Vorlesungen im WS 2002/2003 Mikrorechnertechnik I Uwe Brinkschulte Universität Karlsruhe Institut für Prozessrechentechnik, Automation Mikrocontroller

Vorlesungen im WS 2002/2003

Mikrorechnertechnik I

Uwe Brinkschulte

Universität Karlsruhe

Institut für Prozessrechentechnik, Automation

Mikrocontroller und Mikroprozessoren

Theo Ungerer

Universität Augsburg

Institut für Informatik

2Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer

Allgemeines

Gemeinsame Televorlesung Karlsruhe / Augsburg

Karlsruhe Augsburg

Prof. Dr. U. Brinkschulte Prof. Dr. Th. Ungerer

[email protected] [email protected]

Sprechstunde: Sprechstunde:

Donnerstag, 10:00 - 11:30 Dienstag, 10:30-11:30

Zi. 119, Gebäude 40.28 Zi. 403, Geb. Eichleitnerstr.30


Allgemeines

Buch zur Vorlesung:

Brinkschulte, Ungerer

Mikrocontroller und Mikroprozessoren

Springer Verlag, Heidelberg, 2002


Vorlesungsziele

Grundlagen der Mikrorechnertechnik

Aufbau und Funktionsweise von Mikroprozessoren

Aufbau und Funktionsweise von Mikrocontrollern

Beispiele heutiger industrieller Mikroprozessoren und -

controller

Stand der Forschung und Zukunftstechnolgien

Vermittelt werden sollen:


Vorlesungsziele

Zusammenspiel der Komponenten eines

Mikrorechnersystems

Bussysteme, Peripherie, modularere Systemaufbau

Signalprozessoren

Einsatz und Aufbau von Feldbussen

Dienstkonstruktion für mikrorechnergestützte

Automatisierungssysteme

Vorlesung Mikrorechnertechnik II (Sommersemester in Karlsruhe)


Vorlesungsinhalte und -strukturierung

1. Grundlagen

2. Grundlegende Prozessortechniken

3. Mikrocontroller

4. Mikrocontroller-Komponenten

5. Beispiele verschiedener Mikrocontroller

6. Hochperformante Mikroprozessoren

7. Die Superskalartechnik

8. Beispiele verschiedener Mikroprozessoren

9. Zukunftstechniken


1. Grundlagen

1.1Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC

Einige grundlegende Begriffe zu Mikroprozessoren

Mikroprozessor:

Zentraleinheit eines Datenverarbeitungssystems

heute meist mit weiteren Komponenten auf einem einzigen Chip untergebracht

Zentraleinheit = CPU, Central Processing Unit


1. Grundlagen

Basiskomponenten eines Mikroprozessors

Rechenwerk

Steuerwerk

Schnittstelle zur Außenwelt

Weitere Komponenten (je nach Komplexität)

Cache

Virtuelle Speicherverwaltung

Prozessorkern

Ziel: möglichst effiziente Ausführung eines Programms


1. Grundlagen

Weitere Begriffe:

Mikroprozessorsystem

Technisches System, welches einen Mikroprozessor enthält. Dies muss kein Rechner sein.

Mikrorechner (Mikrocomputer)

Rechner, der als Zentraleinheit einen oder mehrere Mikroprozessoren enthält.

Enthält weiterhin Speicher, Ein-/Ausgabeschnittstellen sowie ein Verbindungssystem.


1. Grundlagen

Mikrorechnersystem (Mikrocomputersystem)

Mikrorechner mit an die Ein-/Ausgabeschnittstellen angeschlossenen Peripheriegeräten,

z.B. Maus, Tastatur, Bildschirm, Drucker, ...


