Chapter 1 Microcomputer-Based Systems

1. Chapter 1Microcomputer-Based Systems

2. 전기공학 • 전기 에너지의 이용 • 에너지 변환 • 물리, 화학적 에너지 ↔ 전기 에너지 • 전기 에너지 ↔ 운동, 열 에너지 • 에너지 전송 : 송,배전 • 전기 에너지의 저장 • 전자공학 • 신호 및 정보 처리 • 신호 : 주변의 상태와 구분하여 인지 할 수 있는 변동 • 신호는 정보를 포함(표현) 할 수 있다. • 정보 : 체계화된 의미 있는 자료(데이터)

3. 물리적인 량 물리적인 량 전기 신호 전기 신호 Analog 신호 처리 A/D 변환 Digital 신호 처리 물리적인 량 물리적인 량 전기 신호 전기 신호 D/A 변환 • 신호 및 정보처리 기술 • Analog 방식의 신호처리 • 증폭기, 변복조기, 미분기, 적분기, 저장 등 • Digital 방식의 신호 처리 • 디지털 시스템( 컴퓨터, 디지털 필터 등) 이용 • A/D, D/A 변환기 이용

4. 컴퓨터 시스템의 기본 구성 요소 Input Port Interface Circuit Interface Circuit Embedded Microcomputer System Output Port Physical Device Physical Device USART SPI TWI Timer A/D D/A ROM RAM Microprocessor Control Bus Address Bus Data Bus • Embedded Microcomputer System? • 컴퓨터 시스템의 기본 요소를 하나의 칩에 집적. • 최소의 외부 회로만을 연결하여 각종 장치를 제어하기에 적합하도록 구성된 마이크로 컴퓨터 시스템

5. Embedded System의 특징 • 미리 정해진(제품의) 기능을 효과적으로 수행한다. • 이용자가 다른 프로그램을 수행 하지 못한다. • I/O Port는 특별한 기능 수행을 위하여 장치에 고정된다. • 대부분 Real Time System으로 운용 된다. • 소비전력, 메모리 등이 제한된 기능에 최적화 되어 있다.

6. Table 1.2 Embedded system application

8. Enable Vin Vout Microprocessor • Rg Transfer Level에서 디지털 시스템의 동작 기술 • 데이터 전달 및 저장 기능 : Accumulator, Register , Memory • D ←  S • Function : Combinational Logic • and, or ,xor, add 등 • Binary Operation • D ← Op1 function OP2 • Tristate Gate

9. AC B A Memory I/O Port ALU Bus Interface • Rg Transfer Level에서 Microprocessor 예 • Accumulator Machine • Operation 예( A Rg ← A Rg + B Rg ) • AC ← B Rg • AC ← AC + A Rg • A Rg ← AC

10. Memory B A I/O Port ALU Bus Interface • Rg Transfer Level에서 Microprocessor 예 • Register Machine • Operation 예( A Rg ← A Rg + B Rg ) • A Rg ← A Rg + B Rg

11. AVR Core Diagram

12. 기억장치의 계층 구조 • Accumulator • Register • Memory • RAM, ROM, Cache Memory 등 • 외부기억 장치 • 하드 디스크, CD 등

13. 컴퓨터 시스템 내에서 데이터의 전달 • Read Cycle : Processor ← Memory, Input Port • Write Cycle : Memory, Output Port ← Processor • DMA( Direct Memory Access) : Memory ↔ I/O Port

14. Write Cycle : Memory, Output Port ← Processor

15. DMA( Direct Memory Access) Read Cycle • Output Port ← Memory or Input Device

16. DMA( Direct Memory Access) Write Cycle • Memory or Output Port ← Input Device

17. I/O Adress Memory Address Memory Adress I/O Address Memory-mapped I/O Isolated I/O • I/O Port 제어 방식에 따른 I/O Map 구분 • Memory-mapped I/O • Memory Address 공간 의 일부를 I/O Port 에 할당 한다. • Memory Data Transfer 명령을 사용 한다. • Isolated I/O( I/O Mapped I/O) • 별도의 I/O Map 공간을 갖는 다. • 별도의 I/O 명령을 갖는다.

