Přidání poznámek z POT k mikrokontrolérům

KIV POT/17. Mikrokontroléry.md

@@ -0,0 +1,143 @@
+# Mikrokontroléry
+
+**Mikroprocesor** x **mikrokontrolér**
+- mikroprocesor (MPU) = procesor vyrobený na jednom čipu
+	- používá vnější paměti a další pomocné obvody
+- mikrokontrolér (MCU) = procesorové jádro + paměti + periferie + pomocné obvody na společném čipu
+	- periferní obvody obvykle specializované pro různé řídící aplikace
+
+**Charakteristiky MCU**
+- MCU se vyrábí ve velkém rozpětí výkonosti (podle předpokládané aplikace)
++ délka slova CPU: **4**, **8**, **16** a **32 bitů**
++ frekvence CLK: cca **1 MHz** až **1 GHz**
++ kapacita ROM (Flash): cca **512 B** až **512 kB**
++ kapacita RAM: cca **32 B** až **128 kB**
++ pouzdro: **SOIC8 - BGA256**
+
+**Vývody pouzder MCU**
+- většina vývodů má podle konfigurace některou z více funkcí
+- základní konfigurace je obcykle binární obousměrný IO pin
+- piny obvykle sdruženy do 8bitových nebo 16bitových portů
+- další možné funkce
+	- adresní/datová sběrnice
+	- vývody séeiových portů, časovačů a čítačů
+	- ...
+
+**Adresní prostory MCU**
+- fyzická paměť nemusí pokrývat celý a.p.
+	- zbývající rozsah pokryt vnější pamětí
+	- někdy mapovány i SFR (Special Function Registers) a někdy EEPROM
++ Hardwardská architektura
+	- kódová a datová paměť mají oddělené adresní prostory
+		- délka slova může být pro obě paměti různá
+		- v principu možný přístup do obou pamětí současně
+	- pro každý adresní prostor lze použít jen některé operace
+		- kódový: výběr instrukce, čtení dat
+		- datový: čtení dat, zápis dat
+- Lineární (Von Neumannova) architektura
+	- všechny typy pamětí a SFR v jednom adresním prostoru
+		- lze zapisovat i do kódové paměti
+		- lze provádět program uložený v datové paměti
+		- u výkonných MCU lze někdy volit různé mapování pamětí do adresního prostoru
+
+**Konfigurace s vnější a vnitřní pamětí**
+- některé MCU umožňují připojení vnější datové nebo kódové paměti
+- pro vyvedení portu adresní a datové sběrnice běžně část binárních IO portů
+- přístup do vnitřní paměti obvykle rychlejší (v 1 taktech CLK) než do vnější (ve 3 taktech CLK)
+
+**Programování vnitřních pamětí MCU**
+- paralelní programování
+	- používá externí programátor
+	- vyžaduje velký počet vývodů MCU
+	- rychlé programování (vhodné pro sériovou výrobu)
+	- obtížné programování přímo v zařízení (ISP - In System Programming)
+- rozhraní JTAG (Joint Test Action Group)
+	- sériové rozhraní pro diagnostiku
+	- pro programování i ladění programů
+- boot loader
+	- CPU čte kód programu přes standardní rozhraní a zapisuje do Flash
+	- předpoklady
+		- CPU může zapisovat do kódového i adresního prostoru
+		- Boot program lze vykonávat i při zápisu do Flash
+	- výkonné MCU: možnost volby rozhraní pro boot po resetu
+		- program se ukládá do RAM místo Flash - boot je nutný vždy při startu
+		- boot lze provést z různých rozhraní (SPI, Flash, přes Ethernet, ...)
+
+**Ladící prostředky**
+- monitor
+	- uložen v kódové paměti MCU
+	- spolupracuje s ladicím programem na počítači
+	- program se zavádí do Flash i s monitorem
+	- nevýhody: monitor potřebuje nějaké prostředky MCU
+- JTAG
+	- některé MCU mají rozšířený soubor instrukcí JTAG pro ladění
+	- výpočet běží v laděné aplikaci v reálném čase
+	- aplikační program může bez omezení využívat prostředky MCU
+
+**Nízkopříkonové režimy Idle a Power**
+- zapínají se programově
+- Idle (IDL)
+	- CPU má odpojený hodinový signál - pracují jen periferní řadiče
+- Power Down (PD)
+	- vypne se generátor hodinového signálu, nepracuje CPU ani periferní obvody
+
+### Mikrokontroléry na bázi ARM
+
+- architektura vyvíjena od roku 1990 (Advanced Risc Machine)
+- postupně několik verzí procesorových jader
+	- ARMv4, ARMv4T (THUMB ISA)
+	- ARMv5, ARMv5E (Enhanced - rozšířeno o DSP)
+	- ARMv6, ARMv6M (Cortex-M0)
+	- ARMv7M, ARMv7R, ARMv7A (Cortex-M, R, A)
+- mikrokontroléry n bázi ARM vyrábí několik (cca 40) výrobců (TI, ST, NXP, Toshiba, ...)
+- též jako syntetizovatelná jídra pro SoC
+
+**Charakteristika ARM**
+- 32bitová architektura RISC
+- 16 ks. 32bitových registrů
+- až 3 různé soubory instrukci
+- v různých verzích různá standardní rozšíření základní architektury
+- další periferie MCU podle různých výrobců
+
+**Řady procesorů**
+- klasická řada: 3 rodiny
+	+ **ARM7** - procesorové jádro ARMv4, ARMv4T
+	+ **ARM9** - procesorové jádro ARMv4T, ARMv5, ARMv5E
+	+ **ARM11** - procesorové jádro ARMv6
+	- další číslice a písmena specifikují vybavení procesoru
+		- např. ARM7TDMI, ARM946E-S
++ řada Cortex: 3 rodiny
+	+ **Cortex-M** - procesorové jádro ARMv6M resp. ARMv7M
+		+ 4 typy procesorů
+			+ Cortex-M0, Cortex-M1, Cortex-M3, Cortex-M4, Cortex-M7
+		- nejmenší řada, nástupce 8 a 16bitových MCU
+		- Cortex-M1 pro implementaci v FPGA
+		- CLK max. 100 MHz
+	+ **Cortex-R** - procesorové jádro ARMv7R
+		- 3 typy procesorů
+			- Cortex-R4, Cortex-R5, Cortex-R7, Cortex-R8
+		- vysoký výkon pro vestavěné systémy reálného času
+		- optimalizované pro běh RTOS
+		- CLK max. 1 GHz
+	+ **Cortex-A** - procesorové jádro ARMv7A
+		+ 4 typy procesorů
+			+ Cortex-A5, Cortex-A8, Cortex-A9, Cortex-A15, Cortex-A17
+		- vysoký výkon pro mobilní aplikace, multimédia (smartphone, digitální TV, ...)
+		- vícejádrové typy
+		- optimalizované pro běh OS (Linux, Symbian, Windows CE)
+		- CLK max. 2 GHz
+
+**Instrukční sady ARM**
+- **ARM 32-bit**
+	- původní sada
+	- 32bitové instrukce (kódované na 32 bitech)
+	- nevýhodné v menších systémech
+- **Thumb**
+	- 16bitové instrukce
+	- méně výkonné než ARM 32-bit
+	- ARM 32-bit  a Thumb je nutné přepínat (lze i za chodu)
+- **Thumb-2**
+	- nadmnožina Thumb
+	- kombinace 16bitových a 32bitových instrukcí
+	- nemusí se přepínat
+	- od ARMv7