Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 1 2. Hardware-Plattformen Hardware-Plattformen für

1Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte

2. Hardware-Plattformen

Hardware-Plattformen für eingebettete Systeme

2.1 Mikrocontroller

2.2 Systems on Chip (SoC)

2.3 Energiespartechniken

2.4 Java und Java-Prozessoren für eingebettete Systeme

2.5 Mikrocontroller-Komponenten

2.6 Mikrocontroller-Beispiele

2.7 Signalprozessoren

2.8 Signalprozessor-Beispiele

2.9 Analoge Schnittstellen


2.1 Mikrocontroller

Mikrocontroller: Mikrorechner auf einem Chip

Für spezielle Anwendungsfälle zugeschnitten

Meist Steuerungs- oder Kommunikationsaufgaben

Anwendung oft einmal programmiert und für die Lebensdauer des Mikrocontrollers auf

diesem ausgeführt

Anwendungsfelder sind breit gestreut

Oft unsichtbar in uns umgebenden Geräten verborgen


2.1 Mikrocontroller

im Haushalt die Steuerung der Kaffeemaschine, der Waschmaschine, des Telefons, des Staubsaugers, des Fernsehers, ...

in der KFZ Technik das Motormanagement, das Antiblockiersystem, das Stabilitätsprogramm, die Traktionskontrolle, diverse Assistenten, z.B. beim Bremsen, ...

in der Automatisierung das Steuern und Regeln von Prozessen, das Überwachen von Prozessen, das Regeln von Materialflüssen, die Steuerung von Fertigungs- und Produktionsanlagen, ...

Anwendungsfelder für eingebettete Systeme


2.1 Mikrocontroller

2.1.1 Abgrenzung zu Mikroprozessoren

Ein-Chip Mikrorechner mit aufgabenspezifischer Peripherie

Mikrocontroller

. . . . . .

Prozessor-kern RAM

ROMEPROM

EEPROM

Ein-/Ausgabe-steuerung

Unter-brechungs-steuerung

Zähler/Zeit-geber Erweiterungs-

busschnittstelle

Takt


2.1 Mikrocontroller

Ziel: Möglichst wenige externe Bausteine für eine Steuerungsaufgabe

Idealfall: Mikrocontroller, Quarz, Stromversorgung sowie ggf. Treiber und ein Bedienfeld

Beispiel: Fernbedienung

Mikrocontroller

Tastaturmatrix Quarz Spannungsversorgung

Infrarot-

leuchtdiode


2.1 Mikrocontroller

Schalenmodell einesMikrocontrollers:

Prozessor-kern

Schreib-/Lesespeicher RAM

Festwertpeicher

ROM Flash PROM EPROM EEPROM

Zähler / Zeitgeber serielle / parallele EA Kanäle

A/D- Wandler

Watch-dog

Echtzeit- Kanäle

DMA & Unter- brech- ungen

Erweiterungs- bus Ruhebetrieb


2.1 Mikrocontroller

Prozessorkern:

• prinzipiell kein Unterschied zum Kern eines Mikroprozessors

• Kosten spielen jedoch meist die dominante Rolle

=> einfacher als der Kern eines Mikroprozessors

Varianten:

1. Eigens für den Mikrocontroller entwickelter einfacher Kern


2.1 Mikrocontroller

2. Verwendung älterer Kerne von Mikroprozessoren

• bewährte Technik, Kompatibilität, reduzierte Kosten

• Leistungsvermögen meist ausreichend

• Modifikationen:

– Stromsparmodus

– kein Cache

– keine virtuelle Speicherverwaltung

=> Reduktion des Stromverbrauchs, Verbesserung des Echtzeitverhaltens


2.1 Mikrocontroller

Speicher

• integrierter Festwert- und Schreiblesespeicher

• Aufnahme von Daten und Programmen

• Vorteil: Einsparung von Anschlüssen und Decodierlogik bei vollständiger interner Speicherung

• Größe und Typ des Speichers unterscheiden oft verschiedene Untertypen desselben Mikrocontrollers

• z.B. je nach Stückzahl der Anwendung unterschiedlicher Typ des Festwertspeichers (ROM, PROM, EPROM, EEPROM, FLASH)


