Microcontrollers Week 1 Introductie microcontroller Jesse op den Brouw INLMIC/

Transcriptie

1 Microcontrollers Week 1 Introductie microcontroller Jesse op den Brouw INLMIC/

2 Computersysteem Een systeem dat rekenkundige operaties, data manipulaties en beslissingen kan uitvoeren, aan de hand van een lijst instructies. 2

3 Computersysteem Een computersysteem bestaat uit de fysieke en tastbare onderdelen, hardware genaamd. Een computersysteem bevat een lijst van instructies die uitgevoerd moeten worden, een programma. De verzamelnaam voor programma s is software. Moderne computers zijn digitaal, ze rekenen met getallen. 3

4 Computersysteem De minimale hardware van een computersysteem bestaat uit: Processor Geheugen Invoer-uitvoer (Secundair geheugen) Een programma kan worden opgebouwd uit: Toekenning (met expressie, bv A=B+5) Beslissing, (if ) Lus (for, while) 4

5 Processor Een processor is een digitaal systeem dat data verwerkt. Een processor voert instructies uit. Dit vertelt de processor hoe de data verwerkt moet wordt. Een processor heeft dus een rekeneenheid, zodat data verwerkt (berekend) kan worden. Een processor heeft mogelijkheid tot tussentijdse opslag van data, zodat complexe berekeningen kunnen worden uitgevoerd. Een processor op één plak silicium wordt een microprocessor genoemd. 5

6 Geheugen Geheugen wordt gebruikt voor opslag van programma s en data. ROM RAM Read Only Memory wordt gebruikt om permanente informatie in op te slaan (opslag van het programma, constanten) Random Access Memory wordt gebruikt voor opslag van informatie die nodig is om een bepaalde operatie uit te voeren of informatie die door het programma is gegenereerd (data). Moderne systemen: programmatuur ook in RAM, geladen vanaf secundair geheugen (disk). 6

7 Invoer-uitvoer Een computersysteem voert interactie uit met de omgeving door middel van invoer- en uitvoerapparaten. Invoer: toetsenbord, schakelaars. Uitvoer: beeldscherm, printer, lampjes. Invoer-uitvoer: seriële en parallelle verbindingen. Invoer-uitvoer wordt in de regel I/O genoemd, of periferie, peripherals. 7

8 Secundair geheugen Onder secundair geheugen verstaan we apparatuur dat informatie permanent kan opslaan. Disk Snelle toegang tot data Tape Veel opslagcapaciteit tegen lage kosten Floppy Simpel en goedkoop 8

9 Schema computersysteem Werkt volgens de Von Neumann architectuur. Stored program computer. Programma en data in één geheugen en beschikbaar via één bus. Intel x86/x64 etc. 9

10 Voorbeeld computersysteem Foto van een VAX 11/780 10

11 Wat is een microcontroller? Een compleet computersysteem Processor Geheugen I/O peripherals Een enkel stuk silicium 11

12 Opbouw microcontroller een microcontroller integreert verschillende componenten: CPU geheugen digitale I/O lijnen analoge I/O lijnen interrupt controller counter/timer seriële interfaces 12

13 Processor versus Controller Processor Ontworpen om getallen te crunchen Losse chip Zeer snel Veel vermogen Controller Een processor met periferie speciaal voor besturingstaken. Alles op één plak Niet snel Weinig vermogen Meestal één specifieke taak 13

14 Typische toepassing Een eenvoudige besturingstaak: Thermostaat lees periodiek de temperatuur (4 bit digitale waarde) zet de verwarming aan/uit afhankelijk van de temperatuur (1 lijn) display de huidige temperatuur (display 8 +3 bits) gebruiker kan de temperatuur instellen met knoppen (4 knoppen) gebruikt de seriële interface om de temp. data te downloaden (2 bit) > 20 digitale I/O lijnen, timer, seriële interface 14

15 Thermostaat met de Z80 Benodigde componenten: CPU (Z80) 2x PIO (2x 16 = 32 I/O lijnen) SIO (seriële I/O) CTC (timer) geheugen (SRAM, Flash, EPROM) Totaal nodig: 8 chips (+ verbindingen) op een PCB 15

16 PCB board layout thermostaat met Z80 16

17 PCB board geroute 17

18 Thermostaat met ATmega32 Indien een microcontoller gebruikt wordt: CPU minstens 20 digitale I/O lijnen seriële interface timer geheugen (SRAM, Flash, EEPROM) 18

19 Schema thermostaat met ATmega32 Benodigde componenten: 1 microcontroller Alle componenten zijn geintegreerd op een enkele chip PCB: minder dan een kwart eurokaart 5x8 cm 19

20 PCB reductie in grootte 20

21 Waarom microcontrollers? kleiner board oppervlak sneller te ontwerpen eenvoudig te debuggen en te upgraden lage kosten minder energieconsumptie hoge betrouwbaarheid kortom microcontrollers besparen tijd & geld! 21

22 Toepassingsgebieden telecommunicatie automotive industrie lucht- en ruimtevaartindustrie huishoudelijke apparaten, domotica fabrieksautomatisering meestal in grote hoeveelheden (90 in autos) gigantische markt 22

