Eingebettete Systeme

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1 Einführung in Eingebettete Systeme Vorlesung 2 Bernd Finkbeiner 29/10/2014 finkbeiner@cs.uni-saarland.de Prof. Bernd Finkbeiner, Ph.D. finkbeiner@cs.uni-saarland.de 1

2 Systemmodell Ein Systemmodell (kurz: Modell) ist eine Abstraktion eines Systems, welche nur eine Menge ausgewählter, gerade interessierender Sachverhalte des betrachteten Systems aufweist. [Tabeling 2006] Ein komplexes System hat üblicherweise mehrere Modelle! 2

3 Physikalische Umgebung Schaltungen Sensoren A/D Endliche Automaten Petri-Netze Hardware Software Steuerung Kommunikation, Nebenläufigkeit D/A Aktoren Differenzialgleichungen Physikalische Umgebung 3

4 Definition! Ein deterministischer Automat M=(I, O, S, s0, δ, λ) besteht aus den folgenden Komponenten:! I ist eine endliche, nicht-leere Menge von Eingabesymbolen (das Eingabealphabet),! O ist eine endliche, nicht-leere Menge von Ausgabesymbolen (das Ausgabealphabet)! S eine endliche, nicht-leere Menge von Zuständen,! s0 S ist der Initialzustand,! δ : S I S ist die Transitionsfunktion,! λ ist die Ausgabefunktion (Definition folgt). 4

5 Ausgabefunktion Zwei Arten von Automaten:! In Mealy-Automaten werden Eingabeaktionen benutzt, d.h. die Ausgabe vom Zustand und von der Eingabe ab: λ : S I O! In Moore-Automaten werden Eingansaktionen benutzt, d.h. die Ausgabe hängt nur vom Zustand, nicht von der Eingabe ab: λ : S O 5

6 Mealy vs. Moore C/P z0 C/N z1 C/N z0 N C C z4 P C z1 N C z3 C/N z2 z3 N C z2 N 6

7 Äquivalenz von Mealy und Moore Automaten! Ein Mealy-Automat M=(I, O, S, s0, δ, λ) und ein Moore-Automat M =(I, O, S, s 0, δ, λ ) sind äquivalent, wenn für jede Sequenz von Eingaben die Ausgabesequenz von M gleich λ (s 0) gefolgt von der Ausgabesequenz von M ist. C/P z0 C/N z1 C/N z0 N C C z4 P C z1 N C z3 C/N z2 z3 N C z2 N 7

8 Übersetzung Moore Mealy A s A/X s B X C B/X C/X 8

9 Beispiel Moore Mealy A A s1 1 A s0 0 B s3 1 B B s2 0 B A 9

10 Beispiel Moore Mealy A A/1 A s1 1 A A/1 s1 A/1 s0 0 B s2 0 B s3 B s0 B 1 s2 B/0 B/0 B/1 s3 B/1 A A/0 10

11 Übersetzung Mealy Moore A/X A A/Y C/X s D/Y C sx X A sy Y D 11

12 Übersetzung Mealy Moore A/0 A/0 s1 B/0 s0 s1 A/1 B/1 A/1 s3 B/0 A/1 12

13 Übersetzung Mealy Moore A/0 A A/0 s1 B/0 A s1,0 0 A s0 s2 A/1 B/1 A/1 s3 B/0 s0 0 B A s1,1 1 A B A s3 0 B A/1 s2 0 A 13

14 Akzeptoren! Akzeptoren sind Moore-Automaten mit O={Ja, Nein}. Die Ja -Zustände heissen Endzustände.! Eine Sequenz von Eingaben wird entweder akzeptiert ( Ja ) oder abgelehnt ( Nein ).! Die Menge der akzeptierten Sequenzen ist die Sprache des Akzeptors.! Sprachen, die durch Akzeptoren erkannt werden können, heißen regulär.! Die regulären Sprachen sind eine vergleichsweise kleine Sprachklasse. Z.B. ist die Sprache n mal Symbol a, gefolgt von n mal Symbol b, wobei n eine natürliche Zahl nicht regulär. 14

15 Beispiel: Akzeptor Paritätscheck Ungerade Anzahl von 1 Symbolen? Endzustand 15

16 3. Microcontroller Ziele:! Überblick über die wesentlichen Bestandteile eines Microcontrollers! Erstellen einfacher Programme (insbesondere die Implementierung endlicher Automaten auf einem Microcontroller).

