-
Notifications
You must be signed in to change notification settings - Fork 3
/
Copy pathPraktikum Rechnerarchitekturen 2.tex
776 lines (719 loc) · 25.1 KB
/
Praktikum Rechnerarchitekturen 2.tex
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
540
541
542
543
544
545
546
547
548
549
550
551
552
553
554
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
566
567
568
569
570
571
572
573
574
575
576
577
578
579
580
581
582
583
584
585
586
587
588
589
590
591
592
593
594
595
596
597
598
599
600
601
602
603
604
605
606
607
608
609
610
611
612
613
614
615
616
617
618
619
620
621
622
623
624
625
626
627
628
629
630
631
632
633
634
635
636
637
638
639
640
641
642
643
644
645
646
647
648
649
650
651
652
653
654
655
656
657
658
659
660
661
662
663
664
665
666
667
668
669
670
671
672
673
674
675
676
677
678
679
680
681
682
683
684
685
686
687
688
689
690
691
692
693
694
695
696
697
698
699
700
701
702
703
704
705
706
707
708
709
710
711
712
713
714
715
716
717
718
719
720
721
722
723
724
725
726
727
728
729
730
731
732
733
734
735
736
737
738
739
740
741
742
743
744
745
746
747
748
749
750
751
752
753
754
755
756
757
758
759
760
761
762
763
764
765
766
767
768
769
770
771
772
773
774
775
\documentclass[a4paper,12pt,titlepage]{scrartcl}
\usepackage[sc]{mathpazo} % Schrift - wie Funcky und in PDF zu Fonts beschrieben
\usepackage[T1]{fontenc}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage[a-1b]{pdfx}
\usepackage[ngerman]{babel}
\usepackage[amssymb]{SIunits}
\usepackage{graphicx}
\usepackage{subfigure}
\usepackage{float}
\usepackage[iso,german]{isodate} %his package provides commands to switch between different date formats
\usepackage{hyperref}
\usepackage{mdwlist} %less space for lists
\usepackage{listings}
\lstset{
literate={ö}{{\"o}}1
{ä}{{\"a}}1
{ü}{{\"u}}1
}
\usepackage{fancyhdr}
\renewcommand{\headrulewidth}{0.5pt}
\renewcommand{\footrulewidth}{0.5pt}
%Abstand zwischen Absätzen, Zeilenabstände
\voffset26pt
\parskip6pt
%\parindent1cm %Rückt erste Zeile eines neuen Absatzes ein
\usepackage{setspace}
\onehalfspacing
\begin{document}
\pagenumbering{roman}
\titlehead
{
\small
{
Technische Universität Ilmenau\\
Fakulät IA\\
Fachgebiet Rechnerarchitektur\\
Praktikum Rechnerarchitektur 2\\
WS 2021/22}
}
\title {Versuchsprotokoll}
\subtitle{Versuche Befehlsausführung und Mikrocontroller}
\author{}
\date{\today\\*[60pt]}
\maketitle %Erstellt das Titelblatt wie oben definiert
%Einstellungen zur Kopf- und Fußzeile
\pagestyle{fancy}
\fancyhead[R]{Praktikumsbericht: RA2}
\pagenumbering{arabic}
\newpage
\section*{Versuch B: Befehlsausführung}
Simulative Untersuchung der Ausführung von Maschinenbefehlen in unterschiedlichen Pipeline-Architekturen
\subsection*{Aufgabe 1}
Untersuche die vorbereitete Befehlsfolge mit den drei vorgegebenen Grundstrukturen Standard-Pipeline, Superskalar-in-Order und Superskalar-out-of-Order. Beobachte den Programmablauf und machen dich mit der Bedienung vertraut! Schauen vor dem Simulationsstart auch die Parametereinstellungen für Sprungvorhersage und Result Forwarding an und interpretiere das Verhalten während der Simulation.
Code A1b
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
addiu $t1, $zero, 11
addiu $t2, $zero, 0
loop: addu $t2, $t2, $t1
addiu $t1, $t1, -1
bnez $t1, loop
\end{lstlisting}
Alle Strukturen mit Result-Forwarding und 2-Bit Vorhersage.
