Osnove mikroprocesorske elektronikedoc. dr. Marko Jankovec

O predmetu

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E

Osnove mikroprocesorske elektronike• Moj kontakt:

▫ Marko Jankovec

▫ 01 4768 931

▫ marko.jankovec@fe.uni-lj.si

• Predavanja

▫ Sreda, od 15– 17 ure, PR-04

• Spletna stran predmeta:

http://lpvo.fe.uni-lj.si/izobrazevanje/1-stopnja-vs/osnove-mikroprocesorske-elektronike-ome/

• Laboratorijske vaje

▫ LAE, 3 nadstropje stavba B.

▫ Matija Pirc

01 4768 407

matija.pirc@fe.uni-lj.si

• Termini

▫ AE elektronika:

petek 8h-11h

▫ AE izbirni predmet: ena skupina

ponedeljki 16h-19h

• Obisk laboratorijskih vaj je pogoj za izpit!

▫ Priprava na laboratorijske vaje.

▫ Gradiva bodo dostopna na spletu.

19.2.2014O predmetu

2

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 3

Vsebina

Praktična uporaba

ATMEL AVR

Arhitektura• Jedro

• Spomin

• Registri

• Vodila

• Prekinitve

Programiranje• ASM

• CPeriferija• Števci

• Komunikacijska vodila

• I/O enote, prikazovalnki

• Generacija signalov

• A/D, D/A, reference

• Analogni primerjalniki

• Nadzorna vezja

19.2.2014O predmetu

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 4

Literatura• Jankovec M., Osnove mikroprocesorske elektronike, gradivo za

predavanja.• John L. Hennessy and David A. Patterson. Computer

Architecture: A Quantitative Approach. Morgan Kaufmann Publishers Inc., 1990.

• FrederickM. Cady. Microcontrollers and Microcomputers. Oxford University Press, 1997.

• Jonathan W. Valvano. Embedded Microcomputer Systems. Thomson Brooks/Cole, 2003.

• Stuart Ball. Analog Interfacing to Embedded Microprocessors. Newnes, 2001.

• Günther Gridling, Bettina Weiss, Introduction to Microcontrollers, 2006.

19.2.2014O predmetu

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 5

Laboratorijske vaje

Gradnja mikrokrmilniškega sistema od spodaj navzgor

• 10 laboratorijskih vaj

16 delovnih mest

• Individualno delo

Končna aplikacija

• sistem za zajemanje analognih signalov s prenosom na PC prek USB vodila

19.2.2014O predmetu

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 6

Razvojni sistem AVR Dragon

AVR ISP

MIŠKO

19.2.2014O predmetu

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 7

Razvojno okolje

ASM

C

ICP

EMU

ICD

ATMEL Studio

19.2.2014O predmetu

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 8

Izpit

19.2.2014O predmetu

Pisni izpit

• Teoretično znanje

Vaje

• Projekt iz vaj

• Lastna ideja

Ocena

• maks. 8

• maks. 10

Stimulacija

• ocena 6-8: vrnete razvojni komplet

• ocena 9-10: obdržite razvojni komplet

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 9

Izpit

19.2.2014O predmetu

• Pisni del - reševanje spletnega vprašalnika na PC-jih v laboratoriju:▫ vprašanja iz snovi▫ poznavanje delovanja ATMEL mikrokrmilnikov družine mega▫ dovoljena uporaba podatkovnega lista mikrokrmilnika ATmega324

• Ustni del - zagovor projekta▫ demonstracija projekta - vezje in programska koda▫ vprašanja

• Spletni vprašalniki:▫ Spletni vprašalniki so na voljo tukaj.▫ Na voljo so vsak teden od dneva predavanja (vsaka sreda) do torka

23:59:59 naslednji teden.▫ Vsebina vprašanj pokriva snov zadnjega predavanja.▫ Vsak ima tri poizkuse v enem terminu.▫ Prijavite se z vašim uporabniškim imenom in geslom v e-študentu.

Osnove mikroprocesorske elektronikedoc. dr. Marko Jankovec

Pregled tehnologij digitalnih vezij

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 11

Osnovni element – nMOS tranzistor

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

++

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

SD

G B

- -

- -

- -

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

++

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

SD

G B

+ _

ID

G

S

B

D

𝑼𝒈𝒔 > 𝟎

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 12

Osnovni element – pMOS tranzistor

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

SD

G B

+ +

+ +

+-

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

--

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

--

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

-

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

SD

G B_ +

IDG

S

B

D

𝑼𝒈𝒔 < 𝟎

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 13

MOS tranzistor

www.chem.wisc.eduhttp://uvicrec.blogspot.com/2011_09_01_archive.html

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

http://www.ami.ac.uk

http://www.youtube.com/watch?v=v7J_snw0Eng

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 14

PMOS tehnologija - inverter

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

A Q

0 1

1 0

A Q

UDD

USS

A

Q

R

UDD

USS

A

Q

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 15

CMOS tehnologija - inverter

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

A Q

0 1

1 0

UDD

USS

A Q

A Q

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 16

NE-ALI (NOR) vrata

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

A B Q

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

A

B

Q

A B

UDD

USS

A

BQ

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 17

Vezje prvega mikroprocesorja INTEL 4004

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

http://www.intel.com/about/companyinfo/museum/exhibits/4004/docs.htm

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 18

Slika Si rezine INTEL 4004

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

http://www.cedmagic.com/history/intel-4004.html

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 19

Razvoj mikroprocesorjevLeto Ime Proizvajalec Maks. ura Procesiranje Litografija Št. tranz.

