Stundenplanänderung Mikrocomputertechnik (MC) Praktikum ...€¦ · 1) Mikrocomputertechnik (MC) Praktikum nur donnerstags (eine Gruppe) 2) Elektronik und Kommunikationstechnik freitags

MC 08.11.2018

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Stundenplanänderung

1) Mikrocomputertechnik (MC) Praktikum

nur donnerstags (eine Gruppe)

2) Elektronik und Kommunikationstechnik

freitags 09:50 – 13:05 im PC-Pool

nur für die Termine „Prof. Pollakowski“

d.h. vom 16.11.2018 – 14.12.2018

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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)

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Schaltsymbole und Wertetabellen

0011

0101

0001

a b c

a

bc&

UND

0011

0101

0111

a b c

a

bc>

ODER

0011

0101

0110

a b c

a

bc=

exclusiv-ODER

01

10

a b

a b1

Komplement

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UND-Verknüpfung von zwei Datenbytes

char zahl1 = 0x0F; entspricht: 00001111

char zahl2 = 0xAA; entspricht: 10101010

ergebnis = zahl1 & zahl2; ergibt: 00001010

ergibt 0A hexadezimal (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 }

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ODER-Verknüpfung von zwei Datenbytes



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

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Exklusiv-ODER-Verknüpfung von zwei Datenbytes



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;


vorher: 0000 0000 nachher: 0000 1111

vorher: 0000 1111 nachher: 0000 0000

vorher: 0000 0100 nachher: 0000 1011

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Einerkomplement


ergebnis = ~ zahl1; ergibt: 11110000

ergibt F0 hexadezimal (240 dezimal)

Anwendung: einzelnes Bit eines Bytes auf invertieren

~register;


vorher: 0000 0000 nachher: 1111 1111

vorher: 0000 1111 nachher: 1111 0000

vorher: 0000 0100 nachher: 1111 1011

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Shift-Operation allgemein:

ergebnis = variable

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Anwendungen der Shift-Operation

links - SHIFT ( n) = Division durch 2n

Beispiel:

ergebnis = 0x08 >> 2 (n = 2)

ergibt: 02 hexadezimal = 2 dezimal = 0000 0010 binär

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Zusammenfassung: Bitoperationen

Ziel: Bitweise Veränderung von Speicherstellen

& = UND Operator

| = ODER Operator

^ = exclusiv-ODER Operator

~ = Komplement-Operator

> SHIFT Operatoren (verschieben)

wichtig:

nicht mit logischem UND Operator &&

bzw logischem ODER Operator || verwechseln !

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Verwendung von Bitmasken #include

#define LED0 0xFE

#define LED1 0xFD

#define LED2 0xFB

#define LED3 0xF7 usw…

void main(void) {

while (1) /* Endlosschleife */ {

P1 = LED0; /* LED 0 einschalten */ }

}

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Übung: Bitmasken verwenden und verknüpfen

#define LED0 0xFE

#define LED1 0xFD

#define LED2 0xFB

P1 = LED0 & LED2; /* = LED 0 und LED2 einschalten */

P1 = P1 & LED2; /* = */

P1 = P1 | ~LED2; /* = */

P1 = LED0 | LED2; /* = */

P1 = P1 & 0xFF; /* = */

P1 = ~(~P0 & 0x0F); /* = */

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Bitoperationen

Einige Bits im 8051 sind bitadressierbar (haben eine individuelle Adresse)

→ Der C51-Compiler kennt den Datentyp “Bit”

für Port-Bits gibt es das Schlüsselwort sbit (= Special Function Register Bit)

Beispiel: sbit LED0 = P1^0;

LED0 = 0; …schaltet die LED ein

LED0 = 1; …schaltet die LED aus

Diese Zeile deklariert die Variable LED0 als Bitvariable an der Bitposition 0 des Port 1

Analog: sbit TASTE1 = P0^0;

Deklaration der Variablen TASTE1 als Bitvariable an der Bitposition 0 des Port 0

if (TASTE1 == 0) … fragt den Tastenzustand ab

oder: if (!TASTE1) … ist kürzer…

Special Function Register

= siehe später

Special Function Register

= siehe später

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Bitoperationen - Anwendung

Eine LED in Abhängigkeit von einer Taste ein und ausschalten:

#include

sbit LED0 = P1^0;

sbit TASTE1 = P0^0;

void main(void)

{

while (1) /* Endlosschleife */ {

if (TASTE1 == 0) /* Tastenabfrage*/ {

LED0 = 0; /* LED 0 einschalten */ }

else

{

LED0 = 1; /* LED 0 ausschalten */ }

}

}

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Übung (1)

Aufgabe 1: Speichern Sie das Programm in einer Datei, übersetzen Sie es und testen Sie es.