17 Arduino ATmega328 17

18 Microcontroller! Prozessorkern, Speicher, und Ein-Ausgabeschnittstellen auf einem Chip! Ziel ist, Steuerungs- oder Kommunikationsaufgaben mit möglichst wenigen Bausteinen zu lösen! Es existiert eine Vielzahl von Microcontrollern, organisiert in Microcontrollerfamilien (Familienmitglieder haben meist gleichen Prozessorkern aber unterschiedlichen Speicher und Schnittstellen) 18

19 [Brinkschulte/Ungerer, Mikrocontroller und Mikroprozessoren, 2002] 19

20 von-neumann Prinzip! Der Rechner ist zentral gesteuert und aus Funktionseinheiten aufgebaut (Zentraleinheit, Speicher, Ein-/Ausgabeeinheit).! Der Rechner ist nicht speziell auf ein zu bearbeitendes Problem zugeschnitten. Zur Lösung eines Problems wird ein eigenes Programm im Speicher abgelegt. ("programmgesteuerter Universalrechner")! von-neumann Architektur: Programme und Daten liegen im selben Speicher.! Harvard Architektur: Programme und Daten liegen in getrennten Speichern. (ATmega328 hat Harvard Architektur) 20

21 GND VCC ATmega328 Watchdog Timer Watchdog Oscillator Power Supervision POR / BOD & RESET debugwire PROGRAM LOGIC Oscillator Circuits / Clock Generation Flash SRAM CPU EEPROM AVCC AREF GND 8bit T/C 0 16bit T/C 1 A/D Conv. 2 DATABUS 8bit T/C 2 Analog Comp. Internal Bandgap 6 USART 0 SPI TWI PORT D (8) PORT B (8) PORT C (7) RESET XTAL[1..2] [ PD[0..7] PB[0..7] PC[0..6] ADC[6..7] 21

22 Prozessorkern (Central Processing Unit, CPU) [Brinkschulte/Ungerer, Mikrocontroller und Mikroprozessoren, 2002] 22

23 Operationsprinzip! Zu jedem Zeitpunkt führt die CPU nur einen einzigen Befehl aus, und dieser kann (höchstens) einen Datenwert neu berechnen (Single Instruction - Single Data, SISD). Der Befehlsablauf folgt einer sequentiellen Befehlsfolge.! In der Interpretations-Phase wird aufgrund der durch den Befehlszähler angegebenen Adresse der Inhalt einer Speicherzelle geholt und als Befehl interpretiert.! In der Ausführungs-Phase wird aufgrund der im Befehl enthaltenen Adresse der Inhalt einer weiteren Speicherzelle geholt und als Datenwert verarbeitet. 23

24 ATmega328 Data Bus 8-bit Flash Program Memory Program Counter Status and Control Instruction Register 32 x 8 General Purpose Registrers Interrupt Unit SPI Unit Instruction Decoder Control Lines Direct Addressing Indirect Addressing ALU Watchdog Timer Analog Comparator I/O Module1 Data SRAM I/O Module 2 I/O Module n EEPROM I/O Lines [ 24

25 Speicher! integrierter Festwert- und Schreiblesespeicher! enthält Daten und Programme! anders als beim PC ist Speicher meist knapp! je nach Stückzahl der Anwendung unterschiedlicher Typ des Festwertspeichers (ROM: Read Only Memory, PROM: Programmable Read Only Memory, EPROM: Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, Flash) 25

26 GND VCC ATmega328 - Speicher! Harvard Architektur! Flash (32KB) Programmspeicher permanenter Speicher! SRAM (2KB) (Static Random Access Memory) Kurzfristige Daten flüchtiger Speicher! EEPROM (1KB) Langfristige Daten DATABUS Watchdog Timer Watchdog Oscillator Oscillator Circuits / Clock Generation EEPROM 8bit T/C 0 8bit T/C 2 USART 0 Power Supervision POR / BOD & RESET Flash 16bit T/C 1 Analog Comp. SPI CPU debugwire PROGRAM LOGIC SRAM A/D Conv. Internal Bandgap TWI 6 2 AVCC AREF GND PORT D (8) PORT B (8) PORT C (7) RESET XTAL[1..2] [ PD[0..7] PB[0..7] PC[0..6] ADC[6..7] 26

27 Ein-/Ausgabekanäle Digitale Schnittstellen! seriell oder parallel! synchron oder asynchron! Echtzeitkanäle:! Echtzeiterweiterung der parallelen E/A-Kanäle! Kopplung mit einem Zeitgeber: Ein-/ Ausgabezeitpunkt wird von Hardware bestimmt. Analoge Schnittstellen! DA/AD Wandler! Anschluss analoger Sensoren und Aktoren! Auflösung und Wandlungszeit sind die wichtigsten Größen 27

28 GND VCC ATmega328 - E/A! 14 digitale Anschlüsse! 8 analoge Anschlüsse Auflösung: 10 bit (= 1024 verschiedene Werte)! Richtung programmierbar DATABUS Watchdog Timer Watchdog Oscillator Oscillator Circuits / Clock Generation EEPROM 8bit T/C 0 8bit T/C 2 Power Supervision POR / BOD & RESET Flash 16bit T/C 1 Analog Comp. CPU debugwire PROGRAM LOGIC SRAM A/D Conv. Internal Bandgap 6 2 AVCC AREF GND USART 0 SPI TWI PORT D (8) PORT B (8) PORT C (7) RESET XTAL[1..2] [ PD[0..7] PB[0..7] PC[0..6] ADC[6..7] 28

