Mikrocomputertechnik (MC)
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MC 11.10.2018
Mikrocomputertechnik (MC)
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MC 11.10.2018
Mikrocomputertechnik (MC)
Lehrkräfte:
1.) Prof. Dr.-Ing. Martin Pollakowski
Raum B2.1.04, Tel.: - 226,
E-Mail: martin.pollakowski@w-hs.de
2.) Dipl.-Ing. Peter Mroczek
Raum: B2.1.16, Tel.: - 228
E-Mail: peter.mroczek@ w-hs.de
Vorlesung/Praktikum/Übung: Raum B3.1.09 (PC-Pool)
E-Mail-Liste: falls noch nicht auf der Liste…
bitte per E-Mail anmelden, Stichwort "Mikrocomputertechnik"
2MC 11.10.2018
Unterlagen zur Vorlesung
http://www3.w-hs.de/fb01/02-Informatik/
- Befehlssatz der 8051-Familie Befehlssatz8051.pdf
(Assembler) E-Mail, Server
- Datenblatt des AT89C5131 www.atmel.com
ggf. herunterladen
- Development Tools www.keil.com/c51/pk51kit.asp
ggf. herunterladen
- Praktikumsbeschreibung AnleitungEntwicklungsumgebung.pdf
E-Mail, Server
- Beschreibung des AT89C5131 Kurzbeschreibung.pdf
Experimentalsystems auf dem Server, ggf. herunterladen
3MC 11.10.2018
Lernziele
Inhalte: - Mikrocontrollertechnik
- C-Programmierung
Prüfung
Form: Klausur (schriftlich)
Dauer: 90 Minuten
Hilfsmittel: Taschenrechner
1 Blatt A4 (2 Seiten) Notizen, handschriftlich, keine Kopien
Zulassungsvoraussetzung: erfolgreich absolviertes Praktikum
Methoden
Vorlesung, Praktikum und Übung (teilweise seminaristischer Unterricht)
Praktikum: aktive Teilnahme an 6 Terminen sind Pflicht (6 Protokolle)
Hausarbeit: 2 Hausarbeiten sind Pflicht (2 Protokolle)
Prüfung (schriftlich, 2 h) mit Zulassungsvoraussetzung „Praktikum bestanden“
4MC 11.10.2018
Praktikum
Teilnahme ist Prüfungsvoraussetzung für "Mikrocontrollertechnik"
6 Versuche: C-Programmierung
15.11.-21.12. wöchentliche Praktikumstermine
Vor dem Versuch: - Vorbereitungsfragen und Aufgabenzettel werden verteilt
- Vorbereitungsfragen sind handschriftlich zu beantworten
- Antworten sind Teil der Ausarbeitung
Im Praktikum - Versuchsdauer = 90 Minuten
- Vorbereitungsfragen werden abgefragt
- Bearbeitung des Aufgabenzettels
- Bearbeitung der individuellen Zusatzaufgabe
Nach dem Versuch: - handschriftliche Ausarbeitung
= Deckblatt, Vorbereitungsfragen, Antworten,
Aufgabenzettel, Lösung der Aufgaben (Quellcode)
- Ausarbeitung muss testiert werden
5MC 11.10.2018
Hausarbeiten
Lernziel: - Installation einer Mikrocontroller-Entwicklungsumgebung
- Lösung einer größeren Programmieraufgabe
2 Hausarbeiten, Abgabe je einer handschriftlichen Ausarbeitung
Teilnahme ist Prüfungsvoraussetzung für "Mikrocomputertechnik"
Übungen
Lernziel: - C-Programmierung eines Mikrocontrollers erlernen
In die Vorlesung integriert
Im Januar zusätzlich 3 Termine in Kleingruppen
3 in etwa gleich große Gruppen
6MC 11.10.2018
Einteilung der Praktikums- und Übungsgruppen
Gruppe: 1 Donnerstag 11:30 – 13:05 (koop. Studiengang?)
