Laboraufgabenblatt 1 - Beuth Hochschule für Technik Berlin

Beuth Hochschule Berlin
FB VI, Labor für Digitaltechnik
MOP: Laborübung 1
Abnahme (bitte vom Betreuer per Unterschrift bestätigen lassen)
Aufgabe 1 Aufgabe 2 Aufgabe 3 Aufgabe 4 Aufgabe 5
Einführung ins Labor
Jede Gruppe besteht aus maximal zwei Teilnehmern und ist für das gesamte
Semester einem festen Arbeitsplatz im Labor zugeordnet. Die Einteilung findet am
ersten Labortermin statt. Tragen Sie sich dazu bitte in die ausgelegte Belegtabelle
ein. Wählen Sie einen Gruppennamen und notieren Sie sich das Passwort.
Von jeder Gruppe ist pro Laborübung ein Laborbericht anzufertigen und pünktlich
zu Beginn des nächsten Labortermins abzugeben. Die Laborberichte müssen alle
im jeweiligen Übungsblatt aufgeführten Fragen behandeln. Erfassen und
kommentieren Sie zudem alle Beobachtungen und Ergebnisse. Achten Sie bei
Rechenaufgaben darauf, den Lösungweg kenntlich zu machen.
Zusätzlich zur Abgabe des Berichts findet nach Fertigstellung der Aufgabe eine
persönliche Rücksprache zur durchgeführten Übung mit beiden
Gruppenmitgliedern statt. Lassen Sie sich dazu Ihre Anwesenheit, sowie die
erfolgreiche praktische Abnahme auf dem jeweils aktuellen Aufgabenblatt
quittieren. Drucken Sie dieses dazu aus und heften Sie es als Deckblatt zu Ihrem
Laborbericht.
Kennenlernen des Laborarbeitsplatzes und der Simulationsumgebung
Obwohl heute Microcontroller häufig in der Hochsprache C programmiert werden,
beschäftigen wir uns im Rahmen dieser Veranstaltung bewusst mit
Assemblerprogrammierung. Erst zum Ende der Veranstaltung wird es einen kurzen
Ausflug zum Thema C-Programmierung geben. Dies hat vor allem folgende Gründe:
• bei der Assemblerprogrammierung muss direkt hardwarebezogen gearbeitet
werden
• dadurch wird die Architektur des Systems besser kennengelernt
• Hardwarezugriffe lassen sich mit Assemblercode direkter programmieren
• guter Assemblercode erzeugt zudem effizientere (schnellere) Programme
Richten Sie sich Ihren Laborarbeitsplatz ein und machen Sie sich mit diesem
vertraut. Bevor wir mit der praktischen Arbeit auf realer Mikrocontroller-Hardware
anfangen (STC 8051 Professional Kit), steht für die ersten Labortermine die
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Verwendung eines Simulators im Vordergrund, der die Original Intel 8051 Plattform
nachbildet.
Der in dieser Veranstaltung verwendete Simulator ist EdSim51. Dies ist ein
kostenloser auf Java basierender Simulator, der unter http://www.edsim51.com zu
beziehen ist. Sie finden im Internet umfangreiches Material, sowohl zum Simulator,
wie auch zum 8051. EdSim51 bietet zunächst für das Labor alle Möglichkeiten, um
eigene Programme in Assembler zu schreiben und testen zu können.
Zudem umfasst er eine Anzahl virtueller Peripheriekomponenten, wie 8 LEDs, 8
Schalter, 4x3 Keypad, 4 gemultiplexte 7-Segment Anzeigen, eine UART, etc., die
interaktiv genutzt werden können, um mit dem 8051 zu kommunizieren. Somit ist es
möglich, das Verhalten und den Zustand einzelner Register, des Speichers und der
Port-Pins anhand ihrer virtuellen grafischen Darstellung während des Code-
Debuggens zu beobachten und nachzuvollziehen.
In den folgenden Laborterminen werden wir uns dann der realen Mikrocontroller-
Hardware zuwenden. Dabei arbeiten wir mit dem 90C516RD+ von STC
Semiconductor, einem modernen 8051 Derivat.
So wird es möglich sein, die entstandenen Programme auch real in Betrieb zu
nehmen, zu testen und auszuführen. Dabei ist zu beachten, dass die Programme
gemäß der Auslegung und des Aufbaus der Entwicklungssysteme nicht 1:1 aus der
Edsim-Umgebung übernommen, sondern mitunter noch modifiziert werden müssen
(z.B. hinsichtlich der Belegung der I/O Ports). Dies verstärkt zusätzlich den
Lerneffekt.
Abbildung 1: Edsim51 Oberfläche
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Abbildung 2: Peripherie-Anschlußbelegung des EdSim51
Aufgaben
1. Machen Sie sich mit der Simulationsumgebung Edsim51 vertraut. Eine
umfassende Funktionsbeschreibung ist den Dokumentationen unter
http://www.edsim51.com/simInstructions.html zu entnehmen. Machen Sie sich
insbesondere mit der Adressierung der Peripheriebausteine, sowie mit der
Ansteuerung der I/Os vertraut (siehe dazu auch Abbildung 2).
