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11. SPI-Schnittstelle

Übung

I. Vorarbeiten

1. Laden Sie folgende Datei herunter:
   1. mexleuhr_spi.simu
   2. mexleuhr_master.hex
   3. pcd8544.zip

II. Analyse des fertigen Programms

1. Initialisieren des Programms
   1. Öffnen Sie SimulIDE und öffnen Sie dort mittels die Datei mexleuhr_spi.simu. In der Simulation sind einige Änderungen zu finden:
      1. Die Schalter sind an den Pins C0…C3 angeschlossen, statt an den Pins B1…B4. Viele der Pins haben - neben er Möglichkeit digitale Werte auszugeben - weitere Funktionen. Im Datenblatt ist diese Belegung beschrieben:
         • Bei PB2 steht auch $\overline{SS}$ für „Slave Select“
         • Bei PB3 steht auch $MOSI$ für „Master out, slave in“
         • Bei PB4 steht auch $MISO$ für „Master in, slave out“
         • zusätzlich steht bei PB5 steht auch $SCK$ für „serial clock“
      2. Diese Anschlüsse sind an einem weiteren Display „Pcd8544“ angeschlossen. Zusätzlich ist PB1 an „D/C“ des Displays angeschlossen
      3. PB3 ($MOSI$) ist zusätzlich an einem Oszilloskop angeschlossen. Die Eingänge zum PCD8544 sind jeweils an eine Probe angeschlossen. Die Probes sind mit einem Plotterkanal verbunden.
   2. Laden Sie mexleuhr_master.hex als firmware auf den 328 Chip
   3. Zunächst wird eine Startanzeige mit dem Namen des Programms dargestellt.
   4. Als nächstes ist im Display eine Uhr mit dem Format HH:MM:SS Menu zu sehen
   5. Die Tasten $S2$ und $S3$ ermöglichen das Einstellen der Stunde und Minute.
   6. Bleibt die Taste $S1$ gedrückt, so werden die Zehntelsekunden auf dem Display Pcd8544 ausgegeben.
   7. Beim Druck auf die Taste $S4$ wird eine Linie zwischen zwei zufälligen Punkten gezeichnet
2. Das Programm zu diesem Hexfile soll nun erstellt und erklärt werden

III. Eingabe in Atmel Studio

/* ============================================================================

Experiment 7: 	MiniMEXLE-Uhr mit hh:mm:ss-Anzeige und SPI-Master
=============	=========================================================

Dateiname:		MEXLEuhr_Master.c

Autoren:		Prof. T. Fischer (Hochschule Heilbronn)
				Prof. G. Gruhler (Hochschule Heilbronn)
				D. Chilachava	 (Georgische Technische Universitaet)

Version:		0.2 vom 23.05.2020

Hardware:		Simulide 

Software:		Atmel Studio Ver. 7.xx 				

Funktion:		Digitaluhr mit Anzeige von Stunden, Minuten und Sekunden. Eine
				einfache Stellfunktion ist mit den Tasten S2 und S3 realisiert.
				Mit S1 und S4 kann die SPI-Kommunikation mit einem Slave-Display
				gestartet werden

Displayanzeige:	Start (fuer 2s):		Betrieb:
				+----------------+		+----------------+
				| MEXLEuhr - SPI |		|=== 00:00:00 ===|
				|     Master     |		|10tl Std Min Lin|
				+----------------+		+----------------+

Tastenfunktion:	S1: uebertraegt die Zehntelsekunde vom Master zum Slave
				S2:	Std	(zaehlt Stunden bei Flanke aufwaerts. Ueberlauf bei 24)
				S3: Min (zaehlt Minuten bei Flanke aufwaerts. Ueberlauf bei 60)
						(setzt Sekunden beim Druecken zurueck auf 00)
				S4: uebertraegt die Info zum Darstellen einer Linie zum Master

Fuses im uC:	CKDIV8: Aus	(keine generelle Vorteilung des Takts)

Header-Files:	lcd_lib_de.h	(Library zur Ansteuerung LCD-Display Ver. 1.2)

Libraries:		pcd8544.c		(Library		fuer die Ansteuerung des Displays)
				pcd8544.h		(Header-Datei	fuer die Ansteuerung des Displays)