2 Freitag 9:50 – 11:25
3 Freitag 11:30 – 13:05
erste Hausarbeit: 18.10.2018
erster Übungstermin: 10.01.2018
erster Praktikumstermin: 15.11.2018
Die Gruppeneinteilung erfolgte anhand der Namenslisten des Prüfungsamtes
7MC 11.10.2018
Literatur zum Thema Mikrocontroller
Norbert Heesel , Werner Reichstein: „Mikrocontroller Praxis - Ein praxisorientierter
Leitfaden für die Hard- und Softwareentwicklung auf der Basis der 80(C)51x-
Familie“, Vieweg Verlag, 1993 (Bibliothek: TWJ 26)
Jürgen Walter: „Mikrocomputertechnik mit der 8051-Controller Familie - Hardware,
Assembler, C“, Springer Verlag, 1996 (Bibliothek: TWJ 46)
WWW-Seite der Fa. Atmel: www.atmel.com
WWW-Seite der Fa. Keil: www.keil.com
Von den Firmen. Atmel und Keil sind die in den Übungen verwendeten Systeme und Program-
me.
Über die Web-Seite können kostenlose Programme kopiert werden.
8MC 11.10.2018
Mikrocontroller
= ein vollständiger Universalrechner auf einem Chip
am Beispiel des
AT89C5131-Controller
→ Einsatzgebiete: Programmierbare Steuerungen aller Art
9MC 11.10.2018
Mikroprozessor - Mikrocontroller
Mikroprozessor: Integrierte Schaltung zur programmgesteuerten Abarbeitung
von arithmetischen und logischen Rechenoperationen
= CPU (central processing unit)
Beispiel: Intel Pentium Prozessor
PC = Prozessor + diverse zusätzliche Bausteine (RAM, ROM, ...)
optimiert auf hohe Rechenleistung
Mikrocontroller: Mikroprozessor + zusätzliche Bausteine auf einem Chip
optimiert auf minimalen Schaltungsaufwand
kleinster Computer= 1 Mikrocontroller + 1 Quarz + Batterie
für “single chip“-Lösungen
Beispiel: Intel 8051 und Varianten
10MC 11.10.2018
Warum sind Mikrocontroller so weit verbreitet?
- Mikrocontrollerschaltungen sind preiswert und flexibel
durch Massenproduktion niedriger Stückpreis
statt festverdrahteter Logik Programm
Programme können bei Bedarf geändert werden
meist geringer Programmieraufwand (kleine Programme)
Programmierung in Assembler oder Hochsprache ( C )
- Aufbau intelligenter Peripherie entlastet den Hauptprozessor
11MC 11.10.2018
Mikrocontroller-Familien
Mikrocontrollerfamilie = Mikrocontroller mit gleicher Assembler-Programmiersprache
= gleiche Zentraleinheit (CPU = Central Processing Unit)
hier: “8051 Familie” → abgeleitet vom Intel 8051
→ Siemens SAB80535 (zuletzt im Praktikum eingesetzt)
→ Atmel AT89C5131 (aktuell im Praktikum eingesetzt)
und viele weitere Varianten...
Besonderheiten des AT89C5131: integrierte USB-Schnittstelle
8051-kompatibel
interne Flash-Speicher (dauerhaft programmierbar)
weitere Familien: Atmel AVR, PIC-Mikrocontroller usw...
12MC 11.10.2018
vereinfachtes Blockdiagramm des AT89C5131
... für die ersten Programmierversuche ...
