Wykład Mikroprocesory i kontrolery Cele wykładu: Poznanie podstaw budowy, zasad działania mikroprocesorów i układów z nimi współpracujących. Podstawowa wiedza potrzebna do dalszego kształcenia się w technice mikroprocesorowej. Poznanie podstaw budowy, zasad działania i sterowania mikrokontrolerów i ich urządzeń peryferyjnych. Niezbędna wiedza do dalszego samokształcenia się w tym kierunku i do wykorzystania mikrokontrolerów w praktyce. Poznanie zasad działania i sterowania układami będącymi składowymi mikrosystemów elektronicznych, między innymi: buforami cyfrowymi, pamięciami o dostępie równoległym, wybranymi układami sterowanymi interfejsem SPI. Podstawa do dalszego zdobywania wiedzy związanej z projektowaniem i oprogramowaniem elektronicznych systemów wbudowanych. Nabycie umiejętności analizowania ( czytania ) schematów blokowych i logicznych opisujących złożone scalone układy elektroniczne. Umiejętność ta pozwala na zrozumienie zasady działania układu opierając się na analizie jego schematu i czytanie ze zrozumieniem jego opisu zawartych w dokumentacji technicznej (ang. datasheet). Umiejętność niezbędna przy projektowaniu elektronicznych systemów wbudowanych. Nabycie umiejętności analizy przebiegów czasowych opisujących zachowanie się układu w czasie (pracę w czasie rzeczywistym ). Umiejętność ta jest niezbędna do projektowania i oprogramowywania układów elektronicznych, które jak wiadomo istnieją w świecie rzeczywistym zdeterminowanym przez czas. Przebiegi czasowe opisują zależności czasowe między sygnałami, graficznie ilustrują sposoby sterowania w funkcji czasu układami elektronicznymi. Nabycie niezbędnej umiejętności skutecznego uczenia się z dokumentacji technicznej układów elektronicznych. Elektronika cechuje się dużą dynamiką zmian na rynku. Co roku wprowadzana jest na rynek niezliczona liczba nowych układów scalonych, natomiast wiele z tzw. przestarzałych jest wycofywana z rynku. Zatem wymagane jest od inżyniera szybkie i dogłębne (a czasami nawet szczegółowe) poznanie nowego układu wybranego do danego projektu urządzenia: o szybkie, bo czas to pieniądz im krótsza realizacja projektu tym jest on tańszy, o dogłębne, bo poprawiające efektywność pracy, ponieważ dość szybko umiemy układ poprawnie zaprogramować, w pełni wykorzystać jego możliwości i szybko go uruchomić, gdyż rozumiemy jego zasadę działania i sterowania.
Sposób zaliczenia wykładu: Aby zaliczyć przedmiot (wykład) należy napisać i zaliczyć egzamin: przeprowadzony w sesji podstawowej lub poprawkowej (10 pytań, każde oceniane do 6 punktów) lub dwie części egzaminu (jak została wybrana taka opcja przez studentów): pierwsza część tzw. egzamin zerowy odbywa się w połowie semestru z pierwszej części materiału Mikroprocesory (5 pytań, każde oceniane do 6 punktów), druga część z drugiej części materiału Mikrokontrolery jest przeprowadzona w sesji podstawowej (5 pytań, każde oceniane do 6 punktów). Uwagi dotyczące zaliczania egzaminu (obu części egzaminu): 1. Aby zaliczyć wykład, a tym samym przedmiot, egzamin (obie części egzaminu) musi być zaliczony, czyli napisany na minimum 28 pkt. (12 pkt. zalicza daną część egzaminu. Jednak aby zaliczyć wykład łączna suma punktów z obu części musi być nie mniejsza niż 28 pkt.). 