1. Mikroprocesor, mikrokomputer, mikrokontroler- definicje, struktura sprzętowa, przeznaczenie.

Mikroprocesor- jest to procesor wykonany w postaci pojedynczego mikroukładu o wielkim stopniu scalenia. Okreslenie mikroprocesora zawiera w sobie dwa elementy:

- funkcjonalne przeznaczenie do przetwarzania informacji w zadany z zewnatrz sposób

- technologiczne wykonanie jako elektronicznego układu scalonego o wielkim stopniu integracji.

Struktura sprzętowa mikroprocesora: zasadnicze układy mikroprocesora:

- jednostka arytmetyczno- logiczna ALU - potrafi wykonać: dodawanie, podstawowe operacje logiczne oraz przesunięcie bitowe w lewo i prawo

-rejestry uniwersalne

- układ sterujący

Najważniejsze cechy mikroprocesora i pojecia z nim zwiazane:

- rozkazy pobierane z pamieci programu,

- rozkazy pobierane zasadniczo po kolei,

- realizacja programu zawsze od tego samego adresu

w pamieci programu,

- taktowany generatorem impulsów zegarowych,

- cykl maszynowy,

- przerwania,

- długosc słowa - mikroprocesor np. 8-bitowy.

Mikrokomputer- mikroprocesor jako jednostka centralna wraz z zestawem układów dodatkowych

Przeznaczenie: zadania obliczeniowe, laboratoryjne

Szyna adresowa - połączenie miedzy jednostka centralna i pamiecia, które przenosi adres z/do miejsc, gdzie jednostka centralna chce miec dostep.

Szyna danych- czesc magistrali odpowiedzialna za transmisje danych. Szerokosc szyny danych oraz czestotliwosc z jaka dane SA na nia podawane okresla szybkosc transmisji danych danej magistrali.

Szyna sterujaca - połaczenie miedzy jednostka centralna i pamiecia oraz układem wejścia wyjscia które przenosi sygnały od mikroprocesora, okreslajace jaki rodzaj operacji ma wykonac układ współpracujacy.

Mikrokontroler- Jest to mikrokomputer, którego zastosowanie zostało zaweżone do sterowania urządzeniami elektronicznymi.

Cechy mikrokontrolera:

• stałość programu sterującego

• stała struktura pamięci ROM/RAM

• bogaty zestaw urzadzen we/wy

• rozbudowane układy przerwan

• różnorodne tryby i srodki redukcji poboru mocy

• rozbudowane mechanizmy kontroli i detekcji nieprawidłowych stanów mikrokontrolera

• umieszczenie w jednej strukturze układów cyfrowych i analogowych

Przeznaczone głównie do sterowania i związane z tym zadania.

Wiele możliwości współpracy z innymi urządzeniami

2. Architektura harwardzka, Von-Neumanna, zmodyfikowana harwardzka

(podział ze względu na typ struktury mapy pamięci)

Architektura Von-Neumanna

• Cechuje się jednolitą przestrzenią adresową, w której wszystkie pamięci, rejestry i układy we/wy są umieszczone w jednej, wspólnej przestrzeni adresowej.

• W architekturze tej zakłada się, że podział przestrzeni adresowej na pamięć programu, pamięć danych oraz obszar we/wy jest czysto umowny i zależy wyłącznie od rozmieszczenia tych elementów w obszarze adresowympodczas projektowania systemu.

• Mikrokontroler ma jedną szynę danych wspólną dla danych i programu.

Architektura Harwardzka

• Opiera się na użyciu dwóch oddzielnych szyn dla danych i rozkazów, dzięki czemu w trakcie pobierania argumentów wykonywanej właśnie instrukcji można równocześnie zacząć pobieranie następnego słowa rozkazowego (pre-fetch).

• Skraca to cykl rozkazowy i zwiększa szybkość pracy.

• W tym przypadku stosuje się inne rozkazy dla pamięci programu i inne dla pamięci danych. Ponadto magistrala danych i rozkazów mogą mieć różną szerokość.

