Embedded Systems

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1 Embedded Systems I Themen am (ES1_16_V9): Software-Interrupts, Serielle Schnittstellen, C-Programme, Betriebssysteme für die kleinen Atmels Beachten Sie bitte die zusätzlichen Infos auf Proki und Tafel! Ulrich Schaarschmidt FH Düsseldorf, WS 2016/17 Literaturhinweise (unbewertete Reihenfolge!) Conrads, Dieter: Datenkommunikation (Verfahren, Netze, Dienste) 3. Aufl., 1996, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh Bermbach, Rainer: Embedded Controller 2001, Carl Hanser Verlag München Wien Schmitt, FJ; von Wendorff, WC; Westerholz, K: Embedded-Control-Architekturen 1999, Carl Hanser Verlag München Wien Beierlein, Thomas; Hagenbruch, Olaf: Taschenbuch Mikroprozessortechnik 2001, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag München Wien HS-D U.G. Schaarschmidt 2 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 1

2 Literaturhinweise (unbewertete Reihenfolge!) Stein, Erich: Taschenbuch Rechnernetze und Internet 2. Aufl., 2004, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag München Schneider, Uwe; Werner, Dieter: Taschenbuch der Informatik 4. Aufl., 2001, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag München Floyd, Thomas L.: Digital Fundamentals 9.ed., 2006, Pearson/Prentice Hall HS-D U.G. Schaarschmidt 3 Literaturhinweise (unbewertete Reihenfolge!) Reinhold Orglmeister: Elektronik/tools/AVR_JTAG : KT3wodXCOKFQ gadgetpool: ticle&sid=30 JTAG Emulator: Zur Bewältigung immer aufwendigerer Softwareprojekte bestand der Wunsch nach einem JTAG- Emulator für die Fehlersuche. Auf der Webseite von Frank Erdrich ( ist ein DIY JTAG für Atmel Contoller vorgestellt, der für den Einsatz im Labor angepasst wurde HS-D U.G. Schaarschmidt 4 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 2

3 Serielle Schnittstellen Verfahren: Asynchrone Verfahren Synchrone Verfahren Betriebsarten: Vollduplexbetrieb Halbduplexbetrieb Simplexbetrieb Datenübertragungsverfahren: Basisbandübertragung Breitbandübertragung HS-D U.G. Schaarschmidt 5 Asynchrone Verfahren Die Bezeichnung Asynchronverfahren bezieht sich auf die zeitlich willkürliche Übertragung von Zeichenfolgen. Gleichlauf von Sender und Empfänger gibt es nur für eine begrenzte Schrittzahl. Geringer Gerätetechnischer Aufwand (intelligente Kommunikationsmodule on Chip); Nachteil: Uneffektiv bei der Übertragung größerer Datenmengen (Zeitaufwand für Start-Stopp- Schritte); HS-D U.G. Schaarschmidt 6 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 3

4 Asynchrone Byteübertragung Gadre & Conrads] HS-D U.G. Schaarschmidt 7 Asynchrone Byteübertragung Gadre & Conrads] HS-D U.G. Schaarschmidt 8 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 4

5 Synchrone Verfahren - Softwarebasis Bei Datenübertragung nach dem Synchronverfahren werden alle Zeichenschritte unmittelbar nacheinander übertragen. Es gibt keine Start- und Stopp-Schritte. Zeitrastergleichlauf von Sender und Empfänger wird während einer ganzen Zeichenfolge aufrechterhalten. Absenden eines speziellen Signals vom Sender zum Empfänger, das den Schritttaktgebergleichlauf herstellt; Synchronisierzeichen, die bei auftretenden Lücken in die Sendefolge eingeschoben werden (Bit-Stuffing); Hohe Datenübertragungsraten sind möglich; Stetiger Zeichenfluss; HS-D U.G. Schaarschmidt 9 Synchrone Verfahren - Softwarebasis Es werden (größere) Rahmen mit Daten übertragen. Zu Beginn des Rahmens synchronisieren Synchronisationsbits den Empfänger auf den Sender. Die Synchronisation wird während der Übertragung aufrecht erhalten. Damit die Taktinformation nicht verloren geht (z.b. bei hohem Gleichspannungsanteil auf d. Leitung), muss die Codierung der Daten z.b. mittels NRZ- Code (Non-Return to Zero) sicher gestellt werden HS-D U.G. Schaarschmidt 10 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 5

