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組込みシステム　講義

組込みシステム　講義. （第３巻）. ３年次後期２単位選択 担当：　玉野　和保. 単元 5 （1/ 26 ）. 第 5 単元　 組込みプロセッサ. 講義の意味と位置づけ 組込みプロセッサのシステムへの応用 マイコンの基本構成 マイコンと組込みプロセッサの構成 PIC のプロセッサ構成 H8 のプロセッサ構成 講義で解説すること 組込みシステムの基本仕様 Harvard 方式とは PIC と H8 の内部基本構成. 講義の意味と位置づけ マイコンの定義 コンピュータと電卓の違い コンピュータの類別 マイコンの類別 講義で解説すること

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組込みシステム　講義

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Presentation Transcript

  1. 組込みシステム　講義 （第３巻） ３年次後期２単位選択 担当：　玉野　和保

  2. 単元5（1/26） 第5単元　組込みプロセッサ • 講義の意味と位置づけ • 組込みプロセッサのシステムへの応用 • マイコンの基本構成 • マイコンと組込みプロセッサの構成 • PICのプロセッサ構成 • H8のプロセッサ構成 • 講義で解説すること • 組込みシステムの基本仕様 • Harvard方式とは • PICとH8の内部基本構成 • 講義の意味と位置づけ • マイコンの定義 • コンピュータと電卓の違い • コンピュータの類別 • マイコンの類別 • 講義で解説すること • マイコンとは何か • マイコンのコンピュータ界での位置づけ

  3. 単元5（2/26） 組込みプロセッサのシステムへの応用 組込みプロセッサ Interface Race-track Network Sensor 通信機能や記憶なども含む 組込みプロセッサ Interface Actuator

  4. 単元5（3/26） マイコンハードウェアシステム • 講義の意味と位置づけ • マイコンシステムのハードウェア構成 • ハードウェアの回路構成 • 割り込みとリアルタイム処理 • 汎用MPUとワンチップマイコン • 講義で解説すること • マイコンシステムの構成 • 割り込みの機能とその処理 • リアルタイム処理のためのハードウェアとソフトウェア • ハードウェア構成で使用される代表的なMPU • I-8086によるコンパクト汎用マイコンボード設計 • H8システム • 講義の意味と位置づけ • マイコンの定義 • コンピュータと電卓の違い • コンピュータの類別 • マイコンの類別 • 講義で解説すること • マイコンとは何か • マイコンのコンピュータ界での位置づけ

  5. 単元5（4/26） マイコンシステムのハードウェア構成 MPU ［Multi System,CPU,etc］ Muti-media Processor Co-Processor ［IntC、DSP、WDTimer］ Interrupt System I/O Controller Memory System ［RAM,SAM,etc］ Memory Management Unit Memory Supporting System Peripheral ［Key,CRT,Sound,etc］ Network Controlling System

  6. 単元5（5/26） Neumann型コンピュータ • Turingのアイデアを機械で実現 • 基本構造 指示で左右移動・停止 無限に長い有限記号テープ Stored Program方式 読み込み 書き込み 逐次処理方式 判読 テープ移動制御 テープ内容変更

  7. 単元5（6/26） Babbegeのアイデア • 計算機の骨格の提案 　　４つの機能：　演算　記憶　入出力　制御　 　　プログラム方式：　当時はパンチカード方式 　　符号化：　　　　　　当時は10進数符号化 • ソフトウェア処理 A. Adaと共同、階差機関の制御プログラムを手がける

  8. 単元5（7/26） マイコンの基本構成 • ４つの要素： 演算、記憶、入出力、制御 • BUS： 要素をつなぐ、母線 • Option： 外部にBUSを解放　　システムの拡張 システムのGlobal化・Open化 • Co-Processor システム高機能化 並列処理Processor

  9. 単元5（8/26） マイコン・MPUの基本構成要素 • CPU：　　　 ALU（Arithmetic Logic Unit） 　　　　　　　　 Register、Status 　　　　　　　 　I/O・Interrupt Controller MMU(Memory Management Unit ) • Memory： ROM、RAM • I/O： • Controller：　Peripheral Controller System Controller

