mikroprocesorski merni sistemi arhitektura … 2.pdf · 1 ftn - eet - smer instrumentacija i...

1

FTN - EET - Smer INSTRUMENTACIJA I MERENJA

MIKROPROCESORSKI MERNI SISTEMI

ARHITEKTURA MIKROKONTROLERA


Osnovna arhitektura mikrokontrolera

2


Kako počinje rad mikrokontrolera?


Kako počinje rad mikrokontrolera?

1. Napajanje isključeno. Program je u mikrokontroleru.2. Napajanje uključeno. Oscilator počinje sa radom.3. Napajanje dostiglo maksimum. Oscilator daje stabilan

takt. Sva kola se uključuju i rade u skladu sa tim taktom.4. Programski brojač na početku ima stanje 0. 5. Iz memorije, sa adrese koju daje programski brojač,

uzima se instrukcija i izvršava.6. Programski brojač se povećava za 1 i izvršava se

prethodni korak.

3


Memorija


Memorija• Read Only Memory (ROM)

– stalna - čuva podatke i bez napajanja– program se smešta u ROM– veličina od 512B do 64kB– najčešće FLASH ROM (može da se prepisuje

praktično neograničen broj puta)• Random Access Memory (RAM)

– privremena– podaci i međurezultati– reda nekoliko kB– registri – memorijske jedinice (jedan bajt) opšte

namene i posebne namene (SFR)

4


Memorija

• Electrically Erasable Programmable ROM (EEPROM)– sadržaj se menja tokom izvršavanja programa

(kao RAM)– sadržaj se čuva i nakon isključenja napajanja

(kao “obični” ROM)– spora memorija


Memorija• Special Function Registers (SFR)

– deo RAM-a– njihova svrha predefinisana i ne može se

menjati– služe za konfigurisanje pojedinačnih kola

MCU (AD konvertora, serijske komunikacije, tajmera itd.)

– njihovi bitovi su fizički povezani sa ovim kolima

5


CPU• nadzire i kontroliše sve procese u

mikrokontroleru


CPU• podjedinice

– dekoder instrukcija• pokreće ostala kola CPU na osnovu instrukcije• svaka familija MCU ima svoj set instrukcija

– ALU• aritmetičko logička jedinica• matematičke i logičke operacije nad podacima

– akumulator• registar unutar CPU - za podatke koji su deo trenutnih

operacija ALU (“radni sto” ALU)– PSW registar

• program status word• statusni registar – informacija o stanju broja u akumulatoru

(da li je veci ili manji od nula i slično)

6


Magistrale

• tipično 8, 16 ili više veza• adresna magistrala – prenosi adresu od

CPU do memorije• magistrala podataka – povezuje sva kola

unutar MCU


Programski brojač

• kolo koje pokazuje na trenutnu adresu programa i pokreće izvršenje programa

• nakon izvršenja instrukcije programa, poveća se za 1

• mogući su programom zadati skokovi na proizvoljnu adresu

7


Prekidi (interrupts)

• mikrokontroler treba da reaguje na promene u okruženju

• da procesor ne bi stalno proveravao stanje u okruženju posebna kola to rade i šalju informaciju procesoru o bitnom događaju

• signal koji nosi ovu informaciju jeste INTERRUPT (prekid)


IO portovi

8


IO portovi

• registri povezani sa pinovima mikrokontrolera

• kontrolišu ih SFR registri• mogu se konfigurisati kao ulaz ili kao izlaz

(npr. 3 pina “pale” LED-ovke, a 5 pinova nadziru senzore)

• postoji max struja koju mogu dati (na nivou pina i na nivou MCU)


Serijska komunikacija• Paralelna komunikacija preko IO portova i velikog broja

veza dobro rešenje za male daljine• Za veće daljine i veći broj veza - serijska komunikacija• Postoje razni protokoli serijske komunikacije• Baud rate (baud ~ simbol ili impuls)

– brzina komunikacije – bps (biti u sekundi)

9


Serijska komunikacija – I2C protokol

• Inter Integrated Circuit• kraća rastojanja – nekoliko metara• 2 veze

– podaci– sinhronizacija (clock)

• jedan master uređaj obavezan• 112 slave uređaja (max)• brzina 10-100 kbps (novija kola – 3.4Mbps)


