Grundlagen der Programmierung II BMI Bakk.

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1 BMI Bakk. Teil 2 Rainer Schubert Institut für Biomedizinische Bildanalyse Inhalt Aufbau eines µprozessors Grundbegriffe Allgemein PIC16F690 Ports Programmspeicher Datenspeicher RAM, ROM Spezialregister Erste Schritte zur Programmierung Befehlssatz Hello World Analyse und Erweiterung Hausarbeit

2 Grundbegriffe CPU: Central Processing Unit, Prozessorkern ALU: Arithmetic and Logic Unit, Rechenwerk RAM: Random Access Memory, Arbeitsspeicher ROM: Read Only Memory, kann (zur Laufzeit) nicht verändert werden EEPROM: Electrically Erasable and Programmable ROM, spezielles ROM Flash-Memory: Spezielles ROM Register: allg. Speicherzelle, meistens spezielle Zellen mit besonderer, reservierter Funktion PC: Programmcounter, Zähler für die aktuelle Programmposition Multiplexer: Selektionsschaltnetz zur Auswahl eines von mehreren Ein- oder Ausgängen Rechnerarchitekturen von Neumann Computer (alle PCs, Notebooks etc.): CPU / ALU Input Port Speicher für Daten und Programme Output Port

3 Harvard-Architektur Rechnerarchitekturen Speicher für Programme ROM (nicht flüchtig, typisch: Flash) Input Port CPU / ALU Speicher für Daten Output Port RAM (flüchtig) Rechnerarchitekturen von Neumann Architektur: Vorteile Laden und Wechsel von Programmen jederzeit zur Laufzeit möglich Einheitliche Adresslogik Insgesamt das mächtigere, allgemeiner verwendbare Konzept Nachteil: Ressourcen für spezifische, immer gleich bleibende Aufgaben überdimensioniert Harvard-Architektur: Vorteile Programm- und Datenspeicher können unterschiedliche Eigenschaften und Adressbreite haben (z.b. ROM 14Bit / RAM 8Bit) Optimaler Ressourcen-Einsatz, preisgünstige Herstellung Nachteil Nicht für allgemeine Anwendung z.b. als Computer geeignet

4 PIC-Architektur Flash Programm-Speicher 14-Bit-Befehle EEPROM Daten-Speicher 8-Bit breit RAM Daten-Speicher 8-Bit breit Prozessorkern 14-Bit-Befehle (16F690) und 8-Bit-Daten Clock I/O- Ports Multiplexer Weitere Anschlüsse (z.b. analog) Anschlüsse (Pins) Funktion der Elemente Prozessorkern: Programm abarbeiten, Adressierung, einfache Rechen- und Logikfunktionen Programmspeicher: Vorhalten des Programms, nicht flüchtig RAM: Flüchtiger Datenspeicher, Vorhalten von Input-Daten, Zwischenergebnissen etc. EEPROM: Nicht-flüchtiger Datenspeicher, Vorhalten von z.b. Einstellungsdaten, die nicht beim Ausschalten des Gerätes verloren gehen sollen Clock: Bereitstellung des Arbeitstaktes, meistens extern beschaltet I/O-Ports: Anschlüsse, die als Output auf 0V (Low) oder 5V (High) gesetzt werden können oder deren Low/High-Zustand extern gesetzt und als Input abgefragt werden kann. Weitere Peripherie: Z.B. AD-Wandler, etc. Multiplexer: Typischerweise hat ein PIC genau so viele Anschlusspins, wie für die Beschaltung inkl. der I/O-Ports gebraucht werden. Zum Umschalten von Input- auf Outputfunktion benutzt man den Multiplexer. Sollen weitere Funktionen, z.b. durch spezielle Peripherie benutzt werden, so müssen Anschlüsse doppelt belegt werden. Durch den Multiplexer kann dann zwischen den Funktionen der Pins gewählt werden.