Module:			1) Taktgenerator
				2) Zaehler fuer Uhr	(Takt: 1 s)
				3) Anzeigetreiber 	(Takt: 100 ms)
				4) Stellfunktion  	(Takt: 10 ms)
				5) SPI-Funktionen
				

	Die Kopplung der Module wird ueber global definierte Variable realisiert:

 	1-Bit-Variable:		takt10ms:	Taktgenerator => Stellfunktion
						takt100ms:	Taktgenerator => Anzeigetreiber
						takt1s:		Taktgenerator => Zaehler fuer Uhr

	8-Bit-Variable:		sekunden	Stellfunktion => Zaehler => Anzeige
						minuten
						stunden

=============================================================================*/


// Deklarationen ==============================================================

// Festlegung der Quarzfrequenz

#ifndef F_CPU							// optional definieren
#define F_CPU 6144000UL					// MiniMEXLE mit 6,144 MHz Quarz	
#endif								


// Include von Header-Dateien

#include <avr/io.h>						// I/O-Konfiguration (intern weitere Dateien)
#include <stdbool.h> 					// Bibliothek fuer Bit-Variable
#include <stdlib.h> 					// Bibliothek fuer Bit-Variable
#include <avr/interrupt.h>				// Definition von Interrupts
#include <util/delay.h>					// Definition von Delays (Wartezeiten)
#include "lcd_lib_de.h"					// Header-Datei fuer LCD-Anzeige
#include "pcd8544.h"					// Header Datei des Displays

// Makros

#define	SET_BIT(PORT, BIT)	((PORT) |=  (1 << (BIT))) // Port-Bit Setzen
#define CLR_BIT(PORT, BIT)	((PORT) &= ~(1 << (BIT))) // Port-Bit Loeschen
#define TGL_BIT(PORT, BIT) 	((PORT) ^=  (1 << (BIT))) // Port-Bit Toggeln

// Konstanten

#define VORTEILER_WERT 		30			// Faktor Vorteiler = 90
#define HUNDERTSTEL_WERT 	10		 	// Faktor Hundertstel = 10
#define ZEHNTEL_WERT	 	10	 		// Faktor Zehntel = 10

#define SPEAK_PORT			PORTD		// Port-Adresse fuer Lautsprecher
#define SPEAK_BIT			5			// Port-Bit fuer Lautsprecher
#define LED_PORT			PORTB		// Port-Adresse fuer LED
#define LED_BIT				0			// Port-Bit fuer gelbe LED an PB2

#define ASC_NULL			0x30		// Das Zeichen '0' in ASCII
#define ASC_COLON			0x3A		// Das Zeichen ':' in ASCII

// Variable

unsigned char vorteiler 	= VORTEILER_WERT;	// Zaehlvariable Vorteiler
unsigned char hundertstel 	= HUNDERTSTEL_WERT; // Zaehlvariable Hundertstel
unsigned char zehntel 		= ZEHNTEL_WERT;		// Zaehlvariable Zehntel

unsigned char zehntelSekunden = 0;		// Variable Sekunden
unsigned char sekunden 		= 56;		// Variable Sekunden
unsigned char minuten 		= 34;		// Variable Minuten
unsigned char stunden 		= 12;		// Variable Stunden

unsigned char zeile 		= 0;		// x-Koordinate
unsigned char pos 			= 0;		// y-Koordinate
unsigned char zeichen		='a'-1;		// auszugebendes Zeichen

bool timertick;							// Bit-Botschaft alle 0,111ms (bei Timer-Interrupt)
bool takt10ms;							// Bit-Botschaft alle 10ms
bool takt100ms;							// Bit-Botschaft alle 100ms
bool takt1s;							// Bit-Botschaft alle 1s

bool sw1_neu = 1;						// Bitspeicher fuer Taste 1
bool sw2_neu = 1;						// Bitspeicher fuer Taste 2
bool sw3_neu = 1;						// Bitspeicher fuer Taste 3
bool sw4_neu = 1;						// Bitspeicher fuer Taste 4
bool sw1_alt = 1;						// alter Wert von Taste 1
bool sw2_alt = 1;						// alter Wert von Taste 2
bool sw3_alt = 1;						// alter Wert von Taste 3
bool sw4_alt = 1;						// alter Wert von Taste 4

bool PcdSendMessage = 0;				// Flag fuer sendebereite SPI-Nachricht

// Funktionsprototypen

void timerInt0(void);					// Init Zeitbasis mit Timer 0
void uhrStellen(void);					// Stellfunktion
void uhrAnzeigen(void);					// Anzeigefunktion
void uhrZaehlen(void);					// Uhrfunktion
void initDisplay(void);					// Init Anzeige
void zehntelSekundenAufPcdAnzeigen(void);// 