Serijska komunikacija – SPI protokol

• Serial Peripheral Interface• 3-4 veze (prijem, slanje, sinhronizacija i ponekad

selekcija uređaja za komunikaciju)• full duplex komunikacija – simultano slanje i

primanje• brzina veća od I2C

10


Serijska komunikacija – UART protokol

• Universal Asynchronous Receiver/Transmitter • asinhrona – nema posebne veze za clock signal

– bitno u nekim situacijama (npr. za radio vezu ili daljinsku kontrolu preko infracrvenih talasa)

• jedna linija za komunikaciju• prijemnik i transmiter rade na istoj predefinisanoj brzini i

tako se reguliše sinhronizacija• Baud rate – ne veća od 1Mbps


Oscilator• omogućuje harmoničan,

sinhronizovan rad svih kola MCU

• Kvarc ili keramički rezonatori – frekvencija stabilna

• RC oscilator – frekvencija nestabilna

• jedna instrukcija se izvršava u većem broju perioda oscilatora (npr. frekvencija je 20 MHz a jedna instrukcija se izvršava 50-800 ns zavisno od tipa MCU)

11


Tajmer• minijaturna štoperica• broji impulse oscilatora (1/4 najčešće zbog 4

faze u jednoj instrukciji)• tako meri vreme između 2 događaja

– tajmerski registri – SFR registri koji se inkrementiraju sa svakim impulsom


Tajmer i prescaler• elektronsko kolo koje deli takt na ulazu u

tajmerski registar

12


Tajmer i dodatni registar• prekoračenje (overflow) tajmera može da da

interrupt• tajmerski registar se restartuje a dodatni registar

inkrementira


Brojač

• ista tajmerska kola ali sa drugom namenom

• usmerena na brojanje impulsa ulaznog pina

• ne mere vreme nego broje vanjske događaje (npr. broj rotacija, putnike, proizvode na liniji za sklapanje,...)

13


Watchdog tajmer

rešenje za “zaglavljivanje” programa– kada odbroji maksimum, w.tajmer inicira reset

MCU i ponovno izvršenje programa• ovo se sprečava instrukcijama za čišćenje w.

tajmer registra• međutim, kada se desi zaglavljivanje - w. tajmer

registar se stalno inkrementira i kada dođe do maksimuma – inicira reset MCU


Watchdog tajmer

14


Napajanje• Brown out

– potencijalno opasno stanje– kontrolno kolo ga detektuje i vrši reset

mikrokontrolera• Reset pin

– Master Clear Reset (MCLR) – Služi za eksterni reset


AD konvertor• referentni napon iz mikrokontrolera ili

spolja

15


Interna arhitektura

• von-Neumann ili Harvard• razlika u izmeni podataka CPU i memorije


von-Neumann arhitektura

• 1 memorijski blok• 8 bitna magistrala podataka• ili čitanje instrukcija ili čitanje/upis

podataka – nikad istovremeno• sporo i neefikasno

16


Harvard arhitektura• 2 odvojene magistrale• istovremeno čitanje instrukcija i čitanje/upis

podataka • omogućuje 2 instrukcije istovremeno

– prethodna instrukcija završava sa rw podataka; – nova instrukcija se učitava u CPU


Set instrukcija

RISC (Reduced Instruction Set Computer)– samo osnovne operacija (sabiranje, oduzimanje,

kopiranje,...)– složenije operacije se prave kombinacijom osnovnih– lakše za učenje ali veći i sporiji programi

CISC (Complex Instruction Set Computer)– implementirane i složenije operacije– manji i brži programi ali teži za učenje

17


Pitanja1. Objasniti ROM, RAM i EEPROM memorije MCU2. Registri posebne namene (SFR) - svrha i karakteristike.3. Opisati strukturu CPU.4. Vrste magistrala u MCU.5. Programski brojač.6. Objasniti ulogu prekida (interrupts).7. IO portovi.8. Uloga i karakteristike serijske komunikacije kod MCU.9. I2C protokol serijske komunikacije.10. SPIprotokol serijske komunikacije.11. UART protokol serijske komunikacije.12. Uloga i vrste oscilatora.13. Uloga i funkcionisanje tajmera.14. Tajmer i prescaler.15. Tajmer i dodatni registar.16. Brojač MCU.17. Watchdog tajmer.18. Brown-out i reset pin19. Von-Neumann i Harvard arhitektura.20. RISC i CISC set instrukcija.

mikroprocesorski merni sistemi arhitektura … 2.pdf · 1 ftn - eet - smer instrumentacija i...

Documents