Wykład Mikrokontrolery i mikrosystemy Cele wykładu: 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, układami SPLD i CPLD, 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 wykład należy napisać i zaliczyć dwa kolokwia: pierwsze odbywa się w połowie semestru z pierwszej części materiału Mikrokontrolery (5 pytań, każde oceniane do 6 punktów), drugie z drugiej części materiału Mikrosystemy jest przeprowadzone na ostatnich zajęciach (5 pytań, każde oceniane do 6 punktów). Uwagi dotyczące zaliczania kolokwiów: 1. Aby zaliczyć wykład, a tym samym przedmiot, oba kolokwia muszą być zaliczone, czyli każde z nich napisane na minimum 12 pkt. 2. W sesji poprawkowej (ewentualnie podstawowej) zalicza się wyłącznie te kolokwium, którego nie zaliczyło się w czasie trwania semestru. Jak nie zaliczyło się obu kolokwiów, to oba należy w tym terminie zaliczyć. 3. Przewidziane są jeszcze i wyłącznie dwa ekstra terminy zaliczenia danego kolokwium lub kolokwiów dla studentów, którzy: nie zostali przyłapani na ściąganiu, napisali dane kolokwium na minimum 5 pkt. (16,7%). 4. Dwa ekstra terminy zaliczenia kolokwiów 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 6 + 4) + (2 + 2) = = 60 1 + 40 2 + 6 3 = 104, gdzie 1 całkowita liczba punktów z wykładu (dwóch kolokwiów), 2 całkowita liczba punktów z 6 ćwiczeń laboratoryjnych, 3 całkowita liczba punktów z tzw. wyprawki. 6. Tabela punktów i przypisane im oceny końcowe z przedmiotu MKM: Ocena Punkty 5,5 100 104 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 7. Minimalna liczba punktów do zdobycia z przedmiotu: (12 + 12) + (4 6 + 4) = 24 1 + 28 2 = 52, gdzie 1 minimalna liczba punktów z wykładu (dwóch kolokwiów), 2 minimalna liczba punktów z 6 ćwiczeń laboratoryjnych.
Zagadnienia obowiązujące na kolokwiach z wykładu Mikrokontrolery i mikrosystemy Informacje ogólne: Każde z kolokwiów 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 pierwszego kolokwium z części Mikrokontrolery : Definicja mikrokontrolera (w skrócie: mk), dwie najważniejsze cechy jego jednostki centralnej. Uszczegółowiona budowa mk oraz funkcje realizowane przez jego bloki. Cechy mk wyróżniające go spośród innych układów cyfrowych z wbudowanym mikroprocesorem. Właściwości jednostki centralnej (w skrócie: jc) mk, pojęcia: licznik rozkazów, tryby adresowania. Zasada działania i zastosowania podstawowych trybów adresowania. Cechy architektury harwardzkiej procesorów rdzeniowych mk. Modyfikacje architektury harwardzkiej procesorów rdzeniowych mk poprawiające przepływ danych między pamięcią programu a danych. Cechy architektury Von-Neumanna procesorów rdzeniowych mk. Cechy architektury RISC procesorów rdzeniowych mk oraz pojęcie ortogonalności. Cechy architektury CISC procesorów rdzeniowych mk. 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. Metody 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. Generalny schemat obsługi przerwania 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. 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.
