezifischer Frequenz und Dauer erzeugt. Das STC 8051 Professional Kit verfügt dazu über einen Buzzer (englisch für Summer, Pieper), einen elektrisch ansteuerbaren akustischen Signalgeber, der einen Summ- bzw. Piepton erzeugt. Entwickeln Sie einen Drei-Ton-Synthesizer in Assembler und halten Sie sich bei der Implementierung an folgende Vorgehensweise: 1. Um mit einem Mikrocontroller Töne zu erzeugen, müssen an dem Ausgang, an dem der Buzzer angeschlossen ist, Rechtecksignale mit der dem zu erzeugenden Ton entsprechenden Periodendauer generiert werden. Berechnen Sie die Periodendauer, sowie die mittels einer Warteschleife zu überbrückende Dauer an Maschinenzyklen für die Töne c 4, e 4 und g 4. Orientieren Sie sich dabei an Aufgabe 3 der Laborübung 3. Hinweis: Grundton a 1 hat eine Frequenz von f=440 Hz. Eine Tonleiter mit 8 Tönen ist eine Oktave und entspricht einer Verdopplung der Frequenz. Eine 2

3 Liste der Frequenzen aller Töne der Klaviertastatur in der gleichstufigen Stimmung finden Sie in Tabelle 1 (letzte Seite). 2. Erstellen Sie ein Programm, mit dem die Töne c 4, e 4, g 4 (C-Dur Tonleiter) erzeugt werden können. Ermöglichen Sie es, dass diese mit Betätigung der Taster S19 (c), S18 (e) und S17 (g) erklingen. Die Töne sollen so lange wiedergegeben werden wie der jeweilige Taster gedrückt wird. Gleichzeitig soll das Aktivieren der Taster auf der LED-Leiste sichtbar gemacht werden, d.h. für alle verwendeten Taster ist jeweils eine LED vorzusehen, die leuchtet, wenn der Taster gedrückt wird. Anders als in Aufgabe 4 der Laborübung 3 soll unmittelbar auf Betätigung des Tasters reagiert werden und nicht auf das Loslassen desselbigen. 3. Versehen Sie Ihren geschriebenen Assemblercode mit erklärenden, sinnvollen Kommentaren 4. Testen Sie die Funktionalität des Programms in EdSim51 oder im Simulator des MC-Tools Nach erfolgreicher Simulation bereiten Sie die Hardware für die Inbetriebnahme vor. Lösen Sie dazu die vorderen zwei Rändelschrauben am STC 8051 Professional Kit und öffnen Sie vorsichtig den Deckel. Verbinden Sie den Ausgang P1.7 des 8051 Mikrocontrollers mit dem Pin Bell am J17. Ziehen Sie dazu ggf. den Schaltplan des Boards zu Rate. 6. Nehmen Sie das Programm nun auf dem STC 8051 Professional Kit in Betrieb. Generieren Sie dazu ein hex-file und übertragen Sie dieses in den Programmspeicher des Boards. Lassen Sie sich die Vorführung abzeichnen. Folgendes Programm dient Ihnen als Gerüst für die Lösung der Aufgabe. Hier piept der an Port 1.7 angeschlossene Buzzer jedesmal, wenn einer der an Port 3 angeschlossenen Taster betätigt wird. CLR P1.7 MOV P3, #0FFh loop: MOV A, P3 CPL A JZ skip SETB P1.7 SJMP loop skip: CLR P1.7 SJMP loop end ; Buzzer aus ; konfiguriere Port 3 als Eingang ; kopiere Tasterstatus in Akku ; komplementiere Akku ; springe wenn kein Taster gedrückt ; Buzzer an ; zurück zu Loop ; Buzzer aus ; zurück zu Loop 3