2.1 Mikrocontroller

Serielle und parallele Ein-/Ausgabekanäle

• grundlegende digitale Schnittstellen eines Mikrocontrollers

• seriell oder parallel

• synchron oder asynchronAD/DA-Wandler

• grundlegende analoge Schnittstellen eines Mikrocontrollers

• Anschluss analoger Sensoren und Aktoren

• Auflösung und Wandlungszeit sind die wichtigsten Größen

• AD-Wandler sind häufiger anzutreffen als DA-Wandler


2.1 Mikrocontroller

Zähler und Zeitgeber

• im Echtzeitbereich ein wichtiges Hilfsmittel

• für eine Vielzahl unterschiedlich komplexer Anwendungen einsetzbar

Bsp: - Zählen von Ereignissen, Messen von Zeiten kommen mit

einem Zähler bzw. Zeitgeber aus

- Pulsweitemodulation, Frequenz- oder Drehzahlmessung,

Schrittmotorsteuerungen benötigen mehrere Einheiten

=> Die bei Mikrocontrollern verfügbare Bandbreite reicht von

einfachen Up-/Downcountern über Capture-Compare-Einheiten bis zu autonomen Zeitgeber-Coprozessoren


2.1 Mikrocontroller

Watchdog

• „Wachhund“ zur Überwachung der Programmaktivitäten eines Mikrocontrollers

• Programm muss in regelmäßigen Abständen Lebenszeichen liefern

•Bleiben diese aus, so nimmt der Wachhund einen Fehler im Programmablauf an => Reset

Beispiel: Mars Sojourner Mission


2.1 Mikrocontroller

Echtzeitkanäle

• Echtzeiterweiterung der parallelen E/A-Kanäle

• Kopplung eines parallelen Kanals mit einem Zeitgeber

=> der Ein-/Ausgabezeitpunkt wird von der Hardware und nicht der Software bestimmt

=> Jitterfreie Ein-/Ausgabe


2.1 Mikrocontroller

Unterbrechungen (Interrupts)

• Unterbrechung des Programmablaufs bei Ereignissen

• Schnelle, vorhersagbare Reaktion auf Ereignisse

• Insbesondere wichtig bei Echtzeitanwendungen

• Behandlung eines Ereignisses durch eine Interrupt-Service-

Routine

• Mikrocontroller kennen meist externe Unterbrechungsquellen

(Eingangssignale) und interne Unterbrechungsquellen (Zähler,

Zeitgeber, E/A-Kanäle, ...)


2.1 Mikrocontroller

DMA (Direct Memory Access)

• Direkter Datentransfer zwischen Peripherie und Speicher ohne

Beteiligung des Prozessorkerns

• Höhere Datenraten durch spezielle Transferhardware

• Entlastung des Prozessorkerns

• Prozessorkern muss lediglich die Randbedingungen des

Transfers festlegen

• Meist in Mikrocontrollern gehobener Leistungsklasse zu finden


2.1 Mikrocontroller

Ruhebetrieb (Standby Mode)

• Oft begrenzter Energievorrat oder Wärmeemission bei Mikrocontroller-Anwendungen

• Ruhebetrieb zur Reduktion des Energieverbrauchs

• Abschaltung nicht benötigter Peripheriekomponenten und

Festwertspeicher

• Erhaltungsspannung am Schreib-/Lesespeicher

• Statische Prozessorkerne erlauben einen Takt von 0 Hz


2.1 Mikrocontroller

Erweiterungsbus

• Reichen die internen Komponenten eines Mikrocontrollers für

eine Anwendung nicht aus

=> Erweiterungsbus zum Anschluss externer Komponenten• Ein Bus benötigt viele Anschlüsse (z.B. 16-Bit-Adressen, 8-Bit- Daten, 4 Steuersignale = 28 Anschlüsse) =>

– Multiplexing (z.B. Daten-/Adressmultiplexing: Daten und Adressen teilen sich die gleichen Leitungen)

– Bus muss sich Anschlüsse mit internen Peripheriekomponenten teilen (Ressourcenkonflikt)

– Stufenweise Reduktion des Adressraums


2.1 Mikrocontroller

2.1.2 Anwendungsfelder

Beispiel Automatisierungstechnik

Anforderungen: Schnittstellenvielfalt, Echtzeitverhalten, Zuverlässigkeit, Energieverbrauch, ...