1. Grundlagen

Verbindungseinrichtung

Zentraleinheit

Steuerwerk Rechenwerk

Speicher(für Programme und

Daten)

Ein-/Ausgabe-

Schnittstellen

Peripherie-Geräte

Mikroprozessor

Mikrorechner

Mikrorechnersystem

Prozessorkern


1. Grundlagen

Mikrocontroller

Mikrorechner auf einem Chip

Ziel: Steuerungs- oder Kommunikationsaufgabe mit möglichst wenigen Bausteinen lösen

Prozessorkern, Speicher und Ein-/Ausgabeschnittstellen sind auf die Lösung solcher Aufgaben zugeschnitten

es existiert eine Vielzahl verschiedener Mikrocontroller


1. Grundlagen

Deshalb meist: Organisation in Mikrocontrollerfamilien

Die Mitglieder einer Familie besitzen

meist gleichen Prozessorkern

unterschiedlichen Speicher

unterschiedliche Ein-/Ausgabeschnittstellen


1. Grundlagen

SoC (Systems on Chip)

Konsequente Weiterentwicklung der Mikrocontrolleridee, Systeme mit möglichst wenigen Bausteinen zu realisieren

Mikrocontroller: standardisierter Rechnerbaustein, mit wenigen anderen Komponenten entsteht anwendungsspezifisches System

SoC: vollständiges anwendungsspezifisches System auf einem einzigen Chip


1. Grundlagen

Realisierungsmöglichkeiten von SoC

Bereitstellung und Kombination von Hardwarebibliotheken => FPGA, ASIC

Rekonfigurierbare Hardware

- Fester Prozessorkern und Speicher

- Rekonfigurierbare Zellen

Weitere Herausforderung bei SoC: Kombination von analogen und digitalen Komponenten


1. Grundlagen

Signalprozessoren

Spezielle Prozessorarchitekturen zur Verarbeitung analoger Signale

Hochleistungsarithmetik zur schnellen fortgesetzten Multiplikation und Addition (MAC, Multiply and Accumulate)

=> schnelle Berechnung von Polynomen

vom Anwender steuerbare Parallelität

spezielle Schnittstellen zur Ein- und Ausgabe von analogen Signalen

Werden in der Vorlesung MRT II näher behandelt


1. Grundlagen

1.2PC-Systeme

Heute verbreitetste Form von Mikrorechnern

1980 von IBM eingeführt

unter ständiger Weiterentwicklung zum Quasi-

Standard

geworden

Merkmale: zentrales Motherboard (Mainboard),

zusätzliche Komponenten in Form von

Steckkarten


1. Grundlagen

Grundlegende Bestandteile eines PCs:

Mikroprozessor

Cache

Northbridge

Systembus und Hauptspeicher

verbindet

Southbridge

Ein-/Ausgabeeinheiten

verbindet

1. Grundlagen

Beispiel:

K7M

Motherboard

von Asus

AMD AthlonTM

Microprocessor

AMD 751TM

System Controller

AMD 756TM

Peripheral Bus Controller

SDRAM

AGP Graphics

LAN

BIOS

Athlon System Bus

Memory Bus

AGP Bus

PCI Bus

ISA Bus

USB

UDMA/66


1. Grundlagen

Bus Bandbreite in Bit Taktrate in MHz Datenrate in MByte/sAthlon System Bus 64 200 1.600Memory Bus 64 100 800AGP Bus 32 66 266PCI Bus 32 33 133ISA Bus 16 8,3 16,6USB 1 12 1,5UDMA/66 16 33 66,6

Eigenschaften der verschiedenen Busse:

Layout:

Athlon Motherboard

K7M von Asus


1. Grundlagen

1.3 Eingebettete und ubiquitäre Systeme

Eingebettete Systeme

Datenverarbeitungssysteme, die in ein technisches Umfeld eingebettet sind

Steuern und Überwachen dieses Umfeld

Beispiel: Steuerung einer Kaffeemaschine: Koordination von Wasserbehälter,

Heizung und Ventilen zur Bereitung eines Kaffees

Ein wesentliches Anwendungsfeld von Mikrocontrollern und Mikroprozessoren


1. Grundlagen

Weiteres Beispiel:

PC auf dem Schreibtisch zu Hause

kein eingebettetes System, stellt seine Datenverarbeitungsleistung dem

Menschen zur Verfügung

PC in der Fabrikhalle zur Steuerung einer Anlage

eingebettetes System


1. Grundlagen

Gegenüber reinen Rechensystemen stellen eingebettete Systeme weitere Anforderungen:

