Zuse-Computer: Z1. erster Rechner mit binären Zahlen. Entwicklung der computergerechten. (Grundlage für IEEE-754) funktionierte leider nie zuverlässig

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1 Überblick Grundlagen: Spannung, Strom, Widerstand, IV-Kennlinien Elektronische Messgeräte im Elektronikpraktikum Passive Filter Signaltransport im Kabel Transistor Operationsverstärker PID-Regler Sensorik Lock-In-Verstärker Phase-Locked Loop Digitalelektronik Digital-Analog- / Analog-Digital-Wandlung Mikrocontroller Labview und Virtual Instruments Physik in der Elektronik: Ausblick zur Festkörperphysik Seite 1

2 Zuse-Computer: Z1 erster Rechner mit binären Zahlen Entwicklung der computergerechten Gleitkommazahlen (Grundlage für IEEE-754) funktionierte leider nie zuverlässig Nachbau im Deutschen Technikmuseum Berlin Original (Fertigstellung: 1938) zerstört im Zweiten Weltkrieg Konrad Zuse * 22. Juni Dezember 1995 Seite 2

3 Zuse-Computer: Z3 Operationen: Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, Quadratwurzel, Umwandlung Dezimal Dual Speicher: 64 x 22 bit (Gleitkommaz.) Taktung: 5,3 Hz Lochstreifenleser für Programme Tastatur und Lampenfeld Leistungsaufnahme: 4 kw Masse: 1000 kg Nachbau im Deutschen Museum München Original zerstört im Zweiten Weltkrieg (1944) Z3: erster funktionstüchtiger Computer der Welt (programmierbar) Seite 3

4 Wie funktioniert ein Computer? Seite 4

5 Wie funktioniert ein Computer? Prozessor = CPU (Central Processing Unit) Arbeitsspeicher = RAM (Random Access Memory) Seite 5

6 Computer-Architektur keyboard graphics interface data/address bus CPU bus control RAM ROM disk drives A/D D/A digital I/O instruction decoder registers clock generator Prozess, Experiment,... program ctr flags ALU CPU = central processing unit (Mikroprozessor) RAM = random access memory ROM = read-only memory Seite 6

7 Computer-Architektur Logikschaltung, die Maschinensprache- Befehle (Bitfolgen) ausführt, d.h. die entsprechenden Schaltungen miteinander verbindet CPU instruction decoder bus control registers program ctr Zwischenspeicher (D-Flip-Flops); je Register z. B. 8 bit flags (Statusregister) = Eigenschaften der letzten Rechenoperation (z. B. carry, zero, negative) flags ALU program counter (Programmzähler) = Speicheradresse der nächsten Instruktion ALU = arithmetic logic unit eigentliches Rechenwerk bestehend aus Logikschaltungen (AND, OR, XOR, NOT), Schieberegister sowie Volladdierer, evtl. auch Multiplizierer,... Seite 7

8 Arithmetic Logic Unit (ALU) Beispiel: 1-bit ALU Eingänge: A, B, Carry in Steuerleitungen: F 0, F 1, INVA, ENA, ENB Ausgänge: Output, Carry out Seite 8

9 Verarbeitung von CPU-Instruktionen Beispiel für Atmel AVR ATmega8 T cycle = 1 / f clock z. B. 1 µs (bei f clock = 1 MHz) Hinweis: es gibt auch Opcodes, die 2 oder 3 Taktzyklen zur Ausführung benötigen. Seite 9

10 Verarbeitung von CPU-Instruktionen program counter = n Speicher lesen und Instruction Code ausführen = Addition von Register 1 und Register 2, Ergebnis nach Register 1 program counter = n+1 Speicher lesen und Instruction Code ausführen xxxxxx0110 = Schiebe bits in Register 1 nach rechts program counter = n+2 Speicher lesen und Instruction Code ausführen = tue nichts Programmspeicher n: n+1: n+2: n+3: program counter = n+3 Speicher lesen und Instruction Code ausführen 1100 = springe -4+1 Anweisungen Beispiel für Atmel AVR ATmega8 Seite 10

11 Maschinensprache und Assembler Maschinensprache Mnemonics (Assembler-Sprache) Bedeutung Programmspeicher n: n+1: n+2: n+3: marke: ADD r01,r02 LSR r01 NOP RJMP marke ADDition: r01 + r02 r01 Logical Shift Right: r01 / 2 r01 No OPeration Relative JuMP to "marke" Assembler Beispiel für Atmel AVR ATmega8 Seite 11

