Steuerungen. 4 Typen verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS), speicherprogrammierte Steuerung (SPS), Mikrokontroller (MC) und Industrie-PCs (IPC)

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1 Steuerungen 4 Typen verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS), speicherprogrammierte Steuerung (SPS), Mikrokontroller (MC) und Industrie-PCs (IPC) VPS - Funktion der Steuerung in der Schaltungstopologie Klassiker: Relais- oder Schützsteuerung Einzelelemente haben großes Volumen bei größeren Anlagen - viele Schaltschränke Schaltnetze und Schaltwerke (S&R) sind ebenfalls VPS 1

2 SPS - Funktion der Steuerungen im SPS-Programm im Halbleiterspeicher Schnell anzupassen Mikrokontroller für die Informationsverarbeitung Zentralisierung mit großem Verdrahtungsaufwand Modular aufgebaut Zyklische Abarbeitung Prozessbild im Serielle Standardschnittstelle zur Programmierung 2

3 IPC - Steuerungen mit einem Personal-Computer beachtliche Leistungsfähigkeit Preiswert Rauhe Umgebungsbedingungen Keine Modulares Gehäusesystem Industrie-PC und SPS sehr ähnlich Realisierungsformen für IPCs: kompakter PC in 19"-Einschub und Schutz-Gehäuse viele einzelne Baugruppen (auf Hutschienen im Schaltschrank) Panel-Computer Parallele Anlagenverdrahtung versus serielle Anlagenverdrahtung (Feldbusse) 3

4 Mikrokontroller (µc) Mikrokontroller sind Ein-Chip-Mikrocomputer, die typischerweise für ereignisgesteuerte Echtzeitregelungen und -steuerungen von technischen Prozessen verwendet werden. Komponenten Kern Busse Kern (Core) Kontrolle des Datenflusses + Datenmanipulation mit Hilfe von n Kontroll- bestimmen die Grundkonfiguration des Kerns verschiedene Arten der ung der en - - Akkumulator - Befehlsformat und Befehlsklassen Arithmetische und logische Operationen Sprungbefehle Datentransfer-Befehle Vergleichsbefehle Kodierung der en-n in unterschiedlichen Befehlen Immediate -Direkt Rx -Direkt -Indirekt Rx -Indirekt 4

5 Base-Offset Implizit--Indirekt (Stack, Index) Rx Offset Stack-P. + Implizit-Base-Offset Offset Index + Implizit--Indirekt mit Pre- Dekrement oder Post-Inkrement ±1 + Bemerkungen zu den Adressierungsarten: Die Adressierungsart Implizit-Base-Offset wird auch als Displacement Adressierung bezeichnet und ist vor allem gut dazu geeignet Elemente in Strukturen von Hochsprachen zu adressieren. Des weiteren werden damit auch einzelne Objekte im Kellerspeicher adressiert. Bei der Index--Indirekt-Adressierung besteht die Möglichkeit vor der Adressierung des en das Adressregister um Eins zu erniedrigen (Pre-Dekrement) oder nach der Adressierung um eins zu erhöhen (Post-Inkrement). Diese Form der Adressierung vereinfacht die Bearbeitung größerer Datenmengen bei bestimmten Algorithmen mit Hilfe von Schleifenkonstrukten. Phasen der Befehlsausführung: Berechnen der nächsten Befehlsadresse und holen des Befehls Dekodierung des Befehls Berechnen der enadressen und holen der en Ausführung der Datenoperationen Berechnen der n und n der Ergebnisse 5

6 Beschleunigung der Datenverarbeitung: verschiedene Teile der Befehlsabarbeitung parallel - Pipelining Reduzierte Anzahl von Befehlen Grosse Anzahl von General-Purpose-n Optimierte Pipeline - hardware-seitige Vermeidung von Pipeline-Hazards Bei Mikrokontrollern meistens integriert! Typ Zugriff Löschen / Zyklen SRAM Schreiben / Byteweise Lesen Elektrisch / Beliebig ROM Lesen Nein / Keine PROM Lesen Nein / EPROM Lesen EEPROM Langsam Schreiben / Lesen Keine Komplett UV-Licht / 100 Byteweise Elektrisch / FLASH Lesen Blockweise Elektrisch / Schreiben Datenerhalt Zugriffszeit Zellengröße Elektrisch Nein 25 ns Sehr groß Maske Ja 350 ns Sehr klein Elektrisch Ja 400 ns Mittel Elektrisch Ja 250 ns Mittel Elektrisch Ja 500 ns Sehr groß Elektrisch Ja 100 ns Klein einer der µc des Sommersemesters -Resourcen des ucs AVR AT90S8515: 8 kbyte Befehlsspeicher (4k x 16 FLASH) 1024 Byte Datenspeicher o 512 x 8 SRAM o 512 x 8 EEPROM (mittels I/O-) 96 o 32 x 8 file im Kern o 64 x 8 I/O- in der 6

7 Zwei Klassen für die Adressierung: Memory-Mapped n der -Module liegen im adressraum und Zugriffe auf diese Module werden wie zugriffe durchgeführt. Spezielle I/O-Befehle des Kerns mit eigenem I/O-Adressraum Betriebsart Steuerung Nebenläufig Interrupts Bemerkungen Nein Keine spezielle Mikrokontrollerkerne mit ausschließlichen Ein- und Ausgabetätigkeiten Nein Keine Polling verbraucht viel Programmzeit Gut geeignet für zeitgesteuerte Betriebssysteme Ja Ja Gut geeignet für ereignisgesteuerte Betriebssysteme Programmed-I/O Durch den Kern Nachteil: Warten auf I/O- Einheiten Polled-I/O I/O-Modul hat eigene Zustandsmaschine und spezielle Buffer Interrupt- Driven-I/O Direct- Memory- I/O- Access Eigenständiges Bearbeiten der I/O- Operationen Unterbrechung des Programms im Kern nur wenn das I/O- Modul Unterstützung oder Daten benötigt Datenaustausch mit dem ohne Beteiligung des Kerns Unterbrechungs- Signal mit bestimmter Priorität an Kern Komplexe Hardware mit eigener autonomer Priorisierung der Unterbrechungs-Signale nötig Ja Ja Nur bei High-End- Mikrokontrollern, da sehr hoher Hardware-Aufwand (Peripheral-Control- Processor-Modul) Busse Daten-Bus Adress-Bus Kontroll-Leitungen Schema der Übertragung von Daten: 1. Daten adressieren durch Signale auf dem Adress-Bus 2. Signale auf den Kontroll-Leitungen signalisieren die Gültigkeit der 3. wird vom Empfänger-Modul verarbeitet 4. Das Empfänger-Modul legt die adressierten Daten auf den Daten-Bus 5. Empfänger signalisiert mit Kontrollsignalen die Gültigkeit der Daten 6. Anforderndes Modul liest die Daten ein 7

8 Zeitlicher Ablauf der Datenübertragung Takt Adress-Bus Adr.1 Adr.2 Daten-Bus Data1 Data2 Kontroll- Signale n gültig Daten gültig von-neumann-architektur Kern Befehls- und Datenspeicher Bus- Struktur Harvard-Architektur Befehlsspeicher Kern Daten- Extended-Harvard-Architektur Befehlsspeicher Kern Daten- 8

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