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Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 1 4. Mikrocontroller-Komponenten 4.3 Zeitgeberbasierte Einheiten.

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1 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 1 4. Mikrocontroller-Komponenten 4.3 Zeitgeberbasierte Einheiten Wichtig für Echtzeitanwendungen Basis für viele Mikrocontroller-Komponenten Zähler und Zeitgeber (Counter and Timer) Grundaufgaben: Zählen von Ereignissen Messen von Zeiten Wecken Erzeugung von Impulsfolgen

2 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 2 4. Mikrocontroller-Komponenten Prinzipieller Aufbau:

3 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 3 4. Mikrocontroller-Komponenten Funktionsweisen Zählen von Ereignissen

4 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 4 4. Mikrocontroller-Komponenten Messen von Zeiten T = Zählerstand Taktzykluszeit

5 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 5 4. Mikrocontroller-Komponenten Erzeugen einmaliger Impulse, einmaliges Wecken T = (Startwert + 1) Taktzykluszeit.

6 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 6 4. Mikrocontroller-Komponenten Erzeugen mehrmaliger Impulse, mehrmaliges Wecken

7 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 7 4. Mikrocontroller-Komponenten Enthält ein Mikrocontroller mehr als einen Zähler und Zeitgeber, so spricht man von Zähler- und Zeitgeberkanälen Eine Reihe von Anwendungen erfordern mehr als einen solchen Kanal Beispiel: Quadratur-Decodierung

8 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 8 4. Mikrocontroller-Komponenten Quadratur-Decodierung: Drehrichtungs-Erkennung mit Codierscheibe Drehrichtung rechts: L2 wird immer kurz vor L1 aktiv Drehrichtung links: L1 wird immer kurz vor L2 aktiv

9 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 9 4. Mikrocontroller-Komponenten Capture- und Compare-Einheit Einfangen und Vergleichen von Zählerständen

10 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Einfache Hardware, vielfältige Anwendungen, z.B.: Periodisches Wecken Zähler arbeitet mit Takt konstanter Frequenz F Takt Bei Erreichen des im Compare-Register gespeicherten Wert => Wecksignal Zeitmessung Zähler arbeitet mit Takt konstanter Frequenz F Takt Das zu vermessende Signal fängt den Zählerstand ein Zwei aufeinanderfolgende Zählerstände kennzeichnen die Zeit T Signal = |Z n – Z n-1 | / F Takt

11 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Frequenzmessung Das zu vermessende Signal bildet den Zählertakt Zählerstand wird durch einen Takt konstanter Frequenz F Takt eingefangen Zwei aufeinanderfolgende Zählerstände kennzeichnen die Frequenz des Signals F Signal = |Z n – Z n-1 | F Takt Bei viele Anwendungen kann der Zähler mit konstanter Frequenz betrieben werden => weitere Vereinfachung der Hardware durch: freilaufenden Zähler (Free Running Counter)

12 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Pulsweitenmodulator Erzeugung eines Signals konstanter Periode, aber variablem Tastverhältnis

13 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Realisierung:

14 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Funtionsweise:

15 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Anwendungen: Leistungssteuerung, z.B. für einen Elektromotor P Motor = ((t ges - t PWM ) / t ges ) P max Mit Zusatzbeschaltung Primitiver DA-Wandler (diese Wandlungsrichtung ist in Mikrocontrollern seltener vorhanden)

16 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 16 Beispiel: Drehzahlregelung durch einen Mikrocontroller mit Capture und Compare sowie PWM

17 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Watchdog-Einheit Regelmäßige Lebenszeichen vom Prozessorkern, sonst Reset T = Startwert Zykluszeit Referenztakt

18 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Echtzeit-Ein-/Ausgabeeinheiten (Real-Time Ports) Problem: wird der Zeitpunkt einer Ein- oder Ausgabe durch die Software gesteuert => Software-Jitter durch Unregelmäßigkeiten im Programmablauf (z.B. Unterbrechungen, Bedingungen,...) Beispiel: Jitter-behaftetes Ausgabesignal

19 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Abhilfe: Steuerung der Ein-/Ausgabe durch einen Zeitgeber => Echtzeit-EA