  10. 単元5（9/26） マイコンの基本回路構成

  11. 単元5（10/26） マイコンの基本回路構成

  12. 単元5（11/26） Z80によるマイコン構成（CPU、メモリ付近の回路構成）

  13. 単元5（12/26） Z80によるマイコン構成（I/O付近の回路構成）

  14. 単元5（13/26） 組込みマイコンの構成 • 講義で解説すること • 組込みプロセッサの基本仕様 • 組込みプロセッサの内部構成 • Harvard方式 • PICとH8の内部構成

  15. 単元5（14/26） 組込みプロセッサの基本仕様 • 最小限のメモリ容量 • 可能な限り小さい実装面積 • 低消費電力 • 高い割り込み応答性 • スーパーバイザのリアルタイム性 • 開発、適用規模に適したスーパーバイザ （OS、Monitorなど） • 用途に応じた高い演算能力（RISC性） • 開発性の良さ：　開発環境、言語

  16. 単元5（15/26） 組込みプロセッサの基本構成 CPU Core BUS Accelerator RAM/ROM Option Module 高速内部BUS BUS Bridge 内部周辺BUS Memory Controller DMA Controller Timer Interrupt Controller プロセッサ内部 外部BUS 外部 Memory, Devices

  17. 単元5（16/26） Harvardsystem • 命令と記憶領域を物理的に区分 • （暴走によるプログラム領域の破壊を防ぐ） • 命令領域を意識せず、開発と実行が可能 • 命令は基本的に1クロックで処理＝RISC ※HarvardArchitectureは、1948頃に最初のNeumann型コンピュータ EDVAC以前に完成していたHarvard MarkⅡでNeumann型の一種として採用

  18. 単元5（17/26） ＰＩＣの論理構成と外観

  19. 単元5（18/26） ＰＩＣの外部端子

  20. 単元5（19/26） ＰＩＣのレジスタ

  21. 単元5（20/26） PICの機能別分類

  22. 単元5（21/26） 応用事例２：ロボット制御回路

  23. 単元5（22/26） 応用事例２：ロボット制御回路

  24. 単元5（23/26） 応用事例１：LED点滅制御回路

  25. 単元5（24/26） H8マイコンの機能構成

  26. 単元5（25/26） H8マイコンのハードウェア構成

  27. 単元5（26/26） H8マイコンの応用回路（その２） A/D変換ボード

  28. 謝　辞 第5単元のコンテンツ作成にあたり、授業の効果的進展のため 以下の文献からの写真図表を多大に引用させて頂いた。 厚く感謝申し上げます。 • 　後閑哲也：　たのしくできるPIC電子工作、東京電機大学出版局 • 　阪田史郎、高田広章：　組込みシステム、オーム社出版

  29. 単元6（1/28） 第6単元　CPUコアアーキテクチュア • 講義の意味と位置づけ • ALUは何をするのか • ２進数の加算、乗除算はどのように行われるのか • RISCとは？　CISCとは？ • Condition Code（Status）の種類とその計算処理法 • 講義で解説すること • CPUの中のALUの役割 • ALUの構成（ハードウェア、ソフトウェア構成） • RISCとCISC • ALUの演算機能（加算、乗除算） • 講義の意味と位置づけ • マイコンの定義 • コンピュータと電卓の違い • コンピュータの類別 • マイコンの類別 • 講義で解説すること • マイコンとは何か • マイコンのコンピュータ界での位置づけ

  30. 単元6（2/28） CPUの中のALUの役割 • データの変換：　　　　組み合わせ、順序回路 　　　　　　計算形式：　　Decoding 　　　　　　表形式：　　　 Array Processing • データの短期保存：　Register • データの長期保存：　Memory Bank 　　　　　　Core Memory（RAM、ROM） 外部メモリ（SAM） • Memory Switch:　　メモリ空間でのI/Oで構成 • Flag/Status:　　　　　Registerの一種 　　　　　　　　　　　　　　 単一のFlip/Flopで構成もある