29 X Zähler und Zeitgeber GND VCC! wichtig für Echtzeitsteuerungen! Beispielanwendungen: Zählen von Ereignissen, Zeitmessung, Pulsweitemodulation, Frequenz- und Drehzahlmessung, Schrittmotorsteuerungen! ATmega328: drei Zeitgeber DATABUS Watchdog Timer Watchdog Oscillator Oscillator Circuits / Clock Generation EEPROM 8bit T/C 0 8bit T/C 2 USART 0 Power Supervision POR / BOD & RESET Flash 16bit T/C 1 Analog Comp. SPI CPU debugwire PROGRAM LOGIC SRAM A/D Conv. Internal Bandgap TWI 6 2 A PORT D (8) PORT B (8) PORT C (7) 29

30 Watchdog! Wachhund zur Überwachung der Programmaktivitäten eines Mikrocontrollers! Programm muss in regelmäßigen Abständen Lebenszeichen liefern! Bleiben diese aus, so nimmt der Wachhund einen Fehler im Programmablauf an => Reset Reset by watchdog timer 30

31 Unterbrechungen (Interrupts)! Unterbrechung des Programmablaufs bei Ereignissen! Schnelle, vorhersagbare Reaktion auf Ereignisse! Insbesondere wichtig bei Echtzeitanwendungen! Behandlung eines Ereignisses durch eine Interrupt- Service-Routine! Microcontroller kennen meist externe Unterbrechungsquellen (Eingangssignale) und interne Unterbrechungsquellen (Zähler, Zeitgeber, E/A- Kanäle,...) 31

32 VectorNo. Program Address (2) Source Interrupt Definition 1 0x0000 (1) RESET External Pin, Power-on Reset, Brown-out Reset and Watchdog System Reset 2 0x0002 INT0 External Interrupt Request 0 3 0x0004 INT1 External Interrupt Request 1 4 0x0006 PCINT0 Pin Change Interrupt Request 0 5 0x0008 PCINT1 Pin Change Interrupt Request 1 6 0x000A PCINT2 Pin Change Interrupt Request 2 7 0x000C WDT Watchdog Time-out Interrupt 8 0x000E TIMER2 COMPA Timer/Counter2 Compare Match A 9 0x0010 TIMER2 COMPB Timer/Counter2 Compare Match B 10 0x0012 TIMER2 OVF Timer/Counter2 Overflow 11 0x0014 TIMER1 CAPT Timer/Counter1 Capture Event 12 0x0016 TIMER1 COMPA Timer/Counter1 Compare Match A 13 0x0018 TIMER1 COMPB Timer/Coutner1 Compare Match B 14 0x001A TIMER1 OVF Timer/Counter1 Overflow 15 0x001C TIMER0 COMPA Timer/Counter0 Compare Match A 16 0x001E TIMER0 COMPB Timer/Counter0 Compare Match B 17 0x0020 TIMER0 OVF Timer/Counter0 Overflow 18 0x0022 SPI, STC SPI Serial Transfer Complete 19 0x0024 USART, RX USART Rx Complete 20 0x0026 USART, UDRE USART, Data Register Empty 21 0x0028 USART, TX USART, Tx Complete 22 0x002A ADC ADC Conversion Complete 23 0x002C EE READY EEPROM Ready 24 0x002E ANALOG COMP Analog Comparator 25 0x0030 TWI 2-wire Serial Interface 26 0x0032 SPM READY Store Program Memory Ready [ 32

33 Ruhebetrieb (Standby Mode)! Ruhebetrieb zur Reduktion des Energieverbrauchs! Energievorrat (oder Wärmeemission) oft beschränkt! Abschaltung nicht benötigter Peripheriekomponenten und Festwertspeicher! Erhaltungsspannung am Schreib-/Lesespeicher! ATmega328: 6 verschiedene Sleep modes 33

