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MCT 10.01.2019

1 / 22 MCT_Vorlesung_09_WS2018.doc

Speicherarchitekturen

Grundsätzliche Möglichkeiten:

Prozessor

ProgrammundDatenSpeicher

Prozessor

ProgrammSpeicher

Datenbus Adressbus

"Von-Neumann-Architektur"

DatenSpeicher

"Harvard-Architektur"

Oft genügt ein gemeinsamer Programm und Datenspeicher

Signalprozessoren: meist in Harvard-Architektur schneller

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Anschaltung von externem Speicher

Für 64 kByte Speicher: 16 Adreßleitungen und 8 Datenleitungen nötig

Adreß- und Datenleitungen:

Port 0: abwechselnd Adreßleitung 0-7 und Datenleitung 0-7 = Zeitmultiplex

durch Steuerleitung ALE (adress latch enable) Unterscheidung möglich

Port 2: Adreßleitung 8-15

Steuerleitungen:

PSEN (program store enable) = Lesezugriff auf ROM

RD (read) = Lesezugriff auf RAM

WR (write) = Schreibzugriff auf RAM

Frage: Warum gibt es keinen

Schreibzugriff auf das ROM?

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Schaltungsaufbau

P0.0 - P0.7

ALE

PSEN

P2.0 - P2.7

WR

RD

Latch

ROM RAM

OE WR RD80535

Daten- und Adressbus

Adressbus

8 Bit

8 Bit

8 Bit

16 Bit

AT89C5131

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Zugriff auf externen Programmspeicher

internerTakt

ALE

PSEN

Port 0

Port 2

1 us

A8 - A15

A0 - A7

DatenAdressen

Adressen

D0-7

Adressen

A8 - A15

Adressen

A0 - A7

Daten

D0-7

µs Zykluszeit 1µs bei

12 MHz Quarz

Praktikum: 750ns

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Ablauf des Speicherzugriffs

1.) Controller gibt Adressinformation an Port 0 und Port 2 aus

2.) Fallende Flanke von ALE: Adressen 0-7 werden von Adresslatch gespeichert

3.) Sobald PSEN auf 0 geht: ROM gibt Inhalt der adressierten Speicherstelle aus

4.) Nach 2 Taktperioden werden die Daten vom Controller übernommen

pro Maschinenzyklus (1us) werden 2 Byte gelesen

Port 0 schaltet um zwischen Ausgeben (Adressen) und Einlesen (Daten)

Adressen 0-7 werden in Adresslatch zwischengespeichert

ROM Speicher muss Daten schnell genug ausgeben

Controller kann nicht warten (keine „wait-states“)

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Adresslatch

Beispiel: 74LS373 = Transparenter 8 Bit Registerbaustein

LS373

D1

D8

Q1

Q8

Enable

Adress-undDatenbus

ALE

AdressbusA0 - A7

wenn ALE = 5V (high): Ausgang = Eingang (Q1 = D1, ...) = transparent

ALE = 0V (low) Ausgangszustand wird „eingefroren“

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Zeitbedingungen für Speicherbausteine

1.) Lesezugriff auf Programmspeicher

Zeit: Adressen gültig bis Daten einlesen = 302 ns (aus Datenblatt)

PSEN low bis Daten einlesen = 150 ns

ROM muß diese Bedingung einhalten

beachten: Adresslatch verzögert die Adressleitungen um einige ns

2.) Lesezugriff auf Datenspeicher

Zeit: Adressen gültig bis Daten eingelesen = 585 ns

RD low bis Daten einlesen = 252 ns

unterschiedliche Zeitbedingungen für RAM und ROM

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Symbolische Darstellung von Digitalsignalen

Signalform Eingang Ausgang

Muß stabil sein Muß stabil sein

Kann von "1" nach

"0"w echselnKann von "1" nach

"0"w echseln

Kann von "0" nach

"1"w echselnKann von "0" nach

"1"w echseln

nicht beachtenJeder Wechsel erlaubt

WechseltZustand nicht bekannt

macht keinenSinn

Mittellinie bedeutet " hochohmiger Zustand"

( J. Walter, Mikrocomputertechnik mit der 8051-Controller-Familie)

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Timing: Lesezugriff Programmspeicher

ALE

PSEN

Port 0

Port 2

A0-A7

A8-A15

Instr. N A0-A7

tLHLL

tAVLL tPLPH

tAZPL

tLLAX

tLLPL

tPLIV

tAVIV

tPXIX

tPXIZ

tPXAV

tLLIV

J. Walter, Mikrocomputertechnik mit der 8051-Controller-Familie)

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Zusammenstellung: Datentypen des C-51-Compilers

