mct: hardware done

mct/includes/elektrotechnik.tex

@@ -52,7 +52,7 @@ \section{Elektrotechnik}
     \]
 
     \begin{center}
-        \includegraphics[width=0.35\textwidth]{includes/figures/widerstand.pdf}
+        \includegraphics[width=0.35\textwidth]{includes/figures/defi_widerstand.pdf}
     \end{center}
 \end{defi}
 

mct/includes/grundlagen.tex

@@ -17,7 +17,7 @@ \section{Grundlagen}
     \vspace{1em}
 
     \begin{center}
-        \includegraphics[width=0.75\textwidth]{includes/figures/microcontroller.pdf}
+        \includegraphics[width=0.75\textwidth]{includes/figures/defi_microcontroller.pdf}
     \end{center}
 \end{defi}
 

mct/includes/hardware.tex

@@ -1 +1,318 @@
-\section{Hardware-Software Schnittstelle}
+\section{Hardware-Software Schnittstelle}
+
+\begin{defi}{Transistor}
+    \emph{TRANsfer reSISTOR (Transistor)} bedeutet soviel wie \enquote{steuerbarer Widerstand}.
+
+    Im Kontext der Digitaltechnik reicht uns die einfache Vorstellung eines CMOS Transistors als durch Spannung gesteuerte Schalter.
+    Sie bestehen aus \texttt{Emitter}, \texttt{Collector} und \texttt{Base}
+
+    \begin{minipage}[t]{0.45\textwidth}
+        Der \emph{n-Typ} Transistor schließt, wenn an der Base 3.3V anliegt.
+
+        \begin{center}
+            \includegraphics[width=0.5\textwidth]{includes/figures/defi_npn.pdf}
+        \end{center}
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}[t]{0.1\textwidth}
+        \
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}[t]{0.45\textwidth}
+        Der \emph{p-Typ} Transistor schließt, wenn an der Base 0V anliegt.
+
+        \begin{center}
+            \includegraphics[width=0.5\textwidth]{includes/figures/defi_pnp.pdf}
+        \end{center}
+    \end{minipage}
+\end{defi}
+
+\begin{defi}{Logikgatter mit Transistoren}
+    \begin{minipage}[t]{0.33\textwidth}
+        \begin{center}
+            \emph{NICHT (NOT)}
+        \end{center}
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}[t]{0.33\textwidth}
+        \begin{center}
+            \emph{UND (AND)}
+        \end{center}
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}[t]{0.33\textwidth}
+        \begin{center}
+            \emph{ODER (OR)}
+        \end{center}
+    \end{minipage}
+
+    \includegraphics[width=\textwidth]{includes/figures/defi_logikgatter.pdf}
+
+    \begin{minipage}[t]{0.33\textwidth}
+        \begin{center}
+            \begin{tabular}{|c||c|}
+                \hline
+                $A$ & $\bar{A}$ \\\hline\hline
+                0   & 1         \\\hline
+                1   & 0         \\\hline
+            \end{tabular}
+        \end{center}
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}[t]{0.33\textwidth}
+        \begin{center}
+            \begin{tabular}{|c|c||c|}
+                \hline
+                $A$ & $B$ & $A \land B$ \\\hline\hline
+                0   & 0   & 0           \\\hline
+                0   & 1   & 0           \\\hline
+                1   & 0   & 0           \\\hline
+                1   & 1   & 1           \\\hline
+            \end{tabular}
+        \end{center}
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}[t]{0.33\textwidth}
+        \begin{center}
+            \begin{tabular}{|c|c||c|}
+                \hline
+                $A$ & $B$ & $A \lor B$ \\\hline\hline
+                0   & 0   & 0          \\\hline
+                0   & 1   & 1          \\\hline
+                1   & 0   & 1          \\\hline
+                1   & 1   & 1          \\\hline
+            \end{tabular}
+        \end{center}
+    \end{minipage}
+\end{defi}
+
+\begin{bonus}{Logikgatter mit Transistoren}
+    Da \emph{UND} und \emph{OR} am Ende negiert werden müssen, sind \emph{NAND} und \emph{NOR} \enquote{leichter} zu bauen:
+
+    \begin{center}
+        \begin{minipage}[t]{0.33\textwidth}
+            \begin{center}
+                \emph{NAND}
+            \end{center}
+        \end{minipage}
+        \begin{minipage}[t]{0.33\textwidth}
+            \begin{center}
+                \emph{NOR}
+            \end{center}
+        \end{minipage}
+
+        \includegraphics[width=0.66\textwidth]{includes/figures/bonus_logikgatter.pdf}
+
+        \begin{minipage}[t]{0.33\textwidth}
+            \begin{center}
+                \begin{tabular}{|c|c||c|c|}
+                    \hline