18. Design Process • Top-Down Design • High-level design → Low-level design • Bottom-Up Design • Low-level design → High-level design System development cycle

19. 1. Analysis Phase • 개발할 시스템의 설계명세서와 요구(제한 사항) 작성한다. • 이 단계에서 고려할 일반적인 사항은 아래와 같다.

20. 2. High-Level Design • 시스템의 Hardware 와 Software의 모텔 개념을 설계함. • 이 단계의 모델은 전체 시스템의 개요를 파악할 수 있는 추상화된 모델임. • 이 모델은 더 작은 모듈 또는 서브 시스템으로 나누어 구현됨. • Data Flow Graph • 시스템의 정보 흐름을 보여주는 블록 다이어그램으로 전체 시스템의 개요를 효과적으로 표현할 수 있다. • Block Diagrams Motor Controller의 Data flow graph 예

21. 3. Engineering Design • High-Level Design를 Call Flow Graph 를 사용하여 구체화함.. • CallFlow Graph • Software 와 hardware modules 의 관계를 정의함. • I/O 관계와 Data 흐름의 개요를 잘 기술 할 수 있음. • Data Structures 설계 • 효과 적인 date 처리와 정보의 구조화를 위하여 필요함. • I/O Interfaces Motor Controller의 Call flow graph 예

22. 4. Implementation • Simulation • 실제 물리적인 장치를 제작하기 전에 소프트웨어로 구현함. • 설계단계에서 발생할 수 있는 논리적인 결함을 발견 할 수 있음. • 설계 요소를 용이하게 변경하며 최적 설계를 할 수 있음. • 실현된 시스템의 오류를 발견하고 수정하기 용이함. • Subcomponent Implementation • 논리적으로 잘 분할된 시스템은 동시에 Subcomponent를 구현할 수 있음. • Hardware Implementation • Software Implementation • 5. Testing • 구현된 시스템의 평가를 수행함. • Static efficiency : Memory 요구량 등. • Dynamic efficiency : 실행 속도, 정확도 등. 6. Maintenance • 오류의 발견과 정정. • 새로운 기능의 추가 • 시스템의 최적화

23. Bottom-Up Design • Low-Level 부터 설계, 테스트 하고 구현 함. • 작은 모듈 단위로 나누어 동시에 구현하고 Test할 수 있다. • 그러나 구현한 서브 모듈이 전체 시스템과 맞지 않는 경우 낭비적임. Bottom-up Design 개발 진행 과정 예

24. Digital Logic and Circuits • Digital Logic 회로의 출력이 다음 단을 구동 하기 위한 조건 Gate 출력 단에 필요한 다음 단 Gate 구동능력

25. Voltage thresholds for various digital logic families

26. 74HC245 Tristate driver의 Block diagram

27. CMOS NOT Gate의 구현 예

28. TTL Open Collector NOT Gate의 구현 예

29. CMOS Open Collector NOT Gate의 구현 예

30. Open Collector Gate를 이용한 LED 구동 회로 예

31. Switch Interface 예 • 외부 Pull-down • 저항을 사용 하는 경우 • 내부 Pull-up • 저항을 사용 하는 경우 • 외부 Pull-up • 저항을 사용 하는 경우 PA0

32. Digital Representation of Character • Standard ASCII Code

33. Standard ASCII Code

34. Standard ASCII Code

35. Standard ASCII Code

36. Digital Representation of Number • 8-Bit Binary Format • 16-Bit Binary Format • 32-Bit Binary Format

37. 32Bits 정수를 Little Endian으로 저장한 경우 예 Lower Byte Address Higher Byte Address

38. 32Bits 정수를 Big Endian으로 저장한 경우 예 Higher Byte Address Lower Byte Address

39. Embedded system 개발 장치의 예