Simulation von Digital-Schaltungen mit Software

Grundfunktion eines Port-Pins

An den Port-Pins eines µC werden Taster und LED angeschlossen. Der µC soll die Funktion logischer Digital-Schaltungen simulieren. In der C-Umgebung kann nur auf die Gesammtheit aller Port-Bits zugegriffen werden, daher spielt das geschickte Bit-Maskieren hier eine grosse Rolle.

Vordefinierte Konstanten in den Include-Dateien

Da sich die Adressen der Port-Register der verwendeten µC unterscheiden können und zur besseren Lesbarkeit des Quellcodes sind in den Include-Dateien des jeweiligen Kontrollers für jedes Register und jedes Bit entsprechende Bezeichnungen vordefiniert. Beispiel:

• PINB ist die Adresse, mit denen die Tri-State-Bausteine der Pins des Port B auf den Datenbus geschaltet werden
• DDRB ist die Adresse des Data Direction Registers B, mit dem ein Port-Pin als Ausgang programiert wird
• PORTB ist die Adresse des Port Registers B
• PB0..PB7 sind die Bezeichnungen der Port-Pins des Port B. Bei Verwendung dieser Bezeichner im Programm werden die Bitnummern der Anschlüsse PB0..PB7 im Port B zurück gegeben, PB0 hat den Wert 0, PB7 den Wert 7
• 1<<PB2 statt 0b100 verwenden für eine bessere Dokumentation im Quelltext. PB2 hat den Wert 2. Der Shift-Operator << verschiebt dadurch die 1 um zwei Stellen nach links, der Wert des Ausdrucks ist 0b100.

Priorität der Operatoren beachten

Siehe Ausdrücke und Operatoren. Bindungsstärke der Operatoren nimmt ab: ==,!= > & > ^ > | > && > ||

Beispiel für typischen Fehler: (PINB&3==3) wird so berechnet: (PINB&(3==3)) ergibt PINB&1. Daher Klammern setzen ((PINB&3)==3).

Boolsche Interpretation von nicht boolschen Ausdrücken in C

In C werden die Werte 0, 0.0, null als false interpretiert, alle anderen Werte, auch negative, als true.

Beispiel: Bei if ((PINB&3)!=0) kann C der Vergleich !=0 weg gelassen werden, if (PINB&3) führt zum selben Ergebnis.

Grundprinzip

Im ersten Lösungsquelltext ist eine Initalisierung (enspricht bei Arduino dem setup) und die Endlos-whileschleife (loop) enthalten, die weiteren Quelltexte enthalten nur noch den Inhalt der While-Scheife. Auch wurden Alternativen in der Darstellung der Werte vorgeschlagen: 0b00001000 = 8 = 0x08 = 1<<3

Und Baustein

#include <avr/io.h>  // Einbinden der Konstanten
int main(){          // Hauptprogramm
  DDRB = 0b00001000; // PB3 auf Ausgang
//DDRB = 1<<PB3;
  while (1){         // Endlosschleife
    if((PINB&3)==3){ // PB0 & PB1 
      PORTB |= 8;    // PB3 <- 1
    //PORTB |= 0b00001000;
    //PORTB |= 1<<PB3; 
    }
    else{
      PORTB &= ~8;    // PB3 <- 0
    //PORTB &= 0b11110111;
    //PORTB &= ~(1<<PB3);
    }
  }
}

Lesen von PINB spricht alle Bits von PB an. Bei der Verarbeitung sind aber nur PB1 und PB0 relevant, die anderen Bits sollen ausgeblendet werden. Dies wird durch eine Und-Verknüpfung mit einer Maske erreicht, die alle unbeteiligten Bits ausblendet.

Maske: PINB & 0b11

Nach der Maskierung kann der Wert zwischen 0..3 liegen, der Und-Bausten soll beim Wert 3 eine 1 ausgeben, d.h. PB3 gesetzt werden sonst soll PB3 gelöscht werden.

Setzen   von PB3: PORTB |= 1<<PB3;       // 0b00001000

Löschen von PB3: PORTB &= ~(1<<PB3); // 0b11110111

SPS-Simulation mit Java

Für Schaltnetzsimulation zur Ausgabe von allen Kombinationen Vorher und Nachher:

SPS3.zip

Beachte: In Java werden Zahlenwerte nicht als boolsche Werte aktzeptiert, daher umschreiben, z.B. (PINB&1) zu ((PINB&1)!=0)

Oder Baustein

if((PINB&3)!=0){ // PB0 | PB1
  PORTB |=8;   // PB3 <- 1
}
else{
  PORTB &=~8;   // PB3 <- 0
}

SR-FlipFlop

if(PINB&2){    // PB1 = 1 ?
  PORTB &=~4;  // PB2 <- 0
}
else if(PINB&1){ // PB0 = 1 ?
  PORTB |=4;     // PB2 <- 1
}

Taktflanken gesteuertes D-FF

byte merker=0; // merkerbyte
if(!merker && (PINB&2)){//PB1 st. Fl.
  if(PINB&1){ // PB2 <- PB0
    PORTB |=4;
  }
  else {
    PORTB &=~4;
  }
}
merker = PINB&2;

Beispiele und Übungen

if((PINB&7)==5){ // PB0&!PB1&PB2
  PORTB |= 8;  // PB8 <- 1
}
else{
  PORTB &=~8;  // PB8 <- 0
}

if((PINB&7)!=1){ // PB2|PB1|!PB0
  PORTB &=~8;  // PB4 <- 0
}
else{
  PORTB |=8;   // PB4 <- 1
}
if((PINB&48)==16 || (PINB&48)==32){ // PB4 ^ PB5
  PORTB |=64;  // PB6 <- 1
}
else{
  PORTB &=~64;  // PB6 <- 0
}

if(PINB&8){    // PB3 = 1 ?
  PORTB &=~16; // PB4 <- 0
}
else if((PINB&7)==3){ // !PB2&PB1&PB0
  PORTB |=16;  // PB4 <- 1
}

if((PINB&9)==0){ // PB3 nor PB0
  PORTB |= 4;  // PB2 <- 1
}
else{
  PORTB &= ~4; // PB2 <- 0
}
if((PINB&6)==0){ // PB2 nor PB1
  PORTB |= 8;  // PB3 <- 1
}
else{
  PORTB &= ~8; // PB3 <- 0
}

if(PINB&2){ // PB1
  if(PINB&1){ // PB2 <- PB0
    PORTB |=4;
  }
  else {
    PORTB &=~4;
  }
}
// alternative Loesung
if(PINB&2){ // PB1
  PORTB = (PORTB&~4) | ((PINB&1)<<2);
}