5 Anschlüsse des PIC16F690 VDD: Betriebsspannung (+5V), VSS: Masse (0V), MCLR: Reset, VPP: Programmierspannung Rxy: Ports - es gibt 3 Ports (A,B,C), von denen C 8 Anschlüsse/Bits hat, B hat 5 und A hat 6 Anschlüsse/Bits Die weiteren Anschlüsse sind momentan nicht interessant. Im Diagramm sieht man gut die Mehrfachbelegung, die durch den Multiplexer geregelt wird. Die Ports Die sog. Ports sind das Tor zur Welt für den PIC Physikalisch sind es die Anschlusspins, an denen entweder von aussen einer der beiden Zustände Low (0V) oder High (5V) angelegt werden kann, um dem Programm einen Zustand oder ein Ereignis mitzuteilen (Input), oder aber deren Low/High-Zustand vom Programm aus gesetzt werden kann, um der Aussenwelt etwas mitzuteilen (Output) Aus Sicht des Programms sind die Ports in Byte-Speicherstellen (Registern) repräsentiert. Ein Port kann daher aus 8 Anschlüssen bestehen und der 0/1-Wert des zugehörigen Bits entspricht dem Zustand des einzelnen Anschlusses. Da ein Anschluss nicht gleichzeitig In- und Output sein kann, wird die jeweilige Funktion in einem weiteren Register (TRIS) vom Programm gesetzt und dann kann das entsprechende Bit als Ausgang gesetzt oder als Input gelesen werden. Der PIC16F690 hat daher die Register PORTA, PORTB, PORTC und TRISA, TRISB, TRISC. Nur beim Port C sind alle 8 Anschlüsse physikalisch vorhanden und nutzbar!

6 Beschaltung auf dem LPC-Board Der Programm-Speicher Programm Memory Organization The PIC16F690 has a 13-bit program counter capable of adressing an 8Kx14 program memory space. Only the first 4Kx14 (0000h-0FFFh) is physically implemented. Accessing a locatin above these boundaries will cause a wraparound. The reset vector is at 0000h and the interrupt vector is at 0004h (see Figure 2-2). Was bedeutet das?

7 Organisation des Programm-Speichers Der Programm Counter (PC) zeigt auf den aktuell auszuführenden Befehl. Er ist nichts anderes, als eine spezielle Speicherzelle, in der jeweils die Adresse des Befehls eingetragen ist und mit dem Programmablauf hochgezählt wird. Diese Speicherzelle ist 13 Bit breit, kann also maximal 8K (8191) Befehle adressieren. Jeder Befehl ist 14 Bit lang. Der PIC16F690 hat einen Speicher von 4K x 14 Bit, d.h. es können 4096 Befehle gespeichert werden. Zeigt der PC auf höhere Adressen, gibt es einen Wrap-Around, d.h. die Adresse 4097 zeigt wieder auf den ersten Befehl. Zum PC gehört noch ein Stack-Speicher. In ihm werden die Rücksprungadressen bei Programmverzweigungen (Unterprogrammaufrufe) abgelegt. Verzweigungsbefehle (CALL, GOTO) können natürlich auch nur 14 Bit lang sein. Da für den Befehlscode 3 Bit benötigt werden, können die Sprungadressen nur 11 Bit lang sein und damit ist die höchste Sprungadresse Der Programm-Speicher ist daher in 2 Bänke (Pages) à 2K x 14 Bit aufgeteilt. Zur Auswahl der Bänke muss vor einem Sprung ein spezielles Register (PCLATH) gesetzt oder gelöscht werden. Der Programmspeicher ist Flash-Memory, kann nur mit Programmiergerät ( Brenner, z.b. unserem PICkit 2) beschrieben/gelöscht werden. Datenspeicher (RAM)

8

9 Datenspeicher (RAM) - Zusammenfassung Organisation: Speicherzellen mit 1 Byte, 4 Bänke a 256 Byte Davon reserviert für Spezial-Register: Unterschiedliche Anzahl an Zellen in den vier Bänken. Einige Zellen spiegeln die Zellen anderer Bänke wieder (physikalich ist nur eine Zelle für mehrere Bänke vorhanden) Zusätzlich: Nicht alle Zellen sind physikalisch vorhanden Details im Data Sheet Das Ganze ist ziemlich unübersichtlich! Aber mit einer geeigneten Entwicklungsumgebung kann man sich das Leben erleichtern siehe MPLab Header-File für den PIC16F690

