TIES530 - Sulautettujen j

1
TIES530 - Sulautettujen järjestelmien
arkkitehtuurit
Luento 2 Tietokonearkkitehtuurit

• Jukka Ihalainen, jukka.ihalainen_at_chydenius.fi
• Tietoliikennelaboratorio, http//rf.chydenius.fi

2
Yleinen arkkitehtuuri
3
Konsepti

• Laitteita ja ohjelmistoja
• lähimpänä rautaa ns. firmware ohjelmisto, joka
  alustaa laitteiston käynnistyksen yhteydessä
• tämä on monesti pienen sulautetun järjestelmän
  itse ohjelmisto
• bootloader on pieni alkulatausohjelma, joka lataa
  varsinaisen KJn

4
Konsepti

• kerrosmainen ajattelu
• firmwaren päällä käyttöjärjestelmä, joka
  sulautetuissa järjestelmissä on usein
  reaaliaikainen käyttöjärjestelmä (tehtävien
  vasteajat oltava pienet tai ainakin niille
  voitava määritellä vasteaikarajat)
• KJ tai FW ohjaa laitteen käyttöä (syöttö,
  tulostus, muisti)
• monet sulautetut järjestelmät eivät tarvitse
  käyttöjärjestelmää, vaan systeemit
  yksinkertaisesti suorittavat niille ohjelmoitua
  tehtävää
• kaukosäädin ei tarvitse käyttöjärjestelmää
• reititin on sulautettu järjestelmä, jossa usein
  käyttöjärjestelmä mukana (esim. Cisco IOS)

5
Konsepti

• Prosessori(t) systeemin ytimenä
• jokaisella prosessorityypillä oma käskykanta
• periaate sama haetaan muistista tieto, tulkitaan
  se, suoritetaan
• tieto binäärisenä 1011 0000 0100 1111 1111 0111
• tieto heksana B0 4F F7
• Assemlykielisenä voisi olla
• ADD.B 0xFF, W7 Add the byte -1 to register
  W7

6
Konsepti

• Muut laitteet
• prosessorista/kontrollerista/sovelluksesta
  riippuen erilaisia ympäryslaitteita tarvitaan
• teholähteitä
• muistia
• näyttöjä ja näppäimiä
• antureita ja toimilaitteita
• ym.

7
Systeemiarkkitehtuuri

• Mikrotietokone koostuu
• mikroprosessori, muistit ja liityntäpiirit
• osia yhdistää kolme väylää
• tietoväylä (Data Bus), osoiteväylä (Address Bus)
  sekä ohjausväylä (Control Bus)
• lisäksi ulkoisia ohjauksia kuten kello,
  resetointi ja keskeytykset

8
Mikroprosessorit

• http//linuxdevices.com/articles/AT4313418436.html
  
• Yleisiä mikroprosessoreita
• Intel 386
• http//download.intel.com/design/intarch/datashts/
  27242007.pdf
• Motorola/IBM PowerPC
• MIPS (SGI Unix, Sony, Nintendo)
• ARM
• http//www.arm.com/products/CPUs/ARM7TDMI.html
• Ultra SPARC

9
Mikrokontrollerit

• mikrokontrolleri on prosessorin, muistin ja
  joidenkin i/o laitteiden integroitu piiri, joka
  on tarkoitettu käytettäväksi sulautetuissa
  järjestelmissä
• valmistajia huomattavasti enemmän kuin
  mikroprosessoreilla
• koot vaihtelevat pienistä PIC (http//ww1.microchi
  p.com/downloads/en/DeviceDoc/41239C.pdf) tai AVR
  kontrollereista (http//www.atmel.com/dyn/resourc
  es/prod_documents/doc1006.pdf ) tehokkaisiin
  32-bittisiin ARM, PowerPC ym. prosessoreihin
• Lisäksi SOC prosessorit (System-On-Chip)
• kuvassa TI/Chipcon CC2430

10

• Von Neumann arkkitehtuuri 1 muisti (RAM) jossa
  sekä data että ohjelmakoodi
• Alkuperäisen Harvard arkkitehtuurin tapauksessa
  käytettiin kahta muistia joilla omat väylänsä
  yksi dataa ja toinen koodia varten.

