Mikrocomputertechnik

Präsentation zum Thema: "Mikrocomputertechnik"—  Präsentation transkript:

1 Mikrocomputertechnik
Herzlich Willkommen Prof. Jürgen Walter Herzlich Willkommen zur Vorlesung Mikrocomputertechnik. Mein Name ist Jürgen Walter. Betreut werden von mir die Vorlesungen Mikrocomputertechnik und Informationstechnik an der FH Karlsruhe und die Vorlesungen Internettechnologie an der Medien- und Eventakademie in Baden-Baden. Die Inhalte der Vorlesung Mikrocomputertechnik können Sie mit Hilfe dieser multimedial aufbereiteten Vorlesungseinheit nochmals studieren. Alle Folien können Sie natürlich auch über das Web herunterladen.

2 Vorlesung Mikrocomputertechnik
Wie? seminaristische Vorlesung Wo? Fachbereich F Raum: Wann? Montag 8:00-9:30 Dienstag 8:00-9:30 Labor: Dienstag Teilnehmer Mechatronik Fahrzeugtechnologie Die Vorlesung wird im seminaristischen Stil gehalten. Sie können also jederzeit Fragen stellen. Falls Sie etwas nicht verstehen, können Sie gerne um eine ausführlichere Erklärung bitten. Und falls Ihnen Anregungen einfallen, wie die Vorlesung interessanter wird, können Sie mir gerne eine schreiben. Aber bleiben Sie bitte nicht aufgrund der Schwerkraft sitzen! Die vorliegende Folie enthält noch organisatorische Informationen, welche sich beispielsweise bei einem Brand oder aufgrund einer Haushaltssperre ändern können. Solche speziellen Informationen werden Sie beim Studium im Web nicht interessieren.

3 Voraussetzungen zur Vorlesung
Informatik Grundlagen Programmiersprache C, Rechneraufbau Elektrotechnik Widerstand, Kondensator, Spule, Transistor Digitaltechnik Bool‘sche Algebra, TTL-Logik, Die Voraussetzungen zur Vorlesung sind sehr gering gehalten. Alle für die Mikrocomputertechnik wesentlichen Grundlagen aus den anderen Fachgebieten werden kurz behandelt. Andererseits sind zahlreiche Grundlagen aus diesen Fächern notwendig für das Verständnis. In dem Fachgebiet Informatik ist eine wesentliche Grundlage die Erstellung von Programmen in C oder einer anderen Programmiersprache. Das Basiswissen über den PC Personal Computer muss ebenso vorhanden sein. Eine sehr gute Darstellung finden Sie im Internet unter dem angegebenen Link. Im Fachgebiet Elektrotechnik beherrschen Sie die physikalischen Gesetze für die Anwendung der Bauteile: Widerstand, Kondensator, Spule und Transistor. Die Bool‘sche Algebra und der Aufbau von Gattern sollten bereits in der Digitaltechnik behandelt worden sein. Alle für die in der Vorlesung Mikrocomputertechnik eingesetzten Bauteile können Sie auch mit dem CBT Computer Based Training studieren. Das CBT liegt dem Buch Mikrocomputertechnik mit der 8051-Controller-Familie bei.

4 Lernhilfen zur Vorlesung
Volkscontroller Mikrocomputertechnik mit der 8051-Familie, J. Walter Datenblätter Internet Die Lernhilfen zur Vorlesung bezeichnen die Studenten mit dem Namen „Volkscontroller“. Das klassische Buch wird ergänzt durch ein vollständiges Entwicklungssystem bestehend aus Hard- und Software. Dieses System können Sie in der Bibliothek ausleihen. Der wesentliche Lernerfolg kommt bei der eigenen Entwicklung von Programmen. Diese Programme laufen auf der zusätzlichen Hardware ab. Falls Sie diese Hardware nicht haben, können Sie mit dem Simulator arbeiten. Für den Einsatz von Mikrocomputern ist das Lesen und das Verständnis der Datenblätter für Bauteile unabdingbar. Sie finden inzwischen alle Datenblätter von professionellen Firmen im Internet.

5 www-Adressen www.hit.fh-karlsruhe.de www.hit.fh-karlsruhe.de/walter
Lehrveranstaltung Mikrocomputertechnik Das Internet ist die wesentliche Informationsquelle. Der geübte Umgang mit den neuen Medien ist eine elementare Kulturtechnik wie Rechnen, Schreiben und Lesen. Ich betreibe deshalb mehrere Server, welche die Inhalte der Vorlesung darstellen und ergänzen. Die Einstiegsseite finden Sie unter: Auf dieser Seite befindet sich ein Link auf meine persönlichen Internetseiten. Dieser Link ist zusätzlich auf der Folie angegeben. Unter den Lehrveranstaltungen finden Sie die Mikrocomputertechnik. Der letzte Link führt auf zahlreiche von Studenten durchgeführte Projekte.

