Fachinformatik. Inhaltsverzeichnis. Meinhard Kissich Fachinfomatik 1

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1 Fachinformatik Inhaltsverzeichnis 1. Mikrocomputer Allgemein Prinzipielle Programmablauf 5 2. Zahlensysteme allgemein Umrechnen 7 3. Zahlendarstellung Zahlenkreis Zahlenkreis negative Zahlen Zweierkomplement Fließkommazahlen Float Probleme mit Fließkommazahlen in C 10 4.Zentraleinheit (CPU) Register Arten von Registern Rechenwerk Befehlswerk Mikroprogramm bei 8051 Architektur (CISC- Complex Instrotuction Set Compter) RISC- Architektur (Reduced ISC) Mikrocontroller ATMega Eigenschaften Pinbelegung Programmspeicher µc und Programmspeicher getrennt µc mit integrierten Programmspeicher µc mit integrierten Programmspeicher und ISP Grundlegende Beschaltung NET I/O Board Spannungsversorgung Serielle Schnittstelle RS Reset/Quarz/A- D Referenz Spannung ISP Digitale I/Os Blockschaltbild µc intern Setzen/Löschen von Ausgängen Beschaltung digitale Ausgänge Lesen von digitalen Eingängen Beschaltung digitaler Eingänge Spezielle I/o - Konfigurationen Push/Pull Trisate open Collector (OC) SFR 23 Meinhard Kissich Fachinfomatik 1

2 6.3.1 DDRx PORTx PINx PullUp Widerstand bei digitalen Eingängen PORTs setzen PORTs löschen PORTs togglen Pins einlesen 24 Meinhard Kissich Fachinfomatik 2

3 1. Mikrocomputer 1.1 Allgemein CPU: central prozessing unit Befehlswerk + Rechenwerk steuert Vorgänge braucht Takt o PC: GHz o µc: MHz Reset o active low o PC: geordneter Neustart => "speichert vorher" o µc: startet sofort bei Adresse 0 Speicher: ROM: Read Only Memory o verliert keine Daten, wenn keine Spannung anliegt o Programm gespeiert RAM: Random Accsess Memory o flüchtiger Speicher, verliert Daten wenn keine Spannung anliegt o Variablen/Daten werden gespeichert Ein- /Ausgabe Digital o Eingabe: Taster, binäre Sensoren,... o Ausgabe: z.b.: LED Analog o Eingang: Spannung (Poti, Fotowiderstand,...) Meinhard Kissich Fachinfomatik 3

4 o Ausgabe: Motor Schnittstellen o Serielle Schnittstelle RS232 Bussysteme allgemein mehrere Leitungen parallel mehrere Komponenten sind parallel angeschlossen es kann immer nur eine Komponente gleichzeitig kommunizieren Datenbus für Daten und Befehle Bidirektional (Senden + Empfangen) ATMega16/32: 8Bit Datenbus: Adressbus nur Senden Unidirektional, spricht Speicherstelle an ATMega32: 16Bit Steuerbus bestimmte Steuerleitungen RD: read, active low WR: write, active low CE: chip enable - mit welcher Komponente kommuniziert wird Mikrocomputer: allgemeiner Begriff Mikrocontroller: Mikrocomputer auf einem IC Mikroprozessor: CPU- Teil des Mikrocomputer Meinhard Kissich Fachinfomatik 4

5 1.2 Prinzipielle Programmablauf Laden des ersten Befehles: o Reset (1.Programmzeile: Programmzähler = 0) o Inhalt des Progammzählers auf Adressbus o Adresse 0: 1. Befehl im ROM aktiviert o 1. Befehl über Datenbus ins Befehlswerk Ausführung des Befehls: o Bsp: Addiere 2 Zahlen: Maschinencode: o Maschinencode decodieren o Steuersignal erzeugen o veranlassen des Rechnwerk den Befehl auszuführen Meinhard Kissich Fachinfomatik 5

6 Laden des nächsten Befehles o Befehlswerk erhöht Progrmmzähler um 1 o Vorgang beginnt von neu Meinhard Kissich Fachinfomatik 6

7 2. Zahlensysteme 2.1 allgemein Dezimal: 0-9 Binär: 0/1 Hexadezimal: 0-9 => A- F Stellenwertsysteme 2.2 Umrechnen Meinhard Kissich Fachinfomatik 7

