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.

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.

2. Podstawowe układy typowego mikroprocesora - wymień i omów.

Sam mikroprocesor nie jest zdolny do samodzielnego funkcjonowania. Do jego prawidłowej pracy potrzebne sa dwa typy uk.adów dodatkowych:

• układy do wprowadzania i wyprowadzania informacji, nazywane uk.adami wejscia-wyjscia (ang. input-output),

• pamiec (ang. memory), w której jest przechowywany program oraz dane i wyniki obliczen, zarówno koncowe, jak i czastkowe.

3. Wymień i omów podstawowe rodzaje pamięci stosowanych w systemach mikroprocesorowych.

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.

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

s.uzy do przygotowywania programów uzytkowych dla systemów uzytkowych (docelowych).

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).

Wspó.praca na zasadzie przegladania rejestrów stanu odbywa sie ca.kowicie pod

kontrola programu.

-Rejestr stanu uk.adu we/wy zawiera informacje o aktualnym stanie urzadzenia zewnetrznego.

-Mikroprocesor przenosi do akumulatora zawartosc rejestru stanu, sprawdza stany odpowiednich bitów i na tej podstawie podejmuje decyzje o realizacji okreslonych dzia.an

programowych dotyczacych obs.ugi urzadzenia.

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 g.ównego w celu wykonania podprogramu zwiazanego ze

zród.em przerwania.

Kolejnosc wykonywania przerwania:

-Zapamietanie stanu w chwili przyjecia sygna.u przerwania

-Zidentyfikowanie zród.a sygna.u przerwania i okreslenie jego priorytetu, jeżeli jednoczesnie pojawi.a sie wieksza liczba sygna.ów przerwan,

Procedura wykonywania przerwania

-Ustalenie strategii dzia.ania obs.ugi i realizacja odpowiedniego podprogramu,

-Odtworzenie stanu mikroprocesora i powrót do przerwanego programu.

Procedura obs.ugi przerwania moze rozpoczac sie w dowolnym momencie wykonywania

programu g.ównego w nastepnym cyklu maszynowym po wykryciu zg.oszenia przerwania, jesli spe.nione sa nastepujace warunki:

-Cykl maszynowy, w którym nastapi.o zg.oszenie przerwania jest ostatnim cyklem aktualnie

wykonywanej instrukcji rozkazu,

-Nie jest wykonywana instrukcja RETI lub inna zwiazana z dzia.aniem na zawartosci rejestrów przerwan,

-Aktualnie wykonywane przerwanie znajduje się na nizszym poziomie.

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

---