• Obszary adresowe pamięci danych i programu (wewnętrznych i czasami zewnętrznych) są rozdzielone. Pociąga to za sobą niejednoznaczność adresów, ponieważ pod tym samym adresem jednostka centralna widzi pamięć RAM i ROM.

Zmodyfikowana architektura Harwardzka

• Zmodyfikowana architektura harwardzka jest rozwiązaniem pośrednim, starającym się połączyć zalety architektury harwardzkiej i Von-Neumanna. Obszary pamięci ROM i RAM są rozdzielone, ale charakteryzują się taką samą długością słowa.

• Dzięki multiplekserom i odpowiedniej organizacji magistrali pamięci ROM i RAM możliwe jest z pewnymi ograniczeniami przesyłanie stałych z pamięci ROM do rejestrów i pamięci RAM (wspólna magistrala adresowa i danych).

• Jedynym rejestrem niewidocznym jako komórka pamięci RAM jest rejestr akumulatora A.

3. Architektura RISC i CISC

Architektura RISC- czyli o zredukowanej liście instrukcji, odznacza się następującymi cechami:

• Procesor jest zbudowany zgodnie z architekturą harwardzką,

• Procesor wykorzystuje przetwarzanie potokowe w celu zwiększenia szybkości wykonywania programu,

• Zbiór realizowanych instrukcji jest ograniczony i spełnia warunki ortogonalności (symetrii).

Architektura RISC- przetwarzanie potokowe

W przetwarzaniu potokowym jednostka centralna dysponuje pobranymi na zapas instrukcjami, które są kierowane do współbieżnego wykonania w jej poszczególnych jednostkach wykonawczych. W procesorze tego typu zamiast prostego rejestru instrukcji stosuje się pamięć FIFO, która gromadzi kolejkę instrukcji. Instrukcje pobierane z pamięci programu do kolejki opuszczają ją w takiej samej kolejności i są kierowane do poszczególnych układów wykonawczych.

Architektura CISC

Architektura CISC charakteryzuje się rozbudowaną liczbą instrukcji (często powyżej 100). Przeciwstawia się ją architekturze RISC. Cecha ortogonalności nie jest zachowana. Instrukcje są wąsko specjalizowane, współpracują na ogół tylko z określonymi rejestrami i wymagają stosowania określonych trybów adresowania.

4. Tryby adresowania

• Adresowanie natychmiastowe

-Operand (argument) jest podany w jawnej postaci w kodzie instrukcji

ADD A,#dana,

MOV A,#0F3h

ADD a,#3

• Adresowanie bezpośrednie

-po kodzie rozkazu następuje adres argumentu umieszczonego w pamięci danych (komórki pamięci RAM).

ADD A,adres

ADD A,37h

MOV A,0F8h

• Adresowanie implikowane, rejestrowe wewnętrzne

- zarówno operand (argument) jak i miejsce przeznaczenia wyniku są określone przez słowo rozkazowe.

ADD A,R1

INC A

• Adresowanie pośrednie

-część adresowa instrukcji wskazuje na komórkę pamięci

zawierającą adres efektywny.

Adresowanie pośrednie

MOV A, @R1 - prześlij do akumulatora wartość komórki wewnętrznej RAM, której adres zawarty jest w rejestrze R1,

ADD A,@R0 - dodaj do akumulatora wartość komórki wewnętrznej RAM, której adres zawarty jest w rejestrze R0,

MOVX A, @DPTR - prześlij do akumulatora wartość komórki zewnętrznej RAM, której adres zawarty jest w rejestrze DPTR.

• Adresowanie indeksowe

- polega na obliczeniu adresu przez sumowanie zawartości specjalnie przeznaczonego do indeksowania rejestru, nazywanego rejestrem indeksowym (akumulator A), z adresem bezpośrednim, zapisanym w instrukcji (PC lub DPTR).