Mikrocontroller werden im wesentlichen dann angewendet, wenn lokale Intelligenz mit möglichst geringen Aufwand (Kosten, Platzbedarf, Strombedarf, ...) realisiert werden mußAnwendungsfelder in der Automatisierung:

• Prozesssteuerung• Steuerung von Bedienelementen


2.1 Mikrocontroller

2.1.2.1 Prozesssteuerung

lokale, schnelleMSR-Einrichtung

mitMikrocontroller

Sensoren

Aktoren


mitMikrocontroller

Sensoren

Aktoren


mitMikrocontroller

Sensoren

Aktoren

.

.

.

Prozessleitrechner(Mikrorechner)

Prozessleitrechner(Mikrorechner)

Dispositions- &Visualisierungs-

rechner(Mikrorechner)

Verbindungsnetzwerk(hierarchisch oder verteilt),z.B. Feldbusse

Verbindungsnetzwerk(hierarchisch oder verteilt),z.B. Ethernet

Vor Ort räumlich entfernt

zu

automatisierendes

System

Sensor-/Aktor-ebene

Prozess-ebene

System- & Leit-ebene

Betriebs-ebene


2.1 Mikrocontroller

Messen, Stellen, Regeln

Realisierung schneller Vor-Ort-Meß-, Stell-, und Regeleinrichtungen

• Messen:

Erfassen von analogen und digitalen Sensordaten Umrechnung von elektrischen in physikalische Werte nach vorgegebenen Kennlinien


2.1 Mikrocontroller

Temperatur

[C]

Spannung [mV]

Thermofühler

Temperatur SpannungThermo-

fühler

Beispiel: Kennline eines Temperatursensors


2.1 Mikrocontroller

• Messen (fortg.):

Linearisierung von nichtlinearen Sensoren Korrektur von Meßfehlern, z.B. Nullpunktfehler, Temperatur- Drift, ... Datenerfassung von multiplen Sensoren (z.B. Druck, Temperatur, ...) Auswerten der erfassten Daten Datenkompression und -weiterleitung


2.1 Mikrocontroller

Beispiel:temperatur-kompensierteDruckmessung Mikrocontroller

Temperatur-Sensor Druck-Sensor

zum Leitrechner

TxD, RxD

AI0 AI1

VCC

PO1


2.1 Mikrocontroller

• Stellen:

Strom

[mA]

Temperatur [C]

Heizelement

TemperaturHeiz-

elementStrom

Linearisierung nichtlinearer Aktoren Ausgabe digitaler und analoger Steuerdaten an die Aktoren

Umrechnung von physikalischen in elektrische Werte nach vorgegebenen Kennlinien


2.1 Mikrocontroller

Beispiel:Ansteuerung zweier analogerAktoren

Mikrocontroller

Heizelement Schieber

zum Leitrechner

TxD, RxD

AO0 AO1


2.1 Mikrocontroller

Wandlungskette beim Messen und Stellen

Aufgabenbereich des Mikrocontrollers

PhysikalischeGröße

ElektrischeGröße

Digitaler Wert Korrigierterdigitaler Wert

SensorEingabe-

Schnittstelle

Kennlinienberechnung,Linearisierung,

Korrektur

PhysikalischeGröße

ElektrischeGröße

Digitaler WertKorrigierterdigitaler Wert

AktorAusgabe-

Schnittstelle

Kennlinienberechnung,Linearisierung,

Korrektur

Stellen:

Messen:


2.1 Mikrocontroller

Problem: Zusammenhang von elektrischer Eingangsgröße und physikalischer Ausgangsgröße oft von Störgrößen beeinflusst

Beispiel: Drehzahl eines Motors hängt von der elektrischen

Spannung und der Last ab

Lösung: Kombination von Messen und Stellen

=> Regeln


2.1 Mikrocontroller

• Regeln:

Messen des Istwertes

Soll-/Istwertvergleich (Regelabweichung)

Ermittlung der Stellgröße (Regelalgorithmus, z.B. P, PI, PID, Fuzzy, Neuronal, ..)

=> Rückführung (geschlossener Regelkreis)


2.1 Mikrocontroller

Ein Regelkreis mit einem Mikrocontroller:

Aktoren

Mikrocontroller

SensorenIstwerte

-

Regler(Regelalgorithmus,z.B. PI, PID, ...)