// Hauptprogramm ==============================================================

int main()
{
	// Initialisierung
	
	initDisplay();						// Initialisierung LCD-Anzeige
	pcd_init();

	TCCR0A = 0;							// Timer 0 auf "Normal Mode" schalten
	SET_BIT(TCCR0B, CS01);				// mit Prescaler /8 betreiben
	SET_BIT(TIMSK0, TOIE0);				// Overflow-Interrupt aktivieren

	SET_BIT(DDRD, SPEAK_BIT);			// Speaker-Bit auf Ausgabe
	PORTC |= 0b00001111;				// Taster Anschluesse auf Pullup R
	SET_BIT(DDRB, LED_BIT);				// LED-Bit auf Ausgabe

	sei();								// generell Interrupts einschalten
	
	// Hauptprogrammschleife

	while(1)							// unendliche Warteschleife mit Aufruf der
										// Funktionen abhaengig von Taktbotschaften
	{
		if (takt10ms)					// alle 10ms:
		{
			takt10ms = 0;				//		Botschaft "10ms" loeschen
			uhrStellen();				//		Tasten abfragen, Stellen, SPI-Komm.
		}

		if (takt100ms)					// alle 100ms:
		{
			takt100ms = 0;				//		Botschaft "100ms" loeschen
			if (PcdSendMessage)			// wenn SPI-Nachricht gesendet werden soll:
			{				
				PcdSendMessage = 0;		// Botschaft loeschen
				TGL_BIT(LED_PORT, LED_BIT);		// LED Zustand wechseln
				zehntelSekundenAufPcdAnzeigen();// Anzeige auf PCD Display
			}
			uhrAnzeigen();				//		Uhrzeit auf Anzeige ausgeben
			uhrZaehlen();				//		Uhr weiterzaehlen
		}

		if (takt1s)						// alle Sekunden:
		{
			takt1s = 0;					//		Botschaft "1s" loeschen
			TGL_BIT(LED_PORT, LED_BIT);	// LED Zustand wechseln
			pcd_init();
		}		
	}
	return 0;
}


// Interrupt-Routine ==========================================================

ISR (TIMER0_OVF_vect)

/* 	In der Interrupt-Routine sind die Softwareteiler realisiert, die die Takt-
	botschaften (10ms, 100ms, 1s) fuer die gesamte Uhr erzeugen. Die Interrupts
	werden von Timer 0 ausgeloest (Interrupt Nr. 1)

	Veraenderte Variable: vorteiler
						  hunderstel
						  zehntel

	Ausgangsvariable:	  takt10ms
						  takt100ms
						  takt1s
*/

{
	timertick = 1;						// Botschaft 0,111ms senden
	--vorteiler;						// Vorteiler dekrementieren
	if (vorteiler==0)					// wenn 0 erreicht: 10ms abgelaufen
	{
		vorteiler = VORTEILER_WERT;		//    Vorteiler auf Startwert
		takt10ms = 1;					//    Botschaft 10ms senden
		--hundertstel;					//    Hunderstelzaehler dekrementieren

		if (hundertstel==0)				// wenn 0 erreicht: 100ms abgelaufen
		{
			hundertstel = HUNDERTSTEL_WERT; // Teiler auf Startwert
			takt100ms = 1;				//    Botschaft 100ms senden
			--zehntel;					//    Zehntelzaehler dekrementieren

			if (zehntel==0)				// wenn 0 erreicht: 1s abgelaufen
			{
				zehntel = ZEHNTEL_WERT;	//    Teiler auf Startwert
				takt1s = 1;				//    Botschaft 1s senden
			}
		}
	}
}

// Stellfunktion ==============================================================

void uhrStellen(void)

/* 	Die Stellfunktion der Uhr wird alle 10ms aufgerufen. Dadurch wir eine
 	Entprellung der Tastensignale realisiert. Das Stellen wir bei einer 
 	fallenden Flanke des jeweiligen Tastensignals durchgefuehrt. Darum 
 	muss fuer einen weiteren Stellschritt die Taste erneut betaetigt werden.
	Ebenso wird die SPI-Funktion hier aufgerufen.

