Mikrocomputertechnik Jürgen Walter „Der rote Faden-Quickie“ Wie ist die Vorlesung aufgebaut? Herzlich willkommen zum QUICKIE-Quickie. Aber was sind Quickies? Schnell und intensiv möchten Sie viele neue Fachgebiete verstehen und erfassen. Insbesondere soll das Wissen nachhaltig sein. Gerne befriedigen Sie Ihre natürliche Neugier, wenn Lernen Spaß macht. Dies ist bei der heutigen Informationsflut jedoch nicht so einfach. Es müssen alle Sinne angesprochen werden. Ich möchte Sie motivieren und die wesentlichen Grundlagen vermitteln. Eine Quickie-Lerneinheit besteht aus mehreren Komponenten. Es umfasst sowohl die klassischen Medien wie: Buch, Papier und einen Stift, als auch die neuen Medien: Computer mit Videos, Animationen, Fotos, Audio, Programmen und Hardware. Es werden alle Sinne angesprochen – manchmal sogar der Geruchssinn, wenn ihre Hardware heiß läuft!

Lernziele: Überblick über die Vorlesung Labor Prüfungen Die Lernziele des QUICKIE-Quickies sind: Welche Lernziele hat ein Quickie? Also in diesem Quickie das Lernziel selbst. Wie lange dauert ein Quickie? Welche Voraussetzungen hat ein Quickie? Welche Medien verwendet ein Quickie? Welche Methoden verwendet ein Quickie?

Voraussetzungen keine Eine wesentliche Voraussetzung für jedes Quickie: Sie haben 500s Zeit: Ein Quickie kommt selten alleine – meistens hat es mehrere andere Quickies als Voraussetzung oder setzt einige Grundlagen voraus. Die Voraussetzungen werden am Anfang des Quickies genannt.

Aufbau des 8051-Controllers Der Aufbau der Vorlesung orientiert sich am Aufbau des Controllers. Etwas akademischer ausgedrückt: Die Struktur der Vorlesung bildet die Architektur des Controllers nach. Das Kernsystem des 8051-Controllers sehen Sie im dargestellten Blockschaltbild. Die Schnittstellen nach außen sind: Die programmierbaren In – Out – Anschlüsse welche hier vier mal acht Leitungen, also 40 einzelne Anschlüsse am Mikrocontroller sind. Der 64 KiloByte Bus Expander Control für externen Speicher – diese Einheit ist bei neueren Controllern meist nicht notwendig, da genügend Speicher bereits auf dem Chip vorhanden sind. Zwei externe Interrupts – welche im Interrupt-Quickie behandelt werden Ein externer Oszillator – hier als Frequency Reference bezeichnet. Diese Oszillator-Einheit ist inzwischen meist ebenfalls auf dem Chip integriert. Die Zeitgeber / Ereignis-Zähler – haben ebenfalls jeweils eine Leitung aus dem Chip geführt- Die serielle Schnittstelle hat einen seriellen Eingang und einen seriellen Ausgang. Diese Schnittstelle wird meist durch die neuere USB-Schnittstelle ersetzt. Intern sind alle Einheiten über einen Acht-Bit-Datenbus und einen 16-Bit Adressbus verbunden. Als wichtigste Einheit kann die CPU Central Processing Unit bezeichnet werden. Diese wird vom Oszillator getaktet. Das Programm für die CPU kommt aus dem Programmspeicher. Die CPU speichert ihre Daten in einem Datenspeicher – dem internen Datenspeicher. Dieser ist sehr klein und kann durch den externen Datenspeicher erweitert werden. Bei neueren Controllern ist dieser Erweiterungsspeicher meist ebenfalls auf dem Chip integriert.

IDE Integrated Development Environment Installation der Entwicklungsumgebung Install-studio-offline

Zusammenspiel CPU – I/O Pins Oscillator & Timing 4096 Byte Program Memory 128 Byte Data Memory Two 16-Bit Timer/Event Counters 8051 CPU 64 KByte Bus Expander Control Programmable I/O Serial port Full duplex UART Synchronous Shifter Interrupts 8051A only Frequency Reference Serial IN OUT Parallel Ports Adress Data Bus and I/O Pins Zunächst wird die Funktionsweise der Ports erklärt. Das geschieht im Port-Quickie. Im Port-Befehls-Quickie werden einige Befehle - welche im Programmspeicher stehen - von der CPU bearbeitet.

