http://vision.fe.uni-lj.si

GSPV (1)Gradniki sistemov procesnega vodenja

Stanislav Kovačič

Univerza v LjubljaniFakulteta za elektrotehniko

Cilj predmetaCilj predmeta

Spoznati osnove delovanja in uporabe mikrokrmilniških vgradnih sistemov na primeru HCS12 in deloma AVR

Spoznati nekatera osnovna načela naprednejših mikroprocesorskih sistemov

z arhitekturnega stališča

Vgradni sistemiVgradni sistemiVgradni sistemi(pogosto: vgrajeni sistemi), (angl. Embedded Systems)Sistemi (deli sistemov, naprav, komponent) temelječi na računalniških tehnologijah, ki navzven niso videti kot računalnik.

Stanley, Stanford Universityzmagovalec DARPA Grand Challenge 2005Predelan Volkswagen (drive by wire), Opremljen z raznimi senzorji:GPS, pospeškometer, giroskop, odometer,LIDAR, kamere6 Intel 1,6 GHz Pentium, LinuxVir: Wikipedia

MikrokrmilnikiMikrokrmilnikiMikrokrmilniki: vse zmogljivejši visoko integrirani, samostojno delujoči mikroračunalniški sistemi:(mikro)procesor, pomnilnik, v/i vmesniki in krmilniki.

MikroprocesorjiMikroprocesorjiNapredni mikroprocesorji ali kar procesorji, vse hitrejše, zmoglivejše CPE računalnikov.

PrimeriPrimeriInteligentne kamere, hišna, industrijska avtomatizacija, avtomobilska elektronika, medicinska elektronika, robotika, komunikacije, …

Iz vsebineIz vsebine

1. Uvod2. Zgradba in delovanje računalnika3. Mikrokrmilnik HCS12: zgradba, CPE4. Mikrokrmilnik HCS12: zbirni jezik5. HCS12: Sklad, podprogrami, prekinitve, V/I6. HCS12: SCI - serijski komunikacijski vmesnik7. HCS12: Časovnik, A/D pretvornik, CAN8. HCS12: Programski jezik C9. Mikrokrmilnik AT90S8515 AVR RISC procesor10.AT90S8515

Iz vsebineIz vsebine

11. Navidezni pomnilnik12. Predpomnilnik13. Cevovodi14. Prekinitveni sistemi, obdelava izjem15. Realni čas, OS, ...

I. Izpit: pisni (“praksa”) + ustni (“teorija”)II. Predpogoj: opravljene lab. vaje (HCS12)III. Ali namesto pisnega izpita:

doma Atmel AVR (STK, ICE, AvrStudio)ali poljuben mikrokrmilnik

LiteraturaLiteratura

Študijsko gradivo, na domači strani predmetahttp://vision.fe.uni-lj/classes/GSPV

Knjige: veliko tujih in nekaj domačih(bomo navedli ob primernem času)

Dokumentacija proizvajalcevhttp://www.freescale.comhttp://www.atmel.com

Drugi viri na spletu

Uvod – Uvod – nekaj iz zgodovinenekaj iz zgodovine

Obdobje mehanike17. – 18. Stoletje

Obdobje elektromehanikeKonec 19., začetek 20. Stoletja

Obdobje elektronike20. stoletje ->

Uvod – Uvod – obdobje mehanikeobdobje mehanikeStroji, ki znajo nekatere osnovne računskeoperacije, z malo ali nič možnosti za “programiranje”, t.i. “kalkulatorji”

Wilchelm Schickard (1592-1635): (+,-,*) Blaise Pascal (1623 – 1662): (+,-) Gotfried Leibniz (1646-1716): (+,-,*,/) Charles Babbage (1792-1871)

Diferenčni stroj (1823): avtomatsko izvajanje zaporedja operacij

Analitični stroj (1834): možnost krmiljenja zaporedja operacij

Uvod – Uvod – obdobje mehanikeobdobje mehanike

Analitični stroj: delovanje vodi program, predviden za reševanjesplošnih problemov, krmiljenje zaporedja operacij