\textbf{Beobachtung}:
\begin{itemize*}
\item Standard Pipeline
\begin{itemize*}
\item Takte: 43
\item Befehle: 39
\item Befehle pro Takt: 0,81
\item Sprünge: 11
\end{itemize*}
\item Superskalar In-Order Pipeline (4 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item Takte: 29
\item Befehle: 44
\item Befehle pro Takt: 1,21
\item Sprünge: 11
\end{itemize*}
\item Superskalar Out-of-Order ( 4 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item Takte: 20
\item Befehle: 58
\item Sprünge: 12
\end{itemize*}
\end{itemize*}
\newpage
\subsection*{Aufgabe 2}
Untersuche die Befehlsfolgen A4 und B2 mit mindestens je drei unterschiedlichen Simulationsläufen! Wähle die benutzten Pipelinestrukturen und Parametereinstellungen selbst aus. Vergleiche die Ergebnisse mit den Lösungen aus der Übung und suche Erklärungen für eventuelle Unterschiede!
Code A4
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
lw $t2, 4($t1)
addiu $t3, $zero, 65
addu $t5, $zero, $t2
sub $t4, $t3, $t5
add $t2, $t5, $t3
\end{lstlisting}
\textbf{Beobachtung}:
\begin{itemize*}
\item Standard Pipeline
\begin{itemize*}
\item Takte: 11
\item Befehle: 5
\end{itemize*}
\item Superskalar In-Order Pipeline (4 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item Takte: 8
\item Befehle: 5
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-61330.jpg}
\end{itemize*}
\item Superskalar Out-of-Order ( 4 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item Takte: 8
\item Befehle: 5
\end{itemize*}
\end{itemize*}
Code B2
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
# addition der inhalte von 4 aufeinander folgenden speicherzellen, beginnend mit adresse 0x12345678 ...
# $t2 enthalte bereits den wert 0x12340000
addi $t0, $zero, 4 # max. zaehlerwert t0 = 4
addi $t2, $t2, 0x5678 # adressregister t2 = startadresse
addi $t3, $zero, 0 # zaehlerregister t3 = 0
addi $t1, $zero, 0 # ergebnisregister t1 = 0
loop: lw $t4, ($t2) # tempregister t4 <- wert laden
add $t1, $t1, $t4 # summieren
addi $t2, $t2, 4 # adresse um 4 erhöhen
addi $t3, $t3, 1 # zaehler +1
bne $t3, $t0, loop # loop für zaehler != 4
\end{lstlisting}
\textbf{Beobachtung}:
2 Bit Vorhersage
\begin{itemize*}
\item Standard Pipeline
\begin{itemize*}
\item Takte: 40
\item Befehle: 28
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-62418.jpg}
\end{itemize*}
\item Superskalar In-Order Pipeline (4 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item Takte: 31
\item Befehle: 32
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-62729.jpg}
\end{itemize*}
\item Superskalar Out-of-Order ( 4 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item Takte: 27
\item Befehle: 80
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-63122.jpg}
\end{itemize*}
\end{itemize*}
1 Bit Vorhersage
\begin{itemize*}
\item Standard Pipeline
\begin{itemize*}
\item Takte: 40
\item Befehle: 28
\end{itemize*}
\item Superskalar In-Order Pipeline (4 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item Takte: 31
\item Befehle: 32
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-64222.jpg}
\end{itemize*}
\item Superskalar Out-of-Order ( 4 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item Takte: 27
\item Befehle: 80
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-64400.jpg}
\end{itemize*}
\end{itemize*}
0 Bit Vorhersage
\begin{itemize*}
\item Standard Pipeline
\begin{itemize*}
\item Takte: 48
\item Befehle: 24
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-63915.jpg}
\end{itemize*}
\item Superskalar In-Order Pipeline (4 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item Takte: 37
\item Befehle: 24
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-63642.jpg}
\end{itemize*}
\item Superskalar Out-of-Order ( 4 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item Takte: 33
\item Befehle: 24
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-63323.jpg}
\end{itemize*}
\end{itemize*}
Superskalar In-Order Pipeline ohne Result Forwarding (4 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item Takte: 57
\item Befehle: 32
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-73350.jpg}
\end{itemize*}
\newpage
\subsection*{Aufgabe 3}
Änderne nun eine der vorgegebenen Pipelinestrukturen ab, z.B. die Anzahl der parallelen Pipelines verändern. Orientiere dich zuvor über den Inhalt des ,,Baukastens''. Untersuche mit den oben verwendeten Befehlsfolgen die Auswirkungen auf die Simulationsergebnisse! Variiere dabei die Parameter und interpretiere die Ergebnisse!
