MIKROPROZESSOR PROGRAMMIERUNG. LV-Nr SS2007 VORLESUNG VORTRAGENDER: MICHAEL HINTERBERGER

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1 MIKROPROZESSOR PROGRAMMIERUNG VORLESUNG BIT LV-Nr SS2007 VORTRAGENDER: MICHAEL HINTERBERGER Telefon: 0316 / TECHNISCHE UNIVERSITÄT GRAZ 4390 Institut für Elektronik 8010 Graz, Inffeldgasse 12 Zimmer: HF-EG124 Erdgeschoss Sprechstunde: Nach Vereinbarung 1

2 PRÜFUNG Mittwoch Ort: HS i2 Zeit: Uhr Modus: schriftlich weitere Termine auf Anfrage LABORÜBUNG Anmeldung im TUG-Online Übungsleiter: Nöhammer Stefan Termine: nach Pfingsten (Zeitraum 30.Mai bis 6. Juni) Gruppe besteht aus 2-33 Personen pro Arbeitsplatz Gruppenliste Anmeldung bis Zeitdauer: Uhr Übungsinhalt: Praktisches Programmieren mit einem Mikrocontrollersystem (Schrittmotoransteuerung) 2

3 ZIELE DER LEHRVERANSTALTUNG Entwicklungen in der Halbleitertechnik Grundkenntnisse über Mikroprozessoren/Mikrocontroller Vermittlung von Kenntnissen über Mikrocontroller in der industriellen Elektronik Embedded Systems - Auswahlkriterium für Mikrocontrollersysteme Prozessor Klassifikation 8-Bit 8 / 16-Bit / 32Bit Prozessoren DSP / FPGA / ASIC Grundlagen über Bussysteme und Kommunikation mit analogen Schaltkreisen Softwareentwicklung mit C für Embedded Systems Verstehen von praktischen Applikationsbeispielen (C167) Qualitative Softwareentwicklung Fehlerquellen beim Softwaredesign LITERATUR und INFOs HOMEPAGE Mikroprozessor-Programmierung Vorlesungsfolien Laborunterlagen/Laboreinteilung Demo-Software Keil Development Tool µvision3 Manuals Datenblätter tter Applikationsnoten Videos u.v.m. Empfohlene FACHBÜCHER: Taschenbuch Mikroprozessortechnik Fachbuchverlag Leipzig, 3. Auflage ISBN Handbuch des 80C166 1.Auflage Reiner Johannis ISBN C für Mikrocontroller 2. Auflage Franzis, Burkhard Mann ISBN X Das 80C166er Lehrbuch 1. Auflage Karl Heinz Domnick, Elektor- Verlag,, ISBN Mikrocontroller Experimentierhandbuch Franzis Verlag, Meinrad Goetz ISBN

4 Gliederung der Lehrveranstaltung Teil1 Einführung und Motivation Der Einsatz von Mikroprozessoren Mikroprozessoren/Mikrocontroller Herstellerüberblick Historische Entwicklung Ein Chip entsteht Video Entwicklung der Intel Prozessoren Vorführung bzw. Demonstration diverser Mikrocontroller- StarterKits Grundlagen der Mikroprozessortechnik Begriffsdefinitionen Central Processing Unit (CPU), Register, Arithmetisch-logische Einheit (ALU), Flags, Steuerwerk Systembus, Adressbus, Datenbus, Steuerbus Wartezyklen, Zeitmultiplexe Bussignale Mikrocontrollerarchitekturen (Von- Neumann Architektur, Harvard Architektur) Maschinenbefehle Ablauf der Befehlsabarbeitung Befehls-Pipeline Adressierungsarten Mikrocomputersysteme auf einem Chip Mikrocontroller Begriffsdefinitionen CISC- und RISC Cores Businterfaces Gliederung der Lehrveranstaltung Digitale Signalprozessoren DSP Begriffsdefinitionen Gegenüberstellung DSP - µc Konvergente Prozessoren Teil2 Embedded Systems - Auswahlkriterien für f r Mikroprozessoren/Mikrocontroller Preis/Leistung (niedrige Gesamtkosten hohe Rechenleistung) Entwicklungsumgebung Time to Market Energieverbrauch Platzbedarf... Speicherorganisation und Halbleiterspeicher ROM PROM/OTP (One Time Programmable) EPROM (Erasable( Programmable ROM) EEPROM ( Electrically EPROM) Flash Speicher SRAM (Statischer RAM) DRAM (Dynamischer RAM) 4

5 Gliederung der Lehrveranstaltung Periphere Systemkomponenten Interrupt System Externer Bus Parallele Ports Serielle Ports Timer Einheit (GPT) Capture/Compare Compare Einheit (CAPCOM) Analog/Digital Umsetzer Digital/Analog Umsetzer PWM Module Reset Watchdog Stromsparmodi Teil3 Bussysteme CAN Bus I²C C BUS USB Bus. Einführung in die embedded C-Programmierung Aufbau und Struktur eines C Programms Assembler/Linker C-Compiler Compiler für f r Mikrocontroller Programmentwicklung und Debugging/Simulation Gliederung der Lehrveranstaltung Detaillierte Analyse eine 16-Bit Mikrocontrollers SAB-C16x Mikrocontroller der Firma Infineon Teil4 Demonstration mehrerer Applikationsbeispiele auf einem realen Mikrocontrollersystem (C167) Datenausgabe auf serielle Schnittstelle RS232 Temperaturmessung Periodendauermessung PMW Multiplexen von 7-Segement7 Segement-Anzeigen Software für eine statusorientierte Maschine. Softwareentwicklung Software-Engineering Software für Embedded Systems Programmiersprachen für Embedded Systems Programmierstil Programmentwurf/-design Fehlerquellen bei der Softwareentwicklung Entwicklungstrends 5