Adresowanie indeksowe

JMP @A+DPTR - skocz pod adres będący sumą A i DPTR,

MOVC A,@A + PC - prześlij do A wartość sumy poprzedniej zawartości A i wskaźnika PC

Adresowanie względne

- służy do adresowania pamięci względem adresu aktualnie wykonywanej instrukcji w pamięci programu. Adres ten jest przechowywany w specjalnie do tego celu przeznaczonym rejestrze, nazywanym licznikiem programu PC (program counter), licznikiem rozkazów lub wskaźnikiem instrukcji IP

JNB adres bitu,etykieta,

JNB P0.1,LOOP - jeżeli wartość bitu P0.1 jest równa 0 to skocz do etykiety LOOP.

5. Kody liczbowe, przeprowadzanie operacji arytmetycznych

• Kod dziesiętny

145,06=1·10²+4·10¹+5·10⁰+0·10^-1+6·10^-2

Podstawą jest liczba 10.

• Kod binarny

1011=1·2³+0·2²+1·2¹+1·2⁰

Podstawą jest liczba 2

Przeliczanie z dziesiętnego na binarny:

19/2 9 1

9/2 4 1

4/2 2 0 =10011

2/2 1 0

1/2 0 1

Wynik otrzymujemy w kolejności od najmłodszego do najstarszego bitu

• Kod szesnastkowy (heksadecymalny)

10,11, 12,13,14,15

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F.

3E8= 3·16²+14·16¹+8·16⁰ = 768+224+8=1000

Przeliczanie z szesnastkowego na dziesiętny

467/16 29 3

29/16 1 D =1D3

1/16 0 1

Wynik otrzymujemy w kolejności

od najmłodszego do najstarszego znaku

• Kod uzupełnień do jedności U1

Reprezentacja liczby ujemnej uzyskuje się przez negowanie liczby dodatniej:

0110=0·2³+1·2²+1·2¹+0·2⁰ =6

1001 = -6

- Najstarszy bit wskazuje na znak liczby

- Istnieją dwie reprezentacje zera:

0000

1111

Odejmowanie w kodzie U1:

• Kod uzupełnień do dwóch U2

Waga najstarszego bitu jest zawsze ujemna

1001=-1·2³+0·2²+0·2¹+1·2⁰ = -7

0110=0·2³+1·2²+1·2¹+0·2⁰ =6

Liczbę ujemną otrzymuje się przez zaprzeczenie liczby dodatniej i dodanie jedności:

0110=0·2³+1·2²+1·2¹+0·2⁰ =6

-zaprzeczenie

1001=-1·2³+0·2²+0·2¹+1·2⁰ = -7

-dodanie +1 - 1010 = -6

Odejmowanie w kodzie U2

W odróżnieniu od U1 w kodzie U2 przeniesienie jest ignorowane. Oznacza to, że operacje wykonuje się w jednym kroku.

• Kod BCD

3 9 2

392= 0011 1001 0010

Kod BCD - dodawanie:

89+45=134

• Kod 1 z „n”

-Znak bitu na poszczególnej pozycji wyraża wartość liczbową

0 0000000001

1 0000000010

2 0000000100

3 0000001000

4 0000010000

5 0000100000

6 0001000000

7 0010000000

8 0100000000

9 1000000000

6. Pamięć ROM, RAM- właściwości, parametry

• Pamięć ROM- pamięci tylko do odczytu. Ten typ pamięci programowany jest przez producenta w trakcie procesu produkcyjnego.

-pamięć PROM- programowalna pamięć tylko do odczytu. Jest to pamięć jednokrotnego zapisu.

-pamięć EPROM- kasowalna pamięć tylko do odczytu. Pamięć, do której zaprogramowania potrzebne jest specjalny programator

-pamięć EEPROM- pamięć kasowalna i programowalna elektrycznie

-pamięć Flash EEPROM-pamięć w której zapisywanie lub kasowanie odbywa się jednocześnie na większej liczbie komórek.

• Pamięć RAM

-Pamięć RAM jest pamięcią roboczą procesora, przechowywane są w niej dane „chwilowe” potrzebne w danym momenciedo pracy układu. Zawartość pamięci RAM jest ulotna i znika po wyłączeniu zasilania komputera.