Zusammenspiel CPU – interner Speicher Oscillator & Timing 4096 Byte Program Memory 128 Byte Data Memory Two 16-Bit Timer/Event Counters 8051 CPU 64 KByte Bus Expander Control Programmable I/O Serial port Full duplex UART Synchronous Shifter Interrupts 8051A only Frequency Reference Serial IN OUT Parallel Ports Adress Data Bus and I/O Pins Zunächst wird die Funktionsweise der Ports erklärt. Das geschieht im Port-Quickie. Im Port-Befehls-Quickie werden einige Befehle - welche im Programmspeicher stehen - von der CPU bearbeitet. Die verschiedenen Arten der Adressierung d.h. wie man eine Adresse anspricht werden im Indirekt-Quickie behandelt

Zusammenspiel CPU – externer Speicher Oscillator & Timing 4096 Byte Program Memory 128 Byte Data Memory Two 16-Bit Timer/Event Counters 8051 CPU 64 KByte Bus Expander Control Programmable I/O Serial port Full duplex UART Synchronous Shifter Interrupts 8051A only Frequency Reference Serial IN OUT Parallel Ports Adress Data Bus and I/O Pins Weiterhin wird im Speicher-Quickie der Zugriff auf den externen Speicher umgesetzt. Dies ist aufgrund der neueren Produktionsmethoden kein extra Chip, sondern wird auch wieder bereits auf dem Chip integriert. Anstatt der Expander Control Einheit wird also der externe Speicher gleich auf dem Chip integriert.

CPU - Interrupt - Timer Oscillator & Timing 4096 Byte 128 Byte Program Memory 128 Byte Data Memory Two 16-Bit Timer/Event Counters 8051 CPU 64 KByte Bus Expander Control Programmable I/O Serial port Full duplex UART Synchronous Shifter Interrupts 8051A only Frequency Reference Serial IN OUT Parallel Ports Adress Data Bus and I/O Pins Im Interrupt-Quickie wird die prinzipielle Funktionsweise eines Interrupts studiert. Die internen Interrupts der beiden 16-Bit-Timer werden im BLIN_INT-Programm betrachtet. Gleichzeitig wird die Architektur des Timers und damit die Funktionsweise erklärt.

Aufbau des 8051-Controllers Oscillator & Timing 4096 Byte Program Memory 128 Byte Data Memory Two 16-Bit Timer/Event Counters 8051 CPU 64 KByte Bus Expander Control Programmable I/O Serial port Full duplex UART Synchronous Shifter Interrupts 8051A only Frequency Reference Serial IN OUT Parallel Ports Adress Data Bus and I/O Pins Die serielle Schnittstelle wird inzwischen meist durch andere serielle Busse wie den USB Universal Seriel Bus oder I2C I-Quadrat–C-Bus welcher dem SMBus entspricht, ersetzt. Damit wurden alle wesentlichen Einheiten des 8051-Kerns behandelt. Beispielhaft wird jetzt ein 8051-Derivat beleuchtet. Ein Derivat muss das Kernsystem ebenfalls beinhalten und alle Befehle ausführen können. Es kommen aber noch weitere periphere Einheiten dazu.

HIGH-SPEED CONTROLLER CORE Blockschaltbild C8051F340 64/32 kB ISP FLASH FLEXIBLE INTERRUPTS 8051 CPU 48 MIPS DEBUG CIRCIUTRY 4 kB RAM POR WDT HIGH-SPEED CONTROLLER CORE 8051 Kern Digitale Ein- Ausgänge Analoge Einheit Oszillator USB Controller Analoge Peripherie AMUX 10-bit 200ksps ADC TEMP SENSOR VREF VREG + - UART0 UART1 SPI SMBus PCA 4 Timers Ext. Memory I/F CROSSBAR Port 0 Port 1 Port 2 Port 3 Port 4 DIGITAL I/O Der C8051F340 Controller ist ein Beispiel für ein Derivat, also eine Erweiterung des 8051-Controller-Kerns. Hier sind bereits auf dem Chip ein In System Programmable Flash Speicher – also einer auf dem Chip intergrierten programmierbarer Programmspeicher. Weiterhin ist ein Datenspeicher mit 4kByte Random Access Memory. D.h. ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff. Es gibt zusätzliche Interrupts, eine Debug-Einheit. Eine Block: „Power on Reset“ – die Leistungsversorgung beim Reset und einen integrierten Watchdog. Eine sehr oft benötigte Einheit ist die Analog-Digital-Wandlung. Diese Einheit wird in mehreren Programmbeispielen behandelt. Der interne programmierbare Oszillator und der USB-Controller/Receiver ergänzen den Chip. Nachfolgend werden diese Einheiten näher besprochen. PRECISION INTERNAL OSCILLATORS USB Controller / Transceiver

