Mikrokontrolery czyli o czym to będzie...

Transkrypt

1 Mikrokontrolery czyli o czym to będzie... Ryszard J. Barczyński, 2017 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 PNPiM Poznamy: Cechy charakterystyczne mikrokontrolerów. Klasyczny przykład mikrokontrolera: 8051 Crossassembler 8051 na komputery PC. (napiszemy i uruchomimy jakieś programy). PSoC, oparty o architekturę 8051 i M8 Specyfikę języka C w środowisku mikrokontrolerów. Metody pomiarów wielkości zewnętrznych za pomocą mikrokontrolerów Metody sterowania za pomocą mikrokontrolerów Sposoby interakcji z użytkownikiem Lokalne interfejsy systemów mikroprocesorowych

3 PNPiM Warunki zaliczenia: Trzeba osiągnąć powyżej 51% punktów zarówno z laboratorium, jak również części teoretycznej. Ocena jest proporcjonalna do sumy otrzymanych punktów Część teoretyczna to: - egzamin (ok. 20 punktów) - możliwe krótkie, niezapowiedziane kartkówki na wykładzie (dodatkowe punkty tylko do licznika) Być może będą też konkursy za dodatkowe punkty.

4 PNPiM Laboratorium: Laboratorium trwa ¾ semestru w wymiarze 4 godzin lekcyjnych. Nie jest możliwe zaliczanie laboratorium po zakończeniu semestru. Niekiedy przed ćwiczeniami będą wejściówki. - punktacja za wejściówki jest wliczana do punktacji laboratorium. - niezaliczoną wejściówkę trzeba zaliczyć w ciągu tygodnia, w przeciwnym razie nie zostanie się dopuszczonym do następnych zajęć. W szczególności dotyczy to list rozkazów i składni assemblera (będę bezlitosny)... Takie opóźnione zaliczenie umożliwia jedynie dopuszczenie do zajęć punktacja pozostaje pierwotna. Dla zainteresowanych: zamiast ćwiczeń laboratoryjnych możliwe jest podjęcie niewielkiego projektu.

5 Mikrokontrolery czyli o czym to będzie... Mikrokontroler to cały komputer w kawałku krzemu, zoptymalizowany pod kątem sterowania różnorakimi urządzeniami. Typowy mikrokontroler zawiera praktycznie wszystko, co mu jest potrzebne do pracy - tym różni się od zwykłego mikroprocesora.

6 Mikrokontrolery Mikrokontroler nie jest... wolny niektóre mikrokontrolery osiągają częstotliwości w zakresie GHz; prosty oprócz znanych ze zwykłej techniki mikroprocesorowej składników mikrokontrolery mogą zawierać na przykład przetworniki A/C i C/A, modemy radiowe, kompletne podsystemy sieciowe, kontrolery zasilania... tani a przynajmniej nie zawsze jest tani... zawodny mikrokontrolery są projektowane tak, by odznaczać się niezawodnością;

7 Typowa architektura mikrokontrolera

8 Jednostka centralna * Jednostka centralna (zwana też procesorem rdzeniowym, rdzeniem, procesorem lub układem wykonawczym) cyklicznie wykonuje instrukcje zawarte w programie mikrokontrolera. * Lista instrukcji dla danego mikrokontrolera jest z góry określona. * Jednostka centralna jest synchronicznym i sekwencyjnym układem cyfrowym. * Instrukcja składa się z kodu operacji i argumentów. * Sposób dostępu do argumentów zależy od trybu adresowania.

9 Tryby adresowania Interesujące nas tryby adresowania to: ** implikowane (zwane też wewnętrznym lub rejestrowym) (inherent, register) ** natychmiastowe (immediate) ** bezpośrednie (direct) ** indeksowe (indirect) ** względne (relative)

10 Adresowanie implikowane Dotyczy prostych instrukcji, w których zarówno operacja, jak i operandy są zawarte w jednym słowie rozkazowym. Na przykład (8051): ADD A, R2 INC A NOP

11 Adresowanie natychmiastowe Operand (argument) instrukcji jest podany bezpośrednio w treści programu. Na przykład: ADD A, #7 XOR A,#04DH MOV R1,#30 ADD A,#wzrost

12 Adresowanie bezpośrednie Po kodzie rozkazu w treści programu podany jest adres argumentu umieszczonego w pamięci danych. Na przykład: ADD A, 7 XOR A,04DH ADD A,wzrost

