Pytania na zaliczenie „Podstaw Techniki Mikroprocesorowej” (wykład)

1. Wyjaśnić pojęcia: mikroprocesor, mikrokomputer,

mikrokontroler. Opisać różnice między nimi.

Mikroprocesor

Mikroprocesor (ang. microprocessor) jest to procesor wykonany w postaci pojedynczego
mikroukladu (ang. chip) o wielkim stopniu scalenia. Okreslenie mikroprocesora zawiera w
sobie dwa elementy:
– funkcjonalne przeznaczenie do przetwarzania
informacji w zadany z zewnatrz (prizes uSytkownika) sposób (procesor),
– technologiczne wykonanie jako elektronicznego
ukladu scalonego o wielkim stopniu integracji.

Sam mikroprocesor nie jest zdolny do samodzielnego funkcjonowania!!!! Do jego
prawidłowej pracy potrzebne są dwa typy układów dodatkowych:
• układy do wprowadzania i wyprowadzania informacji, nazywane układami wejścia−wyjścia
(ang. input−output),
• pamięć (ang. memory), w której jest przechowywany program oraz dane i wyniki obliczeń,
zarówno końcowe, jak i cząstkowe.

Mikrokomputer
Mikroprocesor jako jednostka centralna (ang. Central Processing Unit CPU) wraz z zestawem
uk.adów dodatkowych tworza system mikroprocesorowy zwany równiez mikrokomputerem
(komputerem).

Mikrokontroler (ang. MCU)
Jest to mikrokomputer, którego zastosowanie zosta.o zawezone do sterowania urzadzeniami
elektronicznymi.
Cechy mikrokontrolera :
•zamknięcie magistrali danych i adresowej wewnątrz
układu scalonego
• stała struktura pamięci ROM/RAM
• stałość programu sterującego

• dostęp do rejestrów procesora i układów we/wy
przez mechanizm adresowania pamięci RAM
• rejestrowa struktura jednostki centralnej
• bogaty zestaw urządzeń we/wy
• rozbudowane układy przerwań
• różnorodne tryby i środki redukcji poboru mocy
• rozbudowane mechanizmy kontroli i detekcji
nieprawidłowych stanów mikrokontrolera
• umieszczenie w jednej strukturze układów
cyfrowych i analogowych

2. Podstawowe układy typowego mikroprocesora – wymień

i omów.

• układy do wprowadzania i wyprowadzania informacji, nazywane układami wejscia-wyjscia
(ang. input-output), Umożliwiają komunikację układu z użytkownikiem
• pamiec (ang. memory), w której jest przechowywany program (ROM) oraz dane i wyniki
obliczen (RAM), zarówno koncowe, jak i czastkowe. Są niezbędne do działania procesora.

3. Wymień i omów podstawowe rodzaje pamięci

stosowanych w systemach mikroprocesorowych.

Mikrokontroler może być wyposażony w różne typy
wbudowanej pamięci wewnętrznej:
• pamięć RAM (ang. Random Access Memory)
• pamięć ROM (ang. Read-Only Memory)
• pamięć EPROM (ang. Erasable Programmable ROM)
• pamięć OTP (ang. One Time Programmable)
• pamięć EEPROM (ang. Electrically Erasable PROM)
• pamięć FLASH (ang. bulk erasable non-volatile
memory)

Pamiec podreczna (ang. cache)
Jest to obszar pamieci statycznej o dostepie swobodnym zintegrowanej z procesorem.
• Jej zawartosc istnieje tylko w czasie pracy procesora (pod.aczenia zasilania)
• W pamieci tej przechowywane sa najczesciej uzywane fragmenty zawartosci pamieci
operacyjnej.
• Jest to pamiec droga, czas dostepu do niej wynosi kilka nanosekund i jest wyraznie krótszy
od czasu dostepu do pamieci operacyjnej, co daje wydatne skrócenie cyklu
maszynowego

Pamiec rejestrowa procesora
Jest to kilka lub kilkanascie rejestrów n-bitowych stanowiacych funkcjonalnie integralna
czesc procesora, do których dostep odbywa sie za pomoca multiplekserów sterowanych przez
uk.ad sterujacy procesora.