  31. 単元6（3/28） 基本的なALUの構成 • 入力データを制御信号で変換 • 演算結果でシステムに状態（Status）信号を表示

  32. 単元6（4/28） ALUと周辺機能とのハードウェア構成

  33. 単元6（5/28） ALUのソフトウェア構成

  34. 単元6（6/28） ALUの演算機能 • 数値演算 たとえば、加減算（INC、DECを含む）、乗除算 • 論理演算 　　　たとえば、AND、OR、NOT、Flip/Flop制御 • Statusの判定 Statusの発生 Statusを含めた論理・数値演算

  35. 単元6（7/28） 加算操作 A、Bの２入力で 和と桁上げを出力 A、Bと桁上げの３入力で 和と桁上げを出力

  36. 単元6（8/28） 乗除算の計算法

  37. 単元6（9/28） ALUにおける乗算の信号フロー

  38. 単元6(10/28） ALUにおける除算の信号フロー

  39. 単元6（11/28） ＡＬＵのCondition Code処理システムのStatus処理

  40. 単元6（12/28） ALUの事例 命令：３bit Register： 　　　　４bit 　　　　２個

  41. 単元6（13/28） 181ALUの回路ユニット（National Semiconductor DM74181）

  42. 単元6（14/28） DM74181ALUの命令と処理事例

  43. 単元6（15/28） ALUによる周辺回路の制御 • 講義の意味と位置づけ • ALUと周辺装置の関係と制御の流れ • マイクロプログラムによるALUの制御方式 • MPUの内部処理 • 講義で解説すること • ALUと周辺装置のハードウェア構成 • ALUによるレジスタの制御 • マイクロプログラムによる周辺装置の制御 • ALUによる命令の実行 • CPUによる命令の実行例 • MPUの内部処理フロー • 講義の意味と位置づけ • マイコンの定義 • コンピュータと電卓の違い • コンピュータの類別 • マイコンの類別 • 講義で解説すること • マイコンとは何か • マイコンのコンピュータ界での位置づけ

  44. 単元6（16/28） ALUと周辺機能とのハードウェア構成（単元７(4/14)の再掲）

  45. 単元6（17/28） ALUと周辺装置のハードウェア構成

  46. 単元6（18/28） ALUによるレジスタの制御

  47. 単元6（19/28） マイクロプログラムとは • 1951年：Wilks（英：Kenbridge大学）により提案 制御点がm個　　　　　　　　　mbit以上のメモリ１Word 　1 word　の各bit　　　　　　　　制御信号（1：ON、　0:OFF） • マイクロプログラム：マイクロ命令を連ねた集合 対応 対応 マイクロ命令（Micro Instruction） 1960年代後半にIBM 360で使用されて以来、商用で広く使用

  48. 単元6（20/28） RISCとCISC • RISC:ReducedInstruction Set Computer • （1970年代にIBM801で開発、1980年代に登場） • Wired Logicとして演算回路を配線で結合 • 　命令で回路を切り替え、処理 • 1クロックで処理 • 　配線が複雑になるので命令数は限られる • CISC:ComplexInstruction Set Computer • （伝統的な命令セットアーキテクチュア（ISA）を • RISC登場で、対比して複雑（Complex）と称した） • Micro命令でBit操作を繰り返し実行し制御する • 　配線は比較的簡素 • 　命令数は多い　命令の直交性（類推性）が高い • ARM　アーキテクチュアに採用

  49. ハードウェア処理方式 たとえば、　　　１０ 　　　　　　　＋１１ １０１ この計算は、 FullAdder Half Adder 処理が早い、 専用回路使用＝複雑、コスト高 マイクロプログラム処理方式 たとえば、　　　１０ 　　　　　　　＋１１ １０１ この計算は、 ①Step　0+１→１　Carry=0 ②Step　　1+1+0 →0　Carry=1 処理が遅い、 回路が単純＝コスト安、汎用 回路で一括処理 細かな手続きに分解し逐次処理 単元6（21/28） マイクロプログラムの特徴 RISC処理 CISC処理

  50. 単元6（22/28） マイクロ命令の構造 マイクロ命令の構成要素 素（アトム）となる処理をコード化：　Operation Code、 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Instruction 数値 Operation Codeに付随するデータ　　レジスタ　： アドレス Operand 命令 Operation Code Operand 1 Operand 2 ・・・・

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