ΕΙΣΑΓΩΓΗ μέρος 1 ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΕΣ - ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ Π. ΚΩΣΤΑΡΑΚΗΣ Β. ΧΡΙΣΤΟΦΙΛΑΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ

Δομή Μαθήματος  Εισαγωγικά θεωρητικά μαθήματα  Εργαστήριο  Θεωρία - Ανάλυση Άσκησης  Ανάπτυξη – Υλοποίηση Άσκησης – Παράδοση κώδικα

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ  ΕΙΣΑΓΩΓΗ – ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ  mC / mP  ΔΕΚΑΕΞΑΔΙΚΟ  ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ  ΚΥΡΙΑ ΜΕΡΗ  μ C MC68HC705C8A  ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ - ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣ  ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΡΟΗΣ  ASSEMBLY  ΑΝΑΠΤΥΞΙΑΚΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟ

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ  ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ  ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΦΩΤΟΔΙΟΔΩΝ  ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΔΙΑΚΟΠΤΗ  ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΣΕ ΕΝΔΕΙΚΤΗ 7 ΤΟΜΕΩΝ  ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕ ΑΠΟΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΗ  ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ  ΠΛΗΚΤΡΟΛΟΓΙΟ

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ  Εισαγωγή στους μικροελεγκτές, Π. Κωσταράκης  Μικροεπεξεργαστές : Αρχές και Εφαρμογές, Gilmore  M68HC05 Applications Guide  MC68HC705C8A Technical Data

ΕΙΣΑΓΩΓΗ – ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ  Μικροϋπολογιστής : Είναι ένας υπολογιστής που χρησιμοποιείται για την είσοδο, επεξεργασία και έξοδο πληροφοριών.  Είδη μικροϋπολογιστών : Ανάλογα με τον πυρήνα τους χωρίζονται σε μικροϋπολογιστές με μικροεπεξεργαστή ( μ P - uP) και μικροϋπολογιστές με μικροελεγκτή ( μ C - uC)

ΔΙΑΦΟΡΕΣ μ P / μ C Ο μ P είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα που περιλαμβάνει CPU και κυκλώματα διευθυνσιοδότησης μνήμης. Ο μ C περιλαμβάνει επιπλέον ρολόι, θύρες εισόδου / εξόδου ( γενικότερα διάφορα περιφερειακά ) και εσωτερική μνήμη RAM & ROM. Είναι δηλαδή ένας πλήρης υπολογιστής ενσωματωμένος σ ’ ένα IC ( ενώ αντίθετα ο μ P γίνεται Η / Υ με την προσθήκη πολλών εξαρτημάτων ).

ΜΠΛΟΚ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ μ C Bus δεδομένων, εντολών, κλ π μPμP Μνήμη I/O συσκευές μCμC

ΔΙΑΦΟΡΕΣ μ P / μ C  O μ P χρησιμοποιείται σε πολύπλοκα μαθηματικά προβλήματα και σε μη θορυβώδη περιβάλλοντα, ενώ ο μ C σε εφαρμογές ελέγχου και σε θορυβώδη περιβάλλοντα ( βιομηχανία ).  Με απλά λόγια ο μ P ειναι μια κεντρικη μοναδα επεξεργασίας παρόμοια με αυτή που βρίσκουμε σε σε οποιοδήποτε PC

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ  Intel 4004 o πρώτος μικροεπεξεργαστής.  4-bit, 2300 ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡΣ  Νοέμβριος 1971  46 εντολές, « ταχύτητα » 740 ΚΗ z: ~5000 πιο αργός από τωρινούς μ P

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ  Zilog Z80  Ιούνιος 1976  8-bit  « ταχύτητα » 2.5MHz

Ο νόμος του Moore διατυπώθηκε το 1965 Ο αριθμός των τρανσίστορ που βρίσκονται σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα διπλασιάζεται κάθε 2 χρόνια. Η ισχύς των ολοκληρωμένων διπλασιάζεται κάθε 18 μήνες. Ο φυσικός Michio Kaku υποστηρίζει ότι ο περίφημος νόμος του Moore σύντομα (~2022) θα πάψει να επαληθεύεται, διότι το πυρίτιο φθάνει στα όριά του και χρειάζεται να βρεθεί υλικό που θα το αντικαταστήσει. Η κατασκευή ολοκληρωμένων στα 5 νανόμετρα είναι το απόλυτο όριο του πυριτίου και δε μπορεί να φτάσει πιο κάτω.

