Eingebettete Systeme

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1 Einführung in Eingebettete Systeme Vorlesung 2 Bernd Finkbeiner 23/10/2013 finkbeiner@cs.uni-saarland.de Prof. Bernd Finkbeiner, Ph.D. finkbeiner@cs.uni-saarland.de 1

2 Letzte Woche: Modelle 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 Sensoren A/D Endliche Automaten Hardware Software Steuerung Kommunikation, Nebenläufigkeit D/A Aktoren Physikalische Umgebung 3

4 Endliche Automaten 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. 4

5 Analysemodell Konstruktionsmodell Widerspruch: Modell fehlerhaft Modell Analyse Design System Widerspruch: System fehlerhaft [Tabeling 2006] 5

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

7 Arduino ATmega328 7

8 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) 8

9 [Brinkschulte/Ungerer, Mikrocontroller und Mikroprozessoren, 2002] 9

10 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) 10

11 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] 11

12 Prozessorkern (Central Processing Unit, CPU) [Brinkschulte/Ungerer, Mikrocontroller und Mikroprozessoren, 2002] 12

13 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. 13

14 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 [ 14

15 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) 15

16 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] 16

17 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 17

18 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] 18

19 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 A PORT D (8) PORT B (8) PORT C (7) 19 X

20 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 20

21 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,...) 21

22 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 [ 22

23 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 23

24 Programmierung 24

25 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 25

26 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 26

27 Beispielprogramm: Blink /* Blink Turns on an LED on for one second, then off for one second, repeatedly. */ // Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards. // give it a name: int led = 13; // 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 } [ 27

28 arduino.cc 28

29 Implementierung eines Mealy-Automaten 1/P k0 0/P 0 1 k0 k1 / P f1 / P f1 k1 k1 f2 / P k2 / P 0/P 1/P 0/P 1/P k2 k3 / P f3 / P f2 k2 k3 k0 / S k0 / Ö 0/P 1/P 1/P 0/P 1/Ö f1 f2 / P f2 / P 0/S 1/S f3 k3 f2 f3 / P f3 / P f3 k0 / S k0 / S 29

30 Schritt 1: Repräsentation von Zuständen und Eingabesymbolen Zustände und Symbole können aufgezählt werden, wir können sie deshalb durch ganze Zahlen (integers) darstellen: #define STATE_k0 0 #define STATE_k1 1 #define STATE_k #define STATE_f3 6 int current_state; #define INPUT_0 0 #define INPUT_1 1 int current_input; 0 1 k0 k1 / P f1 / P k1 f2 / P k2 / P k2 k3 / P f3 / P k3 k0 / S k0 / Ö f1 f2 / P f2 / P f2 f3 / P f3 / P f3 k0 / S k0 / S 30

31 Schritt 2: Funktionen für Ausgaben Ausgaben entsprechen bestimmten Aktionen (z.b. an einer Schnittstelle). Wir implementieren diese Aktionen als Funktionen. void action_p() { digitalwrite(led, HIGH); delay(1000); digitalwrite(led, LOW); delay(1000); } void action_s() {...} void action_oe() {...} 0 1 k0 k1 / P f1 / P k1 f2 / P k2 / P k2 k3 / P f3 / P k3 k0 / S k0 / Ö f1 f2 / P f2 / P f2 f3 / P f3 / P f3 k0 / S k0 / S 31

32 Schritt 3: Initialzustand Der Initialzustand wird in setup() gesetzt. 1/P k0 0/P void setup() { current_state = STATE_k0; } 0/P f1 1/P 0/P k1 1/P f2 k2 0/P 1/P 1/P 0/P 1/Ö 0/S 1/S f3 k3 32

33 Schritt 4: Transitionen Für jede Eingabe wird, in Abhängigkeit vom Zustand, die entsprechende Ausgabeaktion durchgeführt und der neue Zustand gesetzt. void loop() { current_input = get_new_input(); switch(current_state) { case STATE_k0 : if (current_input==input_0) { action_p(); current_state = STATE_k1; } else if (current_input==input_1) { action_p(); current_state = STATE_f1; } case STATE_k1 : } } 0 1 k0 k1 / P f1 / P k1 f2 / P k2 / P k2 k3 / P f3 / P k3 k0 / S k0 / Ö f1 f2 / P f2 / P f2 f3 / P f3 / P f3 k0 / S k0 / S 33

34 4. StateCharts Ziele: Erstellen von kompakten, lesbaren Modellen für diskrete Steuerungen mit Hilfe von Hierarchie und Variablen Bewusstsein für semantische Schwierigkeiten (insbesondere Superstep Semantik)

35 StateCharts Automaten mit zusätzlichen Konstrukten Hierarchie Variablen mit komplexen Datentypen Timer Achtung: Bedeutung (Semantik) von StateCharts nicht einheitlich (mehr dazu später). Referenzsemantik: Statemate StateFlow Semantik UML... 35

