Микроконтроллер

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

80-е годы прошлого века были отмечены появлением дюжины полупроводниковых компаний, основатели которых тем или иным образом были связаны с "праматерью всей электроники", компанией FAIRCHILD, либо компаниями, руководители которых ранее были ее сотрудниками: Intel, AMD, Signetics, NatSemi. Большая часть из этой дюжины избрала fabless-модель ведения бизнеса (уже тогда создание полного цикла производства ИС требовало привлечения значительных инвестиций), но несколько компаний избрали idm-модель (Integrated Device Manufacturer) и успешно развились в лидеры сегодняшнего рынка ИС. Одной из таких компаний стала ATMEL.

Основали ATMEL в 1984 году братья-греки Джордж и Гюст Перлегос (George и Gust Perlegos), а также тайваньский ученый Тсунг-Чинг Ву (Tsung-Ching Wu). Семья Перлегос перебралась в Калифорнию из греческого города Триполис в 1962 году, когда младшему из братьев, Джорджу было уже 12 лет, и занялась, как и на родине виноградарством. Однако, Калифорния уже становилась центром американской электроники и братья выбрали инженерную стезю - оба окончили вначале университет Сан-Хосе, а затем Стэнфордский университет. Гюст получил еще Ph.D по электротехнике в университете Санта-Клары.

Еще в 1974 году, учась в Стэнфорде, Джордж Перлегос начал работать в компании Intel, где участвовал в разработке стираемых ПЗУ (EPROM), которые с начала 70-х активно разрабатывались компанией для замены однократно-программируемых ПЗУ с "плавкими" перемычками. Именно в Intel, Дон Фрохман (Don Frohman) изобрел "плавающий" затвор и создал первую 2k (256х8) УФ-стираемую EPROM по p-МОП технологии - 1702. Уже при участии Джорджа Перлегоса была разработана первая n-МОП 8k (1024х8) EPROM - 1708. В 1976 году, уже в качестве руководителя проекта, Джордж Перлегос представил "знаменитую" 2716 - 16k (2048х8) EPROM с одним напряжением питания +5 В. Венцом деятельности Джорджа Перлегоса в Intel стала микросхема EEPROM 2816 - первая электрически стираемая микросхема ПЗУ - прообраз флэш-памяти.

В 1981 году, проработав 8 лет в Intel, Джордж Перлегос вместе со своим бывшим боссом Филом Салисбури (Phil Salisbury) и Гордоном Кэмпбеллом (Gordon Campbell), директором по маркетингу EPROM, покидают компанию и создают собственную - Seeq Technology. Однако, проработав три года вице-президентом по разработкам и создав в числе прочего первую 64k (8096х8) EEPROM с единственным напряжением питания +5 В - 2864, Джордж вступает в конфликт с инвесторам и решает начать свой собственный бизнес. Одновременно, и по той же причине, Гордон Кэмпбелл покидает Seeq и основывает собственную компанию Chips & Technologies.

Уходя из Seeq, Джордж Перлегос берет с собой в качестве соучредителей новой компании, своего брата Гюста (успевшего поработать в AMD, Amdahl, Intel и Seeq) и ведущего технолога Seeq Т.Ч.Ву. Именем новой компании стал акроним от Advanced Technology MEmory and Logic - ATMEL. Поскольку 1984-й был годом очередного спада в электронной промышленности США, инвесторы не спешили поддержать очередного start-up'а Кремниевой Долины, да и опыт общения с инвесторами у Джорджа Перлегоса был достаточно негативным еще по Seeq… Поэтому начальный капитал компании в $20 тыс. сложился из взносов учредителей, что позволило начать работу в fabless-режиме. Однако, уже в начале 1986 года был заключен контракт на $5,1 млн c General Instrument на поставку микросхем памяти и дело пошло.

Первоначально продукцией ATMEL были микросхемы энергонезависимой памяти, причем и последовательной и параллельной. В 1985 году была выпущена первая в отрасли EEPROM по КМОП технологии, а в 1989 - первая флэш-память с питанием только от +5 В. К этому периоду относятся судебные тяжбы по искам компании Intel к ряду производителей EPROM (включая ATMEL, General Instrument и Hyundai Electronics) о нарушении патентных прав. Для ATMEL негативный исход тяжбы мог иметь катастрофические последствия, поскольку основной бизнес был "завязан" именно на EPROM, но компании удалось договориться с Intel о взаимном обмене лицензиями, в результате чего ATMEL стала обладателем технологии производства микроконтроллеров с 51-м ядром. И уже в 1993 году было начато производство первых в отрасли микроконтроллеров At89C51 с флэш-памятью.

Одним из ключевых моментов в стратегии компании стало предвидение потребностей рынка. Так, одними из первых, в начале 90-х были освоены микросхемы памяти с питанием 1,8 В, которые нашли широчайшее применение в портативной бытовой технике. В 1995 году на базе 8-и разрядного RISC ядра норвежской компании Nordic VLSI был начат выпуск микроконтроллеров серии AVR. В результате подобных инноваций в 1996 году оборот компании впервые превысил $1 млрд !

Такой инструмент развития бизнеса, как M&A (Merges & Acquisitions - слияния и поглощения) использовался компанией не слишком часто, но всегда с заметным эффектом. Первым приобретением в 1993 году стала компания Concurrent Logic, специализировавшаяся на FPGA - это позволило ATMEL развить собственное направление программируемой логики, которое сейчас дает около 30% оборота. Годом позже у компании Seeq был выкуплено производство микросхем энергонезависимой памяти, что позволило ATMEL укрепить свое лидерство на рынке EEPROM. Уже в 1996 году ATMEL называлась крупнейшим в мире производителем EEPROM, №3 в сфере флэш-памяти и №4 в производстве EPROM. Следующей крупной покупкой стала компания Temic (Telefunken Microelectronic), приобретенная у Vishay Intertechnology в 1998 году за $99,25 млн. Помимо получения производственных мощностей в Европе, эта покупка позволила ATMEL выйти на рынок автомобильной и связной электроники. В мае 2000 года был куплен полупроводниковый бизнес французской компании Thomson-CSF, получивший затем имя ATMEL GRENOBLE и добавивший в номенклатурный портфель компании целую гамму заказных ИС (ASICs), в том числе датчиков изображения и радиочастотных ИС, выполненных по SiGe-технологии. В 2000 году был достигнут рекордный уровень продаж $2,01 млрд. !