\textbf{Beobachtung}: jeweils mit 2 Bit Vorhersage und Result Forwarding
\begin{itemize*}
\item Superskalar In-Order Pipeline (3 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item Takte: 32
\item Befehle: 31
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-65225.jpg}
\end{itemize*}
\item Superskalar In-Order Pipeline (2 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-65346.jpg}
\item Takte: 34
\item Befehle: 30
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-65517.jpg}
\end{itemize*}
\item Superskalar Out-of-Order ( 3 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-65743.jpg}
\item Takte: 28
\item Befehle: 62
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-70806.jpg}
\end{itemize*}
\item Superskalar Out-of-Order ( 2 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item Takte: 30
\item Befehle: 46
\item \includegraphics[width=.4\linewidth]{Assets/RA2-70953.jpg}
\end{itemize*}
\item Superskalar Out-of-Order ( 9 EX Einheiten)
\begin{itemize*}
\item Takte: 27
\item Befehle: 165
\end{itemize*}
\end{itemize*}
\newpage
\subsection*{Zusatzaufgaben}
\subsubsection*{Z1}
Untersuche weitere Befehlsfolgen, z.B. aus A5, A6, A7, B1 oder nach eigenen Entwürfen!
Code A5
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
addiu $t1, $zero, 3 #$t1:=3
addiu $t2, $zero, 0 #$t2:=0
loop: addu $t2, $t2, $t1 #$t2:=$t2+$t1
addiu $t1, $t1, -1 #$t1:=$t1-1
bnez $t1, loop #branch loop (if $t1<>0)
or $t3, $zero, $t1 #$t3:=$t1
sll $t4, $t1, 2 #$t4:=$t1 << 2
and $t5, $t1, $t5 #$t5:=$t5 AND $t1
or $t6, $t1, $t6 #$t6:=$t6 OR $t1
\end{lstlisting}
Code A6
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
addiu $t1, $zero, 100
loop1: addiu $t2, $zero, 100
loop2: addiu $t2, $t2, -1
...
...
bnez $t2, loop2
addiu $t1, $t1, -1
bne $t1, 1, loop1
\end{lstlisting}
Code A7
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
addiu $t1, $zero, 991
loop: ...
addu $t2, $zero, $t1
and $t2, $t2, 0x08
bnez $t2, next
...
next: ...
addiu $t1, $t1, -1
bne
$t1, -1, loop
\end{lstlisting}
Code B1
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
add $t5, $zero, $t2
add $t4, $t6, $t5
add $t3, $t7, $t3
lw $t0, ($t3)
add $t7, $zero, $t2
add $t1, $t6, $t0
sw $t5, ($t1)
sub $t2, $t5, $t6
addi $t4, $zero, 0
addi $t3, $t3, 1
\end{lstlisting}
\subsubsection*{Z2}
Nehme weitere Änderungen an Parametern und Pipelinestrukturen vor!
\subsubsection*{Z3}
Versuche Befehlsfolgen zu finden, die die strukturellen Ressourcen besonders gut ausnutzen oder die Wirksamkeit bestimmter Methoden (wie z.B. Sprungvorhersagen) besonders gut sichtbar werden lassen!
\newpage
\section*{Versuch M: Mikrocontroller}
Assemblerprogrammierung mit dem 8-Bit-Mikrocontroller ATtiny25
\subsection*{Aufgabe 1: Ein- und Ausschalten der LED}
Die LED soll über die beiden Taster ein-, aus- und umgeschaltet werden. Dazu ist eine funktionierende Teillösung vorgegeben, welche erweitert werden soll.
\subsubsection*{Schritt a: Start der Entwicklungsumgebung}
Gebe das folgende Programm ein. Es soll die vorhandenen Befehle ersetzen.