6 Internetseite Mikrocomputertechnik
Sehe Sie sich gemeinsam mit mir die Internetseite zur Mikrocomputertechnik an. Am linken Rand sehen Sie das geöffnete Inhaltsverzeichnis zu meinen Lehrveranstaltungen. Nachdem Sie auf Mikrocomputertechnik geklickt haben, erscheint rechts die Mikrocomputertechnik.

7 Die Internetseite zur Mikrocomputertechnik
Neben ein paar organisatorischen Daten finden Sie den Link „Multiple Choice“. Sie finden dort Prüfungsaufgaben mit denen Sie ihr Wissen überprüfen können. In der Mitte finden Sie eine umfangreiche Linksammlung zur Mikrocomputertechnik. Auf der rechten Seite finden Sie eine Sammlung von Prüfungsaufgaben. Der Vorlesungsinhalt gliedert sich in 8 Kapitel. Wie lernen Sie……

8 Inhalt der Veranstaltung
K1…… Zu jedem Kapitel gibt es Folien in HTML-Format. Ich benutze diese Folien während der Vorlesung. In der Spalte: „Telelearning Producer“ finden Sie alle Online-Seminare zu den Kapiteln. In der nächsten Spalte sind Multiple Choice Aufgaben zu den einzelnen Kapiteln oder zu einzelnen Einheiten des Mikrocontrollers zu finden. In der letzten Spalte finden Sie weitere wichtige Informationen und Hilfsmittel wie beispielsweise den 8051-Befehlssatz, Schaltpläne und Animationen. Welche Zielsetzung und welche Methoden verfolgt dieses Seminar? Ganz einfach:

9 Ziel und Methode Aufgaben mit Hilfe von µ-Controllern zu lösen?
Wenig Wissen auf Vorrat, Klavierspielen lernen Sie nur am Klavier. Eigenes Tun Gemeinsame Programmentwicklung Zusammenfassung der vorhergehenden Vorlesung. Verwendung von professionellen "Light-Versionen" Labor

10 Labor vollständige Entwicklung einer Flachbaugruppe und
deren hardwarenahe Programmierung. Controlleranbindung – Prozessanbindung zwei Studenten Methoden nach VDI 2222 und VDI 2422 Zeitplan Checkliste

11 Checkliste 1. Klärung der Aufgabe, Anforderungen 2. Abschätzung der CPU-Belastung - Datenflüsse 3. Wahl der CPU ( durch EURO_535 vorgegeben ) 4. Blockschaltbild der Karte. Wichtig ! Top-Down-Entwurf 5. Schaltplan, Einstellungen, I/O Ports - Tabelle 6. Bauteile Stückliste - Bezugsquellen für Bestellung 7. Layout - Bestückungsplan 8. Fertigungsunterlagen, Test- und Verarbeitungsunterlagen, Burn-In-Test 9. Fehlerfindung, Diagnose 10. Manual - Lieferumfang 11. Software - Liste verfügbarer Software 12. Weiterentwicklungswünsche, Verbesserungen

12 Wo werden Mikrocontroller eingesetzt?
PC-Tastatur Automobil Haushaltsgeräte PDA Personal Digital Assistant Handy Identifikation Checkkarte Wo werden Mikrocontroller eingesetzt? Nach einer Studie von Intel welche 2002 durchgeführt wurde, befinden sich in jedem durchschnittlichen amerikanischen Haushalt Mikrocontroller. Vielleicht haben Sie gerade einen in Form eine Scheckkarte in Ihrer Tasche? In der Folie sind verschiedene Geräte aufgezeigt, welche Mikrocontroller beinhalten. Es befinden sich Mikrocontroller in jeder PC-Tastatur. In Autos befinden sich normalerweise ebenso viele Mikrocontroller wie in einem amerikanischen Haushalt. Motormanagement Scheibenwischer Heizungsregelung Antischlupfregelung Im Autoradio Sitzverstellung Fensterheber In vielen Haushaltsgeräten befinden sich Mikrocontroller: Waschmaschine – Ablaufprogramm – evtl. sogar mit Internetanbindung zum Anpassen der Programme auf neu entwickelte Waschmittel oder Kleidungsstücke. Geschirrspülmaschine Im Radio In der Fernbedienung Oder beispielsweise in Ihrem PDA einem Palm oder Windows CE basierten Handheld Garantiert tragen Sie einen zweiten Mikrocontroller mit sich: Ihr Handy! Zur Identifikation können ebenfalls Mikrocontroller mit speziellen Verschlüsselungsverfahren zum Einsatz kommen. Vielleicht lassen Sie sich demnächst einen Chip einpflanzen? Kevin Warwick – Professor für Kybernetik hat sich einen Silizium-Chip zur Ortung und zum Öffnen von Türen einbauen lassen. Der erste reale Cyborg

