Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Prinzipieller Aufbau:

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Funktionsweisen  Zählen von Ereignissen

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten  Messen von Zeiten T = Zählerstand  Taktzykluszeit

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten  Erzeugen einmaliger Impulse, einmaliges Wecken T = (Startwert + 1)  Taktzykluszeit.

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten  Erzeugen mehrmaliger Impulse, mehrmaliges Wecken

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Capture- und Compare-Einheit Einfangen und Vergleichen von Zählerständen

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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)

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Pulsweitenmodulator Erzeugung eines Signals konstanter Periode, aber variablem Tastverhältnis

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Realisierung:

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Funtionsweise:

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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)

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 16 Beispiel: Drehzahlregelung durch einen Mikrocontroller mit Capture und Compare sowie PWM

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Watchdog-Einheit Regelmäßige Lebenszeichen vom Prozessorkern, sonst Reset T = Startwert  Zykluszeit Referenztakt

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Abhilfe: Steuerung der Ein-/Ausgabe durch einen Zeitgeber => Echtzeit-EA

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Funktionsweise: Software-Jitter jitter-freies Ausgangssignal

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Anbindung an den Adressraum des Prozessorkerns: Adressdecoder

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Adressraum des Mikrocontrollers

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Auswahl der Speicherzellen innerhalb des Speichers Als lineare Liste sehr leitungsintensiv (2 m Auswahlleitungen)

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Daher besser interne Organisation in Form einer Matrix Minimale Leitungsanzahl bei quadratischer Matrix

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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)

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten 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

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Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Ermittlung der Startadresse der Unterbrechungs- behandlung: Vektor-Interrupt

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Beispiel: Interruptvektortabelle mit fester Zuordnung von Quelle, Vektor und Priorität

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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)

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Externe Steuerung mit variablem Vektor und zentraler Prioritäten- und Vektorvergabe

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Ablauf:

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Dezentrale Prioritäten- und Vektorvergabe (Daisy Chain)

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Mehrfache Registersätze:

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Mikrocontroller-Komponenten Ereignisbehandlung auf mehrfädigen Prozessoren durch Interrupt Service Threads