Technische Informatik I (SS 2006) 1

Teil 5: Embedded Systems

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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 sauf einen Interrupt reagieren,z.B. ABS beim Auto)

single-chip computer

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Anwendung von „Embedded Systems“

z.B. Fließbandsteuerungoder Steuerung von Prozessen in industrieller Fertigung

mußIn

Echtzeitarbeiten

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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

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Teil 5: Embedded Systems

5a: Mikrocontroller

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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

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Intel 8051

mit 12 MHz Clock kann der 8051 immerhin1 million one-cycle instructions per second or 500,000 two-cycle instructions per second

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Intel 8051

„nur“ 256 RISC

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Wo kann man den 8051 kaufen ?

bei CONRAD bestellbar nur EURO 1,82 von Infineon

gibt es auch bereits als „cores“ für FPGAs !

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auch Intel 80x86 SISD = single instruction single data

> SIMD, MISD und MIMD sind nicht von-Neumann Typ Prinzip

Von-Neumann Architektur

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HARVARD-Architektur

Datenspeicher

Befehlsspeicher

Programm- und Datenspeicher werden getrennt

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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

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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 !

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8051 Speicher

Externes RAM 80 Register !

(das ist möglich weilRISC !)

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

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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)

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8051 Special Function Register (SFR)

SP: Stack Pointer

DPL/DPH:Data pointer low/high16 Bit Pointerauf 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…)

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Teil 5: Embedded Systems

5b: Transputer

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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)

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Transputer Array

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Transputer T805

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Parallele Programmierung

Programmiersprache OCCAM Wilhelm von Occam

Franziskaner Mönch ~1290-1350(Oxford, Paris, München)Occams Rozor = „keine nicht-notwendigen Annahmen machen“

Sprache OCCAMbasierend auf CSP (communicating sequential processes)Hoare, 1978dann entwickelt von David May, INMOS, >1982

speziell für Transputer

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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“

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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 (!)