4 Aufgabe 3 Gegeben ist folgendes Programm: Aufgabenteil 1) bis 5) ORG 00h start: MOV DPTR, #50h ; MOV R0,#0 ; MOV P1,#0FFh ; MOV P3,#00h ; main: MOV A,R0 ; ACALL output ; CPL A ; MOV P1,A ; INC R0 ; CJNE R0,#4,wait ; MOV R0,#0 ; wait: ; hier spaeter Warteschleife einfuegen SJMP main ; output: MOVC A,@A+DPTR ; RET ; ORG 50h table: DB 3Fh, 06h, 5Bh, 4Fh end 1. Untersuchen Sie die Funktion dieses Programms in EdSim51. Welche Funktion hat das Programm? Kommentieren Sie dazu alle Quelltextzeilen des obigen Programms im Vordruck. Wozu dienen P1 und P3? 2. Worin unterscheiden sich der hier verwendete MOV- und der MOVC-Befehl? 3. Welche Adressierungsart wird hier verwendet und warum? 4. Wo sind die verwendeten Datenelemente 3Fh, 06h,.... gespeichert (Angabe der Adresse allein reicht nicht)? Welchen Zweck erfüllen die Datenelemente? 5. Welcher Befehl ist für die Abspeicherung der Datenelemente nötig und wie unterscheidet sich dieser von den üblichen Befehlen, z.b. MOV, ADD, etc.? 6. Vervollständigen Sie das Programm im Sinne einer vollständigen Ausgabe. Ziehen Sie dazu die folgende Tabelle zu Rate. 4

5 Ziffern Displaysegmente dp g f e d c b a Fügen Sie eine Warteschleife in dem gekennzeichneten Bereich ein. Wenden Sie Ihre Erkenntnisse aus dem Aufgabenblatt 3 an. Die Warteschleife soll eine Zeitspanne von ca. 200 ms realisieren. 8. Modifizieren Sie das Programm, so dass es auf dem STC 8051 Professional Kit lauffähig ist. Ziehen Sie dazu den Schaltplan des Boards zu Rate. Berücksichtigen Sie insbesondere die Port-Anschlüsse, aktive Pegel, etc. Testen Sie Ihr Programm auf der Hardware und lassen Sie sich die Vorführung abzeichnen. Aufgabe 4 Nutzen Sie die in Aufgabe 3 gewonnenen Erkenntnisse, um folgende Aufgabe zu lösen: Es soll ein Programm entworfen werden, das eine zweistellige 7-Segment-Anzeige ansteuert und eine beliebige Zahl zwischen 10 und 99 statisch darstellt. Da alle 8 Stellen der 7-Segmentanzeigen auf dem STC 8051 Professional Kit an einem gemeinsamen Port liegen, lässt sich die Ansteuerung nur durch Multiplexing realisieren. Dabei wird die Trägheit des menschlichen Auges ausgenutzt. Werden zwei Anzeigen kurz hintereinander eingeschaltet, leuchten diese scheinbar gleichzeitig. Das menschliche Auge kann für Ereignisse, die in einem Abstand von weniger als ca. 10 ms hintereinander geschehen, keinen zeitlichen Unterschied mehr wahrnehmen. Diese Eigenschaft soll nun für die zweistellige Anzeige ausgenutzt werden. Gehen Sie folgendermaßen vor: 1. Machen Sie sich mit dem Schaltplan des Boards vertraut. Ermitteln Sie wie die einzelnen 7-Segment-Anzeigen angesteuert bzw. durch Multiplexing ausgewählt werden. Welche Signale dienen als Select-Signale (vgl. Multiplexer, GDS Skript)? An welchem Port werden diese Signale abgegriffen? Skizzieren Sie ein Prinzipschaltbild zum Multiplexing mit vollständiger Beschriftung. 5

