Embedded Systems 2 07.11.2018
HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 1
Embedded Systems II
© Ulrich Schaarschmidt
FH Düsseldorf, SS 2018
Themen am 07.11.2018: Atmel‘s ATXmega; DARPA
Grand Challenge; RTOS;
Wie kommen die Softwarebitmuster als Strommuster
zum Schrittmotor? ADC / DAC bei XMegas; GPS zur
Navigation.
Bitte beachten Sie auch Ihre Tafel-/Proki-Mitschriften.
ES218-V3
ACHTUNG: Abgabe
Praktikumsvorbereitungen
Im letzten Praktikum haben einige Studierende nicht
einmal ihre Unterlagen während des Praktikums
durchgearbeitet – und statt dessen herumgesessen
und geklönt.
1. Rechtzeitig die nächsten Praktikumsunterlagen
holen!
2. Fragen in den Unterlagen beantworten und zum
Praktikum mitbringen.
3. Gut vorbereitet zum Praktikum gehen!
4. Wenn nicht verfällt der Termin
Nachholtermin, wenn verfügbar… 07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 2
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07.11.2018
Übungsaufgabe 2
Software-Management-Systeme
Recherchieren Sie unterschiedliche (open source bzw. freie) Software-Management-Systeme (auch Versions-Kontroll-Systeme genannt) und versuchen eine Gegenüberstellung der signifikanten Unterscheidungsmerkmale!
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Link-/ Literaturhinweise
http://homepage.hispeed.ch/peterfleury/index.html
https://omerk.github.io/lcdchargen/
http://www.sprut.de/electronic/lcd/
https://www.mikrocontroller.net/articles/HD44780
https://www.sparkfun.com/datasheets/LCD/HD44780.pdf
https://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-GCC-
Tutorial/LCD-Ansteuerung
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Weitere Literaturhinweise
[1] Bolton, William: Bausteine mechatronischer Systeme
3. Aufl. 2004, Pearson Studium (PPT-Folien Kap. 7)
[2] Wiegelmann, Jörg: Softwareentwicklung in C für Mikroprozessoren und Mikrocontroller
(C-Programmierung für Embedded-Systeme)
3. Neu bearb. Und erweit. Aufl. 2004, Hüthig GmbH
[3] Heuer, Stefan; Kern, Thomas: Stanley gegen Hummer
Technology Review, Nr. 11, 2005
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Quellenhinweise
www.ganssle.com (besonders /articles)
www.micrium.com
www.nilsenelektronikk.no (proc RT-Kernel)
Siemers, Christian:
Echtzeit-Design für kleine Mikrocontroller
Mechatronik | Embedded Engineering Jahrg. 112 (2004) 11-12 (Carl
Hanser Verlag)
Contiki - The Operating System for Connecting the Next Billion
Devices - the Internet of Things
http://www.sics.se/contiki/
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Quellenhinweise
Ganssle, Jack G.:
The Art of Programming Embedded Systems
1992,
Ganssle, Jack G.:
The Art of Designing Embedded Systems
2000,
Ganssle, Jack G. (Hrsg.):
Embedded Systems (World Class Designs)
2007, Butterworth Heinemann
www.rtos-uh.de
www.rtos.irt.uni-hannover.de
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 7
Quellenhinweise
LaBrosse, Jean:
Embedded Systems Building Blocks
R&D Books, (ISBN 0-87930-604-1)
Axelson, Jan:
Embedded Ethernet and Internet Complete
ISBN 1-931448-00-0
www.lvr.com
Ganssle, Jack G. (Hrsg.):
The Firmware Handbook
2004, Butterworth Heinemann
www.nbb.cornell.edu/neurobio/land/STUDENTPROJ/2000to2001/
greenblattCOMATOS/ (für ein Minimal-RTOS)
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Weitere Literaturhinweise
[4] Gruber, Robin; Grewe, Jan: Mehr Spaß mit Asuro Band 1
1. Aufl. 2005, AREXX Intelligence Centre
