Transcript 01_Bevezetes

A mikrovezérlők
Áttekintő előadás
Áttekintés
• A mikrovezérlők az elektronikai tervezésben
• A mikrovezérlők architektúrája
• Az alapvető részegységeik
Az elektronikai tervezés eszközei 1
• Megvalósítási lehetőségek:
• Diszkrét elemekből való építkezés
• Előnyei:
• Olcsóbb, rövidebb fejlesztési idő
• Könnyebben kipróbálható, módosítható a terv még a késői
fázisokban is
• ASIC áramkör – chip tervezés
• Előnyei:
• A feladathoz pontosan illeszkedő megoldás
• Optimális méret, fogyasztás, sebesség
• A továbbiakban a diszkrét elemekből felépülő
áramkörök tervezésével foglalkozunk
Az elektronikai tervezés eszközei 2
• A döntéshozatal, vezérlés, kommunikáció
problémája
• Hamar felmerül egy bonyolultabb feladat esetén
• Egy funkció engedélyezése bizonyos mennyiségek
értékének a függvényében (termosztát)
• Egy beavatkozó egység vezérlése mért mennyiségek
értékének a függvényében (kijelző háttérvilágítása a
fényviszonyok függvényében)
• Adatok vétele/adása más áramköri egységek, PC, stb.
felé (mérés-adatgyűjtés)
• ... rengeteg egyéb feladat, és példa hozható még
Az elektronikai tervezés eszközei 3
• A fenti feladatok általában nem oldhatóak meg
hatékonyan diszkrét logikai elemek segítségével (kapuk, flopok)
• Összetettebb vezérlő áramkörök:
• FPGA
• processzor
Az elektronikai tervezés eszközei 4
• FPGA
• Programozható módon konfigurálható digitális
áramkörök
• Kapcsolási rajzzal vagy HDL-el lehet tervezni
• Valódi párhuzamosság valósítható meg
• Közel ASIC szinten, a feladathoz igazodó digitális
áramkört nyerünk
• Gyors és bonyolult rendszerek valósíthatóak meg
velük
• Tisztán digitálisak
Az elektronikai tervezés eszközei 5
• Processzorok
• Programot futtató általános digitális áramkörök
• Szekvenciális végrehajtásra képesek (egyik
programsor a másik után)
• Assemblyben, vagy magas szintű programnyelven
(BASIC, C, stb.) programozhatóak
• Általános áramkörök, architekturálisan nem
illeszkednek a feladathoz
• Speciális csoportjuk a mikrovezérlők, melyek
analóg és digitális áramköri megoldásokhoz lettek
kialakítva
A mikrovezérlők 1
• Tipikus vezérlési feladatok:
•
•
•
•
Analóg jelek digitalizálása és feldolgozása
Időzítés
Külső jelek figyelése és reagálás a változásokra
Kommunikáció más áramkörökkel:
• Sok digitális port biztosítása
• különböző protokollok megvalósítása (USART, I2C, SPI,
stb.)
• Digitális-analóg konverzió és/vagy pulzusszélesség moduláció (PWM)
• A mikrovezérlők olyan processzorok, amelyek
kiegészülnek a fenti funkciókkal
A mikrovezérlők 2
• Felépítésük alkalmazkodik a felhasználási
területhez, igényekhez:
• Kis fogyasztás
• Kis zavarérzékenység
(egy vezérlés nem „szállhat el”!)
• Egyszerű, gyorsan végrehajtható utasításkészlet
• Gyors fetch műveletet biztosító architektúra
• Védelem a tápfeszültség-ingadozás miatti
működési hibák ellen
• Lefagyás-védelem
A mikrovezérlők 3
• Bár univerzális áramkörök, de léteznek egy
adott felhasználási területre speciálisan
alkalmazható típusok:
•
•
•
•
•
•
•
Autoelektronika (CAN-busz)
RF kommunikáció (ZigBee, Bluetooth)
Világítástechnika
LCD vezérlés
Elemes alkalmazások
USB-s alkalmazások
...
