Systemy wbudowane

Systemy wbudowane Wykład nr 4: Mikrokontrolery - wprowadzenie Piotr Bilski

Definicja mikrokontrolera • Jest to specjalizowany układ cyfrowy z dedykowanym procesorem, który spełnia dwa kryteria: • Jest zdolny do autonomiczne pracy • Jest stosowany w systemach pomiarowo-kontrolnych • Inna nazwa: komputer jednopłytkowy • Posiada zmodyfikowaną architekturę względem komputera ogólnego przeznaczenia

Schemat mikrokontrolera Rezonator kwarcowy Jednostka centralna (CPU) Zegar reset Pamięć programu Wewnętrzna szyna adresowa Wewnętrzna szyna danych zasilanie Pamięć danych sygnały wejściowe Układy wejścia/wyjścia sygnały wyjściowe

Architektura Harvard • Modyfikacja architektury von Neumanna • Wydzielona oddzielna pamięć na dane i na program • Eliminacja konfliktów przy dostępie do pamięci operacyjnej • Jednoczesny dostęp do danych i do rozkazów zwiększa efektywność programu • Zastosowanie: mikrokontrolery, procesory sygnałowe (DSP)

Schemat architektury typu Harvard • Dane programu często są w pamięci EPROM • Dane tymczasowe przechowywane są w pamięci RAM

Elementy mikrokontrolera • Jednostka centralna (synchroniczny układ sekwencyjny, sterowany zegarem) • Układy wejścia/wyjścia • Porty • Przetworniki A/C i C/A • Liczniki (timers) • Pamięć wewnętrzna i zewnętrzna (RAM, ROM, flash)

Jednostka centralna mikrokontrolera Układ sterujący Szyna sygnałów sterowania Sygnały stanu Wewnętrzna szyna danych Układ wykonawczy Wewnętrzna szyna adresowa

Ogólna architektura mikrokontrolera Wewnętrzna pamięć programu Wewnętrzna pamięć danych Bufor szyny danych Wewnętrzna szyna danych Rejestr przejściowy Rejestr wskaźników Rejestr rozkazów Rejestry R0-Rn Wskaźnik stosu Licznik prog. Rejestr adr. Układ we/wy Układy peryferyjne Rejestry specjalne Dekoder rozkazów Układ sterowania Akumulator ALU Zegar Bufor adresowy We/wy Szyna sterowania Układ zasilania

Układ wykonawczy • Elementy składowe: • Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) • Akumulator • Rejestr przejściowy (tymczasowy) • Rejestr wskaźników (flagi) • Rejestr przesuwny (na wyjściu) • Jednostka zmiennoprzecinkowa (opcjonalnie)

Rejestr wskaźników (8051) • C – przeniesienie • AC – przeniesienie pomocnicze • V – nadmiar • N – znak • Z – zero • P – parzystość (inne mikrokontrolery) C AC V N Z

Rejestry mikrokontrolera • Rejestry robocze • Akumulator (pierwszy argument ALU i wynik) • Rejestr pomocniczy (drugi argument ALU) • Zbiór rejestrów roboczych (R0-Rn) • Rejestry związane z pracą jednostki sterującej (licznik rozkazów, rejestr rozkazów) • Rejestry specjalne (SFR)

Struktura rejestrów ogólnego przeznaczenia Rejestry globalne (8 i 16 bit) Rejestry globalne (16 bit) Banki rejestrów 8- i 16-bitowych

Instrukcje maszynowe procesora • Postać analogiczna, jak w przypadku klasycznego komputera • Programowanie najczęściej w asemblerze • Program wykonywany sekwencyjnie (wyjątek: rozgałęzienia) • Przykład: ADD A,#3CH • Zmienna długość rozkazu w pamięci (1-3B): 1. bajt – kod operacji, 2. bajt – pierwszy argument, 3. bajt – trzeci argument

Tryby adresowania • Tryby proste i niezbyt liczne: • Wewnętrzne (rejestrowe) • Natychmiastowe • Bezpośrednie • Pośrednie • Indeksowe • Względne

Tryb wewnętrzny • Instrukcje jednobajtowe • Argumenty przechowywane w rejestrach • Sposób efektywny! ADD A,R1 Akumulator Rejestr R1 +

Tryb natychmiastowy • Instrukcje jednobajtowe • Argumenty to liczby, nie adresy • Przydatny tylko dla operacji na stałych! ADD A,#liczba Akumulator +