[5] Gruber, Robin; Grewe, Jan : Mehr Spaß mit Asuro Band 2
1. Aufl. 2006, AREXX Intelligence Centre
AN (mit Softwareversionen unter derselben AN gezipt):
AVR1001: Getting Started With the XMEGA Event System
AVR1003: Using the XMEGA™ Clock System
AVR1005: Getting started with XMEGA
AVR1305: XMEGA Interrupts and the Programmable Multi-level
Interrupt Controller
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Links zu GPS
www.kh-gps.de
http://kanadier.gps-info.de/a-gpsseite.htm
www.kowoma.de/gps
www.quantenwelt.de/technik/GPS/
www.explorermagazin.de/gps/gps.htm
http://rover.wiesbaden.netsurf.de/~hirschgps/gpsrx.htm
www.landscaper.de/GPS_Navigation/GPS_Grundprinzip/gps_grundprinzip.html
www.gpskabel.de/info/gps.htm
http://ivvgeo.uni-muenster.deVorlesung/GPS_Script/Start.html
www.nmea.org/pub/0183/index.html
www.nmea.de/nmea0183datensaetze.html
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Xmega - Blockschaltbild
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Xmega - Eventrouting
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Xmega – Event-Netzwerk
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Event-Routing Network
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XMEGA PMIC – Programmable Multi-
Level Interrupt Controller
Was wir geboten?
3 Interrupt – Levels,
Round-Robin-Abfrage für niedrig priorisierte
Interrupt-Levels,
Programmierbare Priorität für niedrig
priorisierte Interrupts.
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XMEGA PMIC – Programmable Multi-
Level Interrupt Controller
Warum Interrupts?
Priorisierung verschiedener Aufgaben,
Reduzierung der Stromaufnahme einer
MCU, so, dass die MCU im LowPower Modus
bleibt, bis ein hierfür vorgesehener Interrupt
sie „aufweckt“,
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XMEGA PMIC – Programmable Multi-
Level Interrupt Controller
Wie kommt es zum Interrupt?
Die Bedingung zum Setzen eines Interrupt-Flags
ist erfüllt; z.B. Ein Zähler ist übergelaufen oder
auf Null gekommen; ein Pin hat einen
Pegelwechsel, der überwacht wird;
Der zugehörige Interrupt im Modul ist erlaubt,
Die Interrupt-Priorität (Interrupt-Level)ist im
Interrupt-Controller erlaubt (enabled);
In der CPU sind globale Interrupts erlaubt;
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DARPA Grand Challenge
Die DARPA Grand Challenge war ein von der
Technologieabteilung Defense Advanced
Research Projects Agency des US-
amerikanischen Verteidigungsministeriums
gesponserter Wettbewerb für unbemannte
Landfahrzeuge. Mit der Ausschreibung des
Preises sollte die Entwicklung vollkommen
autonom fahrender Fahrzeuge vorangetrieben
werden. Der Wettbewerb wurde 2007 letztmals
ausgetragen.
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 18
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DARPA Grand Challenge No.1
Die erste Grand Challenge fand am 13. März 2004
im kalifornischen Barstow statt. Die Route hätte durch
die Mojave-Wüste nach Primm unmittelbar hinter der
Grenze zu Nevada führen sollen. Die DARPA setzte eine
Million US-Dollar als Preisgeld für dasjenige Fahrzeug aus,
das als erstes den 150 Meilen (241,4 km) langen Kurs
parallel zum Interstate 15 innerhalb von zehn Stunden
absolviert. Obwohl sich mehr als 100 Teams für den Start
registrierten, gelang es keinem Team, den Kurs
erfolgreic zu absolvieren. Das erfolgreichste Fahrzeug
konnte lediglich 7,4 Meilen (11,9 km) zurücklegen, was
weniger als 5 % der gesamten Strecke ausmacht.
