Vestavěné systémy

Vestavěný systém je kombinace hardwaru a softwaru, jejímž smyslem je řídit externí proces, zařízení nebo systém. Jedná se vlastně o počítač, který je zabudován do systému, ale pro uživatele niní jako počítač viditelný. Často jsou navrženy tak, aby fungovaly i bez zásahu člověka. Důraz je kladen na:

• reaktivnost, odezva na podněty v reálném čase
• autonomie - činnost bez lidského zásahu
• kritičnost - vliv odchylek od normálního chování na bezpečné plnění úlohy

Vlastnosti E.S. (Embedded System):

• většinou omezená množina aplikačních systémů
• typicky čtení, zpracování a řízení fyzikálních veličin
• musí být spolehlivé, bezpečné a zabezpečené
• musí být efektivní

Oproti univerzálním počítačů se u E.S. setkáváme s:

• jeden program po celý život (VS je specifický pro aplikaci)
• uživatel by neměl tušit, že pracuje s počítačem
• hlavní interakce nemusí být s člověkem (např. čidla pro snímání prostředí, ovládání akčních členů)
• startuje sám bez lidského zásahu

• μP je základní procesorová jednotka (CPU) na čipu
• komponenty CPU
  • ALU, instrukční dekodér, registry, řadič, sběrnice
• jsou vhodné pro zpracování informací/dat

• μP plus příslušné podpůrné obvody (periferní I/O komponenty a pamět)
• při malém počtu V/V obvodů ho nazýváma mikrokontrolér
• vhodné k řízení vnějších zařízení v aplikacích vyžadujících minimum komponent
• dělí se podle architektur
  • RISC/CISC
    • CISC se jednoduše programuje a efektivně využívá paměť; dnes už ztrací na významu
    • RISC realizuje větší výpočetní výkon za nižší cenu s jednodušším instrukčním souborem
      • množina instrukcí redukovaná na 2 základní instrukce pro pamětové operandy LOAD a STORE
  • von Neumanovská nebo Hardvarská architektura
    • Von Neumannova architektura popisuje počítač se společnou pamětí pro instrukce i data. To znamená, že zpracování je sekvenční oproti například Harvardské architektuře (má jednu společnou pamět pro program i data), která je typickým představitelem paralelního zpracování
    • Von Neumannova architektura:

Procesor počítače se skládá z řídící a výkonné (aritmeticko-logické) jednotky. Řídící jednotka zpracovává jednotlivé instrukce uložené v paměti, přičemž jejich vlastní provádění nad daty má na starosti aritmeticko-logická jednotka. Vstup a výstup dat zajišťují vstupní a výstupní jednotky.

• periferní jednotky μC (příklady)
  • CPU
  • programová paměť
  • datová pamět (SRAM)
  • nulovací obvod, watchdog
  • číslicové V/V, analogové V/V
  • časovače, obvod reálného času

• CPU
  • Von Neumannovská architektura
  • sběrnice: 8b data + 16b adresa
  • instrukční sada: CISC, střadačová architektura
• registry
  • 
• instrukční sada
  • ADD, AND, SUB, SWI (soft. přerušení)
  • operandy
    • kostanta # (#64, #$40 (hexa), #%0100000 (bin))
    • adresa (100, $F0, $FB000)
• adresovací režimy
  • inherent INH
    • MUL: X:A ← (X) * (A)
  • relative REL
    • BEQ rel: Branch if equal (if Z = 1)
  • immediate IMM
    • ADD #2: A ← A + 2
  • direct DIR
    • BSET 0, 31: Set Bit n in memory (Mn ← 1)
  • extended EXT
    • ADD $0200
  • indexed
    • LDA ,X: No Offset
• typy instrukcí
  • pro přenos dat (load/store): LDA #5; MOV #5, 100
  • pro práci s daty (aritmetické, logické …): AND op, ADD op
  • pro řízení toku programu (skokové): JMP op
  • speciální: NOP, WAIT

• RUN
  • „plný“ běh aplikace
  • aktivován po resetu
  • CPU začíná provádět kód, kde první instrukce je uložená v reset vektoru
  • 
• Active background
  • ladění aplikace, bootloader
  • aktivace více způsoby: např.log. 0 při nástupní hraně hodin RESET*
  • užití např. k (pře)programování aplikace před vstupem do Run
• Wait
  • CPU zastaven (snížení spotřeby), systémové hodiny běží, plná funkce napěťového regulátoru
  • aktivován instrukcí WAIT
  • po provedení s přepne CPU do nízkopříkonového režimu
  • ukončení při vzniku přerušení
• Stop
  • zastaveno CPU, BUSCLK
  • Stop 3 - uchovává obsah RAM, USB RAM, registrů; možný rychlý přechod do Run
  • Stop 2 - uchovává obsah RAM, USB RAM