ΣΗΜΕΡΑ

mC Δεκάδες εταιρείες κατασκευάζουν microcontrollers. Intel: 8051/2 Atmel: AVR Microchip: PIC Motorola (Freescale) 68HC705  MC68HC705C8A

ΘΕΜΑΤΙΚΕΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ  Ορισμοί Βασικές Έννοιες  Ο μικροελεγκτής MC68HC705C8A  WIN IDE  Εργαστηριακές Ασκήσεις

ΔΕΚΑΕΞΑΔΙΚΟ ΣΕ ΔΕΚΑΔΙΚΟ DecHex A 11B 12C 13D 14E 15F 1F5C h 3 (Msb)210 hex1F5C dec μετατρ 1 ● (16 3 )15 ● (16 2 )5 ● (16 1 )12 ● (16 0 )

ΔΕΚΑΕΞΑΔΙΚΟ ΣΕ ΔΥΑΔΙΚΟ  0=0000 1=0001 2=0010 3=0011 4=0100 5=0101 6=0110 7=0111 8=1000 9=1001 A=1010 B=1011 C=1100 D=1101 E=1110 F= (Msb)210 hex1F5C bin

ΑΣΚΗΣΗ  Να μετατραπει το 9ABC h σε δεκαδικό και δυαδικό

ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ μ P/C – ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ  Ο κάθε επεξεργαστής έχει τη δικιά του αρχιτεκτονική  Μήκος λέξης δεδομένων  Μέγεθος μνήμης  Ταχύτητα εκτέλεσης εντολών

Μονάδες Bit: 0 ή 1 Byte: Σύνολο 8b, b Nibble: Μισό byte Word: 2 bytes

Μήκος λέξης δεδομένων  4-bits  8-bits  16-bits  32-bits  64-bits  O επεξεργαστής με το μεγαλύτερο μήκος λέξης θα εκτελέσει μια λειτουργία με τη μεγαλύτερη ταχύτητα άρα δεν υπάρχει λογός να χρησιμοποιούμε μ P 4,8,16,32-bits

Μήκος λέξης δεδομένων  Εξαρτάται απο την εφάρμογη που θα χρησιμοποιηθεί.  μ P 4 και 8 bits χρησιμοποιούνται σε προιόντα και εφαρμογές χαμηλού κόστους όπως αριθμομηχανές, τηλεφωνητές, τηλεχειριστήρια κλπ

Μήκος λέξης δεδομένων  Ο 32-bit μ P πόσες φορές ειναι γρηγορότερος απο τον 8-bit μ P?

Addr bus 1 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΩΝ ΜΝΗΜΗ (data + instr) Data bus Addr bus CPU ΜΝΗΜΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ instr Data bus 1 CPU Addr bus 2 Data bus 2 ΜΝΗΜΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ data Von Neumann Harvard

ΜΝΗΜΗ 68HC05 Η μνήμη των μ C της οικογένειας 68HC05 έχουν οργανωθεί σύμφωνα με την αρχιτεκτονική Von Neumann. Σ ’ αυτήν την αρχιτεκτονική το πρόγραμμα και τα δεδομένα εμφανίζονται στον ίδιο χάρτη μνήμης. Επομένως στην αρχιτεκτονική αυτή, η διασύνδεση της CPU με τη μνήμη γίνεται από έναν δίαυλο διευθύνσεων (address bus) και από ένα δίαυλο δεδομένων (data bus). Το address bus χρησιμοποιείται για να αναγνωρίσει η CPU τη διεύθυνση της μνήμης που θα προσπελάσει, ενώ το data bus για την μεταφορά δεδομένων από τη CPU προς τη μνήμη και αντίστροφα. ( Δίαυλος : η φυσική διασύνδεση που επιτρέπει την μεταφορά δεδομένων από ένα σημείο του υπολογιστή σε ένα άλλο. Κάθε αγώγιμη σύνδεση του διαύλου λέγεται γραμμή -line).

ΜΝΗΜΗ 68HC05  Η CPU του μ C MC68HC705C8A είναι 8-bit, κατά συνέπεια η μνήμη του οργανώνεται σε bytes (1byte=8bits).  Τα bytes τοποθετούνται το ένα έπειτα από το άλλο έτσι ώστε να σχηματίσουν μια ομάδα από 8192 bytes (0-1FFF) h.  Η χωρητικότητα της μνήμης του μ C είναι 8 Kbytes (8192 bytes) κατά συνέπεια το address bus του μ C αυτού είναι 13bits (2 13 =8192), ενώ το data bus είναι 8-bit.