13 Adresowanie indeksowe Polega na obliczeniu adresu argumentu poprzez sumowanie zawartości specjalnego rejestru (indeksowego) z adresem zapisanym w programie. * Nie wszystkie procesory realizują ten tryb. * Niektóre mają wiele rejestrów indeksowych. np. (Z80): LD A, (IX+7) ADD A, (IY+Shift)

14 Adresowanie pośrednie Część adresowa instrukcji wskazuje na komórkę pamięci zawierającą właściwy (efektywny) adres. * Odmianą jest adresowanie zawartością rejestrów, w którym adres efektywny znajduje się w rejestrze (lub ich parze) np. (8051): MOV A,@R1 MOVX A,@DPTR np. (Z80): LD A, (HL)

15 Adresowanie względne Służy do adresowania pamięci względem aktualnie wykonywanej operacji w pamięci programu. * Często służy do wykonywania względnych (na przykład z przesunięciem +/ 127) skoków. np. (8051): JNB P2.1, LOOP [...] LOOP: MOV START: [...] DJNZ R4,#8 R4, START

16 Podział mikroprocesorów Ze względu na mapy pamięci * architektura harwardzka * architektura Von Neumanna Ze względu na typ listy instrukcji * RISC (Reduced Instruction Set Computer) o zredukowanej liczbie instrukcji * CISC (Complex Instruction Set Computer) z rozbudowaną liczbą instrukcji

17 Podział mikroprocesorów Architektura harwardzka charakteryzuje się zastosowaniem oddzielnych obszarów pamięci dla danych i programu. * Magistrale danych i adresów mogą mieć różną szerokość (długość słowa)

18 Podział mikroprocesorów Architektura Von Neumanna cechuje się jednolitą przestrzenią adresową. Mapa pamięci układu serii ST7 (ST72215G)

19 Podział mikroprocesorów RISC (Reduced Instruction Set Computer) ** Procesor jest zbudowany zgodzie z architekturą harwardzką. ** Zbiór instrukcji jest ograniczony i ortogonalny, czyli *** każda instrukcja może operować na dowolnym rejestrze roboczym *** każda instrukcja może wykorzystywać dowolny tryb adresowania *** nie ma ukrytych związków między instrukcjami *** kody rozkazów i formaty instrukcji są zunifikowane Zwykle w mikrokontrolerach ortogonalność instrukcji nie jest pełna.

20 Podział mikroprocesorów CISC (Complex Instruction Set Computer) Charakteryzuje się rozbudowaną liczbą instrukcji (często ponad sto). Niektóre instrukcje * Są wąsko specjalizowane. * Współpracują tylko z wybranymi rejestrami. * Wymagają stosowania określonych trybów adresowania

21 Podział mikrokontrolerów Jeszcze jedną cechą wyróżniającą mikrokontrolery jest sposób udostępnienia szyn systemowych. Niektóre mikrokontrolery * Udostępniają bezpośrednio szyny (danych, adresowe i sterujące). * Udostępniają szyny poprzez wyprowadzenia portów we/wy. * Nie udostępniają szyn są zamknięte (embeded).

22 Podstawowe układy pamięci Zawartość pamięci nie zanika wraz z wyłączeniem zasilania Z pamięci można czytać, ale nie można do niej zapisywać danych. Umieszczenie danych wymaga specjalnego procesu programowania. * ROM (Read Only Memory) programowanie następuje w procesie produkcyjnym mikrokontrolera. * EPROM (Erasable Programmable ROM) można kasować dotychczasową zawartość promieniowaniem UV i programować za pomocą specjalnego urządzenia. * OTP (One Time Programmable) można jednorazowo programować za pomocą specjalnego urządzenia. * FLASH (Bulk Erasable Non Volatile Memory) możliwe jest wielokrotne elektryczne wymazanie zawartości i programowanie, często bezpośrednio w systemie (ISP In System Programmable, IAP In Application Programmable)

23 Podstawowe układy pamięci Zawartość pamięci nie zanika wraz z wyłączeniem zasilania Z pamięci można zarówno czytać, jak i pisać do niej dane. Często tworzy się specjalne konstrukcje podtrzymujące jej zawartość przy wyłączeniu zasilania urządzenia. * SRAM (Static Random Access Memory) pamięci RAM statyczne. Krótkie czasy dostępu, proste w obsłudze przez CPU, drogie. * DRAM (Dynamic Random Access Memory) wymagają przeprowadzania w określonych odstępach czasu pewnych operacji na pamięci (odświeżanie), w przeciwnym wypadku dane zanikają. Charakteryzują się dużymi pojemnościami, są tanie.