10 Datenspeicher (ROM) Der PIC16F690 hat zusätzlich noch einen EEPROM- Speicherbereich, in dem Daten dauerhaft auch nach dem Trennen von der Stromversorgung gehalten werden können. Es ist während der Laufzeit zu lesen und zu beschreiben! Der 16F690 hat 256 Byte EEPROM Speicher zur Verfügung Dieses Thema ist momentan nicht relevant, vielleicht kommen wir später darauf zurück. Spezial-Register Die Spezial-Register sind eng mit der Steuerung und der Programmierung des PICs verknüpft Zur Programmierung ist die Kenntnis und Benutzung der Register eine wichtige Voraussetzung! Sie sind im Data Sheet detailliert erklärt (s. Hausaufgabe) und im MPLab Header-File abgebildet (s. dort ). Dazu zunächst ein Blick ins Data Sheet für die ersten wichtigen Register: TRIS STATUS PORT

11 Der PIC16F690-Befehlssatz Alles klar? Der PIC16F690-Befehlssatz Im Data Sheet sind die Befehle natürlich detaillierter erklärt und es führt kein Weg drumherum, sich das alles einmal durchzulesen Ebenfalls eine gute Referenz findet sich auf der Website: Besser, als das trockene Lesen und eventuelle Auswendiglernen ist es, sich die Assembler-Sprache durch praktische Übungen zu erarbeiten!

12 Erste Programmierversuche Zum Nachlesen und Nachschlagen: Die MPLab-Hilfe (kurze Demo ) Diese Website: Eine ganz kleine Übung: 1. Wir analysieren das erste Beispiel Hello World der Microchip-Lessons, bis wir es vollständig verstehen. 2. Wir wandeln das Beispiel ab Hello World -Analyse Nachschauen von bsf in MPLab-Hilfe:

13 Hello World -Analyse bsf setzt also das Bit RP0 in STATUS auf 1 RP0 nachschauen im Header-File: Das Bit 5 im Register-Status nachschauen im Data Sheet: Hello World -Analyse

14 Hello World -Analyse Hello World -Analyse

15 Hello World -Analyse 1. Umschalten auf RAM-Page 1 2. PortC0 auf Output setzen 3. Umschalten auf RAM-Page 0 4. PortC0 auf 1 setzten (schaltet LED ein) 5. Endlosschleife Warum das Hin- und Herschalten zwischen Page 1 und Page 0?

16 Hello World erweitern Wir ändern das Programm so, dass die erste und die dritte LED angeschaltet werden! Das scheint einfach zu sein: Probieren Sie es aus und lassen sich überraschen Hausarbeit 1. Lesen und arbeiten Sie die hier nur im Überblick dargestellten Themen Spezialregister und Befehlssatz des PIC16F690 mit Hilfe des Data Sheets und der Website durch. 2. Versuchen Sie dann das Scheitern des vorhergehenden Versuchs zum Anschalten von zwei LEDs zu erklären und das Problem zu lösen. 3. Analysieren Sie nach dem hier gezeigten Schema die Microchip- Lesson 06 Debounce durch (das kann Ihnen eventuell auch bei Aufgabe 2 helfen) und spielen damit herum. Hinweis zur Einordnung: Wir werden ab dem nächstenmal schrittweise einen Byte-Taschenrechner entwickeln. Der erste Schritt dazu ist die Eingabe von Byte-Zahlen mit dem Taster dazu ist die Debounce-Lesson als Startpunkt sehr nützlich

17 Literatur Dokumentation zum PIC16F690 bei Microchip: me=en Hier insbesondere das Data Sheet zum PIC16F690: Sehr gute private Seite zum Thema:

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