Prinzipen und Komponenten Eingebetteter Systeme (PKES) Sebastian Zug Arbeitsgruppe Eingebettete Systeme und Betriebssysteme

Transkript

1 1 Vorlesung Prinzipen und Komponenten Eingebetteter Systeme (PKES) (3) Mikrocontroller I Sebastian Zug Arbeitsgruppe Eingebettete Systeme und Betriebssysteme

2 2 Veranstaltungslandkarte Fehlertoleranz, Softwareentwicklung Mikrocontroller Architekturen Sensoren Scheduling Arithmetik Anwendungen Aktoren Kommunikation Energieversorgung

3 3 Literaturhinweise M. Mitescu I. Susnea Microcontrollers in Practice Springer, 2012 H. Bähring Anwendungsorientierte Mikroprozessoren Mikrocontroller und Digitale Signalprozessoren Springer, 2010 Atmel Corporation ATmega640/1280/1281/2560/ Datasheet

4 4 Fragen an die Veranstaltung Erläutern Sie den Unterschied zwischen Mikroprozessor und Mikrocontroller! Welche Speichertypen werden bei Mikrocontrollern eingesetzt? Welcher Idee steht hinter dem Memory-Mapped-IO? An welchen Merkmalen kann der AVR 2560 als RISC Prozessor identifiziert werden? Warum haben unterschiedliche Komponenten des Mikrocontrollers verschiedene Taktraten? Welche Aufgabe haben die Pull-Up-Widerstände für Pins? Welche Grundbestandteile hat ein disassembliertes AVR Mikrocontrollerprogramm? Was passiert nachdem der Reset-Pin eines AVR Mikrocontrollers auf GND gezogen wurde?

5 5 Begriffsbestimmung to control = steuern/regeln Ein Controller wird zur Steuerung/Regelung eines physischen Prozesses eingesetzt. Die Aufgabe des Controllers besteht in der Abbildung von Eingangsinformationen auf eine Ausgabeschnittstelle (Black-Box-Modell). Sensor GUI Netzwerk Controller Aktor GUI Netzwerk Die Realisierung eines Controllers kann auf viele verschiedene Arten erfolgen: ein analoger Regelkreis Relais-Schaltung speziell aufgebaute digitale Logikschaltung Mikrocontroller

6 6 Programmierbarer Controller Vorteile Flexibilität Flexibilität Flexibilität Nachteile Möglicherweise Geschwindigkeits- / Präzisionseinbußen Materialkosten häufig höher

7 7 Komponenten des Mikrocontrollers Interrupt controller Coprozessoren FPU, MAC Debug Interface JTAG Analog-Digital Digital- Analog Wandler Microprozessor Kern Timer und Zähler Takterzeugung Speicher serielle und parallele Schnittstellen

8 8 Architektur Kontrolle Daten on-chip Geräte

9 9 Was charakterisiert einen Mikrocontroller? Innere Werte: Bauformen: DIL, SIL TQFP, LQFP Ball Grid

10 10 Familien von Mikrocontrollern

11 11 Unser Controller Architecture 135 Powerful Instructions 32 8 General Purpose Working Registers Fully Static Operation Up to 16 MIPS Throughput at 16MHz On-Chip 2-cycle Multiplier High Endurance Non -volatile Memory Segments 64K/128K/256KBytes of In-System Self- Programmable Flash 4Kbytes EEPROM 8Kbytes Internal SRAM Write/Erase Cycles:10,000 Flash/100,000 EEPROM E H B G[3,4] F L K D A C J G[0,1]

12 12 Blockdiagramm und minimale Beschaltung Spannungsversorgung Taktgeber ADC Quarz als Taktgeber Timer Speicher

13 13 Wie weiter? Takt generator obligatorisch Energieversorgung fakultativ Interrupts Speicher Mikrocontroller Timer Resetsystem Digitale I/O Analoge I/O

14 14 Energieversorgung - Konsequenzen 4.5V x 18mA =81mW 2.7V x 6mA =16,2mW

15 15 Energieversorgung - Schlafmodi Sleep Mode Control Register Nur solche Komponenten aktiviert lassen, die tatsächlich gebraucht werden! Selektives Abschalten von ADC, Analogkomparator, WTD, Brown-Out, interner Spannungsreferenz, Port Pins, usw.