Безусловно, в истории компании были не только успехи - заметный спад был связан с потерей рынка флэш-памяти. Будучи одним из пионеров этой технологии, ATMEL сделала ставку на микросхемы с повышенными характеристиками, в то время как рынком оказались востребованы более дешевые low-end ИС и конкуренты в лице Intel, AMD и Samsung завладели его большей частью. Выпущенный в 1999 году первый в отрасли 32-х разрядный микроконтроллер с ARM архитектурой также не завоевал большой популярности.

ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1 Микроконтроллеры

Микроконтроллеры уверенно и, по-видимому, навсегда завоевали место в нашей жизни. Найти хоть одно электронное изделие, не имеющее микроконтроллеров, фактически невозможно. Разнообразные элементы схем в видеомагнитофонах, RFID-плеерах, телевизорах и микроволновых печах, автоматических дверях, системах управления лифтами, промышленных системах управления, измерительных устройствах, устройствах регулирования и, естественно, в транспорте стали чем-то само собой разумеющимся.

Микросхемы размером не больше булавочной головки -- так называемые ID-метки (Radio Frequency Identification -- радиочастотная идентификация) можно встретить во множестве повседневных вещей: на упаковке товаров из супермаркета, в швах продаваемой в магазинах одежды и т.д. Подобно штрих-коду, они позволяют быстро и точно идентифицировать товар, однако для распознания микросхем не обязательно подносить каждый предмет к сканеру -- информация с них считывается на достаточно большом расстоянии и не обязательно по отдельности, покупателю достаточно пройти с полной корзиной товара мимо специального радиоустройства. Все выбранные предметы при этом будут мгновенно идентифицироны и оценены, а с кредитной карты покупателя снята соответствующая сумма.

Панацея или страшный сон? Спор об этом между производителями и защитниками прав потребителей ведется уже не первый год, и перспектив его решения не видно. Соответственно, остается открытым вопрос: следует ли и дальше развивать явное направление.

Как бы там ни было, неоспоримым остается тот факт, что повсеместное распространение микроконтроллеров произвело революцию во всей электронике в целом и технике измерения и управления в частности. Измерительные приборы, которые ещё пару лет назад можно было в шутку назвать "могильщиками" микросхем, сегодня состоят из одного микроконтроллера и нескольких дополнительных конструктивных элементов. Управляющие и регулирующие устройства, которые в не столь давние времена были чрезвычайно энергоемкими, сейчас имеют еще один дополнительный микроконтроллер (например, ATtiny2313) и довольствуются током 15 мА при тактовой частоте 8 МГц.

Появление и стремительное распространение микроконтроллеров AVR среди всех существующих в мире микроконтроллеров семейство AVR имеет наиболее высокие темпы прироста производства, а также возросшая потребность в специальной литературе.

Контроллер -- законченное электронное устройство, обычно выполненное в виде платы (плата контроллера) и предназначенное для приема и обработки сигналов от датчиков, а также для управления внешними устройствами на основании результатов обработки принятых сигналов.

Микроконтроллер -- программно управляемая интегральная микросхема, применяемая для построения различных контроллеров.

8-разрядные RISC-микроконтроллеры для встраиваемых приложений являются, пожалуй, наиболее интересным и прогрессивным направлением, развиваемым фирмой. Микроконтроллеры этой серии представляют собой мощный инструмент, прекрасную основу для создания современных высокопроизводительных и экономичных встраиваемых контроллеров многоцелевого назначения.

Популярность микроконтроллеров AVR постоянно увеличивается. Не последнюю роль в этом играет соотношение показателей «цена/быстродействие/энергопотребление», являющееся одним из лучших на рынке 8-разрядных микроконтроллеров. Кроме того, постоянно растет число выпускаемых сторонними производителями разнообразных программных и аппаратных средств поддержки разработок устройств на их основе. Все это позволяет говорить о микроконтроллерах AVR как о новом индустриальном стандарте среди 8-разрядных микроконтроллеров общего применения.

В рамках единой базовой архитектуры микроконтроллеры AVR подразделяются на три семейства:

- Classic AVR;

- Mega AVR;

- Tiny AVR.

Микроконтроллеры семейства Classic были описаны в первой книге серии, а данная книга посвящена двум последним семействам -- Tiny и Mega.

Микроконтроллеры семейства Tiny имеют небольшие объемы памяти программ (1...2 Кбайта) и весьма ограниченную периферию. Практически все они выпускаются в 8-выводных корпусах и предназначены для т. н. «бюджетных» решений, принимаемых в условиях жестких финансовых ограничений. Область применения этих микроконтроллеров -- интеллектуальные датчики различного назначения (контрольные, пожарные, охранные), игрушки, зарядные устройства, различная бытовая техника и другие подобные устройства.

Микроконтроллеры семейства Mega, напротив, имеют наиболее развитую периферию, наибольшие среди всех микроконтроллеров AVR объемы памяти программ и данных. Они предназначены для использования в мобильных телефонах, контроллерах различного периферийного оборудования (принтеры, сканеры, современные дисковые накопители, приводы CD-ROM/DVD-ROM и т. п.), сложной офисной технике и т. д.

Микроконтроллеры обоих семейств поддерживают несколько режимов пониженного энергопотребления, имеют блок прерываний, сторожевой таймер и допускают программирование непосредственно в готовом устройстве.

В предлагаемой вашему вниманию книге представлена вся информация, необходимая для изучения микроконтроллеров AVR семейств Tiny и Mega. Однако следует заметить, что всеобъемлющим справочником данная книга не является, хотя и написана на основе документации, предоставляемой фирмой «Atmel».

Трудности, возникающие у разработчика при проектировании пятого или десятого контроллера, меркнут на фоне проблем, с которыми сталкивается новичок. Обычно возникают следующие вопросы:

- какой микроконтроллер выбрать;

- где найти его описание;

- где взять программу, обеспечивающую написание, отладку и редактирование программ для микроконтроллера;

- где взять программатор и программное обеспечение для него;

- как приступить к работе, когда все это уже есть;

- как все это сделать с минимальными затратами средств и времени.