Regelstrecke(zu regelndes

System)Stellgrößen

Messgrößen

Sollwerte

Leit-Rechner


2.1 Mikrocontroller

2.1.2.2 Steuerung von Bedienelementen

Beispiel: Steuerung eines einfachenHandterminals

Soll-Temperatur: 20Anstiegszeit:

A

G

M

S

Y

5

+

B

H

N

T

Z

6

-

F

L

R

X

4

0

D

J

P

V

2

8

C

I

O

U

1

7

=

E

K

Q

W

3

9


2.1 Mikrocontroller

Realisierung:

(möglichstwenige externeKomponenten)

Mikrocontroller

zum Leitrechner

TxD, RxD

8888888888888

Tastaturmatrix

LCD-Anzeige

parallelerAusgabeport

paralleleEingabeports

serieller Port


2.1 Mikrocontroller

2.1.3 Leistungsklassen und Familien

Leistungsklasse eines Mikrocontrollers: wird vom Prozessorkern bestimmt.

Datenbusbreite ist hier ein wesentliches Merkmal

=> 8-Bit-, 16-Bit-, 32-Bit-MikrocontrollerAnmerkung: bezeichnet bei Mikrocontrollern oft nur die Breite des internen Datenbusses und der Register

Breite des Erweiterungsbusses meist schmäler


2.1 Mikrocontroller

Mikrocontrollerfamilie:Menge von Mikrocontrollern mit gleichem Prozessorkern, aber unterschiedlicher Peripherie und unterschiedlichem Speicher

=> Anwendungsorientierte, kostenoptimale Lösungen werden möglich


2.1 Mikrocontroller

Beispiel: Intel Mikrocontrollerfamilien:

Familie Festwert- speicher (KBytes)

Schreiblese -speicher (Bytes)

Zeit- geber

(Anzahl)

Serielle E/A

(Anzahl)

AD-Wandler (Anzahl x Bit)

Takt (MHz)

Intel 8 Bit

MSC51 4 - 32 128 - 512 2 - 4 0 - 1 (0-4) x 8 12 - 33 MSC251 0 - 16 512 - 1024 4 1 - 2 - 16 - 24 Intel 16 Bit

MSC96 32 - 56 1K - 1,5K 3 1 - 2 (6-8) x (8-10) 20 - 50 MSC296 - 2K 2 1 - 50 Intel 32 Bit

PXA - 64 - 256K 3 - 11 8 - 10 - 200 - 520


2.1 Mikrocontroller

Namensgebung der MSC51/251 Familie:X X 8 X C X 1 XX – X

Taktfrequenz in MHz (zB. 16 = 16 MHz)Peripherie- und Speicher Ausstattung (z.B. BH oder FA oder FB oder ...)Interner Festwert-Speicher: 3 = nein, 5 = jaFestwert-Speicher Typ: 0 = keiner/ROM, 3 = ROM, 7 = EPROMGehäuse-Form: P = Plastik Dual Inline (DIP), N = Plastik Leaded Chip Carrier (PLCC)Temperatur-Bereich: leer = 0° bis 70°, T/L = -40° bis +85°, A/B = -40° bis +125°

Namensgebung MCS51 Familie

X X 8 X C 251 XX – X

Taktfrequenz in MHz (zB. 16 = 16 MHz)Peripherie- und Speicher Ausstattung (z.B. BH oder FA oder FB oder ...)Interner Festwert-Speicher Typ: 0 = keiner, 3 = ROM, 7 = EPROMGehäuse-Form: P = Plastik Dual Inline (DIP), N = Plastik Leaded Chip Carrier (PLCC) C = Keramik DIPTemperatur-Bereich: leer = 0° bis 70°, T = -40° bis +85°

Namensgebung MCS251 Familie


2.1 Mikrocontroller

Beispiele:

TP87C251SB-16: 251-Familie, 16 MHz, internes EPROM, Plastik DIP, -40 ... + 85 °C

TP83C251SB-16: 251-Familie, 16 MHz, internes ROM, Plastik DIP, -40 ... + 85 °C

TP80C251SB-16: 251-Familie, 16 MHz, kein interner Festwertsp.,

Plastik DIP, -40 ... + 85 °C


2.1 Mikrocontroller

PXA: ARM Version 5 RISC Prozessorkern

Vertreter: • PXA210 (obsolet)

• PXA250 (obsolet)

• PXA26X (obsolet)

• PXA255 (pinkompatibel zu PXA250)

• PXA27X (270, 271, 272)

• PXA29X


2.1 Mikrocontroller

Beispiel: Atmel Mikrocontrollerfamilien:



Zeit- geber

(Anzahl)

Serielle E/A

(Anzahl)