Schnittstellenanforderungen

mehr und vielfältigere Schnittstellen als bei reinen Rechensystemen

Mechanische Anforderungen

robuster Aufbau, rauhe Umgebung, mechanische Belastung, begrenzter Raum, vorgegebene geometrische Form


1. Grundlagen

Elektrische Anforderungen

vorgegebene Versorgungsspannung, limitierter Energieverbrauch, geringe Abwärme

Zuverlässigkeitsanforderungen

Ausfallsicherheit, Notbetrieb, z.B. bei Bremsen, der Steuerung eines Kernreaktors, einem Flugzeug, ...Zeitanforderungen

Ausführung von Tätigkeiten innerhalb einer vorgegebenen Zeit => Echtzeitsysteme


1. Grundlagen

Einige zusätzliche Bemerkungen zu Echtzeitsystemen

Nicht-Echtzeitsystem: logische Korrektheit

Echtzeitsystem: logische Korrektheit + zeitliche Korrektheit

Ein Ergebnis ist nur korrekt, wenn es logisch korrekt ist und zur rechten Zeit zur Verfügung steht!


1. Grundlagen

Klassen von Echtzeitsystemen:

Harte Echtzeitsysteme

Zeitbedingungen müssen unter allen Umständen eingehalten werden. Das Verpassen

einer Zeitschranke ist nicht tolerierbar

Beispiel: Kollisionserkennung in einem automatischen Fahrzeug


1. Grundlagen


Feste Echtzeitsysteme

Feste Zeitschranken

Ein Ergebnis ist nach Überschreiten der Zeitschranke wertlos (Verfallsdatum)

Die Folgen sind jedoch nicht unmittelbar katastrophal

Beispiel: Positionserkennung in einem automatischen Fahrzeug


1. Grundlagen


Weiche Echtzeitsysteme

Weiche Zeitschranken

Ein Überschreiten um einen gewissen Wert ist tolerierbar

Mehr Richtlinie denn harte Zeitschranke

Beispiel: Periodische Temperaturmessung für eine Anzeige


1. Grundlagen

Wesentliche Anforderungen an Echtzeitsysteme

Zeitliche Vorhersagbarkeit

spielt die dominierende Rolle

eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit ohne Vorhersagbarkeit ist wertlos

wichtige Größe: WCET (Worst Case Execution Time)

heutige Prozessoren mit Caches und spekulativer Programmausführung sind hier problematisch


1. Grundlagen

Längerfristige Verfügbarkeit

Leistung muss über einen längeren Zeitraum erbracht werden

Betriebspausen, z.B. zur Reorganisation, sind nicht zulässig (Beispiel Garbage Collection)


Anwendung: Allgegenwärtige Computer - Ubiquitous Computing

allgegenwärtig = überall verbreitet = ubiquitär

Computer „unsichtbar“, hinter Alltags-

gegenständen verborgen

Neuer Begriff:

Ubiquitous Computing


Begriff Ubiquitous Computing

Anfang der 90er Jahre von Mark Weiser geprägt Zukunftsvision: Mit Mikroelektronik angereicherte Gegenstände

sollen so alltäglich werden, dass die enthaltenen Rechner als solche nicht mehr wahrgenommen werden.

Ubiquitäre Systeme sind eine Erweiterung der eingebetteten Systeme.

Zusätzlich zu einem eingebetteten System kommt noch Umgebungswissen hinzu, das es diesem System erlaubt, sich in hohem Maße auf den Menschen einzustellen.

Als ubiquitäre (allgegenwärtige) Systeme bezeichnet man eingebettete Rechnersysteme, die selbstständig auf ihre Umwelt reagieren.

Rechner in dienender und nicht beherrschender Rolle. Die Benutzer sollen nicht in eine virtuelle Welt gezogen werden,

sondern die gewohnte Umgebung soll mit Computerleistung angereichert werden.