1.2 Архитектура RISC микроконтроллеров AVR

Все микроконтроллеры AVR спроектированы для работы в составе очень производительной маломощной архитектуры RISC. Но по какой же причине это новое поколение компьютеров стала таким опасным конкурентом для уже утвердившихся на рынке?

Все микропроцессоры первого поколения обладали жёстко «прошитой» логикой декодирования команд. В то время технология создания запоминающих устройств сильно «хромала» по сравнению с технологией изготовления процессоров, то есть, более скоростным процессорам приходилось долго ожидать считывание следующей команды для декодирования из медленнодействующего запоминающего устройства.

Поэтому, с целью эффективного использования этого периода ожидания, возникла идея заполнить время до поступления следующей команды. В результате были разработаны сложные и комплексные машинные команды. микроконтроллер микросхема 8-разрядный

Возникли команды, которые выполняли последовательно несколько внутрипроцессорных операций до тех пор, пока не поступала следующая внешняя команда. Так появились процессоры CISC (Complex Instruction Set Computer - компьютер со сложным набором команд). Типичными представителями этой архитектуры процессоров являются семейства 80x86 и процессор Pentium компании Intel или семейства 680x0 компании Motorola.

Практически все процессоры работают по принципу микропрограмми-рования, то есть каждая машинная команда последовательно обрабатывается микропрограммой, которая выполняется внутри кристалла процессора.

Однако если взглянуть на существующие программы через призму статистики, то обнаружится, что из большого набора команд процессоров CISC (у некоторых типов - свыше 300) используется только небольшая, постоянно повторяющаяся часть в размере около 20 процентов.

В дополнение к этому, комплексную программу можно зачастую заменить несколькими эффективными командами, которые в состоянии справиться с поставленной задачей быстрее.

Со временем изготовителям модулей памяти удалось резко сократить время доступа, в результате чего в середине 1980-х произошёл возврат к «истокам», и была разработана архитектура RISC - возникли компьютеры с сокращённым набором команд, у которых команды, как и в процессорах первых поколений, снова декодировались посредством «жёсткой прошитой».

Благодаря особой архитектуре микроконтроллеров AVR, исключён ярко выраженный недостаток обычных процессоров, у которых все арифметические и логические операции выполняются исключительно в так называемом накапливающем сумматоре. Вследствие этого, как правило, после завершения собственно вычислительных операций требуются операции обращения к вспомогательным регистрам или промежуточным запоминающим устройствам. У семейства микроконтроллеров AVR этот недостаток отсутствует поскольку в вычислениях, кроме накапливающего сумматора, задействованы 32 равноправных рабочих регистра, напрямую связанных с арифметико логическим устройством (АЛУ).

Рис. 1.1 Сравнение времени выполнения команд различными процессорами

Микроконтроллеры AVR работают по Гарвардской архитектуре, что подразумевает разделение памяти для программ и данных. Они используют одноступенчатую конвейерную обработку. Это означает, что во время выполнения команды выполняется загрузка следующей команды из памяти программ (рис). Благодаря этому, достигается возможность выполнения команды в течение одного тактового цикла.

Первая команда программы выполняется на один тактовый цикл дольше, чем та же команда в другом месте программы, поскольку в этом случае выборка не может быть осуществлена параллельно с выполнением предыдущей команды.

В микроконтроллерах AVR используется несколько команд загрузки/сохранения с помощью которых к переменным и константам можно обратиться в различных режимах адресации.

В большинства обычных процессоров и контроллеров такт, сгенерированный кварцевым осциллятором, делится на заранее заданный коэффициент для получения собственно системного такта. Так, например, в контроллере 8051, работающем с частотой кварца 12 МГц, при внутреннем коэффициенте деления минимальное время выполнения команд составляет всего лишь одну секунду, причём «минимальное время» в данном случае подразумевает, что для выполнения некоторого количества команд потребуется больше времени. Однако в случае с микроконтроллерами семейства AVR такого не происходит. В них действительно почти все команды выполняются в течение одного периода частоты кварцевого генератора, что при максимально допустимой частоте 12МГц в случае микроконтроллера AT90S1200 означает всего 83,33 нс. Другими словами, достигается быстродействие до 12 MIPS (Million instructions Per Second), то есть - 12 миллионов выполненных команд в течении одной секунды! И, за немногими исключениями, микроконтроллеры семейства AVR действительно обрабатывают все команды в течение единственного системного такта.

После того как в однокристальных микроконтроллерах для выполнения программ всё больше начали использоваться языки высокого уровня (прежде всего, язык программирования Си), архитектура AVR была оптимизирована для эффективного взаимодействия аппаратного и программного обеспечения написанного на зыках высокого уровня. К примеру, микроконтроллеры AVR специально для работы с указателями предоставляют в расположение программиста команды с функциями автоматического инкремента и декремента.

1.2.1 Знакомство с микроконтроллерами

В этой части мы кратко познакомимся с микроконтроллерами. Микроконтроллеры являются сердцем многих современных устройств и приборов, в том числе и бытовых. Самой главной особенностью микроконтроллеров с точки зрения конструктора-проектировщика, является то, что с их помощью легче и зачастую гораздо дешевле реализовать различные схемы. На рисунке изображена структурная схема типичного современного микроконтроллера.

Рис.1.2 Структурная схема микроконтроллера.

Из рисунка видно, что микроконтроллер может управлять различными устройствами и принимать от них данные при минимуме дополнительных узлов, так как большое число периферийных схем уже имеется непосредственно на кристалле микроконтроллера. Это позволяет уменьшить размеры конструкции и снизить потребление электроэнергии от источника питания.

Для сравнения: при использовании традиционных микропроцессоров приходится все необходимые схемы сопряжения с другими устройствами реализовывать на дополнительных компонентах, что увеличивает массу, размеры и потребление электроэнергии.

Давайте рассмотрим типичные схемы, присутствующие в микроконтроллерах.

1) Центральное процессорное устройство (ЦПУ) - сердце микроконтроллера. Оно принимает из памяти программ коды команд, декодирует их и выполняет. ЦПУ состоит из регистров, арифметико-логического устройства (АЛУ) и цепей управления

2) Память программ. Здесь хранятся коды команд, последовательность которых и формирует программу для микроконтроллера.

3) Оперативная память данных. Здесь хранятся переменные программ. У большинства микроконтроллеров здесь расположен также стек.