Podatkovnekartice

Mlin Pomnilnik Tiskalnikluknjalnik

Ukazi Podatki

Ukaznekartice

“Program”

Uvod–Uvod–obdobje elektromehanikeobdobje elektromehanike

To je obdobje relejev in motorjev Herman Hollerith (1860 – 1929):

števne, sortirne in tabelirne naprave na osnovi luknjanih kartic1924: IBM

Konrad Zuse (1910 – 1995): Z1, Z2, Z3,Prvi uporabi binarno predstavitev in aritmetiko s plavajočo vejicoZ3 – 1941: prvi programljiv računalnik za splošne namene

Uvod–Uvod–obdobje elektromehanikeobdobje elektromehanike

Z3:~ 2600 telefonskih relejev

Ni obvladal programskih “skokov”

Trak (ukazi)

Tipkovnica (podatki)

CPE Pomnilnik(64 x 22)

Ukazi

Podatki Žarniceprikaz

“Program”

Uvod–Uvod–obdobje elektromehanikeobdobje elektromehanike

Howard Aiken (1900 – 1973) na HarvarduMARK I, 1939-43: podpora IBM (Thomas Watson)

15 m dolg, 2 m visok in širok, desetiški sistem, ni poznal pogojnih skokov, v uporabi do 1959

Trak(ukazi)

Kartice(podatki)

MARK I Pomnilnik(72 x 23)

Podatki

Ukazi

“Program”TiskalnikLuknjalnik

Uvod – Uvod – obdobje elektronikeobdobje elektronike

ENIAC 1946: John Mauchly, Presper Eckert, John von Neumann - svetovalec, Moore School of EE, Penn

Prvi elektronski računalnik za splošne namene, 18000 elektronk, 200 kW, 300 t, 5000 +-/s, 6000 stikal za programiranje.Prvič se uporabi izraz programiranje.

StikalaPovezave

Kartice(podatki)

CPE Pomnilnik(20 x 10)

Podatki

Ukazi

ProgramTiskalnikLuknjalnik

Uvod – Uvod – obdobje elektronikeobdobje elektronike

EDVAC 1951, John von Neumann, Princeton University

računalnik s shranjenim programom

1024 x 16 bitnih besedni imel programskega števcani imel programsko dostopnih registrovdostop do ukazov in podatkov je hitermožnost krmiljenja programa (skoki)enotno obravnavanje programov in podatkov

EDSAC 1949, Maurice Wilkes

Uvod – Uvod – obdobje elektronikeobdobje elektronike

IAS računalnik 1952, John von NeumannInstitute for Advanced Study, Princeton University

4096 x 40 bitnih besedena beseda – dva ukazaprvič je uporabljen programski števecprocesna enota več hitrih registrov, od tegadva programsko dostopna registra

EDVAC, EDSAC, IAS: predhodniki vseh današnjihračunalnikov za splošne namene

Uvod–Uvod–von Neumannov računalnikvon Neumannov računalnik

Računalniki zgrajeni po zamisli von NeumannaCPE: centralna procesna enota, procesor

Kontrolna enota (KE)Aritmetično logična enota (ALE)Registri

Pomnilnik: za ukaze in podatke (operande)V/I enoteSistem povezav oziroma vodil

V/I CPE Pom.

UvodUvod-von Neumannov računalnik-von Neumannov računalnik Danes je izraz von Neumannov tip računalnika (von

Neumannova arhitektura) sinonim za sekvenčni računalnik (SISD):

delovanje vodi (popolnoma določa) program zaporedno izvajanje ukazov (ali pa je vsaj videti

tako) glavni pomnilnik vsebuje ukaze in podatke obstaja ena pot med CPE in pomnilnikom (ali pa

je vsaj videti tako)

SISD: Single Instruction Single Data stream

UvodUvod–sekvenčni/vzporedni rač.–sekvenčni/vzporedni rač. SISD: Single Instruction Single Data stream SIMD: Single Instruction Multiple Data stream MISD: Multiple instruction Single Data stream MIMD: Multiple Instruction Multiple Data stream

P

MD

IP

MDP

MD

P

MD

...