12 Computer-Architektur keyboard graphics interface data/address bus CPU bus control RAM ROM disk drives A/D D/A digital I/O instruction decoder registers clock generator Prozess, Experiment,... program ctr flags ALU CPU = central processing unit (Mikroprozessor) RAM = random access memory ROM = read-only memory Seite 12

13 Computer-Architektur Daten-/Adressbus, z. B. 8-bit Datenwortlänge 16-bit Adressierung D 0 D 1... D 7... Datenleitungen A 0 A 1... A Adressleitungen Read Write Kontrollleitungen Alle Komponenten nutzen dieselben Leitungen! Seite 13

14 Computer-Architektur Daten-/Adressbus, z. B. 8-bit Datenwortlänge 16-bit Adressierung D 0 D 1... D 8... Datenleitungen A 0 A 1... A n... Adressleitungen Read Write Kontrollleitungen Alle Komponenten nutzen dieselben Leitungen! Seite 14

15 Mikrocontroller Mikrocontroller = Mikroprozessor + Speicher + Digital/Analog-Ein/Ausgänge in einem Chip z. B. Atmel AVR ATmega8 enhält: - CPU - Flash-Speicher für Programmcode - RAM für Daten - digitale Ein- und Ausgänge - A/D-Wandler - Analog-Komparator -PWM - Zähler - Prozessortaktgenerator - u. v. m. Minicomputer in einem Chip; lauffähig nur mit Spannungsversorgung Seite 15

16 Atmel AVR ATmega8 Mikrocontroller mit 8-bit Architektur Taktfrequenz: 1 MHz (max. 16 MHz) 130 Maschinensprachekommandos (Ausführung in 1-3 Taktzyklen, d.h. bis zu 1 1 MHz) 8 KB Programmspeicher (Flash-Memory) 1 KB Datenspeicher (SRAM) 3 I/O-Ports (mit je 8 bit) Port D Port C Port B Seite 16

17 Atmel AVR ATmega8 Mindestbeschaltung: 5V ISP Anschluss 5V 10kOhm R R1, C1 sorgen für Reset bei Anlegen der Versorgungsspannung C2 und C3 sind Abblockkondensatoren gegen Störungen auf der Versorgungsspannung Reset 47nF C1 100nF C3 100nF C2 5V 5V RESET AVCC AGND AREF VCC GND (XTAL2/TOSC2)PB7 (XTAL/TOSC1)PB6 (SCK)PB5 (MISO)PB4 (MOSI/OC2)PB3 (/SS/OC1B)PB2 (OC1A)PB1 (ICP1)PB0 (ADC5/SCL)PC5 (ADC4/SDA)PC4 (ADC3)PC3 (ADC2)PC2 (ADC1)PC1 (ADC0)PC0 (AIN1)PD7 (AIN0)PD6 (T1)PD5 (XCK/T0)PD4 (INT1)PD3 (INT0)PD2 (TXD)PD1 (RXD)PD0 ATmega Ports zur freien Verwendung entweder als Ausgang oder als Eingang (pos. Logik) 0 = L = 0V 1 = H = 5V Seite 17

18 Ausgänge mit LEDs from Output Pin Vorwiderstand LED Ausgangspegel LED 0 aus 1 an Seite 18

19 Ausgänge mit LEDs 5V ISP Anschluss 5V 10kOhm R Reset nF C1 100nF C3 5V RESET AVCC AGND AREF (XTAL2/TOSC2)PB7 (XTAL/TOSC1)PB6 (SCK)PB5 (MISO)PB4 (MOSI/OC2)PB3 (/SS/OC1B)PB2 (OC1A)PB1 (ICP1)PB0 (ADC5/SCL)PC5 (ADC4/SDA)PC4 (ADC3)PC3 (ADC2)PC2 (ADC1)PC1 (ADC0)PC nF C2 5V 7 8 VCC GND (AIN1)PD7 (AIN0)PD6 (T1)PD5 (XCK/T0)PD4 (INT1)PD3 (INT0)PD2 (TXD)PD1 (RXD)PD0 ATmega LED9 LED8 LED7 LED6 LED5 LED4 8 LEDs an Port D (0. bit bis 7. bit) LED3 LED2 LED1 1 LED0 10-LED-Balkenanzeige 1 R-Netzwerk 10x 2.2 kohm Seite 19