4) Тактовый генератор. Этот генератор определяет скорость работы микроконтроллера.

5) Цепь сброса. Эта цепь служит для правильного запуска микроконтроллера.

6) Последовательный порт - очень полезный элемент микроконтроллера. Он позволяет обмениваться данными с внешними устройствами при малом количестве проводов.

7) Цифровые линии ввода/вывода. По сравнению с последовательным портом с помощью этих линий возможно управлять одновременно несколькими линиями (или проверять несколько линий).

8) Таймер. Используется для отсчёта временных интервалов.

9) Сторожевой таймер. Это специальный таймер, предназначенный для предотвращения сбоев программы. Он работает следующим образом: После запуска он начинает отсчёт заданного временного интервала. Если программа не перезапустит его до истечения этого интервала времени, сторожевой таймер перезапустит микроконтроллер сам. Таким образом, программа должна давать сторожевому таймеру сигнал - всё в порядке. Если она этого не сделала, значит, по какой-либо причине произошёл сбой.

1.2.2 Разработка конструкций на микроконтроллерах

Один из вариантов последовательности действий при разработке конструкций на микроконтроллерах приведён ниже.

1. Во первых, очень важно точно определить технические требования к конструкции, причём делать это следует в письменно - обычно в процессе записи выявляется много нюансов, не сразу заметных при обдумывании конструкций.

2. Составить подробное описание конструкции так называемого верхнего уровня - на этом этапе ещё неизвестно ни типа микроконтроллера, ни типа используемых микросхем и схемных решений, поэтому структурная схема представляет набор прямоугольников, подписанных наименованием какого-либо узла, например АЦП. Составляется обобщённая блок-схема, описывающая работу программы. Если нужно - временные диаграммы.

3. Определиться с выбором аппаратных узлов (микросхем, конденсаторов и так далее) для схемы.

4. Выбрать тип микроконтроллера.

5. Убедиться в том, что микроконтроллер подходит для реализации схемы. Следует учитывать быстродействие микроконтроллера, наличие нужной периферии, число линий ввода/вывода, потребляемую мощность и другие, существенные для конкретной конструкции параметры. Не следует «бить из пушки по воробьям» - использовать более мощный микроконтроллер для простейшей задачи, с которой может справиться и более простой (и более дешёвый). С другой стороны, не следует увлекаться слабыми микроконтроллерами, усложняя схему, добавляя в схему увеличения числа выводов, так как достаточно часто (но не всегда) экономия, полученная за счёт применения более дешёвого микроконтроллера, полностью теряется из-за увеличившейся стоимости печатной платы, стоимости дополнительных элементов и т.п., и т.д.

6. Теперь следует определиться, какие инструменты (программное обеспечение) будут использоваться для разработки программы к микроконтроллеру. Это может быть транслятор языка ассемблер или компилятор языка высокого уровня Си.

7. После того как стали известны используемые узлы микроконтроллера и внешние схемы, подключаемые к нему, можно приступать к написанию и отладке программы. Целесообразно будет разделить конструкцию на функциональные узлы и отлаживать их следующим образом: изготовить часть схемы, реализующей собой один из узлов, написать фрагмент программы, управляющей этим узлом, и отладить его. После этого аналогично работать со следующим узлом, и так до тех пор, пока все части схемы не будут отлажены отдельно друг от друга. При этом можно пользоваться уже отлаженными узлами для облегчения проверки правильности работы следующих, только отлаживаемых узлов. Например, для простого калькулятора можно выделить следующие узлы: индикатор и клавиатура Отлаживая индикатор, можно написать программу, выводящую на индикатор какое-либо число. Затем отлаживая клавиатуру, можно использовать индикатор для вывода, например, номера нажатой клавиши. И только убедившись, что оба или все узлы работают верно, следует переходить к реализации собственно калькулятора.

8. Теперь следует объединить все части схемы воедино и отладить их работу совместно. Если в процессе объединения обнаружится, что какой-либо из узлов реализован не совсем удачно, следует вернуться в предыдущий пункт.

9. Очень важно в процессе составления схемы конструкции и написания программы для неё как можно более подробно документировать все изменения в схеме или программе. Это очень важно не только для записи проделанной работы (а в хорошо документированной схеме и программе можно быстро разобраться при необходимости её повторного использования), но и для облегчения дальнейшего усовершенствования или обслуживания собранной схемы.

10. Заключительный этап относится к случаям, когда спроектированная конструкция будет производиться, подготовка чертежей принципиальной электрической схемы, печатной платы, спецификаций в соответствии со стандартами, принятыми в месте, где будет осуществляться производство конструкции.

1.2.3 Микроконтроллеры платформы AVR

AVR - это семейство 8-ми и 16-ти разрядных RISC- микроконтроллеров фирмы Atmel. Эти микроконтроллеры позволяют решать множество задач встроенных систем. Они отличаются от других распространённых микроконтроллеров в настоящее время большей скоростью работы, большей универсальностью. Быстродействие данных микроконтроллеров позволяет в ряде случаев применять их в устройствах, для реализации которых ранее можно было применять только 16-ти разрядные микроконтроллеры, что позволяет ощутимо удешевить готовую систему. Кроме того, микроконтрол-леры AVR очень легко программируются - простейший программатор можно изготовить самостоятельно буквально в течение 30 минут!

Микроконтроллеры AVR разработаны фирмой Atmel обладают следующими основными характеристиками:

Очень быстрая гарвардская RISC-архитектура загрузки и выполнения большинства инструкций в течении одного машинного цикла тактового генератора. При этом достигается скорость работы примерно 1 MIPS на МГц. Частота тактового генератора многих типов микроконтроллеров может достигать 10…16 МГц (10…16 MIPS - Millions Instruction per Second - миллионов операция в секунду). Отсутствует внутреннее деление частоты, как например, в микроконтроллерах PIC. Таким образом если использован кварцевый резонатор с частотой 16 МГц, микроконтроллер будет работать с быстродействием почти 16 MIPS;

Программы содержатся в электрически перепрограммируемой постоянной памяти программ FLASH ROM. Эта память может быть перепрограммирована до 1000 раз. Это облегчает настройку и отладку систем. Кроме того, возможность Внутрисхемного программирования позволяет не вынимать микроконтроллер из целевой схемы в процессе программирования, что изначально ускоряет процесс разработки систем на основе этих микроконтроллеров;