20 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Funktionsweise: Software-Jitter jitter-freies Ausgangssignal

21 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten 4.4 Speicher Zur Reduktion der Anzahl externer Komponenten enthalten viele Mikrocontroller eine begrenzte Menge Speicher Flüchtiger Schreib-/Lesespeicher zur Speicherung von Daten Nichtflüchtiger Festwertspeicher zur Speicherung von Programmen und Konstanten Kleinere Anwendungen können dann vollständig mit dem integrierten Speicher realisiert werden

22 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Anbindung an den Adressraum des Prozessorkerns: Adressdecoder

23 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Adressraum des Mikrocontrollers

24 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Auswahl der Speicherzellen innerhalb des Speichers Als lineare Liste sehr leitungsintensiv (2 m Auswahlleitungen)

25 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Daher besser interne Organisation in Form einer Matrix Minimale Leitungsanzahl bei quadratischer Matrix

26 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Festwertspeicher Maskenprogrammiert (ROM, Read Only Memory) Inhalt einer Speicherzelle wird bereits durch die Herstellungs- maske des Chips festgelegt (z.B. durch Verbinden oder Nicht- verbinden eines Kreuzungspunktes der Zeilen- und Spalten- auswahlleitungen durch einen Transistor) => Mikrocontroller in Großserienanwendungen Benutzerprogrammiert (PROM, Programmable Read Only Memory) Benutzer kann den Inhalt einer Speichrzelle einmal ändern, z.B. durch Zerstörung eines Transistors im Kreuzungspunkt => Mikrocontroller in Kleinserienanwendungen

27 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Festwertspeicher UV-löschbar (EPROM, Erasable Programmable Read Only Memory) Inhalt einer Speicherzelle kann programmiert und durch UV-Licht wieder gelöscht werden (z.B. durch Verbinden oder Nicht- verbinden eines Kreuzungspunktes durch FAMOS-Transistor) => Mikrocontroller in Prototypen- und Kleinserienanwendungen Variante ohne Quarzglasfenster: OTROM (One Time Programmable ROM) Billigeres Gehäuse, speziell für Kleinserien

28 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Festwertspeicher Elektrisch löschbar (FlashRAM, EEPROM, Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) Inhalt einer Speicherzelle kann programmiert und elekrtisch wieder gelöscht werden (z.B. durch Verbinden oder Nicht- verbinden eines Kreuzungspunktes durch FLOTOX- oder ETOX- Transistor) - FlashRAM kann nur blockweise gelöscht werden - EEPROM kann einzelzellenweise gelöscht werden =>Mikrocontrolleranwendungen mit der Möglichkeit zum Software-Update, Speichern von Konfigurationsdaten

29 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Schreiblesespeicher statischer Speicher Inhalt der Speicherzelle wird durch ein Flipflop realisiert (schnelle, aber aufwändige Speicherzelle) dynamischer Speicher Inhalt der Speicherzelle wird durch einen Kondensator realisiert (einfache Speicherzelle, langsamer, periodischer Refresh erforderlich)

30 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Schreiblesespeicher In Mikrocontrollern wird ausschließlich statischer Speicher integriert. Gründe: kleine Speichergrößen, dynamischer Speicher nicht erforderlich Refresh-Logik entfällt statischer Speicher läßt sich einfacher durch eine Batterie puffern (Quasi-Festwertspeicher) durch Reduktion der Versorgungsspannung läßt sich bei statischen Speichern ein energiesparender Ruhebetrieb realisieren

31 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten 4.5 Unterbrechungssteuerung Wichtig für Echtzeitanwendungen, schnelle und flexible Reaktion auf Ereignisse 1.Unterbrechung (Interrupt) des aktuellen Programmablaufs 2.Sichern des Zustandes des Prozessorkerns 3.Unterbrechungsbehandlung (Interrupt Service Routine) 4.Wiederherstellen des Zustandes des Prozessorkerns 5.Fortsetzen des unterbrochenen Programmablaufs