Port 0 = Port 1 =
Acht Eingänge, Acht Ausgänge,
an denen im Prakti- an denen im
kum einige Tasten Praktikum einige
angeschlossen sind LEDs ange-
schlossen sind
Port 0 CPU Port 1
CPU = Zentraleinheit, verarbeitet die Befehle
des Mikrocontrollerprogramms
13MC 11.10.2018
Wie programmiert man Mikrocontroller ?
a) in Assemblersprache: Das Programm beginnt an der Sprungmarke
start
mov = Datentransport (move = bewege)
start: mov p1,#00011111B p1 = Port 1 = Ziel des Transports
#00011111B = eine konstante binäre Zahl
jmp start
jmp = Spung (jump) zur Marke start
b) in Hochsprache, meist „C“:
Der „Variablen“ P1 wird immer wieder die
Hexadezimalzahl 1F zugewiesen
while(1)
{ while(1) = Endlosschleife
P1 = 0x1F; 0x... → Hexadezimalzahl
}
1F hexadezimal = 0001 1111 binär
14MC 11.10.2018
Mikrocomputertechnik-Praktikum
Entwicklungs- Kommunikations- „Betriebssystem“
umgebung programm
Bootloader
Programm
senden und starten
Serielle Verbindung über USB
Personalcomputer Mikrocomputer
Hardware und Software des MC-Praktikums Experimentalsystem
15MC 11.10.2018
Begriffe
- Entwicklungsumgebung = ein Programm zum Erstellen und Übersetzen von
Mikrocontroller-Programmen
Keil Vision
- Experimentalsystem = eine Mikrocomputerschaltung für Experimentierzwecke
AT89C5131 Experimentalsystem
- Betriebssystem des Experimentalsystems = ein Programm, mit dem man Programme
über die serielle Schnittstelle laden und starten kann
Bootloader
16MC 11.10.2018
Hausaufgabe
Eigene Mikrocontroller-Programmierumgebung zuhause einrichten
Diese Aufgaben sollen zuhause bearbeitet werden (Hausaufgabe). In dieser Aufgabe sollen Sie sich eine eigene Programmierumgebung zuhause ein-
richten, ein erstes Assemblerprogramm schreiben und das Programm in einem Simulator testen.
Eine „Installations- und Bedienungsanleitung“ steht zum Download bereit:
http://www3.w-hs.de/fb01/02-Informatik/
Die Aufgabe ist für das von Ihnen benutzte Betriebssystem zu lösen (freie Auswahl). Für die am häufigsten benutzten Betriebssysteme finden Sie
anbei einige Hinweise:
Windows
Die im Praktikum verwendete Entwicklungsumgebung „Keil uVision“ (Keil C51 Evaluation Kit) kann beim Hersteller heruntergeladen werden
(http://www.keil.com/c51/pk51kit.asp).
LINUX / MAC OS (Apple)
Informationen zu 8051-Entwicklungsumgebungen für Linux bzw. für MAC OS liegen derzeit nicht vor. Für Hinweise bin ich aber dankbar. Evtl.
funktioniert eine Windows-Emulation.
Umfang der Hausarbeit:
- Installieren Sie die Entwicklungsumgebung auf Ihrem PC.
- Geben Sie das in der Installationsanleitung („AnleitungEntwicklungsumgebung.pdf“) angegebene Beispielprogramm ein, übersetzen Sie es
und testen Sie es im Simulator.
17MC 11.10.2018
Mikrocontroller-Programmierung in C
Hintergrund: C ist die am weitesten verbreitete Hochsprache für Mikrocontroller
Standard-C (ANSI-C) wurde um spezielle Befehle erweitert
(Bit-Verarbeitung, Speicherverwaltung etc.)