· Система команд микроконтроллеров AVR изначально проектировалась с учётом особенностей языка высокого уровня Си, что в результате позволяет получать после компиляции программ гораздо боле эффективный код, чем для других микроконтроллеров. А это уже выигрыш и в размере полученного кода (в объёме памяти на кристалле), и в скорости работы микроконтроллера;

· Микроконтроллеры имеют 32 регистра, все из которых напрямую работают с АЛУ. Это значительно уменьшает размер программ. В других микроконтроллерах, как правило, для осуществления, например сложения, один из операндов должен находиться в специальном регистре - аккумуляторе. Таким образом, необходимо сначала его туда занести, затем после выполнения операции результат из аккумулятора нужно переписать в регистр для хранения результата. В микроконтроллерах AVR то же самое займёт всего одну команду;

· Очень небольшое потребление энергии и наличие нескольких режимов работы с пониженным потреблением энергии делает эти микроконтроллеры идеальными для применения в конструкциях, питающихся от батареек;

· Наличие дешёвых и простых в использовании программных средств. Многие полноценные программы доступны в свободно распространяемом варианте, как, например, отладчик AVR Studio, ассемблер Wavrasm, множество версий программаторов и даже компилятор языка Си - AVR GCC.

· Узлы PWM (Широтно-импульсная модуляция), таймеры/счётчики, аналоговый компаратор, последовательный асинхронный приёмопередатчик UART и другое встроены в микроконтроллеры и могут управляться с помощью прерываний, что значительно упрощает работу с ними;

· Имеются относительные команды переходов и ветвлений, что позволяет получать перемещаемый код;

· Отсутствует необходимость переключать страницы памяти (в отличие, Например от микроконтроллеров PIC);

· Все микроконтроллеры AVR имеют электрически перепрограммируемую постоянную память данных EEPROM, которая может быть перепрограммирована до 100 000 раз.

Всё это делает эти микроконтроллеры очень привлекательными для создания новых разработок.

1.3 Представители базовой серии AVR

В таблице перечислены Характеристики представителей базовой серии микроконтроллеров семейства AVR.

Таблица 1.1 Отличительные признаки 4х представителей базовой серии

Характеристика	AT90S8515	AT90S4414	AT90S2313	AT90S1200
Количество команд	118	118	118	89
Flesh-EPROM	8 Кбайт	4 Кбайта	2 Кбайта	1 Кбайт
Программирование через интерфейс SPI	да	да	да	Да
EEPROM	512 байт	256 байт	128 байт	64 байта
SRAM	512 байт	256 байт	128 байт	Только стек
Рабочие регистры	32	32	32	32
Контакты ввода/вывода	32	32	15	15
Приёмопередатчик UART	Да	да	Да	Нет
Интерфейс SPI	да	да	Нет	Нет
Сторожевой таймер	да	да	да	да
8-разрядный таймер/счёт-чик с предделителем частоты	Да	да	да	да
16-разрядный таймер/счёт-чик с предделителем частоты	Да	да	да	Нет
ШИМ-модулятор	2	2	1	Нет
Источники прерывания	12	12	10	3
Аналоговый компаратор	да	да	да	да
Ждущий режим	да	да	да	да
Режим пониженного энерго- потребления	да	да	да	Да
Рабочее напряжение	2,7…6 В	2,7…6 В	2,7…6 В	2,7…6 В
Тактовая частота при VCC= +5V	0…8 МГц	0…8 МГц	0…10 МГц	0…12 МГц
Тактовая частота при VCC= +3V	0…4 МГц	0…4 МГц	0…4 МГц	0…4 МГц
Корпус	PDIP40 PLCC44	PDIP40 PLCC44	PDIP20 SOIC20	PDIP40 SOIC20 SSOP20

1.3.1 Основные характеристики семействамикроконтроллеров AVR

В принципе, все микроконтроллеры построены по одной схеме. Система управления, состоящая из счётчика команд и схемы декодирования, берёт на себя считывание и декодирование команд из памяти программ, а операционное устройство отвечает за выполнение арифметических и логических операций; интерфейс ввода/вывода позволяет обмениваться данными с периферийными устройствами; и, наконец, необходимо иметь запоминающее устройство для хранения программ и данных.

Операционное устройство, как правило, состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), накапливающего сумматора и нескольких вспомогательных регистров. В классической программе почти половина всех команд - это команды пересылки (move) для передачи данных от вспомогательных регистров к накапливающему сумматору и обратно. В семействе микроконтроллеров AVR накапливающий сумматор, представляющий собой «тонкое место», становится не столь критически важным, благодаря применению 32-х рабочих регистров, связанных с блоком АЛУ. В результате арифметические и логические операции могут быть выполнены в течение единственного такта.

1.3.2 Арифметико-логического устройство (АЛУ)

Операции АЛУ можно разделить на три основные категории арифметические, логические и поразрядные. Каждой из этих категорий соответствуют мощные команды. Некоторые (новые) микроконтроллеры семейства AVR имеют также аппаратные умножители в арифметическом блоке

АЛУ микроконтроллеров семейства AVR.

Система управления регулирует процесс выполнения программы и контролирует взаимодействие отдельных встроенных в кристалл модулей, как это показано на блок-схемах на рис. 2.1 и рис. 2.5. Система координирует выполнение всех действий, необходимых для обработки команды от декодирования до выполнения (например, в случае арифметических операций). Все арифметические и логические операции выполняются в арифметико-логическом устройстве (АЛУ) и 32-х рабочих регистрах. АЛУ базовой серии микроконтроллеров AVR может выполнять операции сложения, вычитания, смещения, а также логические операции "И", "ИЛИ" и "Исключающее ИЛИ". Готовятся к выпуску микроконтроллеры AVR, арифметико-логическое устройство которых будет в состоянии выполнять также и операции умножения. АЛУ микроконтроллеров AVR является настолько мощным, что в течение единственного системного такта может извлечь из регистров два операнда, выполнить над ними операции и сохранить результат в регистре назначения.

