Mikroprozessortechnik (Fach) / Mikroprozessortechnik I Klausurfragen (Lektion)

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• Erläutern Sie die 4 großen Systembereiche eines µP-Systems. SB1: Reale Umweld: Input des System: Tastatur-Infos, Messwerte, ect. SB2: Das System selbst: Aufbereitung der Eingangsdaten, verknüpfung der Eingangsdaten zu Ergebnissen, Ablage von Ergebnissen im Speicherbereich.. SB3: Speicherbereich im System: Programmspeicher, Datenspeicher SB4: Reale Umwelt: Output des Systems: Ausdruck, Bildschirmausgabe, Lampe einschalten, Kontakt schließen
• Nennen und erläutern Sie anschaulich die wesentlichen Komponenten eines µP. Controller: Steuerung, Zeitablauf, Befehlskodierung, Befehlsausführung u. Programmablaufsteuerung ALU: Zentrale Recheneinheit. Interne Datenverknüpfungen laufen hier ab Akku: Besonderers Speicherregister zur Datenablage und Transfer zu internen Interrupt Logik: Erkennung, Verwaltung und Meldung von Interrupts Stack-Pointer: Besonderes Speicher-Register, das immer die Adresse eins Speicherplatzes aus dem Stack-Speicher enthält Stack-Speicher: Besonderer Speicherbereich zur abarbeitung von Interrups und Unterprogrammen Interner Datenspeicher:-------------- Befehls-Zähler: -------------------
• Aus welchen Funktionsgruppen besteht eine CPU mindestens? Controller ALU Akku Flag-Bits Hilfsrechen-Register
• Erläutern sie die Begriffe: Taktzyklus u. Maschinenzyklus Wie groß sind die beiden Parameter bei einem 8051er, der mit 18MHz getaktet wird? Wieso darf dieser nicht auf maximaler Leistung dauerhaft betrieben werden? Taktzyklus: Umkehr der Taktfrequenz des µP-Quarzes fQuarz - ttz=1/fQuarz Maschinenzyklus: µP-spezifischer Taktzyklus tmz=n*ttz Beim 8051er mit 18MHz taktung: ttz = 56ns tmz = 0,672 µs , mit n = 12 Der 8051er sollte nicht dauerhaft auf maximaler Leistung betreiben werden da er so zuviel Hitze entwickelt.
• Aus welchen Bausteinen besteht ein µP-Minimalsystem? Wie werden die Komponenten verbunden? Wie läuft prinzipiell die Kommunikation zwischen den Komponenten ab ? µP Adress-, Daten-, Steuerbus Programmspeicher (EPROM) Datenspeicher(RAM)
• Was verstehen Sie in einem µP-System unter 'Bus' ? Nennen und erläutern Sie die wichtigsten Bussysteme. Busse sind parallele Sammelschienen zum Informationstransfer innerhalb eines MikroprozessorSystems. An sie sind alle Bausteine gleichzeitig und parallel angeschlossen. Nennen und erläutern Sie die wichtigsten Bussysteme. Datenbus: Auf ihm werden immer 8 Bit breit die reinen Informationsdaten zwischen den einzelnen Einheiten hin- und hergesendet. Adressbus: Transport der Speicherplatzadressen zu den Speicherbausteinen. 16 Bit breit => 65536 einzelne 8 Bit breite Speicherplätze adressierbar. Steuerbus: Ansammlung verschiedener Signalleitungen zum steuern der einzelnen Bausteine.Individuelle Auswahl, Lese- und Schreibbefehle, Rücksetzanweisungen, etc. Zwischen 4-10 Bit
• Erläutern Sie aus der Sicht eines µP den Ablauf: "Daten aus dem Datenspeicher holen" µP gibt Adresse der gewünschten zu lesenden Speicherstelle auf den Adressbus aus Dadurch wird die gewünschte Speicherstelle adressiert und gleichzeitig das CS\-Signal für den Datenspeicherbaustein generiert. µP sendet über den Steuerbus ein Lesesignal an den Datenspeicherbaustein. Der Datenspeicherbaustein gibt diesen Inhalt der adressierten Speicherstelle auf den Datenbus aus. µP liest den Wert vom Datenbus ein.