 	Eine Flanke wird durch (alter Wert == 1) UND (aktueller Wert == 0) erkannt.

 	Mit der Taste S1 wird die Uebergabe der Zeit Master > Slave gestartet
	Mit der Taste S2 werden die Stunden aufwaerts gestellt.
 	Mit der Taste S3 werden die Minuten aufwaerts gestellt (kein Uebertrag)
 	Solange Taste S3 gedrueckt ist werden die Sekunden auf 00 gehalten
	Mit der Taste S4 wird die Uebergabe der Zeit Master < Slave gestartet

 	Veraenderte Variable: stunden
						  minuten
						  sekunden

 	Speicher fuer Bits:	  sw1Alt
						  sw2Alt
						  sw3Alt
						  sw4Alt
*/

{	
	sw1_neu = (PINC & (1 << PC0));		// Tasten von Port einlesen
	sw2_neu = (PINC & (1 << PC1));
	sw3_neu = (PINC & (1 << PC2));
	sw4_neu = (PINC & (1 << PC3));

	if ((sw1_neu==0))					// wenn Taste 1 gedrueckt ist:
	{
		PcdSendMessage = 1;				//    Senden der SPI-Nachricht aktivieren
	}
	
	if ((sw2_neu==0)&(sw2_alt==1))		// wenn Taste 2 eben gedrueckt wurde:
	{
		stunden++;						//    Stunden hochzaehlen, Ueberlauf bei 23
		if (stunden==24)
			stunden = 00;
	}
	if ((sw3_neu==0)&(sw3_alt==1))		// wenn Taste 3 eben gedrueckt wurde:
	{
		minuten++;						//    Minuten hochzaehlen, Ueberlauf bei 59
		if (minuten==60)
			minuten = 00;
	}
	if (sw3_neu==0)						// solange Taste 3 gedrueckt:
	sekunden = 00;						// 	  Sekunden auf 00 setzen

	if ((sw4_neu==0)&(sw4_alt==1))		// wenn Taste 3 eben gedrueckt wurde:
	{
		pcd_putLine(rand()%83,rand()%47,rand()%83,rand()%47);
		pcd_updateDisplay();
	}
	
	sw1_alt = sw1_neu;					// aktuelle Tastenwerte speichern
	sw2_alt = sw2_neu;					//    in Variable fuer alte Werte
	sw3_alt = sw3_neu;
	sw4_alt = sw4_neu;
}

// Anzeigefunktion Uhr ========================================================

void uhrAnzeigen(void)

/*	Die Umrechnung der binaeren Zaehlwerte auf BCD ist folgendermaßen geloest: 
	Zehner: einfache Integer-Teilung (/10)
	Einer:  Modulo-Ermittlung (%10), d.h. Rest bei der Teilung durch 10
*/

{
	lcd_gotoxy(0,4);					// Cursor auf Start der Zeitausgabe setzen

	lcd_putc(ASC_NULL + stunden/10);	// Stunden Zehner als ASCII ausgeben
	lcd_putc(ASC_NULL + stunden%10);	// Stunden Einer als ASCII ausgeben
	lcd_putc(ASC_COLON);				// Doppelpunkt ausgeben

	lcd_putc(ASC_NULL + minuten/10);	// Minuten als ASCII ausgeben
	lcd_putc(ASC_NULL + minuten%10);	// 
	lcd_putc(ASC_COLON);				// Doppelpunkt ausgeben

	lcd_putc(ASC_NULL + sekunden/10);	// Sekunden als ASCII ausgeben
	lcd_putc(ASC_NULL + sekunden%10);	//
}

// Anzeigefunktion fuer PCD Display ========================================================

void zehntelSekundenAufPcdAnzeigen(void)

/*	Anzeigen der Zenhtelsekunden auf dem Display PCD8544
*/

{
	pcd_gotoxy(zeile, pos);				// Setze Position am Display
	pcd_putc(zehntelSekunden+0x30);		// Schreibe Zehntelsekunden 
	pcd_updateDisplay();				// Aktualisiere das Display des PCD8544
	if (++pos > 13)						// naechste Position, und wenn diese ausserhalb der Anzeige
	{
		pos = 0;						// zurueck auf erste Position
		if (++zeile > 5)				// naechste Zeile, und wenn diese ausserhalb der Anzeige
		{
			zeile = 0;					// zurueck auf erste Zeile
			pcd_clearDisplay();			// loesche Anzeige
		};
	}
}