Takt (MHz)

Atmel 8 Bit

AVR 8 1 - 256 128 - 8k 2 1 - 2 (1 - 16) x 10 16 - 20 MSC51 komp. 2 - 128 256 - 2k 2 - 4 0 - 3 (0-8) x (8-0) 40 - 60 Atmel 32 Bit

AVR 32 - 64k 6 10 1 x 16 133 ARM 0 - 256 8K - 96K 6 - 9 4 - 6 8 x 10 33-190


2.1 Mikrocontroller

Die Mitglieder der AVR8 Familie:

ATtiny1X 2X 4X

8X

Grundmodelle mit 1, 2, 4 oder 8 kBytes ROM. Je nach X unterschiedliche Versionen, z.B. ATtiny11 mit 6 MHz, ATtiny12 mit 8 MHz und ATtiny13 mit 20 MHz Taktfrequenz.

ATmega 8X 16X

32X 64X 128X

256X

Erweiterte Modelle mit 8 bis 256 kBytes ROM. Je nach X unterschiedliche Varianten, z.B. ATmega128 mit 4 kBytes RAM und ATmega1280 mit 8 kBytes RAM

AT90X

Spezialversionen, z.B. AT90CAN128 mit CAN-Bus-Einheit oder AT90PWM1 mit Pulsweitenmodulator

AT94X Enthält programmierbare Logik (FPGA)


2.1 Mikrocontroller

Beispiel: Freescale Mikrocontrollerfamilien (ehem. Motorola):Familie Festwert-

speicher (KBytes)


Zeit- geber

(Anzahl)

Serielle E/A

(Anzahl)


Takt (MHz)

Freescale 8 Bit

RS08 1 - 2 63 1 - - 10 HC08 8 - 64 256 - 2K 2 - 8 0 - 4 (6-24) x (8-10) 4 - 8 HCS08 4 - 64 256 - 4K 0 - 8 0 -3 (0-16) x 10 8 - 20 Freescale 16 Bit

S12 16- 512 2K - 32K 1 - 12 1 - 6 (8-24) x 10 16 -40 HC12 32 - 130 1K - 8K 8 2 - 6 8 x (8-10) 8 - 25 HC16 0 - 8 1K - 4K 4, TPU 1 - 2 8 x 10 16 - 25 Freescale 32 Bit

MCore 0 - 256 8K - 32K 0 - 4 3 (0-8) x 10 16 - 33 I.MX(ARM) 256 - 1024 16K - 48K 16 1 - 4 (16-32) x 10 40 - 50 68k/Coldfire 0 - 256 0 - 32K 2-16,TPU 1 - 3, CP (0-16) x 10 16-200 MPC5XXX 0 - 1024 26K - 36K 7-70,TPU 5 - 9 (32-40) x 10 40-400


2.1 Mikrocontroller

Mitgliederder 68k/Coldfire-Familie:

68k MC68302

Multi-Protokoll-Prozessor, für Kommunikationsaufgaben optimiert, autonomer Kommunikations-Prozessor (CP)

MC68306

Economie-Prozessor, integrierter Controller für dynamischen Speicher

MC68331

Für Steuerungsaufgaben optimierter Controller, umfangreiche Peripherie

MC68332 Für Steuerungsaufgaben optimierter Controller, gegenüber dem 68331 verbesserter Prozessorkern und autonomer Zeitgeber Coprozessor (TPU)

MC68336 Integrierter SRAM Controller MC68340 Integrierter DMA-Controller MC68360 Integrierter DMA- und Interrupt-

Controller MC68376 CAN-Bus Interface MC68VZ328 (DragonBall VZ)

Integrierter LCD Controller

MC68SZ328 (DragonBall Super VZ)

Erhöhte Geschwindigkeit, integrierte DA-Wandler


2.1 Mikrocontroller

Mitgliederder 68k/Coldfire-Familie(fortg.):

ColdFire MCF520 Hochleistungsmikrocontroller, flexible

Speicherverwaltung, Ethernetunterstützung

MCF525 Controller/Decoder für Audioplayer MCF532 Mensch-Maschine-

Schnittstellenunterstützung, LCD, Ethernet, USB, Verschlüsselung

MCF540 Höchste Verarbeitungsleistung (316 MIPS)