#include

sbit LED0 = P1^0;

sbit TASTE1 = P0^0;

void main(void)

{

while (1) /* Endlosschleife */

{

if (TASTE1 == 0) /* Tastenabfrage*/

{

LED0 = 0; /* LED 0 einschalten */

}

else

{

LED0 = 1; /* LED 0 ausschalten */

}

}

}

Welche Wirkung hat dieses Programm? Beobachten Sie dabei den Zustand der Leuchtdioden.

Verändern Sie den Zustand von Port 0, indem Sie die Taste 1 drücken.

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Übung (2)

Aufgabe 2: Schreiben Sie ein Programm, das den Zustand der Taste 1 abfragt. Solange diese Tas-

te gedrückt ist, sollen die Leuchtdioden 0 bis 3 aufleuchten. Wenn die Taste nicht gedrückt wird,

sollen die Leuchtdioden 4 bis 7 leuchten.

Aufgabe 3: Schreiben Sie ein Programm, das den Zustand aller Tasten abfragt. Solange Taste 1

gedrückt ist, soll die Leuchtdiode 0 aufleuchten, wenn Taste 2 gedrückt ist, soll die Leuchtdiode 1

aufleuchten usw.

Hinweise: Bit = 0 LED leuchtet Taste gedrückt Bit = 0

P1.0 → LED 0 P0.0 → Taste 1

P1.1 → LED 1 P0.1 → Taste 2

P1.2 → LED 2 P0.2 → Taste 3

P1.3 → LED 3 P0.3 → Taste 4

P1.4 → LED 4

P1.5 → LED 5

P1.6 → LED 6

P1.7 → LED 7

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Komponenten eines Mikrocontrollers

- Zentraleinheit: CPU (Central Processing Unit): 4, 8, 16 oder 32 Bit Datenwortbreite

- Arbeitsspeicher: RAM (Random Access Memory = Speicher mit wahlfreiem Zugriff)

intern: auf dem Chip integriert

extern: zusätzlicher Chip anschließbar

- Programmspeicher: ROM (Read Only Memory = Nur-Lese Speicher)

ROM: bei Fertigung programmiert ( embedded controller)

EEPROM: electrically erasable programmable ROM (löschbar)

- Ein/Ausgabe Schaltungen: Ports - parallele Ports (digital)

- serielle Schnittstellen

- USB Schnittstelle

- Zeitgeber/Zähler: Timer

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Blockdiagramm des AT89C5131

Quelle: Datenblatt des AT89C5131

Die mit (1) und (2)

gekennzeichneten

Anschlüsse stehen nicht

gleichzeitig zur

Verfügung

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Pinbelegung des AT89C5131 im PLCC-Gehäuse

PLCC =

Plastic Leaded

Chip Carrier

Ist eine mögliche

Gehäuseform

Sie hat 52 Pins

(= Anschlüsse)

Quelle: Datenblatt des AT89C5131

Einige Pins sind

mehrfach belegt.

Beispiel: Pin 20

Entweder P3.0

(digitaler Ein/Ausgang)

oder RxD

(serielle Schnittstelle)

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Funktion einiger wichtiger Anschlüsse siehe: Datenblatt

- Spannungsversorgung (Pins V..)

- Quarz-Anschluß (XTAL...)

- Reset-Leitung (RST) (Negation bedeutet: 0 V ist logisch 1)

- Steuerleitungen für externen Speicher (EA, ALE, PSEN) (EA = External Address, ALE = Address Latch Enable , PSEN = Programm Store ENable)

- Port Pins (P1.4 = Bit 4 von Port 1): je 8 Pin pro Port

teilweise mit vordefinierten Bedeutungen

z.B.: P3.0 = RxD (Receive Data der seriellen Schnittstelle)

- USB-Schnittstelle (D+, D-)

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Aufbau der Zentraleinheit (CPU)

besteht aus: - Rechenwerk (ALU = Arithmetic Logical Unit)

führt Addition, Vergleich, Bitoperation etc. aus

- Befehlsdekoder

setzt Befehlscodewort in entspr. Aktion um

- Ablaufsteuerung

erzeugt alle notwendigen Takte und Steuersignale

- Programmadressregister (PC = Programm Counter, „Programmzähler“)

(16 Bit max 64 KByte Programm)

enthält die Adresse des aktuellen Befehlscodeworts

im Programmspeicher

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Abarbeitung eines Programmes

1) Ein Befehlscodebyte aus Programmspeicher holen

Adresse steht im Programm Counter

( bei Reset: Program Counter wird auf #0000H gesetzt )

Programm Counter um 1 erhöhen

2) Falls Befehl aus mehreren Byte besteht: Schritt 1) wiederholen

3) Befehl ausführen:

falls Sprungbefehl: Programm Counter mit neuer Adresse laden

weiter mit Schritt 1)

jeder Befehl besteht aus mindestens 1 Byte

Bearbeitungszeit: mindestens 1 “Maschinenzyklus“

z.B.: bei 12 MHz Quarz: 1 Zyklus = 1 s (10-6 s)

bei 48 MHz Quarz: 1 Zyklus = 250 ns (10-9 s)