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
.INCLUDE "tn25def.inc" // Einfügen von Symbolen, u.a. für I/O-Register
.DEVICE ATtiny25 // Festlegen des Controllertyps
anf:
ldi r16,0x07
out DDRB,r16 // Port B: Richtungseinstellung
ldi r16,0x18
out PORTB,r16 // Port B: Pull-up für Taster-Eingänge aktivieren
lo1:
sbis PINB,PB4 // Abfrage TASTER1, Skip Folgebefehl wenn nicht gedrückt
sbi PORTB,0 // Einschalten der LED (blau)
sbis PINB,PB3 // Abfrage TASTER2, Skip Folgebefehl wenn nicht gedrückt
cbi PORTB,0 // Ausschalten der LED (blau)
rjmp lo1 // Sprung zum Schleifenbeginn
\end{lstlisting}
\subsubsection*{Schritt b: Manuelle Farbwechsel der LED}
Das Programm soll jetzt so erweitert werden, dass die LED mit den beiden Tastern zwischen zwei Leuchtfarben umgeschaltet werden kann.
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
.INCLUDE "tn25def.inc" // Einfügen von Symbolen, u.a. für I/O-Register
.DEVICE ATtiny25 // Festlegen des Controllertyps
anf:
ldi r16,0x07
out DDRB,r16 // Port B: Richtungseinstellung
ldi r16,0x18
out PORTB,r16 // Port B: Pull-up für Taster-Eingänge aktivieren
lo1:
sbis PINB,PB4 // Abfrage TASTER1, Skip Folgebefehl wenn nicht gedrückt
rjmp blue
sbis PINB,PB3 // Abfrage TASTER2, Skip Folgebefehl wenn nicht gedrückt
rjmp green
rjmp lo1 // Sprung zum Schleifenbeginn
blue:
sbi PORTB,0 // Einschalten der LED (blau)
cbi PORTB,1 // Ausschalten der LED (grün)
rjmp lo1
green:
cbi PORTB,0 // Ausschalten der LED (blau)
sbi PORTB,1 // Einschalten der LED (grün)
rjmp lo1
\end{lstlisting}
Verändere das Programm nun so, dass durch abwechselndes Drücken der beiden Taster eine Sequenz von mindestens sechs unterschiedlichen Leuchtvarianten der LED durchgeschaltet werden kann.
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
.INCLUDE "tn25def.inc" // Einfügen von Symbolen, u.a. für I/O-Register
.DEVICE ATtiny25 // Festlegen des Controllertyps
anf:
ldi r16,0x07
out DDRB,r16 // Port B: Richtungseinstellung
ldi r16,0x18
out PORTB,r16 // Port B: Pull-up für Taster-Eingänge aktivieren
ldi r17,0x01 // Zähler
ldi r18,0x01 // Vergleicher
lo1:
sbis PINB,PB4 // Abfrage TASTER1, Skip Folgebefehl wenn nicht gedrückt
rjmp up
sbis PINB,PB3 // Abfrage TASTER2, Skip Folgebefehl wenn nicht gedrückt
rjmp down
rjmp lo1 // Sprung zum Schleifenbeginn
up:
inc r17
ldi r18, 0x01
cp r17, r18
brne blue
ldi r17, 0x00
rjmp blue
down:
dec r17
ldi r18, 0x00
cp r17, r18
brne blue
ldi r17, 0x06
blue:
ldi r18, 0x01
cp r17, r18
brne cyan
sbi PORTB,0 // Einschalten der LED (blau)
cbi PORTB,1 // Ausschalten der LED (grün)
cbi PORTB,2 // Ausschalten der LED (rot)
rjmp lo1
cyan:
ldi r18, 0x02
cp r17, r18
brne green
sbi PORTB,0 // Einschalten der LED (blau)
sbi PORTB,1 // Einschalten der LED (grün)
cbi PORTB,2 // Ausschalten der LED (rot)
rjmp lo1
green:
ldi r18, 0x01
cp r17, r18
brne yellow
cbi PORTB,0 // Ausschalten der LED (blau)
sbi PORTB,1 // Einschalten der LED (grün)
cbi PORTB,2 // Ausschalten der LED (rot)
rjmp lo1
yellow:
ldi r18, 0x01
cp r17, r18
brne red
cbi PORTB,0 // Ausschalten der LED (blau)
sbi PORTB,1 // Einschalten der LED (grün)
sbi PORTB,2 // Einschalten der LED (rot)
rjmp lo1
red:
ldi r18, 0x01
cp r17, r18
brne violett
cbi PORTB,0 // Ausschalten der LED (blau)
cbi PORTB,1 // Ausschalten der LED (grün)
sbi PORTB,2 // Einschalten der LED (rot)
rjmp lo1
violett:
sbi PORTB,0 // Einschalten der LED (blau)
cbi PORTB,1 // Ausschalten der LED (grün)
sbi PORTB,2 // Einschalten der LED (rot)
rjmp lo1
\end{lstlisting}
Hinweis zur Verbesserung: das Prellen der Taster wird nicht berücksichtigt. Baue z.B. einen Delay ein.