8 3. Zahlendarstellung 3.1 Zahlenkreis Wenn die Grenze von 1111 auf 0000 Überschritten wird, wird das Carry- Bit gesetzt Zahlenkreis negative Zahlen Zahlen Bereich wird in 2 Hälften geteilt o 1/2 => positiv o 1/2 => negativ char x; => bis +127 (weil 0 positiv) Carry Bit gibt Vorzeichen an 3.2 Zweierkomplement um nun mit dem negative Zahlenbereich rechnen zu können braucht man das Zweierkomplement. Meinhard Kissich Fachinfomatik 8

9 Beispiel: laut Zahlenkreis: 1001 = - 7, allerdings wenn man 1001 umrechnet = 9 Vorgehensweise: (Dual in Zweierkomplement) Bits invertieren +1 Rechnen Beispiel: - 5 Darstellen Bits invertieren Beispiel: - 2 Darstellen Bits invertieren Fließkommazahlen in C: float x; double y; 4Byte/32Bit 8Byte/64Bit...2! 2!. 2!! 2!! Float 23 Bit Mantisse 8 Bit Exponent 1 Bit Vorzeichen Z = ±M 2 Exponent!k Beispiel: 0.3 in Dual 1.) Mantisse bestimmen 0,3 * 2 = 0,6 0 0,6 * 2 = 1,2 1 0,2 * 2 = 0,4 0 0,4 * 2 = 0,8 0 0,8 * 2 = 1,6 1 0,6 * 2 = 1,2 1 0,2 * 2 = 0, ) Normalisierung Bits so lange verschieben bis erste Stelle nach Komma nicht 0 1, !2 Meinhard Kissich Fachinfomatik 9

10 erste Zahl vor Komma wird weg gelassen, da sie immer 1 ist 3.) Exponent k = 127 Exponent k = 2 Exponent = 125 Exponent in Binär: 125 = ) fertige Zahl VZ E E E E E E E ' E M M M M M M M ' M... M ' M... M' ' Probleme mit Fließkommazahlen in C Fließkommazahlen dürfen nie direkt verglichen werden double dresult=0; for(int i=0; i<1000; i++) dresult+=0.3; => erwaretet: Result= 300; => real: dresult= Zentraleinheit (CPU) 4.1 Register Interner Speicher mit 8 oder 16Bit Basis: 1 Bit Speicher= D- FlipFlop Meinhard Kissich Fachinfomatik 10

11 Register aus D- FlipFlop bei positiver Flanke am Steuersignal (Speichern) übernehmen alle D- FlipFlops zugleich den Zustand der Eingangssignale (Datenbus). Meinhard Kissich Fachinfomatik 11

12 4.1.2 Arten von Registern Hilfsregister R0, R1,... zum Zwischenspeichern von Werten Akkumulatoren A wichtigste Register der CPU ist direkt mit Rechenwerk verbunden Operanten und Ergebnisse gespeichert z.b.: R1 + R2 => Ergebniss im Akkumulator Flagregister Flag... Bit mit bestimmter Bedeutung Flags: Carry- Bit, Overflow- Bit,... Befehlsregister speichert zuletzt geladenen Befehl Adressregister z.b.: Programmzähler 16Bit o weil Adressbus auch 16Leitungen z.b.: Stack- Pointer 8Bit Spezial Funktion Register Register mit spezieller Funktion im Bereich der Hardwareansteuerung ADMUX => AD- Kanal PORTA 4.2 Rechenwerk ALU Arithmetical Logical Unit Arithmetische Operationen: + - * / Logische Operationen: UND, ODER, NICHT Verschieben von Bits: Rechts und Links o nach Links verschieben o wenn keine 1 verloren geht: Faktor: *2 107: : o nach Rechts verschieben Meinhard Kissich Fachinfomatik 12

