6 Würfel und Zufall

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

  1. wissen, wie man Zufallswerte in einem deterministischen System einfach erstellen kann.

Übung

I. Vorarbeiten
  1. Laden Sie folgende Datei herunter:
    1. 6._wuerfel_und_zufall.sim1
    2. 6._wuerfel_und_zufall.hex
    3. lcd_lib_de.h
II. Analyse des fertigen Programms
  1. Initialisieren des Programms
    1. Öffnen Sie SimulIDE und öffnen Sie dort mittels simulide_open.jpg die Datei 6. Wuerfel und Zufall.sim1
    2. Laden Sie 6. Wuerfel und Zufall.hex als firmware auf den 88 Chip
    3. Zunächst wird eine Startanzeige mit dem Namen des Programms dargestellt.
    4. Als nächstes ist im Display ein Menu zu sehen. Durch Tastendruck kann ein Würfel gestartet (Druch auf Taste 1) oder gestoppt (4) werden. Die Augenzahl des Würfels ist in der Mitte der unteren Zeile dargestellt.
  2. Das Programm zu diesem Hexfile soll nun erstellt werden
III. Eingabe in Microchip Studio 


/*=============================================================================
 
Experiment 6:   MEXLEcast Elektronischer Wuerfel auf dem MEXLE 
=============   ==============================================
 
Dateiname:      MEXLEcast_de.c
 
Autoren:        Peter Blinzinger
                Prof. G. Gruhler (Hochschule Heilbronn)
                D. Chilachava    (Georgische Technische Universitaet)
 
Version:        1.2 vom 30.04.2020
 
Hardware:       MEXLE2020 Ver. 1.0 oder höher
                AVR-USB-PROGI Ver. 2.0
 
Software:       Entwicklungsumgebung: AtmelStudio 7.0
                C-Compiler: AVR/GNU C Compiler 5.4.0
 
Funktion:       Es wird ein elektronischer Wuerfel mit Anzeige auf dem Display
                realisiert. Mit zwei Tasten S1 = Start und S4 = Stop wird der 
                Wuerfel gesteuert. Der Wuerfel wird mit 10ms-Takt gezaehlt. Die
                Anzeige erfolgt als Ziffer im 100ms-Takt.
 
Displayanzeige: Start (fuer 2s):        Betrieb:
                +----------------+      +----------------+
                |- Experiment 6 -|      |Electronic Cast |
                |Electronic Cast |      |Start  1   Stop |
                +----------------+      +----------------+
 
Tastenfunktion: S1: Start (Set-Funktion Flip-Flop)
                S4: Stop (Reset-Funktion Flip-Flop)
 
Jumperstellung: keine Auswirkung
 
Fuses im uC:    CKDIV8: Aus (keine generelle Vorteilung des Takts)
 
Header-Files:   lcd_lib_de.h    (Library zur Ansteuerung LCD-Display Ver. 1.3)
 
=============================================================================*/
 
// Deklarationen ==============================================================
 
// Festlegung der Quarzfrequenz
#ifndef F_CPU                   // optional definieren
#define F_CPU 18432000UL        // ATmega 88 mit 18,432 MHz Quarz
#endif                          
 
// Include von Header-Dateien
#include <avr/io.h>               // I/O-Konfiguration (intern weitere Dateien)
#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
 
// Makros
#define SET_BIT(BYTE, BIT)  ((BYTE) |=  (1 << (BIT))) // Bit Zustand in Byte setzen
#define CLR_BIT(BYTE, BIT)  ((BYTE) &= ~(1 << (BIT))) // Bit Zustand in Byte loeschen
#define TGL_BIT(BYTE, BIT)  ((BYTE) ^=  (1 << (BIT))) // Bit Zustand in Byte wechseln (toggle)
 
// Konstanten
#define PRESCALER_VAL       90      // Faktor Vorteiler (Timerticks 0,111 ms)
#define CYCLE10MS_MAX       10      // Faktor Hunderstel (1/100 s)
 
#define INPUT_PIN_MASK		0b00001111
#define ASC_NULL			0x30

// Variable
unsigned char softwarePrescaler = PRESCALER_VAL;   // Zaehlvariable Vorteiler
unsigned char cycle10msCount   =  CYCLE10MS_MAX; // Zaehlvariable Hunderstel
 
unsigned char castVar = 1;      // Variable für Wuerfel-Zaehler
 
bool cycle10msActive  = 0;		// Bit-Botschaft alle 10ms
bool cycle100msActive = 0;		// Bit-Botschaft alle 100ms
 
bool button1		  = 0;		// Bitspeicher fuer Taste 1
bool button4		  = 0;		// Bitspeicher fuer Taste 4
bool castBit = 0;               // Flip-Flop-Bit fuer Start/Stop
 
uint8_t buttonState    = 0b00001111;		// Bitspeicher fuer Tasten

// Funktionsprototypen
void timerInt0(void);           // Init Zeitbasis mit Timer 0
void castCounting(void);        // Zaehlfunktion Wuerfel
void castDisplay(void);         // Anzeige Wuerfel
void initDisplay(void);         // Initialisierung Display
 