1.3.3 Структура команд

Не смотря на RISC-архитектуру, запас команд не так уж и ограничен: как никак, AT90S8515, «парадная лошадь» базовой серии, имеет 118 команд, в высшей степени оптимизированных с точки зрения целесообразности и эффективности, а самый «слабый» представитель семейства - AT90S1200 - едва ли сильно «отстаёт от лидера» со своими 89 командами. В микроконтроллерах AVR базовой серии все команды имеют одинаковую ширину слова 16 бит (то есть 2 байта). Исключением являются только две команды для прямой адресации статической памяти данных LDS и STS, состоящие из двух слов и, соответственно, из 4байт.

За немногими исключениями (команда перехода, операции с непосредственной адресацией и пересылки в память/из памяти) все команды обрабатываются в течении одного такта системной синхронизации.

1.3.4 Время выполнения команды

На рисунке 1.3 показано сопоставление количества необходимых тактовых импульсов осциллятора для выполнения двух последовательных команд процессорами 68HC05, 80C51, а также семействами микроконтроллеров PIC и AVR.

Рис.1.3 показано сопоставление количества необходимых тактовых импульсов

1.3.5 Архитектура памяти

В запоминающих устройствах, соответствующих классической концепции фон Неймана, данные и команды хранятся в одной памяти. В противоположность этому, память по Гарвардской архитектуре, используемой в микроконтроллерах AVR, состоит из нескольких компонентов. В данном случае разделены память команд и память данных, то есть, обращение к командам осуществляется независимо от доступа к данным.

В микроконтроллерах AVR отдельные сегменты памяти устроены по-другому также и физически.

· Память программ реализована на основе программируемой и электрически стираемой флэш-технологии. Во всех микроконтроллерах AVR память 16-разрядная (двухбайтовая), и всегда находится «на кристалле». Расширение памяти программ с помощью блоков EPROM или флэш невозможно.

· Внутренняя память для энергозависимых данных (то есть, данных, которые будут потеряны после отключения рабочего напряжения), представляет собой статическую память RAM(SRAM). Преимущество этого заключается в том, что всякая необходимость во внутренней регенерации как в случае с другими процессорами, которые используют динамическую память. По этой причине микроконтроллеры AVR могут работать с тактами до 0 Гц. В дополнение к этому, некоторые микроконтроллеры AVR

Для увеличения объёма обрабатываемых данных могут работать с подключаемой внешней памятью SRAM. Для этого, однако, приходится жертвовать драгоценными контактами ввода/вывода портов A и C.

· Для данных, которые должны сохраниться после отключения рабочего напряжения, в распоряжении имеется микросхема EEPROM (Electrically EPROM - электрически стираемое ППЗУ). В память EEPROM можно записывать данные во время нормального выполнения программы. Для области EEPROMТакже нет обязательной необходимости в программи-рующем устройстве.

1.3.6 Область ввода/вывода

В микроконтроллерах AVR область ввода/вывода занимает 64 байта и находится в блоке статической памяти SRAM по адресам от $20 до $5F. В рассматриваемых микроконтроллерах функции ввода/вывода для взаимодействия со внешним миром применимы не только для портов (от A до D), но также и для всех регистров состояния и управления таких «встроенных в кристалл» периферийных устройств как таймер, устройство UART, сторожевой таймер, доступ на запись и чтение к памяти EEPROM, интерфейс SPI и т.д.

1.3.7 Прерывания и подпрограммы

Техника подпрограмм и прерываний в микроконтроллерах AVRможет быть применена обычным образом. Переход к частям программы, которые в процессе её выполнения обрабатываются многократно или должны содержаться отдельно по причине структурирования, осуществляется с помощью команды rcall.Это - команда перехода, которая помещает в стек следующую команду нормального выполнения программы в качестве адреса возврата. После выполнения подпрограммы адрес извлекается из стека с помощью команды ret и программа продолжается.

Стек для адресов возврата находится в памяти SRAM. Исключение составляет только микроконтроллер AT90S1200, который применяет для этой цели аппаратный стек по принципу LIFO (Last in, First out - «последним вошёл, первым вышел»).

В примере на рисунке указатель стека инициализируется, начиная с метки Start, после чего следует метка Call1 первого вызова подпрограммы UP1. В качестве адреса возврата в стек помещается адрес следующей команды, то есть, $78A. Сама подпрограмма в представленном примере не выполняет никаких действий, и происходит немедленный возврат к главной программе. Для этого из стека извлекается адрес, и выполнение программы продолжается с команды rjmp Call2. С метки Call2 происходит повторный вызов подпрограммы UP1. Вэтом случае в стек помещается адрес возврата $78D.

В правой части рисунка показан фрагмент статической памяти SRAM, отведённой для стека. Указано содержимое стека перед выполнением первого и после первого и второго вызовов. Подпрограммы также могут быть вложенными (то есть, из подпрограммы можно вызвать другую программу).

Особой формой подпрограмм являются подпрограммы обработки прерываний, с помощью которых реализованы заранее не запланированные обращения из программ. Другими словами, выполняющаяся программа асинхронна по отношению к событию, вызывающему прерывание. Здесь, например, речь может идти о работе таймера, приёме байта через приёмопередатчик UART или запросе на прерывание от внешнего устройства.

В зависимости от построения микроконтроллера, в расположении базовой серии AVR имеется до 12 векторов прерывания (адресов входа).

1.3.8 Конструктивное исполнение корпусов и расположение выводов

Расположение выводов четырёх представителей базовой серии микроконтроллеров AVR показано на рисунке. Рассмотрим назначение выводов подробнее:

- VCC - Вывод источника питания

- GND - Общий провод (заземление).

Port A (PA0…PA7) - Порт А представляет собой двунаправленный порт ввода/вывода с пропускной способностью 8 бит. Буфер вывода порта А в режиме приёма данных в состоянии принимать ток силой до 20 мА и, благодаря этому, напрямую питать, например, светодиоды. Каждый вывод порта может быть сконфигурирован индивидуально как вход или выход, а при выполнении функции ввода к нему, при желании, можно подключать подтягивающие резисторы, сопротивление.

В качестве особой функции через порт А работает демультиплексированная шина передачи данных и адресов, к микроконтроллеру AVR должна быть подключена внешняя память RAM.

Port B (PB0…PB7) - порт В как и Port A представляет собой двунаправлен-ный порт ввода/вывода тоже с пропускной способностью 8 бит. Буфер вывода порта В в режиме приёма данных в состоянии принимать ток силой до 20 мА и, благодаря этому, напрямую питать, например, светодиоды. Каждый вывод порта может быть сконфигурирован индивидуально как вход или выход, а при выполнении функции ввода к нему, при желании, можно подключать подтягивающие резисторы, сопротивление.