• Jest droga, czas dostepu do niej to u.amki nanosekundy, a jej zawartosc istnieje tylko w
czasie pracy procesora.
• Jest to pamiec statyczna, zbudowana jako uk.ad przerzutników.
• Musi byc najszybsza w systemie komputerowym, gdyz na jej zawartosci procesor wykonuje
bezposrednio operacje arytmetyczne i logiczne.

Pamiec operacyjna
Jest to obszar pamieci czesciowo sta.ej o dostepie swobodnym (ROM) przeznaczonym na
czesc systemowa I dynamicznej o dostepie swobodnym (DRAM) przeznaczonym na czesc
uzytkowa.
• Jest stosunkowo tania.
• Czas dostepu do niej to kilkanascie nanosekund.
• Zawartosc pamieci dynamicznej istnieje tylko prizes kilkadziesiat milisekund w czasie
pod.aczenia zasilania I wymaga odswiezania.
• Jest uzywana do przechowywania danych i kodów zadan aktualnie potrzebnych do
wykonywania.

Pamiec masowa
Jest to obszar pamieci przede wszystkim dyskowej, do której czas dostepu wynosi kilka
milisekund
• Jest tania a jej zawartosc jest trwa.a.
• S.uzy do przechowywania wszystkich stale uzywanych w danym systemie komputerowym
kodów programów I danych.

Pamiec zewnetrzna
Obszar pamieci nie zintegrowanej bezposrednio z mikroprocesorem o stosunkowo d.ugim i to
sekwencyjnym sposobie dostepu ale i o praktycznie nieograniczonej
pojemnosci. Sa to nosniki typu tasmy streamerowe, twarde dyski, czy popularne ostatnio
pendrive’y. Bardzo tania, ale nadajaca sie tylko do przechowywania
archiwaliów programów i danych.

4. Wymień i omów podstawowe tryby adresowania

pamięci.

Tryb adresowania pamięci określa miejsce, gdzie umieszczany jest adres argumentu lub
sposób w jaki jest on obliczany.

Adresowanie bezpośrednie (ang. direct addressing)
Przy takim adresowaniu adres argumentu jest umieszczany w pamięci programu, w słowie
następującym za rozkazem. Szesnastobitowy adres (mikroprocesorów 8 bitowych) zajmuje
dwa kolejne słowa pamięci.
Adresowanie bezpośrednie jest często stosowane w rozkazach skoku oraz do adresowania
danych zajmujących pojedyncze słowa pamięci.

Adresowanie pośrednie (ang. indirect addressing)
Odnosi się do rozkazów zawierających poza kodem operacji adres komórki pamięci, w
której znajduje się adres argumentu.

Odmianą adresowania pośredniego jest tzw. adresowanie za pomocą wskaźników
(ang. pointer addressing) zwane inaczej adresowaniem rejestrowym pośrednim lub
adresowaniem zawartością rejestrów. Dotyczy ono rozkazów, które swoim kodem
wskazują rejestr lub rejestry zawierające adres argumentu rozkazu. Rejestry te nazywa się
rejestrami wskaźnikowymi lub licznikiem danych.

Adresowanie natychmiastowe (ang. immediate addressing)
Argument (np. stała) jest umieszczony w pamięci programu bezpośrednio za kodem
rozkazu, czyli po pobraniu kodu rozkazu adres argumentu jest zawarty w liczniku
rozkazów. Rozkazy o adresowaniu natychmiastowym nazywa się rozkazami z
argumentem bezpośrednim.

Adresowanie indeksowe (ang. index addressing) Przy adresowaniu indeksowym adres
argumentu otrzymuje się przez dodanie adresu bezpośredniego, umieszczonego za
rozkazem, do zawartości rejestru procesora np. RI (wskaźnika danych), zwanego w tym
przypadku rejestrem indeksowym.