Datentyp Größe Verwendung

bit 1 Bit für Bit-Variablen

sbit 1 Bit für Bits in "special function registers", z.B. Port-Bits

(signed) char 8 Bit mit Vorzeichen (Wertebereich -128 bis +127)

unsigned char 8 Bit ohne Vorzeichen (Wertebereich 0 bis 255)

sfr 8 Bit 1-Byte-Variable in einem "special function register"

(signed) int 16 Bit mit Vorzeichen (ca. -32000 bis ca. +32000)

unsigned int 16 Bit ohne Vorzeichen (0 bis ca. 64000)

sfr 16 16 Bit 2-Byte-Variable im "special function register"-Bereich

(signed) long 32 Bit mit Vorzeichen (ca. –2 · 10+9 bis 2 · 10+9)

unsigned long 32 Bit ohne Vorzeichen (0 bis ca. 4 10+9)

float 32 Bit ca. 1,2 · 10-38 bis 3,4 · 10+38

pointer 8 - 24 Bit für Addressen von Variablen

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Auszug aus der Header-Datei reg5131.h

/*--------------------------------------------------------------

REG5131.H

---------------------------------------------------------------*/

...

/* BYTE Register */

sfr P0 = 0x80;

sfr P1 = 0x90;

sfr P2 = 0xA0;

sfr P3 = 0xB0;

sfr P4 = 0xE8;

...

/* BIT Register */

...

sbit TF1 = 0x8F;

sbit TR1 = 0x8E;

sbit TF0 = 0x8D;

sbit TR0 = 0x8C;

...

damit stehen diese Variablen für die C-Programmierung zur Verfügung

Bekanntgabe der Adressen der

Special Function Register

Bekanntgabe der Adressen der

bitadressierbaren Bits

in den Special Function Registern

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Wiederholung: Timer-Programmierung in C

Aufgabe: LED 1 mit 5 Hz (d.h. Puls-Dauer TP = 100ms) blinken lassen

#include

sbit LED1 = P1^0; /* Bit 0 von Port P1 */

#define TH0_Startwert 0xfc /* 65536 - 1000 ( = 1 ms) */

#define TL0_Startwert 0x18 /* ergibt fc18 als Startwert */

/* Hauptprogramm */

void main(void)

{

char zaehler;

TMOD = 0x01; /* Timer 0 als 16 Bit Timer initialisieren */ TH0 = TH0_Startwert;

TL0 = TL0_Startwert;

t

100 ms

Algorithmus: programmiere einen 1ms Timer, zähle die

Timerdurchläufe, bei Durchlauf 100: LED-Zustand

invertieren und Zähler auf 0 setzen

P1.0

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zaehler = 0; /* Zähler für die Schleifendurchläufe */

TF0 = 0; /* Timer 0 Überlauf-Flag löschen */

TR0 = 1; /* Timer 0 Run-Bit setzen (Timer starten) */

while (1) /* Endlosschleife */ {

if (TF0 == 1) /* d.h.: Timer abgelaufen */ {

TF0 = 0;

TH0 = TH0_Startwert;

TL0 = TL0_Startwert;

zaehler++;

if (zaehler > 100) /* 100 ms */ {

LED1 = ~LED1; /* LED-Bit invertieren */ zaehler = 0; }

}

}

}

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Übung: Dimmer

Aufgabe 1: Schreiben Sie ein Programm in C, das die LED mit einer Frequenz von 1 Hz ein- und

ausschaltet, mit einem Tastverhältnis von 1:9 (10% eingeschaltet, 90% ausgeschaltet)

Lösungshinweis: Bei Zählerstand 100 ausschalten, bei Zählerstand 1000 ausschalten

Aufgabe 2: Erhöhen Sie die Umschaltfrequenz so weit, dass das Auge den Umschaltvorgang nicht

mehr erkennen kann (Hinweis: mindestens 25 Hz).

Aufgabe 3: Programmieren Sie einen „Dimmer“, d.h. eine Möglichkeit, die LED-Helligkeit im

Bereich von 0 bis 100% einzustellen. Sie könnten die Helligkeit per Tastenabfrage am

Experimentierboard einstellen oder per Serieller Schnittstelle übertragen.

Zusatzaufgabe: Stellen Sie die Helligkeit als Prozentangabe auf dem LCD-Display dar.

t

100 ms

900 ms

P1.0

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Taktversorgung des AT89C5131

Ansteuerung durch Quarz

Externes Taktsignal

Quarz (12 MHz)

22 pF

22 pF

XTAL1

XTAL2

80535

XTAL1

XTAL2

80535+5V

externesTaktsignal

wichtig: kurze Verbindungsleitungen

sinnvoll: Taktsignal durch vorgeschaltetes

Gatter regenerieren

Taktanschaltung für andere 8051-Varianten

anders als beim AT89C5131 !