A mikrovezérlők architektúrája
Analóg portok
CPU
A perifériák
vezérlése,
speciális µC
funkciók
Digitális portok
A mikrovezérlők CPU-ja 1
• általában Harvard
architektúra:
• A program- és az adatmemória
külön helyezkedik el
• Tulajdonságok,
következmények, előnyök:
• Program memória flash,
adatmemória RAM
• Egy órajel alatt elvégezhető az
utasítás és az operandusok
elővétele (fetch)
• A programmemória zavarvédettebb
• Az adat és a programmemória
lehet különböző szélességű
A mikrovezérlők CPU-ja 2
• RISC:
• Reduced Instruction Set Computer
• Kis számú, egyszerű utasítást ismer
• Az utasítások lehetnek ugyanolyan szélesek, így
egyszerűbb és gyorsabb a feldolgozásuk (legtöbb
utasítás végrehajtási ideje: 1 órajel ciklus!)
• A műveleteket alapvetően regiszterekben végzik el
(mivel kevés címzési mód van, és a regiszteresek
preferáltak) – ennek következménye, hogy a RISC
processzorokban általában sok a regiszter (pl.
ATmega8: 32 általános célú regiszter van)
A mikrovezérlők CPU-ja 3
• A gépi szóhossz: 4, 8, 16, 32 bit
• 4 bites: már nem jellemző
• 8 bites: az egyszerűbb vezérlők körében a
legelterjedtebb pillanatnyilag
• 16 bites: pl. a gépkocsik ABS-ében
• 32 bites: egyre elterjedtebb, főképp a nagy
mikrovezérlők körében
A mikrovezérlők CPU-ja 4
• A párhuzamosság megvalósítása
• Maga a CPU szekvenciális, de a többi részegység
működőképes önállóan
• Így pl. egy AD átalakítás ideje alatt dolgozhatunk
(pl. Feldolgozhatjuk az előző adatot)
• Ennek megvalósításához szükség van megszakításokra, amelyek jelzik a program számára egy
párhuzamosan végzett művelet megtörténtét,
állapotát
A mikrovezérlők főbb egységei 1
•
•
•
•
•
•
Digitális portok
Külső megszakítások
Időzítők
AD-átalakító
Analóg komparátor
Kommunikációs interfészek:
• SPI
• USART
• TWI
A mikrovezérlők főbb egységei 2
• Digitális portok
• Ki- és bemenetként is használhatóak
• A beolvasás és a kiírás is egy regiszter
megfelelő bitjének a megvizsgálása illetve
beállítása
• Beállítható rájuk egy belső felhúzó ellenállás
(ez olyankor is hasznos, ha nincsenek
használatban, ugyanis a lebegő lábon áram
szivároghat)
• A lábak áramterhelhetősége korlátos (~10 mA)
A mikrovezérlők főbb egységei 3
• Külső megszakítások:
• Egy külső esemény (felfutó/lefutó él, logikai szint)
hardveres megszakítást vált ki az eszközben
• Egy ilyen lábnak az értékét programból változtatva
kialakítható szoftveres interrupt is
A mikrovezérlők főbb egységei 4
• Időzítők
•
•
•
•
•
Időzítés
Bemenet figyelés (frekvencia mérés)
Kimeneti komparálás
PWM
WDT
A mikrovezérlők főbb egységei 5
• Az AD átalakító
•
•
•
•
•
•
•
Felbontás: 8-12 bit
Külön tápfeszültség
Belső / külső referencia
Több, multiplexelt csatorna
Egyszeri vagy sorozatos konverzió mód
Interupttal jelzi a konverzió befejeztét
Sleep móddal segített zajszűrés
A mikrovezérlők főbb egységei 6
• Kommunikációs protokollok 1:
• USART:
• RS-232, soros protokoll
• Ipari szabvány, használható digitális eszközök közötti
kommunikációra
• A PC soros portján keresztül a számítógéphez való
kapcsolódás legegyszerűbb eszköze
• A soros állapotgép általában automatikusan működik,
csak meg kell adni / ki kell olvasni a küldendő / fogadott
bájtot
A mikrovezérlők főbb egységei 7
• Kommunikációs protokollok 2:
• TWI – two wire interface:
• I2C – soros, kétvezetékes protokoll
• A Philips fejlesztette ki
• Előnye, hogy hardveresen nagyon egyszerű
megvalósítani
• Sok érzékelő IC használja (pl. DS1621 – hőmérséklet
mérő IC)
A mikrovezérlők főbb egységei 8
• Kommunikációs protokollok 3:
• SPI – serial peripheral interface:
• Szintén elterjedt protokoll – például ismerik az SD
kártyák
• Az Atmel mikrovezérlők felprogramozása is történhet
SPI-n keresztül
Mikrovezérlőt gyártó cégek