6 Der Einsatz von Mikroprozessoren Leistungsstarke Großrechner Mobile Systeme mit sehr geringem Energieverbrauch Drahtlose Kommunikation Globale Vernetzung Der Einsatz von Mikroprozessoren MOTORSTEUERUNG STEUERGERÄTE FAHRZEUGTELEMATIK FAHRZEUGSIMULATION FAHRZEUGSICHERHEIT PARKASSISTENTEN SICHERHEITSASSISTENTEN CRASH-TESTS 6

7 Der Einsatz von Mikroprozessoren UNTERHALTUNGSELEKTRONIK INTERNET APPLIKATIONEN VIDEOSPIEL- KONSOLEN MESSTECHNIK DIGITALKAMERAS Der Einsatz von Mikroprozessoren MEDIZINTECHNIK 7

8 Der Einsatz von Mikroprozessoren INDUSTRIEELEKTRONIK ENERGIEGEWINNUNG VOLLAUTOMATISCHE HEIZANLAGEN LANDWIRTSCHAFT Der Einsatz von Mikroprozessoren 8

9 µp/µc Herstellerüberblick WELCHER HERSTELLER? WELCHER µp/µc? 8-BIT / 16-BIT / 32-BIT / 64-BIT Digitale Signalprozessoren HISTORISCHE ENTWICKLUNG Erste Schritte

10 HISTORISCHE ENTWICKLUNG HISTORISCHE ENTWICKLUNG Beispiele für die Markteinführung von Mikroprozessoren bis 1985 Transputer für Einsatz bei leistungsfähigen Mehrprozessorsystemen 10

11 HISTORISCHE ENTWICKLUNG STAMMBAUM DER µp/µc/dsp Entwicklung MP Mikroprozessor MC Mikrocontroller DSP Digitaler Signalprozessor RISC Reduced Instruction Set Computer CISC Complex Instruction Set Computer Superskalartechnik Nutzung der parallelen Befehlsausführung Entwicklung der Halbleitertechnik Integration der letzten Jahrzehnte SYSTEM INTEGRATIONSGRAD ARITHMETISCHE FUNKTIONEN LOGIKFUNKTIONEN CORE CHIP TRANSISTOR TECHNOLOGIE LOGIKBLÖCKE ARCHITEKTUR OPTIMIERUNG ASIC/FPGA SYSTEM-ON-CHIP ZEIT ASIC.Application Specific Integrated Circuit FPGA. Field Programmable Gate Array 11

12 Ein Chip entsteht VIDEO Die Entwicklung der Intel Prozessoren 4 Bit Generation ( ) Intel 4004 (15. November 1971) 8 Bit Generation ( ) Intel 8080 (1. April 1974) ( MHz) 4 KByte Adressraum (12 Bit) 740 khz Taktfrequenz Bit Instruktionen pro Sekunde) 2250 Transistoren Insgesamt 46 Befehle -64 Kilobyte Adressraum Transistoren -56 Befehle MHz erreichte Befehle pro Sekunde 12

13 16 Bit Generation ( ) Die Entwicklung der Intel Prozessoren Intel 8086 ( ) (4-12 MHz) (1981) -Taktfrequenz 20 MHz Befehle pro Sekunden -Interrupt Controller -DMA Controller ( ) (6-20 MHz) -Taktfrequenz 4-12MHz Transistoren -leistet Instruktionen/sec -Adressraum 1 MB (Aufteilung auf 64KByte Fenster) -Adressraum auf durchgehende 16 MB -Taktfrequenz 6-20MHz Transistoren -1.6 Millionen Instruktionen bei 6 MHz Die Entwicklung der Intel Prozessoren 32 Bit Generation ( x) (17. Oktober 1985) (16-33 MHz) (10. April 1989, MHz) -Taktfrequenz MHz -1.2 Millionen Transistoren -20 MIPS -fünfstufige Pipeline -Erweiterung von Cache, der seit dem 386 notwendig war. 8 KByte waren auf dem Prozessor integriert -Coprozessor integriert Pentium (22. März 1993) ( MHz) -Taktfrequenz MHz Transistoren -6 MIPS -386er war erster 32 Bit Prozessor von Intel -Adressraum 4GB -Taktfrequenz 60 MHz MHz -100 MIPS -3.2 Millionen Transistoren -4.5 Millionen beim Pentium MMX -Datenbus wurde von 32 auf 64 Bit -Cache 16 KByte 13

14 Die Entwicklung der Intel Prozessoren 32 Bit Generation ( x) Pentium II (7. Mai 1997) Pentium III (1999) -Taktfrequenz bis 1.2 GHz MIPS -Transistorzahl 9.5 Millionen -Taktfrequenz: MHz -7.5 Millionen Transistoren (ohne Cache, 0.25 µm Prozess) -466 MIPS Pentium 4 (November 2000) -Taktfrequenz > 1400 MHz -42 Millionen Transistoren -Cache bis 1 MByte - ca MIPS Moore s Gesetz Moore`s Gesetz, in den 60er-Jahren des vorigen Jahrhunderts von Ex-Intel-Chef Gordon Moore aufgestellte Behauptung: "Die Leistung von Computerchips verdoppelt sich etwa alle Monate." Tatsächlich hat das Gesetz bis heute Gültigkeit und Experten gehen davon aus, daß sich Moore`s Law noch bis mindestens 2015 bestätigen wird 14

15 Mikrocontroller- StarterKits 15