13 Einführung in die Mikrocomputertechnik
Kapitel 1.2 Die Mikrocomputertechnik……..Buch S. 2……..gegeneinander abgrenzt. Einführung in die Mikrocomputertechnik

14 Ebenenmodell Ebene Beispiel Intelligente Programme, Maschinen
PDA, Schrift-, Spracherkennung, Turing Test Anwenderprogramme Winword, Excel, Maple Programmieren mit Objekten Visual Basic, Toolbook Objektorientierte Hochsprachen C++, Small-Talk Compiler, Interpreter, Linker Turbo C, MSC, C, Pascal, Basic , Lisp... Betriebssystem DOS, Unix, NT, System 7 Maschineninstruktionen - Assembler MOV µ-Controller, DSP 80535, DSP 21020 Zähler, Timer, FIFOs, Input-Output, 8253, 7202, 8251, 8255 µ-Prozessor, Arithmetik-Prozessor... 8085, 80486, 68000, 80387 Dieses Ebenenmodell kann sehr gut zur Klärung der Inhalte, mit denen sich Mikrocomputertechnik beschäftigt herangezogen werden. Dabei gibt es wie in allen wissenschaftlichen Fächern Schnittstellen zu anderen Fachgebieten. Die unterste Ebene beschreibt einfache Bauelemente wie: Widerstände, Kondensatoren, Spulen, Dioden und Transistoren. Diese Ebene lässt sich dem Fachgebiet Elektrotechnik zuordnen. Die Modelle zur Beschreibung der elektrotechnischen Vorgänge beinhalten eine große Komplexität. Die Maxwell‘schen Gleichungen beschreiben diese Vorgänge. Die darüber liegende Ebene ist das Kerngebiet der Digitaltechnik. Die logischen Gatter und die Flip-Flops als Speicher stehen vereinfacht für das Fachgebiet. Die Register und die dazwischen liegenden Adress- und Datenleitungen sind Berührungspunkte zwischen Digitaltechnik und Mikrocomputertechnik. Das Mikroprogramm ist wesentlicher Bestandteil eines jeden Prozessors. Es steuert die gesamten Abläufe bei Ausführung eines Befehls. Der Entwurf des Mikroprogrammes ist nicht Gegenstand dieser Vorlesung. Aber jeder einzelne Befehl in den Programmen löst jeweils die Abarbeitung eines Mikroprogrammes aus. Abgearbeitet wird dieser Mikrocode mit Hilfe des Steuerwerks. Die nächsten Ebenen sind ureigener Bestandteil der Mikrocomputertechnik. Studieren Sie die verschiedenen Prozessoren und deren unterschiedliche Architektur in Kapitel 8 des Buches. Kombiniert man die Bauteile der nächsten Ebene: Zähler, Timer, FIFOs, Input-Output-Bausteine mit dem Mikroprozessor entsteht daraus der Mikrocontroller. Auch DSPs – digitale Signalprozessoren – bestehen meist aus einem Prozessorkern mit integrierten Peripheriebausteinen. Alle Prozessoren werden mit Assembler – der Maschinensprache – programmiert. Stellvertretend wurde hier der 8051-Befehl: MOV gewählt. Der Inhalt der Speicherzelle deren Adresse in R0 steht wird in den Akkumulator verschoben. Keine Angst ….. diesen Sachverhalt werde ich später nochmals genauer darstellen. Jedes Mikrocomputersystem benötigt ein Betriebssystem. Sobald die Verwaltung von externen Speichermedien notwendig ist, werden solche Betriebssysteme sehr aufwendig. Wir werden für den Aufbau von Betriebssystemen nur wenige Grundlagen wie Interrupt und Polling behandeln. Der Aufbau von Betriebssystemen ist ein wesentliches Kerngebiet der Informatik. Die Übersetzungsprogramme welche ausführbaren Maschinencode erzeugen werden Compiler genannt. Der Linker verbindet die einzelnen Programmmodule und weist diesen auch den Speicherplatz zu. Der Interpreter übersetzt ebenso wie der Compiler die Programme. Aber im Unterschied zum Compiler während der Abarbeitung des Programms – also jedesmal. Die Weiterentwicklung der Computersprachen brachte die nächste Ebene hervor: Objektorientierte Hochsprachen in Form von C++, C#, Java oder Small-Talk. Entwicklungswerkzeuge wie Tollbook, Visual Basic oder auch Simulink ermöglichen das Programmieren mit Objekten. Ein typisches Objekt wäre ein Fenster zum Öffnen von Dateien. Winword, Excel, Powerpoint, Frontpage oder Maple sind relativ einfach durch den Anwender zu bedienen. Unterschätzen Sie aber nicht die Komplexität, solche Programme zu entwickeln. Intelligente Programme oder Maschinen mit Intelligenz bilden die oberste Ebene. Der Turing Test beschäftigt sich genau mit dieser Frage: Können Maschinen die Intelligenz von Menschen haben. Wobei ich der Überzeugung bin, dass der Computer die Intelligenz von 1m Feldweg hat. Er hat keinen Geist, keine Seele und kein Gefühl. µ-Programm Steuerwerk Register, Adress- und Datenwege 74F374, A0...A31, D0....D15 Gatter, Flip-Flops Nand, Nor, D-Flip-Flop Transistoren, Widerstände, Kondensatoren BC107, 1k, 20 µF