11
ALU

• periaatteessa 6 perusfunktiota, joita prosessori
  voi suorittaa
• kirjoittaa dataa muistiin tai i/o-laitteelle
• lukea dataa muistista tai i/o-laitteelta
• lukea käskyn muistista
• muokata dataa prosessorien rekistereissä

• aritmeettis-loogisessa yksikössä (ALU, Arithmetic
  Logic Unit) suoritetaan datan muokkaus
• lisäys, vähennys, kertominen, jakaminen, NOT,
  AND, NAND, OR, NOR, XOR, bittisiirrot ja kierrot
  

12
(No Transcript)
13
(No Transcript)
14
Rekisterit

• prosessorin sisäisiä muistipaikkoja
• välitetään tietoa paikasta toiseen prosessorin
  sisällä
• nimet, määrä ja leveys prosessorikohtaisia
• esim. CC2430 sisältää
• erikoisrekistereitä 120 kpl
• CPUn rekistereitäAkku (A), R-rekisterit
  (R0R7), B-rekisteri, ohjelmalaskuri (PC),
  dataosoitin (DPTR), pino-osoitin (SP),
  prosessorin tilasana (PSW)

15
Pinot

• prosessorit toteuttavat yhden tai useamman pinon,
  joka on väliaikainen muistipaikka käyttömuistissa
  (RAM)
• prosessori voi viedä pinoon (PUSH) tietoa
  rekisteristä ja se voi palauttaa pinosta (POP or
  PULL) tietoa
• pino voi täyttyä joko ylhäältä alaspäin (intelin
  8086) tai alhaalta ylöspäin (cc2430)

16
Väylät

• Osoiteväylä
• väylän leveys määrää sen kuinka paljon muistia
  voidaan liittää
• esim 16 bittinen ? 216 65536 osoitettavaa
  muistipaikkaa
• osoiteväylän liitäntöjä merkitään yleensä
  A-kirjaimella (A0, A1, A2, , An)
• osoiteväylän ylimmät bitit kytkeytyvät
  tavallisesti osoitekooderille

17
Väylät

• Osoitekooderi
• jos mikrotietokoneen muisti koostuu useammasta
  piiristä tai jos siinä on useampia
  liitäntäpiirejä niin tarvitaan osoitekooderi,
  joka selvittää mille piirille väylällä oleva
  osoite kuuluu

18
Väylät

• Tietoväylä
• kaksisuuntainen, leveys 4, 8, 16, 32 tai 64
  bittiä
• tietoväylän liitäntöjä merkitään yleensä
  D-kirjaimella (D0, D1, D2, , Dn)
• tietoväylälle kytkeytyvien komponenttien
  lähtöliitännät ovat ns. kolmitilalähtöjä
  (Tri-State Output)
• lähtö voi olla kolmessa tilassa ala-, ylä- tai
  suurimpedanssisessa tilassa
• suurimpedanssinen tila vastaa tilannetta, jossa
  väylä kytketään irti lähtöliitännästä
• prosessori huolehtii, että vain yksi komponentti
  kerrallaan voi liittyä tietoväylään

19
Väylät

• Yhdistetty tieto- ja osoiteväylä
• osoite ja data vuorottelevat samoissa prosessorin
  liitännöissä
• tyypillinen monissa Intelin prosessoreissa ja
  kontrollereissa
• väylän liitäntöjä merkitään usein AD
  kirjainparilla (AD0, AD1, AD2 ADn)
• tarvitaan ulkoinen väyläerotin
• prosessori syöttää yhdistetylle väylälle ensin
  osoitteen, joka lukitaan lukkopiirin lähtöihin
• lukituksen jälkeen lukkopiiri irrotetaan ja väylä
  toimii normaalina tietoväylänä

20
Väylät

• Ohjausväylä
• tuloja ja lähtöjä
• näillä prosessori ohjaa laitteita
  (luku/kirjoitus)
• näistä prosessori myös saa tietoa laitteilta

21
Big-endian ja Little-endian

• prosessori voi tallettaa tietoa kahdella eri
  tavalla (koskee 16 bittisiä tai suurempia sanoja)
• big-endian tapauksessa prosessori tallettaa sanan
  eniten merkitsevän tavun vähiten merkitsevään
  osoitteeseen
• little-endian tapauksessa sanan eniten merkitsevä
  tavu eniten merkitsevään osoitteeseen

22
Keskeytykset

• interrupt, trap, exception
• sulautettujen ohjelma suoritaa päättymätöntä
  silmukkaa
• ohjattavassa prosesissa tulee usein eteen
  tilanne, johon pitää reagoida mahdollisimman
  nopeasti (näppäimen painallus, sarjaporttiin
  tulee merkki, ajastimen tai laskurin ylivuoto
  jne.)
• ei ole mielekästä laittaa prosessoria pollaamaan
  tapahtumia käytetään keskeytyksiä
• kun tapahtuu keskeytys (ja keskeytykset ovat
  sallittuja) niin prosessori suorittaa ensin
  meneillään olevan käskyn loppuun, tallentaa
  nykyisen tilansa (rekisterit, ohjelmalaskuri)
  pinoon (PUSH) ja lataa keskeytysvektorin
  alkuosoitteen ohjelmalaskuriin
• kun keskeytysohjelma päättyy niin prosessorin
  talletettu tila palautetaan ja ohjelma jatkuu
  normaalisti