// Hauptprogramm ==============================================================
int main()
{
    // Initialisierung
    initDisplay();              // Initialisierung LCD-Anzeige
 
    TCCR0A = 0;					// Timer 0 auf "Normal Mode" schalten
    TCCR0B |= (1<<CS01);		// mit Prescaler /8 betreiben
    TIMSK0 |= (1<<TOIE0);		// Overflow-Interrupt aktivieren
 
    sei();                      // generell Interrupts einschalten
     
 
    // Hauptprogrammschleife
 
    while(1)                    // unendliche Warteschleife
    {
        if (cycle10msActive)        // alle 10ms:
        {
            cycle10msActive = 0;	//      Botschaft "10ms" loeschen
            castCounting();			//      Tasten abfragen, Wuerfel zaehlen
        }
        if (cycle100msActive)       // alle 100ms: 
        {
            cycle100msActive = 0;   // Botschaft "100ms" loeschen
            castDisplay();			// Wuerfelwert ausgeben
        }
    }
    return 0;
}
 
// Interrupt-Routine ==========================================================
ISR (TIMER0_OVF_vect)
/* In der Interrupt-Routine sind die Softwareteiler für die Taktbotschaften 
   (10ms, 100ms) realisiert. Die Interrupts stammen von Timer 0 (Interrupt 1)
 
   Verwendete Variable: vorteiler
                        hunderstel
 
   Ausgangsvariable:    takt10ms
                        takt100ms
*/
{
	--softwarePrescaler;					// Vorteiler dekrementieren
	if (softwarePrescaler==0)				// wenn 0 erreicht: 10ms abgelaufen
	{
		softwarePrescaler = PRESCALER_VAL;	//    Vorteiler auf Startwert
		cycle10msActive = 1;				//    Botschaft 10ms senden
		--cycle10msCount;					//    Hunderstelzaehler dekrementieren
		
		if (cycle10msCount==0)				// wenn 0 erreicht: 100ms abgelaufen
		{
			cycle10msCount = CYCLE10MS_MAX; // Teiler auf Startwert
			cycle100msActive = 1;			//    Botschaft 100ms senden
		}
	}
}

 
// Wuerfelfunktion ============================================================
void castCounting(void)
{
	DDRC = DDRC &~INPUT_PIN_MASK;	// Port C auf Eingabe schalten
	PORTC |=	  INPUT_PIN_MASK;	// Pullup-Rs eingeschaltet
	_delay_us(1);					// Wartezeit Umstellung Hardware-Signal
	buttonState    = (PINC & INPUT_PIN_MASK) ;			// Hole den Schalterstatus von C0..C3, 0b1 ist hier offener Schalter
	DDRC |= INPUT_PIN_MASK;			// Port C auf Ausgabe schalten

    // Einlesen der Tastensignale   
    button1 = (buttonState & (1 << PC0));
    button4 = (buttonState & (1 << PC3));
     
    // Auswertung der Tasten
 
    if (button1==0)				// solange Taste 1 gedrueckt: 
        castBit = 1;            //    Flip-Flop "Wuerfeln" Setzen
 
    if (button4==0)             // solange Taste 4 gedrueckt: 
        castBit = 0;            //    Flip-Flop "Wuerfeln" Ruecksetzen
 
    if (castBit)                // Solange Flip-Flop "Wuerfeln" gesetzt
    {
        castVar++;				//    Wurfelwert hochzaehlen im Takt 10ms
        if (castVar>6)			//    groesser als 6?
            castVar=1;			//       => auf 1 setzen
    }
}
 
// Anzeigefunktion Wuerfel ====================================================
void castDisplay(void)
{
    lcd_gotoxy(1,7);            // Cursor auf Ausgabeposition
    lcd_putc(castVar+ASC_NULL);     // ASCII-Wert des Wuerfelzaehlers ausgeben
}
 
// 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 6 -"); // Ausgabe Festtext: 16 Zeichen
 
    lcd_gotoxy(1,0);                // Cursor auf 2. Zeile, 1. Zeichen
    lcd_putstr("Electronic Cast "); // Ausgabe Festtext: 16 Zeichen
 
    _delay_ms(2000);            // Wartezeit nach Initialisierung
 
    lcd_gotoxy(0,0);                // Cursor auf 1. Zeile, 1. Zeichen
    lcd_putstr("Electronic Cast "); // Ausgabe Festtext: 16 Zeichen
 
    lcd_gotoxy(1,0);                // Cursor auf 2. Zeile, 1. Zeichen
    lcd_putstr("Start  1   Stop "); // Ausgabe Festtext: 16 Zeichen
}                               // Ende der Funktion

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

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.

