DIY. Personal Fabrica1on. Digitale Welt. Juergen Eckert Informa1k 7

Transkript

1 DIY Personal Fabrica1on Digitale Welt Juergen Eckert Informa1k 7

2 Fahrplan Mikrocontroller FPGAs (sehr knapp) GeDng started... Übung Hands on Glühwein und Plätzchen Gastvortrag: Michael Huth, Uni EichstäS- Ingolstadt Titel: Sharing Economy und Open Hardware eine sozialwissenschayliche Betrachtung

3 Entwicklung 1947: Transistoren, Bell Labs 1958: Jack Kilby, Erfinder des Integrierten Schaltkreises (IC), Texas Instruments. 1960er: LogikgaSer beinhalten mehrere Transistoren in einem Chip UND, ODER, NICHT,... Transistor- Transistor- Logik (TTL): 74xx Serie Complementary metal- oxide- semiconductor (CMOS) auf MOSFET Basis: 40xx Serie 1970er: Digitale Prozessoren 1971: Intel i4004 Mikroprozessor 1972: TMS1000 Mikrocontroller

4 Digitale Prozessoren Mikroprozessor Universell einsetzbar (z.b. Laptop, CPUs) Schnell, ben. viel Energie Viele externe Komponenten Mikrocontroller Spezifische Anwendung (z.b. Wandthermometer) Langsam, energiesparend Single- Chip Lösung TI erhält Computer- On- A- Chip Patent in 1973 (71 beantragt) Grenzen sind verwaschen

5 Mikrocontroller Hardware Unterstützung AT1ny85, Atmel Single- Chip Low- Power CMOS 8bit AVR erweiterte RISC Architektur Wich1ge Mikrocontroller Komponenten

6 Reduced Instruc1on Set Computer RISC Ursprung: Komfortabler Befehlssatz für die Assemblerprogrammierung (1980) Schnell ausführbare Befehle; meist 1 Takt Wenige Befehle Konstante Länge Keine Spezialbefehle General- Purpose Register

7 Kernstruktur Programmzähler (Program Counter) Zeigt auf aktuelle Stelle im Programm Code (Flash, persistent, Write/Erase Cycles) Stapelzeiger (Stack Pointer) Zeigt auf oberstes Element des Aufrufstapels (Stack, beinhaltet Sprungadressen, Variablen,...) Arithme1sch- logische Einheit (ALU) Rechenkern Minimalst: Addieren, negieren und konjugieren Erweitert: Subtrahieren, mul1plizieren, vergleichen,... (können durch Minimalfunk1onalität auf kosten der Rechenzeit nachgebildet werden)

8 Workflow Übliche Programmiersprache C Andere Sprachen möglich: Assembler, Basic, C++, Javascript, Python,... Bibliotheken.a = Sammlung an.o Files.elf= GNU executable

9 Bsp: 2 Zahlen aus dem SRAM addieren #include <avr/io.h> avrtest.c uint8_t a=20, b=32, res; int main(void){res=a+b;} # avr- gcc - save- temps - mmcu=adny85 avrtest.c Speichert ZwischenschriSe ab

10 Bsp Fortgesetzt: Assembler Resultat avrtest.s - - Auszug lds r25,a lds r24,b add r24,r25 sts res,r24 Werte in Register laden Addieren Resultat zurück ins SRAM schreiben Siehe DatenblaS nächste Folie 2 Takte 2 Takte 1 Takt 2 Takte ALU hat keinen direkten Zugriff auf SRAM Werte müssen in Registern zwischengespeichert werden Benö1gt 7 Takte

11 Bsp Fortgesetzt: Objekt / EFL File # avr- gcc - g - mmcu=adny85 - o avrtest.elf avrtest.o AVR Befehle, deren Struktur und Zeit siehe DatenblaS: 8- bit AVR Instruc1on Set, ATMEL hsp://

12 BSP Fortgesetzt: Binary Strom avrtest.elf f Instruk1onen in Word (16bit) AVR verwenden LiSle Endian Byteorder Byte xABCD - > 0xCD 0xAB