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DARPA Grand Challenge No.2
Die zweite Grand Challenge fand vom 8. bis zum 9. Oktober
2005 ebenfalls in der Mojave-Wüste im US-Bundesstaat
Nevada statt, Start und Ziel waren in Primm. Das von der
DARPA gestiftete Preisgeld wurde auf zwei Millionen Dollar
verdoppelt. Für die Teilnahme registrierten sich 195 Teams
aus 36 US-Bundesstaaten und vier weiteren Ländern. Dabei
absolvierten fünf Teams die komplette Strecke von 132,2
Meilen (212,76 km), davon vier Teams innerhalb der
maximalen Zeit von zehn Stunden. Sieger des Rennens war
das von Sebastian Thrun geleitete Team der Stanford
University mit dem modifizierten VW Touareg „Stanley“, der
die Strecke in 6 Stunden, 53 Minuten und 58 Sekunden
bewältigte. 07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 20
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DARPA Grand Challenge
No.3a
Die dritte Grand Challenge fand am 3. November 2007 statt.
Im Unterschied zu den beiden vorherigen Rennen, bei
denen ein Parcours im weitgehend offenen Gelände quer
durch die Wüste absolviert werden musste, fand das dritte
Rennen in bebautem Gebiet einer verlassenen Kaserne des
ehemaligen Air-Force-Stützpunktes George Air Force
Base am Rande des kalifornischen Victorville statt. Hierbei
stand nicht mehr allein das autonome Navigieren im
Vordergrund. Da sich hier alle autonomen Fahrzeuge sowie
zusätzliche, von Menschen gesteuerten Autos, im
Stadtverkehr befanden, mussten hier auch die normalen
Vorfahrtsregeln beachtet werden.
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DARPA Grand Challenge
No.3b
Für das Team, das als erstes einen 60 Meilen
langen und in drei Missionen unterteilten
Parcours innerhalb von weniger als 6 Stunden
absolviert, wurde von der DARPA ein Preisgeld
von insgesamt 3,5 Millionen US-Dollar
ausgeschrieben. Die drei ersten Teams, die das
Ziel in kürzester Zeit erreichen und die wenigsten
Abzüge wegen Regelverletzungen vorzuweisen
haben, erhalten 2 Millionen, 1 Million bzw.
500.000 US-Dollar.
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DARPA Grand Challenge
No.3c
Die DARPA Urban Challenge 2007 hat das Team
Tartan Racing gewonnen, auf den zweiten Platz
kommt das Stanford Racing Team und auf den
dritten Platz das Team VictorTango. Die
deutschen Finalteilnehmer Team AnnieWay (Uni
Karlsruhe) und CarOLO (TU Braunschweig)
schieden im Verlauf des Rennens aufgrund
technischer Schwierigkeiten (AnnieWay:
vermutlich Rechnerfehler; CarOLO: Verbogene
Sensorik nach Kollision mit dem Team MIT) aus.
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DARPA Grand Challenge
[3]
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DARPA Grand Challenge
[3] 07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 25
DARPA Grand Challenge
[3] 07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 26
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Deutsches Team 2007
aus Süddeutschland
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Deutsches Team (Caroline)
aus Braunschweig (TU BS)
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Deutsches Team 2007 aus
Berlin (FU Berlin)
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 29
Warum ein
Betriebssystem?
Definierte Schnittstellen der
Anwenderprogramme zur Hardware und
zum Benutzer-Interface;
Der Scheduler des Betriebssystems
ermöglicht Multitasking- und
Multiuserbetrieb;
Die Treiber für alle Hardware-Geräte-/
Module sind implementiert;
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SYSTEMDIENSTE
Betriebsmittelzuweisung: Speicher, CPU, Drucker, Tastatur, etc.
Speicher-Management: Zuteilung von Hauptspeicher an die
Tasks, ggf. Auslagerung momentan nicht benötigter
Speicherbereiche, evtl. Garbage Collection;
I/O-Zugriff
Verwaltung der Ablaufeinheiten (Tasks) Einrichten und löschen,
Prioritätenvergabe, Zeitvergabe.
Kooperation der Tasks untereinander (Intertask-kommunikation)
über Messages, Semaphoren, Events;
Netzwerkdienste;
Zeitsteuerung;
Interruptsteuerung;
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Task
Einzelner Auftrag für einen Rechner,
Z.B. Druckerspooler, eMail-Client,
Tatstatureingabe, Bildschirmausgabe,
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Task-Parameter-Block
Speicherbereich, in dem die wichtigen
Daten für die (Weiter-) Arbeit einer Task
gespeichert und immer aktualisiert
werden.