23
Keskeytykset

• laitteistokeskeytykset
• prosessorilla voi olla yksi tai useampi ulkoinen
  keskeytyslinja
• jos yksi linja ja useita laitteita niin
  keskeytysrutiinissa pollattava mikä laite
  aiheutti keskeytyksen
• jos linjoja useampia niin ohjelma voi suoraan
  hypätä oikeaan keskeytysrutiiniin (ISR)
• nopea laitteistokeskeytys (fast hardware
  interrupt)
• keskeytyksen sattuessa vain ohjelmalaskurin arvo
  talletetaan, ISR tallettaa muut tarvittaessa

24
Keskeytykset

• ohjelmistokeskeytys
• ulkoisten keskeytyslinjojen lisäksi keskeytys voi
  tulla esim ajastimesta

25
Vahtikoira-ajastin

• on ajastin, joka asettaa signaalin, jos laskuri
  saavuttaa jonkin tietyn raja-arvon (tai nollan)
  ellei laskuria käynnistetä uudelleen. Jos kaikki
  toimii niin laskuri ei saavuta raja-arvoa koskaan
  vaan ohjelma ehtii alustamaan ajastimen ennen
  raja-arvon saavuttamista. Jos raja-arvo
  saavutetaan niin ohjelmassa on jotain vialla
  (kaatunut) ja ajastimen asettama signaali resetoi
  järjestelmän.

26
CISC ja RISC

• kaksi prosessorien perusarkkitehtuuria
• CISC (Complex Instruction Set Computer)
• Intel x86, Motorola 68xxx
• vähän rekistereitä ja paljon käskyjä (käskyjen
  dekooderi monimutkainen ja hidas), iso pinta-ala
  ja kuuma
• RISC (Reduced Instruction Set Computer)
• PowerPC, ARM, Atmel AVR, Microchip PIC
• paljon rekistereitä (jopa 1000), vähän käskyjä
• esim. kertolasku kokonaisluvuilla voi viedä 80486
  CISC prosessorilta 42 kellojaksoa ja RISC
  prosessorilta vain yhden kellojakson

27
CISC ja RISC
clear 0x1000 clear memory location
0x1000 load r1, 5 load register 1 with the
value 5
xor r1, r1 clear register 1 store r1, 0x1000
clear memory location 0x1000 add r1, 5 load
register 1 with the value 5
28
DSP

• erikoisprosessoreita tarkoitettu reaaliaikaisen
  signaalin muokkaamiseen
• GSM, modeemit, äänikortit, mittalaitteet
• yleensä Harvard-arkkitehtuuri, lisäksi data-alue
  voitu jakaa vielä kahteen tai useampaan osaan
• mahdollistaa yhtäaikaisen datan haun ? nopeuttaa

29
Muistit

• ohjelmamuistia (yleensä lukumuistia, ROM)
• käyttömuistia (luku/kirjoitusmuistia, RAM)
• nimityksiä
• RAM, ROM, EPROM, EEROM, Flash

30
Muistit

• luku- ja kirjoitusmuistin yksinkertaistettu
  symboli
• 8-bittinen datalinja
• 15-bittinen osoitelinja ? kapasiteetti 32 KB
• piirinvalintasignaali (CS, Chip Select)
  (aktiivinen alatilassa)
• kirjoituksen sallinta (WE, Write Enable)
• lähdön sallinta (OE, Output Enable)

31
Muistit

• Aikakaaviot
• osoite muistipiirille
• piiri valitaan
• piirin lähtö sallitaan
• muistipaikan tieto asettuu lähtöihin
• lähdön sallinta ylätilaan
• lähdöt suurimpedanssiseen tilaan
• piirinvalinta ylätilaan
• seuraava jakso alkaa

32
I/O

• Liitäntäpiirien avulla mikrotietokone yhteydessä
  ympäröivään elektroniikkaan (näppäimet, näytöt,
  releet, muuntimet,)
• näkyvät prosessorille yhtenä tai muutamana
  muistiosoitteena (rekisterinä)
• tiedonsuuntarekisteri, jonka biteillä valitaan
  onko liitäntä tulo (0) tai lähtö (1)
• liitäntöjen tilat voidaan lukea tietorekisteristä
  samoin kun lähtöjen tieto kirjoitetaan
  tietorekisteriin

33
I/O

• Liitäntäpiirissä voi olla useita I/O portteja
  (A, B, ..)
• kuvan piirissä kaksi porttia, jolloin tarvitaan 4
  rekisteriä
• rekisterit voidaan osoittaa kahdella
  rekisterinvalintalinjalla