2. W sesji poprawkowej zalicza się wyłącznie tę część egzaminu, którą nie zaliczyło się w czasie trwania semestru lub w sesji podstawowej. Jak nie zaliczyło się obu części, to obie należy w tym terminie zaliczyć. 3. Przewidziane są jeszcze i wyłącznie dwa ekstra terminy zaliczenia danej części egzaminu lub całego egzaminu dla studentów, którzy: nie zostali przyłapani na ściąganiu, napisali egzamin na minimum 10 pkt. (daną część egzaminu na minimum 5 pkt.) (16,7%). 4. Dwa ekstra terminy zaliczenia egzaminu przewidziane są: pierwszy w sesji podstawowej semestru letniego lub w czasie trwania semestru letniego, czyli np. kwiecień, maj lub czerwiec, drugi w sesji poprawkowej semestru letniego, czyli we wrześniu. 5. Całkowita liczba punktów do zdobycia z przedmiotu wynosi: (30 + 30) + (6 * 5 + 10) + (13 * 0,25) = = 60 1 + 40 2 + 3,5 3 = 103,5, gdzie 1 całkowita liczba punktów z wykładu (egzaminu), 2 całkowita liczba punktów z ćwiczeń laboratoryjnych, 3 dodatkowe punkty do zdobycia. 6. Tabela punktów i przypisane im oceny końcowe z przedmiotu MIM: Ocena Punkty 5,5 100 103,5 5 90 99,5 4,5 80,5 89,5 4 70,5 80 3,5 60,5 70 3 50 60 2 0 49,5
Zagadnienia obowiązujące na egzaminie z wykładu Mikroprocesory i kontrolery Informacje ogólne: Każda z części egzaminu składa się z pięciu pytań: trzy pytania dotyczą zagadnień elementarnych napisanych pogrubioną czcionką, dwa pozostałe pytania związane są treściami podstawowymi. Przy czym, przez pojęcie zagadnienie rozumie się dany fragment treści wykładu, a nie treść pytania na kolokwium. W niektórych przypadkach do danego zagadnienia może być przygotowanych kilka pytań. I. Zagadnienia obowiązujące do części Mikroprocesory : Podstawowe bramki logiczne (funkcja, symbol, wyrażenie, logiczne). Zasada działania bramek trójstanowych i z otwartym drenem. Podstawowe parametry techniczne układów cyfrowych. Definicje i cechy formaty wektorów informacji cyfrowej i definicja informacji cyfrowej. Definicja pojęcia kodowania informacji cyfrowej, podział kodów. Modele wielopoziomowe mikrosystemów procesorowych. Definicje układów kombinacyjnych, sekwencyjnych, synchronicznych i asynchronicznych. Definicja, symbol logiczny i zasada działania przerzutnika. Definicja i architektura dekodera, kodera, multipleksera, demultipleksera. Definicja, budowa i zasada działania rejestru buforowego i przesuwnego oraz linii cyfrowych. Definicje systemu mikroprocesorowego, mikrokomputera, mikroprocesora oraz ich architektury, budowa i zasada działania. Definicja, symbol, cechy i zasada działania układu ALU. Definicja przesłania międzyrejestrowego, magistrali bitowo-równoległej. Podział i praca szyn systemowych (magistral) oraz pełnione przez nie funkcje. Ogólne właściwości jednostki centralnej oraz jej cechy techniczne. Podstawowe zastosowania układów buforów magistrali 8-bitowej w systemach mikroprocesorowych. Schemat logiczny i zasada działania jednokierunkowego nieodwracającego bufora 74HC541. Schemat logiczny i zasada działania dwukierunkowego nieodwracającego bufora 74HC245. Schemat logiczny i zasada działania 8-bitowego rejestru zatrzaskującego 74HC573. Definicja, schemat logiczny, budowa i zasada działania pamięci półprzewodnikowej w systemach mikroprocesorowych. Podział i charakterystyka scalonych układów pamięciowych. Definicja pamięci półprzewodnikowej stałej ROM o dostępie swobodnym RAM.