• Erläutern Sie den Unterschied zwischen: a) einem OTP- und einem EPROM-Baustein b) einem batteriegepuffertem statischem RAM und einem NV-RAM a) OTP und EPROM sind von der Bauweise her ähnlich, jedoch fehlt dem OTP das Quarzglasfenster, was ein Löschen des Programms unmöglich macht. Sie sind demnach also nur einmal programmierbar.denn EPROM kann mann mittels UV-Licht löschen und neu programmieren. b) Die funktionsweise ist bei beiden Speichern dieselbe, nur dass die Pufferbatterie bei dem NV-RAM im Gehäuse intergriert ist und beim statischen RAM seperat angeschlossen werden muss.
• Erläuteren Sie die Vorteile von ON-Chip-Peripherie-Einheiten. Anzahl der einzusetzenden Bauteile wird drastisch reduziert Platienenaufbau wird einfacher Anzahl der möglichen Fehlerquellen sinkt → Zuverlässigkeit steigt Systeme werden kleiner Systeme nehmen weniger Leistung auf Entstehende Verlustwärme wird geringer → Lbendauer der Bauteile erhöht sich→ Zuverlässigkeit steigt Timing-Probleme beim Anschluss externer Bauteile fallen weg Entwurf der Systeme vereinfacht sich Zusammenspiel der einzelnen Einheiten vereinfacht sich Systeme werden preiswerter
• Erläutern Sie die Begriffe "geschlossener µC" und "offener µC" und stellen Sie deren Vor- und Nachteile tabellarisch gegenüber. Geschlossene Mikrocontroller haben die Busleitungen nicht nach außen geführt. Peripherie kann somit nicht auf diese zugreifen. Offene Mikrocontroller haben eine externe Anschlussmöglichkeit. Geschlossener µC KLein, Kompakt Schlecht erweiterbar Bussysteme stehen extern nicht zur Verfügung Durch seriell ansteuerbare Peripherie gehen I/O-Portleitungen verloren Geschwindigkeitsverlust Offener µC Sehr viel größer, auf Grund der zusätzlichen Anschluspins Gut erweiterbar Bussysteme stehen extern zur Verfügung Alle I/O-Portleitungen verfügbar Höhere Übertragungsgeschwindigkeit
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• Was sind "Interrupts" ? Wozu werden sie allgemein eingesetzt? Geben Sie drei aussagekrätige Beispiele für den Einsatz von Interupts an. Interrupts sind Unterbrechungen eines gerade ablaufenden Programms auf Grund bestimmterEreignisse, auf die speziell reagiert werden muss. Behandlung von Alarmmeldungen: Reaktion auf Ereignisse, die zu Schäden führen können. Zeitoptimierung: Meldung von Peripherieeinheiten, welche mit ihrer Aufgabe fertig sind. Energiemanagement: Aufwecken des schlafenden Prozessors.
• Erläutern Sie allgemein die Aufgaben von Special Funktion Registern ("SFR´s"). Geben SIe ein beliebiges Beispiel für die Verwendung der SFR´s bei einem 8051er an. Die SFR dienen zur Kommunikation zwischen dem µC-Kern und den externen Peripherieeinheiten. Es handelt sich hierbei um anz normale 1-Byte-Speicherstellen, welche vom µC-kern wie die anderen RAM-Speicherstellen auch lesend und schreibend angesprochen werden können. Die Besonderheit liegt darin, dass die SFR auch von den ON-Chip-Einheiten angesprochen werden können. Sie sind also von zwei Seiten auslesbar und beschreibbar. Beispiel: Über das zugehörige Steuer-SFR wird festgelegt, ob der jeweilige Port-Pin als Ein- oder Ausgang betrieben wird. Über das zugehörige Daten-SFR werden die digitalen Daten eingelesen oder ausgegeben Fertig-Meldungen sind hierbei nicht erforderlich, da die Aufgaben sofort ausgeführt werden.
• Erläutern Sie das Prinzip der modularen Programmierung. Modulare Programmierung bedeutet, dass ein Programm aus mehreren Blöcken ( Modulen ) besteht (Hauptprogramm, Unterprogramme). Das dient dazu, dass Programm übersichtlich und klar strukturiert ist. Außerdem ist es kompakt, leicht korrigier- und änderbar.
• Welche Vor- u. Nachteile ergeben sich durch Verwendung von Unterprogrammen? Nachteil:Das Unterprogramm überschreibt wichtige Daten aus dem Hauptprogramm, weil es teilweise die gleichen Register benutzt. Vorteile:Einmal erstellte und fehlerfreie Unterprogramme können auch in beliebigen anderen Hauptprogrammen verwendet werden, der Programmausdruck wird kürzer und übersichtlicher. Die Übersetzung durch den Assembler erfolgt schneller. Änderungen der UP müssen nur an einer Stelle im Programm gemacht werden.