Tryb bezpośredni • Instrukcje wielobajtowe • Argumenty przechowywane w pamięci • Ograniczony adresowany obszar danych ADD A,adres 00 Argument Akumulator + FF

Tryb indeksowy • Instrukcje wielobajtowe • Adres generowany przez sumowanie dwóch argumentów • Efektywne przy operacjach na blokach danych Rozkaz adres,R1 Argument Rejestr indeksowy +

Tryb postindeksowy • Instrukcje wielobajtowe • Bardziej skomplikowany sposób generowania adresów Rozkaz adres,R1 Argument Rejestr indeksowy +

Tryb pośredni • Instrukcje wielobajtowe • Argument jest przechowywany pod innym adresem w pamięci Rozkaz adres 00 Adres Argument FF

Tryb względny • Adres obliczany względem licznika programu • Przesunięcie przechowywane w pamięci • Zastosowanie: programy modyfikujące własny kod, małe skoki 00 Rozkaz Przesunięcie Argument FF + Licznik rozkazu

Cykl wykonania rozkazu • Pobranie kodu rozkazu z pamięci do rejestru IR • Odczytanie zawartości licznika rozkazów (adres) • Podanie adresu na linie adresowe magistrali • Wygenerowanie sygnału odczytu na liniach sterowania • Przesłanie otrzymanego rozkazu do rejestru IR • Inkrementacja IP • Wykonanie mikrooperacji składających się na rozkaz

Ilustracja fazy pobrania rozkazu Dane Pamięć programu Adresy Rejestr rozkazów Dekoder rozkazów Licznik programu Układ sterowania Rejestr adresowy Zegar Szyna adresowa Szyna sterowania

Ilustracja fazy wykonania rozkazu R0 R1 Rejestr adresowy Dane Pamięć danych Adresy Rejestr rozkazów Akumulator Dekoder rozkazów (A) → M(R0, R1) Układ sterowania Zegar Szyna adresowa Szyna sterowania

Schemat czasowy fazy wykonania instrukcji Szyna adresowa Licznik programu ( R0, R1 ) MEMR MEMW Szyna danych Rozkaz Zawartość akumulatora taw tdr thr tar tr tdw tw thw

Instrukcje wielobajtowe • Wymagany wielokrotny dostęp do pamięci • Nowsze mikrokontrolery operują na słowach – zwiększenie wydajności • Czas wykonania instrukcji – liczba cykli maszynowych potrzebnych do jej realizacji • Cykl maszynowy: • Cykl pobrania rozkazu • Cykl pobrania argumentów • Cykl zapisu wyniku

Przerwania i wyjątki • Przerwania generowane przez sprzęt (ograniczenia w systemach czasu rzeczywistego) • Sytuacje wyjątkowe (exceptions - NMI) • Przerwania maskowalne (event interrupts) • Przerwania programowe (software interrupts) • Pułapki (traps)

Diagram przejść między stanami mikrokontrolera RES=0, NMI=0 Stan reset po włącz. Stan reset po akcji Stan reset RES=0, NMI=1 RES=1, NMI=0 RES=1, NMI=1 Obsługa przerw. BRQ=0 BRQ=1 Zgłoszenie przerwania Zwolnienie szyny BRQ=0 Koniec obsługi przerwania Wykonywa-nie programu BRQ=1 BRQ=1 Wymuszenie trybu stand-by BRQ=0 Wymuszenie trybu sleep Stan czuwania Stan uśpienia Stan obniżonego poboru mocy Przerwanie NMI

Hierarchia pamięci • Pamięć RAM (ulotna) • Statyczna lub dynamiczna • Wykorzystywane jako układy zewnętrzne • Pamięć ROM (nieulotna) • EPROM (przechowuje programy i dane użytkownika) • OTP (jednokrotnie programowalna) • EEPROM (przechowuje programy i dane) • FLASH (używana jako wewnętrzna lub zewnętrzna)

Mapy pamięci • Jest to struktua pamięci w systemie • Zależy od architektury systemu i liczby oraz rodzajów pamięci • Rozwiązania: • jednolita przestrzeń adresowa (von Neumanna) • Architektura Harvard

Jednolita przestrzeń adresowa F...FH Rejestry kontrolerów i urządzeń zewnętrznych Zewnętrzna pamięć danych • = Przestrzeń adresowa pamięci zewnętrznej Przestrzeń niewykorzystana Zewnętrzna pamięć programu Adresy procedur obsługi przerwań Programy diagnostyczne i systemowe (monitor) Przestrzeń adresowa pamięci wewnętrznej Układy wejścia/wyjścia Rejestry specjalne (SFR) Pamięć danych i stos Rejestry 0...0H