Альтернативно, через порт В могут выполняться различные специальные функции (таймер, подключение входов аналогового компаратора, интерфейс SPI).

Port C - Port B (PB0…PB7) - порт С, как и порт В, и порт А представляет собой двунаправленный порт ввода/вывода (I/O), точно так же как и все остальные с пропускной способностью 8 бит. Буфер вывода порта С в режиме приёма данных в состоянии принимать ток силой до 20 мА и, благодаря этому, напрямую питать, например, светодиоды. Каждый вывод порта может быть сконфигурирован индивидуально как вход или выход, а при выполнении функции ввода к нему, при желании, можно подключать подтягивающие резисторы, сопротивление.

В качестве особой функции через порт С выводится старший байт адресной шины, если к микроконтроллеру AVR должна быть подключена внешняя память RAM

Port D - Port (PD0…PD7) - порт D, как и все остальные порты, представляет собой двунаправленный порт ввода/вывода тоже с пропускной способностью 8 бит. Буфер вывода порта В в режиме приёма данных в состоянии принимать ток силой до 20 мА и, благодаря этому, напрямую питать, например, светодиоды. Каждый вывод порта может быть сконфигурирован индивидуально как вход или выход, а при выполнении функции ввода к нему, при желании, можно подключать подтягивающие резисторы, сопротивление.

Альтернативно через порт D могут выполняться также различные дополнительные функции (например, поступление запросов на прерывание, передача выходных данных таймера интерфейс с устройством UART).

Reset - Вывод для подачи сигнала сброса . Уровень логического нуля (низкого уровня) на протяжении минимум двух машинных циклов системного такта Ф при активном осцилляторе переводит микроконтроллер в исходное состояние (другими словами, перезапускает его).

ICP - вывод функции «Захват» (Capture) интегрированного таймера/счётчика T/C1.

OC1B - вывод функции «Сравнение» (Compare) интегрированного таймера/счётчика T/C1

ALE - Вывод для подачи импульса при записи младшего адресного байта с демультиплексированной шины данных адреса через порт А во внешний фиксирующий регистр, когда к микроконтроллеру AVR подключена внешняя память RAM (Это показано на рисунках). Байт данных передаётся на втором шаге обращения к памяти RAM через порт А.

XTAL1 - Вход интегрированного инвертирующего усилителя -генератора для выборки такта системной синхронизации Ф, и вход внешнего тактового сигнала, если внутренний осциллятор не применяется.

XTAL2 -Выход инвертирующего осциллятора, для выборки такта системной синхронизации Ф.

1.3.9 Генерирование такта системной синхронизации в микроконтроллерах AVR

Интегрированный кварцевый осциллятор используется всеми представителями базовой серии микроконтроллеров AVR.

Для генерирования тактов системной синхронизации в микроконтроллерах AVR используются - выводы XTAL1 и XTAL2. Они являются входом и выходом инвертирующего усилителя, который может быть применён, как интегрированный осциллятор, на котором можно собрать генератор тактовых импульсов. В качестве альтернативного варианта может также использоваться внешний тактовый сигнал. Здесь можно использовать для генерирования колебаний как кварцевые, так и керамические резонаторы. Ёмкости конденсаторов С1 и С2 на рисунках, которые вместе с кварцем и инвертором образуют генератор Пирса, обычно составляют 22пФ.

Если микроконтроллер AVR должен работать при тактировании от внешнего источника, то сигнал подводится на вход XTAL1, а выход XTAL2 встроенного осциллятора в этом случае остаётся открытым (не подключённым).

1.4 Центральный процессор и внутренняя память

Микроконтроллер AVR построен и работает по модульному принципу, как показано в табл. 1.1, однако для многих случаев применения нет необходимости в полной комплектации, представленной в микроконтроллере AT90S8515. По этой причине, наряду с "парадной лошадью" базовой серии микроконтроллеров AVR -- AT90S2313 -- можно приобрести еще три члена семейства AVR, в которых с целью снижения цены или уменьшения размеров корпуса нет того или иного функционального блока (см. табл. 1.1).

В настоящей главе будут подробно рассмотрены все основные системы центрального процессора и несколько внутренних блоков памяти.

1.4.1 Статическая память RAM (SRAM)

Оперативная память, допускающая запись и считывание переменных величин и данных, которые не должны сохраняться после отключения рабочего напряжения, в семействе микроконтроллеров AVR реализована в виде статической памяти RAM (SRAM). В противоположность динамической памяти RAM, эта технология не нуждается в регулярной регенерации, поэтому для некоторых случаев применения существует возможность уменьшить тактовую частоту вплоть до 0 Гц.

Память SRAM состоит из отдельных RS-триггеров, как это символически показано на рис. 1.3. Ячейки памяти расположены в форме матрицы, а декодирование выполняется по столбцам и строкам. Память триггерного типа, как это символически показано на рис. состоит из двух КМОП-инверторов, образованных транзисторами V1, V2 и, соответственно, V3, V4. При записи бита данных сигнал через драйвер G1 попадает на разрядную шину В, преобразуется драйвером G2 и попадает на дополнительную разрядную шину/В.

Рис. 1.4 Символическое представление ячейки статической памяти

Если в процессе записи соответствующая ячейка памяти будет выбрана через лог. 1 на шине слов, то управление осуществляют два МОП-транзистора: V5 и V6. Если теперь, к примеру, необходимо записать в ячейку лог. 1 то эта "1" через V5 будет передана на вентили V3 и V4. Одновременно через V6 на вентилях V1 и V2 находится логический ноль инвертированной разрядной шины, поэтому выход инверторов V1, V2 переходит в состояние логической единице и, аналогично, выход инверторов V3, V4 -- в состояние лог. 0. Когда шина слов опять возвращается в состояние лог. 0, и строка больше не выбрана, то информация будет сохранена на соответствующем противоположном входе с помощью обратной связи выходов инвертора.