• Was verstehen SIe unter einer "Unterprogramm-Schachtelung"? Geben SIe ein aussagekräftiges Beispiel an. Man kann Unterprogramme nicht nur von Hauptprogramm aus aufrufen, sondern auch von anderen Unterprogrammen aus d.h. in einer Prozedur kann wieder ein Prozeduraufruf stehen usw. Man spricht dann von einer Unterprogramm-Schachtelung .
• Wozu dienen "Stack" und "Stack-Pointer"? Der Mikrocontroller muss nach der Abarbeitung des Unterprogramms direkt mit dem Befehl fortfahren, der unmittelbar nach der Call - Anweisung flogt ( abarbeitung des Befehls an einer bestimmten Adresse ) Diese Adresse steht im Stack, einem Hilfsregister, das nach dem LIFO Prinzip arbeitet. Der Stackpointer zeigt auf diese Stackspeicherstelle, er ist ein Zeiger!
• Erläutern Sie die Begriffe: Interrupt: --Quellen, --Bedingungen, --Leitungen, --Vektor.Adresse, --Service-Routine Interrupt-Quellen: intern (Zeichen empfangen, Datensektor wurde eingelesen), extern(Drucker: Papier leer, Tastatur: Taste gedrückt), mit dem µP auf einem Chip (Zeit istabgelaufen, Spannung fertig gewandelt) Interrupt-Bedingungen: steigende Flanke, fallende Flanke, HIGH-/LOW-Pegel, Fertigmeldung Interrupt-Leitungen: Verbindung der Quellen über die Bedingungen zum Prozessorkern Interrupt-Vektor-Adresse: Anlaufstelle für entsprechende IR-SR Interrupt-Service-Routine: Programm zur Reaktion auf den Interrupt
• Was vestehen Sie unter der Maskierung von Interrupts ? Die Maskierung eines Interrupts bedeutet die Sperrung eines Interrupts!
• Was ist ein NMI? „Non maskable Interrupt“ Diese Interrupts können nicht ausgeschaltet werden, sie unterbrechen den Prozess in jeder Programmsituation. Sie „lauern“ unmittelbar nach Einschalten der Prozessor-Btriebsspannung auf das auftreten von IR – Bedingungen und lösen nach deren Vorliegen sofort einen Interrupt aus.
• Wozu dient die Prioritätsstaffelung bei Interrupts? Sie dienen der eindeutigen Festlegung der Prioritätsstufen der Interrupts. Damit der µC weiß, in welcher Reihenfolge er die IR abarbeiten muss, wenn sie gleichzeitig anstehen.
• Erläutern Sie anschaulich die Vorteile des Konzeptes von Mikrocontroller-Familien für den Anwender Der Anwender muss nur einmal eine einzige Programmiersprache lernen und nur einmal diehardwaremäßige Grundstruktur des Controller-Kerns und der Controller-Arbeitsregister verstehen. Danach kann er sofort alle anderen Controller aus der Familie gleich handhaben und programmieren, wobei lediglich die neuen Eigenschaften neuer Familien-Mitglieds-Controller zu beachten sind.
• Nennen Sie einige Kriterien zur Auswahl einer Mikrocontroller-Familie Preis/Stück Stückzahl, Verfügbarkeit (2nd Source, ...), Kompatibilität Platzbedarf, verfügbare Gehäusetypen, benötigte Peripherie, etc. Leistungsverbrauch (Stromversorgung, Wärmeabfuhr, ...) Entwicklungsumgebungen (Programmiersprachen, Simulatoren, Emulatoren, ...) Wartbarkeit, Modularität, Integrität, etc.
• Geben Sie einige zukünftige Entwicklungstendenzen auf dem Gebiet der MikrocontrollerTechnik (der Mikrocontroller-Familien) an. Verringerung der Leistungsaufnahme des ICs. Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit (Taktfreq.) der ICs. Herabsetzung der µ-Betriebsspannung. Erweiterung der ON-Chip-Funktionalitäten. Senkung der Herstellungskosten.
