Mikrocontroller vorbereitet

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WieErWill 2022-01-26 14:23:22 +01:00
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@ -58,7 +58,7 @@
Simulative Untersuchung der Ausführung von Maschinenbefehlen in unterschiedlichen Pipeline-Architekturen
\subsection*{Aufgabe 1}
Untersuche die vorbereitete Befehlsfolge mit den drei vorgegebenen Grundstrukturen Standard-Pipeline, Superskalar-in-Order und Superskalar-out-of-Order. Beobachte den Programmablauf und machen dich mit der Bedienung vertraut! Schauen vor dem Simulationsstart auch die Parametereinstellungen für Sprungvorhersage und Result Forwarding an (hier können auch Änderungen vorgenommen werden) und interpretiere das Verhalten während der Simulation.
Untersuche die vorbereitete Befehlsfolge mit den drei vorgegebenen Grundstrukturen Standard-Pipeline, Superskalar-in-Order und Superskalar-out-of-Order. Beobachte den Programmablauf und machen dich mit der Bedienung vertraut! Schauen vor dem Simulationsstart auch die Parametereinstellungen für Sprungvorhersage und Result Forwarding an und interpretiere das Verhalten während der Simulation.
Code A1b
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
@ -94,6 +94,7 @@ Alle Strukturen mit Result-Forwarding und 2-Bit Vorhersage.
\end{itemize*}
\end{itemize*}
\newpage
\subsection*{Aufgabe 2}
Untersuche die Befehlsfolgen A4 und B2 mit mindestens je drei unterschiedlichen Simulationsläufen! Wähle die benutzten Pipelinestrukturen und Parametereinstellungen selbst aus. Vergleiche die Ergebnisse mit den Lösungen aus der Übung und suche Erklärungen für eventuelle Unterschiede!
@ -216,7 +217,7 @@ Superskalar In-Order Pipeline ohne Result Forwarding (4 EX Einheiten)
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-73350.jpg}
\end{itemize*}
\newpage
\subsection*{Aufgabe 3}
Änderne nun eine der vorgegebenen Pipelinestrukturen ab, z.B. die Anzahl der parallelen Pipelines verändern. Orientiere dich zuvor über den Inhalt des ,,Baukastens''. Untersuche mit den oben verwendeten Befehlsfolgen die Auswirkungen auf die Simulationsergebnisse! Variiere dabei die Parameter und interpretiere die Ergebnisse!
@ -255,6 +256,7 @@ Superskalar In-Order Pipeline ohne Result Forwarding (4 EX Einheiten)
\end{itemize*}
\end{itemize*}
\newpage
\subsection*{Zusatzaufgaben}
\subsubsection*{Z1}
Untersuche weitere Befehlsfolgen, z.B. aus A5, A6, A7, B1 oder nach eigenen Entwürfen!
@ -331,7 +333,7 @@ Gebe das folgende Programm ein. Es soll die vorhandenen Befehle ersetzen.
.INCLUDE "tn25def.inc" // Einfügen von Symbolen, u.a. für I/O-Register
.DEVICE ATtiny25 // Festlegen des Controllertyps
anf:
ldir 16,0x07
ldi r16,0x07
out DDRB,r16 // Port B: Richtungseinstellung
ldi r16,0x18
out PORTB,r16 // Port B: Pull-up für Taster-Eingänge aktivieren
@ -349,18 +351,24 @@ Das Programm soll jetzt so erweitert werden, dass die LED mit den beiden Tastern
.INCLUDE "tn25def.inc" // Einfügen von Symbolen, u.a. für I/O-Register
.DEVICE ATtiny25 // Festlegen des Controllertyps
anf:
ldir 16,0x07
ldi r16,0x07
out DDRB,r16 // Port B: Richtungseinstellung
ldi r16,0x18
out PORTB,r16 // Port B: Pull-up für Taster-Eingänge aktivieren
lo1:
sbis PINB,PB4 // Abfrage TASTER1, Skip Folgebefehl wenn nicht gedrückt
sbi PORTB,0 // Einschalten der LED (blau)
jmp blue
sbis PINB,PB3 // Abfrage TASTER2, Skip Folgebefehl wenn nicht gedrückt
cbi PORTB,0 // Ausschalten der LED (blau)
jmp green
rjmp lo1 // Sprung zum Schleifenbeginn
...
blue:
sbi PORTB,0 // Einschalten der LED (blau)
cbi PORTB,1 // Ausschalten der LED (grün)
rjmp lo1
green:
cbi PORTB,0 // Ausschalten der LED (blau)
sbi PORTB,1 // Einschalten der LED (grün)
rjmp lo1
\end{lstlisting}
Verändere das Programm nun so, dass durch abwechselndes Drücken der beiden Taster eine Sequenz von mindestens sechs unterschiedlichen Leuchtvarianten der LED durchgeschaltet werden kann.