27pF

27pF

Quarz (16MHz) AT89C5131 AT89C5131

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Erzeugung des Reset-Signals

Zwei Resetquellen: a) Einschalten der Versorgungsspannung

b) Reset-Taste

Reset-Eingang ist „aktiv-low“ 0 V, mindestens 2 s lang unter High-Pegel

2,2 µF

(intern)

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Spannungsversorgung

Beispiel:

Spannungs-regler 7805+

1uF

+

1uF 100nF

Induktivität(Ferritperle)

KerkoElko

Eingang:8..12 V =

Ausgang:

5 V =

Ferritperle: verhindert Rückwirkungen der Mikrocontrollerschaltung

Versorgungsspannung

+5V einige

mV

Schaltvorgang im 80535

Elko (Elektrolytkondensator): schwächt größere, langsame Schwankungen ab.

Kerko (Keramischer Kondensator): schwächt schnelle Spannungsschwankungen ab.

Schaltvorgang im Mikrocontroller

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Aufbau der I/O Ports

Latch = "D-Flipflop"

= Speicher für ein Port-Bit

D = Daten-Eingang

Q = Speicher-Ausgang

C = Takt-Eingang (Clock)

Zustand von D wird ge-

speichert, wenn Taktsignal

aktiviert C wird.

Port-Latch speichert den Zustand des Port-Bits nach dem Schreiben

gelesen wird entweder - Inhalt des Latch

oder - Zustand des Port-Pin

abhängig Flipflop-Zustand !

C

Q

Q

D

Port-Latch

Schreib-

signal für

das Latch

Interne

Busleitung

Latch-Inhalt lesen

Pin-Zustand lesen

Ausgangs-

treiber

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Schematischer Aufbau von Port 1,3,4 und 5

Prinzip: N-Kanal FET (Feldeffekt-Transistor) mit internem Pull-Up-Widerstand

Schreiben: Datenbit = 0 Q-Ausgang ist 1 Transistor leitet Port-Pin = low

Datenbit = 1 Q-Ausgang ist 0 Transistor sperrt Port-Pin = high

Lesen: Transistor V1 muß sperren, sonst wird immer 0 gelesen

C

Q

Q

D

Port-Latch

Schreib-

signal für

das Latch

Interne

Busleitung

Latch-Inhalt lesen

Pin-Zustand lesen

Port-

pin

UB (5 Volt)

Interner

Pull-up

Widerstand

Feldeffekt

Transistor

(FET)

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Schematischer Aufbau von Port 2

Prinzip: wie Port 1,3,4,5 aber zusätzlich Adreßausgabe (obere 8 Bit der Adresse)

Umschalter: - legt entweder Adresse oder Port-Latch auf den Port-Pin

- Zeitmultiplex: von der Ablaufsteuerung angesteuert (automatisch)

C

Q

Q

D

Port-Latch

Schreib-

signal für

das Latch

Interne

Busleitung

Latch-Inhalt lesen

Pin-Zustand lesen

Port-

pin

UB (5 Volt)

Umschalter

Adress-Bit

1 Inverter

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Schematischer Aufbau von Port 0

Prinzip: „Open-Drain“ Schaltung ( = Drain-Strom fließt nach außen)

wegen zweitem Transistor: auch High-Pegel mit niedrigem Widerstand (hoher Strom)

Zeitmultiplex: Untere 8 Bit der Adresse, Daten oder Zustand des Port-Latch

wichtig: Bei Ausgabe von Latch-Zustand „1“: beide Transistoren sperren

= Pegel am Pin ist undefiniert, muß durch externe Schaltung sichergestellt werden !

C

Q

Q

D

Port-Latch

Schreib-

signal für

das Latch

Interne

Busleitung

Latch-Inhalt lesen

Pin-Zustand lesen

Port-

pin

UB (5 Volt)

Umschalter

Adress-Bit

1

Schalter

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Grenzwerte der Strombelastung

Port 1 - 5: Pull-Up Widerstand ca. 10 kOhm - 40 kOhm

Grenzwert für Strom: IQH = - 80 A ( high-Zustand )

IQL = 1,6 mA ( low-Zustand )

Grenzwert für Spannung: UH = min 2,4 V ( high Zustand )

UL = max 0,45 V ( low-Zustand )

Port 0:

Grenzwert für Strom: IQH = - 400 A ( high-Zustand )

IQL = 3,2 mA ( low-Zustand )

Beispiel: LED direkt an Port anschalten

a) LED muß im low-Zustand des Ports leuchten (höherer Strom)

b) Vorwiderstand muss so groß sein, daß IQL nicht überschritten wird

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