• Erläutern Sie die Mindestausstattung für ein Mikrocontroller-Entwicklungs- und Experimental-System. PC als Terminal z.B. HyperTerm Tastendrücke werden über COMx zum |C-System gesendet über COMx empfangende Zeichen werden auf dem Monitor dargestellt o Zusatzfunktionen über Steuerzeichen aktivierbar:  Farbe Zeichensatz „Bell" integrierte Entwicklungsumgebung (Abkürzung IDE, von engl. integrated developmentenvironment „C-Compiler" IC/51 Download: Intel-HEX-File vom PC zum |C laden FLIP
• Nennen Sie die drei Kernsätze zur Entwicklung übersichtlicher und änderungsfreundlicher Programme. Programm mit Kommentaren versehen und einrücken nach jeder geschweiften Klammer Unterprogramme benutzen keine Sprünge!
• Nennen Sie die Vor- und Nachteile der modularen Programmierung. Die Vorteile dieser Methode: Die Programmierung kann in handliche Einzelteile verlegt werden. Einzelne Teile (Module) können wiederverwendet werden. Vereinfachung der Wartbarkeit Die Nachteile: Höherer Planungsaufwand.
• Nennen und erläutern Sie die 4 wesentlichen Programmkonstrukte zur Erstellung strukturierter Programme. Anweisungen für den Präprozessor [Include-Dateien (Bibliotheken / Header-Dateien)] Definition der SFRs / Port-Pins / globale Variablen Definition der selbstgeschriebenen Funktionen Main-Programm
• Wodurch wird bei einem A/D-Wandler der Messbereich festgelegt? Der Messbereich wird durch die Referenzspannung festgelegt
• Was versteht man unter der Auflösung eines A/D-Wandlers? Unter der Auflösung eines A/D-Wandlers versteht man die Bit-Breite des Wandlungsergebnisses. In der Praxis vorkommende Wandlungsergebnisse sind 8, 10, 12 oder16 Bit breit. Mit Hilfe der Auflösung kann man nun die kleinste Spannungsstufe ermitteln, dieder A/D-Wandler noch unterscheiden kann.
• Wie berechnet sich kleinste noch unterscheidbare Spannungsstufe bei einem A/DWandler? Sei Uref die extern angeschlossene hochgenaue Referenzspannung des A/D-Wandlers, so gilt:Kleinste noch unterscheidbare Spannungsstufe = Vergleichsspannungsstufe = Uref /2n
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• Bei einem A/D-Wandler beträgt die Referenzspannung 5,00V. Die Anzahl der ErgebnisBits sei 12. Wie groß ist der Wert des LSBs? Höhe der Spannungsstufe = URef/ 2Datenwortlänge 5 V / 212 = 1,22 mV ⇒ LSB
• Bewerten Sie die folgende Aussage: „Die Umsetzzeit des A/D-Wandlers beträgt 15µs. Also kann man damit in der Praxis 66.666 Messwerte pro Sekunde erfassen!" "Shannonsches Abtast-Theorem". Der Kehrwert dieser Zeit gibt dann an, wieviele Wandlungen der Wandler in einer Sekunde durchführen kann.Converion-Time = 15 µs ⇒ 1/15µs = 66.666
• Beschreiben Sie anschaulich die Struktur eines „quasi-bidirektionalen Port-Pins" beim CC03er. Die Ports 1 und 3 werden auch »quasi-bidirektionale Ports« genannt, weil sie durch eineninternen Pull-up-Widerstand fixiert sind. D.h., jeder Pin eines Ports ist, unabhängig von denanderen Pins des gleichen Ports, als Eingang, Ausgang oder als Ein- und Ausgang verwendbar.
• Nennen Sie mindestens 4 wesentliche alternative Port-Pin-Funktionen des Port-Pins P3 beim CC03er, die in einem voll ausgebauten 8051er-System mit serieller Schnittstelle und externen Peripherie-Einheiten benötigt werden. Steuersignal: WR\ RD\ Schnittstellensignal: TxD RxD
• Bei einer unsigned char Variable namens „zustand" soll das Bit mit der Wertigkeit 2^4 auf log."1" gesetzt werden, ohne dass die anderen Bits dieses Byte ihren Wert verändern. Wie sehen die zugehörigen Befehlsfolgen in „C51" aus? Bit zwangsweise auf log. „1" setzen ohne die anderen Bits zu verändern!Lösung: Bitweise ODER-Verknüpfen mit der Maske 0x10in „C": zustand = zustand | 0x10;
• Was ist die Capture-Funktion und was tut Sie? In der Betriebsart ´Einfangen´ zählt der Zähler ´so vor sich hin´, undsobald ein bestimmtes Ereignis auftritt, wird der gerade aktuelleZählerinhalt ´eingefangen´, d.h. der gerade aktuelle Inhalt des Zählerswird in einem besonderen Zwischenregister (Capture(Einfang)-Register) umgespeichert.