// Initialisierung Display-Anzeige ============================================

void initDisplay()						// Start der Funktion
{
	lcd_init();							// Initialisierungsroutine aus der lcd_lib
	
	lcd_gotoxy(0,0);					// Cursor auf 1. Zeile, 1. Zeichen
	lcd_putstr("- Experiment 7a-");		// Ausgabe Festtext: 16 Zeichen

	lcd_gotoxy(1,0);				 	// Cursor auf 2. Zeile, 1. Zeichen
	lcd_putstr("Uhr + SPI-Master");		// Ausgabe Festtext: 16 Zeichen

	_delay_ms(1000);					// Wartezeit nach Initialisierung

	lcd_gotoxy(0,0);				   	// Cursor auf 1. Zeile, 1. Zeichen
	lcd_putstr("=== 00:00:00 ===");		// Ausgabe Festtext: 16 Zeichen

	lcd_gotoxy(1,0);		       		// Cursor auf 2. Zeile, 1. Zeichen
	lcd_putstr("10tl Std Min Lin.");		// Ausgabe Festtext: 16 Zeichen

}										// Ende der Funktion


// Zaehlfunktion Uhr ==========================================================

void uhrZaehlen (void)					// wird jede Sekunde gestartet

/*	Die Uhr wird im Sekundentakt gezaehlt. Bei jedem Aufruf wird auch ein 
	"Tick" auf dem Lautsprecher ausgegeben. Ueberlaeufe der Sekunden zaehlen
	die Minuten, die Ueberlaeufe der Minuten die Stunden hoch.

	Veraenderte Variable:	sekunden
							minuten
							stunden
*/

{
	TGL_BIT (SPEAK_PORT, SPEAK_BIT);	// "Tick" auf Lautsprecher ausgeben
										// durch Invertierung des Portbits
	zehntelSekunden++;
	if (zehntelSekunden==10)			// bei Ueberlauf:
	{
		zehntelSekunden=0;
		sekunden++;						// Sekunden hochzaehlen
		if (sekunden==60)				// bei Ueberlauf:
		{
			sekunden = 0;				//   Sekunden auf 00 setzen
			minuten++;					//   Minuten hochzaehlen
			if (minuten==60)			//	 bei Ueberlauf:
			{
				minuten = 0;			//	   Minuten auf 00 setzen
				stunden++;				//	   Stunden hochzaehlen
				if (stunden==24)		//	   bei Ueberlauf:
					stunden = 0;		//		 Stunden auf 00 setzen
			}
		}
	}
}

/*=============================================================================

Ändern Sie auch hier wieder die Beschreibung am Anfang des C-Files, je nachdem was Sie entwickeln













































Deklarationen ===================================

1. Hier wird wieder geprüft ob die Frequenz des Quarz bereits eingestellt wurde und - falls nicht - dessen Frequenz eingestellt. Die Frequenz ist diesmal merklich niedriger, da die Ansteuerung des Display keine höheren Raten erlaubt
   
   
   
2. Zusätzlich zu den bisherigen Header-Dateien sind nun folgende hinzugekommen:
   
   
   1. <stdlib.h> - Standard-Bibliothek für Typenumwandlung und mehr. Hiervon wird die Erstellung von Zufallswerten genutzt
      
      
   2. „pcd8544.h“ - Bibliothek für das einbinden des neuen Displays
      
      
      
3. Die Makros entsprechen denen der letzten Programme.
   
   
   
   
4. Die Konstanten entsprechen im Wesentlichen denen der letzten Programme. Der Vorteiler Wert entspricht aber hier der Hälfte des bisherigen Wertes, da die Taktfrequenz ebenso halb so groß ist.
   
   
   
   
   
   
5. Für die Zeichen 0 und : werden für die ASCII-Codes Makros definiert. Dadurch wird das Lesen des am Display ausgegebenen Textes im Code einfacher.
   