Auf dem Chip: 8051 Kern High Speed Pipelined Instructions architecture 70% der Befehle mit 1 oder 2 Systemtakten 48 MIPS Erweiterte Interrupt Verwaltung Watchdog Timer 64/32 kB ISP FLASH FLEXIBLE INTERRUPTS 8051 CPU 48 MIPS DEBUG CIRCIUTRY 4 kB RAM POR WDT HIGH-SPEED CONTROLLER CORE Speicher 4352 Bytes RAM 64kB ISP Flash

Auf dem Chip: Takterzeugung 0,25% Genauigkeit Taktrückgewinnung Unterstützung USB und UART Externer Oszillator 80 kHz Interner Oszillator Kann zwischen Taktquellen im Betrieb umschalten PRECISION INTERNAL OSCILLATORS Die Takterzeugung auf dem Chip

Auf dem Chip: Digitale Ein- Ausgänge 40 Ports 5 V tolerant Hoher Strom SMBus – I2C SPI-BUS 2 UARTS 4 16-Bit Zähler / Zeitgeber PCA 16-Bit Zähler-Array Ext. Speicherschnittstelle UART0 UART1 SPI SMBus PCA 4 Timers Ext. Memory I/F CROSSBAR Port 0 Port 1 Port 2 Port 3 Port 4 DIGITAL I/O

Auf dem Chip: Analogteil Multiplexer Differentieller oder auf Masse bezogener Eingang 10-Bit A/D-Wandler Abtastfrequenz 200kHz Temperatursensor Vergleichspannung extern oder intern Option externer Wandlungsstart + - Analoge Peripherie AMUX 10-bit 200ksps ADC TEMP SENSOR VREF VREG

Auf dem Chip: USB Controller / Transceiver USB Spezifikation 2.0 Full speed 12 Mbps Low speed 1,5 Mbps Integrierter Takt Unterstützt 8 Endpunkte 1 kB USB Buffer Speicher Integrierter Sender Keine externen Bauteile USB Controller / Transceiver

ÜBUNGEN: Ü01 3 Multiple Choice zu diesem Quickie HOT Potatoes installieren JQuiz Titel – QUICKIE-Quickie Web6 – Die Übung in meinem Browser anschauen Ü02 Lösen Sie die 3 Multiple Choice Aufgaben ihres Nachbarn Entwerfen Sie drei Multiple Choice zu diesem Quickie. Die Vorgehendweise ist kurz dargestellt: HOT Potatoes installieren (Im Ordner: 8051_FUER_STUDENTEN) JQuiz Titel – QUICKIE-Quickie Web6 – Die Übung in meinem Browser anschauen Ü02 Lösen Sie die drei Multiple Choice Aufgaben ihres Nachbarn.

Ü01 –Hot Potatoes Ein Beispiel für die Erstellung einer Multiple Choice Frage in Hot Potatoes. Die Frage F1 tragen Sie in dieses Feld ein. Die vier möglichen Lösungen sind in den Feldern A,B,C,D. Die Rückmeldung zu den Lösungen können Sie in den darunterliegenden Kästen eingeben. Vergessen Sie nicht die „Richtige“ Antwort anzukreuzen.

Ü01 - Browser Im Browser sieht die Multiple Choice Aufgabe wie abgebildet aus.

Quickies – schnell und intensiv lernen Ziel erreicht! Mit Quickies schnell und intensiv lernen! Die Stange haben Sie übersprungen, sobald Sie die Übungen gemeinsam mit ihrem Nachbarn lösen!