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Vorlesung MikrocontrollerTeil 17.1.2008
Dipl.-Informatiker
Swen Habenberger
Vorlesung Mikrocontroller
Organisatorisches
Vorlesungszeiten Mittwoch, 7.45-11.00 Integrierte Übungen
Prüfung Klausur im Mai
Kontakt [email protected]
Folien stehen ab Ende Januar zur Verfügung
Vorlesung Mikrocontroller
Organisatorisches
Literatur Atmel Prozessordatenblätter
Buchempfehlung Bücher sind mit erscheinen bereits veraltet, daher keine
Pflichtlektüre Rechnerorganisation und -entwurf von David A. Patterson, John
L. Hennessy, Arndt Bode, und Wolfgang Karl (20 €) Computerarchitektur. Strukturen - Konzepte - Grundlagen von
Andrew S. Tanenbaum (50 €) Computer Architecture. A Quantitative Approach von John L.
Hennessy und David A. Patterson von Academic Press (45 €)
Fragen und Anregungen sind erwünscht
Vorlesung Mikrocontroller
Vorlesung Mikrocontroller
Überblick
Geschichte des Mikrocontrollers Aufbau und Funktion Mikroprozessor Peripheriekomponenten Datenübertragung
Parallel Seriell
Programmierung eines Mikroprozessors in Assembler
PID-Regler
Vorlesung Mikrocontroller
Was ist ein Mikrocontroller?
Rechenmaschine Beruht auf Mikrochip
Bildet die Reale Welt in ein technische Welt ab Rechnet Bildet die technische Welt wieder in die Reale
Welt ab Heute sind Mikrocontroller omnipräsent
Auto, Waschmaschine, Armbanduhr, Handy, el. Zahnbürste, etc.pp.
Vorlesung Mikrocontroller
Seit wann gibt es Rechenmaschinen?
Abakus ca. 1000 v.Chr. Arabische Welt hat
Grundlagen für die Algebra gelegt
Aryabhata (6. Jh) Rechnet mit 0 Berechnet PI mit 3,1416
Vorlesung Mikrocontroller
Wie ging es weiter?
Gottfried Wilhelm Leibniz 17. Jahrhundert
Mechanischer Rechenautomat
Duales Zahlensystem Matrizen und
Determinanten Infinitesimalrechnung Unterseeboot Begründer der Logik
Vorlesung Mikrocontroller
Industrielle Revolution (19. Jh.)
Jaquard: Lochkarte am Webstuhl
George Boole Boolsche Algebra Aussagenlogik
Hollerith Lochkartenmaschine zur
Volkszählung Wurde 1933 und 1939 in
Deutschland zur Volkszählung eingesetzt
Teil des IBM-Konzerns
Vorlesung Mikrocontroller
Konrad Zuse
Z1-Z4 Z3 erste Turingmaschine
Gleitkommazahlen Grundlagen für IEEE754 Exponent und Mantissendarstellung
Plankalkül Erste Programmiersprache der Welt
Vorlesung Mikrocontroller
Turing
Hat den Enigma-Code entschlüsselt Erfinder des ersten Schachprogamms Turingmaschine Erweitert Gödels Arbeit Erste Computer mit Röhren
Bugs
Vorlesung Mikrocontroller
Eniac
Erster voll digitaler Computer
10x17 m bei 27 t Gewicht 17468 Röhren, 7200
Dioden, 70000 Widerstände
Stromverbrauch: 174 kW
Vorlesung Mikrocontroller
Von-Neumann (1945-1953)
Von-Neumann-Architektur EDVAC-Rechenmaschine Von Neumann-Zyklus
1. FETCH
2. DECODE
3. FETCH OPERANDS
4. EXECUTE
5. (WRITE-BACK)
Vorlesung Mikrocontroller
Transistortechnik
1956 Physiknobelpreis für Mitarbeiter der Bell Labs
Feldeffektransistor (FET) MOSFET, eigentlich MISFET
Bipolartransistor Zuerst aus Germanium Später aus Silizium
Erster europäischer Rechner: Mailüfterl 4x0,5x2,5m groß
Vorlesung Mikrocontroller
Intergrierte Schaltkreise IC
Transistoren werden aus einem Stück Kristall gefertigt Wegfall von Leiterplatten
Patentiert von Texas Instruments 1971 Intel 4004 (1971)
2300 Transistoren
Intel Itanium (2006) 1.700.000.000 Transitoren
Vorlesung Mikrocontroller
Vorlesung Mikrocontroller
Vorlesung Mikrocontroller
Zitate
John C. Edwards, brit. ZukunftsforscherWenn es im Jahre 1879 schon Computer gegeben hätte, würden diese vorausgesagt haben, daß man infolge der Zunahme von Pferdewagen im Jahre 1979 im Pferdemist ersticken würde.
Popular Mechanics, forecasting the relentless march of science, 1949 Computer der Zukunft werden nicht mehr als 1.5 Tonnen wiegen. Thomas Watson, Vorsitzender von IBM, 1943Ich denke, daß es einen Weltmarkt für vielleicht fünf Computer gibt .
Vorlesung Mikrocontroller
Zitate Ken Olson, Präsident, Vorsitzender und Gründer von Digital
Equipment Corp., 1977Es gibt keinen Grund, warum irgend jemand einen Computer in seinem Haus wollen würde.