5. Omówić podstawowe architektury budowy

mikrokontrolerów (harwardzka, von Neumanna).

Architektura von-Neumanna
Polega na scis.ym podziale komputera na trzy podstawowe czesci:
• procesor (w ramach którego wydzielona bywa czesc sterujaca oraz czesc arytmetyczno-
logiczna)
• pamiec komputera (zawierajaca dane i sam program)
• urzadzenia wejscia/wyjscia
System komputerowy von Neumanna nie posiada oddzielnych pamieci do przechowywania
danych i instrukcji.
Instrukcje jak i dane sa zakodowane w postaci liczb. Bez analizy programu trudno jest
okreslic czy dany obszar pamieci zawiera dane czy instrukcje. Wykonywany program moze
się sam modyfikowac traktujac obszar instrukcji jako dane, a po przetworzeniu tych instrukcji
- danych - zaczac je wykonywac.

Architektura harwardzka
W odróznieniu od architektury von Neumanna, pamiec danych programu jest oddzielona od
pamieci rozkazów. Prostsza budowa przek.ada sie na wieksza szybkosc dzia.ania - dlatego ten
typ architektury jest często wykorzystywany w procesorach sygna.owych oraz przy dostepie
procesora do pamieci cache. Separacja pamieci danych od pamieci rozkazów sprawia, ze
architektura harwardzka jest obecnie powszechnie stosowana w mikrokomputerach
jednouk.adowych, w których dane programu sa najczesciej zapisane w nieulotnej pamieci
ROM (EPROM/EEPROM), natomiast dla danych tymczasowych wykorzystana jest pamiec
RAM (wewnetrzna lub zewnetrzna).

6. Systemy użytkowe i uruchomieniowe – sprzęt i

oprogramowanie.

System uzytkowy (docelowy),
czyli taki, jaki bedzie zainstalowany u uzytkownika zawiera sprzet i oprogramowanie
przeznaczone tylko do spe.nienia funkcji okreslonych w za.ozeniach projektu (np.
kontrolnopomiarowych i sterujacych). W zaleznosci od potrzeby, zastepuje on zadajnik,
regulatory, przetworniki pomiarowe, sterowniki cyfrowe itp. Uruchamianie w nim programu
by.oby bardzo trudne ze wzgledu na to, ze bezposrednio można obserwowac tylko zewnetrzne
wyniki dzia.ania procesora oraz nie ma mozliwosci dokonywania zmian w programie.
System uruchomieniowy
gotowy zestaw służący do nauki programowania i obsługi mikrokontrolera. Zawiera
zamontowane na stałe, najczęściej używane elementy elektroniczne, jak np. wyświetlacz
LCD, przyciski, linijki diodowe, buzzery, silniczki krokowe, nadajniki podczerwieni.

Środowisko projektowe – AVR Studio

• zupełnie darmowy pakiet uruchomieniowy wszystkich mikrokontrolerów AVR
• przyjemny interfejs, intuicyjna obsługa
• wbudowany edytor, asembler, kompilator
• zintegrowany symulator

• wbudowany debugger o zaawansowanych możliwościach
• możliwość współpracy z emulatorami zewnętrznymi (JTAG-ICE, debugWIRE)
• możliwość programowania w asemblerze i C (zewnętrzny kompilator)
• obsługa większości programatorów
• rozbudowany system pomocy wraz z opisem funkcjonalnym rozkazów

7. Zasady współpracy mikroprocesora z urządzeniami

zewnętrznymi: wymienić i scharakteryzować.

Zasady wspó.pracy mikroprocesora z uk.adami we/wy:
-Przegladania przez mikroprocesor rejestrów stanów poszczególnych uk.adów we/wy (ang.
pooling).
-Realizacja przerwan (ang. interrupt).
-Bezposredni dostep do pamieci (ang. Direct Memory Access).