   
6. Bei den Variablen entsprechen einige denen der letzten Programme.
   
   
   
   
   
7. Für die Uhr werden Stunden, Minuten, Sekunden und Zehntelsekunden mit Anfangswerten deklariert.
   
   
   
8. Für das neue Display werden Variablen für die Textposition und für das auszugebenden Zeichen deklariert.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
9. Das Flag PcdSendMessage zeigt an, ob Zeichen regelmäßig zu übertragen sind.
   
   
   
10. Bei den Funktionsprototypen sind einige bekannte Unterprogramme vorhanden. Details werden weiter unten erklärt.
    
    
    
    
    

Hauptprogramm =========================

1. Zunächst werden zwei Initialisierungsroutinen aufgerufen (siehe weiter unten)
2. Dann werden wieder „Timer/Counter Control Register“ und „Timer Interrupt MaSK“ konfiguriert.
3. Die „Data Direction Register“ wurden auch bereits beschrieben. Diese werden hier so konfiguriert, dass zwei Anschlüsse für Lautsprecher und LED als Ausgang definiert sind.
   
   
4. Auch die Konfiguration der Anschlüsse für die Schalter wurde bereits erklärt. Die an Port C angeschlossenen Taster erhalten dadurch einen Pull-up Widerstand.
   
   
5. Mit dem Befehl sei() wird die Bearbeitung von Interrupts aktiv.
   
   
   
6. In der Endlosschleife sind verschiedene Zeitzyklen vorgesehen (wie beim Up/Down Counter).
   
   
   1. im $10ms$ Raster (auch $10ms$ Zyklus genannt) wird die Unterfunktion uhrStellen aufgerufen.
      
      
      
      
   2. im $100ms$ Raster werden die Unterfunktionen uhrAnzeigen und UhrZaehlen aufgerufen. Davor wird, falls das Flag PcdSendMessage gesetzt ist, wird dieses zurückgesetzt, die LED blinkt und das Unterprogramm zehntelSekundenAufPcdAnzeigen wird aufgerufen.
      
      
      
      
      
      
   3. im $1s$ Raster blinkt die LED und das Unterprogramm pcd_init zum initialisieren des PCD Displays wird aufgerufen.
      
      
      
      
      
      
      

Interrupt Routine =========================

1. Mit dem Befehl ISR() wird wieder die Interrupt Service Routine für den OVerFlow Interrupt des TIMER0 angelegt.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
2. Die Ermittlung von Timertick, vorteiler, takt10ms, hundertstel und takt100ms ist hier wieder gleich dem im Up/Down Counter.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
3. Eine Erweiterung auf zehntel und takt1s wurde hier mit eingefügt.
   
   
   
   
   

Funktion Tasten einlesen ==============

1. In dieser Funktion werden zunächst die Stellungen aller Taster eingelesen (vgl. counterCounting(void) bei Up/down Counter).
   
   
2. Die Flankenerkennung in den if-Bedingungen wurde auch bereits beim Up/down Counter erklärt.
3. Wenn die Taste S1 gedrückt ist, so wird das Flag PcdSendMessage gesetzt, welches in main zum Aufrufen des Unterprogramm zehntelSekundenAufPcdAnzeigen in jedem $100ms$ Raster führt.
   
   
   
4. Die Tasten S2 und S3 führen zum einmaligem Hochzählen der Stunden bzw. Minuten. Wenn der jeweilige Wert über das Maximum hinausläuft, so beginnt dieser wieder beim Minimum.
   
   
   
   
   
   
   
   
5. Die Taste S4 zeichnet eine Linie mittels pcd_putLine und aktualisiert das Displays des PCD8544
   
   
   
   
   
   
   
   

Anzeigefunktion Uhr =========================

1. Auf dem LCD wird zunächst die Position (0,4) als Ausgabeort vorgegeben
2. Vom Wert stunden wird zunächst die Zehnerstelle über Division ermittelt und ausgegeben. Die Einerstelle ergibt sich über Modulo (%).
3. Danach wird ein Doppelpunkt ausgegeben
4. Die Anzeige von Minuten und Sekunden erfolgt analog.