-pamięć SRAM- Pamięć przechowuje swoją zawartość tak długo, jak ma zasilanie ,w odróżnieniu od DRAM, którą trzeba okresowo odświeżać

-pamięć DRAM- Zbudowana jest na kondensatorach które są okresowo odświeżane przez specjalizowany układ.

Podstawowe parametry pamięci:

• Pojemność -określa ilość informacji jaką można w niej przechować wyrażoną w bitach, bajtach lub słowach.

• Organizacja- sposób rozłożenia bitów w słowa

• Szybkość:

-czas dostępu - czas od momentu żądania informacji z pamięci do momentu, w którym ta informacja ukaże się na wyjściu pamięci

-czas cyklu - najkrótszy czas jaki musi upłynąć pomiędzy dwoma żądaniami dostępu do pamięci

- szybkość transmisji - określa ile bajtów (bitów) można przesłać pomiędzy pamięcią a innym urządzeniem w jednostce czasu

• - Koszt.

• - Pobór mocy.

7. Cykl rozkazowy mikroprocesora- etapy

Rozkazy są pobierane z pamięci i pobierane sekwencyjnie.

Etap 1. Pobranie rozkazu z pamięci:

1. wysłanie zawartości licznika rozkazów na magistralę adresową

2. odczyt instrukcji z pamięci programu

3. zwiększenie zawartości licznika rozkazów

Etap 2. Dekodowanie kodu rozkazowego:

1. zakodowanie odczytanego z pamięci rozkazu

2. odczytanie operandów z rejestrów

Etap 3. Obliczenie adresu argumentu, pobranie argumentu z pamięci, wykonanie rozkazu

Przykładowe operacje:

-obliczenie adresu efektywnego danej umieszczonej w pamięci

- wykonanie operacji matematycznej na rejestrach

-wykonanie operacji z użyciem danej umieszczonej w rejestrach

Etap 4. Ustalenie adresu wynikowego

1. odczytanie danej z pamięci danych

2. wpisanie adresu do licznika programów

Etap 5. Zapisanie wyniku

1. zapisanie rezultatu operacji w rejestrze lub pamięci

8. Mapa pamięci mikroprocesora SAB80C537

9. Rejestr PSW, znaczenie flag rejestru

CY- znacznik przeniesienia

AC- przeniesienie pomocnicze

F- znacznik programowy

RS1, RS0- wskaźnik aktywnego banku rejestrów roboczych

0V- znacznik nadmiaru (używany w kodzie U2)

- - rezerwa

P- znacznik parzystości

10. Budowa i programowanie przetwornika analogowo-cyfrowego w mikrokontrolerze

Przetwornik A/C jest zewnętrznym układem mikrokontrolera przeznaczonym do przetwarzania sygnałów z postaci analogowej 0…+5V DC na cyfrową 8-bitową. Wejście przetwornika A/C stanowi analogowy multiplekser umożliwiający pomiar napięciowego sygnału analogowego na 8 różnych kanałach z szybkością 13-15 cykli maszynowych C_p=19,5mV

Przetwornik A/C programujemy przy użyciu trzech rejestrów specjalnych SFR

BD,CLK- nieużywane podczas programowania

BSY- flaga stanu tylko do odczytu

MX2,MX1,MX0- wybór numeru kanału pomiarowego

ADM- określa rodzaj przetwarzania, ADM=1 - tryb ciągłego pomiaru, 0-pomiar pojedynczy

11. Budowa i programowanie licznika T2 w mikrokontrolerze SAB537

Licznik T2 jest jednym z najbardziej rozbudowanych układów wewnętrznych mikrokontrolera SAB 80C535. Z tego też względu ma bardzo dużo możliwości funkcjonalnych, zawartych w trzech trybach pracy, określanych skrótem CCR:

CCR − Compare (porównanie),

CCR − Capture (zapamiętanie wartości chwilowej),

CCR − Reload (autoładowanie wartości początkowej).

Szesnastobitowy licznik T2 tworzą dwa 8−bitowe rejestry:

bardziej znaczący TH2 i mniej znaczący TL2.