32 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten

33 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Unterschiede zum Unterprogrammaufruf eine Unterbrechung wird von einem Ereignis ausgelöst, ein Unterprogrammaufruf durch das Programm Unterbrechungen treten völlig asynchron auf => meist umfangreicheres Sichern des Prozessorkernstatus erforderlich die Startadresse ist bei Unterprogrammaufrufen im Programm gegeben, bei Unterbrechungen muß sie aus dem Ereignis heraus ermittelt werden Die Unterbrechungssteuerung koordiniert der Ablauf einer Unterbrechung => Bindeglied zwischen Prozessorkern und Ereignis

34 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Unterbrechungsquellen: Unterbrechung durch interne Komponente (internal HW Interrupt) z.B. ausgelöst durch eine der bereits besprochenen Mikrocontroller-Komponenten (EA-Schnittstellen, Zähler, Zeitgeber,...) Unterbrechung durch externe Komponente (external HW Interrupt) sog. Interrupt-Eingänge des Mikrocontrollers ermöglichen auch externen Komponenten einen Unterbrechungswunsch

35 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Unterbrechungsquellen: Ausnahmesituation im Prozessorkern (Exception, Trap) Behandlung außergewöhnlicher Fehlersituationen, z.B. ungültiger Befehlscode, Division durch 0, Seitenfehler,... Unterbrechung durch das laufende Programm (SW Interrupt) häufig genutzt, um Betriebssystemfunktionen aufzrufen und auszuführen

36 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Ermittlung der Startadresse der Unterbrechungs- behandlung: Vektor-Interrupt

37 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Die Zuordnung von Vektor und Komponente kann variabel oder fest sein. Bei einfachen Mikrocontrollern findet man meist eine feste Zuordnung Zur gleichzeitigen Behandlung mehrere Unterbrechungen: Vergabe von Prioritäten Auch hier ist eine variable oder eine feste Zuordnung möglich Zusätzlich: Unterbrechungen können maskiert werden. In diesem Fall werden Anforderungen der zugehörigen Quelle ignoriert

38 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Beispiel: Interruptvektortabelle mit fester Zuordnung von Quelle, Vektor und Priorität

39 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Variable Zuordnung erlaubt eine größere Flexibilität, insbesondere bei einer höheren Anzahl externer Unterbrechungsquellen. Bei fester Zuordnung benötigt jede externe Quelle einen eigenen Unterbrechungseingang oder die Unterbrechungsbehandlung muss durch Abfrage der Komponenten die Quelle herausfinden Bei variabler Zuordnung können sich mehrere Quellen einen Eingang teilen, die Identifikation und die Prioritätenvergabe erfolgt über den Vektor Aber: größerer Hardwareaufwand wird erforderlich (Interrupt- Controller)

40 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Externe Steuerung mit variablem Vektor und zentraler Prioritäten- und Vektorvergabe

41 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Ablauf:

42 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Dezentrale Prioritäten- und Vektorvergabe (Daisy Chain)

43 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Die Reaktionszeit auf Unterbrechungen ist eine wichtige Größe bei Echtzeitanwendungen. Das Sichern des Prozessorkernstatus kann einige Zeit in Anspruch nehmen (wenn viele Register gesichert werden müssen) Einige Mikrocontroller verfügen daher über mehrfache Registersätze zur Verbesserung dieser Reaktionszeit Der Status des Prozessorkerns muss dann nicht mehr gesichert werden. Es wird einfach auf einen neuen Registersatz gewechselt. => schneller Kontextwechsel

44 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Mehrfache Registersätze:

45 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Prozessorkerne mit mehrfachen Registersätzen: Vorstufe zu mehrfädigen Prozessorkernen Mehrfache Registersätze: jeder Registersatz enthält einen Speicherplatz für PC und PSW PC und PSW sind aber nur einmal vorhanden => mehrere Kontexte können gespeichert werden Mehrfädiger Prozessorkern: mehrfach vorhandene PCs und PSWs meist Befehle mehrerer Kontexte gleichzeitig in der Pipeline => mit mehreren Kontexten kann gearbeitet werden

46 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Ereignisbehandlung auf mehrfädigen Prozessoren durch Interrupt Service Threads


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