Anzeigefunktion fuer PCD Display =========================

1. Auch für die Anzeige auf dem PCD 8544 wird zunächst die Position auf dem Display mittels pcd_gotoxy definiert.
2. Der Wert der Zehntelsekunde wird über pcd_putc auf dem Display ausgegeben.
3. Danach wird die Displayanzeige aktualisiert
4. Die Position auf dem PCD Display wird anschließend erhöht. Da nur 13 Zeichen in eine Zeile passen, wird - falls diese Grenze erreicht wurde - die Position zurückgesetzt.
5. Falls das Ende einer Zeile erreicht wurde, wird die Zeilenposition erhöht. Wenn die Maximalzahl von 5 Zeilen erreicht wurde, so wird wieder auf die erste Position der ersten Zeile zurückgesprungen und das Display gelöscht.

Initialisierung Display-Anzeige =====

1. Hier werden der Anfangs-Screen ausgegeben, etwas gewartet und anschließend die Anzeige für die Uhr angelegt.

Zaehlfunktion Uhr =================

1. Hier wird zunächst ein Flankenwechsel für den Lautsprecher ausgegeben. Damit knackt der Lautsprecher etwa im $10ms$ Takt.
2. In den verschachtelten if-Anweisungen werden jeweils die einzelnen Werte (z.B. zehntelsekunden) hochgezählt. Sobald das Maximum erreicht wurde, so wird dieser Wert zurückgesetzt und der nächstgrößere Wert hochgezählt. Dies geschieht in der Art, dass auch mehrere Überläufe gleichzeitig stattfinden können: z.B. von 23:59:59:9 auf 0: 0: 0:0

IV. Ausführung in Simulide

1. Legen Sie in Atmel Studio ein neues Projekt an.
2. Fügen Sie in dieses die *.c und *.h Files aus dem File pcd8544.zip hinzu.
   Dazu ist zunächst das zip-File zu entpacken und die Files dann als Existing Item hinzuzufügen - wie in 2. Sound und Timer beschrieben.
3. Geben Sie die oben dargestellten Codezeilen in main.c ein und kompilieren Sie den Code.
4. Öffnen Sie Ihre hex-Datei in SimulIDE und testen Sie, ob diese die gleiche Ausgabe erzeugt

Bitte arbeiten Sie folgende Aufgaben durch:

Aufgaben

1. Analyse der Zufallsfunktion rand()
   1. Wenn Sie die Taste S4 drücken, erscheint eine Linie mit zufälligen Anfangs- und Endpunkten auf dem Display PCD8544.
   2. Prüfen Sie nach, ob die Anfangs- und Endpunkte tatsächlich zufällig zu sein scheinen.
      Wie sieht dies nach dem Neustart des Systems aus?
      
      
2. Analyse der seriellen Kommunikation
   1. Wenn Daten vom Mikrocontroller zum PCD8544 übertragen werden, so ist auf dem Oszilloskop und auf dem Plotter die Situation des Signals auf der „Data IN“ Leitung zum Display zu sehen. Im folgenden soll dieses genauer betrachtet werden.
   2. Dazu starten Sie zunächst die Simulation und zeichnen Sie durch mehrmaliges Drücken von S4 viele Linien auf das Display und halten Sie S1 geschlossen.
   3. Auf dem Oszilloskop ist ein detailliertes Signal auf dem PCD8544-Eingang DIN zu sehen. Das selbe Signal im Plotter (rot, 2. von oben) zeigt diese Details nicht. Weder das Oszilloskop, noch der Plotter ermöglicht dabei die Auswertung.
   4. Ändern Sie die Taktfrequenz von 6,144 Mhz mexleuhr_spi.simuauf 0,1 Mhz. Der Controller läuft nun langsamer.
   5. Der Abstand zwischen den Signale scheinen nun größer geworden zu sein. Falls keine Änderung der Signale im Potter zu sehen ist, kann durch das Drücken der Taste S4 (Linie zeichnen) eine Kommunikation zum PCD8544 erzeugt werden. Das rote Signal im Plotter gleicht aber immer noch nicht dem des Oszilloskops.
   6. Öffnen Sie zunächst wieder den Schalter S4. Um das Signal besser aufzulösen kann die Simulationsgeschwindigkeit herabgesetzt werden. Dazu kann in die Freifläche der Simulation (beiger Hintergrund) geklickt und links der Reiter Properties ausgewählt werden. In der obersten Zeile ist nun die Eigenschaft Speed mit dem Wert 1000000 zu sehen. Ändern Sie diesen auf 100000.
   7. Schließen Sie nun wieder den Schalter S4. nach kurzer Zeit ist ein Signal auf der Schnittstelle zu sehen. Sobald dieses sichtbar ist, ändern Sie die Geschwindigkeit auf 200.
   8. Nun sollten die Signale gut aufgelöst sichtbar sein:
      1. Das 1. Signal CLK (CLocK, gelb) taktet 8 mal und zeigt dann eine kurze Pause
      2. Das 2. Signal DIN (Data _IN_, rot) zeigt das eigentliche Signal. Bei der SPI-Schnittstelle wird dieses Signal MOSI (Master Out, Slave In) genannt. Dies kann bei Ihnen auch nur LOW, bis auf einen kurzen HIGH Pegel am Ende der 8 Takte von CLK zeigen. Das Signal entspricht jeweils einem 8-bit langen Teil einer Pixel-Zeile. Wenn nur wenig Pixel auf dem Display dunkel sein sollen, so ist dieses Signal häufig LOW. Im Bild oben ist ein etwas wechselhafteres Signal zu sehen.
      3. Das 3. Signal D/C (Data/Command, blau) ist fast immer HIGH. Dieses Signal zeit an, ob das Signal auf dem Kanal DIN als Kommando oder Daten interpretiert werden sollen. Wenn Daten auf dem Display ausgegeben werden sollen, so ist dieses Signal HIGH. Diese Signal ist kein Teil der offiziellen SPI Schnittstelle.
      4. Das 4. Signal CS (Chip Select, grün) wird nur zwischen den takten von CLK HIGH. Das Signal zeigt an, dass der Slave auf das folgende Signal hören soll und wird gelegentlich auch SS (Slave Select) genannt.
   9. Das im Bild dargestellte Signal ist 00110110 also 0x36 oder dezimal 56.
      
