Vestavěné systémy

Vestavěný systém je kombinace hardwaru a softwaru, jejímž smyslem je řídit externí proces, zařízení nebo systém. Jedná se o počítač zabudováný do systému, ale pro uživatele není jako počítač viditelný – uživatel by neměl tušit, že pracuje s počítačem. Hlavní interakce však nemusí být s člověkem (čidla pro snímání větrného prostředí, apod.) Často jsou navrženy tak, aby fungovaly i bez zásahu člověka.

Obvykle mají jeden program pro celý život.

Mikroprocesory (μP)

Základní procesorová jednotka na čipu. Jsou vhodné pro zpracování informací a dat.

struktura mikroprocesoru

Mikropočítače (μC)

μP s příslušnými podpůrnými obvody (periferní I/O a paměť). Při malém počtu I/O obvodů se nazývá mikrokontrolér. Jsou vhodné k řízení vnějších zařízení.

struktura mikropočítače

Dělení podle typů architektur:

1) CISC

velké množství instrukcí
jednoduše se programuje
dnes už ztrácí na významu

2) RISC

jednodušší instrukční soubor – 2 základní instrukce pro paměťové operandy LOAD a STORE
větší výpočetní výkon za nižší cenu

1) Harvardská architektura

oddělený paměťový prostor pro program a pro data – program je konstantní (ROM, nevolatilní) a mění se jen data (RAM, volatilní)
u klasických PC vymizela, používá se pouze u μP

2) Von Neumannova architektura

program i data ve stejném adresovém prostoru – přívětivé pro programátora. Nemusí uvažovat, na co použít ROM nebo RAM.

Periférie

Čítač – speciální registr, který zvyšuje svoji hodnotu při každé periodě hodinového signálu
Časovač – čítač, jehož čas je zvyšován hodinovým signálem
Jednotka záchytu hrany - k určování času událostí
Generátor hodin – k synchronizaci bloků vestavěného systému
Watchdog – prostředek zvyšující odolnost proti poruchám systému; pokud dojde k přetečení jeho čítače, systém se restartuje
RTC modul – uchovává aktuální reálný čas
Klávesnice

Sériové rozhraní

Bity jsou přenášeny po jediném vodiči jeden za druhým. Z toho důvodu je potřeba jednoznačně určit, ve kterém okamžiku je na datovém vodiči hodnota kterého bitu.

Existují 2 základní principy:

1) Synchronní sériový přenos – spolu s daty se přenáší také hodinový signál (v celé soustavě jen jeden zdroj signálu), určující, kdy se objeví další bit na datovém vodiči nebo kdy je možné bezpečně sejmout hodnotu z datového vodiče.

2) Asynchronní sériový přenos – Hodinový signál se nepřenáší, ale přijímač si ho generuje sám. Je potřeba zajistit, aby přijímač a vysílač běželi na stejné frekvenci a měli stejnou fázi. Synchronizace se vykoná předem dohodnutou změnou úrovně na datovém vodiči.

Princip: Vodič je v klidovém stavu, přenos je zahájen změnou klidového stavu, předem dané délky tzv. start bit), poté jsou posílána samotná data. Na konci přeneseného slova následuje volitelný paritní součet a ukončení přenosu (stop bit). Celému přenosu říkáme rámec (frame).

SCI (Serial Communication Interface)

Asynchronní sériové rozhraní. Systém tvoří generátor hodinového signálu, modul vysílače, modul přijímače a podpůrné obvody.

Výstup vysílače je na vodiči označený jako TxD (transmit data) a vstup jako RxD (receive data). Hodinový signál je společný pro přijímač a vysílač.

Pro programátora jsou podstatné registry SCI: datové, konfigurační a stavové.

SPI (Serial Peripheral Interface)

Synchronní sériové rozhraní. Původně určené k připojování a komunikací s periferními zařízeními. Rozhraní je fullduplex (probíhá zároveň přenost oběma směry).

2 režimy zařízení připojených přes SPI:

1) master – generuje synchronizační hodinový signál, inicializuje a řídí komunikaci

2) slave – obvykle periferie, se kterými master komunikuje

spi master/slave

IIC (I $^2$ C)

Synchronní sériové rozhraní. Hlavním cílem je jednoduchá a levná implementace. Protokol typu master/slave komunikující halfduplex. Ke sběrnici IIC je možné připojit až 127 zařízení slave.

Tvoří ho jeden datový vodič (SDA) a jeden vodič pro přenos synchronizačního signálu (SCL).

iic

Analogově-číslicový převodník

Převádí analogový vstup na číslicový výstup. Analogový vstup představují signály ze spojitých snímačů (teplota, tlak, osvětlení,…).

značka AD převodníku

Typicky má 3 části:

1) dolnopropustní filtr

2) track/hold – obvod uchovávající hodnotu sledované veličiny během převodu signálu

3) AD převodník

Podle Shanonova vzorkovacího teorému musí být kmitočet AD převodníku alespoň 2× větši než největší kmitočet ve vzorkovaném analogovém signálu. Jinak může dojít k aliasingu (nenávratné zkreslení signálu).

aliasing