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Das „direkt adressierbare“ RAM

→ der AT89C5131 hat mehrere RAM-Bereiche (Random Access Memory)

→ für den Einstieg an einfachsten: das „direkt adressierbare“ RAM

Aufbau: 256 Byte Speicherplatz

Adressbereich 00H –FFH

obere Hälfte = SFR

(Special Function Register)

oft mit Hardware verknüpft

untere Hälfte = Datenspeicher

(frei programmierbar)

für „Variablen“, Stack usw.

H = hexadezimal

SFR

Daten- speicher

128 Byte

128 Byte

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Einige Details...

insgesamt 256 ( = 28) Adressen von 00H bis FFH:

a) Adressen 80H - FFH (128 Byte) = Register mit

besonderen Funktionen (SFR = Special Function Register)

darin sind nicht alle Adressen benutzt

z.B.: A (Register A), B (Register B)

P0, P1, ... (Port 0, Port 1, ...)

b) Adressen 00H - 7FH (128 Byte) = allgemeiner Datenspeicher

darin: 4 Registerbänke aus je 8 allgemeinen Registern

z.B.: R0, R1, ... R7

16 Byte, in denen jedes Bit einzeln addressierbar ist

= bitadressierbare Register

Registerbank 0 Registerbank 1 Registerbank 2 Registerbank 3

Register A

Port-Register P1

FFH

E0H

90H

80H 7FH

18H-1FH 10H-17H 08H-0FH 00H-07H

frei nutzbares

internes RAM

Bereich der

Special Function

Register (SFR)

bitadressierbar 20H-2FH

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Einige Speicherbereiche und Special Function Register (SFR) des AT89C5131 (Auswahl, unvollständig)

27 Bit 20 27 Bit 20

7FH F0H B*

7EH

byteadressierbarer

interner Datenspeicher

E0H ACC*

31H D0H PSW*

30H

2FH 7FH 7EH 7DH 7CH 7BH 7AH 79H 78H CDH TH2

2EH 77H 76H 75H 74H 73H 72H 71H 70H CCH TL2

bitadressierbarer

interner Datenspeicher C8H T2MOD

21H 0FH 0EH 0DH 0CH 0BH 0AH 09H 08H C0H P4*

20H 07H 06H 05H 04H 03H 02H 01H 00H

1FH Register 7 B0H P3*

1EH Register 6

Registerbank 3 A8H EAL EC ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0 IEN0

*

19H Register 1 A0H P2*

18H Register 0

17H Register 7 9BH BRR TBCK RBCK SPD SRC BDRCON

16H Register 6 9AH BRL

Registerbank 2 99H SBUF

98H SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SCON*

11H Register 1

10H Register 0 90H P1*

0FH Register 7

0EH Register 6 8DH TH1

Registerbank 1 8CH TH0

8BH TL1

09H Register 1 8AH TL0

08H Register 0 89H Gate1 C/T1 M11 M10 Gate0 C/T0 M01 M00 TMOD

07H Register 7 88H TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 TCON*

06H Register 6

Registerbank 0 83H DPH

82H DPL

01H Register 1 81H SP

00H Register 0 80H P0*

* diese Register sind bitadressierbar

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Wichtige Spezialregister

1) Program Status Word (PSW - Register)

gibt Auskunft über Ergebnis von Rechenoperationen

7 Bits (sogennante Flags (Flaggen)) sind benutzt

z.B.: Überlauf bei Rechenoperation, ...

2) Stapelzeiger (SP = Stackpointer)

einige Befehle „stapeln“ Daten zur Zwischenspeicherung

z.B.: Unterprogrammaufruf: Rücksprungadresse

SP zeigt auf die nächste freie Stelle des „Datenstapels“

Stack wächst nach oben, nach Reset: auf 07H gesetzt

PSW D0H

CY AC F0 RS1 RS0 OV - P

SP 81H

Inhalt bei Reset: 07H

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3) Externer Datenzeiger, bestehend aus zwei 8-Bit Registern:

DPTR = Datapointer, 16 Bit

oder:

DPH = Datapointer High Byte, 8 Bit

DPL = Datapointer Low Byte, 8 Bit

für den Zugriff auf max. 64 kByte externes RAM

Vorgehensweise (bei Assemblerprogrammierung):

1.) Adresse in den Datenzeiger laden

2.) Spezialbefehl ( MOVX ... ) lädt Daten in Register A

Problem: langsam, daher häufig benötigte Daten im internen RAM ablegen!

82H DPH

83H

bilden zusammen das 16-Bit Register DPTR

DPL

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