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Timer / Timeschedule
Zentraler Zeittakt für alle Tasks,
Abgeleitete Zeiten für, individuelle Zeiten
für Tasks (mit Zählfunktion),
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Wieso nützt ein RTOS (Real
Time Operating System)?
Kleinere, überschaubare Programmodule,
Interrupt-orientiert,
Setzt auf getesteten Treiber-Routinen auf,
Nutzt Kommunikationsmechanismen des OS,
ermöglicht einen einfacheren Test neuer
Programmodule (Tasks),
Managt das Zusammenspiel der Tasks,
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Steuerung der Tasks
(Zustandsübergänge)
07.11.2018
Preemtiv: Rechnenede Task kann von anderen Tasks
verdrängt werden. Eine nicht preemptive Task kann nur
freiwillig (durch Vertagung) die CPU freigeben.
Prioritätsgesteuert: Verdrängung der rechnenden Task
Erfolgt aufgrund höherer Priorität einer wartenden Task.
Zeitscheibengesteuert: Jede Task erhält eine
bestimmte Rechenzeit, nach der sie von der nächsten
wartenden Task verdrängt wird (evtl. in Kombination mit
Prioritätssteuerung).
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Task-Zustandssteuerung
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Was ist Realzeit (RealTime)?
HARD-RealTime
Die für die Aufgabenstellung
geforderte Zeitschranke
darf unter keinen
Umständen überschritten
werden! Ansonsten ist
das Gerät unbrauchbar.
ABS, Airbag, lebenswichtige
Medizintechnik.
SOFT-RealTime
Eine Zeitschranke ist zwar
vorgesehen, muss aber
nicht zwanghaft
eingehalten werden.
Videorekorder, MP3Player,
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RTOS Begriffe
Subsumtion
Beschreibt die Art und Weise, wie zwischen mehreren Ebenen bedingter Verhalten entschieden wird.
Bei der Subsubtionsarchitektur werden die Verhalten bei der Entwicklung des Steuerungssystems so definiert, dass niederwertigere Verhalten bei Auslösen von höherwertigen Verhalten deaktiviert werden.
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07.11.2018
RTOS Begriffe
Arbitration
Ist der Vorgang, der darüber entscheidet,
welches Verhalten vorrang hat, wenn
mehrere sich gegenseitig ausschliessende
Verhalten ausgelöst werden.
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07.11.2018
RTOS Begriffe
Preemtives System
BS, die ihre Tasks aktiv verdrängen
können.
Ressourcenverteilung durch das BS.
Zeitverhalten gut abschätzbar, da
deterministisches Verhalten.
U.G. Schaarschmidt, HS - D 41
07.11.2018
RTOS Begriffe
Non-Preemtives System
Systeme, die Tasks nicht selbst „verdrängen“ können, sondern darauf angewiesen sind, dass sich die Tasks selbst in den „wartenden“ Zustand begeben.
Die Tasks müssen „kooperativ“ sein.
„Einfache“ Ressourcenverteilung durch das BS, da kooperatives System:
Durch eine Blockade (nicht terminierende Berechnung) einer Task wird das gesamte System lahmgelegt.