\newpage
\subsection*{Aufgabe 2: Blinken der LED}
Das Programm soll die LED fortlaufend blinken lassen. Diese Funktion wird mit einem Zähler/Zeitgeber-Interrupt realisiert.
\subsubsection*{Schritt a: Einfaches Blinken}
Die Aufgabe besteht nun darin, die LED periodisch ein- und auszuschalten, so dass sich eine Frequenz von etwa 2 Hz ergibt. Das Umschalten der LED soll in der Interruptserviceroutine eines Zähler/Zeitgeber-Interrupts erfolgen. Dafür soll Timer/Counter 0 so initialisiert werden, dass er Interrupts mit einer Folgefrequenz von etwa 4 Hz auslöst.
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
// Interrupttabelle (muss vor dem ersten ausführbaren Befehl stehen):
tab: rjmp anf // Programmstart nach Reset ("Interrupt" 1)
reti
reti
reti
reti
reti
reti
reti
reti
reti
rjmp i_11 // Timer 0 Compare A Interrupt (Interrupt 11)
reti
reti
reti
reti // Tabellenende (Interrupt 15)
// Initialisierungsteil und Hintergrundprogramm:
anf: [...] // Weitere Initialisierungen
[...] // Initialisierung von Timer/Counter 0 (Empfehlung:
// Betriebsart CTC, Vergleichsregister A nutzen)
sei // Globale Interruptfreigabe
ldi r16,0x10
out TIMSK,r16 // Freigabe von Interrupt 11 (Timer 0 Compare A)
lo2: rjmp lo2 // Leere Hintergrundschleife
// Interruptserviceroutine:
i_11: in r25,SREG // Flags retten (weitere Rettungen nach Bedarf)
[...] // Inhalt der Routine
out SREG,r25 // Flags restaurieren
reti // Routine beenden
\end{lstlisting}
Die Hintergrundschleife bleibt zunächst leer. Entwickle und teste das Programm für diese Aufgabe.
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
.INCLUDE "tn25def.inc" // Einfügen von Symbolen, u.a. für I/O-Register
.DEVICE ATtiny25 // Festlegen des Controllertyps
// Interrupttabelle (muss vor dem ersten ausführbaren Befehl stehen):
tab: rjmp anf // Programmstart nach Reset ("Interrupt" 1)
reti
reti
reti
reti
reti
reti
reti
reti
reti
rjmp i_11 // Timer 0 Compare A Interrupt (Interrupt 11)
reti
reti
reti
reti // Tabellenende (Interrupt 15)
// Initialisierungsteil und Hintergrundprogramm:
anf:
; LED config
ldi r16,0x07
out DDRB,r16 // Port B: Richtungseinstellung
ldi r16,0x18
out PORTB,r16 // Port B: Pull-up für Taster-Eingänge aktivieren
; timer config
ldi r16, 0x00
out TCCR0A, r16
ldi r16, (1<<CS00)|(1<<CS02)
out TCCR0B, r16
sei
ldi r16, 0
out TCNT0, r16
ldi r16, 0x10
out TIMSK, r16
ldi r17, 0x00
ldi r18, 0x00
lo2:
rjmp lo2 // Leere Hintergrundschleife
i_11:
in r25, SREG
cp r17, r18
brne ledon
ldi r17, 0x01
cbi PORTB, 0
rjmp end
ledon:
ldi r17, 0x00
sbi PORTB, 0
end:
out SREG, r25
reti
\end{lstlisting}
Alternativ
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
.equ wait = 5000
ldi r25, HIGH(wait)
ldi r24, low(wait)
; LED config
ldi r16,0x07
out DDRB,r16 ; Port B: Richtungseinstellung
ldi r16,0x18
out PORTB,r16 ; Port B: Pull-up für Taster-Eingänge aktivieren
ldi r17, 0x00
ldi r18, 0x00
loop:
sbiw r24, 1 ; 16-bit Register dezimieren
brne loop
cp r17, r18
brne ledon
ldi r17, 0x01
cbi PORTB, 0
rjmp end
ledon:
ldi r17, 0x00
sbi PORTB, 0
end:
ldi r25, HIGH(wait)
ldi r24, LOW(wait)
rjmp loop
\end{lstlisting}
\subsubsection*{Schritt b: Erweitertes Blinken}
Baue in die Hintergrundschleife eine Abfrage von TASTER1 und TASTER2 ein. Durch Drücken von TASTER1 soll die Blinkfrequenz verdreifacht werden, durch TASTER2 wird sie auf den ursprünglichen Wert zurückgestellt. Teste diese Funktion. Der Vorgang soll sich beliebig wiederholen lassen.