Die dritte Ära der Rechnernutzung

Phase 1: Großrechner

Phase 2: Personal Computer

Phase 3: Ubiquitäre Systeme


Was kennzeichnet ubiquitäre Systeme?5 Merkmale

Ubiquitäre Systeme sind eine Erweiterung sogenannter „eingebetteter Systeme“Rechner, die in technische Systeme eingebettet sind, also z.B.

Waschmaschine, Fahrkartenautomaten, ABS im Auto etc.überall in hoher Zahl vorhanden - Allgegenwartubiquitäre Systeme nutzen drahtlose Vernetzung

Handytechnologien, Funk-LAN, Bluetooth, InfrarotUmgebungswissen, das es ubiquitären Systemen erlaubt, sich in

hohem Maße auf den Menschen einzustellenNeue Geräte wie z.B. Handhelds, tragbare Rechner


Technologien ubiquitärer Systeme

• Einbeziehung von Informationen aus der natürlichen Umgebung der Geräte• Umgebungswissen erstellt durch Erfassung, Interpretation, Speicherung,

Austausch und Verbindung von Sensorendaten• Umgebungswissen erlaubt ubiquitären Systemen sich in hohem Maße auf den

Menschen einzustellen

Gerät kann Informationen in Abhängigkeit vom jeweiligen Aufenthaltsort auswählen und anzeigen

Gerät passt sich in seinem Verhalten der jeweiligen Umgebung an


Anwendungsbeispiel: MediaCup (Teco Karlsruhe)


Wie funktioniert die Tasse?

Der Boden der MediaCup enthält die Elektronik in einem abnehmbaren Gummiüberzieher.

Kern ist ein kleiner Mikroocontroller Die Elektronik wird kabellos mit

Energie versorgt; ein 15 minütiger Aufladevorgang kann die Tasse etwa 10 Stunden mit Energie versorgen.

Sensoren erkennen Temperatur und Bewegungszustand der Tasse.

Diese Informationen wird von der Tasse in den Raum gesendet.


Leistungsmessung und Leistungsvergleich

Auswahl einer RechenanlageVeränderung der Konfiguration einer bestehenden Anlage (tuning) Entwurf von Rechenanlagen

Verfahren zur Bewertung der Leistungsfähigkeit:

(1) analytische Berechnungen

(2) Laufzeitmessungen bestehender Programme


Analytische Methoden

Maßzahlen für die Operationsgeschwindigkeit: (Hypothetische Maximalleistung !!) MIPS (Millions of Instructions per Second) MFLOPS (Millions of Floating Point Operations per Sec.)

Mixe: (ebenfalls theoretisch errechnet) Bei einem Mix wird für jeden einzelnen Befehl die mittlere Ausführungszeit bestimmt,

die zusätzlich durch charakteristische Gewichtungen bewertet wird.

Kernprogramme: typische Anwendungsprogramme, die für einen zu bewertenden Rechner geschrieben

werden keine Messungen am Rechner, sondern die Gesamtausführungszeit wird anhand der

Ausführungszeiten für die einzelnen benötigten Maschinenbefehle berechnet.


Benchmark-Programme

Ein Benchmark besteht aus einem oder mehreren Programmen im Quellcode.

Diese werden für die zu vergleichenden Rechner übersetzt, danach werden die Ausführungszeiten gemessen und verglichen.

Es geht immer auch der gesamte Rechneraufbau sowie die Güte des verwendeten Compilers und der Betriebssoftware mit ein.

Benchmarks können sein: Pakete von echten Benutzerprogrammen Standardisierte Benchmarks

SPEC-Benchmark Suite


SPEC-Benchmarks

SPEC Standard Performance Evaluation Corporation(seit 1989, verschiedene Hersteller zusammengeschlossen)allgemeine Anwendungsaufgaben für Rechensysteme, vor allem Angabe von Geschwindigkeit und Durchsatz

Zahlreiche Benchmark suites, z.B. SPEC95, SPECweb96, SPEC JVM98 SPEC JBB2000 SPEC2000