Vorteile: Controller-spezifische Assemblersprache muss nicht gelernt werden
Komplexe Programme werden übersichtlicher (besser wartbar)
Rückgriff auf Funktionsbibliotheken (z.B. mathematische Operationen)
Echtzeitprogramme sind weiterhin möglich
Einbindung von Assemblercode kann erfolgen
Vorraussetzung: C-Compiler für den spezifischen Mikrocontroller (z.B.: "C-51")
Linker, zum Binden von selbst geschriebenem Programm und
fertigen Modulen aus den mitgelieferten Bibliotheken (Libraries)
(z.B.: Programmpaket der Fa. Keil für die 8051-Familie)
18MC 11.10.2018
Erstellung von Mikrocontrollerprogrammen
1. Schritt: Programmtext editieren: ergibt: prog.c
= Textdatei
2. Schritt: „Build Target“ in der Keil-Entwicklungsumgebung
a) Übersetzen, mit Compiter: ergibt: prog.obj
= Binärdatei, Fehlermeldungen in prog.lst (Listing) und prog.lst
b) Linken, mit Linker: ergibt: prog.m51
= Zusammenbinden von Teilprogrammen, Info in prog.m51
c) Umwandlung in Intel Hex-File: ergibt: prog.hex
= Textdatei im Spezialformat für Programmiergeräte
3. Schritt: Hex-File in das Experimentalsystem laden, um Programm zu testen
(evtl.: Listing in den Simulator laden, um Programm zu simulieren)
19MC 11.10.2018
Aufbau eines C-Programms
#.. = Anweisungen für den Compiliervorgang (Präprozessoranweisungen)
→#include = Namen des 80515 aus Datei lesen (für AT89C5131)
/* ... */ = Kommentare:
void main(void) = Hauptprogramm ohne Übergabeparameter
{ (es gibt hier kein Betriebssystem)
…
}
while(1) = Endlosschleife
{ : der Mikrocontroller kann nicht angehalten werden
… wenn das Programm abgearbeitet worden ist.
}
20MC 11.10.2018
Ein vollständiges C-Programm
/* Definition der symbolischen Namen des AT89C5131 einbinden */
#include Register = Speicherplatz
(„Variable“) im Mikrocontrol-
ler mit spezieller Funktion.
/* Hauptprogramm */
Beispiele: A, B. P0, P1, PC ...
void main(void)
{
while (1) /* Endlosschleife */
{
P1 = P0; /* lies Register P0 und speichere den Inhalt in P1 */
}
}
21MC 11.10.2018
Funktionsprinzip der Leuchtdioden
Spannungs-
mit Schalter: +5V +5V
versorgung mit
+ 5 Volt
aus ein Leuchtdiode (LED)
Widerstand
0V zur Strom-
0V
begrenzung
+5V
+5V
mit Mikrocontroller:
aus ein Merke:
Bit = 1 → Led aus
P1.0 = 1 P1.0 = 0
Bit = 0 → Led ein
Port-Bit = 1 (high) Port-Bit = 0 (low)
LED = leuchtet nicht LED leuchtet
22MC 11.10.2018
Portregister
Jedes Bit stellt den Zustand eines Port-Pins dar
P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7
a) Port als Eingang benutzt: Register nur lesen
0 = es liegt 0 Volt an P0.0
P0 80H
1 = es liegen 5 Volt an
b) Port als Ausgang benutzt: Schreiben möglich (auch bitweise)
0 = 0 Volt ausgeben P0.0
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
1 = 5 Volt ausgeben
nach erstmaligem Schreiben: P1 90H
alle Port-Register haben
Lesen bringt zurück was geschrieben wurde diesen Aufbau, d.h.
nicht den tatsächlichen Zustand (z.B. bei Kurzschluß) Port P0 bis P6
(siehe: Read-Modify-Write Befehle)
23MC 11.10.2018
Tastenanschaltung an Port 0
S1
Taster 1 Merke:
Taste nicht gedrückt:
Taste gedrückt
Port Bit ist 1 S2
→ Bit = 0
Taster 2
Taste gedrückt:
S3
Port-Bit ist 0 Taster 3
Pinbelegung: S4
Taster 4
Taste 1 (S1) = P0.0
Taste 2 (S2) = P0.1
Taste 3 (S3) = P0.2
Taste 4 (S4) = P0.3
24MC 11.10.2018
Leuchtdiodenschaltung an Port 1
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
25MC 11.10.2018
Beispiel: Eine LED einschalten
#include
void main(void)
{
while (1) /* Endlosschleife */
{
P1 = 247; /* speichere die Dezimalzahl 247 in P1 */
}
}
Frage : - Welche LED leuchtet? (Hinweis: 247 in eine Binärzahl umrechnen…)
- Welche Wirkung hat P1 = 0xFE;
26MC 11.10.2018
Übung
Aufgabe 1: Schreiben Sie ein Programm, das alle Leuchtdioden des Experimentalsystems ein-
schaltet.
