Mikroprozessortechnik Grundlagen 1

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1 Grundlagen - Grundbegriffe, Aufbau, Rechnerarchitekturen, Bus, Speicher - Maschinencode, Zahlendarstellung, Datentypen - ATMELmega28 Progammierung in C - Vergleich C und C++ - Anatomie eines µc-programmes Parallel-IO Assembler - Einführung - Anatomie eines Assembler-Programmes - Programmbeispiel i Seriell-IO (USART) ADC Interrupt Timer Mikroprozessortechnik Grundlagen Mikrorechner, Mikroprozessor, Mikrocontroller Rechner-Architekturen ren Bus Speicher

2 Einfacher Mikrorechner Mikrorechner Tkt Takt + CPU (Mikroprozessor) Steuerwerk Steuerbus Adressbus Datenbus Reset Rechenwerk Register ROM RAM IO- Baustein Zentralspeicher Peripherie Erster Mikroprozessor 44 4 Bit Mikroprozessor Intel 44 (97) 2

3 Mikrorechner (Z8) RAM ROM CPU Takt IO-Port Single Chip Microcontroller 3

4 Labor Hardware Rechnerarchitekturen Mikrorechner und Mikrocontroller 4

5 Mikrorechner von Neumann Architektur P ROM RAM I/O Mikrorechner Harvard Architektur Programm Bus P ROM RAM I/O Daten Bus 5

6 Mikrocontroller Single Chip Computer Peripherie P RAM ROM I/O Quarz + - Batterie Systembus Aufbau und Signale 6

7 Teile des Systembus P RAM ROM I/O Adress- Daten- Steuerbus Tri-State Busanschluss jedes Daten-Pin kann drei Zustände einnehmen - High ( D n ) - Low ( Dn ) Pin - hochohmig hochohmig Datentransfer-Richtung kann eingestellt werden (hier mit Dn RD oder WR ) nur eine Komponente wird von der CPU freigeschaltet (hier mit Chip-Select CS ) die Daten-Pins aller anderen Komponenten sind hochohmig CS 7

8 Tri-State-Ausgang Chip Select Gegentakt Endstufe /CS= T3 und T4 sperren /CS= T3 und T4 steuern durch T steuert durch / T2 sperrt T sperrt / T2 steuert durch T und T2 sperren A= A= A hochohmig Anschluss von Bausteinen an den Datenbus Datenbit Dn in Register S Adressbus fehlt (Vereinfachung) Dn Datenbus: n. Datenleitung E Teil vom Steuerbus CPU W/R Steuerwerk W/R CPU liest: W/R= Dn sind Tri-State-Anschlüsse W/R CS RAM Dn E S Datenbit Dn vom Speicher CS W/R I/O S Dn E Datenbit Dn von/in Port 8

9 Anschluss von Bausteinen an den Datenbus Datenbit Dn vom Register S Adressbus fehlt (Vereinfachung) Dn Datenbus: n. Datenleitung CPU E W/R Steuerwerk W/R W/R CPU schreibt: W= Dn sind Tri-State-Anschlüsse CS RAM S Dn E Datenbit Dn in Speicher Teil vom Steuerbus CS W/R I/O S Dn E Datenbit Dn von/in Port U Bus Signal H L t Tristate Buffer hochohmig Signal OK 9

10 Speicher Speichermatrix, Speicherzelle Typen und Funktionsprinzipien Organisationsprinzip Terminologie i Schaltung Zugriff Speicher RAM = Random Access Memory - Speicher kann beliebig oft in beliebiger Reihenfolge gelesen und geschrieben werden (wahlfreier Zugriff). ROM = Read Only Memory - Speicher kann im normalen Betrieb nur gelesen werden. EEPROM = Electrically Erasable PROM - Nur-Lese Speicher, der elektrisch gelöscht werden kann. FLASH ROM - Speicher kann blockweise (z.b 64 kbyte) gelöscht und wortweise geschrieben werden, Anzahl der Löschvorgänge ist begrenzt ( 5 6 ). - NAND FLASH kann nur blockweise (z.b. 52 Byte) gelesen werden. Beispiele: USB Stick, Speicherkarten (Prinzip Festplatte) - NOR FLASH verhält sich beim Lesen wie RAM und ist daher für Programmspeicher geeignet.

11 Reihenleitungen Prinzip: Speicher-Matrix ausgewählte Zelle y3 9 8 y y 3 2 y x3 x2 x x Spaltenleitungen Speicher besteht aus matrixförmig angeordneten Speicherzellen jede Zelle kann ein Bit darstellen (Wert oder ) jede Zelle ist an eine Reihenleitung (Wortleitung) und (min.) eine Spaltenleitung (Bitleitung) angeschlossen durch Aktivieren einer Reihenleitung (z.b. y3) werden die Speicherzellen einer Reihe ausgewählt dann kann durch die Spaltenleitungen (z.b. x2) eine Speicherzelle ausgewählt werden, deren Bit geschrieben oder gelesen wird RAM Zelle (Flip-Flop) Quelle: Wüst, Mikroprozessortechnik

12 FLASH Zelle ( Bit) Speicher-Matrix: vom Bit zum Wort 4 4 A3 A2 4 Multiplexer aus y3 y2 y y x x2 x x 8 4 D D D2 D3 Wortbreite (hier 4 Bit, üblich 8 Bit = Byte) aus 4 Multiplexer A A 2

13 Speicherorganisation Wortbreite: 32 Bit 6 Bit Byte Byte Byte Byte Adresse 8 Bit Byte Byte Byte Byte Adresse Byte Byte Byte Byte Adresse 2 Byte Byte Byte Byte Adresse 3 usw. bis: Byte Byte Byte Byte Adresse N- Terminologie bit Byte = Oktett binary Digit (Ja/Nein-Information) 8 Bit kbyte 2 Byte 24Byte (kbyte = 8kbit!!) MByte GByte TByte (TeraByte) Byte 2 Byte Byte Byte 2 Byte Byte Byte 2 Byte, Byte 3

14 Anzahl adressierbarer Speicherstellen b N 2 b ld( N) b... Anzahl Adressbits N... Anzahl adressierbarer Speicherstellen (je n Bits, kleinste Wortbreite Byte = 8Bit) Speichergröße N= kbyte N= MByte N= GByte N= TByte Anzahl benötigter Adressbits b ld( 24) ld( 2 ) b ld ( ) ld ( 2 2 ) 2 b ld( ) ld( 2 3 ) b ld(, ) ld( 2 ) 4 Typische Anschlussbelegung von Speicherbausteinen Adressen A4...A R/W * CS Speicher (32kByte) Daten D7...D Steuerleitungen Speicherkapazität [Wort] Wortbreite [Bit] * für Read, für Write CS... Chip Select 4

15 Physikalischer Speicher R/W 6 data high byte 8 LSB RAM LSB je RAM- Baustein Bit 8 6 low byte address most significant bit 5 MSB MSB address decoder CS Speicherzugriff (read modify write) CPU RAM Adresse auf Adressbus Befehl e lesen Daten auf Datenbus Wort lesen Berechnung Adresse auf Adressbus Daten auf Datenbus Befehl schreiben Programm fortsetzen Wort schreiben 5

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