@ -368,25 +376,75 @@ Verändere das Programm nun so, dass durch abwechselndes Drücken der beiden Tas
.INCLUDE "tn25def.inc" // Einfügen von Symbolen, u.a. für I/O-Register
.DEVICE ATtiny25 // Festlegen des Controllertyps
anf:
ldir 16,0x07
ldi r16,0x07
out DDRB,r16 // Port B: Richtungseinstellung
ldi r16,0x18
out PORTB,r16 // Port B: Pull-up für Taster-Eingänge aktivieren
ldi r17,0x01 // Zähler
lo1:
sbis PINB,PB4 // Abfrage TASTER1, Skip Folgebefehl wenn nicht gedrückt
sbi PORTB,0 // Einschalten der LED (blau)
rjmp up
sbis PINB,PB3 // Abfrage TASTER2, Skip Folgebefehl wenn nicht gedrückt
cbi PORTB,0 // Ausschalten der LED (blau)
rjmp down
rjmp lo1 // Sprung zum Schleifenbeginn
....
up:
inc r17
cmp r17, 0x07
jnz blue
ldi r17, 0x00
rjmp blue
down:
dec r17
cmp r17, 0x00
jnz blue
ldi r17, 0x06
blue:
cmp r17, 0x01
jnz cyan
sbi PORTB,0 // Einschalten der LED (blau)
cbi PORTB,1 // Ausschalten der LED (grün)
cbi PORTB,2 // Ausschalten der LED (rot)
rjmp lo1
cyan:
cmp r17, 0x02
jnz green
sbi PORTB,0 // Einschalten der LED (blau)
sbi PORTB,1 // Einschalten der LED (grün)
cbi PORTB,2 // Ausschalten der LED (rot)
rjmp lo1
green:
cmp r17, 0x03
jnz yellow
cbi PORTB,0 // Ausschalten der LED (blau)
sbi PORTB,1 // Einschalten der LED (grün)
cbi PORTB,2 // Ausschalten der LED (rot)
rjmp lo1
yellow:
cmp r17, 0x04
jnz red
cbi PORTB,0 // Ausschalten der LED (blau)
sbi PORTB,1 // Einschalten der LED (grün)
sbi PORTB,2 // Einschalten der LED (rot)
rjmp lo1
red:
cmp r17, 0x05
jnz violett
cbi PORTB,0 // Ausschalten der LED (blau)
cbi PORTB,1 // Ausschalten der LED (grün)
sbi PORTB,2 // Einschalten der LED (rot)
rjmp lo1
violett:
sbi PORTB,0 // Einschalten der LED (blau)
cbi PORTB,1 // Ausschalten der LED (grün)
sbi PORTB,2 // Einschalten der LED (rot)
rjmp lo1
\end{lstlisting}
\subsection*{Aufgabe 2: Blinken der LED}
Das Programm soll die LED fortlaufend blinken lassen. Diese Funktion wird mit einem Zähler/Zeitgeber-Interrupt realisiert.
\subsubsection*{Schritt a: Einfaches Blinken}
Die Aufgabe besteht nun darin, die LED periodisch ein- und auszuschalten, so dass sich eine Frequenz von etwa 2 Hz ergibt. Das Umschalten der LED soll in der Interruptserviceroutine eines Zähler/Zeitgeber-Interrupts erfolgen. Dafür soll Timer/Counter 0 so initialisiert werden, dass er Interrupts mit einer Folgefrequenz von etwa 4 Hz auslöst. Stütze dich dazu auf das folgende Programmfragment:
Die Aufgabe besteht nun darin, die LED periodisch ein- und auszuschalten, so dass sich eine Frequenz von etwa 2 Hz ergibt. Das Umschalten der LED soll in der Interruptserviceroutine eines Zähler/Zeitgeber-Interrupts erfolgen. Dafür soll Timer/Counter 0 so initialisiert werden, dass er Interrupts mit einer Folgefrequenz von etwa 4 Hz auslöst.
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
// Interrupttabelle (muss vor dem ersten ausführbaren Befehl stehen):
tab: rjmp anf // Programmstart nach Reset ("Interrupt" 1)
@ -422,11 +480,9 @@ i_11: in r25,SREG // Flags retten (weitere Rettungen nach Bedarf)
\end{lstlisting}
Die Hintergrundschleife bleibt zunächst leer. Entwickle und teste das Programm für diese Aufgabe.
