17. Jednočipové mikroprocesory, MCS - 51, Arduino.pdf

Otázka VOŠ a SPŠ, Jičín | Maturita  HW mikrokontrolerů MCS-51 a Arduina Témata 1. Blokové schéma MCS-51 2. Základní charakteristika bloků – CPU, oscilátor, řadič přerušení, sériový kanál, C/T, paralelní porty 3. Dělení paměti a její význam 4. HW Arduina, charakteristika vlastností portů, V/V per...

Otázka VOŠ a SPŠ, Jičín | Maturita  HW mikrokontrolerů MCS-51 a Arduina Témata 1. Blokové schéma MCS-51 2. Základní charakteristika bloků – CPU, oscilátor, řadič přerušení, sériový kanál, C/T, paralelní porty 3. Dělení paměti a její význam 4. HW Arduina, charakteristika vlastností portů, V/V periferie Vypracovaná otázka Co je to MCS-51? anglicky: Microcontroller System 51 název pro rodinu 8-bitových mikrokontrolérů vytvořených společností Intel Co je to Intel 8051? 8bitový mikrokontroler z rodiny MCS-51 Jak vypadá blokové schéma Intel 8051? Světlezelená šipka = hlavní sběrnice, přes kterou (kromě generátoru hodin a řízení a časování) komunikují všichni Tenká šipka (černá) = drát, po kterém cestuje 1 bit Tlustá šipka (tmavězelená) = drát, po kterém cestuje 1 byte směr šipky udává směr provozu (jednosměrný, obousměrný) Co je to CPU? mikroprocesor mikrokontroleru řídí celý proces v mikrokontroleru vykonává strojové instrukce, ze kterých je tvořen počítačový program a obsluhuje jeho vstupy a výstupy jeho mikrokontroler je označován jako 8bitový (= to znamená, že CPU má 8bitovou ALU) potřebuje hodinový signál od generátoru hodinového signálu, který synchronizuje veškerou jeho činnost Co je to řadič CPU? dekóduje strojové instrukce, řídí jejich provádění vysílá do všech částí počítače řídící signály Co je to ALU? česky: aritmeticko-logická jednotka 8bitová (=může zpracovávat data a instrukce o velikosti 8 bitů najednou) obsahuje sčítačku/odčítačku, násobičku/děličku a booleovskou aritmetickou jednotku zde probíhají základní operace například: logický součin, součet Co je to oscilátor? synonymum: krystal určuje frekvenci Co je to Řadič přerušení? umožňuje přerušit běžný provoz CPU, přesměrovat jej k vyřízení určité úlohy CPU po vyřízení úlohy pokračuje tam, kde přestal Co je to Čítač/časovač 0 a Čítač/časovač 1? zkráceně C/T 0, C/T 1 slouží k řízení času a měření intervalů, což může být použito k generování pravidelných signálů nebo k odpočítávání do určitého času Co je to Sériový kanál? data přicházejí bit po bitu RxD (Receive data) = po tomto pinu je bit po bitu přijímán do sériové linky TxD (Transmit data) = po tomto pinu je bit po bitu vysílán pryč ze sériové linky běží Full-Duplexně – v jeden okamžik mohou bity procházet oběma směry (být přijímány, nebo vysílány pryč) Co jsou to V/V porty 0-3? celkem 4 vstupně/výstupní porty (P0, P1, P2, P3) slouží k připojení vstupních a výstupních zařízení (tlačítko, LED dioda, ...) jsou 8bitové – po každém drátku 1 bit (pod zelenou bajtovou šipkou se skrývá 8 bitových drátků) tyto drátky dokáží pracovat paralelně a komunikovat oboustranně čili - nepřijímá se nebo neodesílá bit po bitu sériově, ale dokáže se přijímat či odesílat až 8 bitů naráz - paralelně běží Half-Duplexně – buď se po každém drátku odesílá, nebo přijímá jejich označení v Assembleru = P0 - P3 Co je to Generátor hodin? slouží k generování hodinových signálů, které synchronizují práci jednotlivých částí mikrokontroléru Jaké jsou na Intel 8051 paměti? dělíme na vnitřní paměť programu a vnitřní paměť dat hardvardská architektura - paměť programu je fyzicky oddělena