-Współpraca na zasadzie przeglądania
rejestrów stanu odbywa się całkowicie pod kontrolą programu. Rejestr stanu układu we/wy
zawiera informacjęo aktualnym stanie urządzenia zewnętrznego. Mikroprocesor przenosi do
akumulatora zawartość rejestru stanu, sprawdza stany odpowiednich bitów i na tej podstawie
podejmujedecyzje o realizacji określonych działań programowych dotyczących obsługi
urządzenia.

-Realizacja przerwań
umożliwia praktycznie natychmiastową reakcję na żądanie obsługi przez urządzenie
zewnętrzne.
-Bezposredni dostep do pamieci (DMA)
Wymiana danych miedzy pamiecia a urzadzeniami we/wy odbywa sie bez udzia.u
mikroprocesora. Dzieki temu istnieje mozliwosc szybszego przesy.ania duzych bloków
danych, ograniczonego tylko czasem dostepu do pamieci i czasem dzia.ania uk.adów
bioracych udzia. w transmisji.

8.

Zasada działania systemu przerwań w typowym mikrokontrolerze.

Definicja przerwania:
Przerwaniem nazywamy taki stan pracy mikroprocesora, w którym przerywa on
wykonywanie programu głównego w celu wykonania podprogramu zwiazanego ze
zródłem przerwania.
Kolejność wykonywania przerwania:
-Zapamiętanie stanu w chwili przyjęcia sygnału przerwania
-Zidentyfikowanie źródła sygnału przerwania i określenie jego priorytetu, jeżeli jednocześnie
pojawiła się większa liczba sygnałów przerwań,
-Ustalenie strategii działania obsługi I realizacja odpowiedniego podprogramu,
-Odtworzenie stanu mikroprocesora i powrót do przerwanego programu.
Procedura obsługi przerwania:
Procedura obsługi przerwania może rozpocząć się w dowolnym momencie wykonywania
programu głównego w następnym cyklu
maszynowym po wykryciu zgłoszenia przerwania, jeśli spełnione są następujące warunki:

-Cykl maszynowy, w którym nastąpiło zgłoszenie przerwania jest ostatnim cyklem aktualnie
wykonywanej instrukcji rozkazu,
-Nie jest wykonywana instrukcja RETI lub inna związana z działaniem na zawartości
rejestrów przerwań,
-Aktualnie wykonywane przerwanie znajduje się na niższym poziomie.
Sktruktury wykonywania przerwań:
W jednopoziomowej strukturze przerwań nie ma możliwości zawieszania realizowanego
podprogramu obsługi przerwania przez sygnał przerwania pochodzący od innego urządzenia.
Przyjęcie kolejnego przerwania do realizacji następuje dopiero po zakończeniu realizacji
podprogramu obsługi aktualnie wykonywanego przerwania.
W wielopoziomowej strukturze przerwań, podprogram obsługi danego przerwania z jednego
urządzenia może być przerwany przez inne przerwania pochodzące z urządzenia o wyższym
priorytecie.
Priorytety przerwań:
Wówczas, w przypadku jednoczesnego zgłoszenia kilku przerwań, obsługiwane jest
przerwanie o najwyższym priorytecie związanym z określoną kolejnością obsługi.

9. Wymień i omów podstawowe cechy mikrokontrolerów

AVR.

Architektura harwardzka – rozdzielenie przestrzeni adresowej pamieci programu
i danych (oddzielne magistrale adresowe)
Architektura RISC – Reduced Instruction Set Computer. Wiekszosc rozkazów
jest realizowana w 1 takcie zegara. Programy dla procesorów RISC sa bardziej
spójne i posiadaja mniejszy kod wynikowy
32 uniwersalne rejestry wewnetrzne moga pelnic funkcje akumulatora podczas
wykonywania operacji arytmetycznych i logicznych. Minimalizuje to liczbe
przeslan miedzyrejestrowych
Slowo instrukcji jest 16Bbitowe, tzn. mikrokontroler z pamiecia 2kB moSe
pomiescic 1kslów

10.