Aufgabe 2: Schreiben Sie ein Programm, das vier der acht Leuchtdioden des Experimentalsys-
tems einschaltet.
27MC 11.10.2018
Bit-Operationen
Sinn: hardwarenahe Programmierung,
z.B. einzelne Bits von Schnittstellenbausteinen programmieren
Bit-Operatoren in C:
UND-Verknüpfung: „ & “
ODER-Verknüpfung: „ | “
Exclusiv-ODER-Verknüpfung: „ ^ “
Einerkomplement: „ ~ “ (alle Bits invertieren)
SHIFT-Operator „ > “ (Bits nach rechts schieben)
28MC 11.10.2018
Schaltsymbole und Wertetabellen
UND ODER exclusiv- Komplement
ODER
a a a
c c c a b
b & b > b = 1
a b c a b c a b c a b
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0
1 0 0 1 0 1 1 0 1
1 1 1 1 1 1 1 1 0
29MC 11.10.2018
UND-Verknüpfung von zwei Datenbytes
char zahl1 = 0x0F; entspricht: 00001111
char zahl2 = 0xAA; entspricht: 10101010
ergebnis = zahl1 & zahl2; ergibt: 00001010
ergibt 0Ahexadezimal (10 dezimal) d.h. die Verknüpfung erfolgt bitweise
Anwendung: „Bitmaske“ = Wert eines Bits innerhalb eines Datenworts prüfen
z.B. Bitmaske für das 3. Bit: 0000 0100 (hexadezimal: 04 Hex)
C-Programm Beispiel: Prüfen ob das dritte Bit eines Registers 1 ist:
if (( register & 0x04 ) > 0)
{
... d.h. drittes Bit ist 1
}
else
{
... d.h. drittes Bit ist 0
}
30MC 11.10.2018
ODER-Verknüpfung von zwei Datenbytes
char zahl1 = 0x0F; entspricht: 00001111
char zahl2 = 0xAA; entspricht: 10101010
ergebnis = zahl1 | zahl2; ergibt: 10101111
ergibt AF hexadezimal (175 dezimal)
Anwendung: einzelnes Bit eines Bytes auf 1 setzen, alle anderen unverändert lassen
z.B. das 3. Bit: 0000 0100 (hexadezimal: 04 Hex)
register = register | 0x04;
falls Inhalt des Registers
vorher: 0000 0000 nachher: 0000 0100
vorher: 0000 1111 nachher: 0000 1111
vorher: 0000 0100 nachher: 0000 0100
31MC 11.10.2018
Exklusiv-ODER-Verknüpfung von zwei Datenbytes
char zahl1 = 0x0F; entspricht: 00001111
char zahl2 = 0xAA; entspricht: 10101010
ergebnis = zahl1 ^ zahl2; ergibt: 10100101
ergibt A5 hexadezimal (165 dezimal)
Anwendung: einzelne Bits eines Bytes invertieren, alle anderen unverändert lassen
z.B. die unteren 4 Bit eines Bytes: 0000 1111 (hexadezimal: 0F Hex)
register = register ^ 0x0F;
falls Inhalt des Registers
vorher: 0000 0000 nachher: 0000 1111
vorher: 0000 1111 nachher: 0000 0000
vorher: 0000 0100 nachher: 0000 1011
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