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
.INCLUDE "tn25def.inc" // Einfügen von Symbolen, u.a. für I/O-Register
.DEVICE ATtiny25 // Festlegen des Controllertyps
// Interrupttabelle (muss vor dem ersten ausführbaren Befehl stehen):
tab: rjmp anf // Programmstart nach Reset ("Interrupt" 1)
reti
@ -438,60 +494,307 @@ tab: rjmp anf // Programmstart nach Reset ("Interrupt" 1)
reti
reti
reti
rjmp i_11 // Timer 0 Compare A Interrupt (Interrupt 11)
rjmp timer_compare // Timer 0 Compare A Interrupt (Interrupt 11)
reti
reti
reti
reti // Tabellenende (Interrupt 15)
// Initialisierungsteil und Hintergrundprogramm:
anf: [...] // Weitere Initialisierungen
// Initialisierung von Timer/Counter 0
ldi r16, high( 40000 - 1 )
out OCR1AH, r16
ldi r16, low( 40000 - 1 )
out OCR1AL, r16
// CTC Modus einschalten, Vorteiler auf 1
ldi r16, ( 1 << WGM12 ) | ( 1 << CS10 )
out TCCR1B, r16
// OCIE1A: Interrupt bei Timer Compare
ldi r16, 1 << OCIE1A
out TIMSK, r16
sei // Globale Interruptfreigabe
//ldi r16,0x10
//out TIMSK,r16 // Freigabe von Interrupt 11 (Timer 0 Compare A)
// Initialisierungsteil und Hintergrundprogramm:
anf:
ldir 16,0x07
out DDRB,r16 // Port B: Richtungseinstellung
ldi r16,0x07
out DDRB,r16 // Port B: Richtungseinstellung
ldi r16,0x18
out PORTB,r16 // Port B: Pull-up für Taster-Eingänge aktivieren
[...] // Weitere Initialisierungen
[...] // Initialisierung von Timer/Counter 0 (Empfehlung:
// Betriebsart CTC, Vergleichsregister A nutzen)
sei // Globale Interruptfreigabe
ldi r16,0x10
out TIMSK,r16 // Freigabe von Interrupt 11 (Timer 0 Compare A)
lo1:
sbis PINB,PB4 // Abfrage TASTER1, Skip Folgebefehl wenn nicht gedrückt
sbi PORTB,0 // Einschalten der LED (blau)
sbis PINB,PB3 // Abfrage TASTER2, Skip Folgebefehl wenn nicht gedrückt
cbi PORTB,0 // Ausschalten der LED (blau)
rjmp lo1 // Sprung zum Schleifenbeginn
lo2: rjmp lo2 // Leere Hintergrundschleife
// Interruptserviceroutine:
i_11: in r25,SREG // Flags retten (weitere Rettungen nach Bedarf)
[...] // Inhalt der Routine
ldi r17, 0x00 // Zähler
lo2:
rjmp lo2 // Leere Hintergrundschleife
// Interruptserviceroutine:
timer_compare:
in r25,SREG // Flags retten (weitere Rettungen nach Bedarf)
inc r17
cmp r17, 0x02
jnz on
off:
ldi r17, 0x00
cbi PORTB,0 // Ausschalten der LED (blau)
rjmp close
on:
sbi PORTB,0 // Einschalten der LED (blau)
close:
out SREG,r25 // Flags restaurieren
reti // Routine beenden
\end{lstlisting}
Alternativ
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
init:
; Modus 14:
ldi r17, 1<<COM1A1 | 1<<WGM11
out TCCR1A, r17
ldi r17, 1<<WGM13 | 1<<WGM12 | 1<<CS12
out TCCR1B, r17
ldi r17, 0x6F
out ICR1H, r17
ldi r17, 0xFF
out ICR1L, r17
; der Compare Wert
ldi r17, 0x3F
out OCR1AH, r17
ldi r17, 0xFF
out OCR1AL, r17
; Den Pin OC1A auf Ausgang schalten
ldi r17, 0x02
out DDRB, r17
main:
rjmp main
\end{lstlisting}
Alternativ
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
init:
LDI r16, 0x07
STS DDRB, r16
LDI r17, 0x18
OUT PORTB, r17
LDI r16, 0x00
STS TCCR1A, r16
RET
main:
LDI r16, 0xF0
STS TCNT1H, r16
LDI r16, 0xBC
STS TCNT1L, r16
LDI r16, 0x05
STS TCCR1B, r16
loop: LDS R0, TIFR1
SBRS R0, 0
RJMP loop
LDI r16, 0x00
STS TCCR1B, r16
LDI r16, 0x01
STS TIFR1, r16
COM r17
STS PORTB, r17
RET
\end{lstlisting}
\subsubsection*{Schritt b: Erweitertes Blinken}
Baue in die Hintergrundschleife eine Abfrage von TASTER1 und TASTER2 ein. Durch Drücken von TASTER1 soll die Blinkfrequenz verdreifacht werden, durch TASTER2 wird sie auf den ursprünglichen Wert zurückgestellt. Teste diese Funktion. Der Vorgang soll sich beliebig wiederholen lassen.