6 2. Entwerfen Sie das Programm in Assemblersyntax. Das Programm soll die Anzeige für die erste Ziffer kurz einschalten, einen zu wählenden Wert zwischen 0 und 9 ausgeben und die Anzeige wieder ausschalten. Dann soll sofort die zweite Anzeige für einen kurzen Moment eingeschaltet werden, der zweite Wert ausgegeben werden und die Anzeige daraufhin wieder ausgeschaltet werden. Dann wieder die erste Anzeige usw. Die Werte für die Anzeige speichern Sie in zwei separaten Registern (bspw. R0 und R1). Für das Umschalten realisieren Sie eine Warteschleife für 10 ms. Die Lookup Table für die Ziffern können sie der vorangegangenen Aufgabe entnehmen. 3. Ergänzen Sie Ihren Code durch erklärende Kommentare. 4. Simulieren Sie die Funktionalität im Simulator des MC-Tools und beobachten Sie den entsprechenden Ausgabeport des Controllers. Für die Simulation ist es ratsam die Warteschleife auszukommentieren. 5. Testen Sie das Programm nun auf dem STC 8051 Professional Kit und lassen Sie sich die Vorführung abzeichnen. Zusatzaufgabe (freiwillig) Erweitern Sie das Programm aus Aufgabe 2 dadurch, dass statt den Tastern S19, S18, S17 das Tastenfeld (4x4 Keypad) links davon benutzt wird. Dort stehen Ihnen 16 Tasten zur Verfügung. Diese sollen mit den Grundtönen c 4 bis d 6 (unter Aussparung der halben Töne) belegt werden. So haben Sie ausreichend Töne zur Verfügung, um einfache Melodien zu spielen. Die Ansteuerung des 4x4 Keypad ist etwas aufwendiger als das simple Einlesen der Taster. Alle Tasten des 4x4 Keypads, also vier Zeilen und vier Spalten, hängen mit beiden Enden an den Portpins des Port 1 (siehe auch Schaltplan des Boards). Insgesamt sind also 16 Tasten mit nur acht Anschlüssen verbunden. Für die Erfassung der Tastenbetätigung empfiehlt sich folgende Vorgehensweise in mehreren Schritten: Jeweils an eine der 4 Spalten wird ein 1-Signal und an die anderen Spalten ein 0-Signal angelegt. Wurde in der Spalte eine Taste gedrückt, ändert sich der Signalzustand an einem der 4 Zeilen-Anschlüsse von 0 auf 1. Hieraus kann die betätigte Taste ermittelt werden. Nach Erkennen einer Tastenbetätigung wird auf das Loslassen der Taste gewartet. Dazu wird an alle 4 Spalten ein 1-Signal angelegt. Nach Loslassen der Taste haben alle Zeilen-Ausgänge wieder ein 0-Signal. Viel Erfolg! 6

7 Tastennummer Tastenfarbe Notation Notation Frequenz (englisch) (deutsch) (Kammerton 440Hz) 88 weiß C8 c ,01 87 weiß B7 h ,07 86 schwarz A#7/Bb7 ais 4 /b ,31 85 weiß A7 a ,00 84 schwarz G#7/Ab7 gis 4 /as ,44 83 weiß G7 g 4 /as ,96 82 schwarz F#7/Gb7 fis 4 /ges ,96 81 weiß F7 f ,83 80 weiß E7 e ,02 79 schwarz D#7/Eb7 dis 4 /es ,02 78 weiß D7 d ,32 77 schwarz C#7/Db7 cis 4 /des ,46 76 weiß C7 c ,00 75 weiß B6 h ,53 74 schwarz A#6/Bb6 ais 3 /b ,66 73 weiß A6 a 3 /b ,00 72 schwarz G#6/Ab6 gis 3 /as ,22 71 weiß G6 g ,98 70 schwarz F#6/Gb6 fis 3 /ges ,98 69 weiß F6 f ,91 68 weiß E6 e ,51 67 schwarz D#6/Eb6 dis 3 /es ,51 66 weiß D6 d ,66 65 schwarz C#6/Db6 cis 3 /des ,73 64 weiß C6 c ,50 63 weiß B5 h 2 987, schwarz A#5/Bb5 ais 2 /b 2 932, weiß A5 a 2 880, schwarz G#5/Ab5 gis 2 /as 2 830, weiß G5 g 2 783, schwarz F#5/Gb5 fis 2 /ges 2 739, weiß F5 f 2 698, weiß E5 e 2 659, schwarz D#5/Eb5 dis 2 /es 2 622, weiß D5 d 2 587, schwarz C#5/Db5 cis 2 /des 2 554, weiß C5 c 2 523, weiß B4 h 1 493, schwarz A#4/Bb4 ais 1 b 1 466, weiß A4 Concert Pitch a 1 Kammerton 440, schwarz G#4/Ab4 gis 1 /as 1 415, weiß G4 g 1 391, schwarz F#4/Gb4 fis 1 /ges 1 369, weiß F4 f 1 349, weiß E4 e 1 329, schwarz D#4/Eb4 dis 1 /es 1 311, weiß D4 d 1 293, schwarz C#4/Db4 cis 1 /des 1 277, weiß C4 Middle C c 1 261,626 Tabelle 1: Musiknoten und deren Frequenzen 7