20 AVR-Studio für Atmel Mikrocontroller Neues Projekt erstellen, d.h. neues Programm Maschinensprache in den Mikrocontroller schreiben (über AVRisp MKII Programmieradapter) Programmtext in Assembler-Sprache Programm in Maschinensprache übersetzen Ergebnis des letzten Übersetzungsvorgangs Seite 20

21 Programmierung des Mikrocontrollers ATmega8 Programmspeicher: Flash-Speicher (oder EPROM, EEPROM) 2 prinzipielle Möglichkeiten: 1. Externes Programmiergerät 2. In-System-Programmer (ISP) ATmega8 Vorteil von ISP: Änderung des Programms des Mikrocontrollers in der fertigen und laufenden Schaltung möglich Seite 21

22 Ausgänge mit LEDs Programm zum Einschalten der LEDs mit Muster:.include "m8def.inc" ;Definitionsdatei für ATmega8 ldi r16,0b ;Wert setzen: r16 = 255 out DDRD,r16 ;alle bits von Port D als ;"Output" konfigurieren ldi r16,0b out PORTD,r16 ;Wert setzen (gemäß Wunschmuster) ;Inhalt von r16 an PORTD ausgeben ende: rjmp ende ;Endlosschleife.include "m8def.inc" ist immer die erste Zeile im Programm ldi = LoaD Immediate: lade Wert im 2. Argument in Register im ersten Argument, hier: r16 = 0b ;bla bla bla: Kommentar (wird vom Assembler ignoriert) Seite 22

23 Ausgänge mit LEDs Programm zum Einschalten der LEDs mit Muster:.include "m8def.inc" ;Definitionsdatei für ATmega8 ldi r16,0b ;Wert setzen: r16 = 255 out DDRD,r16 ;alle bits von Port D als ;"Output" konfigurieren ldi r16,0b out PORTD,r16 ;Wert setzen (gemäß Wunschmuster) ;Inhalt von r16 an PORTD ausgeben ende: rjmp ende ;Endlosschleife out: gebe Wert im Register (2. Argument) am Port (1. Argument) aus DDRD = Data Direction Register for port D hier wird die Richtung eines Pins festgelegt (0 = Input oder 1 = Output); jedes der 8 bits darf anders sein PORTD = Ausgang des Port D Seite 23

24 Ausgänge mit LEDs Programm zum Einschalten der LEDs mit Muster:.include "m8def.inc" ;Definitionsdatei für ATmega8 ldi r16,0b ;Wert setzen: r16 = 255 out DDRD,r16 ;alle bits von Port D als ;"Output" konfigurieren ldi r16,0b out PORTD,r16 ;Wert setzen (gemäß Wunschmuster) ;Inhalt von r16 an PORTD ausgeben ende: rjmp ende ;Endlosschleife rjmp = relative jump: springe zu Sprungmarke (hier: ende), d. h. setze program counter (PC) auf Adresse der Sprungmarke Seite 24

25 Eingänge mit Tastern 5V Taster Logikpegel Sw0 offen 0 to input pin gedrückt 1 10kOhm R2 Seite 25

26 Mikrocontroller mit Tastern und LEDs 5V ISP Anschluss 5V 10kOhm R Reset 5 6 5V 47nF C1 100nF C3 5V RESET AVCC AGND AREF (XTAL2/TOSC2)PB7 (XTAL/TOSC1)PB6 (SCK)PB5 (MISO)PB4 (MOSI/OC2)PB3 (/SS/OC1B)PB2 (OC1A)PB1 (ICP1)PB0 (ADC5/SCL)PC5 (ADC4/SDA)PC4 (ADC3)PC3 (ADC2)PC2 (ADC1)PC1 (ADC0)PC kOhm R4 Sw2 Sw1 Sw0 10kOhm R3 10kOhm R2 3 Taster an Port B (0. bit bis 2. bit) 100nF C2 5V 7 8 VCC GND (AIN1)PD7 (AIN0)PD6 (T1)PD5 (XCK/T0)PD4 (INT1)PD3 (INT0)PD2 (TXD)PD1 (RXD)PD0 ATmega LED9 LED8 LED7 LED6 LED5 LED4 LED3 LED2 8 LEDs an Port D (0. bit bis 7. bit) LED1 1 LED0 10-LED-Balkenanzeige 1 R-Netzwerk 10x 2.2 kohm Seite 26