13 BSP Fortgesetzt: Binary Strom avrtest.elf f add r24,r = = = =

14 BSP Fortgesetzt: Binary Strom avrtest.elf f lds r25,a Platzhalter im Assemblercode a = (= SRAM Startadresse)

15 BSP Fortgesetzt: Binary Strom avrtest.elf f lds r24,b Platzhalter im Assemblercode b = (= SRAM Startadresse + 1)

16 BSP Fortgesetzt: Binary Strom avrtest.elf f sts res,r24 Platzhalter im Assemblercode res = (= SRAM Startadresse + 2)

17 HEX File - Uploadbare Datei # avr-objcopy -j.text -j.data - O ihex avrtest.elf avrtest.hex Binäre ELF Datei enthält zu viele (unnö1ge) Informa1onen (wie verwendet Lib- Versionen) Flashspeicher extrahieren und in Intel HEX Format bereit stellen : EC028C027C026C025C024C023C022C0DF : C020C01FC01EC01DC01CC01BC : FBECFE5D2E0DEBFCDBF10E0A0E6B0E05E : E6E7F0E002C005900D92A236B107D9F7CD??? : E0A2E6B0E001C01D92A336B207E1F7BE : D00FC0D5CFCF93DF93CDB7DEB790914D : F DF91CF91E1 : F894FFCF93 : : FF

18 Uploaden / Fashen / Brennen / In- Circuit Serial Programming (ICSP) Mikrocontroller werden üblicherweise erst programmiert, wenn sie auf die Pla1ne gelötet wurden In- System Programming (ISP) Joint Test Ac1on Group (JTAG) auch zum debuggen Bootloader AVR Dragon: ISP + JTAG (Vor- ) Installierter Code lädt HEX Datei in Flash und führt es aus Seriell, USB, SD- Karte,...

19 KEINE DIY Programmer!! Nur original Programmer verwenden Spannungsanpassung, Schaltungsschutz Technischer Support (...es funk1oniert einfach) Güns1g (AVR MKII ab 30 Euro, keinen Klon kaufen) Meine Programmer VOR 2000 (damals kosteten Progammer ein Vermögen!): AVR PIC

20 Mikrocontroller w/o the pain: Arduino 2. AVR ATmega Open Source and Hardware Download, Plug and Play Bootloader (USB) Viele Libraries und Boards 1. USB 22Euro Kleiner ab 10 Foto: Wikipedia

21 Allzweckeingabe/- ausgabe (GPIO, General Purpose Input/Output) Ausgang: Tri- state Hohes Poten1al (Prozessorspannung z.b. 5V) Niedriges Poten1al (GND) Hochohmig (deak1viert) Open- Collector / Open- Drain AVR Ausgang ist Kollektor oder Drain eines Transistors/Mosfets Ak1v = GND Nicht Ak1v = Hochohmig; meist in Kombina1on mit Pull- up Achtung: Maximale Pin- Spannung beachten Maximale Ströme beachten ( einige ma ) Meist mehr Sink current (Strom in den Mikrocontroller) als Source current (Strom aus dem Mikrocontroller)

22 AVR Allzweckeingabe/- ausgabe (GPIO, General Purpose Input/Output) Eingang: Zustand <V IL : low / 0 (z.b. 0.3V CC, AT1ny) >V IH : high / 1 (z.b. 0.6V CC, AT1ny) Dazwischen keine Zustandsänderung Maximale Spannungen beachten!! (z.b. AVR Pin [- 0.5V;V CC +0.5V]) Beschaltung (Mikrocontroller intern) Floa1ng: unendliche Eingangsimpedanz (ähnlich zu Gate bei Mosfet) Pull- Up: Hochohmiger Widerstand (10k- 100kOhm) nach V CC Pull- Down: Hochohmiger Widerstand nach GND Pull- Up- Down: Je nach Widerstandverhältnis stellt sich ein MiSelwert ein (unbelastet)