6 Synchrone Verfahren auf Softwarebasis - Takterhalt [Stein, 2004] HS-D U.G. Schaarschmidt 11 Synchrone Verfahren - Hardwarebasis Die Taktgeber von Sender und Empfänger müssen miteinander synchronisiert werden. Hierfür wird bei einigen Übertragungsverfahren eine extra Taktleitung (zusätzlich) zu der/den Datenleitungen eingerichtet. Auf der Datenleitung werden die Daten mit dem (gleichmäßigen) Takt auf der Taktleitung synchronisiert übertragen HS-D U.G. Schaarschmidt 12 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 6

7 Kommunikation Simplex, Halb-Duplex, Semi-Duplex, Voll-Duplex, Full-Duplex, HS-D U.G. Schaarschmidt 13 Synchrone Datenübertragung [Floyd, 2006] HS-D U.G. Schaarschmidt 14 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 7

8 Amplitudenmodulation ASK Amplitude Shift Keying [Conrads] HS-D U.G. Schaarschmidt 15 Frequenzmodulation FSK Frequency Shift Keying [Conrads] HS-D U.G. Schaarschmidt 16 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 8

9 Phasenmodulation PSK Phase Shift Keying [Conrads] HS-D U.G. Schaarschmidt 17 Anwendung serieller Verfahren RS 232, V.24, RS 422 / 423, RS 485 SPI, Microwire, ISP, IIC Bus, I 2 C-Bus, TWI Bus, SM-Bus, USI (Atmel-spezifisch) HS-D U.G. Schaarschmidt 18 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 9

10 Standardisierte serielle Interfaces HS-D U.G. Schaarschmidt 19 RS 232 Verbindung zweier AVR (bei SW-Handshake) [Gadre] HS-D U.G. Schaarschmidt 20 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 10

11 RS 232 Verbindung zweier AVR (bei HW-Handshake HS-D U.G. Schaarschmidt 21 RS 422A Verbindung zweier AVR [Gadre] HS-D U.G. Schaarschmidt 22 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 11

12 RS 422 Verbindung zweier AVR - Oszillogramm [Gadre] HS-D U.G. Schaarschmidt 23 RS 422A Verbindung Symmetrische Schnittstelle (CCITT V.11); Datenraten bis 10 Mbit/s bei bis zu 13m; Datenraten von 100kBit/s bei Leitungslängen von max. 1300m möglich; Mit speziellen Treiberbausteinen bis zu 10 Empfänger an einem Sender möglich; HS-D U.G. Schaarschmidt 24 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 12

13 RS 485A Verbindung mehrerer Einheiten [Gadre] HS-D U.G. Schaarschmidt 25 RS 485A Verbindung mehrerer Einheiten Wird multplex (mehrere Sender und Empfänger an einem gemeinsamen Leitungspaar) betrieben (Erweiterung der RS 422A); Je nach verwendeter Bausteinfamilie können 32, 128 oder 256 Teilnehmer verbunden werden; Symmetrische Signale mit bis zu 10 Mbit/s; Bis zu 1200m Übertragungsentfernung; Differenzspannung > 200mV; V Gleichtaktspannung auf der Leitung zulässig; 120 Ohm Leitungsimpedanz (verdrillte 2-Draht-Leitung); 60 Ohm Lastwiderstand; Eingangsimpedanz der Empfänger > 12kOhm; Ausgangskurzschlußstrom max 150mA gegen Masse, max 250mA gegen V; [TB Mikroprozessortechnik] HS-D U.G. Schaarschmidt 26 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 13

14 SPI - Bus [Gadre] HS-D U.G. Schaarschmidt 27 IIC Bus, TWI Bus, I²C-Bus [Gadre] HS-D U.G. Schaarschmidt 28 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 14