  2. Die Header-Dateien entsprechen denen der letzten Programme.




  3. Auch die Makros entsprechen denen der letzten Programme.



  4. Die Konstanten entsprechen denen der letzten Programme.










  5. Alle Variablen außer castBit entsprechen denen der letzten Programme. castBit ist ein „Merker“, bzw. Flipflop welches das Würfeln aktiviert oder deaktiviert

  6. Bei den Funktionsprototypen sind einige bekannte Unterprogramme vorhanden. Details werden weiter unten erklärt.




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

  1. Das Hauptprogramm ähnelt sehr stark dem Up/Down Counter.
  2. Zunächst werden zwei Initialisierungsroutinen aufgerufen (siehe weiter unten)
  3. Dann werden wieder die „Timer/Counter Control Register“ des Timers 0 TCCR0A und TCCR0B gesetzt. Der 8-Bit Timer und auch hier im „Normal Mode“ zum hochzählen genutzt. Auch hier gibt das Register TCCR0B den Prescaler an.
  4. Auch hier wird über die „Timer Interrupt MaSK“ TIMSK0 durch das Bit TOIE0 („Timer Overflow Interrupt Enable“) der Interrupt bei Überlauf aktiviert.
  5. Mit dem Befehl sei() wird die Bearbeitung von Interrupts aktiv


  6. In der Endlosschleife sind auf der ersten Ebene wieder nur If-Abfragen zu den Flags takt10ms und takt100ms zu finden.

    1. Alle $10~\rm ms$ (bzw. wenn das entsprechende Flag gesetzt wird) wird das Flag zurückgesetzt und das Unterprogramm castCounting() aufgerufen


    2. Alle $100~\rm ms$ (bzw. wenn das entsprechende Flag gesetzt wird) wird das Flag zurückgesetzt und das Unterprogramm castDisplay() aufgerufen




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

  1. Mit dem Befehl ISR() wird eine Interrupt Service Routine für den OVerFlow Interrupt für TIMER0 angelegt.
  2. Der Überlauf-Interrupt durch den Timer0 wird erst bei Überlauf des 8-Bit Wert ausgeführt. Auch hier ergibt sich durch den Prescaler und Modus (TCCR0A und TCCR0B) eine Periode von $T_{\rm ISR}= 0,16\bar{6}~\rm ms$.
  3. Die Ermittlung von Timertick, vorteiler, takt10ms, hundertstel und takt100ms ist hier wieder gleich dem im Up/Down Counter.
  4. Eine große Änderung ist, dass bereits im Interrupt alle 10ms die Unterfunktion readButton() aufgerufen wird.













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




  1. In dieser Funktion werden zunächst die Stellungen aller Taster eingelesen (vgl. counterCounting(void) bei Up/down Counter).


  2. Neu hier ist, dass die Bedienung der Schalter nur das Flag castBit setzen. Falls dieses gesetzt ist, wird die Variable castVar hochgezählt. Falls diese 6 überschreitet wird sie auf 1 zurückgesetzt.











Anzeigefunktion Wuerfel =========================

  1. Hierüber wird die Augenzahl in der zweiten Zeile an Position 7 ausgegeben.



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

  1. Die Funktion initDisplay() wird zu Beginn des Programms aufgerufen und führt zunächst die Initialisierung des Displays aus.
  2. Danach wird der erste Text auf den Bildschirm geschrieben und damit der Programmname dargestellt.
  3. Nach zwei Sekunden wird der Auswahlbildschirm angezeigt.
IV. Ausführung in Simulide
  1. Geben Sie die oben dargestellten Codezeilen ein und kompilieren Sie den Code.
  2. Öffnen Sie Ihre hex-Datei in SimulIDE und testen Sie, ob diese die gleiche Ausgabe erzeugt


Bitte arbeiten Sie folgende Aufgaben durch:

Aufgabe
  1. Darstellung des Augenwerts ändern
    1. Laden Sie folgende Dateien herunter: 6_mexle_cast_extern.sim1, 6a_mexlecast_extern.hex
    2. Simulieren Sie die Schaltung mit der beigefügten hex-Datei
    3. Ändern Sie das bisherige Programm so, dass Sie das gleiche Ergebnis erhalten, bzw. zumindest die Ansteuerung der LEDs.