Z obsługą licznika T2 związane są linie portu P1, które w zależności od funkcji licznika mogą być wykorzystane jako:

• Linie P1.0...P1.3:

-wyjścia impulsów o modulowanej szerokości sygnału (MSI),

-wejścia przerwań INT3#..INT6,

• 
  Linia P1.5/T2EX:

-sprzętowe ustalenie momentu wpisu wartości początkowej do licznika T2.

• 
  Linia P1.7/T2:

-wejście impulsów zewnętrznych,

-wejście bramkujące zliczanie impulsów wewnętrznych.

T2PS − włączenie dodatkowego dzielnika wstępnego dla

wewnętrznego źródła taktowania:

T2PS = 0 − taktowanie licznika sygnałem f_osc /12,

T2PS = 1 − taktowanie licznika sygnałem f_osc /24.

I3FR − wybór aktywnego zbocza sygnału przerwania

zewnętrznego INT#3,wpisu wartości początkowej:

I3FR = 0 − zbocze opadające,

I3FR = 1 − zbocze narastające.

T2R1, T2R0 − wybór trybu autoładowania licznika:

T2CM − wybór trybu porównania:

T2I1, T2I0 − wybór źródła sygnału taktującego:

Programowanie trybów pracy rejestrów CRC,CC1...CC3 jest

dokonywane w rejestrze CCEN.

11. Współpraca mikroprocesora w wybranymi urządzeniami zewnętrzymi

Przykładowy program z użyciem klawiatury:

Program, który za pomocą klawiatury steruje silnikiem prądu stałego przy:

K1- ster. pokrętłem K2- cyklowy prog.

ORG 100h

MOV T2CON,#11h

MOV CCEN,#00001010b

ANL ADCON,#11110000b

ARL ADCON,#00000110b

MOV CRCH,#0FFh

MOV CCH1,#0FFh

MOV CRCL,#0

………….. (*czesc konfig.licznika*)

MOV DPTR,#0FFB0h

MOVX A,@DPTR

JB ACC.0,PROG1 (*przyciski*)

JB ACC.1,PROG2

SJMP START

……..

PROG1:

MOV DAPR,#0

JB BSY,$

MOV CCL1,ADDAT

SJMP START

PROG2:

MOV CCL1,#0

LCALL 0P0Z

MOV CCL1,#64

LCALL OPOZ

MOV CCL1,#128

LCALL 0P0Z

MOV CCL1,#255

LCALL OPOZ

MOV CLL1,#128

LCALL 0P0Z

SJMP START

OPOZ:

MOV R5,#50

MOV R6,#100

MOV R7,#100

DJNZ R7, SK1

DJNZ R6, SK2

DJNZ R5, SK3

RET

Przykładowe programy:

1.Zmierzyć napięcie pracy przetwornika A/C z dokładnością8 bitówi zapisać w pamięci zewnętrznej

ORG 100h

ANL ADCON,#11110000b

ORL ADCON,#00000100b

MOV DAPR,#0

POH: JB BSY, $

MOV A, ADDAT

MOV DPTR,#200h

MOVX@DPTR,A

2. Zmierzyć, czy napięcie jest duże czy niskie (niskie-1 dioda, wyższe-2 diody itp.)

ORG 100h

ANL ADCON,#11110000b

ORL ADCON,#00000100b

START:

MOV DAPR,#0

JB BSY,$

MOV A,ADDAT

ANL A,#11100000

SWAP A (00001110)

PR A (00000111)

MOV DPTR,#TAB

MOVC A,@A+DPTR

MOV P1,A

SJMP START

3. Zmierzyć napięcie z dokładnością do 10

ORG 100h

ANL ADCON,#11110000b

ORL ADCON,#00000100b

START:

MOV DAPR,#0

JB BSY,$

MOV A,ADDAT

ANL A,#11000000b

RL A

RL A

MOV 30h,A

MOV DPTR,#TAB

MOVC A@A+DPTR

MOV DAPR,A

JB BSY,$

MOV 31h,A

---