27 Mikrocontroller mit Tastern und LEDs Programm zum Einschalten der LED i, falls Taster i gedrückt ist:.include "m8def.inc" ;Definitionsdatei für ATmega8 ldi r16,0b ;Wert setzen: r16 = 255 out DDRD,r16 ;alle bits von Port D als ;"Output" konfigurieren ldi r16,0b ;Wert setzen: r16 = 248 out DDRB,r16 ;bits 0 bis 2 von Port B als ;"Input" konfigurieren loop: in r16,pinb ;Zustand der Pins von Port B ;einlesen und in r16 speichern out PORTD,r16 ;Inhalt von r16 an Port D ausgeben rjmp loop ;wieder zur Marke "loop" springen in: lese Zustand der Pins am Port (2. Argument) ein und speichere Ergebnis im Register (1. Argument) Seite 27

28 Mikrocontroller mit Tastern und LEDs Programm zum Einschalten der LED i, falls Taster i gedrückt ist:.include "m8def.inc" ;Definitionsdatei für ATmega8 ldi r16,0b ;Wert setzen: r16 = 255 out DDRD,r16 ;alle bits von Port D als ;"Output" konfigurieren ldi r16,0b ;Wert setzen: r16 = 248 out DDRB,r16 ;bits 0 bis 2 von Port B als ;"Input" konfigurieren loop: in r16,pinb ;Zustand der Pins von Port B ;einlesen und in r16 speichern com r16 ;"NOT"-Operation auf alle Bits ;in Register r16 anwenden out PORTD,r16 ;Inhalt von r16 an Port D ausgeben rjmp loop ;wieder zur Marke "loop" springen Seite 28

29 Logikoperationen und Verzweigungen Jetzt etwas "komplizierter": Aufgabe: 1. Bei Start sollen die LEDs so leuchten: 2. Wenn Taster Sw0 gedrückt wird, sollen alle LEDs so leuchten: Seite 29

30 Logikoperationen und Verzweigungen.include "m8def.inc" ldi r16,0b out DDRD,r16 ldi r16,0b out DDRB,r16 ldi r16,0b out PORTD,r16 ldi r17,0b ;Definitionsdatei für ATmega8 ;Port D komplett als Ausgang ;Port B, bits 0 bis 2 als Eingang ;Startkonfiguration der LEDs ;auf Port D ausgeben ;LED-Zustand für gedrückten Taster in r17 loop: in r18,pinb ;Port B nach r18 einlesen andi r18,0b ;andi = and with immediate: Und-Verknüpfung ;von r18 mit ; "maskiert" bit 0 ;Ergebnis ist 0 oder 1, Z-(zero-)flag der ;ALU ist, entsprechend gesetzt breq normal ;breq = branch if equal (Z = 1) ;bedingte Verzweigung nach "loop" out PORTD,r17 ;Inhalt von r17 an Port D ausgeben rjmp loop ;wieder zur Marke "loop" springen normal: out PORTD,r16 ;Inhalt von r16 an Port D ausgeben rjmp loop ;wiederzur Marke "loop" springen Seite 30

31 Logikoperationen und Verzweigungen.include "m8def.inc" ;Definitionsdatei für ATmega8 ldi r16,0b out DDRD,r16 ldi r16,0b out DDRB,r16 ldi r16,0b out PORTD,r16 ldi r17,0b ;Port D komplett als Ausgang Wie funktioniert der Befehl andi r17,0b ? Annahme: Taster sw0 und sw2 gedrückt. ;Port B, bits 0 bis 2 als Eingang ;Startkonfiguration der LEDs ;auf Port D ausgeben in r17,pinb r17 = 0b andi r17,0b r17 = 0b Z = 0 ;LED-Zustand für gedrückten Taster in r17 loop: in r18,pinb ;Port B nach r18 einlesen andi r18,0b ;andi = and with immediate: Und-Verknüpfung Annahme: Taster sw1 und ;von sw2 r18 gedrückt: mit ; "maskiert" bit 0 ;Ergebnis ist 0 oder 1, Z-(zero-)flag der ;ALU ist, entsprechend gesetzt breq in r17,pinb normal ;breq = branch r17 = if 0b equal (Z = 1) andi r17,0b ;bedingte Verzweigung r17 = 0b nach "loop" out PORTD,r17 ;Inhalt von Z r17 = 1 an Port D ausgeben rjmp loop ;wieder zur Marke "loop" springen normal: out PORTD,r16 ;Inhalt von r16 an Port D ausgeben rjmp loop ;wiederzur Marke "loop" springen Seite 31

