1 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 2.5. Mikrocontroller-Komponenten 2.5.3 Zeitgeberbasierte Einheiten Wichtig für Echtzeitanwendungen Basis für viele Mikrocontroller-Komponenten 2.5.3.1 Zähler und Zeitgeber (Counter and Timer) Grundaufgaben: Zählen von Ereignissen Messen von Zeiten Wecken Erzeugung von Impulsfolgen
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Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 1 2.5. Mikrocontroller-Komponenten 2.5.3 Zeitgeberbasierte.
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1Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
2.5.3 Zeitgeberbasierte Einheiten
Wichtig für Echtzeitanwendungen
Basis für viele Mikrocontroller-Komponenten
2.5.3.1 Zähler und Zeitgeber (Counter and Timer)
Grundaufgaben:
Zählen von Ereignissen
Messen von Zeiten
Wecken
Erzeugung von Impulsfolgen
2Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
Prinzipieller Aufbau:
Unterbrechung
Zähler(+/-)
Zählerstandsregister
Startwertregister
SteuerungTakt undAusgang
1:n
internerTakt
externer Takt/EreignisseFreigabe
Ausgang
Datenbus
3Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
Funktionsweisen
Zählen von Ereignissen
Externer Takt =zu zählendeEreignisse
. . .
Freigabe . . .
Zählerstand 0 1 2 3 . . . Z
4Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
Messen von Zeiten
Interner oderexterner Takt,z.B. 1MHz
. . .
Freigabe = zeit-lich zu vermes-sendes Signal
. . .
Zählerstand 0 1 2 . . . Z-1 Z
T
Verschnitt Verschnitt
T = Zählerstand Taktzykluszeit
5Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
Erzeugen einmaliger Impulse, einmaliges Wecken
Interner oderexterner Takt,z.B. 1MHz
. . .
Freigabe . . .
Zählerstand Z Z-1 . . . 2 1 0
Ausgabe (a)
. . .
Ausgabe (b). . .
Unter-brechung (c)
TWecken
. . .
. . .
T = (Startwert + 1) Taktzykluszeit.
6Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
Erzeugen mehrmaliger Impulse, mehrmaliges Wecken
Interner oderexterner Takt,z.B. 1MHz
. . .
Freigabe . . .
Zählerstand Z Z-1 . . . 2 1 0 Z Z-1 . . . 2 1 0 Z
Ausgabe (a) . . .
Ausgabe (b). . .
Unter-brechung (c)
T
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
T
. . .
7Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
Enthält ein Mikrocontroller mehr als einen Zähler und Zeitgeber, so spricht man von Zähler- und Zeitgeberkanälen
Eine Reihe von Anwendungen erfordern mehr als einen solchen Kanal
Beispiel: Quadratur-Decodierung
8Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
Quadratur-Decodierung: Drehrichtungs-Erkennung mit Codierscheibe
L1L2
L1
L2
Rechtsdrehung Linksdrehung
Drehrichtung rechts:L2 wird immer kurz vor L1 aktiv
Drehrichtung links:L1 wird immer kurz vor L2 aktiv
9Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
2.5.3.2 Capture- und Compare-Einheit
Einfangen und Vergleichen von ZählerständenDatenbus
21Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
2.5.4 Speicher
Zur Reduktion der Anzahl externer Komponenten enthalten viele Mikrocontroller eine begrenzte Menge Speicher
Flüchtiger Schreib-/Lesespeicher zur Speicherung von Daten
Nichtflüchtiger Festwertspeicher zur Speicherung von Programmen und Konstanten
Kleinere Anwendungen können dann vollständig mit dem integrierten Speicher realisiert werden
22Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
Anbindung an den Adressraum des Prozessorkerns: Adressdecoder
Prozessor- kern
Datenbus
Adressdecoder
(interprtiert MIO in umgekehrterWeise wie der Adressdekoder für
Ein-/Ausgabeeinheiten)
Schreib-/Lesespeicher
Festwertspeicher
Adressbus
MIO
RWSelect 1 Select 2
AS
23Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
Adressraum des
Mikrocontrollers
Speicher-Adressraum
Festwert-speicher
Schreib-/Lesespeicher
EA (bei gem.Addressierung
0
max.Speicheradresse
24Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
Auswahl der Speicherzellen innerhalb des Speichers
Prozessor- kern
Adressdecoder
(interprtiert MIO in umgekehrterWeise wie der Adressdekoder für
Ein-/Ausgabeeinheiten)
Adressbus0 .. n-1 m .. n-1
MIO
Select 1 Select 2
AS
2m Speicherzellen
interner Adressdecoder
. . .
0 .. m-1
Als lineare Liste sehr leitungsintensiv (2m Auswahlleitungen)
25Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
Daher besser interne Organisation in Form einer Matrix
Minimale Leitungsanzahl bei quadratischer Matrix
2m Speicherzellen
m/2-Bit Spaltenadresse
m/2-BitZeilenadresse
Zeilen-adressdecoder
Spaltenadressdecoder,Spaltenauswahl
quadratischeSpeichermatrix
Daten
m-Bit Adresse
2m/2 Leitungen (Wortleitungen)
2m/2 Leitungen (Bitleitungen)
Select
26Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
Festwertspeicher
Maskenprogrammiert (ROM, Read Only Memory)
Inhalt einer Speicherzelle wird bereits durch die Herstellungs-maske des Chips festgelegt (z.B. durch Verbinden oder Nicht-verbinden eines Kreuzungspunktes der Zeilen- und Spalten-auswahlleitungen durch einen Transistor) => Mikrocontroller in Großserienanwendungen
Benutzerprogrammiert (PROM, Programmable Read Only Memory)
Benutzer kann den Inhalt einer Speichrzelle einmal ändern,
z.B. durch Zerstörung eines Transistors im Kreuzungspunkt
=> Mikrocontroller in Kleinserienanwendungen
27Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
Festwertspeicher
UV-löschbar (EPROM, Erasable Programmable Read Only Memory)
Inhalt einer Speicherzelle kann programmiert und durch UV-Licht
wieder gelöscht werden (z.B. durch Verbinden oder Nicht-verbinden eines Kreuzungspunktes durch FAMOS-Transistor) => Mikrocontroller in Prototypen- und
Kleinserienanwendungen
Variante ohne Quarzglasfenster: OTROM (One Time Programmable ROM)
Billigeres Gehäuse, speziell für Kleinserien
28Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
Festwertspeicher
Elektrisch löschbar (FlashRAM, EEPROM, Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)
Inhalt einer Speicherzelle kann programmiert und elekrtisch wieder gelöscht werden (z.B. durch Verbinden oder Nicht-verbinden eines Kreuzungspunktes durch FLOTOX- oder
ETOX-Transistor)
- FlashRAM kann nur blockweise gelöscht werden
- EEPROM kann einzelzellenweise gelöscht werden
=> Mikrocontrolleranwendungen mit der Möglichkeit zum Software-Update, Speichern von Konfigurationsdaten
29Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
2.5. Mikrocontroller-Komponenten
Schreiblesespeicher
statischer Speicher
Inhalt der Speicherzelle wird durch ein Flipflop realisiert
(schnelle, aber aufwändige Speicherzelle)
dynamischer Speicher
Inhalt der Speicherzelle wird durch einen Kondensator realisiert