MCF548 Für vernetzte Steuerungsaufgaben, CAN, Ethernet, USB, Verschlüsselung


2.1 Mikrocontroller

Beispiel: NEC Mikrocontrollerfamilien:Familie Festwert-

speicher (KBytes)


Zeit- geber

(Anzahl)

Serielle E/A

(Anzahl)


Takt (MHz)

NEC 8 Bit

K0S 1 - 24 128 - 512 2 - 4 0 - 2 (0-8) x (8-10) 5 - 10 K0 8 - 128 512 - 7168 5 - 6 0 - 5 (4-10) x (8-10) 20 NEC 16 Bit

K0R 64 - 256 4K - 12K 8 4 16 x 10 20 NEC 32 Bit

V850 64 - 512 4K - 24K 2 - 12 5 - 10 (12 - 16) x 10 20 V850ES 64 - 640 6K - 48K 6 - 11 2 - 4 (8 - 24) x 10 20 V850E 0 - 512 4k - 146k 0 - 24 4 - 9 (0-24) x (8-10) 40-150 V850E2 0 146k 12 4 8 x 10 200


2.1 Mikrocontroller

Beispiel: Infineon Mikrocontrollerfamilien:



Zeit- geber

(Anzahl)

Serielle E/A

(Anzahl)


Takt (MHz)

Infineon 8 Bit

C500 16 - 64 256 - 2k 3 - 7 1 - 2 8 x 10 20 C800 8 8k 3 1 5 x 8 40 XC800 8 - 32 768 – 2k 4 2 - 3 8 x 10 24 - 27 Infineon 16 Bit

C166 0 - 32 1K - 3K 1 - 5 2 (0-8) x 10 24 XC166 128 - 256 8k - 12k 5 4 (12 - 16) x 10 40 Infineon 32 Bit

TriCore 16-1,5M 128K-1,5 M 0 - 6 0 - 5 (0-32) x (8-12) 96-150


2.1 Mikrocontroller

2.1.4 Auswahlkriterien für den Einsatz von Mikrocontrollern

(aus der reichhaltigen verfügbaren Palette)

Aufgabenstellung Messen Steuern Regeln Überwachen Mensch-Maschine-Schnittstelle Kombination obiger Punkte


2.1 Mikrocontroller

allgemeine Leistungsmerkmale

CISC- oder RISC-Architektur

Von-Neumann oder Harvard-Architektur

Wortbreite (4, 8, 16, 32 Bit)

Adressraum


2.1 Mikrocontroller

Architekturmerkmale des Prozessorkerns

Welche Befehlsarten stehen zur Verfügung/werden benötigt ?

Lade- und Speicher-Operationen logische & arithmetische Operationen Multiplikation & Division Schiebeoperationen, Barrel-Shifter Bit-Testoperationen Gleitkomma-Operationen


2.1 Mikrocontroller

Architekturmerkmale des Prozessorkerns (fortg.)

Welche Adressierungsarten sind erforderlich?

Unmittelbar Direkt Register Registerindirekt Registerindirekt mit Autoinkrement, Autodekrement Registerindirekt mit Verschiebung Indiziert Indiziert mit Verschiebung Relativ komplexere Adressierungsarten


2.1 Mikrocontroller

Architekturmerkmale des Prozessorkerns (fortg.)

Welche Datenformate werden benutzt ?

Ganzzahlen (16, 32, 64 Bit) Gleitkommazahlen (32, 64, 80 Bit) Einzelbit-Datentypen Zeichen und Zeichenketten Felder


2.1 Mikrocontroller

Speichermerkmale

Wieviel Programm- und Datenspeicher benötigt die Anwendung?

Reicht die Größe des internen Daten- und Programmspeichers?

Ist ein externer Busanschluss vorhanden?

Was ist die max. externe Speichergröße?


2.1 Mikrocontroller

Peripheriemerkmale

Anzahl der:

parallelen E/A-Kanäle seriellen E/A-Kanäle Interrupt-Eingänge Zähler/Zeitgeber A/D-Wandler D/A-Wandler DMA-Controller Echtzeitkanäle speziellen Peripherie wie CAN, I2C, ...


2.1 Mikrocontroller

Merkmale zur Ereignisbehandlung

die Anzahl der Unterbrechungseingänge,

eine Prioritäten-Steuerung bei mehrfachen Unterbrechungen,

frei wählbare oder starre Prioritäten,

das Sperren einzelner Unterbrechungen und

die Reaktionszeit auf eine Unterbrechung.


