Vorlesung SS07 1 - TU Graz

MIKROPROZESSORMIKROPROZESSORPROGRAMMIERUNGPROGRAMMIERUNG

VORLESUNGVORLESUNG

LVLV--Nr. 439.026Nr. 439.026SS2007SS2007

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HINTERBERGER M. 2007

BIT

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HINTERBERGER M. 2007 INSTITUT FÜR ELEKTRONIK

VORTRAGENDER: MICHAEL HINTERBERGER

EMAIL: [email protected]

Telefon: 0316 / 873 – 8036

TECHNISCHE UNIVERSITÄT GRAZ4390 Institut für Elektronik8010 Graz, Inffeldgasse 12 Zimmer: HF-EG124 Erdgeschoss

Sprechstunde: Nach Vereinbarung

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PRÜFUNGPRÜFUNG

Mittwoch 20.06.2007Mittwoch 20.06.2007Ort: HS i2 Ort: HS i2 Zeit: 8.30 Zeit: 8.30 –– 10.00 Uhr10.00 UhrModus: schriftlichModus: schriftlichweitere Termine auf Anfrage weitere Termine auf Anfrage

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LABORÜBUNGLABORÜBUNG

Anmeldung im Anmeldung im TUGTUG--OnlineOnlineÜbungsleiter: Übungsleiter: NöhammerNöhammer StefanStefanTermine: nach PfingstenTermine: nach Pfingsten(Zeitraum 30.Mai bis 6. Juni)(Zeitraum 30.Mai bis 6. Juni)Gruppe besteht aus Gruppe besteht aus 22--3 Personen pro Arbeitsplatz3 Personen pro ArbeitsplatzGruppenlisteGruppenlisteAnmeldung bis 23.04.2007Anmeldung bis 23.04.2007Zeitdauer: 8.30 Zeitdauer: 8.30 –– 18.00 Uhr18.00 UhrÜbungsinhalt: Praktisches Übungsinhalt: Praktisches Programmieren mit einem Programmieren mit einem Mikrocontrollersystem Mikrocontrollersystem (Schrittmotoransteuerung)(Schrittmotoransteuerung)

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ZIELE DER LEHRVERANSTALTUNGZIELE DER LEHRVERANSTALTUNG

Entwicklungen in der HalbleitertechnikEntwicklungen in der HalbleitertechnikGrundkenntnisse über Mikroprozessoren/MikrocontrollerGrundkenntnisse über Mikroprozessoren/MikrocontrollerVermittlung von Kenntnissen über Mikrocontroller in der industriVermittlung von Kenntnissen über Mikrocontroller in der industriellen ellen ElektronikElektronik„„EmbeddedEmbedded Systems“ Systems“ -- Auswahlkriterium für Mikrocontrollersysteme Auswahlkriterium für Mikrocontrollersysteme Prozessor Klassifikation 8Prozessor Klassifikation 8--Bit / 16Bit / 16--Bit / 32Bit ProzessorenBit / 32Bit Prozessoren

DSP / FPGA / ASICDSP / FPGA / ASICGrundlagen über Bussysteme und Kommunikation mit analogen Grundlagen über Bussysteme und Kommunikation mit analogen SchaltkreisenSchaltkreisenSoftwareentwicklung mit C für „Softwareentwicklung mit C für „EmbeddedEmbedded Systems“Systems“Verstehen von praktischen Applikationsbeispielen (C167)Verstehen von praktischen Applikationsbeispielen (C167)Qualitative Softwareentwicklung Qualitative Softwareentwicklung –– Fehlerquellen beim SoftwaredesignFehlerquellen beim Softwaredesign

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LITERATUR und LITERATUR und INFOsINFOsEmpfohlene FACHBÜCHER:Empfohlene FACHBÜCHER:

Taschenbuch Mikroprozessortechnik Taschenbuch Mikroprozessortechnik Fachbuchverlag Leipzig, 3. AuflageFachbuchverlag Leipzig, 3. AuflageISBN 3ISBN 3--446446--2207222072--00

Handbuch des 80C166 Handbuch des 80C166 1.Auflage Reiner Johannis 1.Auflage Reiner Johannis ISBN 3ISBN 3--80098009--42034203--88

C für Mikrocontroller C für Mikrocontroller 2. Auflage Franzis, Burkhard Mann 2. Auflage Franzis, Burkhard Mann ISBN 3ISBN 3--77237723--41564156--XX

Das 80C166er LehrbuchDas 80C166er Lehrbuch1. Auflage Karl Heinz 1. Auflage Karl Heinz DomnickDomnick, , ElektorElektor--VerlagVerlag, ISBN 3, ISBN 3--8957689576--088088--99