15 Schnittstellen Ebene Beispiel Intelligente Programme, Maschinen
PDA, Schrift-, Spracherkennung, Turing Test Anwenderprogramme Winword, Excel, Maple Programmieren mit Objekten Visual Basic, Toolbook Objektorientierte Hochsprachen C++, Small-Talk Compiler, Interpreter, Linker Turbo C, MSC, C, Pascal, Basic , Lisp... Betriebssystem DOS, Unix, NT, System 7 Maschineninstruktionen - Assembler MOV µ-Controller, DSP 80535, DSP 21020 Zähler, Timer, FIFOs, Input-Output, 8253, 7202, 8251, 8255 µ-Prozessor, Arithmetik-Prozessor... 8085, 80486, 68000, 80387 In dieser Folie sind die Ebenen der Mikrocomputertechnik blau hinterlegt. Dabei gibt es wie in allen wissenschaftlichen Fächern Schnittstellen zu anderen Fachgebieten. Diese Schnittstellen oder auch Grenzen sind oftmals fließend. Eine Vernetzung und Durchdringung dieser Ebenen sollte immer wieder eine Herausforderung sein. Lassen Sie sich……..Buch S deshalb folgende Darstellung: µ-Programm Steuerwerk Register, Adress- und Datenwege 74F374, A0...A31, D0....D15 Gatter, Flip-Flops Nand, Nor, D-Flip-Flop Transistoren, Widerstände, Kondensatoren BC107, 1k, 20 µF

16 Ebenenmodell grafisch
Die Mikrocomputertechnik…Buch S. 3 -

17 Theorie des Klavierspiels
Sie müssen: bestimmte Tasten zum richtigen Zeitpunkt mit der gewünschten Stärke und der richtigen Dauer anschlagen.

18 1.3 Erläuterungen zum Sprachgebrauch
Das erste Großprojekt der Menschheitsgeschichte ging aufgrund der Kommunikation schief! Deshalb möchte ich einige Erläuterungen zum Sprachgebrauch geben. Pieter, Brueghel d.Ä. Der Turmbau zu Babel

19 1.4 Begriffsbestimmung Mikrocomputer
Kleiner leistungsfähiger Computer PC, Laptop, Notebook, Palmtop, Mikrocontroller Ursprünglich menschlicher oder maschineller Rechner Heute – Synonym für programmgesteuerte Rechenautomaten

20 Computer Analogcomputer Digitalcomputer Hybridrechner

21 Charakteristiken für den Mikrocomputer
Austauschbares Programm Universalität kann beliebig wohldefinierten Automaten simulieren Selbstbezüglichkeit Approximation einer Turingmaschine

22 Prozessor, Controller, Computer
Timer Interrupt Schnittstellen Chip Platine Tastatur Eingabeeinheit c:> Ausgabeeinheit Chips

23 Marie von Ebner-Eschenbach (1830-1916)
1.5 Turingmaschine Für das Können gibt es nur einen Beweis: das Tun. Marie von Ebner-Eschenbach ( )

24 Turingmaschine Charakteristiken
Speichermedium Band unendlich langes Band Beliebig viele Zustände Z Zeichen E1....En ( E>=2) Operationen Schreib-Lese-Kopf Schreiben Lesen Sonderoperationen als Pseudozeichen E0 Löschen identisch mit * Rechenschritte beenden L Linksverschiebung des Bandes um ein Zeichen R Rechtsverschiebung des Bandes um ein Zeichen

25 Turingmaschine

26 Schaltnetz - Schaltwerk

27 µ-Controller – Darstellung

28 Theorie des Mikrocontroller Chips
Sie müssen: bestimmte Pins zum richtigen Zeitpunkt mit der der richtigen Dauer auf „1“ oder „0“-Pegel legen.

29 Pegelzuordnungen

30 Vielen Dank Ich hoffe, es hat Ihnen Spaß gemacht und bedanke mich für Ihre Aufmerksamkeit.