15 IIC Bus, TWI Bus, I²C-Bus [Gadre] HS-D U.G. Schaarschmidt 29 JTAG (USB Anschluss auf Basis des FTDI FT2232) USB to JTAG Interface von Hubert Högl, Schaltplan USB JTAG Interface für usbprog und OpenOCD von Benedikt Sauter (Zurzeit gibt es Bausätze für 22 EUR. Der Adapter ist ein Universaladapter der mit verschiedenen Firmwares zu verschiedenen Geräte werden kann. Pläne, Quelltexte usw... Open Source!!!) Amontec JTAGkey, JTAGkey-Tiny EKK-LM3S811 von LMI. Auf dem Testboard ist ein "on-board" JTAG- Adapter, der zu Ansteuerung des LM3S811 auf dem Board genutzt wird, aber auch an externe Controller angeschlossen werden kann. (Alle LMI Testboards verfügen über den JTAG Ein- und Ausgang.) ARM-USB-OCD von Olimex Xverve Signalyzer Tool HS-D U.G. Schaarschmidt 30 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 15

16 JTAG-ICE MkII (Pinout des Steckers 20-pol) Auf Evaluation-Boards verschiedener Hersteller (z. B. Atmel, IAR, Keil, Olimex) ist die JTAG- Schnittstelle über einen 20-poligen Wannenstecker (2*10, Raster 2,54mm) herausgeführt. 1 Vcc 2 NC 3 ntrst 4 GND 5 TDI 6 GND 7 TMS 8 GND 9 TCK 10 GND 11 GND 12 GND 13 TDO 14 GND 15 NRESET/nSRST 16 GND 17 NC 18 GND 19 NC 20 GND Daneben existiert noch eine weniger gebräuchliche aber dokumentierte Variante mit 14 Polen (2*7). Bei fertigen Geräten, für die keine Schaltpläne vorliegen, muss man sich die herstellerspezifische Anschlussbelegung anhand des Datenblatts des verwendeten Controllers und mittels Messgerät selbst ermitteln HS-D U.G. Schaarschmidt 31 Programmentwicklung und Debugging Übliche Verfahren: Simulation des Programmcodes auf einem Host-PC; Crash and burn (Neuprogrammierung, Änderung, Fehlerbeseitigung, bis es funzt); Debugging mithilfe eines Target-Monitors; In-Circuit-Emulation; HS-D U.G. Schaarschmidt 32 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 16

17 Warum ein BS auf einer MCU? Eigentlich z.t. aus den gleichen Gründen wie auf einer Workstation. Treiber für die On-Chip-Peripherie müssen nicht von jedem Programmierer neu entwickelt werden. Es gibt ein API (Application Programmer s Interface), das die Programmierung abstrahiert. Ein Realzeit-Kernel vereinfacht die Einhaltung der zeitlichen Restriktionen für die Modulentwickler HS-D U.G. Schaarschmidt 33 Multitasking vs Multiuser Präemptives oder kooperatives (nichtpräemptives) Multitasking? Timer-Interruptsystem ; Unterschiedliche Prioritäten der Betriebssystem-Module (Systemkern Kernel) und der Nutzer-Tasks (unterprivilegierte Prozesse); HS-D U.G. Schaarschmidt 34 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 17

18 COrnell Miniature ATmel Operating System (COMATOS) Realzeit Betriebssystem (RTOS Real Time Operating System); 2 Versionen (Assembler, C) Atmel AT90S8515 (8k Flash, 512 Byte SRAM, 512 Byte EEPROM, 1*8Bit Timer, 1*16 Bit Timer, jeweils mit programmierbarem Vorteiler [Prescaler], Watchdog mit eigenem On-Chip-Oszillator) HS-D U.G. Schaarschmidt Übungsaufgabe Comatos what the hell is it? Welche Art von BS? Wieviele Tasks sind möglich? Welche grundlegenden Funktionen, die uns als Programmierer helfen, erkennen Sie? HS-D U.G. Schaarschmidt 36 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 18