Mikrocontroller Mikrocontroller ExperimentierhandbuchExperimentierhandbuchFranzis Verlag, Meinrad GoetzFranzis Verlag, Meinrad GoetzISBN 3ISBN 3--77237723--50055005--44

HOMEPAGEHOMEPAGEhttp://www.ife.tugraz.athttp://www.ife.tugraz.at

→→ MikroprozessorMikroprozessor--ProgrammierungProgrammierung

VorlesungsfolienVorlesungsfolienLaborunterlagen/LaboreinteilungLaborunterlagen/LaboreinteilungDemoDemo--SoftwareSoftware→→ Keil Keil DevelopmentDevelopment Tool Tool µµVision3Vision3ManualsManualsDatenblDatenbläättertterApplikationsnotenApplikationsnotenVideosVideosu.v.mu.v.m..

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Gliederung der Lehrveranstaltung Gliederung der Lehrveranstaltung Teil1Teil1Einführung und MotivationEinführung und Motivation

–– Der Einsatz von MikroprozessorenDer Einsatz von Mikroprozessoren–– Mikroprozessoren/Mikrocontroller HerstellerüberblickMikroprozessoren/Mikrocontroller Herstellerüberblick–– Historische EntwicklungHistorische Entwicklung–– Ein Chip entsteht … VideoEin Chip entsteht … Video–– Entwicklung der Intel ProzessorenEntwicklung der Intel Prozessoren–– Vorführung bzw. Demonstration diverser MikrocontrollerVorführung bzw. Demonstration diverser Mikrocontroller-- StarterKitsStarterKits

Grundlagen der MikroprozessortechnikGrundlagen der Mikroprozessortechnik–– BegriffsdefinitionenBegriffsdefinitionen–– Central Central ProcessingProcessing Unit (CPU), Register, ArithmetischUnit (CPU), Register, Arithmetisch--logische Einheit (ALU), Flags, Steuerwerk …logische Einheit (ALU), Flags, Steuerwerk …–– Systembus, Adressbus, Datenbus, Steuerbus …Systembus, Adressbus, Datenbus, Steuerbus …–– Wartezyklen, Zeitmultiplexe BussignaleWartezyklen, Zeitmultiplexe Bussignale–– Mikrocontrollerarchitekturen (VonMikrocontrollerarchitekturen (Von-- Neumann Architektur, Harvard Architektur)Neumann Architektur, Harvard Architektur)–– MaschinenbefehleMaschinenbefehle–– Ablauf der BefehlsabarbeitungAblauf der Befehlsabarbeitung–– BefehlsBefehls--PipelinePipeline–– AdressierungsartenAdressierungsarten

Mikrocomputersysteme auf einem Chip Mikrocomputersysteme auf einem Chip →→ MikrocontrollerMikrocontroller–– BegriffsdefinitionenBegriffsdefinitionen–– CISCCISC-- und RISC und RISC CoresCores–– BusinterfacesBusinterfaces

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Gliederung der Lehrveranstaltung Gliederung der Lehrveranstaltung Teil2Teil2

Digitale Signalprozessoren DSPDigitale Signalprozessoren DSP–– BegriffsdefinitionenBegriffsdefinitionen–– GegenGegenüüberstellung DSP berstellung DSP -- µµC C –– Konvergente ProzessorenKonvergente Prozessoren

EmbeddedEmbedded Systems Systems -- Auswahlkriterien fAuswahlkriterien füür Mikroprozessoren/Mikrocontrollerr Mikroprozessoren/Mikrocontroller–– Preis/Leistung (niedrige Gesamtkosten Preis/Leistung (niedrige Gesamtkosten ↔↔ hohe Rechenleistung)hohe Rechenleistung)–– EntwicklungsumgebungEntwicklungsumgebung–– „„Time to MarketTime to Market““–– EnergieverbrauchEnergieverbrauch–– PlatzbedarfPlatzbedarf–– ........

Speicherorganisation und Halbleiterspeicher Speicherorganisation und Halbleiterspeicher –– ROMROM–– PROM/OTP (One Time PROM/OTP (One Time ProgrammableProgrammable))–– EPROM (EPROM (ErasableErasable ProgrammableProgrammable ROM)ROM)–– EEPROM ( EEPROM ( ElectricallyElectrically EPROM)EPROM)–– Flash SpeicherFlash Speicher–– SRAM (Statischer RAM)SRAM (Statischer RAM)–– DRAM (Dynamischer RAM)DRAM (Dynamischer RAM)–– ……

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Gliederung der Lehrveranstaltung Gliederung der Lehrveranstaltung Teil3Teil3Periphere SystemkomponentenPeriphere Systemkomponenten