Stelle das Programm nun so um, dass die beiden Blinkfrequenzen deutlich langsamer sind: Etwa 1,0 Hz und etwa 0,5 Hz. Beachte, dass der Zählumfang des Timer/Counter dafür nicht ausreicht, auch nicht mit dem größten Vorteiler. Das Programm muss also in der Struktur verändert werden. Erweitere das Programm so, dass eine Sequenz aus mindestens vier unterschiedlichen Leuchtzuständen durchlaufen wird.
$$Verzoegerungswert = 2^{16}-\frac{frequenz \times delaytime}{prescaler}$$
16-Bit Wert in zwei 8-Bit teilen und in TCNT1H und TCNT1L laden
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
init:
LDI r16, 0x07
OUT DDRB, r16
LDI r17, 0x18
OUT PORTB, r17
LDI r16, 0x00
STS TCCR1A, r16 ; alle bits von TCCR1A auf 0
RET
main:
LDI r16, 0xF0
STS TCNT1H, r16 ; timer high register
LDI r16, 0xBC
STS TCNT1L, r16 ; timer low register
LDI r16, 0x05
STS TCCR1B, r16 ; use 1024 prescalar
loop: LDS R0, TIFR1 ; TIFR1 in R0 laden
SBRS R0, 0 ; skippen falls overflow
RJMP loop ; schleife bis overflow
LDI r16, 0x00
STS TCCR1B, r16 ; stoppe Timer/Counter1
LDI r16, 0x01
STS TIFR1, r16 ; overflow zurücksetzten
COM r17 ; complement r17
STS PORTB, r17 ; toggle LED
sbis PINB, PB4 ; skip folgebefehl wenn nicht gedrückt
rjmp t1
sbis PINB, PB3 ; skip folgebefehl wenn nicht gedrückt
rjmp t2
RJMP loop
t1:
LDI r16, 0xFB
STS TCNT1H, r16 ; timer high register
LDI r16, 0x6C
STS TCNT1L, r16 ; timer low register
RJMP loop
t2:
LDI r16, 0xF0
STS TCNT1H, r16 ; timer high register
LDI r16, 0xBC
STS TCNT1L, r16 ; timer low register
RJMP loop
\end{lstlisting}
\newpage
\subsection*{Aufgabe 3: Einfaches Dimmen der LED mittels PWM}
Stelle die Helligkeit der LED mittels PWM (pulse width modulation, Pulsbreitenmodulation) auf wählbare Zwischenwerte ein.
\subsubsection*{Schritt a: Einfache Helligkeitseinstellung}
Zunächst soll die LED (nur eine Farbe) auf eine beliebige, aber konstante Helligkeit eingestellt werden können. Realisiere dazu eine PWM-Ausgabe mit 256 Helligkeitsstufen, wobei die Zeitintervalle wahlweise mittels Zählschleifen oder mittels Timer/Counter-Interrupt generiert werden. Der Helligkeitswert kann über ein Universalregister vorgegeben werden, in welches im Debugger bei gestopptem Programm jeweils unterschiedliche Werte eintragen werden.
Alternativ können auch die PWM-Betriebsarten der Timer/Counter-Baugruppen ausprobiert werden, soweit es die Hardwarekonfiguration zulässt. Empfohlen wird die Betriebsart ,,Fast PWM'' mit normaler Zählung.
