Nagy Gergely április 4.

Átírás

1 Mikrovezérlők Nagy Gergely BME EET április 4. ebook ready

2 1 Bevezetés Áttekintés Az elektronikai tervezés eszközei Mikroprocesszorok 2 A mikrovezérlők 3 Főbb gyártók

3 Áttekintés A mikrovezérlők az elektronikai tervezésben A mikrovezérlők architektúrája Az alapvető részegységeik

4 Az elektronikai tervezés eszközei I. Megvalósítási lehetőségek: Diszkrét elemekből való építkezés Olcsóbb, rövidebb fejlesztési idő Könnyebben kipróbálható, módosítható a terv még a késői fázisokban is ASIC áramkör chip tervezés A feladathoz pontosan illeszkedő megoldás Optimális méret, fogyasztás, sebesség A továbbiakban a diszkrét elemekből felépülő áramkörök tervezésével foglalkozunk

5 Az elektronikai tervezés eszközei II. A döntéshozatal, vezérlés, kommunikáció problémája: hamar felmerül egy bonyolultabb feladat esetén, hogy Egy funkció engedélyezése bizonyos mennyiségek értékének a függvényében (termosztát) Egy beavatkozó egység vezérlése mért mennyiségek értékének a függvényében (kijelző háttérvilágítása a fényviszonyok függvényében) Adatok vétele/adása más áramköri egységek, PC, stb. felé (mérés-adatgyűjtés) Sok egyéb példa létezik...

6 Az elektronikai tervezés eszközei III. A fenti feladatok általában nem oldhatóak meg hatékonyan diszkrét logikai elemek segítségével (kapuk, flopok). Összetettebb vezérlő áramkörökre van szükség: FPGA mikrovezérlő

7 Az elektronikai tervezés eszközei IV. FPGA Programozható módon konfigurálható digitális áramkörök Kapcsolási rajzzal vagy HDL-el lehet tervezni Valódi párhuzamosság valósítható meg Közel ASIC szinten, a feladathoz igazodó digitális áramkört nyerünk Gyors és bonyolult rendszerek valósíthatóak meg velük Tisztán digitálisak

8 Az elektronikai tervezés eszközei V. Processzorok Programot futtató általános digitális áramkörök Szekvenciális végrehajtásra képesek (egyik programsor a másik után) Assemblyben, vagy magas szintű programnyelven (BASIC, C, stb.) programozhatóak Általános áramkörök, architekturálisan nem illeszkednek a feladathoz Speciális csoportjuk a mikrovezérlők, melye analóg és digitális áramköri megoldásokhoz lettek kialakítva

9 Mikroprocesszorok I. Tipikus vezérlési feladatok: Analóg jelek digitalizálása és feldolgozása Időzítés Külső jelek figyelése és reagálás a változásokra Kommunikáció más áramkörökkel: sok digitális port biztosítása különböző protokollok megvalósítása (USART, I2C, SPI, stb.) Digitális-analóg átalakítása és/vagy pulzus-szélesség moduláció (PWM) A mikrovezérlők olyan processzorok, amelyek kiegészülnek a fenti funkciókkal.

10 Mikroprocesszorok II. Felépítésük alkalmazkodik a felhasználási területhez, igényekhez: Kis fogyasztás Kis zavarérzékenység (egy vezérlés nem szállhat el!) Egyszerű, gyorsan végrehajtható utasításkészlet Gyors fetch műveletet biztosító architektúra Védelem a tápfeszültség-ingadozás miatti működési hibák ellen Lefagyás-védelem

11 Mikroprocesszorok III. Bár univerzális áramkörök, de léteznek egy adott felhasználási területre speciálisan alkalmazható típusok: Autoelektronika (CAN-busz) RF kommunikáció (ZigBee, Bluetooth) Világítástechnika LCD vezérlés Elemes alkalmazások USB-s alkalmazások...