2.1 Mikrocontroller

Weitere technische Merkmale

Taktfrequenz

Taktzyklen pro Befehl

Möglichkeit zum Anschluss langsamer Peripherie

Energiebedarf

Abwärme

Stromspar-Modus


2.1 Mikrocontroller

Ökonomische Merkmale

Preis

Verfügbarkeit

Produktpflege

Kundenunterstützung (Support)


2.1 Mikrocontroller

2.1.5 Softwareentwicklung

In der Regel:

Cross-Development

Versions-Verwaltung

Editor

Übersetzer

Binder

integrierteEntwicklungs-umgebung

Quelldateien

freigegebene Quelldateien

geänderte Quelldateien

Objekt-Dateien

Ausführbare Datei

Entwicklungssystem: PC Zielsystem:Mikrocontroller

Anwendungsprogramm

Download

DebuggerTestSymbole


2.1 Mikrocontroller

Da die Entwicklung bis auf den letzen Schritt auf einem leistungsfähigen PC stattfindet

=> die Entwicklungsumgebung ist zunächst ähnlich zur PC-

Programmentwicklung:

Versionsverwaltung, Editoren, Übersetzer, Debugger

Es gibt jedoch Unterschiede!


2.1 Mikrocontroller

Programmiersprachen

Früher Assembler

heute meist C, nur zeitkritische Teile in Assembler

bei leistungsfähigeren Mikrocontrollern auch C++, erfordert aber mehr Ressourcen und erzeugt mehr Dynamik

Java in der Regel zu ressourcen-intensiv

Es existieren jedoch einige Forschungsbemühungen in diese Richtung (siehe später)


2.1 Mikrocontroller

Speicherbedarf

hier liegt ein wesentlicher Unterschied zur Programmentwicklung auf dem PC

bei Mikrocontrollern ist Speicher eine knappe Ressource

Übersetzer optimieren meist in Richtung Speicherbedarf (selten Geschwindigkeit)

Speichersparende Algorithmen sind gefragt

Algorithmen, die vor 10-20 Jahren für den PC entwickelt

wurden, können hier interessant werden (zu dieser Zeit hatten PCs etwa den Speicherumfang heutiger Mikrocontroller)


2.1 Mikrocontroller

Adressfestlegung beim Binden

bei PCs: dynamische Adressfestlegung zur Laufzeit

nur so können mehrere Programme gleichzeitig bearbeitet werden

bei Mikrocontrollern: statische Festlegung der Adressen beim Binden (Locator)

Die Adressen müssen an das Speicherabbild (Memory Map) des Mikrocontrollers angepasst werden:

Programm -> Festwertspeicher Daten -> Schreiblesespeicher Erste Programm-Instruktion, Interrupttabellen, ... , müssen an die richtige Stelle gelegt werden


2.1 Mikrocontroller

Beispiel einer

Memory Map 4 KByte Festwertspeicher

3 KByte Schreib-/Lesespeicher

E/A-Adressbereich

unbelegt

unbelegt

0

0FFF

8000

8BFF

FE00

FFFF

Code,Größe 3217 Bytes

Einsprungadresse 0

Daten,Größe 625 Bytes

Stack, Größe 325 Bytes

Peripherie


2.1 Mikrocontroller

Laden und Testen

– Simulator auf dem Entwicklungssystemgrober Test, da Zeitverhalten anders und

Zielperipherie nicht vorhanden

– Test auf dem Zielsystem mittels Download und Monitor

näher am Zielsystem (Zeitverhalten, Peripherie), immer noch komfortables Testen, Monitor verändert aber Systemverhalten (Initialisierungen, Speichertypen, ...)

– Test auf dem Zielsystem ohne Monitorendgültige Zielumgebung, Programm im

Festwertspeicher (ext. Programmieren oder Flash-Code-Loader),

Ladezeiten lang, Test schwierig


2.1 Mikrocontroller

Download o. Programmieren von int.oder ext. EPROMs, Flash-RAMs, ...

Download,z.B. über serielleSchnittstelle

Contr. Debug-Monitor

HW-Interface

PC-Interface

Test-Hardware

Mikrocontroller

Ziel-Hardware

Mikrocontroller-Testsystem

Mikrocontroller-Zielsystem

Mikrocontroller-Simulator(Software)

Entwicklungs-PC

Documents

Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 1 2. Hardware-Plattformen Hardware-Plattformen für