32 Verzögerung: Warteschleife Wie kann man eine Verzögerung programmieren? [...] ldi r17,255 ;Schleife wird 255 durchlaufen schleife1: dec r17 ;dec = DECrease; r17 r17-1 ;falls r17 = 0, wird automatisch Z = 1 brne schleife1 ;Z = 0 (r17 nicht 0); dann springe zu ;schleife1 [...] Wie lange dauert die Schleife? ldi dauert 1 Taktzyklus dec dauert 1 Taktzyklus brne dauert 2 Taktzyklen bei Sprung, sonst 1 Taktzyklus Gesamtzyklen N = (1 + 2) - 1 = 765 bei f = 1 MHz folgt: T Warteschleife = 765 µs noch zu kurz??? Seite 32

33 Verzögerung: Warteschleife Längere Verzögerung: 2 oder mehr verschachtelte Schleifen [...] ldi r17,255 ;Schleife 1 wird 255x durchlaufen schleife1: ldi r18,255 ;Schleife 2 wird auch 255x durchlaufen schleife2: dec r18 ;Schleifenzähler erniedrigen brne schleife2 ;wenn noch nicht 0, dann zu schleife2 dec r17 brne schleife1 ;Schleifenzähler der äußeren Schleife ;erniedrigen ;r17 noch nicht 0: dann springe zu ;schleife1 [...] Zyklen Schleife 2: N 2 = (1 + 2) - 1 = 765 Gesamtzyklen: N = ( ) - 1 = bei f = 1 MHz folgt: T Warteschleife = s Seite 33

34 Verzögerung: Warteschleife Exakte Verzögerung: z. B. genau 200 ms [...] ldi r17,200 ;Schleife 1 wird 200x durchlaufen schleife1: ldi r18,199 ;Schleife 2 wird auch 199x durchlaufen schleife2: nop ;2x No Operation (nichts tun) nop ;jedes NOP benötigt 1 Taktzyklus dec r18 ;Schleifenzähler erniedrigen brne schleife2 ;wenn noch nicht 0, dann zu schleife2 [...] nop nop dec r17 brne schleife1 ;noch 2x No Operation ;Schleifenzähler der äußeren Schleife ;erniedrigen ;r17 noch nicht 0: dann springe zu ;schleife1 Zyklen Schleife 2: N 2 = ( ) - 1 = 995 Gesamtzyklen: N = ( ) - 1 = bei f = 1 MHz folgt: T Warteschleife = ms Seite 34

35 Unterprogramme Beispiel: ca. 200 ms-verzögerung als Unterprogramm Sub_Delay200: ;Startmarke für das Unterprogramm ldi r17,255 ;Schleife 1 wird 255x durchlaufen schleife1: ldi r18,255 ;Schleife 2 wird auch 199x durchlaufen schleife2: dec r18 ;Schleifenzähler erniedrigen brne schleife2 ;wenn noch nicht 0, dann zu schleife2 dec r17 brne schleife1 ret ;Schleifenzähler der äußeren Schleife ;erniedrigen ;r17 noch nicht 0: dann springe zu ;schleife1 ;Ende des Unterprogramms; Rücksprung zur ;Position vor dem Aufruf des Unterprogramms Aufruf im Hauptprogramm: [...] [...] rcall Sub_Delay200 ;führt das Unterprogramm Sub_Delay200 aus ;und kehrt dann hierher zurück; aber Achtung ;das Unterprogramm verändert u. U. Register Seite 35

36 Weitere Informationen Datenblatt des ATmega8 Befehlssatz des ATmega8 auf der internen EP-Homepage Tutorial über ATmega8 auf (sehr empfehlenswert!) Seite 36