Da wir die genaue Assembler-Syntax noch nicht kennengelernt haben, seien hier
zunächst als Vorgriff auf Späteres drei wesentliche Bitmanipulations-Befehle
(siehe auch MOP_Labor_8051Befehlsliste.pdf) gegeben:
CLR: Löschen eines Pins
SETB: Setzen eines Pins
CPL: Komplementieren eines Pins
Einzelne Pins (Bits) werden im Befehl als Parameter hinzugefügt, z.B. SETB P1.7
(setzt Pin 7 von Port 1 auf '1'). Experimentieren Sie mit diesen Befehlen und den
Anschlüssen in der Simulationsumgebung Edsim51. Nach dieser Aufgabe sollten
Sie in der Lage sein, einzelne Pins des simulierten 8051 Bausteins einzulesen
(z.B. Switchbank), auszugeben (z.B. LEDs), sowie einen Überblick über den
Gesamtaufbau gewonnen haben. Hinweis: Beachten Sie insbesondere die aktiven
Pegel (high / low-Pegel)
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2. In der Grundeinstellung wird EdSim51 mit einem Systemtakt von 12 MHz versorgt.
a. Wie lange dauert eine Periode des Taktes in Nanosekunden (ns)?
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b. Die Pulsweite (Duty Cycle) ist definiert als Quotient der High-Pegel-Dauer /
Periodendauer in Prozent. Diese sei zunächst angenommen als 40%. Wie
lange dauert der High-Pegel des Taktes? Nehmen wir nun jeweils Werte von
35% und 55% an. Wie lange dauert der High-Pegel des Taktes dann?
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c. Angenommen der 8051 Mikroprozessor benötige 6 Takte zur Abarbeitung eines
Maschinenzyklus. Wie lange dauert ein Maschinenzyklus? Beachte: ein
Maschinenzyklus ist häufig ungleich der Zeitspanne zur Ausführung eines
Befehls. Ein Befehl benötigt typischerweise zwischen 1 und 3 Maschinenzyklen.
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d. Welche Frequenz besitzt ein Signal mit einer High-Pegel-Dauer von 2ms und
einer Low-Pegel-Dauer von 400µs?
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3. Frischen Sie Ihre Kenntnisse in Binörcodierung, Zahlen- und Zeichendarstellung
(siehe GDS) auf.
a. Stellen Sie die Zahl (51234) 10 im Binärformat und im Hexadezimalformat dar.
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b. Die 8-Bit Variable x besitzt den dezimalen Wert x=158. Wie ist die Belegung der
einzlenen Bits dieser Variable x?
Bit 7 0
c. Wie ist die Belegung einer 16-Bit Variablen y mit dezimalem Wert y=157?
Bit 16 0
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d. Stellen Sie die Variable x=158/2 als Binärzahl dar. Was beobachten Sie bei
einer Division durch 2?
Bit 7 0
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e. Stellen Sie die Variable x=158/4 als Binärzahl dar, sowie die Variable z=158%4
(%: Modulo-Operation).
Bit 7 0
Bit 7 0
f. Welchem Buchstaben entspricht die Bitkombination 0x53 bei der Interpretation
als ASCII-Zeichen?
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4. Im seminaristischen Unterricht wurden die Grundlagen zur Rechnerarchitektur
vermittelt. Beantworten Sie folgende Fragen:
a. Worin besteht der grundlegende Unterschied zwischen der von-Neumann- und
der Harvard-Architektur? Welche grundlegende Gemeinsamkeit besteht
zwischen beiden?
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b. In welche typischen Arbeitsschritte ist die Befehlsabarbeitung beim von-
Neumann-Rechner üblicherweise gegliedert?
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5. Erstellen Sie Ihr erstes Programm in Pseudocode. Das Programm soll die Summe
von zwei Dreiecksflächen berechnen. Die Grundseite und die darauf senkrecht
stehende Höhe der beiden Dreiecke seien jeweils bekannt. Stellen Sie die
mathematische Formel für die Berechnung auf und bilden Sie diese daraufhin in
Pseudocode nach.
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Denken Sie inbesondere auch an das Allozieren von Speicherplätzen. Im Speicher
muss Platz reserviert werden für alle Daten, mit denen gerechnet wird. Machen
Sie sich vorab Gedanken wofür und wieviel Speicherplatz für wieviel Eingabewerte
und Ergebniswerte Sie benötigen.
Die Rechenaufgaben in Pseudocode einem hypothetischen Rechner
(Akkumulatormaschine) übertragen zu können, setzt Kenntnis über den
Befehlsvorrat voraus. Im Folgenden finden Sie eine Auflistung aller relevanten
Befehle.
ADD
addiert den in der Eingabe der ALU
enthaltenen Wert zum Wert des Akkumulators.
Das Ergebnis steht im Akkumulator
CLEAR
setzt den Wert der ALU, insbesondere des
Akkumulators, auf 0 (Null)
LADE Speicheradresse
MULT
MULT*K Wert
holt den in der angegebenen Speicheradresse
gespeicherten Wert in die (in das
Eingaberegister der) ALU
multipliziert den in der Eingabe der ALU
enthaltenen Wert mit dem Wert des
Akkumulators. Das Ergebnis steht im
Akkumulator
multipliziert den im Akkumulator enthaltenen
Wert mit dem im Befehl angegebenen Wert.
Das Ergebnis wird anschließend wieder in den
Akkumulator geschrieben
S[Index]
reserviert Speicher an Adresse [Index]
SPEICHERE Speicheradresse
speichert den von der ALU berechneten im
Akkumulator abgelegten Wert in die
angegebene Speicheradresse
STOP
beendet das Programm
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