od paměti dat (opak Von Neumannova) Co je to vnitřní paměť programu? slouží k uložení programu mikrokontroleru je Read-Only, tudíž je to paměť ROM (šipka naznačuje, že data proudí pouze jedním směrem) ukládá kód, který má CPU provádět (resp. posloupnost Assembler instrukcí) pro nahrání programu slouží tzv. programátor ten dokáže přenést kód z počítače do vnitřní paměti programu připojuje se do sériové linky velikost 4 kB Co je to vnitřní paměť dat + SFR? slouží k uložení dat mikrokontroleru slouží k ukládání dat, které jsou používány v průběhu běhu programu data proudí oběma směry = paměť typu RAM (šipka naznačuje, že data proudí oběma směry) SFR (Speciální funkční registry) = velikost 128 byte velikost 128 byte celková velikost: 128 + 128 = 256 byte MOV – pro zápis do vnitřní paměti dat Co je to Arduino? označení mikrokontrolerů systému Arduino Arduino UNO, Arduino MEGA, Arduino NANO každý pin produkuje 5V samotné napájení Arduina je 7 - 12V Co je to Arduino Uno? 14 digitálních vstupně/výstupních pinů (6 z nich s podporou PWM) 6 analogových pinů (ty lze použít i jako digitální piny) Co je to PWM? česky: Pulzně šířková modulace anglicky: Power Width Modulation pin, který je schopen přijímat digitální vstup a pracovat s ním jako s analogovým port je na Arduino desce značen vlnovkou (~) využití: regulace jasu LED, regulace rychlosti motoru Jaké existují druhy pinů? INPUT (pro vstup) OUTPUT (pro výstup) INPUT_PULLUP (pro vstup s použitím vnitřního PULLUP rezistoru, např. u tlačítka) Mikroprocesor programovatelný sekvenční automat vyrobený technologií velké integrace programovatelný, protože se dá programovat sekvenční, protože vykonává jednotlivé instrukce v sekvenci (za sebou) automat, protože instrukce vykonává automaticky technologií velké integrace, protože byl vyroben tak, aby měl hodně funkcí na malém prostoru základní součást počítače - vykonává převážně aritmetické (+, -, *, /) a logické operace (AND, OR) program s instrukcemi je uložen v paměti programu počítače aby mohl komunikovat s okolím, potřebuje vstupně/výstupní rozhraní (I/O) většinou konstruován jako jeden integrovaný obvod (monolitický) = jedná se 1 součástku Mikrokontroler synonyma: mikropočítač, MCU, µC mikroprocesor s přidáním dalších obvodů paměti vstupně-výstupní obvody generátory hodin řadiče přerušení Časovače atd. monolitický (jednočipový) mikropočítač => mikrořadič, mikrokontroler Sběrnice (Bus) soustava vodičů, která umožňuje přenos signálů mezi jednotlivými částmi počítače pomocí těchto vodičů mezi sebou jednotlivé části počítače komunikují a přenášejí data hlavní sběrnice uprostřed schématu = drátky, po kterých putují informace do CPU a i z něho (adresy, data z/do pamětí) všichni komunikují se sběrnici – s výjimkou řadiče přerušení a řízení a časování, kteří komunikují přímo s CPU po tenké šipce (1 drátek), v jeden okamžik může cestovat pouze 1 bit, a to pouze jednosměrně po tlusté šipce (8 drátků) - ,,UTP“ - v jeden okamžik může cestovat 8 bitů - 1 byte Registry CPU klopné obvody, které uchovávají zpracovávané informace klopný obvod má dvě klidové polohy, v každé z nich může setrvat libovolně dlouhou dobu elektrický impuls ho může tzv. překlopit z jedné polohy do druhé, a naopak čítač instrukcí (IP - Instruction Pointer)= obsahuje adresu v paměti právě prováděné instrukce registr instrukcí (RI) - obsahuje instrukci načtenou z paměti střadač (S) - obsahuje výsledek provedené instrukce Čím je tvořena? čtyřmi bankami registrů (0, 1, 2, 