+                    $A$ & $B$ & $A \land B$ & $\lnot (A \land B)$ \\\hline\hline
+                    0   & 0   & 0           & 1                   \\\hline
+                    0   & 1   & 0           & 1                   \\\hline
+                    1   & 0   & 0           & 1                   \\\hline
+                    1   & 1   & 1           & 0                   \\\hline
+                \end{tabular}
+            \end{center}
+        \end{minipage}
+        \begin{minipage}[t]{0.33\textwidth}
+            \begin{center}
+                \begin{tabular}{|c|c||c|c|}
+                    \hline
+                    $A$ & $B$ & $A \lor B$ & $\lnot (A \lor B)$ \\\hline\hline
+                    0   & 0   & 0          & 1                  \\\hline
+                    0   & 1   & 1          & 0                  \\\hline
+                    1   & 0   & 1          & 0                  \\\hline
+                    1   & 1   & 1          & 0                  \\\hline
+                \end{tabular}
+            \end{center}
+        \end{minipage}
+    \end{center}
+\end{bonus}
+
+\begin{defi}{Treiber}
+    \begin{center}
+        \emph{Treiber (Three-State Driver)}
+    \end{center}
+
+    \begin{minipage}{0.5\textwidth}
+        \begin{center}
+            \includegraphics[width=0.66\textwidth]{includes/figures/defi_driver.pdf}
+        \end{center}
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}{0.5\textwidth}
+        \begin{center}
+            \includegraphics[width=0.4\textwidth]{includes/figures/defi_driver_symbol.pdf}
+
+            \begin{tabular}{|c|c||c|}
+                \hline
+                $A$ & $\bar{G}$ & $Y$                                                                   \\\hline\hline
+                0   & 0         & 0                                                                     \\\hline
+                0   & 1         & nc\footnote{\enquote{not connected bzw. dritter hochohmiger Zustand}} \\\hline
+                1   & 0         & 1                                                                     \\\hline
+                1   & 1         & nc                                                                    \\\hline
+            \end{tabular}
+        \end{center}
+    \end{minipage}
+\end{defi}
+
+\begin{defi}{Multiplexer}
+    Ein \emph{Multiplexer} wird genutzt um an einen Ausgang mehrere Eingänge anzuschließen, die einzeln weitergeleitet werden.
+
+    \begin{minipage}{0.5\textwidth}
+        \begin{center}
+            \includegraphics[width=0.3\textwidth]{includes/figures/defi_multiplexer.pdf}
+        \end{center}
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}{0.5\textwidth}
+        \begin{center}
+            \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c||c|c|}
+                \hline
+                $A$ & $B$ & $C$ & $D$ & $S_1$ & $S_2$ & $Y$ & $Y$ \\\hline\hline
+                0   & *   & *   & *   & 0     & 0     & $A$ & 0   \\\hline
+                1   & *   & *   & *   & 0     & 0     & $A$ & 1   \\\hline
+                *   & 0   & *   & *   & 0     & 1     & $B$ & 0   \\\hline
+                *   & 1   & *   & *   & 0     & 1     & $B$ & 1   \\\hline
+                *   & *   & 0   & *   & 1     & 0     & $C$ & 0   \\\hline
+                *   & *   & 1   & *   & 1     & 0     & $C$ & 1   \\\hline
+                *   & *   & *   & 0   & 1     & 1     & $D$ & 0   \\\hline
+                *   & *   & *   & 1   & 1     & 1     & $D$ & 1   \\\hline
+            \end{tabular}
+        \end{center}
+    \end{minipage}
+\end{defi}
+
+\begin{defi}{SR-Latch}
+    \begin{center}
+        \includegraphics[width=0.5\textwidth]{includes/figures/defi_sr_latch.pdf}
+    \end{center}
+\end{defi}
+
+\begin{bonus}{SR-Latch Übergänge}
+    \begin{center}
+        \includegraphics[width=0.75\textwidth]{includes/figures/bonus_sr_latch.pdf}
+    \end{center}
+\end{bonus}
+
+\begin{defi}{SR-Latch mit Takt}
+    Durch die UND-Gatter werden die Set und Reset-Signale nur weitergeleitet, wenn das Clock-Signal HIGH ist.
+
+    \begin{center}
+        \includegraphics[width=0.75\textwidth]{includes/figures/defi_lr_latch_clock.pdf}
+    \end{center}
+
+    Alternativ kann man das Reset Signal mit NOT-Set ersetzen:
+
+    \begin{center}
+        \includegraphics[width=0.75\textwidth]{includes/figures/defi_lr_latch_clock2.pdf}
