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

Proč jsou vestavěné systémy v součastnosti tak oblíbené?

• nyní vládne trend, kdy se snažíme co nejvíce věcí implementovat na jeden čip
• vychází i z ekonomického pohledu: méně čipů = méně nákladů na výrobu
• jsou všude kolem nás (od hodinek, přes pračky, ledničky, auta …)

• 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. Druhým pohledem je Harvardská architektura (má jednu pamět pro program a druhou data), která je představitelem paralelního zpracování (nejedná se o vlastní paralelismus).
    • 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 ← reřim bez adres
    • 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

• Direct Page - Registre
• High Page - Špeciálne registre
• Non voltaile - Uloženie zapezpeč. klúčov napríklad
• Chvost - Obsahuje vektory prerušenia

• statická, napájena ve všech režimech činnosti MCU
• Od 0x0000 po 0x00FF
• Jednobytová adresa s rýchlim prístupom
• Pre často používané premenné
• Od 0x0100 a viac
• Datá s občasným prístupom
• Možnosť secure

• 256B, CLK 2x
• prístup do SIE čo je USB serial interface
• určená pre alok. priestoru pre uloženie BDT, Buffer desc. table a endpoint bufferov
• inak sa dá tiež využiť ako non-secure RAM

• Uloženie programu s podporou In-Circuit a In-Application programming
• 64KB, 119 stránok po 512 B
• Stránka je najmenšia mazatelná jednotka
• Možnosť security, príkazové rozhranie
• Automatický prechod 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

• bity jsou přenášeny po jediném vodiči postupně jeden za druhým
• u paralelního přenosu je v jediném okamžiku k dispozici více bitů (každý na vlasním vodiči)
• protože se bity objevují na jediném datovém vodiči postupně, je potřeba jednoznačně určit, v kterém okamžiku je na datovém vodiči hodnota kterého bitu
• existují 2 základní přístupy
  • Synchronní sériový přenos
    • spolu s daty je přenášen i hodinový signál
    • hrany hodinového signálu určují, kdy se objeví další bit na datové vodiči nebo kdy je možné bezpečně sejmout hodnotu z datového vodiče
    • v celé soustavě je jeden zdroj časového signálu
  • Asynchronní sériový přenos
    • hodinový signál se nepřenáší, ale přímač si ho generuje sám
    • je potřeba zajistit dostatečnou přesnost generátoru hodinového signálu v přijmači a prostředky, kterými je možné generátor hodinového signálu přijímače synchornizovat s generátorem vysílače
    • na začátku přenosu musí dojít k synchronizaci hodin vysílače a přijmače (změnou úrovně).
    • Princip: Vodič je v klidovém stavu (např. log1), přenos je zahájen změnou klidového stavu (na log0), předem dané délky (zpravidla 1 bit, tzv. start bit), poté jsou posílána samotná data, na konci přeneseného slova následuje volitelný paritní součet a ukončení přenosu (stop bit).
    • 

• asynchronní sériové rozhraní
• v mikrokontroléru HCS08 se jedná o plně duplexní systém (tj. současně lze data vysílat i příjmat)
• sytém tvoří generátor hodinového signálu, modulu vysílače a modulu přijmače a podpůrných obvodů
• výstup vysílače je vyveden na vodič označený TxD (transmit data), vstup přijmače je vyveden na vodič označený RxD (receive data)
• podstatné jsou pro programátora registry SCI: datové, konfigurační a stavové

• synchronní sériové rozhraní
• rozhraní původně určené k připojování a komikaci s prefireními zařízeními (lze ho ale využí i ke komunikaci mezi mikrokontroléry)
• umožňuje spojení point-to-point i vytvoření SPI sběrnice (k propojení více komponent)
• plně duplexní rozhraní (v každém okamžiku vždy probíhá přenos oběma směry)
• zařízení připojení přes SPI může být v jednou ze dvou režimů:
  • master
    • generuje synchronizační hodinový signál
    • inicializuje a řídí komunikaci přes SPI
    • na sběrnici SPI může být pouze jedno zařízení tohoto typu
    • zpravidla se jedná o mikrokontrolér
  • slave
    • obvykle to jsou periferie, se kterými master komunikuje (master určuje se kterým slave bude komunikovat)
• komunikace probíhá způsobem vzájemné výměny obsahů posuvných registrů
  • 

• synchronní sériové rozhraní
• hlavním cílem je jednoduchost a levná implementace
• specifikuje fyzickou podobu rozhraní, jeho elektrické charakteristiky a komunikační protokol
• protokol typu master-slave komunikující způsobem half-duplex
  • 
• tvoří ho jeden datový vodič(SDA) a jeden vodič pro přenos synchronizačního signálu(SCL)
• ke sběrnici IIC lze připojit až 127 zařízení slave (dáno formátem adresy)
• pokud neprobíhá komunikace, tak se master ani slave nijak neovlivňuje (SDA i SCL stav log. 1)
• komunikace zahájí master sestupnou hranou 1→0 při SCL v log. 1
• data jsou vzorkována při SCL=1, změna hodnoty dat při SCL=0
• pro ukončení generuje master nástupnou hranu 0→1 při SCL v log. 1

• mikrokontrolér je počítač, určený k tomu, aby vnímal své okolí a na základě programu je ovlivňoval
• je zpravidla součástí nějakého systému, který má primárně jiné určen, než „jen“ být počítačem
• vnímání okolí a jeho ovlivňování se děje nejčastějí přes jednoduchá dvoustavová rozhraní, které se združují do portů
• porty jsou vyvedeny na pouzdro MCU - jedná se o skutečné rozhraní mezi MCU a dalšími obvody
• vstupně-výstupní piny jsou sdruženy po osmi do portů
• mnoho z nich sdílí vývod pouzdra s jinými periferiemi (když je periferie aktivní, nelze použít pin portu)
• porty jsou pojmenovány písmeny abecedy, různé MCU mají různý počet portů
• výstupní pin portu
  • umí udělat logickou 0 nebo 1 na vývodu pouzdra MCU
  • log. úrovně jsou reprezentovány napětím, jde o připojení určitého napětí na vývod MCU
  • log. 0 je napětí na úrovni země, log. 1 pak napětí na úrovni napájecího napětí

• rezistor, který definuje úroveň v případě, kdy je pin jinak „ve vzduchu“
• lze jej zapnout uvnitř MCU
• 

• 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