23 Typen microcontrollers Veel verschillende controllers van vele verschillende fabrikanten (bijv. PIC, AVR, HC11, 8051, ARM) Controller familie: Dezelfde CPU Verschillende peripherals (aantal I/O, timers, ) Verschillende grootte geheugen (RAM, Flash, EEPROM) Voorbeeld: Atmel AVR ATmega familie Allemaal dezelfde opbouw 23

24 Typen microcontrollers Controllers met (4), 8, 16, 32 bit bus Wij concentreren ons op kleine 8-bit controllers geen MMU (memory management unit) geen DMA (direct memory access) geen cache geheugen geen FPU (floating point unit) Klokfrequenties tussen 1 25 MHz 24

25 Typen microcontrollers PIC 8 en 16 bits uitvoering DSP-variant ARM 32 bit core met en zonder MMU zeer goedkoop ( 2-12) snel (100 MHz) veel I/O goede ontwikkelomgeving voor ervaren ontwikkelaars Linux OS (Android) 25

26 Technische terminologie Embedded System: de microcontroller is deel van het systeem dat een bepaalde functie heeft (magnetron, mobiele telefoon, printer, ). Real-Time Systeem: een systeem dat binnen een vastgestelde tijd moet reageren op gebeurtenissen (events). Indien het systeem te laat reageert kan dat rampzalige gevolgen hebben (break-by-wire in de auto, kerncentrale). 26

27 Opbouw processor Een processor wordt opgebouwd met behulp van de volgende bouwstenen. Registers Multiplexers Demultiplexers / decoders Optellers ALU Tellers Flipflops Losse logica / tri-state / ROM 27

28 Register Een register is een groep flipflops geklokt op één kloksignaal. Vaak in een veelvoud van 4 en 8. D3 D2 D1 D0 D Q D Q D Q D Q clk Q3 Q2 Q1 Q0 28

29 Multiplexer Een multiplexer is een combinatorische schakeling die één van de ingangen selecteert en doorgeeft aan de uitgang. Andere naam: selector. 29

30 Demultiplexer / decoder Een demultiplexer is een combinatorische schakeling die de waarde op de ingang doorgeeft aan één van de uitgangen met behulp van selectiesignalen. Een decoder selecteert één van de uitgangen afhankelijk van de selectiesignalen. De decoder mist het signaal in. Om van een demultiplexer een decoder te maken, moet op in een logische 1 gezet worden. 30

31 ALU De ALU is een combinatorische schakeling die een aantal rekenkundige en logische bewerkingen kan uitvoeren. De ALU wordt besproken in week 2. Data1 Data 2 Function Flags Result 31

32 Teller Een teller is een sequentiele schakeling, die op een klokflank de huidige telstand met één vermeerderd. Na de hoogste stand volgt weer de laagste stand (cyclische teller). Telcyclus: Tellen vaak in machten van twee: 4, 8, 16, 32 bits. en reset counter 16 value clk 32

33 Flipflops Flipflops worden gebruikt voor het onthouden van één bit (denk hierbij aan flags). Worden uitgerust met een enable. Hiermee kunnen ze inhoud bewaren over klokflanken heen (flipflop neemt zijn eigen inhoud over). d en clk D Q q d en clk m u x D Q q NB: registers ook met enable! 33

34 Losse logica / tri-state Losse logica is nodig voor het bouwen van logische functies die niet in losse bouwstenen te verkrijgen zijn. Vaak wordt de term glue logic gebruikt. Tri-state buffers zijn buffers waarvan de uitgang losgekoppeld kan worden. Zo kunnen meerdere uitgangen aan elkaar gekoppeld worden. In werkelijkheid is de uitgang niet losgekoppeld maar hoog impedant (high Z). in out out = in als en = 1 en out = high Z als en = 0 34

35 ROM Een ROM is een type geheugen dat niet gewist kan worden, de informatie blijft bewaard ook als de voedingsspanning wordt uitgezet. Na het aanbieden van een bitpatroon, adres genaamd, verschijnt op de uitgangen een bitpatroon, data genaamd. Losse logica kan in de vorm van een ROM gemaakt worden. adres ROM 4 16x8 8 data 35

36 De eenvoudige kassa Ontwerp een apparaat dat extern aangeboden data herhaald kan optellen (kassa). data Optellen moet gebeuren op een klokflank. Resultaat moet voor langere tijd vastgehouden kunnen worden. enable clk adder register De klok is een hulpsignaal, heeft geen logische functie. result 36

37 Eenvoudige rekenaar Ontwerp een systeem met twee registers en een opteller. Register A moet data van buiten het systeem halen en van de opteller. Register B moet data van register A overnemen en van de opteller. Lijstje van onderdelen: 1x opteller 2x register met enable 2x multiplexer 2-naar-1 Aantal besturingssignalen is 4. 37

38 Blokschema eenvoudige rekenaar data Voorbeeld werking: a = a + b ena = 1 sela muxa muxb selb enb =0 sela = 0 ena a b enb selb = - b = a en a = data ena = 1 adder enb =1 result sela = 1 selb = 0 38

39 De Haagse Hogeschool, Delft