      

      Info: Reale Hardware

      Bei der realen Hardware kann zur Analyse der seriellen Schnittstelle ein Oszilloskop oder Logic Analyzer verwendet werden. Diese haben einen Triggereingang und bieten die Möglichkeit Zeitbasis der hoch aufgelösten Daten so zu verändern, dass einzelne Details besser sichtbar werden (ähnlich einem Zoom). Dies ist in der aktuellen Version von SimulIDE noch nicht möglich.
      
      Andererseits ist das Herabsetzten des Takts für die Analyse einer Hardware ohne Programmierinterface ein übliches Vorgehen. Beim „Reverse Engineering“ kann so in einzelnen Schritten die Ausgabe (oder über diverse „Side Channels“ auch die interne Abarbeitung) analysiert werden.

3. Analyse der Dateien in pcd8544.zip in Atmel Studio
   1. In der Datei characterset5x8.c ist der Zeichensatz für das Display zu finden. Warum ist dieser um 90° gedreht?
   2. In der Datei pcd8544.c ist die eigentliche Bibliothek für die Kommunikation zum Display zu finden.
      1. Der Datentransfer über SPI geschieht über das Register SPDR (SPI Data Register). In welcher Funktion in der Bibliothek wird dieses Register gefüllt? Lösung pcd_write()
      2. Suchen Sie in dem Datenblatt des 328P nach SPSR (SPI Status Register). Für was ist darin das Flag SPIF zuständig? Wie soll dieses verwendet werden?
      3. Von welchen anderen Funktionen wird die gefundene Funktion aufgerufen?
      4. Was wird bei den Funktionen pcd_putPixel() und pcd_putc() tatsächlich beschrieben? Wird darin direkt das Display angesprochen?
   3. Vergleichen Sie die Wirkung der Funktionen lcd_putc() für das 2×16 Zeichen Display und pcd_putc() für das Pixeldisplay. Wie unterscheidet sich die Verwendung? Was muss nach dem Aufruf von pcd_putc() noch gemacht werden, dass das Zeichen ausgegeben wird und, dass das nächste Zeichen dahinter ausgegeben wird?
      
      
4. Erweiterung der Uhr
   1. Wie kann die Uhr so erweitert werden, dass auch Zehntelsekunden ausgegeben werden?
   2. Wie kann die Uhr erweitert werden, dass auch Tage, Monate und Jahre hochgezählt werden können?
      1. Was muss bei der Berechnung der Tage, Monate und Jahre beachtet werden?
      2. Wie ist es möglich diesen Kalender und den Überlauf von Tage, Monate und Jahre zu testen?
         (mehrere Jahre warten wäre eine schlechte Lösung)