34 Programmierung 34

35 manuell/ Codegenerator Modell C Programm #include <stdio.h> int main(void) { char a = 3, b = 4, c; while(1) { a++, b++; c = a + b; Compiler } } printf( "%d ", c ); Assembler Programm Linker Binärcode a <main>: 12a: cf 93 push r28 12c: df 93 push r29 12e: 00 d0 rcall.+0 ; 0x130 <main+0x6> 130: cd b7 in r28, ; 61, SP low 0x3d 132: de b7 in r29, 0x3e ; 62, SP high (r28/r29 == Y) 134: 83 e0 ldi r24, 0x03 ; 3 (Wert für a) 136: std Y+1, r24 ; Variable a, auf Stack 138: 84 e0 ldi r24, 0x04 ; 4 (Wert für b) 13a: 8a 83 std Y+2, r24 ; Variable b, auf Stack 13c: ldd r25, Y+1 ; a 13e: 8a 81 ldd r24, Y+2 ; b 140: 89 0f add r24, r25 ; a + b 142: 8b 83 std Y+3, r24 ; Ergebnis in c, auf Stack 144: 8b 81 ldd r24, Y+3 ; c 146: 28 2f mov r18, r24 ; c in r18 148: 30 e0 ldi r19, 0x00 ; 0 in r19 14a: 00 d0 rcall.+0 ; 0x14c <main+0x22> 14c: 0f 92 push r0 14e: 8d b7 in r24, ; 61, SP low 0x3d 150: 9e b7 in r25, 0x3e ; 62, SP high 152: adiw r24, 0x01 ; SP-Kopie : 40 e0 ldi r20, 0x00 ; 0 156: 52 e0 ldi r21, 0x02 ; 2 158: fc 01 movw r30, r24 ; r24/25 in r30/31 (Z) 15a: std Z+1, r21 ; Parameter auf Stack 15c: st Z, r20 ; 15e: fc 01 movw r30, r24 ; 160: std Z+3, r19 ; Kopie von c auf Stack 162: std Z+2, r18 ; 164: 0e 94 b9 00 call 0x172 ; <printf> aufrufen 168: 0f 90 pop r0 ; Stack bereinigen 16a: 0f 90 pop r0 16c: 0f 90 pop r0 16e: 0f 90 pop r0 170: e5 cf rjmp.-54 ; 0x13c <main+0x12> : BBF02C007900D92A430B107D9F712E0DF : A4E0B2E001C01D92AA30B107E1F70E944D : C C940000CF93DF9300D0E1 : CDB7DEB783E E08A A81A1 : F8B838B81282F30E000D00F928DB7E1 : EB E052E0FC FC01D0 : E94B9000F900F900F900F905D : E5CFCF93DF93CDB7DEB7FE : AF010E94CB000D : DF91CF F923F924F925F926F928D :1001A0007F928F929F92AF92BF92CF92DF92EF9207 :1001B000FF920F931F93CF93DF93CDB7DEB72D97A9 :1001C0000FB6F894DEBF0FBECDBF3C017D876C87B4 :1001D0005A01FC FFC8C12E015A :1001E C511CF EC85FD8593FD1E :1001F FF8191FD87EC F4B3C132 : F493FD859193FF8191FD87EC87C1 : F490E0B3010E94E802E4CFFF2484 : EE2410E01032B0F48B3269F08C3228F4F6 : F F40BC08D3239F080334B : F411602CC C C0E6 : C017FD2EC0282F20532A3098F496 : FF08C08F2D880FF82EFF0CFF0CF80E1C : F20E15C08E2D880FE82EEE0CEE0CE80E57 : E20E10620CC08E3221F416FD6CC11064B7 : C08C3611F C F4EC851B :1002A000FD8593FD859193FF8191FD87EC878823E0 :1002B00009F0B8CF982F F E 35

36 Arduino Programme! C Programme (mit Bibliotheken)! Arduino nennt Programme Sketches! Programmstruktur:! Header Deklarationen, Einbinden von Bibliotheken, etc.! setup() wird einmal ausgeführt bei Programmstart! loop() wird immer wieder ausgeführt sobald das Ende erreicht wurde 36

37 Beispielprogramm: Blink /* Blink Turns on an LED on for one second, then off for one second, repeatedly. */ // LED is connected to Pin 2 // give it a name: int led = 2; // the setup routine runs once when you press reset: void setup() { // initialize the digital pin as an output. pinmode(led, OUTPUT); } // the loop routine runs over and over again forever: void loop() { digitalwrite(led, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level) delay(1000); // wait for a second digitalwrite(led, LOW); // turn the LED off by making the voltage LOW delay(1000); // wait for a second } [ 37

38 Blink: Schaltung 38

39 arduino.cc 39

40 Arduino-Software! Arduino ( evtl. FTDI-Treiber ( Fritzing zum Zeichnen von Schaltplänen / Breadboards! Tools -> Board -> Arduino Nano w/ ATmega328! Tools -> Serial Port -> hinzugekommenen Port wählen 40

41 Aufgabe 1! Steuern Sie 2 verschiedenfarbige LEDs alternierend für jeweils eine Sekunde an. 41

42 Aufgabe 2! Steuern Sie 2 verschiedenfarbige LEDs alternierend für jeweils eine Sekunde an. Während der Taster gedrückt wird, unterbrechen Sie den Wechsel. 42