34
Sulautettujen arkkitehtuuri

• Pöytäkoneessa tehokas CPU, paljon keskusmuistia,
  käyttöjärjestelmä, sovelluksia, paljon
  massamuisteja, erilaisia I/O laitteita ja
  verkko- ym. liitynnät
• suuret sulautetut järjestelmät vastaavanlaisia
• reitittimet, puhelinkeskukset, automaatiojärjestel
  mät, lentokoneet, laivat,

35
(No Transcript)
36
Sulautettujen arkkitehtuuri

• pienemmät sulautetut järjestelmät käyttävät
  mikrokontrollereita, jotka sisältävät yhdellä
  piirillä samoja toimintoja mitä koko
  tietokonejärjestelmätkin
• mikrokontrollerissa on minimissään CPU, pieni
  määrä muistia (RAM ja/tai ROM)

37
(No Transcript)
38
Digitaalinen signaali

• bitit esitetään jännitetasoina
• loogista nollaa vastaa maapotentiaali eli 0V
• loogista ykköstä vastaa yleensä käyttöjännite,
  joka voi olla esim. 1.8V, 2.7V, 3.3V, 5V, 12V
• loogiset tasot ovat jotain maapotentiaalin ja
  käyttöjännitteen välillä

39
Kynnysjännittet

• esim AtMega128

40
(No Transcript)
41
Skeman lukeminen

• esimerkkinä IR-valolla toimiva kauko-ohjain
• järjestelmän yleiskuvaus
• Laitteistolla voidaan vastaanottaa IR-signaaleja
  toisesta kauko-ohjaimesta, dekoodata ne
  binäärisiksi ohjauskoodeiksi, tallettaa niitä
  laitteiston EEPROM muistiin ja lähettää
  vastaanotettu koodi PClle sarjayhteyttä pitkin.
  Laite voi toimia myös ns. välittävänä laitteena,
  jolloin se PCltä saamansa ohjauskoodin ensin
  koodaa IR-signaaliksi ja sitten lähettää
  vastaanotinlaitteelle. Laite voi toimia myös
  itsenäisenä kauko-ohjaimena, jolloin sillä
  voidaan valita jokin EEPROM-muistiin tallennettu
  koodi ja lähettää se vastaanottimelle.

42
Skeman lukeminen

• laitteistoarkkitehtuuri
• mikrokontrollerina käytetään Atmelin ATMega32,
  joka käyttää 7.2837 MHzn ulkoista kidettä
• ohjelmointiin ja debuggaukseen laitteistosta
  löytyy JTAG- ja ISP-liittimet
• näyttönä käytetään 4x16 merkin LCD-näyttöä
• yhteys PChen on toteutettu standardin RS-232
  liitynnän kautta
• laitetta voidaan ohjata kolmella näppäimellä.
  Näppäimet toimivat keskeytysperiaatteella.
• IR-led ja IR-vastaanotin on kytketty kuvan
  osoittamiin I/O-liityntöihin

43
(No Transcript)
44
Skeman lukeminen

• mikrokontrolleri

45
Skeman lukeminen

• sarjaliityntä

46
Mikrokontrolleri
JTAG -liitin
IR-led
Reset-painike
IR-vastaanotin
LCD-näyttö
UP-, DOWN- ja SELECT-painikkeet
ISP ohjelmointi-liitin
Kontrastin säätö
RS-232 liitin
47
Tietokonelogiikka
48
Lukujärjestelmistä

• tietokonepuolella yleisimpiä binääri- ja
  heksajärjestelmät
• bittejä (bits, b), tavuja (bytes, B), sanoja
  (words)
• binääriluvun desimaaliarvo voidaan laskea
• vaadittavien bittien määrä saadaan

49
Lukujärjestelmistä

• muunnokset lukujärjestelmien välillä
• esim. IPv4-osoite on 32-bittinen, jolloin
  oktetteina esitetty osoite 192.168.137.77 on
  binäärisenä 11000000 10101000 10001001 01001101
• heksalukuna se olisi C0 A8 89 4D
• ja desimaalisena 3 232 270 669
• kannattaa muistaa 10 bitillä voi esittää 1024
  vaihtoehtoa, 11 bitillä kaksinkertaisen määrän,
  12 bitillä taas kaksinkertaisen määrän eli 4096
  .

50
Porttipiirit

• aiemmin oli hyvin yleistä, että ohjauslogiikka
  tehtiin erillislogiikalla piirilevylle
• nykyään logiikan tehtäviä hoitaa useimmiten yksi
  tai useampi mikrokontrolleri

51
Porttipiirit