Digitaltechnik 9

Eigenschaften von NAND

• Jede kombinatorische Schaltung kann mit NAND oder NOR allein realisiert werden.
• Kombinatorische Schaltungen wie der 7447 werden üblicherweise in fester Hardware mittels Maskenverfahren/Photolithographie hergestellt.

Konfigurierbarkeit

• Die Maskenerstellung ist teuer und nur für große Stückzahlen geeignet.
• Für kleine Stückzahlen ist sie unerschwinglich.
• Es wird die Frage aufgeworfen, wie die Vorteile von Hardware realisiert und gleichzeitig eine gewisse Vielseitigkeit/Konfigurierbarkeit erreicht werden kann.
• Gate-Arrays sind eine Lösung, um Hardwarevorteile mit Vielseitigkeit zu kombinieren.
• Gate-Arrays haben viele UND-Gatter in einem x/y-Raster.
• Die Ausgänge dieser UND-Gatter sind über ODER-Gatter verbunden.
• Alle Gatter sind fest und werden durch eine Maske erzeugt, aber die Verbindungen zum Netz (Ein-/Ausgänge) wären über Schalter konfigurierbar.
• Kernidee: Ein Eingangspin und sein invertiertes Gegenstück werden auf einen Bus gespeist, der an jedes UND-Gatter angeschlossen werden kann.
• Nach der Programmierung hat das Gerät gleiche Eigenschaften wie echte Hardware, besonders bezüglich Geschwindigkeit/Laufzeitverzögerungen.
• Sie sind nicht effizient (nicht die optimale Lösung).
• Es ist ein Kompromiss zwischen Konfigurierbarkeit/Vielseitigkeit und Optimalität.

CPLD

• PLDs können getaktete Geräte sein und synchrone Ausgaben erzeugen.
• Anspruchsvolle Varianten sind CPLDs.
• CPLDs enthalten mehr interne Schaltkreise (z. B. MUX/LUTs) und können komplexere Schaltungen realisieren.

CPLD-Anwendungsfall

• Typische Anwendung von CPLDs ist die Schnittstellenlogik.
• Sie eignen sich, wenn einfache Funktionalität und hohe Geschwindigkeit (geringe Ausbreitungsverzögerung) erforderlich sind.
• Geräte können für die Anpassung unterschiedlicher Hardware oder zur "Übersetzung" von Protokollen einfach angepasst werden.

Programm-Stream

• Die Konfiguration ist entweder dauerhaft (One-Time-Programmable -> OTP) oder semi-permanent (Electrically-Erasable-Programmable-Read-Only-Memory -> EEPROM).
• Der Bitstrom wird von einfachen, proprietären Programmen generiert, die eine Logikfunktion definieren und die Verbindungspunkte berechnen.

Komplexere Anwendungsfälle

• CPLDs sind oft zu klein für komplexere Gerätefunktionen (nicht genügend Gatter).
• Geräte mit komplexeren Makroschaltungen (z. B. RAM und flexiblere Verbindungen) werden benötigt.
• Hier kommen FPGAs (Field-Programmable Gate Array) zum Einsatz.

Das Gerät hat nach der Programmierung die gleichen Eigenschaften wie echte Hardware, besonders bezüglich Geschwindigkeit/Laufzeitverzögerungen

• Es ist nicht effizient (nicht die optimale Lösung)
• Kompromiss: Konfigurierbarkeit/ Vielseitigkeit vs. Optimalität

FPGA-Zusammenfassung

• FPGAs haben typischerweise einen flüchtigen Bitstrom (die Switch-Konfiguration wird im RAM gespeichert).
• Nebeneffekt ist Reprogrammierbarkeit während der Laufzeit.
• Chips können sich live an die Probleme "anpassen".

FPGA

• FPGAs werden in Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung, Hochgeschwindigkeitskryptografie, Hardware-Prototyping oder (De-)Kodierungsanwendungen eingesetzt.
• Sie sind teuer, aber außergewöhnlich leistungsfähig.

FPGA-Zusammenfassung

• Sie sind so leistungsfähig, dass ganze CPUs in ihnen emuliert werden können.
• So wird die CPU-Entwicklung durchgeführt (Prototyp).
• Dies wird als Softcore bezeichnet (ein CPU-Kern innerhalb eines FPGAs, der durch Software konfiguriert wird).

Programmieren

• Es gibt zwei große Programmiersprachen im Hardwarebereich: VHDL und Verilog.

VHDL

• VHDL ist eine komplexere Sprache.
• Dies liegt daran, dass Parallelität und Taktsynchronität modelliert werden.
• Aktionen geschehen nicht zu dem Zeitpunkt, an dem man sie erwarten würde, wenn man den VHDL-Code wie einen "normalen" Programmiercode liest.

VHDL-Prüfstand

• Modelle werden in kleinere Subkomponenten aufgeteilt, die einzeln in Testständen getestet werden.
• Einzelne Komponenten können modelliert und dann in größeren Designs wiederverwendet werden.
• Ein CPU-Kern kann einfach "instanziiert" und zusätzlich Peripheriegeräte aufgerufen werden, um diese über einen Bus miteinander zu verbinden.