13 o wenn keine 1 verloren geht: Faktor: /(2 Stellen_die_Verschoben ) 216: : Faktor: 2^3 = Befehlswerk Maschinencode des zuletzt geladenen Befehls (dual) Mikroprogramm bei 8051 Architektur (CISC- Complex Instrotuction Set Compter) Bei jedem Maschinencodebefehle ein Mirkoprogramm mit (ca. 10) Mikroprogrammschritten Bei jedem dieser Schritte: feste Steuersignale erzeugt Diese führen zur Ausführung des Befehls Nachteil: Nimmt größten Teil der Chipfläche in Anspruch RISC- Architektur (Reduced ISC) Untersuchung zeigte o 80% des Programmcodes besteht aus 10% des Befehlssatzes o fast 90% des Befehlssatzes fast nie verwendet Befehlssatz reduzierte CPU => schneller gibt ein Mikroprogramm Steuersignale direkt aus Maschinencode erzeugt durch fest verdrahtete Logik Gatter verknüpfen Maschinencode <=> Steuersignal 5. Mikrocontroller ATMega Eigenschaften 8- Bit µc o Datenbus: 8 Leitungen RISC- Architectur o Computer mit reduziertem Befehlssatz 131 Befehle (Maschinencode) o die meisten können in einem Taktzyklus abgearbeitet werden oft verwendete Taktrate: 16MHz 32*8 Hilfsregister 32kByte Flash PROM 1024Byte EEPROM o elektrisch löschbarer ROM o nicht flüchtiger Speicher 2 kbyte SRAM o static Datenspeicher Timer/Counter (2*8Bit, 1*16Bit) 8* 10- Bit ADC Serielle Schnittstelle RS232 Meinhard Kissich Fachinfomatik 13

14 32 I/O Signale o 4 PORTs zu je 8 I/Os - > digital o PORTA bis PORTD Stromverbrauch 3V, 25 C => 1,1mA 5.2 Pinbelegung SMD: surface mounted device DIP/DIL: dual in line (package) 40Pins o 32 I/O o GND/Vcc o Reset o XTAL1, XTAL2 o AREF/AVCC/GND o PORTA PORTA - PORTD Spannungsversorgung low activ, Prgromm startet bei Adresse 0 Quartz für ADU 8 AD Kanäle 5.3 Programmspeicher µc und Programmspeicher getrennt Fast nicht mehr vorhanden Adressbus 16 Datenbus 8 Steuerbus 3 27 Leitungen! Nachteil: viele Leitungen auf Platine Programmspeicher muss aus Schaltung zum programmieren entfernt werden Meinhard Kissich Fachinfomatik 14

15 5.3.2 µc mit integrierten Programmspeicher Vorteil: keine externen Leitungen Nachteil: man braucht trotzdem ein ext. Programmiergerät µc mit integrierten Programmspeicher und ISP in System Programmable 5.4 Grundlegende Beschaltung NET I/O Board Spannungsversorgung Einspeisung 9V AC/DC Vollweg- Brückengleichrichter: 4 Dioden Glättungskondensator Festspannungsregeler Festspannungsregler Bezeichnung: 78 x yy: positive Spannungen 79 x yy: negative Spannungen Meinhard Kissich Fachinfomatik 15

16 o x: Strombelastbarkeit z.b.: 1 für 1Ampere o y: Spannung z.b.: 05 bis 5Volt externe Beschaltung o 2 Kondensatoren (C1; C2) o Freilaufdiode (D3) falls in der Schaltung höhere Spannungen aufdrehten z.b.: Schalten von Induktivitäten Ua > 5V - > i verkehrt im 7805: Diode schützt o Regel: Ue > Ua+3V bringt Ausgangspannung 'unabhängig' von Last Serielle Schnittstelle RS232 µc: 2 Pins (14, 15) Pegel µc RS V - 10V 1 5V 10V TxD... Transmit Data RxD... Receive Data Benötigt Pegelwandler! externe Beschaltung mit 1µF oder 10µF Elkos (Polung!) Reset/Quarz/A- D Referenz Spannung Reset: low active Meinhard Kissich Fachinfomatik 16

17 Quarz Kristallplättchen geometrische Abmessungen => Resonanzfrequenz sehr schmale Bandbreite (Frequenzstabil) Spannungsversorgung µc GND: 0V V_cc: V Collector: +5V AD- Referenzspannung Vergleichsspannung - > möglichst stabil o daher eine Spannungsversorgung möglich schnelles Laden der kapazitäten (Leiterbahnen) durch hohen Strom aus dem Kondensator => näher am Idealverhalten Der hohe Strom muss von der Spannungsversorgung über die Leiterbahnen und verursacht dabei Störungen. Daher Stützkondensator: stellt den Strom kurzzeitig zum IC fließen bereit. möglichst nahe am IC möglichst direkt verbunden Meinhard Kissich Fachinfomatik 17