–– Interrupt SystemInterrupt System–– Externer BusExterner Bus–– Parallele PortsParallele Ports–– Serielle PortsSerielle Ports–– Timer Timer –– Einheit (GPT)Einheit (GPT)–– CaptureCapture//CompareCompare Einheit (CAPCOM)Einheit (CAPCOM)–– Analog/Digital UmsetzerAnalog/Digital Umsetzer–– Digital/Analog UmsetzerDigital/Analog Umsetzer–– PWM ModulePWM Module–– Reset Reset –– WatchdogWatchdog–– StromsparmodiStromsparmodi

BussystemeBussysteme–– CAN BusCAN Bus–– II²²C BUSC BUS–– USB BusUSB Bus–– ……..

EinfEinfüührung in die hrung in die „„embeddedembedded““ CC--ProgrammierungProgrammierung–– Aufbau und Struktur eines C ProgrammsAufbau und Struktur eines C Programms–– Assembler/LinkerAssembler/Linker–– CC--Compiler fCompiler füür Mikrocontrollerr Mikrocontroller–– Programmentwicklung und Debugging/SimulationProgrammentwicklung und Debugging/Simulation

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Gliederung der Lehrveranstaltung Gliederung der Lehrveranstaltung Teil4Teil4

Detaillierte Analyse eine 16Detaillierte Analyse eine 16--Bit Mikrocontrollers Bit Mikrocontrollers –– SABSAB--C16x Mikrocontroller der Firma C16x Mikrocontroller der Firma InfineonInfineon

Demonstration mehrerer Applikationsbeispiele auf einem realen MiDemonstration mehrerer Applikationsbeispiele auf einem realen Mikrocontrollersystem (C167)krocontrollersystem (C167)–– Datenausgabe auf serielle Schnittstelle RS232Datenausgabe auf serielle Schnittstelle RS232–– TemperaturmessungTemperaturmessung–– PeriodendauermessungPeriodendauermessung–– PMW PMW –– Multiplexen von 7Multiplexen von 7--SegementSegement--AnzeigenAnzeigen–– Software für eine statusorientierte MaschineSoftware für eine statusorientierte Maschine–– ….….

SoftwareentwicklungSoftwareentwicklung–– SoftwareSoftware--EngineeringEngineering–– Software für Software für EmbeddedEmbedded SystemsSystems–– Programmiersprachen für Programmiersprachen für EmbeddedEmbedded SystemsSystems–– Programmierstil Programmierstil ↔↔ Programmentwurf/Programmentwurf/--designdesign–– Fehlerquellen bei der SoftwareentwicklungFehlerquellen bei der Softwareentwicklung

EntwicklungstrendsEntwicklungstrends

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Der Einsatz von MikroprozessorenDer Einsatz von MikroprozessorenLeistungsstarke Großrechner

Mobile Systeme mit sehr geringem Energieverbrauch

Drahtlose Kommunikation

Globale Vernetzung

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Der Einsatz von MikroprozessorenDer Einsatz von Mikroprozessoren

FAHRZEUGSIMULATIONFAHRZEUGSICHERHEIT

MOTORSTEUERUNGSTEUERGERÄTEFAHRZEUGTELEMATIK

PARKASSISTENTENSICHERHEITSASSISTENTENCRASH-TESTS

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Der Einsatz von MikroprozessorenDer Einsatz von Mikroprozessoren•UNTERHALTUNGSELEKTRONIK

•INTERNET APPLIKATIONEN

•VIDEOSPIEL- KONSOLEN

•MESSTECHNIK

•DIGITALKAMERAS

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MEDIZINTECHNIK

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INDUSTRIEELEKTRONIKENERGIEGEWINNUNGVOLLAUTOMATISCHE HEIZANLAGENLANDWIRTSCHAFT

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µP/µC HerstellerüberblickµP/µC Herstellerüberblick

8-BIT / 16-BIT / 32-BIT / 64-BIT

Digitale Signalprozessoren

WELCHER HERSTELLER ?WELCHER µP/µC ?

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HISTORISCHE ENTWICKLUNGHISTORISCHE ENTWICKLUNG

1945

Erste Schritte ….