36 Beispiel: Anrufbeantworter incl. 36

37 Hierarchie Wenn Zustand S aktiv ist, dann ist auch einer der Unterzustände aktiv (A oder B oder..) Superzustand (superstate) Unterzustände (substates) 37

38 Zustände Zustände, die nicht aus weiteren Zuständen bestehen, heissen Basiszustände. Zustände die aus weiteren Zuständen bestehen heissen Superzustände. Die Superzustände eines Zustands sind seine Ahnen. Superzustände können OR-Superzustände oder AND- Superzustände sein. Wann immer ein OR-Superzustand aktiv ist, ist auch genau einer seiner Unterzustände aktiv. Ahne von E 38

39 Hierarchie Statechart SC Die Hierarchie kann durch einen Baum repräsentiert werden, in dem die Basiszustände als Blätter auftreten. S SC Z Transitionen sind zwischen allen Hierarchie-Ebenen möglich A B C D E Wenn ein Basiszustand aktiv ist, dann sind alle seine Ahnen aktiv. 39

40 Transitionen zu Superstates Durch die Transition von Z nach S wird der Superzustand S aktiv. Zusätzlich muss ein Basiszustand aktiv werden. Default State Mechanismus History Mechanismus 40

41 Beispiel: Digitalcamera [ 41

42 Default Konnektoren Der gefüllte Kreis heißt default Konnektor und kennzeichnet den default state, der aktiv wird, wenn der Superzustand aktiv wird. Der Konnektor ist selbst kein Zustand. Die interne Struktur von S wird gegenüber der Außenwelt verborgen. 42

43 History Konnektoren Durch die Transition von Z nach S wird der Zustand aktiv, der aktiv war als S zuletzt verlassen wurde. Falls S zum ersten Mal besucht wird, wird der default state aktiv. 43

44 History und Default Konnektoren Die History und Default State Konnektoren können in verschiedenen Hierarchieebenen unterschiedlich eingesetzt werden. 44

45 History und Deep History Default states Active states DC S CO ID OP SL FA H History connectors speichern Zustände die auf der gleichen Hierarchiestufe wie der History Konnektor angesiedelt sind. 45

46 History und Deep History Default states Active states DC S ID CO SL speichert OP OP FA H Welcher Zustand wird aktiv nach SENSOR_DISCONNECTED, SENSOR_CONNECTED? 46

47 History und Deep History * S Default states Active states DC ID CO OP H* Deep history Konnektor H* speichert den aktuellen Basiszustand SL FA 47

48 History und Deep History * Default states Active states DC S ID CO SL OP remembers OP, FA What state is entered after H* sequence SENSOR_DISCONNECTED, SENSOR_CONNECTED? FA 48

49 AND Superzustände Alle (direkten) Unterzustände eines aktiven AND- Superzustands sind aktiv; Beispiel: 49

50 AND-Superzustände Beispiel für aktive Zustände: answ. Default states off on AND-super-state Active states l-m. k-m. L.w. L.p. K.w. K.p. AND-Zustände können in normalen Automaten nur durch Produktzustände nachgebildet werden Strukturelle Information geht verloren Produktautomat ist viel größer 50

51 Eintritt und Austritt aus AND-Superzuständen incl. Sowohl Line-monitoring als auch key-monitoring werden durch key-on and key-off betreten bzw. verlassen. 51

52 Variablen mit komplexen Datentypen Problem der klassischen Automaten: Sowohl Kontrolle als auch Daten werden durch explizite Zustände dargestellt. Hier: Getypte Variablen (z.b. integers, reals, strings, records) speichern Daten Der Zustand setzt sich zusammen aus den explizit dargestellten Kontrollzuständen und den Variablenbelegungen Terminologie: graphisch dargestellter Kontrollzustand = Zustand graphisch dargestellter Kontrollzustand + Variablenbelegung = Status 52

53 Beispiel: Alarmuhr P1 = alarm1_enabled (alarm2_disabled T1 T2) P2 = alarm2_enabled (alarm1_disabled T1 T2) P = alarm1_enabled alarm2_enabled T1=T2 [Harel: StateCharts: A visual formalism for complex systems. Science of Computer Programming, 1987] 53

54 Allgemeine Form der Kantenmarkierungen Ereignis [Bedingung] / Aktion Bedeutung: Bedingung: Transition kann genommen werden, wenn Ereignis stattgefunden hat und Bedingung wahr ist. Wenn Transition genommen wird, dann wird die Aktion ausgeführt. Bedingung bezieht sich auf die Variablen Aktion: Zuweisung und Generierung von Ereignis Beispiel: a & [x = 1023] / overflow; x:=0 54

55 Timer Timer können direkt in StateCharts modelliert werden. Spezielle Kanten beschreiben Timeouts. Falls Ereignis a nicht innerhalb von 20 ms eintritt während das System im linken Zustand ist, dann tritt das Timeout-Ereignis ein. 55

56 Beispiel 56