SPEC95

Gemessen wird CPU-Leistung inkl. Cache, Hauptspeicher und Compiler, kaum Betriebssystem und Ein-/Ausgabe

Referenzrechner der SPEC95-Benchmark-Suite: Sun SPARCstation 10/40-Rechner mit vier 40

MHz SuperSPARC-Prozessoren ohne Sekundär-Cache, Integer-Test-Programme (ANSI C) Gleitkomma-Programme (Fortran77) „SPECmark“: Kennzahl ist geometrische Mittel aller

Kennzahlen der Programmfolge


SPECint95: 8 Integer-Test-Programme (ANSI C)

go: Go-Spiel, das drei Spiele gegen sich selbst spielt,m88ksim: ein Simulator für den 88110-Mikroprozessor,gcc: der GNU-C-Compiler,compress: Komprimierprogramm,li: LISP-Interpreter,ijpeg: JPEG-Komprimierprogramm,perl: PERL-Interpreter,vortex: Transaktions-Benchmark mit einer

objektorientierten Einbenutzer-Datenbank von 40 Mbyte Größe.


SPECfp95: 10 Gleitkomma-Programme (Fortran77)

tomcatv: Netzgenerator mit doppelter Genauigkeit,swim: Berechnung eines Wasserwellenmodells in einfacher

Genauigkeit,su2cor: Monte-Carlo-Simulation aus dem Bereich der

Quantenphysik,hydro2d: Lösung einer hydrodynamischen Navier-Stokes-

Gleichung zur Berechnung galaktischer Strömungen,mgrid: Gleichungslöser nach dem Mehrgitter-Verfahren im

dreidim. Potentialfeld,


SPECfp95: 10 Gleitkomma-Programme (Fortran77)

applu: Lösung einer parabolischen-elliptischen partiellen Differentialgleichung,

turb3d: Simulation isotropischer, homog. Turbulenzen (Würfel, Navier-Stokes-Gl.)

apsi: berechnet Temperatur, Wind, Ausbreitungsgeschw. und die Verteilung von Umweltverschmutzungen,

fppp: Quantenchemie,

wave5: zweidim. Simulation elektromagnetischer Partikel aus der Plasmaphysik.


Beispiel zu SPEC95

600 MHz Pentium III: SPEC-int95 = 24 SPECfp95 = 15.9

450 MHz Sun UltraSPARC-II: SPECint95 = 19.7 SPECfp95 = 27.9

Ziel: vergleichbare Angaben für unterschiedliche Systeme

Warnung: einzelne Werte geben nicht immer reale Verhältnisse wieder, daher nur erster Anhaltspunkt für eine Rechnerauswahl


Weitere Benchmark Suites

Basic Linear Algebra Subprograms (BLAS): für numerische Anwendungen Kern des LINPACK-Softwarepakets zur Lösung von Systemen linearer

Gleichungen TOP-500-Liste der größten Parallelrechner

Whetstone-Benchmark: in den siebziger Jahren entwickelt besteht aus einem einzigen Programm mit viel Gleitkommarechnungen

Dhrystone-Benchmark: weiteres synthetisches Benchmark-Programm Heute nur noch wenig aussagekräftig

Powerstone-Benchmark-Suite um den Energieverbrauch verschiedener Mikrocontroller zu vergleichen


Powerstone-Benchmarkprogramme

Auto: Fahrzeugsteuerungen,

Bilv: logische Operationen und Schieben,

Bilt: grafische Anwendung,

Compress: UNIX-Kompressions-Programm,

Crc: CRC-Fehlererkennung,

Des: Datenverschlüsselung,

Dhry: Dhrystone,

Engine: Motor-Steuerung,

fir_int: ganzzahlige FIR-Filter,

G3fax: FAX Gruppe 3,

G721: Audio-Kompression,

Jpeg: JPEG-24-Bit-Kompression,

Pocsag: Kommunikationsprotokoll für Pager,

Servo: Festplattensteuerung,

Summin: Handschriftenerkennung,

Ucbqsort: Quick Sort,

V42bits: Modem-Betrieb,

Whet: Whetstone.

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