16 16 Energieversorgung - Zusammenfassung Das Spannungsniveau der Versorgungsspannung bestimmt : - die Performance des Controllers (Taktrate) - die Leistungsaufnahme Für jede Anwendung sollte geprüft werden, welche Komponenten des Kontrollers überhaupt gebraucht werden! Die Energieaufnahme lässt sich damit erheblich reduzieren. In verschiedenen Sleep -Modi kann der Kontroller im Hinblick auf: - Aktive Clocks - Ozcilatoren - Wake-Up Geräte abgestimmt werden.

17 17 Taktgenerator - AVR-Clock System System-Module Watchdog hat separaten on-chip Oszillator. Periode kan zwischen 14ms und 1,9 Sek. eingestellt werden Clock Select CKSEL 0..3 Quelle für Clock kann programmiert werden. Änderungen erfordern ein Chip Erase Befehl.

18 18 Taktgeneratort - Mögliche Taktgeber Interne Oszillatoren (RC-osciallators) - Schwingkreis aus Widerstand und Kondensator - standardmäßig als Taktquelle vorkonfiguriert - Frequenzabweichung +/- (3-10) % Schwinquarze (crystal oscillators) - deutliche geringere Maximalabweichung +/- 0.1 % - Einschwingdauer deutlich höher ( Taktzyklen) - mindestens 3 externe Bauteile (2 Lastkondensatoren + Quarz) Externes Taktsignal

19 19 Speicher - Speichertypen

20 20 Speicher - Programmspeicher PC 0x1FFFF Adressen 17 Bit Breite 16 Bit Word Breite eines Befehls 16 oder 32 Bit -> Maximal 128k x 2-Byte Befehl = Befehle abzüglich der Größe des Bootsektors Wie groß ist die minimale Zahl von Befehlen in einem Programm das den Speicher vollständig ausnutzt?

21 21 Speicher - Memory Mapped IO Bei isolierter Adressierung (Isolated IO) ist ein getrennter Adressraum für Speicher und Ein- /Ausgabeeinheiten vorgesehen, bei Memory Mapped IO Ansätzen ein gemeinsamer. Vorteile des getrennten Adressraums - klaren Trennung von Speicher- und Ein-/Ausgabezugriffen. - der Speicheradressraum wird nicht durch Ein-/Ausgabeeinheiten reduziert. - Ein-/Ausgabeadressen können schmaler gehalten werden als Speicheradressen. Vorteile eines gemeinsamen Adressraums - Homogene Befehle und Adressierungsarten

22 22 Speicher - Datenspeicher Register R0-R32 PIN, PORT, SREG Timer, ADC, RS232 8 Bit Memory Mapped IO = Datenspeicher und IO Interfaces überlagern sich in einem gemeinsamen Adressraum.

23 23 Speicher - Registertabelle Beachte: Unterschiedliche Adressangaben! IN, OUT vs. LDS, STS

24 24 Speicher - Einbindung des EEPROM flüchtiger Daten-Sp. internes statisches RAM Vollständig getrennter Adressraum über I/O-Register verfügbar. EEPROM Adress-Reg. EEPROM

25 25 Speicher - Zusammenfassung Im Mikrocontroller kommen im wesentlichen 3 Speichertypen zum Einsatz: - Programmspeicher (persistent) Flashspeicher (NAND) - Arbeitsspeicher (SRAM) - - EEPROM Beim AVR ist der Programmspeicher und der Arbeitsspeicher streng getrennt und durch unterschiedliche Busse an die Controller angeschlossen. Die IO-Interfaces der Peripherie sind auf den eigentlichen Speicher gemappt.