Stelle das Programm nun so um, dass die beiden Blinkfrequenzen deutlich langsamer sind: Etwa 1,0 Hz und etwa 0,5 Hz. Beachte, dass der Zählumfang des Timer/Counter dafür nicht ausreicht, auch nicht mit dem größten Vorteiler. Das Programm muss also in der Struktur verändert werden. Erweiterr das Programm so, dass eine Sequenz aus mindestens vier unterschiedlichen Leuchtzuständen durchlaufen wird.
Stelle das Programm nun so um, dass die beiden Blinkfrequenzen deutlich langsamer sind: Etwa 1,0 Hz und etwa 0,5 Hz. Beachte, dass der Zählumfang des Timer/Counter dafür nicht ausreicht, auch nicht mit dem größten Vorteiler. Das Programm muss also in der Struktur verändert werden. Erweitere das Programm so, dass eine Sequenz aus mindestens vier unterschiedlichen Leuchtzuständen durchlaufen wird.
$$Verzoegerungswert = 2^{16}-\frac{frequenz \times delaytime}{prescaler}$$
16-Bit Wert in zwei 8-Bit teilen und in TCNT1H und TCNT1L laden
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
init:
LDI r16, 0x07
OUT DDRB, r16
LDI r17, 0x18
OUT PORTB, r17
LDI r16, 0x00
STS TCCR1A, r16 ; alle bits von TCCR1A auf 0
RET
main:
LDI r16, 0xF0
STS TCNT1H, r16 ; timer high register
LDI r16, 0xBC
STS TCNT1L, r16 ; timer low register
LDI r16, 0x05
STS TCCR1B, r16 ; use 1024 prescalar
loop: LDS R0, TIFR1 ; TIFR1 in R0 laden
SBRS R0, 0 ; skippen falls overflow
RJMP loop ; schleife bis overflow
LDI r16, 0x00
STS TCCR1B, r16 ; stoppe Timer/Counter1
LDI r16, 0x01
STS TIFR1, r16 ; overflow zurücksetzten
COM r17 ; complement r17
STS PORTB, r17 ; toggle LED
sbis PINB, PB4 ; skip folgebefehl wenn nicht gedrückt
rjmp t1
sbis PINB, PB3 ; skip folgebefehl wenn nicht gedrückt
rjmp t2
RJMP loop
t1:
LDI r16, 0xFB
STS TCNT1H, r16 ; timer high register
LDI r16, 0x6C
STS TCNT1L, r16 ; timer low register
RJMP loop
t2:
LDI r16, 0xF0
STS TCNT1H, r16 ; timer high register
LDI r16, 0xBC
STS TCNT1L, r16 ; timer low register
RJMP loop
\end{lstlisting}
\subsection*{Aufgabe 3: Einfaches Dimmen der LED mittels PWM}
Stelle die Helligkeit der LED mittels PWM (pulse width modulation, Pulsbreitenmodulation) auf wählbare Zwischenwerte ein.
\subsubsection*{Schritt a: Einfache Helligkeitseinstellung}
Zunächst soll die LED (nur eine Farbe) auf eine beliebige, aber konstante Helligkeit eingestellt werden können. Realisiere dazu eine PWM-Ausgabe mit 256 Helligkeitsstufen, wobei die Zeitintervalle wahlweise mittels Zählschleifen oder mittels Timer/Counter-Interrupt generiert werden. Den Helligkeitswert können über ein Universalregister vorgegeben werdeb, in welches im Debugger bei gestopptem Programm jeweils unterschiedliche Werte eintragen werden können.
Zunächst soll die LED (nur eine Farbe) auf eine beliebige, aber konstante Helligkeit eingestellt werden können. Realisiere dazu eine PWM-Ausgabe mit 256 Helligkeitsstufen, wobei die Zeitintervalle wahlweise mittels Zählschleifen oder mittels Timer/Counter-Interrupt generiert werden. Der Helligkeitswert kann über ein Universalregister vorgegeben werden, in welches im Debugger bei gestopptem Programm jeweils unterschiedliche Werte eintragen werden.