23 Bsp: LED- Taster Taster: Pin 12 und GND LED: Pin 13 und GND (mit Vorwiderstand) Wenn der Taster gedrückt wird, leuchtet die LED Max. Verzögerung: X ns Max. Verzögerung mit 2 Taster und 2 LEDs : 2X ns 4 Taster+LEDs: 4X ns CPU Zeit zu 100% belegt

24 Sehr komplex Field Programmable Gate Array (FPGA) Hardware programmieren (Schaltungsstrukturen) Verilog HDL VHDL Extrem flexible und schnell Keine eigene Funk1onalität Nur digitale GPIOs Foto: Wikipedia Schaltmatrix: Verbindungsstruktur zwischen Logikblöcken (LB) Konfigura1on wird bei Systemstart von externen Flash geladen IO IO LB LB IO LB LB Flash Memory IO IO Logikblock IO IO IO

25 FPGA: Taster- Led Bsp Mikrocontroller FPGA MAX_BUTTONS mal: for(i=0; i<max_buttons; i++) { digitalwrite(led[i],!digitalread(buson[i])); } Je mehr Aufgaben erledigt werden müssen desto langsamer ist er Pull- up nicht dargestellt Massive Parallelität Egal wie viele LEDs- Taster, Latenz ist immer gleich (instantan)

26 Interrupts Auf (externe) Ereignisse muss nicht ak1v gewartet werden (pollen) (Externe) Ereignisse können nicht linearen Code (Interrupt Service Rou1ne, ISR) zur Ausführung bringen Foto: hsp://mlab.taik.fi Ein Mikrocontroller hat noch wesentlich mehr Hardware Support, mehr dazu das nächste Mal

27 Alterna1ve zu Arduino: GNU Toolchain: avr- gcc + avr- libc (WinAVR, CrossPack AVR) + Eclipse Plugin AVR Studio (ATMEL) ADny 85 Interrupt

28 Interrupt Zeitverlauf Interrupt Interrupt Interrupt Interrupt PROBLEM! Lineares Programm Interrupt Rou1ne t Interrupt Rou1nen bei AVR nicht verdrängbar, bei komplexeren CPUs ist dies möglich (Priorisierung) Interrupt Rou1nen so kurz wie möglich (kein ak1ves Warten, siehe Folie zuvor) Interrupts können verloren gehen

29 Arduino Alterna1ven Quick (and Dirty) Hacks Development Sehr weit abstrahiert (it just works) Gut zum lernen Viele Libraries mit einem Klick geladen Vordefinierte DEV- Boards mit bes1mmten Typen (groß, energiehungrig und teuer) Arduino Code auf eigenem Board möglich AVRs ab 1Euro!! (umständlich, Einschränkungen?) Eigener Code auf Arduino Board (ohne Probleme)

30 PIC Microchip AVR (ATMEL) Alterna1ve Gleicher Preis- und Leistungsbereich Mehr Varia1onen: >600 verschiedene Chips Kostenloser C- Compiler Glaubenskrieg: AVR PIC Im Prinzip ist es egal... Foto: Wikipedia

31 LPC NxP 32bit Prozessor, ARM Cortex- M0+ (bis M3) Mehr Speicher, schneller, weniger Stromverbraucht, gleicher Preis (im Vgl. zu AVR) Frei Entwicklungsumgebung (Win, OS X, Linux) Programmer und Debugger Foto: Embedded Ar1sts in Dev- Board enthalten (funk1oniert auch für selbstgebaute Designs) Arduino Header Für Einsteiger schwer Alterna1ve: STMicroelectronics 25 Euro

32 Even more Boards Espruino 72Mhz ARM (ST) Kickstarter Projekt Javascript mit Konsole!! Foto: Espruino ESP8266 Xtensa LX3 80Mhz WiFi per AT Befehle für 3!! Chinamodul ohne Doku! SoYware Entwicklung: SDK instabil! Nur für Experten!! Foto: Hackaday

33 Nächstes mal bei DIY Kommunika1on UART SPI I2C Jetzt in Übung Boards Hands on: LPC1769, LPC11U68, Arduino Leonardo, ESP8266, Espruino, Papilio Pro Glühwein (auch An1alk) und Plätzchen