ΤΥΠΟΙ ΜΝΗΜΗΣ 1. RAM (Random Access Memory) Read/write (R/W) Volatile (Πτητικές) 2. ROM (Read-Only Memory) Non-volatile EEPROM EPROM

H μνήμη του MC68HC705C8A αποτελείται από RAM για τα προσωρινά δεδομένα EPROM για τα μόνιμα δεδομένα

Μέγεθος μνήμης  Η CPU μπορει να κάνει address σε Χ bytes μνήμης. Η μνήμη μπορεί να είναι RAM, EPROM, EEPROM κλπ.  Γενικά Η μνήμη μπορει να ειναι μνήμη προγράμματος ή δεδομένων.  Η μνήμη προγράμματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως μνήμη δεδομένων.  Στη RAM γράφονται μεταβλητά δεδομένα

Πρόθεμα %  Δυαδικό $  Δεκαεξαδικό Χωρίς πρόθεμα  Δεκαδικό  15 =  %1111 = $F

MEMORY MAP Κώδικας μας

Ταχύτητα MC68HC705C8A  Για τη σωστή λειτουργία της CPU απαιτείται ένα ρολόι για το συγχρονισμό των διάφορων λειτουργιών. Για να ολοκληρωθεί η εκτέλεση μιας εντολής απαιτείται ένας αριθμός βημάτων. Κάθε βήμα εκτελείται σ ’ ένα « κτύπο » ρολογιού ( κύκλο μηχανής ).  Π. χ. η εντολή πρόσθεσης απαιτεί 5 κύκλους μηχανής για να εκτελεστεί. Η συχνότητα του ρολογιού και τα βήματα εκτέλεσης μιας εντολής καθορίζουν την ταχύτητα ενός μικροελεγκτή.

Ταχύτητα MC68HC705C8A  Ο μ C MC68HC705C8A που εξετάζουμε δέχεται μέγιστο εξωτερικό ρολόι συχνότητας 4MHz το οποίο διαιρείται εσωτερικά ÷2.  Τα βήματα εκτέλεσης μιας εντολή γίνονται σύμφωνα με το εσωτερικό ρολόι του μ C κατά συνέπεια κάθε κύκλος μηχανής υπολογίζεται t=1/2MHz=0.5 μ sec. Οι περισσότερες εντολές του μ C χρειάζονται 2-5 κύκλους μηχανής για να εκτελεστούν, κατά συνέπεια η CPU μπορεί να εκτελεί περίπου εντολές /sec. (0.5MIPS)

Ταχύτητα μ C  Ταχύτητα χρονισμού (Clock Speed) Η ταχύτητα με την οποία λειτουργεί ο ταλαντωτής χρονισμού  Million Instructions Per Second (MIPS) O αριθμός των εντολών μηχανής που εκτελεί ο επεξεργαστής σε ένα sec

Ταχύτητα μ P ΕΤΟΣμPμP MIPS at clock speed 1971 Intel MIPS at 740 kHz 1982 Intel MIPS at 12.5 MHz 1994 Intel Pentium188 MIPS at 100 MHz 2004 Pentium 4 Extreme Edition9,726 MIPS at 3.2 GHz 2013 Intel Core i7 4770k128,000 MIPS at 3.9GHz

Καταχωρητές (Registers)  Σημαντικό ξεχωριστό μέρος της αρχιτεκτονικής του κάθε μικροεπεξεργαστή αποτελούν οι καταχωρητές του.  Αποτελούν προσωρινές συσκευές αποθήκευσης δεδομένων.  Μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για συγκεκριμένες λειτουργίες

Instruction SET  Σετ εντολών μ C. Είναι το σύνολο εντολών που του επιτρέπουν να μετακινεί και να διαχειρίζεται δεδομένα. Είναι μοναδικό για κάθε επεξεργαστή αν και υπάρχουν παρα πολλά κοινά χαρακτηριστικά.

Ολοκληρωμένο σύστημα αναπτυξης μ C  Περιλαμβάνει το software που επιτρέπει στον σπουδαστή να γράψει, τροποποιήσει και να ελεγξει τον κώδικα.  Περιλαμβάνει το hardware που επιτρέπει στο σπουδαστή να ελέγξει σε πραγματικό χρόνο την ασκησή του

Ολοκληρωμένο σύστημα αναπτυξης μ C  Για να δοκιμαστεί η λειτουργία των ασκήσεων θα χρησιμοποιηηθει το software WinIDE. Το WinIDE περιλαμβάνει cross assembler, και debugger simulator. Με τη βοήθεια αυτού του αναπτυξιακού εργαλείου είναι εφικτή η προσομοίωση του μικροεπεξεργαστή και των on-chip περιφερειακών του.

Ολοκληρωμένο σύστημα αναπτυξης μ C

Πρόγραμμα IDE - ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ  WinIDE πρόγραμμα WinIDE πρόγραμμα  MC68HC705C8A: Technical Data MC68HC705C8A: Technical Data  M68HC05: Applications Guide M68HC05: Applications Guide  M68ICS05C In-Circuit Simulation M68ICS05C In-Circuit Simulation

ΣΥΝΟΠΤΙΚΑ 1. Μελέτη θεωρίας Άσκησης 2. Ανάπτυξη κώδικα, Προσωμοίωση 3. Προγραμματισμός μ C και έλεγχος σε αναπτυξιακή πλακέτα. 4. Παράδοση πηγαίου κώδικα κλπ αρχείων σε ηλεκτρονική μορφή