Alternativ können auch die PWM-Betriebsarten der Timer/Counter-Baugruppen ausprobiert werden, soweit es die Hardwarekonfiguration zulässt. Empfohlen wird die Betriebsart ,,Fast PWM'' mit normaler Zählung.
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
init:
ldi r16,0xff
out DDRB,r16
cbi PORTB,0
ldi r17, 25 ; r17 ist helligkeitswert
l1:
sbi PORTB, 0 ; LED an
mov r16, r17 ; R16 kontrolliert länge des delay (= r17)
rcall delay
cbi PORTB, 0 ; LED aus
ldi r16, 255
sub r16, r17 ; R16 kontrolliert länge des delay (= 255 - r17)
rcall delay
rjmp l1
; Delay for (R16 * 4) microseconds
delay:
tst r16 ; R16 = 0? (no delay)
breq dly4
dly2:
ldi r24,low(16)
ldi r25,high(16)
dly3:
sbiw r24,1 ; 2 cycles
brne dly3 ; 2 cycles
dec r16
brne dly2
dly4:
ret
\end{lstlisting}
\subsubsection*{Schritt b: Helligkeitseinstellung mit Tastern}
Nun sollen die beiden Taster als Bedienelemente zum Auf- und Abdimmen verwendet werden. Werte dabei die Dauer der Tastendrücke aus, nicht deren Anzahl. Die Helligkeit soll bei gedrückt gehaltenem Taster stetig zu- oder abnehmen. Bei losgelassenen Tastern soll die Helligkeit konstant bleiben.
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
init:
ldi r16,0x07 ; Port B Richtungseinstellung
out DDRB,r16
ldi r16, 0x18
out PORTB, r16 ; Pull Up für Taster
cbi PORTB, 0 ; LED aus
ldi r17, 25 ; r17 ist helligkeits wert
l1:
sbi PORTB, 0 ; LED an
mov r16, r17 ; R16 kontrolliert länge des delay (= r17)
rcall delay
cbi PORTB, 0 ; LED aus
ldi r16, 255
sub r16, r17 ; R16 kontrolliert länge des delay (= 255 - r17)
rcall delay
sbis PINB, PB4
inc r17
sbis PINB, PB3
dec r17
rjmp l1
; Delay for (R16 * 4) microseconds
delay:
tst r16 ; R16 = 0? (no delay)
breq dly4
dly2:
ldi r24,low(16)
ldi r25,high(16)
dly3:
sbiw r24,1 ; 2 cycles
brne dly3 ; 2 cycles
dec r16
brne dly2
dly4:
ret
\end{lstlisting}
\newpage
\subsection*{Zusatzaufgabe: Fortlaufendes Auf- und Abdimmen der LEDs}
Diese Aufgabe soll als Anregung für weiterführende Experimente nach eigenen Ideen dienen. Die Helligkeit der LED soll in einer geeigneten Geschwindigkeit stetig herauf- und heruntergeregelt werden, so dass ein ,,weiches Blinken'' entsteht. Dazu muss einen Mechanismus implementiert werden, der den Helligkeitswert nach einem geeigneten Zeitschema verändert.
Realisiere weitere Lichteffekte dieser Art, bei denen nun auch mehrere Leuchtfarben beteiligt sind.
Realisiere eine Umschaltung zwischen unterschiedlichen Lichteffekten.
Realisiere weitere Lichteffekte dieser Art, bei denen nun auch mehrere Leuchtfarben beteiligt sind.
Realisiere eine Umschaltung zwischen unterschiedlichen Lichteffekten.
Realisiere weitergehende Funktionen nach eigenen Ideen.
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
init:
ldi r16,0xff
out DDRB,r16
cbi PORTB,0
; LED von low zu high
dopwm:
ldi r17,25
l1:
ldi r18, 0x01 ; R18 zählt PWM cycles
l2:
cbi PORTB,0
mov r16,r17
rcall delay
sbi PORTB,0
ldi r16,255
sub r16,r17
rcall delay
dec r18
brne l2
inc r17 ; helligkeit erhöhen
brne l1
; LED von high zu low
ldi r17,255
l3:
ldi r18, 0x01
l4:
cbi PORTB,0
mov r16,r17
rcall delay
sbi PORTB,0
ldi r16,255
sub r16,r17
rcall delay
dec r18
brne l4
dec r17 ; helligkeit runter
cpi r17,25
brne l3
rjmp dopwm
; Delay for (R16 * 4) microseconds
delay:
tst r16
breq dly4
dly2:
ldi r24,low(16)
ldi r25,high(16)
dly3:
sbiw r24,1 ; 2 cycles
brne dly3 ; 2 cycles
dec r16
brne dly2
dly4:
ret
\end{lstlisting}
\end{document}