U.G. Schaarschmidt, HS - D 42
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Xmega ADC –
Voraussetzungen / Hilfen
Atmel AVR XMEGA – Basics Hands-On
AVR1300 - Using the XMEGA ADC
AVR1505 – Application Note:
XMEGA training – ADC
XMEGA – ADC Introduction.pdf - XMEGA
Training: Analog to Digital Converter (ADC)
AVR1302: Using the XMEGA Analog
Comparator
AVR1301: Using the XMEGA DAC
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 43
07.11.2018
Features
12 bit, 2Msps ADC
Single or continuous conversion modes
8 or 12 bits accuracy SW selectable
- 8 bit result has 2.5 us propagation delay
- 12 bit result has 3.5 us propagation delay
Connected to Event System
Connected to DMA Controller
Built-in gain calibration
Internal and External reference voltages
Interrupt/event on compare result
Interrupt if lower or equal
Interrupt if higher or equal
Interrupt/event on conversion complete
XMEGA Analog to Digital - Converter
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Die ADC - Kanäle und ihr
Pipelining
07.11.2018
[XMEGA – ADC Introduction]
U.G. Schaarschmidt, HS - D 45
XMEGA ADC – pipelining 4
virtual channels
07.11.2018
4 virtual ADC channels
8 – 12 external single-ended channels per ADC
8 x 4 external differential channels per ADC
4 internal channels
VCC, Band gap, Temperature, DAC output
1x, 2x, 4x, 8x, 16x, 32x or 64x gain
Synchronous sampling in dual ADC devices
U.G. Schaarschmidt, HS - D 46
Embedded Systems 2 07.11.2018
HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 24
XMEGA ADC – pipelining 4
virtual channels (1/3)
07.11.2018
[AVR1300]
U.G. Schaarschmidt, HS - D 47
XMEGA ADC – pipelining 4
virtual channels (2/3)
07.11.2018
[AVR1300]
U.G. Schaarschmidt, HS - D 48
Embedded Systems 2 07.11.2018
HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 25
XMEGA ADC – pipelining 4
virtual channels (3/3)
07.11.2018
[AVR1300]
U.G. Schaarschmidt, HS - D 49
Signed or unsigned?
07.11.2018
[AVR1300]
U.G. Schaarschmidt, HS - D 50
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Multiplexer - Settings
Differential Input
Differential Input with Gain Stage
Single-ended Input
Internal Input
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 51
Kommentar zum
Schrittmuster in Stepper.c
255- vor den jeweiligen Werten in den Klammern (2 Nibble, je Motor eines) bedeutet Negation des Klammerinhalts. Die *16 nach jedem 2. Nibbel soll heissen, dass dieses Nibble 4-fach nach links geschiftet wird.
Beispiel:
255-(5+5*16), 255-(9+6*16), 255-(10+10*16),255-(6+9*16) entsprechen binär:
Inv(0101 0101 1001 0110 1010 1010 0110 1001)
= (1010 1010 0110 1001 0101 0101 1001 0110)
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Aatis-Schrittmotor
Wicklungswiderstand 100 Ohm,
2 Phasen- unipolarer Schrittmotor
Schrittwinkel (Vollschritt) 7,5 Grad,
Motorspannung 18V;
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 53
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 54
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HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 28
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 55
Schrittmotor - Prinzip
[1]
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 56
Embedded Systems 2 07.11.2018
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Feinschritte
[1]
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 57
Leistungskurve
Schrittmotor
[1]
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 58
Embedded Systems 2 07.11.2018
HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 30
Bipolarer SM
[1]
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 59
H-Schaltung für Bipolaren SM
[1]
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 60
Embedded Systems 2 07.11.2018
HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 31
Unipolarer SM
[1]
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 61
Schrittmotor - Prinzip
[1]
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 62
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HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 32
Ansteuerung für 4 – Phasen
Schrittmotor
[1]
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 63
Die GPS-Engine EM-401
Die Serielle Schnittstelle arbeitet mit TTL-Pegeln, kann ohne V.24-Pegelanpassung mit der ser. Schnittstelle z.B. des Butterfly (Atmel Eval_Board mit ATmega168) verbunden werden.
Das verwendete Protokoll ist NMEA0183.
Der Datentransfer geschieht mit 4.800 bit/s; 1 Byte (Dateneinheit); 1 Stoppbit; Kein Paritybit.
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 64
Embedded Systems 2 07.11.2018
HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 33
Zusammenschaltung von
GPS-Modul und Butterfly
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 65
Übungsaufgabe 2 (aus
Vorlesung 3)
Was unterscheidet das Event-System vom Interrupt-System der Xmega-Familie?
07.11.2018 U.G. Schaarschmidt, HS - D 66
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