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HISTORISCHE ENTWICKLUNGHISTORISCHE ENTWICKLUNG

1954

19791985

1965

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HISTORISCHE ENTWICKLUNGHISTORISCHE ENTWICKLUNGBeispiele für die Markteinführung von Mikroprozessoren bis 1985

Transputer … für Einsatz bei leistungsfähigen Mehrprozessorsystemen

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HISTORISCHE ENTWICKLUNGHISTORISCHE ENTWICKLUNGSTAMMBAUM DER µP/µC/DSP Entwicklung

MP … Mikroprozessor

MC … Mikrocontroller

DSP … Digitaler Signalprozessor

RISC … Reduced Instruction Set Computer

CISC … Complex Instruction Set Computer

Superskalartechnik … Nutzung der parallelen Befehlsausführung

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Entwicklung der HalbleitertechnikEntwicklung der Halbleitertechnik

LOGIKFUNKTIONEN

ARITHMETISCHE FUNKTIONEN

CORE

CHIP

SYSTEM

ZEIT

INTE

GR

ATI

ON

SG

RA

D

TRANSISTORTECHNOLOGIE LOGIKBLÖCKE ARCHITEKTUR

OPTIMIERUNGASIC/FPGA SYSTEM-ON-CHIP

Integration der letzten Jahrzehnte

ASIC ….Application Specific Integrated CircuitFPGA …. Field Programmable Gate Array

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Ein Chip entsteht …Ein Chip entsteht …

VIDEO

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Die Entwicklung der Intel ProzessorenDie Entwicklung der Intel Prozessoren4 Bit Generation (1970-1972)

8 Bit Generation (1972-1978)Intel 4004 (15. November 1971)

Intel 8080 (1. April 1974) (2-3.125 MHz)

•4 KByte Adressraum (12 Bit)•740 kHz Taktfrequenz •60.000 4 Bit Instruktionen pro Sekunde)•2250 Transistoren•Insgesamt 46 Befehle

-64 Kilobyte Adressraum-6000 Transistoren -56 Befehle - 2.5 MHz erreichte 290.000 Befehle pro Sekunde

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16 Bit Generation (1978-1985) Die Entwicklung der Intel ProzessorenDie Entwicklung der Intel Prozessoren

80286 (1.2.1982) (6-20 MHz)

Intel 8086 (8.6.1978) (4-12 MHz)

-Taktfrequenz 4-12MHz-29000 Transistoren-leistet 800000 Instruktionen/sec -Adressraum 1 MB (Aufteilung auf 64KByte Fenster)

80186 (1981)

-Taktfrequenz 20 MHz -800.000 Befehle pro Sekunden-Interrupt Controller-DMA Controller

-Adressraum auf durchgehende 16 MB-Taktfrequenz 6-20MHz-134.000 Transistoren-1.6 Millionen Instruktionen bei 6 MHz

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Die Entwicklung der Intel ProzessorenDie Entwicklung der Intel Prozessoren

80386 (17. Oktober 1985) (16-33 MHz)80486 (10. April 1989, 25-100 MHz)

Pentium (22. März 1993) (60-233 MHz)

32 Bit Generation (1985-200x)

-Taktfrequenz 16-33 MHz-275000 Transistoren-6 MIPS-386er war erster 32 Bit Prozessor von Intel-Adressraum 4GB

-Taktfrequenz 25-100 MHz-1.2 Millionen Transistoren-20 MIPS-fünfstufige Pipeline -Erweiterung von Cache, der seit dem 386 notwendig war. 8 KByte waren auf dem Prozessor integriert-Coprozessor integriert

-Taktfrequenz 60 MHz - 233 MHz -100 MIPS-3.2 Millionen Transistoren-4.5 Millionen beim Pentium MMX-Datenbus wurde von 32 auf 64 Bit-Cache 16 KByte

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Pentium III (1999)

Pentium 4 (November 2000)

Die Entwicklung der Intel ProzessorenDie Entwicklung der Intel Prozessoren

Pentium II (7. Mai 1997)

32 Bit Generation (1985-200x)

-Taktfrequenz: 233-450 MHz-7.5 Millionen Transistoren (ohne Cache, 0.25 µm Prozess) -466 MIPS

-Taktfrequenz bis 1.2 GHz -1000 MIPS-Transistorzahl 9.5 Millionen

-Taktfrequenz > 1400 MHz-42 Millionen Transistoren-Cache bis 1 MByte - ca. 4200 MIPS

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Moore‘sMoore‘s Gesetz Gesetz

Moore`s Gesetz, in den 60er-Jahren desvorigen Jahrhunderts von Ex-Intel-Chef Gordon Mooreaufgestellte Behauptung: "Die Leistung von Computerchipsverdoppelt sich etwa alle 18-24 Monate." Tatsächlich hat dasGesetz bis heute Gültigkeit und Experten gehen davon aus,daß sich Moore`s Lawnoch bis mindestens 2015 bestätigen wird

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MikrocontrollerMikrocontroller-- StarterKitsStarterKits

Vorlesung SS07 1 - TU Graz

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