Для считывания записанной информации ячейка должна быть опять выбрана через лог. 1 на шине слов. Затем через подключенные МОП-транзисторы V5 и V6 содержание ячейки будет перенесено на разрядные шины В и /В. Если, например, в память записан лог. 0, то шина В содержит уровень 0, а шина /В -- уровень 1, поэтому на выходе вентиля "И" G4, объединяющего обе шины, будет установлен лог. 0. Если в память записана лог. 1, то, соответственно, шина В содержит уровень 1, а шина /В -- уровень 0. В этом случае, в результате инвертирования уровня шины /В через G3, на оба входа вентиля AND G4 подается уровень лог. 1, а на его выходе появляется лог. 1,

1.4.2 Организация статической памяти SRAM

Статическое ОЗУ (SRAM) семейства микроконтроллеров AVR, как это показано на рис. 1.4., представляет собой блок со сквозной адресацией, состоящий из трех подобластей.

Рис. 1.5 Организация модуля статического ОЗУ

Самый верхний адрес внутренней памяти SRAM, обозначенный на рис. 3.2 как "RamEnd", зависит от построения ОЗУ соответствующего микроконтроллера. В расположенной ниже таблице показаны наибольшие адреса памяти SRAM микроконтроллеров AVR базовой серии

В микроконтроллерах можно увеличивать пространство памяти SRAM посредством подключения внешних блоков памяти вплоть до 64 Кбайт, однако для этого приходится пожертвовать портами вывода А и С, которые в этом случае применяются в качестве шин передачи данных и адресов.

Все представителя базовой серии микроконтроллеров AVR имеют область регистров (регистровый файл) и область ввода/вывода, однако в микроконтроллере AT90S1200 внутреннее статическое ОЗУ отсутствует, поэтому для запоминания переменных, применяемых при выполнении программы в AT90S1200, необходимо обращаться к 32-м рабочим регистрам.

1.4.3 Регистровый файл

Самая нижняя область памяти SRAM образует регистровый файл с 32 рабочими регистрами, которые все связаны с АЛУ и доступ к которым может быть выполнен в течение единственного такта системной синхронизации. Это означает,что за время такта в арифметико-логическое устройство вводятся два операнда из регистрового файла, выполняется операция, а результат запоминается в регистре назначения (рис. 1.5.).

Рис. 1.6 Диаграмма выполнения однотактной операции

Несмотря на то, что рабочие регистры, с физической точки зрения, не являются ячейками памяти, им, как это показано на рис. 1.5., поставлены в соответствие 32 самых нижних адреса от $00 до $1F в памяти SRAM, поэтому их можно адресовать как обычные ячейки.

1.4.4 Регистры двойной длины X, Y и Z

Шесть рабочих регистров от R26 до R31 могут применяться в качестве регистров двойной длины X, Y и Z шириной 16 бит с возможностью доступа к обеим половинам (рис. 1.6)

Благодаря специальным командам, их можно использовать в качестве указателей, что при косвенной адресации позволяет очень эффективно обращаться к ячейкам памяти SRAM. Дополнительно к этому, с помощью регистра Z из памяти команд можно извлекать восьмиразрядные константы.

Рис. 1.7 Структура регистров двойной длины X, Y и Z

Таблица 1.2. Область ввода/вывода базовой серии микроконтроллеров AVR (зарезервированные или не использующиеся адреса не указаны)

Адрес	Название	Функция	Начальная	1200	2313	4414	8515
$3F($5F)	SREG	Регистр состояния	$00	+	+	+	+
$ЗЕ ($5Е)	SPH	Указатель стека, старший байт	$00	--	--	+	+
$3D ($5D)	SPL	Указатель стека, младший байт	$00	--	+	+	+
$ЗВ ($5В)	GIMSK	Общий регистр маски преры-ваний	$00	+	+	+	+
$ЗА ($5А)	GIFR	Общий регистр флагов пре-рываний	$00	--	+	+	+
$39 ($59)	TIMSK	Регистр маски прерываний таймера/счетчика	$00	+	+	+	+
$38 ($58)	TIFR	Регистр флагов прерываний от таймеров/счетчиков	$00	+	+	+	+
$35 ($55)	MCUCR	Регистр общего управления микроконтроллером	$00	+	+	+	+

1.4.5 Внутренняя память SRAM

Данные и переменные, используемые в программах, как правило, хранятся во внутренней памяти SRAM микроконтроллеров AVR. К этим данным можно обращаться из программы прямо или косвенно (см. раздел "Различные способы адресации команд и данных"). На рис. 1.7. символически показаны графики синхронизации при обращении ко внутренней памяти SRAM.



Рис. 1.8 Синхронизация при обращении к внутренней памяти SRAM

При считывании байта данных из памяти SRAM в рабочий регистр сначала через встроенную шину адреса вводится желаемый адрес SRAM. Количество n адресных разрядов зависит от построения запоминающего устройства того или иного микроконтроллера. После этого подается внутренний сигнал чтения /RD= лог. 0). Затем содержимое ячейки памяти SRAM D0...D7, появившееся на внутренней шине данных, переносится по нарастающему фронту сигнала /RD в желаемый рабочий регистр.

Если содержимое рабочего регистра должно быть записано в память SRAM, то сначала желаемый адрес SRAM подается на встроенную шину адреса, а содержимое рабочего регистра -- на встроенную шину данных. Вслед за этим подается внутренний сигнал записи (/WR=лог. 0), по нарастающему фронту которого байт с шины данных записывается в желаемую ячейку памяти.

1.4.6 Внешняя память SRAM

Если объема внутренней памяти SRAM недостаточно, то в микроконтроллерах типов AT90S4414 и AT90S8515 его можно увеличить до 64 Кбайт посредством подключения внешних блоков памяти.

Для этого в регистре MCUCR (адрес в области ввода/вывода -- $35, адрес в SRAM -- $55) следует установить разряд SRE (разряд 7). После установки этого разряда порты PA (AD 0...7) и PC (А8...15) будут выступать в качестве шины адреса и шины данных, а выводы 7 и 6 порта PD -- в качестве управляющих сигналов чтения /RD- и, соответственно, записи /WR для внешней памяти SRAM (см. рис. 1.8.), независимо от того, какие направле-ния передачи данных установлены для этих портов в соответствующих регистрах направления передачи данных. Дальнейшее обращение к внешней статической памяти может осуществляться с помощью тех же команд (Id, st, Ids, sts, ldd, std, push, pop), что и при обращении к внутренней памяти.

...