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Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 1 4. Mikrocontroller-Komponenten 4.1 Prozessorkerne Einfache.

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1 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 1 4. Mikrocontroller-Komponenten 4.1 Prozessorkerne Einfache RISC- oder CISC Prozessorkerne Benötigen wenig Fläche Verhalten und Eigenschaften sind wohl bekannt Im Low-Cost-Bereich oft einfache 8-Bit-Kerne ohne Pipeline => einfacher Aufbau => sehr einfache zeitliche Vorhersagbarkeit

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

3 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 3 4. Mikrocontroller-Komponenten Je komplexer ein Prozessorkern, desto schwerer wird die Vorhersage des Zeitverhaltens Pipeline => Pipeline-Konflikte Cache => Cache Misses Spekulation => Fehlspekulation In Echtzeitsystemen interessiert die Worst Case Execution Time (WCET) Aufwändige Analysen sind erforderlich (und nicht immer möglich)

4 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 4 4. Mikrocontroller-Komponenten Zur Einsparung von Speicher bei einfachen Mikrocontrollern: Verkürzte Adressierung zur Verkürzung der Befehle

5 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 5 4. Mikrocontroller-Komponenten Zusätzlich: kurze Befehlscodes für die am häufigsten benutzten Befehle längere Befehlscodes für seltene Befehle Besonders bei einfachen Mikrocontrollern ist Speicher meist eine knappe Ressource und muss optimal genutzt werden Der Prozessorkern kann dies durch die genannten Maßnahmen unterstützen

6 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 6 4. Mikrocontroller-Komponenten 4.2 Ein-/Ausgabeeinheiten Bindeglied des Mikrocontrollers zur Umwelt analog/digital seriell/parallel Übertragungsraten Übertragungsformate Übertragungsaufwand...

7 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 7 4. Mikrocontroller-Komponenten Anbindung an den Prozessorkern

8 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 8 4. Mikrocontroller-Komponenten Vorteile isolierte Adressierung: klare Trennung von Speicher- und Ein-/Ausgabezugriffen Speicheradressraum wird nicht durch EA-Einheiten reduziert schmälere Ein-/Ausgabeadressen Vorteile gemeinsame Adressierung: Homogenität keine speziellen Befehle zur Ein-/Ausgabe erforderlich Alle Speicher-Adressierungsarten können auch zur Ein-/Ausgabe benutzt werden

9 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer 9 4. Mikrocontroller-Komponenten Adressraumbedarf unterschiedlich komplexer EA-Einheiten

10 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Physikalische Anbindung durch Adressdecoder

11 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Zur Anpassung unterschiedlicher Datenübertragungsraten von Prozessorkern und EA-Einheiten : Synchronisation Von Seiten der EA-Einheit: Software-Synchronisation Hardware-Synchronisation

12 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Software-Synchronisation: Beispiel XON/XOFF

13 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Hardware-Synchronisation: Beispiel RTS/CTS

14 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Von Seiten des Prozessorkerns: Auswertung mit Polling oder Interrupt

15 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Digitale parallele Ein-/Ausgabeeinheiten (parallele IO-Ports) Charakteristika: Anzahl parallel übertragener Bits (meist Zweierpotenz) Ein-/Ausgaberichtung Übertragungsgeschwindigkeit Der meist hohen Übertragungsgeschwindigkeit steht ein großer Bedarf an Anschlüssen gegenüber =>meist teilen sich die parallelen EA-Einheiten eines Mikrocontrollers die Anschlüsse mit anderen Komponenten

16 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Einfache parallele Eingabeeinheit:

17 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Einfache parallele Ausgabeeinheit:

18 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Einfache bidirektionale Einheit:

19 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Digitale serielle Ein-/Ausgabeeinheiten (serielle IO-Ports) Grundprinzip:

20 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Wichtige Begriffe: Schrittgeschwindigkeit (Schritttakt) Anzahl übertragener Informationen / Sekunde (Baud, Baudrate) Übertragungsgeschwindigkeit Anzahl übertragener Bits / Sekunde Übertragungsgeschw. = Schrittgeschw. * Übertragungsbreite oder allgemeiner: Übertragungsgeschw. = Schrittgeschw. * ld(Anzahl Übertragungszustände) Bei bitserieller Übertragung: Schrittgeschwindigkeit = Übertragungsgeschwindigkeit

21 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Asynchrone Übertragung Nach jedem übertragenen Zeichen wird synchronisiert

22 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten => Zeichensynchronisation keine hohen Anforderungen an die Taktgenauigkeit Sende und Empfangstakt dürfen sich um maximal 1/2 Tarktperiode pro Zeichen verschieben durch häufige Synchronisation geringe Datenraten Vereinbarung zwischen Sender und Empfänger: Schrittgeschwindigkeit (z.B. 4800, 9600, 19200,... Baud) Anzahl der Datenbits pro Zeichen (5 – 8) Parität (gerade oder ungerade) Anzahl der Stoppbits (üblicherweise 1, 1,5 oder 2)

23 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Synchrone Übertragung Rahmensynchronisation Höhere Übertragungsgeschwindigkeit, höhere Anforderungen an den Takt

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

25 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Verbindungstechniken Serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung (Peer to Peer)

26 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Verbindungsbusse Beispiel: SPI (Serial Peripheral Interface, Motorola) Andere serielle Busse: RS485, USB,...