Mapa pamięci w architekturze Harvard Adresowanie pośrednie Adresowanie bezpośrednie 00H FFH YYH Zewnętrzna pamięć programu Obszary nieużywane Układy we/wy zewnętrzne Dane Pamięć danych Rejestry specjalne SFR FFH XX+1H 00H XXH Rejestry, dane, stos Wewnętrzna pamięć programu 00H FFH 00H Wewnętrzna pamięć danych Pamięć programu Zewnętrzna pamięć danych

Segmentacja pamięci • Wymagana przy dużej przestrzeni adresowej • Umożliwia ochronę fragmentów pamięci przed niepowołanym dostępem (wielozadaniowość) • Segmenty definiowane przez rejestry segmentowe • Adresowanie: (RS1) + offset = EffAddr

Użycie stosu • Fragment pamięci RAM obsługiwany jak kolejka LIFO • Użycie wskaźnika stosu (SP) • Wykorzystanie: • Zapamiętywanie stanu procesora przed przejściem do obsługi przerwań • Zapamiętywanie adresu powrotu z podprogramów • Chwilowe zapamiętywanie zawartości rejestrów i zmiennych

Zaawansowana architektura mikrokontrolerów • Wymagana w zastosowaniach o dużej przepustowości danych • Kryterium oceny: MIPS, MFLOPS • Architektury: • Superskalarne • Potokowe • Z pamięcią podręczną • RISC

Architektura superskalarna i potoki • Rozkaz dzielony jest na wiele faz, które mogą być przetwarzane równolegle • Niektóre elementy procesora są zwielokrotnione (np. ALU) • Problem: algorytm wypełniania kolejki rozkazami (przewidywanie rozgałęzień) • Drożność architektury – liczba równoległych jednostek wykonawczych

Pamięć podręczna (cache) • Wymagane przy wykorzystaniu pamięci zewnętrznych • Przechowuje tymczasowo dane i kod programu w celu przyspieszenia przetwarzania • Problem: modyfikacja zawartości pamięci, gdy jest ona pełna

Mikrosystemy mikrokontrolerów • Dodanie układów ASIC o funkcjonalności definiowanej przez użytkownika • Dodanie procesora DSP • Dodanie urządzeń peryferyjnych definiowalnych przez użytkownika • Przykład: TriCore (Siemens)

Architektura RISC • Zgodna z architekturą Harvard • Przetwarzanie potokowe • Niewielki zbiór instrukcji ortogonalnych • Instrukcje operują na dowolnych rejestrach • Każda instrukcja wykorzystuje dowolny tryb adresowania argumentów • Wszystkie instrukcje mają identyczną długość i jednorodny format • Procesor znacznie uproszczony

Parametry elektryczne i mechaniczne • Długość słowa (szerokość szyny): 8, 16, 32 bity • Zakres temperatur pracy (standardowo: 0 do 70ºC, zastosowania wojskowe: -40 do 125ºC) • Napięcie zasilające (3.3, 4.5, 5 V) • Częstotliwość oscylatora kwarcowego (1 MHz – 300 MHz) • Parametry stałoprądowe (poziom napięć w stanie niskim i wysokim)

Technologia CMOS • Complementary Metal-Oxide Semiconductor • Umożliwia tworzenie układów 0.18-0.25 µm • Zaleta: niewielka moc pobierana przez układ (możliwość zasilania bateryjnego), liniowo zależna od jego częstotliwości • Możliwość modyfikacji częstotliwości układu • Odporność na zakłócenia

Parametry dynamiczne • Oznaczają czasy trwania poszczególnych faz pracy mikrokontrolera • Wartości maksymalne, minimalne i typowe • Przykłady: • Okres drgań oscylatora • Okres zegara • Czas trwania wysokiego stanu impulsu zegarowego • Okres sygnału ALE • Czas trwania niskiego/wysokiego stanu READ i WRITE

Obudowy mikrokontrolerów • Układy scalone wymagają obudów określonego rodzaju (plastik lub ceramika) • Zależą od rodzaju montażu (tradycyjnego, czy powierzchniowego) • Przykłady: • DIP (S-DIP, SK-DIP) – dwurzędowe płaskie • PGA – matryca prostokątna lub kwadratowa • DFP – montaż powierzchniowy, wyprowadzenia z dwóch stron obudowy • QFP/TQFP – montaż powierzchniowy, wyprowadzenia z czterech stron obudowy

Systemy wbudowane