+    \end{center}
+\end{defi}
+
+\begin{defi}{Pulsgenerator}
+    Häufig soll die Datenübernahme nur bei einer steigenden oder fallenden Flanke des Clock-Signals erfolgen.
+    Dazu wird ein Pulsgenerator eingesetzt.
+
+    Sei $\Delta$ die Verzögerung, die die Bauteile zum \enquote{schalten} benötigen:
+
+    \begin{center}
+        \includegraphics[width=0.75\textwidth]{includes/figures/defi_pulsgenerator.pdf}
+    \end{center}
+\end{defi}
+
+\begin{defi}{D-Flipflop}
+    Ein \emph{D-Flipflop} kombiniert das D-Latch mit einer Flankensteuerung:
+
+    \begin{center}
+        \includegraphics[width=0.75\textwidth]{includes/figures/defi_d_flipflop.pdf}
+    \end{center}
+\end{defi}
+
+\begin{defi}{MSP432 Speicher Layout}
+    ARM Prozessoren besitzen eine Harvard-Architektur.
+    Der MSP432 besitzt 32-Bit Adressbusse und 32-Bit Datenbusse.
+
+    Aus der Programmier-Perspektive zeigt jede Adresse jedoch auf einen Byte (8 Bit), nicht ein ganzes 32-Bit Wort.
+
+    Der MSP432 hat einen 4GB Adressraum, der in 512MB-Zonen unterteilt ist:
+
+    \includegraphics[width=\textwidth]{includes/figures/defi_msp432_speicher.pdf}
+\end{defi}
+
+\begin{defi}{GPIO-Register}
+    \begin{wrapfigure}{r}{0.35\textwidth}
+        \begin{center}
+            \includegraphics[width=0.3\textwidth]{includes/figures/defi_msp432_port.pdf}
+        \end{center}
+    \end{wrapfigure}
+
+    Die Einstellungen für einen GPIO Port befinden sich in mehreren Registern.
+    Sie sind in folgende Register unterteilt:
+    \begin{itemize}
+        \item \texttt{SEL1}: Select1
+        \item \texttt{SEL2}: Select2
+        \item \texttt{REN}: Resistor Enable
+        \item \texttt{DIR}: Richtung (Direction)
+        \item \texttt{OUT}: Ausgangspegel
+        \item \texttt{IN}: Eingangspegel
+    \end{itemize}
+\end{defi}
+
+\begin{bonus}{Bitmaske}
+    Man kann durch die \texttt{msp.h} Bibliothek byteweise auf Register zugreifen.
+    Jedoch möchte man anliegende Leitungen nicht beeinflussen.
+
+    Dazu kann man durch logische Verknüpfungen einzelne Bits verändern.
+
+    Sei P1 bis auf das letzte bit (\texttt{$\alpha$}) unbekannt, die Maske für P1.1 \texttt{0000 0001}:
+
+    \begin{center}
+        \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
+            \hline
+            $\text{P1} \land \text{Maske}$ & $\text{P1} \land \lnot \text{Maske}$ & $\text{P1} \lor \text{Maske}$ & $\text{P1} \lor \lnot \text{Maske}$ & $\text{P1} \oplus \text{Maske}$ \\\hline\hline
+            \texttt{0000 0000$\alpha$}     & \texttt{.... ...0}                   & \texttt{.... ...1}            & \texttt{1111 1111$\alpha$}          & \texttt{.... ...$\lnot \alpha$} \\\hline
+        \end{tabular}
+    \end{center}
+
+    Wir sehen, dass wir um $\alpha$ zu verändern folgende Verknüpfungen nehmen müssen:
+    \begin{itemize}
+        \item \texttt{0}: $\land \lnot (\text{0000 0001})$
+        \item \texttt{1}: $\lor (\text{0000 0001})$
+        \item \texttt{$\lnot \alpha$}: $\oplus (\text{0000 0001})$
+    \end{itemize}
+\end{bonus}
+
+\begin{example}{C Schnittstelle zur Peripherie}
+    Wenn wir P1.0\footnote{Auf dem MSP432 die rote LED} als Output setzen wollen, können wir die Register wie folge manipulieren:
+
+    \begin{lstlisting}[language=c]
+        #include msp.h
+
+        #define BIT0 (uint16_t) (0x0001) // 0000 0001
+
+        // Select GPIO mode
+        P1->SEL0 &= ~BIT0 // .... ...0
+        P1->SEL1 &= ~BIT0 // .... ...0
+
+        // Set as output
+        P1->DIR |= BIT0   // .... ...1
+
+        // Modify output
+        P1->OUT &= ~BIT0  // .... ...0 - Clear P1.0
+        P1->OUT |= BIT0   // .... ...1 - Set P1.0
+        P1->OUT ^= BIT0   // TOGGLE P1.0
+    \end{lstlisting}
+\end{example}
+
+\begin{example}{C Schnittstelle zur Peripherie}
+    Wenn wir P5.1\footnote{Auf dem MSP432 Schalter 1} als Input setzen wollen, können wir die Register wie folge manipulieren:
+
+    \begin{lstlisting}[language=c]
+        #include msp.h
+
+        #define BIT1 (uint16_t) (0x0002) // 0000 0010
+
+        // Select GPIO mode
+        P5->SEL0 &= ~BIT1 // .... ...0
+        P5->SEL1 &= ~BIT1 // .... ...0
+
+        // Set as input
+        P5->DIR &= ~BIT1  // .... ...0
+
+        // Read P5
+        P5->IN
+    \end{lstlisting}
+\end{example}