Michio Kaku, amerik. Physiker u. Hochschullehrer, Prof. f. theoret. Physik, City University of New YorkWer heute eine Geburtstagskarte bekommt, die beim Aufklappen "Happy Birthday" spielt, hat mehr Rechenleistung in der Hand, als die alliierten Streitkräfte im Jahr 1945 besaßen.
André Kostolany - ungarischer Börsenspekulant (1908 - 1999). DV-Systeme verarbeiten, womit sie gefüttert werden. Kommt Mist rein, kommt Mist raus.
„640K ought to be enough for anybody.“,Angeblich Bill Gates, Gründer von Microsoft, 1981
Vorlesung Mikrocontroller
Intel 4004
Vorlesung Mikrocontroller
Amd Opteron
Vorlesung Mikrocontroller
Fragen ?
Vorlesung Mikrocontroller
Microcontroller Mikrocontroller (µController, µC, MCU) sind Chips, die neben dem
Prozessor auch Peripheriefunktionen auf dem Chip vereinen. Arbeits- und Programmspeicher teilweise oder ganz auf dem Chip
System on a Chip (SoC) Peripheriefunktionen:
Controller Area Network (CAN) Local Interconnect Network (LIN) Universal Serial Bus (USB) Inter-Intergrated Circuit (I²C) Serial Peripheral Interface (SPI) Serielle und Parallele Schnittstellen Ethernet-Schnittstellen PWM-Ausgänge LCD-Controller Analog-Digital-Wandler
Einige Mikrocontroller verfügen auch über programmierbare digitale und/oder analoge Funktionsblöcke.
Vorlesung Mikrocontroller
AVR32 32-bit Microcontroller AT32AP7000 Reduced power consumption and heat dissipation Reduced CPU clock frequency Higher throughput / MHz Ease of development Well-featured, industry standard development tools and OCD
system Rich instruction set Higher Performance Zero-cycle branches SIMD DSP instructions 186 innovative RISC instructions 7-stage pipeline with parallel out-of-order execution Exceptional code-density reduce cache-misses and increase
throughput
Vorlesung Mikrocontroller
Einteilung von Rechnerarchitekturen
Klassifikation nach Flynn Single Instruction – Single Data Stream (SISD)
Klassischer von Neumann-Rechner
Single Instruction – Multiple Data Stream (SIMD) Vectorrechner
Multi Instruction – Multiple Data Stream (MIMD) Multiprozessorsysteme
Multi Instruction – Multiple Data Stream (MISD) Schwer vorstellbar
Vorlesung Mikrocontroller
MISD
Systolisches Array
Vorlesung Mikrocontroller
MIMD
Vorlesung Mikrocontroller
SIMD
Feldrechner Vektorrechner MMX SSE
Algorithmen müssen angepasst werden
Vorlesung Mikrocontroller
SISD
Von Neumann Architektur
Vorlesung Mikrocontroller
SISD
Vorlesung Mikrocontroller
Unterteilung von SISD
Complex Instruction Set Computing (CISC) Viele Befehle Mikroprgramme in einem Befehl Mehrere Register können in einem Befehl bearbeitet
werden 4-10 Taktzyklen pro Befehl
Reduced Instruction Set Computing (RISC) Weniger Befehle Viele Register Einführung von Pipelines
Vorlesung Mikrocontroller
Vorlesung Mikrocontroller
NGW100
Vorlesung Mikrocontroller
Fragen?
Vorlesung Mikrocontroller
Digitale Logik
Technische Darstellung Logische Darstellung
TTL V.24 Transmissionsfaktor
Boolsche Algebra
Schalt-algebra
0.0 .. 0,8 V 12 ..3 V 0..40 % 0 (falsch) L
2,0 .. 5,0 V -3 .. -12 V 70 .. 100 %
1 (wahr) H
Vorlesung Mikrocontroller
Boolesche Alegbra
AND (*) OR (+) NOT XOR NOR NAND
De Morgansche Regeln
Vorlesung Mikrocontroller
Wichtigste Bausteine
Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) Auf einem Substrat sind p-Kanal und n-Kanal
realisiert
NAND Elektrisch: Reihenschaltung USB-Stick
NOR Elektrisch: Parallelschaltung EPROM
Vorlesung Mikrocontroller
Komplementdarstellung
Einer-Komplement Höchstwertiges Bit bestimmt das Vorzeichen Negative Zahl
Rechne Dezimalzahl in Binärzahl um Invertiere alle Bits
Nachteil: Doppelte Darstellung der Null
Zweier-Komplement Negative Zahl
Rechne Dezimalzahl in Binärzahl um Invertiere alle Bits Addiere 1
Vorlesung Mikrocontroller
Darstellung von Zahlen
Mensch: Deziamlsystem (Basis 10)
Computer: Binärsystem (Basis 2)
Zwischenform Hexadezimalsystem (Basis 16)
Vorlesung Mikrocontroller
BCD-Kodierte Zahlen
4 Bits für eine Zahl zwischen 0 und 9 0000 = 0 1001 = 9
Vorlesung Mikrocontroller
Fliesskommazahlen (IEEE754)
X = S * m * b^e S = Vorzeichenbit (i.A. 1 Bit) M = Mantisse (8 Bit / 11 Bit) E = Exponent ( 23 Bit / 52 Bit ) B = Basis (i.A. 2)
Fliesskommaarithmetik ist nicht trivial Prozessoren besitzen eigene
Fliesskommaeinheiten
Vorlesung Mikrocontroller
Übung zu Binärdarstellung und Hexadezimalzahlen
Übung zu Fliesskommazahlen