• Was ist der Auto-Reload Betrieb und wie funktioniert dieser? In dieser Betriebsart wird das Zählregister beim Auftreten eines Overflows mit einemneuen Startwert aus einem anderen Register, dem Auto-Reload-Register, nachgeladen,d.h. das Zählregister zählt hierbei nicht immer von Null an hoch, sondern von einembeliebig vorgebbaren Anfangswert an.Beispiel:8 Bit-Zähler; Inhalt des Auto-Reload Registers: 185:Der Zähler zählt beim ersten Mal von 0 bis (255+1) und wird danach mit 185 vorgeladen.Ab jetzt zählt er immer nur von 185 bis (255+1) Zusätzlich kann beim Auftreten des Überlaufs noch ein Interrupt ausgelöst werden.
• Wie viele digitale I/O-Port-Leitungen besitzt ein SPI-Bus und welche sind dies? 4 I/O-Port-Leitungen SO = Serial OUT SI = Serial IN CLK = Clock SC\ = Chip Select\
• Wie viele und welche Steuer-Register gibt es für den MAX7219-Baustein? Es gibt 5 Steuer-Register Decode Mode: Art der Darstellung Intensity: Displayhelligkeit Scan Limit: Anzahl der Display-Stellen Shut Down: Energiespar-Modus (Display aus) Display Test: Einschalten aller LED-Segmente
• Wie und welche Daten werden an den MAX7219er übertragen? Die Daten werden immer als 16-Bit-Paket übertragen. Inhalte: Register-Adresse und Register-Daten. Zuerst wird immer das MSB (D15) übertragen. Die Bits werden mit der steigenden Flanke des Taktes vom MAX7219er eingelesen.
• Welche Möglichkeiten kennen Sie zur realiesierung der Busankopplung des I²C-Bus? Realisierung durch einfache digitale (Mikrocontroller)Port-PinsGestaltung der Software dann durch ´Bit Banging´. Verwendung eines speziellen externen Peripherie-Bausteins:I2C-Bus-Schnittstellenbaustein bzw. I2C-Bus-Controller. Einsatz eines Mikrocontrollers mit ON-Chip I2C-Bus-Peripherie-Einheit.
• Nennen Sie die eigenschaften eines I²C-Bus! Hat zwei digitale Leitungen: SDA = Serial Data: Leitung zum Transport der Bitdaten SCL = Serial Clock: leitungen zur Übertagung des Taktsignals Datenübertragung aud em I²C-Bus ist (Bit)seriell und Takt-synchron!
• Wie viele Slave-Bausteine können über den Master angesprochen werden? 128 Slave-Bausteine! Adressiert im Bereich 0-127.
• Welche Taktraten-modi kennen sie für den I²C-Bus? Vier verschiedene Taktraten-Modi möglich:- Standard-Mode: max. 100 kHz Takt- Fast-Mode: max. 400 kHz Takt- Fast Mode Plus: max. 1 MHz Takt- High Speed Mode max. 3,4 MHz Takt
• Sind I²C-Systeme mit verschiedener Versorgungsspannung kompatibel? Nein Systeme mit +5V und z.B. +3.4V sind nur mit Hilfe von extra Hardware zusammen nurtzbar!
• Beschreiben sie einen kompletten I²C-Zyklus! 5 Abschnitte: Ruhelage: Der Bus ist frei, es findet keine Kommunikation statt. Der Master sendet die Start-Bedingung(START condition). Der Master sendet Daten (ein oder mehrere Bytes: ADDRESS, COMMAND,DATA) an den Slave. Der Slave sendet nach dem Empfang eines jeden Bytes eine Quittung anden Master. Der Master sendet die Stop-Bedingung (STOP condition). Ruhelage: Der Bus ist frei, es findet keine Kommunikation statt.
• Wodurch ist die Ruhelage auf dem I²C-Bus gekennzeichnet? SDA = High = 1 SCL = High = 1
• Wie ist die Start-bedingung beim I²C-Bus? SCL bleibt auf High (1) SDA wird auf Low (0) gezogen.
• Wie sieht die Stopp-Bedingung beim I2C-Bus aus? SCL bleibt auf High (1) SDA wird auf High (1) gezogen.

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