3), z nichž každá obsahuje osm osmibitových registrů R0, až R7 v každém okamžiku může být povolena pouze jediná sada registrů (výběr se řídí dvoubitovým polem v PSW) dalších 16 bytů vnitřní paměti dat obsahuje 128 pozic adresovatelných po jednotlivých bitech tzv. bitová oblast (adresy 20 H až 2F H) zbývající datová paměť RAM počínaje adresou 30 H a konče adresou 7F H je uživateli volně přístupná a nazývá se bytově programovatelná oblast RAM SFR (special function register) všechny informace, důležité pro činnost mikroprocesoru a jeho periferních obvodů integrovaných na čipu procesoru, jako jsou čítače, sériový kanál, systém přerušení oblast speciálních funkcí je tvořena 21 registry, které leží v adresovém prostoru 80 H až FF H je zde 128 adres, které se používají k adresování některých významných bitů příslušejících speciálním funkčním registrům Harvardská architektura paměť je fyzický oddělena na paměť programu a paměť dat Von Neumannova architektura paměť programu a paměť dat je fyzicky spojena (protiklad Harvardské) Generátor hodinového signálu určuje dobu trvání jednoho strojového cyklu a řídí časování operací trvání strojového cyklu závisí na tom, jakou frekvencí kmitá krystal XTAL1 a XTAL2 = kontakty, na které se připojuje krystal pro základní hodinový kmitočet (12MHz) trvají instrukce 1 mikrosekundu nebo 2 mikrosekundu pouze dělení a násobení trvá 4 mikrosekundy Krystal rezonátor = vykazuje rezonance (čím větší frekvence, tím více kmitá) jakmile se na krystal přivede napětí, krystal začne kmitat (oscilovat) jedná se o externí součástku, která se připojuje k XTAL1 a XTAL2 na generátoru hodinového signálu určuje trvání jednoho strojového cyklu Strojový cyklus frekvence = takt procesoru, resp. frekvence krystalu (např. 12 MHz = 12 taktů) strojový cyklus se skládá z několika taktů symbolizuje čas potřebný k jednomu přístupu do paměti (v taktech) náš procesor je 8 bitový (má 8 bitovou sběrnici), a proto je základní přenášený jednotka 1 byte každá instrukce vyžaduje přinejmenším jeden cyklus 1 2 3 4 5 T = 12 × 1/f T = 12 × 1/12 = 1 µs f … frekvence [MHz] T … čas [mikrosekundy = µs] Čítač/Časovač součástka, která je schopna být buď čítačem, či časovačem časovač: bere signály od generátoru hodin a dokáže odměřovat čas čítač: počítá výskyty externího signálu (z pinů T0; T1) např. počet stisknutí tlačítka, počet přerušení laseru senzoru; dá se říct, že dokáže čítat jakékoliv vstupní zařízení, které je 1 bitové – čili má stav 0 nebo 1 Řadič přerušení přerušuje (=pozastaví) probíhající instrukci v procesoru, vykoná to, co potřebuje, a pak instrukci obnoví multi-threading na daném mikroprocesoru neexistuje – musí velmi rychle přepínat mezi procesy (přepínání umožňuje právě řadič přerušení) přerušení může vyvolat 5 jeho zdrojů sériový kanál, čítač/časovač, INT0 a INT1 (vnější/externí zdroje) – na dané porty se může připojit cokoliv, co je jednobitové (stav 0 nebo 1) – tlačítko, senzor apod. INT = Interrupt (přeruš) Technické parametry MCS-51 8bitová ALU vnější paměť programu maximálně 64 kB vnější paměť dat maximálně 64 kB počet čítačů - 2 až 3 dvě prioritní úrovně pro 5 žádostí o přerušení programovatelné osmibitové vstupně/výstupní porty duplexní sériový kanál (UART) oscilátor a generátor hodinové frekvence v procesoru kapacita vnitřní paměti dat 128 B nebo 256 B kapacita vnitřní paměti programu 0 B, 4 kB, 8 kB nemá společnou vnitřní paměť programu a dat (nejde o architekturu dle von Neumanna) © Ondřej Švorc  Odhlásit se