27 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Serielle Datencodierungen

28 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten NRZ (Non Return to Zero) Einfach, leichter Verlust der Taktsynchronität bei aufeinanderfolgenden Einsen oder Nullen => wird hauptsächlich bei asynchroner Übertragung genutzt FM (Frequency Modulation) Takterhaltende Codierung, Voranstellen eines Taktbits Daten FM T DT DT DT DT DT DT DT D

29 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten MFM (Modified Frequency Modulation) Halbiert den Aufwand von FM durch bedingtes Voranstellen eines Taktbits. Taktbit nur, wenn aktuelles und voriges Datenbit beide nicht Daten MFM T DT DT DT DT DT DT DT D

30 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Manchester Biphase Wird z.B. bei Ethernet benutzt Signalpegel wechselt grundsätzlich bei jeder Taktflanke Stimmt der resultierende Wert nicht mit dem Bitwert überein: => zweiter Wechsel Daten Manch.

31 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Analoge Ein-/Ausgabeeinheiten zur Verarbeitung durch den Prozessorkern müssen analoge in digitale Signale gewandelt werden

32 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Wandlungsfunktion: bei n Bit Auflösung => Aufteilung in 2 n Schritte U LSB = (U max – U min ) / 2 n Digital/Analog-Wandlung U = (Z U LSB ) + U min Analog/Digital-Wandlung Z = (U – U min ) / U LSB

33 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Beispiel:U max = 5 V, U min = 0 V, 12-Bit-Wandlung => U LSB = 1,221 mV Wichtigste Kriterien für die Auswahl eines Wandlers Auflösung (n Bit) Spannungsbereich (U min - U max ) Wandlungszeit Wandlungsfehler

34 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Digital/Analog-Wandlung R/2R-Widerstandsnetzwerk

35 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Funktion des Wandlers: I k = z 3 (U ref / 2R) + z 2 (U ref / 4R) + z 1 (U ref / 8R) + z 0 (U ref / 16R) Für den Operationsverstärker gilt näherungsweise: U = -R I k Daraus folgt: U= - (z 3 (U ref / 2) + z 2 (U ref / 4) + z 1 (U ref / 8) + z 0 (U ref / 16)) = - (z z z z ) U ref / 2 4 = - Z U ref / 2 4 oder für n Bit: U = - Z U ref / 2 n

36 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Statische Wandlungsfehler:

37 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Nullpunktfehler durch Addition einer Konstanten (auf analoger oder digitaler Seite) behebbar Vollausschlagfehler durch Multiplikation mit einer Konstanten behebbar Nichtlinearität ist nicht korrigierbar und reduziert die verfügbare Auflösung Besonders schwerwiegend: Monotoniefehler Ausgabe eines niedrigeren Wertes trotz Erhöhung des Eingangswertes Entsteht z.B. im R/2R Netzwerk, wenn durch Widerstandstoleranzen: I k (0111) > I k (1000)

38 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Dynamische Fehler: Glitches durch Wettläufe im Umschaltzeitpunkt, z.B. bei Abhilfe: Abtast-/Halteglied (Sample and Hold)

39 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Analog/Digital-Wandlung Prinzipielle Wandlungsverfahren: Parallelverfahren sehr schnell, hoher HW-Aufwand Wägeverfahren mittel schnell, mittlerer HW-Aufwand Zählverfahren (Dual Slope) langsam, geringer HW-Aufwand, störunempfindlich

40 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Beispiel: das Wägeverfahren wandelt n Bits in n Schritten

41 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Ablauf: sukzessive Aproximation Wandlerfunktion: Z = 2 n U / U ref = U / U LSB

42 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Statische Fehler: Quantisierungsrauschen systematischer Fehler, bedingt durch die begrenzte Auflösung =>Abweichung des treppenförmigen vom tatsächlichen stufenlosen Analogsignal

43 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Durch die Gleichverteilung des Eingangssignals gehorcht die Abweichung statistischen Gesetzen => Rauschen Rauschamplitude: Faustformel für das Signal/Rauschverhältnis in Dezibel: SR 1.8 dB + n 6 dB Beispiele: 8 Bit Auflösung 49.8dB 12 Bit Auflösung 73.8dB 16 Bit Auflösung 97.8dB

44 Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer Mikrocontroller-Komponenten Dynamische Fehler Amplitudenänderung des Eingangssignals über die Wandlungszeit besonders kritisch beim Wägeverfahren, da hier die empfindlichen niederwertigen Bits zuletzt gewandelt werden Eine Schwankung um mehr als 1/2 U LSB macht bereits das niederwertigste Bit unbrauchbar Abhilfe: Abtast-/Halteglied Takt-Jitter (Aperturfehler) Schwankung der Taktrate bei periodischer Abtastung analoger Signalverläufe


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