Cykle odczytu i zapisu z/do pamięci asynchronicznych o dostępie równoległym. Schemat logiczny, znaczenie linii, przebiegi czasowe cyklów odczytu i zapisu asynchronicznej pamięci SRAM o dostępie równoległym i pojemności np. 512 KB. Schemat logiczny, znaczenie linii pamięci FLASH typu NOR o dostępie równoległym i pojemności np. 1 MB. Rozkazy sterujące pamięcią FLASH. Sekwencja rozkazowa poszczególnych rozkazów pamięci FLASH. Definicja i wykorzystanie stosu oraz definicja wskaźnika stosu. Cechy architektury Von-Neumanna mikroprocesorów. Cechy architektury harwardzkiej mikroprocesorów wbudowanych w mikrokontrolery. Modyfikacje architektury harwardzkiej mikroprocesorów wbudowanych w mikrokontrolery poprawiające przepływ danych między pamięcią programu a danych. Definicja, pełnione funkcje oraz obsługa układów we/wy. Podział i charakterystyka układów we/wy. Definicja i właściwości operacji we/wy. Definicja przerwania, zadania sterownika przerwań i schemat obsługi przerwania. Definicja i właściwości bezpośredniego dostępu do pamięci, schemat logiczny i cechy kontrolera DMA. Definicje rozkazu, listy instrukcji, cyklu rozkazowego, maszynowego. Struktura rozkazu (instrukcji) oraz jego symboliczny zapis. Definicja adresowania, trybu adresowania oraz tryby adresowania. Cechy architektury CISC mikroprocesorów. Cechy architektury RISC mikroprocesorów oraz pojęcie ortogonalności. Operacje podstawowe wykonywane przez mikroprocesor oraz składnia asemblera. Definicja i podział koprocesorów, definicja koprocesora arytmetycznego i jego sposób sterowania. Sposoby zwiększania mocy obliczeniowej mikroprocesorów i ich charakterystyka. Definicja i właściwości przetwarzania potokowego. Podział instrukcji na fazy w przetwarzaniu potokowym. Definicja pamięci podręcznej Cache. II. Zagadnienia obowiązujące do części Mikrokontrolery : Definicja mikrokontrolera (w skrócie: mk), dwie najważniejsze cechy techniczne jego jednostki centralnej. Uszczegółowiona budowa mk oraz funkcje realizowane przez jego bloki. Cechy mk wyróżniające go spośród innych układów cyfrowych z wbudowanym mikroprocesorem. Pełnione funkcje i typy pamięci zaimplementowanych w mk. Struktury mse ze względu na sposób korzystania z zewnętrznych pamięci (cechy i schematy blokowe). Zalety zamknięcia magistrali wewnątrz mk.
Warstwowy model mk zamkniętego. Sposoby generacji sygnału zegarowego w mk. Techniki redukcji pobieranej mocy w mk i tryby specjalne pracy mk. Sposoby wejścia i wyjścia z poszczególnych trybów specjalnych pracy mk. Przeznaczenia sygnału RESET i źródła sygnału RESET w mk. Przeznaczenie i zasada pracy licznika watchdog w mk. Cechy systemu przerwań z programowym przeglądaniem urządzeń w mk. Cechy systemu przerwań wektoryzowanych w mk. Budowa i zasada działania linii portów równoległych. Właściwości układów peryferyjnych mk. Schematyczna budowa układu czasowego w mk oraz jego zasada pracy w dwóch podstawowych konfiguracjach. Schemat blokowy i zasada działania licznika w mk w konfiguracji rejestratora zdarzeń. Schemat blokowy i zasada działania licznika w mk w konfiguracji programowalnego generatora impulsów. Schemat blokowy i zasada działania licznika w mk w konfiguracji generatora PWM. Budowa, zasada działania i typowe parametry wewnętrznego przetwornika A/C w mk. Schemat blokowy, parametry i zasada działania komparatora analogowego w mk. Sterowanie oraz sposób odczytu i zapisu danych do wewnętrznej pamięci EEPROM. Schematyczna budowa sterownika komunikacji szeregowej w mk oraz realizowane przez niego funkcje. Format danych dla standardu UART, budowa kontrolera interfejsu UART oraz ogólna jego obsługa. Sposób łączenia za pomocą interfejsu SPI układów typu master i slave. Procedury wymiany danych za pomocą interfejsu SPI dla trybu master i trybu slave. Przebiegi czasowe interfejsu SPI. Budowa kontrolera interfejsu SPI w mk i znaczenie linii interfejsu SPI w mk. Schemat ogólny, zasada działania (funkcje poszczególnych bloków) układu peryferyjnego z interfejsem SPI. Przebiegi czasowe sekwencji inicjalizacji, wysyłania i odbierania bitów dla standardu interfejsu 1- Wire. Zasada pracy interfejsu I 2 C i jego pełna sekwencja protokołu transmisji szeregowej. Właściwości interfejsu CAN oraz grupy układów obsługujących interfejs CAN. Połączenie między urządzeniami z interfejsem USB, znaczenie linii interfejsu USB i sposoby zasilania urządzeń z interfejsem USB. Przeznaczenie, zasada działania i konfiguracja systemu zdarzeń. Pojęcie rodziny mk. Modyfikacje członków rodziny mk. Definicja programowania zagnieżdżonego i cechy programów zagnieżdżonych. Struktura programu użytkownika na mk. Zalety programowania w języku asemblera dla elektronicznych systemów wbudowanych.
Cykl projektowania i uruchamiania programu napisanego na mk. Rozszerzenia języka C oraz zalecenia dotyczące pisania programów w języku C na mk. Metody uruchamiania programów napisanych na mk. Procedura szeregowego programowania pamięci programu mk w systemie docelowym. Sposoby programowania szeregowego pamięci programu mk w systemie docelowym ze względu na używany interfejs szeregowy.