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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
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Beispiel:
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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)
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Zur Einsparung von Speicher bei einfachen Mikrocontrollern: Verkürzte Adressierung zur Verkürzung der Befehle
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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
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4.2 Ein-/Ausgabeeinheiten Bindeglied des Mikrocontrollers zur Umwelt analog/digital seriell/parallel Übertragungsraten Übertragungsformate Übertragungsaufwand ...
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4.2.1 Anbindung an den Prozessorkern
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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
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Adressraumbedarf unterschiedlich komplexer EA-Einheiten
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Physikalische Anbindung durch Adressdecoder
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Zur Anpassung unterschiedlicher Datenübertragungsraten von Prozessorkern und EA-Einheiten : Synchronisation Von Seiten der EA-Einheit: Software-Synchronisation Hardware-Synchronisation
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Software-Synchronisation: Beispiel XON/XOFF
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Hardware-Synchronisation: Beispiel RTS/CTS
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Von Seiten des Prozessorkerns: Auswertung mit Polling oder Interrupt
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4.2.2 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
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Einfache parallele Eingabeeinheit:
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Einfache parallele Ausgabeeinheit:
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Einfache bidirektionale Einheit:
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4.2.3 Digitale serielle Ein-/Ausgabeeinheiten (serielle IO-Ports) Grundprinzip:
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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
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Asynchrone Übertragung Nach jedem übertragenen Zeichen wird synchronisiert
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=> 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)
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Synchrone Übertragung Rahmensynchronisation Höhere Übertragungsgeschwindigkeit, höhere Anforderungen an den Takt
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Komponentenaufbau
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Verbindungstechniken Serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung (Peer to Peer)
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Verbindungsbusse Beispiel: SPI (Serial Peripheral Interface, Motorola) Andere serielle Busse: RS485, USB, ...
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Serielle Datencodierungen
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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 D T D T D T D T D T D T D T D
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MFM (Modified Frequency Modulation) Halbiert den Aufwand von FM durch bedingtes Voranstellen eines Taktbits. Taktbit nur, wenn aktuelles und voriges Datenbit beide nicht 1 Daten MFM T D T D T D T D T D T D T D T D
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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.
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4.2.4 Analoge Ein-/Ausgabeeinheiten zur Verarbeitung durch den Prozessorkern müssen analoge in digitale Signale gewandelt werden
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Wandlungsfunktion: bei n Bit Auflösung => Aufteilung in 2n Schritte ULSB = (Umax – Umin) / 2n Digital/Analog-Wandlung U = (Z ULSB) + Umin Analog/Digital-Wandlung Z = (U – Umin) / ULSB
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Beispiel: Umax = 5 V, Umin = 0 V, 12-Bit-Wandlung => ULSB = 1,221 mV Wichtigste Kriterien für die Auswahl eines Wandlers Auflösung (n Bit) Spannungsbereich (Umin - Umax) Wandlungszeit Wandlungsfehler
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Digital/Analog-Wandlung R/2R-Widerstandsnetzwerk
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Funktion des Wandlers: Ik = z3 (Uref / 2R) + z2 (Uref / 4R) + z1 (Uref / 8R) + z0 (Uref / 16R) Für den Operationsverstärker gilt näherungsweise: U = -R Ik Daraus folgt: U = - (z3 (Uref / 2) + z2 (Uref / 4) + z1 (Uref / 8) + z0 (Uref / 16)) = - (z z z121 + z020) Uref / 24 = - Z Uref / 24 oder für n Bit: U = - Z Uref / 2n
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Statische Wandlungsfehler:
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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: Ik(0111) > Ik(1000)
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Dynamische Fehler: Glitches durch Wettläufe im Umschaltzeitpunkt, z.B. bei 0111 1000 Abhilfe: Abtast-/Halteglied (Sample and Hold)
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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
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Beispiel: das Wägeverfahren wandelt n Bits in n Schritten
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Ablauf: sukzessive Aproximation Wandlerfunktion: Z = 2n U / Uref = U / ULSB
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Statische Fehler: Quantisierungsrauschen systematischer Fehler, bedingt durch die begrenzte Auflösung => Abweichung des treppenförmigen vom tatsächlichen stufenlosen Analogsignal
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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: Bit Auflösung 49.8dB 12 Bit Auflösung 73.8dB 16 Bit Auflösung 97.8dB
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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 ULSB macht bereits das niederwertigste Bit unbrauchbar Abhilfe: Abtast-/Halteglied Takt-Jitter (Aperturfehler) Schwankung der Taktrate bei periodischer Abtastung analoger Signalverläufe
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