18 5.4.4 ISP 3 Sinale am µc o SCK PORTB 7 => Clock o MISO PORTB 8 Master Input: PC Slave Output: µc o MOSI PORTB 5 Master Output: PC Slave Input: µc 6. Digitale I/Os 6.1 Blockschaltbild µc intern Setzen/Löschen von Ausgängen Beschaltung digitale Ausgänge Meinhard Kissich Fachinfomatik 18

19 LED wird auf Grund des sehr hohe PullUp Widerstandes nicht leuchten => zu wenig Strom LED: low active spezielle µc (push- pull System) funktioniert so bei allen µc. high active funktioniert nur bei Datenblatt: HIGH: I_max: 50µA LOW: I_max: 10mA Lesen von digitalen Eingängen Meinhard Kissich Fachinfomatik 19

20 Ausgang muss gesetzt sein o sonst würde der Transistor leiten Kurzschluss bei +5V am Eingang o Transistor sperrt: PullUp am Eingang Beschaltung digitaler Eingänge µc ließt in beiden Schaltzuständen den Wert, wegen internen PullUp Wenn +5V bei leitenden Transistor (Ausgang gelöscht): Kurzschluss => Zerstörung des Transistors funktioniert bei Taster geschlossen funktioniert nicht bei Taster offen, da Spannungsteile mit PullUp und Transistor Meinhard Kissich Fachinfomatik 20

21 funktioniert o externer PullUp kleiner als interner Taster geschlossen: 0V => 0 Taster offen: 5V => Spezielle I/o - Konfigurationen (Power Point) ATMega Push/Pull µc kann bei 1 und 0 Strom liefern Transistoren schalten entgegengesetzt Trisate 3 Zustände möglich o Push/Pull => 0/1 Meinhard Kissich Fachinfomatik 21

22 ocho hmig o H Bei Tristate = 1 o beide Transistoren sperren o Ausgang 'hängt in der Luft' = hochohmig Anwendung o Bussysteme: hochohmig = ausgeschaltet Bei Bussysteme darf nur 1 Komponente aktiviert sein (mit Datenbus verbunden), alle anderen müssen deaktiviert sein (hochohmig) open Collector (OC) Vorteil: mehrere OC Verbinden => NOR Nachteil: man braucht ext. PullUp Meinhard Kissich Fachinfomatik 22

23 6.3 SFR DDRx DDR: Data Direction Register x: PORT: A, B, C, D Bit gesetzt: digitaler Ausgang Bit gelöscht: digitaler Eingang Bsp: Bit 0,2 und 4 von PORTA => Ausgänge andere Eingänge DDRA=0b ; DDRA=0x15; PORTx setzen und Löschen von digitalen Ausgängen o Bit gesetzt => Ausgang gesetzt o Bit gelöscht => Ausgang gelöscht Bsp: Bits 0,2,3,6,7 von PORTC setzen andere löschen PORTC = 0b ; PORTC = 0xCD; PINx Lesen von Eingängen Bit = 1 - > 5V am Eingang Bit = 0 - > 0V am Eingang Bsp: Bit 0, 1 und 3 gesetzt andere gelöscht? if(pinb=0x0b) Meinhard Kissich Fachinfomatik 23

24 6.3.4 PullUp Widerstand bei digitalen Eingängen DDRx - > Bits = 0 - > Eingänge zusätzliche Einstellung über PORTx Bit=0: ohne PullUp / Tristate externer Pullup nötig Bit=1: mit internen PullUp Bsp: Bit 0,3,4 dig. Eingänge ohne PullUp Bit 1,5 dig. Eingänge mit PullUp Bit 2,6,7 dig Ausgänge Bit 2,7 gesetzt Bit 6 gelöscht DDRC=0xC4; PORTC=0xA6; PORTs setzen ODER verknüpfen PORTA = PORTA 0x04; PORTA = 0x04; PORTA = (1<<PA2); PORTs löschen AND mit Insersion PORTC &= 0xF7; PORTX &=~ (1<<PC3); PORTs togglen XOR verknüpfen PORTA ^= (1<<PA1); Pins einlesen nur zustand des signifikanten Bits If((PINB & (1<<PB5))==0x20) Meinhard Kissich Fachinfomatik 24