26 26 Resetsystem Implementierung beim AVR Quellen für Reset: 1.Power-on Reset 2.External Reset 3.Watchdog Reset 4.Brown-out Reset 5.JTAG AVR Reset

27 27 Was passiert beim Reset? Einschwingen des Oszilatoren Initialisieren des Speichers Konfiguration der Schlafmodi, Clocks entsprechend den FUSE-Bits Prozessorstart an der Adresse An dieser Adresse MUSS ein Sprungbefehl an die Adresse des Hauptprogrammes stehen (RJMP, JMP) Initialisieren des Stacks Beginn der Programmabarbeitung

28 28 Digitale IO Schnittstelle zur Umgebung D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0 PD 7 PD 6 PD 5 PD 4 PD 3 PD 2 PD 1 PD 0 Decoder A 15 A 14 A 13 CS A 2 A 1 A 0 RS1 RS0 DDR I H IN Input Handshake Dekoder

29 29 Digitale IO AVR Controller Die Konfiguration der Schnittstelle erfolgt über 2 Register DDRx: 0 = Eingang 1 = Ausgang PORTx: - Eingang 1 = Pullup (GND) 0 = schwebend -Ausgang 1 = High Pegel 0 = Low Pegel

30 30 Zeitverhalten digitaler Input-Pins Das Latch entkoppelt die Eingangsspannung und deren Erfassung, bewirkt aber eine Verzögerung Hz (x Prescaler) -> t = Mikrosekunden (x Prescaler) Worst Case 1.5 x t (x Prescaler) Best Case 0.5 x t (x Prescaler)

31 31 Und nun? Unser Mikrocontroller ist mit Strom versorgt, hat einen Taktgeber, ein Resetsystem, einen Programm- und einen Arbeitsspeicher... Wartet drauf programmiert zu werden Beispielprogramm in C #include <avr/io.h> int main( void ) { // Led - output DDRB = (1<<DDA7); // switch on led PORTB &= ~(1<<7); // Endlosschleife while(1); return 0; }

32 32 Programmaufbau Intel Hex Format Byte Count Adresse Type (00-Data, 01-EOF, 02- ) Daten (hier 16 Byte) Checksumme : C C947E000C947E000C947E0084 : C947E000C947E000C947E000C947E0068 : C947E000C947E000C947E000C947E0058 :1000A0000C947E000C947E000C947E000C947E00D8 :1000B0000C947E000C947E000C947E000C947E00C8 :1000C0000C947E000C947E000C947E000C947E00B8 :1000D0000C947E000C947E000C947E000C947E00A8 :1000E0000C947E FBECFEFD1E2DEBFCDBF46 :1000F00000E00CBF0E C C :0A A2F98FFCFF894FFCF 45 : FF

33 33 Beispiel < vectors>: 0: 0c jmp 0xe4 ; 0xe4 < ctors_end> e0: 0c 94 7e 00 jmp 0xfc Interrupt-Vektor-Tabelle ; 0xfc < bad_interrupt> e4 < ctors_end>: e4: eor r1, r1 e6: 1f be out 0x3f, r1 ; 63 e8: cf ef ldi r28, 0xFF ; 255 ea: d1 e2 ldi r29, 0x21 ; 33 ec: de bf out 0x3e, r29 ; 62 ee: cd bf out 0x3d, r28 ; 61 f0: 00 e0 ldi r16, 0x00 ; 0 f2: 0c bf out 0x3c, r16 ; 60 f4: 0e call 0x100 ; 0x100 <main> f8: 0c jmp 0x106 ; 0x106 <_exit> SREG = 0 Stackpointer am Ende des Speichers Sprung zum Programm fc < bad_interrupt>: fc: 0c jmp 0 ; 0x0 < vectors>

34 34 Beispiel - Fortsetzung cbi clear bit in register sbi set bit in register <main>: // Led output DDRB = (1<<DDA7); 100: 27 9a sbi 0x04, 7 ; 4 // switch on led PORTB &= ~(1<<7); 102: 2f 98 cbi 0x05, 7 ; 5 // Endlosschleife while (1); 104: ff cf rjmp.-2 ; 0x104 <main+0x4> <_exit>: 106: f8 94 cli < stop_program>: 108: ff cf rjmp.-2 ; 0x108 < stop_program> Obligatorische Endlosschleife

35 35 Bis zur nächsten Woche