1971 4004 Intel 400 kHz 4 bit 10 μm 2 250

1972 8008 Intel 500 kHz 8 bit 10 μm 3 500

1974 6800 Motorola 1 MHz 8 bit - 4 100

1976 Z-80 Zilog 2,5 MHz 8 bit 4 μm 8 500

1978 8086 Intel 5 MHz 16 3 μm 29 000

1979 68000 Motorola 8 MHz 16/32 bit 4 μm 68 000

1982 80286 Intel 6 MHz 16 bit 1,5 μm 134 000

1985 80386 Intel 16 MHz 32 bit 1,5 μm 275 000

1989 80486 Intel 25 MHz 32 bit 1 μm 1.18 milijona

1993 Pentium Intel 66 MHz 32 bit 0,8 μm 3.1 milijona

2001 Itanium Intel 733 MHz 64 Bit 180 nm 175 milijonov

2009 Core i7 Intel 3.6 GHz 64 Bit 45 nm 781 milijonov

2011 Xeon E7 Intel 2.4 GHz 64 Bit 32 nm 2.6 miljarde

www.wikipedia.org

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 20

Moorov zakon Število tranzistorjev v uP se podvoji vsake dve leti.

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

www.wikipedia.org

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 21

Stopnja integracije

Stopnja integracijeŠtevilo

elementovLeto

Zero Scale Integration ZSI 1 1950

Small Scale Integration SSI 2-30 1965

Medium Scale Integration MSI 30-103 1970

Large Scale Integration LSI 103-105 1980

Very Large Scale Integration VLSI 105-107 1985

Ultra Large Scale Integration ULSI 107-109 1990

Giga- Scale Integration GSI 109-1011 2005

Tera- Scale Integration TSI 1011-1013 2020

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 22

Geometrijske in električne lastnosti tehnologij

www.intel.com

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 23

Pregled tehnologije IntelProces P858 Px60 P1262 P1264 P1266 P1268

Leto začetka proizvodnje 1999 2001 2003 2005 2007 2009

Litografija / nm 180 130 90 65 45 32

Dolžina vrat / nm 130 70 50 35 25 17

Premer rezine / mm 200 200 300 300 300 300

www.intel.com

Danes:

22 nm tehnologija

Velikost DRAM celice:

108x92 nm

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 24

AMD opteron čip (die)

http://sandpile.org

2003 - 2007

130 - 65 nm tehnologija

100.000 –400.000 tranzistorjev

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 25

Izkoristek silicijeve rezine (wafer)>500 AMD opteron čipov 65 nm tehnologije

na rezini d=300 mm

http://sandpile.org

177 AMD opteron čipov 90 nm tehnologijena rezini d=200 mm

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 26

Cena tranzistorja in tehnologije

www.intel.com

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 27

Tehnologije pomnilnikov

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

Volatile

•SRAM

•DRAM

Non-volatile

•ROM

•PROM

•EPROM

•EEPROM

•Flash EEPROM

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 28

Statični ram: SRAM

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

• 6 tranzistorjev za 1 bit• Informacija je shranjena v

logičnem stanju FF• Najhitrejši pomnilnik▫ registri▫ delovni pomnilnik

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 29

Dinamični RAM

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

• DRAM – 1 tranzistor za 1 bit▫ Informacija se shrani v kondenzatorju – osveževanje!!

▫ Največja gostota

▫ Najnižja cena

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 30

ROM – Read Only Memory

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

http://www.electronics.dit.ie/staff/tscarff/memory/rom.htm

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 31

PROM – Programabilni ROM

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

http://www.electronics.dit.ie/staff/tscarff/memory/rom.htm

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 32

MOS tranzistor z dodatnimi plavajočimi vrati

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

• Naboj pri vpisu tunelira k plavajočim vratom

• Brisanje ▫ UV svetloba (EPROM)

▫ Prenos naboja v obratni smeri (EEPROM, Flash)

• Spremeni se pragovna napetost UT

• Kompleksna kontrolna logika▫ visoka cena

http://encyclopedia2.thefreedictionary.com/EEPROM

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 33

EPROM, EEPROM in Flash

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

EPROM

EEPROM, Flash

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 34

EEPROM in FLASH

19.2.2014Pregled tehnologij digitalnih vezij

• EEPROM▫ Vsako celico je mogoče vpisati ali izbrisati posebej▫ ~ 100 000 ciklov brisanja/pisanja▫ Drag, nižja gostota▫ Trajno hranjenje konstant

• FLASH▫ Brisanje le po blokih▫ Zelo poenostavljena kontrolna logika▫ Precej cenejši▫ Čeprav ni mogoče brisati po celicah, je primeren za programski

pomnilnik▫ Dodatno znižanje cene

nižje število ciklov brisanja/pisanja: 1000 - 10 000 ciklov▫ Hranjenje programske kode