• RAM, USB RAM
• Flash
• registry

• statická, napájena ve všech režimech činnosti MCU
• obecně využitelná
• USB RAM - 256B - určená primárně k alokaci prostoru pro uložení BDT (Buffer Descriptor Table) a endpoint bufferů

• primárně určená pro uložení programu E.S.
• kapacita (JM60): 60 912 B ~ 119 stránek po 512B
• stránka je nejmenší mazatelná stránka
• příkazové rozhraní
• možnost zabezpečení dat (security)
• automatický přechod do úsporného režimu
• po resetu MCU je možno zapsat nejvýše 1x

Standratní programová smyčka:

• pokud je volán podprogram, je předáno řízení hlavnímu programu až po provedení celého podprogramu (voláním return)
• při přerušení je podprogram volán instrukcí a podgram obsluhy přerušení je zase vyvolán hardwarově
  • probíhá nesynchronizovaně → nelze přesně určit, kdy se předá řízení
• zdroj přerušení se prezentuje aktivní úrovní
• např. při mimořádné události vyvolá hlavní program přerušení, žádost je za definovaných podmínek akceptovaná a řízení předáno přidem připravené obslužné rutině přerušení
  • adresa instrukce je uložena ve vektoru přerušení - zpravidla je to odkaz do tabulky adres nebo tabulky prvních instrukcí přerušovacích rutin

• analogový vstup představují signály ze spojitých snímačů (teplota, tlak, osvětlení, odpor, napětí/proud)
• důležitá je zpětná vazba
• 
• předvod aproximačním AD převodníkem je děj, který trvá určitou dobu; proto lze vysledovat fáze
  • zahájení převodu
    • děje se zápisem do registru
    • 
    • jsou 2 možnosti zahájení
      • softwarové - zápis do registrů (převod se realizuje hned)
      • hardwarové - dojde k dosažení modulo registru při sčítání čítače reálného času (napřed se musí nastavit perioda vzorkování, až pak začne převod)
  • provádění převodu
  • ukončení převodu (výsledek je k dispozici, nebo byl převod „násilně“ ukončen)
    • výsledek je k dispozici v registrech ADCRH a ADCRL

• typicky má 3 části
  • dolnopropusní filtr
  • Track/Hold
  • AD převodník
• převádí anslogový vstup na číslicový výstup

• čítač je speciální registr, který kromě funkcí jako je čtení a zápis hodnoty zvyšuje a snižuje svoji hodnotu o jedničku při každé periodě hodinového signálu; používán je pro čítání událostí
• časovač je čítač, jehož čas je zvyšován o jedničku hodinovým signálem mikropočítače; účelem je odměřovat čas
• 
• čítač/časovač realizuje časovou základnu a je jádrem systému časování
• cyklus čítače je dán periodou budícího signálu a počtem bitů čítače - při přetečení je generován příznak, který lze využít při generování periody impulsního signálu
• často je třeba určit čas, kdy došlo k nějaké události - přečteme si aktuální hodnotu běžícího čítače a vypočteme časový údaj
• výstupem jednotky záchytu hrany je vývod MCU, kde je přiveden signál s logickými úrovněmi. Lze ji nastavit na detekci nástupné nebo sestupné hrany
• PWM modul lze využít jako jednoduchý Č/A převodník
  • proměnná střída impulsů je vyhodnocena jako proměnné analogového napětí úměrné hodnotě aktuální hodnotě střídy
  • 
  • pulzně šířková modulace PWM je technika, kdy je generován impulsní průběh s konstantní periodou a proměnnou střídou. Signál tohoto typu je využíván hlavně pro řízení motorů

• vestavěný systém je soustava vzájemně propojených bloků, ty musí být v zájemné součinnosti - k synchronizaci slouží generátor hodinového signálu (v jeho rytmu běží komunikace mezi jednotlivými moduly, jádro provádí instrukci za instrukcí)
• u MCU Motorola HC08 má hodinový signál na starosti modul CGM (Clock Generation Module) - jako zdroj signálu se využívá oscilátor

05
Celé jméno	OK	!!!
Tom Ofeig
Martin Pavelka
	2