Teil 5: Embedded Systems Technische Informatik I (SS 2006) 1

Definition „Embedded System“ Digitale Schaltung (ggfs. plus AD/DA-Wandler), die Teil einer größeren Einheit (evtl. mit mechanischen Elementen) ist. Bsp: KFZ: Motorsteuerung, ABS, Klimaanlage Maschinenbau: Steuerung für Fräse Haushalt: Waschmaschine, Mikrowelle Bank: Geldautomat oftmals „Echtzeit“-Anwendung (d.h. System muß in jedem Fall innerhalb von n s auf einen Interrupt reagieren, z.B. ABS beim Auto) single-chip computer Technische Informatik I (SS 2006) 2

Anwendung von „Embedded Systems“ z.B. Fließbandsteuerung oder Steuerung von Prozessen in industrieller Fertigung muß In Echtzeit arbeiten Technische Informatik I (SS 2006) 3

Anforderungen an Mikrocontroller Kosten: möglichst gering (da oft hohe Stückzahlen benötigt) Geschwindigkeit: eher langsam, Taktrate <20 MHz, weil: Anforderung an Stromverbrauch: möglichst low power (z.B. im Auto notwendig) 8 oder 16-Bit-Prozessoren ausreichend für den Aufgabenbereich Speicher: meist kein Bedarf für größeren Speicher, hilfreich: on-chip-Memory, um Platz zu sparen I/O: dedizierte I/O-Pins, für Interrupt, Timer, serielle Ports, analoge Signale, etc. etc. Beispiele: 8051, Transputer, DSPs Technische Informatik I (SS 2006) 4

Teil 5: Embedded Systems 5a: Mikrocontroller Technische Informatik I (SS 2006) 5

Intel 8051 4k ROM für Programmcode 128 Byte (!) RAM mehr nicht 4 Ports IO mit 32 Pins Externer Speicher Harvard-Architektur ist Industriestandard geworden nicht nur gefertigt von Intel, sondern auch von Analog Devices, Atmel, Maxim/Dallas, Oki, Philips, Texas Instruments 5 interrupts (mit 2 interrupt Prioritäten) full duplex UART Technische Informatik I (SS 2006) 6

Intel 8051 mit 12 MHz Clock kann der 8051 immerhin 1 million one-cycle instructions per second or 500,000 two-cycle instructions per second Technische Informatik I (SS 2006) 7

Intel 8051 „nur“ 256  RISC Technische Informatik I (SS 2006) 8

Wo kann man den 8051 kaufen ? bei CONRAD bestellbar nur EURO 1,82 von Infineon gibt es auch bereits als „cores“ für FPGAs ! Technische Informatik I (SS 2006) 9

Von-Neumann Architektur auch Intel 80x86 SISD = single instruction single data > SIMD, MISD und MIMD sind nicht von-Neumann Typ Prinzip Technische Informatik I (SS 2006) 10

HARVARD-Architektur Programm- und Datenspeicher werden getrennt Befehlsspeicher Programm- und Datenspeicher werden getrennt Technische Informatik I (SS 2006) 11

8051 Anwendungen in fast jedem Touchpad (!) Automatikgetriebe KFZ Fernbedienungen TV in Satelliten (z.B. EOS) Kleinroboter (für z.B. Erkundung von Pyramiden oder Roboter-Wettkämpfen) Waschmaschinen (Wassermenge abhängig von Wäschemenge) Kühlschrank (Temperaturregelung) automatische Sonnenmarkisen Technische Informatik I (SS 2006) 12

8051: einer der ersten Chips mit Resetlogik Bsp. Drucker Power-On-Self-Test muß über den gesamten Chip synchronisiert werden (so daß der ganze Chip „weiß“, daß jetzt ein reset passiert ist) z.B. schreibe Nullen überall ins Memory oder: clear alle interrupts ! Technische Informatik I (SS 2006) 13

8051 Speicher Externes RAM 80 Register ! (das ist möglich weil RISC !) 4 Bänke mit jeweils 8 Registern (R0-R7) nur eine Bank jeweils aktiv 128 Bit-Variablen ! SETB 80h Achtung: nach Reset zeigt Stackpointer immer auf 08h Technische Informatik I (SS 2006) 14

Programmierung des 8051 ROM wurde von Entwickler (Intel oder Drittentwickler) an Hersteller geschickt Später: EEPROM Alternative für den Selbst-Programmierer es gibt z.B. Assembler bereits unter MS-DOS 6.0, die 8051 binär-Code erzeugen dann download via Pin I/O (Einschränkung: in diesem Falle nur externes RAM/ROM benutzbar) Technische Informatik I (SS 2006) 15

8051 Special Function Register (SFR) SP: Stack Pointer DPL/DPH: Data pointer low/high 16 Bit Pointer auf 64k Adressraum PCON=Power control (z.B. sleep-modus) P[0-3]: Port Bits (P0, P2 nicht bei externem Speicher) TCON, TMOD, TL, TH: Timer Control PSW (Program Status Word): Status Bits (Carry, Overflow…) Technische Informatik I (SS 2006) 16

Teil 5: Embedded Systems 5b: Transputer Technische Informatik I (SS 2006) 17

Transputer 1983 inmos Ltd., später SGS Thomson der erste Chip, der remote gebootet werden konnte (über ein Netzwerk, wie in diesem Fall Transputer Serial Links) T225 16-bit Transputer T425 32-bit Transputer ST20450 32-bit Transputer T400 32-bit Low cost Transputer T805 32-bit Floating Point Transputer T9000 32-bit Floating Point Transputer speziell designed für Chip-by-Chip Arrays (verbunden durch Links) parallele Programmierung (intern) Technische Informatik I (SS 2006) 18

Transputer Array Technische Informatik I (SS 2006) 19

Transputer T805 Technische Informatik I (SS 2006) 20

Parallele Programmierung Programmiersprache OCCAM Wilhelm von Occam Franziskaner Mönch ~1290-1350 (Oxford, Paris, München) Occams Rozor = „keine nicht-notwendigen Annahmen machen“ Sprache OCCAM basierend auf CSP (communicating sequential processes) Hoare, 1978 dann entwickelt von David May, INMOS, >1982 speziell für Transputer Technische Informatik I (SS 2006) 21

Parallele Programmierung SEQ PAR t1:=a –- Kommentar ist „--“ t2:=b t3:=c x:=t1 y:=t2 z:=t3 PAR statements werden nicht zwangsläufig paralell ausgeführt, sondern nur bevorzugt Definition von PAR: „Reihenfolge egal“ Technische Informatik I (SS 2006) 22

Parallele Programmierung Kommunikation über Kanäle Schreiben und Lesen in einen Kanal geht gleichzeitig PAR SEQ ch1!a –- lese a aus Kanal ch1 ch2?b –- SEQ ch1?a –- schreibe a in Kanal ch1 ch2!c –- geht PAR SEQ ch1!a –- lese a aus Kanal ch1 ch2?b –- SEQ ch1!a –- lese a aus Kanal ch1 ch2?c –- geht nicht, sondern generiert einen Deadlock (!) Technische Informatik I (SS 2006) 23