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
init:
ldi r16,0xff
out DDRB,r16
cbi PORTB,0
ldi r17, 25 ; r17 ist helligkeitswert
l1:
sbi PORTB, 0 ; LED an
mov r16, r17 ; R16 kontrolliert länge des delay (= r17)
rcall delay
cbi PORTB, 0 ; LED aus
ldi r16, 255
sub r16, r17 ; R16 kontrolliert länge des delay (= 255 - r17)
rcall delay
rjmp l1
; Delay for (R16 * 4) microseconds
delay:
tst r16 ; R16 = 0? (no delay)
breq dly4
dly2:
ldi r24,low(16)
ldi r25,high(16)
dly3:
sbiw r24,1 ; 2 cycles
brne dly3 ; 2 cycles
dec r16
brne dly2
dly4:
ret
\end{lstlisting}
\newpage
\subsubsection*{Schritt b: Helligkeitseinstellung mit Tastern}
Nun sollen die beiden Taster als Bedienelemente zum Auf- und Abdimmen verwendet werden. Werte dabei die Dauer der Tastendrücke aus, nicht deren Anzahl. Die Helligkeit soll bei gedrückt gehaltenem Taster stetig zu- oder abnehmen. Bei losgelassenen Tastern soll die Helligkeit konstant bleiben.
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
init:
ldi r16,0x07 ; Port B Richtungseinstellung
out DDRB,r16
ldi r16, 0x18
out PORTB, r16 ; Pull Up für Taster
cbi PORTB, 0 ; LED aus
ldi r17, 25 ; r17 ist helligkeits wert
l1:
sbi PORTB, 0 ; LED an
mov r16, r17 ; R16 kontrolliert länge des delay (= r17)
rcall delay
cbi PORTB, 0 ; LED aus
ldi r16, 255
sub r16, r17 ; R16 kontrolliert länge des delay (= 255 - r17)
rcall delay
sbis PINB, PB4
inc r17
sbis PINB, PB3
dec r17
rjmp l1
; Delay for (R16 * 4) microseconds
delay:
tst r16 ; R16 = 0? (no delay)
breq dly4
dly2:
ldi r24,low(16)
ldi r25,high(16)
dly3:
sbiw r24,1 ; 2 cycles
brne dly3 ; 2 cycles
dec r16
brne dly2
dly4:
ret
\end{lstlisting}
\newpage
\subsection*{Zusatzaufgabe: Fortlaufendes Auf- und Abdimmen der LEDs}
Diese Aufgabe soll als Anregung für weiterführende Experimente nach eigenen Ideen dienen. Die Helligkeit der LED soll in einer geeigneten Geschwindigkeit stetig herauf- und heruntergeregelt werden, so dass ein ,,weiches Blinken'' entsteht. Dazu muss einen Mechanismus implementiert werden, der den Helligkeitswert nach einem geeigneten Zeitschema verändert.
Realisiere weitergehende Funktionen nach eigenen Ideen.
\begin{lstlisting}[basicstyle=\tiny]
init:
ldi r16,0xff
out DDRB,r16
cbi PORTB,0
; LED von low zu high
dopwm:
ldi r17,25
l1:
ldi r18, 0x01 ; R18 zählt PWM cycles
l2:
cbi PORTB,0
mov r16,r17
rcall delay
sbi PORTB,0
ldi r16,255
sub r16,r17
rcall delay
dec r18
brne l2
inc r17 ; helligkeit erhöhen
brne l1
; LED von high zu low
ldi r17,255
l3:
ldi r18, 0x01
l4:
cbi PORTB,0
mov r16,r17
rcall delay
sbi PORTB,0
ldi r16,255
sub r16,r17
rcall delay
dec r18
brne l4
dec r17 ; helligkeit runter
cpi r17,25
brne l3
rjmp dopwm
; Delay for (R16 * 4) microseconds
delay:
tst r16
breq dly4
dly2:
ldi r24,low(16)
ldi r25,high(16)
dly3:
sbiw r24,1 ; 2 cycles
brne dly3 ; 2 cycles
dec r16
brne dly2
dly4:
ret
\end{lstlisting}
\end{document}