...

I

P

MDP

MD

P

MD

...

...

I I I

P P

M

DP...

I I I

SISD SIMD MISD MIMD

Sekvenčniračunalnik Vzporedni računalniki

Ukazi

UvodUvod-Harvardski/Princetonski-Harvardski/Princetonski Harvardski tip računalnika (Harvardska arhitektura)

Princetonski tip računalnika (Princetonska arhitektura)

CPEPodatki

Ločena pomnilnika za ukaze inpodatke

CPEUkaziinpodatki

Skupen pomnilnik za ukaze inpodatke

UvodUvod-Harvardski/Princetonski-Harvardski/Princetonski Današnji harvardski računalnik največkrat nima ločenega

pomnilnika, ločene so samo prenosne poti (vodila)

Zmogljivejši računalniki (procesorji) so “navznoter” harvardski, “navzven” pa princetonski

CPEUkaziinpodatki

U

P

U – ukaziP - podatki

CPEUkaziinpodatki

U

P

U – ukaziP - podatki

Uvod Uvod - skupno/ločeno vodilo- skupno/ločeno vodilo Računalnik z ločenim V/I vodilom

Računalniki s skupnim vodilom

V/I CPE Pom.

V/I CPE Pom.

UvodUvod-Skupno/ločeno vodilo-Skupno/ločeno vodilo Pomnilniško preslikan V/I: CPE obravnava V/I

enote enako kot pomnilnik

Ločen V/I: skupne prenosne poti (naslovno, podatkovno vodilo), ločeni kontrolni signali (beri/piši)

V/I CPE Pom.

V/I CPE Pom.

Uvod Uvod - arhitektura- arhitektura Arhitektura računalnikov:

zgradba in delovanje računalnika, neodvisno od njegove izvedbeEnostavno rečeno: izgled računalnika, kot ga vidi programer v zbrinem jeziku: programski model procesorja, ukazi, načini naslavljanja, sistem prekinitev, V/I prenosi, ...

Organizacija računalnikov: komponente in sestavi, s katerimi je ralizirana arhitektura

Izraz organizacija se opušča. Danes se pretežno uporablja izraz arhitektura sestavnih delov, na primer: arhitektura mikroprocesorjev, arhitektura mikrokrmilnikov, pomnilnikov, ipd.

Uvod Uvod – tehnološki razvoj– tehnološki razvojDve smeri tehnološkega razvoja zadnjih 50 let

Snovanje vse zmogljivejših arhitektur Večanje hitrosti procesorja Večanje velikosti pomnilnika Večanje pretočnosti računalnika

Večanje stopnje integriranosti Združitev procesorja in različnih tipov pomnilnika Dodajanje različnih V/I vmesnikov in V/I krmilnikov CPE + pomnilnik + V/I = mikrokrmilnik Mikrokrmilnik -> vgradni (vgrajeni) sistemi

Računalnik v napravi, ki ni videti tako

Uvod Uvod - mikroprocesor- mikroprocesorPojav mikroprocesorja

1971: Marcian E. (Ted) Hoff, Intel, 4004: 4-bitni mikroprocesor - Microcontroller on a chip

1973: Masatoshi Šima, Intel 8080, 8-bitni mikroprocesor, prvi v Intelovi 8-bitni družini in predhodnik (skoraj) vseh Intelovih večbitnih družin

1974: Motorola MC6800, 8-bitni mikroprocesor, prvi v Motorolini 8-bitni družini in predhodnik (skoraj) vseh Motorolinih večbitnih družin

1976: Intel 8048, prvi mikrokrmilnik 1981: osebni računalnik

Uvod Uvod - povzetek- povzetek

Arhitektura računalnikov Von Neumannova tip računalnika (arhitektura) Princetonski tip računalnika Harvardski tip računalnika Mikrokrmilnik Vgradni (vgrajeni) sistemi