VHDL-Besonderheiten

• Signale in VHDL werden nur taktsynchron geschaltet.
• Das heißt, im Wesentlichen passiert A=B und B=A gleichzeitig bei der nächsten Taktflanke.
• Das Verhalten unterscheidet sich deutlich von einer imperativen Programmiersprache.

In Software geschriebene Hardware

• VHDL und Verilog sind Hardwarebeschreibungssprachen.
• Sie bieten eine Möglichkeit, das Verhalten von Hardware nur mit Software auszudrücken.
• Es ist relativ einfach, diese Hardware mit einer Verhaltenssimulation zu testen.

Von der Software zum IC

• Proprietäre Software kann verwendet werden, um einen FPGA-Bitstream zu synthetisieren.
• Sobald man davon überzeugt ist, dass der Chip wie erwartet funktioniert, kann man den HDL-Input verwenden, um einen Grundriss für einen ASIC (Application-specific Integrated Circuit) zu erstellen.
• So werden moderne ICs hergestellt.

Mikroprozessor vs. Mikrocontroller

• Ein Mikroprozessor hat in der Regel keine Peripheriegeräte an Bord.
• Er verfügt über einen externalisierten Adress-/Datenbus und geht davon aus, dass die Peripheriegeräte außerhalb des Kerns fest verdrahtet sind.
• Mikrocontroller integrieren manchmal viele Peripheriegeräte intern im Controller.
• ROM, SRAM, Timer/Counter usw.
• Dadurch werden Mikrocontroller (MUCs) zu autonomen Geräten.
• Es handelt sich um Single-Chip-Lösungen, die eine Vielzahl von Zwecken erfüllen können und frei programmierbar sind.
• MUCs sind überall zu finden (Haushaltsgeräte, Steuergeräte, Leuchten).

Fähigkeiten

• ROM liegt typischerweise im Bereich von 1k - 1M; typische Größen sind 8k, 64k, 256k.
• SRAM liegt im Bereich von 16 Byte (kleine Geräte) bis 256k (große Geräte).
• Programmierer müssen vorsichtig mit der Speicherhandhabung/Verwaltung umgehen.

Entwicklung von MUCs

• Früher waren 8 Bit MUCs weit verbreitet.
• 4 Bit MUCs sind kostengünstig (Tamagochi).
• Es gibt relativ wenige 16 Bit MUCs.

Betriebssystem

• Auf kleineren Mikrocontrollern läuft nie ein OS.
• Auf größeren gibt es welche, aber nicht oft.

Echtzeitfähigkeit

• MCs sind hervorragend darin, vorhersagbare und zuverlässige Reaktionszeiten zu liefern.
• Auf der CPU ist nicht viel los (z. B. kein präemptives Multitasking).
• Dadurch eignen sie sich für alle Arten von Steuerungsanwendungen.

Programmieren

• C wird beim Programmieren von MUCs verwendet.
• Beim Kompilieren des Codes erhält man eine verknüpfte Binärdatei mit hohem Gewicht (z. B. ELFE).

Von ELF zum Bild

• Es gibt keinen Loader für ELF-Binärdateien auf dem Ziel.
• Die internen Segmente müssen in einem binären Bitstrom konvertiert werden, der direkt ins ROM des Ziels geflasht werden muss.
• Dies wird durch eine Art Shell-Skript oder Makefile erreicht.
• Dieser binäre Blob wird als Firmware des Geräts bezeichnet.

JTAG

• Die Firmware muss in das Flash-ROM gelangen.
• Spezielle Hardware (JTAG-Adapter) wird verwendet.
• JTAG kann von dem Hostsystem, das sich mit dem Ziel verbindet, genutzt werden, um den Speicher zunächst zu programmieren, aber auch um das System "live" zu debuggen.

Hallo Welt

• Blinky ist das erste MCU-Programm, um die Systemsfunktion zu testen.
• Blinky hat die Aufgabe, eine extern angeschlossene LED an und aus zu machen.
• Grundlegendste Peripheriegerät für diese Aufgabe: GPIO.
• Die Register dieses GPIO-Peripheriegeräts sind im Datenblatt oder im TRM zu finden.
• Beispiel: AVR ATtiny2313.
• Seite 2: Pinbelegung.
• Seite 3: Blockdiagramm.
• Seite 48: GPIOs.
• Seite 58: GPIO Registermap.
• Aufgabe: GPIO Port Pin PB5 ein- und ausschalten.

Bitoperationen

• Bits in einem speicherabgebildeten I/O Register setzen und löschen.
• Auf Adresse 0xabcd1234 ist ein 32 Bitregister vorhanden und wir möchten 5 Bits [22:18] auf den Wert 21 setzen.

Bitoperation clear

• Zuerst müssen die Bits gelöscht werden, die möglicherweise dort gesetzt sind.
• Geschieht durch ein bitweises UND Register mit einer Registermaske.
• (*REG)= (*REG) & ~(0x1f

Jede kombinatorische Schaltung kann mit NAND- oder NOR-Gattern realisiert werden. Kombinatorische Schaltungen, wie der 7447, werden typischerweise in Maskenverfahren/Photolithographie gefertigt. Das ermöglicht die Herstellung fester Hardware.