12 1 Bevezetés 2 A mikrovezérlők A mikrovezérlők architektúrája A mikrovezérlők főbb egységei 3 Főbb gyártók

13 A mikrovezérlők architektúrája I.

14 A mikrovezérlők architektúrája II. Általában Harvard-architektúra A program- és az adatmemória külön helyezkedik el Program memória flash, adatmemória RAM Egy órajel alatt elvégezhető az utasítás és az operandusok elővétele (fetch) A programmemória zavarvédettebb Az adat és a programmemória lehet különböző szélességű

15 A mikrovezérlők architektúrája III. RISC utasításkészlet: Reduced Instruction Set Computer Kis számú, egyszerű utasítást ismer Az utasítások lehetnek ugyanolyan szélesek, így egyszerűbb és gyorsabb a feldolgozásuk (legtöbb utasítás végrehajtási ideje: 1 órajel ciklus!) A műveleteket alapvetően regiszterekben végzik el (mivel kevés címzési mód van, és a regiszteresek preferáltak) ennek következménye, hogy a RISC processzorokban általában sok a regiszter (pl. ATmega8: 32 általános célú regiszter van)

16 A mikrovezérlők architektúrája IV. A gépi szóhossz: 4, 8, 16, 32 bit 4 bites: már nem jellemző 8 bites: az egyszerűbb vezérlők körében a legelterjedtebb pillanatnyilag 16 bites: pl. a gépkocsik ABS-ében 32 bites: egyre elterjedtebb, főképp a nagy mikrovezérlők körében

17 A mikrovezérlők architektúrája V. A párhuzamosság megvalósítása Maga a CPU szekvenciális, de a többi részegység működőképes önállóan Így pl. egy AD átalakítás ideje alatt dolgozhatunk (pl. Feldolgozhatjuk az előző adatot) Ennek megvalósításához szükség van megszakításokra, amelyek jelzik a program számára egy párhuzamosan végzett művelet megtörténtét, állapotát

18 A mikrovezérlők főbb egységei I. A mikrovezérlők főbb egységei: Digitális portok Külső megszakítások Időzítők AD-átalakító Analóg komparátor Kommunikációs interfészek: SPI UART TWI

19 A mikrovezérlők főbb egységei II. Digitális portok: Ki- és bemenetként is használhatóak A beolvasás és a kíırás is egy regiszter megfelelő bitjének a megvizsgálása illetve beálĺıtása Beálĺıtható rájuk egy belső felhúzó ellenállás (ez olyankor is hasznos, ha nincsenek használatban, ugyanis a lebegő lábon áram szivároghat) A lábak áramterhelhetősége korlátos ( 10 ma)

20 A mikrovezérlők főbb egységei III. Külső megszakítások Egy külső esemény (felfutó/lefutó él, logikai szint) hardveres megszakítást vált ki az eszközben Egy ilyen lábnak az értékét programból változtatva kialakítható szoftveres interrupt is

21 A mikrovezérlők főbb egységei IV. Időzítők: Időzítés Bemenet figyelés (frekvencia mérés) Kimeneti komparálás PWM WDT

22 A mikrovezérlők főbb egységei V. Az A/D átalakító Felbontás: 8-12 bit Külön tápfeszültség Belső / külső referencia Több, multiplexelt csatorna Egyszeri vagy sorozatos konverzió mód Interupttal jelzi a konverzió befejeztét Sleep móddal segített zajszűrés

23 A mikrovezérlők főbb egységei VI. Kommunikációs protokolok UART RS-232, soros protokoll Ipari szabvány, használható digitális eszközök közötti kommunikációra A PC soros portján keresztül a számítógéphez való kapcsolódás legegyszerűbb eszköze A soros állapotgép általában automatikusan működik, csak meg kell adni / ki kell olvasni a küldendő / fogadott bájtot

24 A mikrovezérlők főbb egységei VII. Kommunikációs protokolok TWI Two-wire Interface I 2 C soros, kétvezetékes protokoll A Philips fejlesztette ki Előnye, hogy hardveresen nagyon egyszerű megvalósítani Sok érzékelő IC használja (pl. DS1621 hőmérséklet mérő IC)

25 A mikrovezérlők főbb egységei VIII. Kommunikációs protokolok SPI Serial Peripheral Interface Szintén elterjedt protokoll például ismerik az SD kártyák Az Atmel mikrovezérlők felprogramozása is történhet SPI-n keresztül

26 Nagy mikrovezérlőket gyártó cégek