II. Zagadnienia obowiązujące do drugiego kolokwium z części Mikrosystemy : Podstawowe zastosowania układów buforów magistrali 8-bitowej w systemach mk. 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. 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. Schemat blokowy układów SPLD standardu GAL16V8 oraz funkcje jego bloków. Tryby pracy układów SPLD standardu GAL16V8 oraz ich ograniczenia projektowe. Schemat blokowy architektury układów CPLD np. XC9500 oraz funkcje bloków zamieszczonych na tym schemacie. Schemat blokowy bloku funkcyjnego układów CPLD np. układów rodziny XC9500 oraz funkcje poszczególnych bloków bloku funkcyjnego. Metody zapisu i odczytu danych oraz techniki adresowania układów peryferyjnych z interfejsem SPI. Schemat ogólny, zasada działania (funkcje poszczególnych bloków) układu peryferyjnego z interfejsem SPI. Schemat blokowy pamięci o dostępie szeregowym z interfejsem SPI, znaczenie linii i funkcje jej bloków. Przebiegi czasowe instrukcji sterujących pamięciami o dostępie szeregowym z interfejsem SPI o pojemnościach do 64 kb. Uogólniony schemat blokowy N-bitowych K-kanałowych przetworników A/C wyposażonych w interfejs SPI, funkcje poszczególnych bloków przetwornika A/C. Schemat blokowy układów przetworników pracujących na zasadzie SAR (np. AD7475, AD7495), znaczenie linii układu, przebiegi czasowe interfejsu SPI. Schemat blokowy przetworników typu sigma-delta (Σ - ) (np. AD7791), znaczenie linii układu, przebiegi czasowe interfejsu SPI, funkcje rejestrów wewnętrznych układów. Schemat blokowy układu cyfrowego czujnika temperatury z interfejsem SPI (np. AD7814), funkcje poszczególnych jego bloków, znaczenie linii układu, przebiegi czasowe interfejsu SPI. Schemat blokowy kontrolera czujników pojemnościowych sterowanego interfejsem SPI (np. AD7147), znaczenie linii układu, przebiegi czasowe interfejsu SPI. Ogólny schemat przetwornika cyfrowo-analogowego (C/A), funkcje poszczególnych bloków układu. Schemat blokowy jednokanałowego przetwornika C/A z wyjściem napięciowym (np. AD5060), znaczenie linii układu, format danych wprowadzanych do rejestru szeregowego, przebiegi czasowe interfejsu SPI. Schemat blokowy pojedynczego kanału wielokanałowego przetwornika C/A sterowanego interfejsem SPI (np. AD5390), funkcje rejestrów kanału, format danych wprowadzanych do rejestru szeregowego, przebiegi czasowe interfejsu SPI.
Schemat blokowy układu potencjometru cyfrowego sterowanego interfejsem SPI (np. AD5260), znaczenie linii układu, przebiegi czasowe interfejsu SPI. Schemat blokowy wzmacniacza o programowalnym wzmocnieniu ustawianym za pomocą interfejsu SPI (np. MCP6S218), funkcje rejestrów, znaczenie linii układu, przebiegi czasowe interfejsu SPI. Schemat blokowy układu z pojedynczymi dwukierunkowymi kluczami analogowymi sterowanego interfejsem SPI (np. ADG714), znaczenie linii układu, przebiegi czasowe interfejsu SPI. Schemat blokowy układu z przełączającymi matrycami analogowymi sterowanego interfejsem SPI (np. ADG738), znaczenie linii układu, przebiegi czasowe interfejsu SPI. Uproszczony schemat blokowy generatora przebiegów analogowych z DDS (Direct Digital Sintesis) sterowanego interfejsem SPI (np. AD9833), funkcje rejestrów, znaczenie linii układu, przebiegi czasowe interfejsu SPI. Przyczyny stosowania zewnętrznych kontrolerów interfejsów szeregowych np. USB, CAN, Ethernet, czy radiowych układów nadawczo-odbiorczych na 2,4 GHz. Schemat blokowy kontrolerów interfejsów szeregowych sterowanych interfejsem SPI, funkcje poszczególnych ich bloków, znaczenie linii układów. Uproszczony schemat blokowy kontrolera Ethernet sterowanego interfejsem SPI (np. ENC28J60), funkcje poszczególnych bloków Schemat blokowy mikroserwera TCP/IP bazującego na kontrolerze Ethernet (np. ENC28J60) sterowanym interfejsem SPI, funkcje poszczególnych bloków mikroserwera TCP/IP. Schemat blokowy bezprzewodowego systemu elektronicznego bazującego na kontrolerze ZigBee (np. AT86RF230), główne cechy standardu ZigBee. Schemat blokowy układów MEMS sterowanych interfejsem SPI, funkcje poszczególnych bloków układów, znaczenie linii układów.