Budowa i programowanie portów we/wy

mikrokontrolera ATMega32

W mikrokontrolerach rodziny AVR wbudowano bardzo mocno rozbudowany modu. wejscia-
wyjscia. Maksymalna liczba portów mikrokontrolerów rodziny ATmega wynosi 9
(ATmega3250/6450).
Do najciekawszych w.asciwosci modu.u we/wy zaliczyc mozna:
• dwukierunkowosc
• trójstanowosc
• opcjonalny pull-up
• duza wydajnosc pradowa stopni wyjsciowych
• symetryczna charakterystyka wyjsciowa
• mozliwosc konfiguracji bitowej
Rejestry sterujace praca portów umieszczone sa w najnizszej przestrzeni adresowej wejscia-
wyjscia (0x00-0x1F)
Dedykowane rejestry funkcyjne: PORTx, PINx, DDRx
Instrukcje dostepu do portów: SBI, CBI, OUT, IN

Instrukcje testujace: SBIS, SBIC

11.

Budowa i programowanie przetwornika A/C

mikrokontrolera ATMega32

Wiekszosc mikrokontrolerów rodziny ATmega wyposazonych zosta.o w 10- bitowy
przetwornik A/C sukcesywnej aproksymacji i wielowejsciowy multiplekser analogowy.
Przyk.adowe parametry modu.u A/C mikrokontrolera ATmega32:
• rozdzielczosc 10bit
• ca.kowita nieliniowosc +/- 0.5 LSB
• ca.kowita dok.adnosc +/- 2 LSB
• czas konwersji 13 – 260 µs
• max czestotliwosc 15 kSaPs (dla max. rozdzielczosci)
• 8 multipleksowanych kana.ów analogowych
• 7 róznicowych kana.ów wejsciowych
• 2 wejscia róznicowe z opcjonalnym wzmacniaczem x10 lub x200
• zakres napiec wejsciowych 0-Vcc
• mozliwosc wyboru wewnetrznego zród.a Uref = 2,56V
• opcjonalny tryb redukcji zak.ócen

12.

Budowa i programowanie układu czasowo-

licznikowego mikrokontrolera ATMega32.

Uk.ady licznikowe sa jednymi z najczesciej wykorzystywanych modu.ów peryferyjnych
wszystkich mikrokontrolerów. Najczesciej s.uza do odmierzania czasu, zliczania zdarzen,
generacji przebiegów o zmiennej czestotliwosci i wype.nieniu.
W mikrokontrolerach rodziny ATmega wystepuja liczniki 8-bitowe (T0 i T2) oraz 16-bitowe
(T1 i T3)
Dedykowane rejestry:
• TCNTnH, TCNTnL (aktualna wartosc)
• OCRnxH, OCRnxL (wartosc do porównania)
• ICRnH, ICRnL (wartosc przechwycona)
• TCCRn(x) (nastawy trybu pracy)
• TIMSK(n), ETIMSK (ustawienia przerwan)
• TIFR(n), ETIFR (znaczniki przerwan)
• Tryb pracy normalnej. Licznik zlicza impulsy do wartosci maksymalnej, zaleznej od jego
pojemnosci (65535 lub 255), a przepe.nienie powoduje zliczanie od poczatku.
• Tryb porównania. Mikroprocesor moze porównac stan aktualny licznika z wartoscia sta.a,
zapisana w rejestrach OCRnx. Zrównanie tych wartosci może spowodowac przerwanie lub
zmiane stanu na dedykowanym wyjsciu.
• Tryb przechwytywania. Polega na przepisaniu aktualnego stanu licznika do rejestru ICRx w
scisle okreslonej chwili.
• Tryb CTC (Clear Timer on Compare match). Polega na zerowaniu licznika po wykryciu
zgodnosci rejestru TCNTn z OCRn. Manipulowanie wartoscia rejestru OCRn pozwala
okreslic w ten sposób pojemnosc modu.u licznikowego.
• Szybki Tryb PWM
• Zaawansowane tryby PWM
• Tryb poprawnej fazy
• Tryb poprawnej fazy i czestotliwosci