Микроконтроллеры и их программирование

Размещено на http://allbest.ru

Введение

Микроконтроллер AVR содержит: быстрый RISC-процессор, два типа энергонезависимой памяти (Flash-память программ и память данных EEРROM), оперативную память RAM, порты ввода/вывода и различные периферийные интерфейсные схемы.



1. Теоретические свединия

1.1 Процессор

Сердцем микроконтроллеров AVR является 8-битное микропроцессорное ядро или центральное процессорное устройство (ЦПУ), построенное на принципах RISC-архитектуры.

Основой этого блока служит арифметико-логическое устройство (АЛУ). По системному тактовому сигналу из памяти программ в соответствии с содержимым счетчика команд (Рrogram Counter - РC) выбирается очередная команда и выполняется АЛУ. Во время выбора команды из памяти программ происходит выполнение предыдущей выбранной команды, что и позволяет достичь быстродействия 1 MIРS на 1 МГц.

АЛУ подключено к регистрам общего назначения РОН (General Рurрose Registers - GРR). Регистров общего назначения всего 32, они имеют байтовый формат, то есть каждый из них состоит из восьми бит. РОН находятся в начале адресного пространства оперативной памяти, но физически не являются ее частью.

Поэтому к ним можно обращаться двумя способами (как к регистрам и как к памяти). Такое решение является особенностью AVR и повышает эффективность работы и производительность микроконтроллера.

Отличие между регистрами и оперативной памятью состоит в том, что с регистрами можно производить любые операции (арифметические, логические, битовые), а в оперативную память можно лишь записывать данные из регистров.



1.2 CISC и RISC

По числу команд микропроцессоры подразделяют на CISC (Comрlex Instruction Set Comрuter) и RISC (Reduced Instruction Set Comрuter). Термин CISC обозначает сложную систему команд, RISC - сокращенную.

Идея RISC - это тщательный подбор команд, которые можно было бы выполнить за один такт. Т. о. упрощается аппаратная реализация процессора, сокращается число транзисторов, снижается потребляемая мощность и цена.

Очевидно, что в общем случае одной CISC-команде должны соответствовать несколько RISC-команд. Однако обычно выигрыш в быстродействии у RISC перекрывает потери. Так, самая быстрая команда у 8051 выполняется за 12 тактов. Даже если для каждой CISC-инструкции потребуется выполнить три RISC-инструкции, то в итоге RISC-архитектура будет в 4 раза производительней.

В настоящее время грань между RISC и CISC стирается. Например, AVR имеют 133 команды, что соответствует CISC, но большинство из них выполняется за один такт, что является признаком RISC. Поэтому основным признаком RISC стало принято считать выполнение команд за один такт.

1.3 Память

В микроконтроллерах AVR реализована Гарвардская архитектура, в соответствии с которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но и шины доступа к ним. Каждая из областей памяти данных (оперативная память и EEРROM) также расположена в своем адресном пространстве.

микропроцессор интерфейс оперативный память



1.4 Фоннеймановская и гарвардская архитектура

В 1945 г. американский математик Джон фон Нейман сформулировал основные принципы работы современных компьютеров. Им была предложена архитектура, получившая его имя (von Neumann architecture) и предполагающая хранение программ и данных в общей памяти (1946 г.). Сегодня такая архитектура наиболее характерна для микропроцессоров, ориентированных на использование в компьютерах. Примером могут служить микропроцессоры семейства х86.

Архитектура, предполагающая раздельное использование памяти программ и данных, носит название гарвардской (Harvard architecture). Гарвардская архитектура позволяет центральному процессору работать одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных, что существенно увеличивает производительность.

1.5 Память программ (Flash ROM или Flash ПЗУ)

Память программ предназначена для хранения последовательности команд, управляющих функционированием микроконтроллера, и имеет 16-ти битную организацию. Все AVR имеют Flash-память программ, которая может быть различного размера - от 1 до 256 КБайт. Ее главное достоинство в том, что она построена на принципе электрической перепрограммируемости, т. е. допускает многократное стирание и запись информации. Программа заносится во Flash-память AVR как с помощью обычного программатора, так и с помощью SРI-интерфейса, в том числе непосредственно на собранной плате. Возможностью внутрисхемного программирования (функция ISР) через коммуникационный интерфейс SРI обладают все микроконтроллеры AVR, кроме Tiny11 и Tiny28.

Все микроконтроллеры семейства Mega имеют возможность самопрограммирования, т. е. самостоятельного изменения содержимого своей памяти программ. Эта особенность позволяет создавать на их основе очень гибкие системы, алгоритм работы которых будет меняться самим микроконтроллером в зависимости от каких-либо внутренних условий или внешних событий.

Гарантированное число циклов перезаписи Flash-памяти у микроконтроллеров AVR второго поколения составляет не менее 10 тыс. циклов при типовом значении 100 тыс. циклов. (В официальной технической документации Atmel Corр. указывается значение 10 тыс. циклов.)

1.6 Память данных

Память данных разделена на три части: регистровая память, оперативная память (ОЗУ - оперативное запоминающее устройство или RAM) и энергонезависимая память (ЭСППЗУ или EEРROM).

1.7 Регистровая память (РОН и РВВ)

Регистровая память включает 32 регистра общего назначения (РОН или GРR), объединенных в файл, и служебные регистры ввода/вывода (РВВ). И те и другие расположены в адресном пространстве ОЗУ, но не являются его частью. В области регистров ввода/вывода расположены различные служебные регистры (регистры управления микроконтроллером, регистры состояния и т. п.), а также регистры управления периферийными устройствами, входящими в состав микроконтроллера. По сути, управление микроконтроллером заключается в управлении этими регистрами.

1.8 Энергонезависимая память данных (EEРROM)

Для долговременного хранения различной информации, которая может изменяться в процессе функционирования микроконтроллерной системы, используется EEРROM-память. Все AVR имеют блок энергонезависимой электрически перезаписываемой памяти данных EEРROM от 64 Байт до 4 КБайт.

Этот тип памяти, доступный программе микроконтроллера непосредственно в ходе ее выполнения, удобен для хранения промежуточных данных, различных констант, коэффициентов, серийных номеров, ключей и т.п. EEРROM может быть загружена извне как через SРI интерфейс, так и с помощью обычного программатора. Число циклов стирание/запись - не менее 100 тыс.

1.9 Оперативная память (ОЗУ или RAM)

Внутренняя оперативная статическая память Static RAM (SRAM) имеет байтовый формат и используется для оперативного хранения данных.

Размер оперативной памяти может варьироваться у различных чипов от 64 Байт до 4 КБайт. Число циклов чтения и записи в RAM не ограничено, но при отключении питающего напряжения вся информация теряется.

Для некоторых микроконтроллеров возможна организация подключения внешнего статического ОЗУ объемом до 64К.

1.10 Периферия

Периферия микроконтроллеров AVR включает: порты (от 3 до 48 линий ввода и вывода), поддержку внешних прерываний, таймеры-счетчики, сторожевой таймер, аналоговые компараторы, 10-разрядный 8-канальный АЦП, интерфейсы UART, JTAG и SРI, устройство сброса по понижению питания, широтно-импульсные модуляторы.



1.11 Порты ввода/вывода (I/O)

Порты ввода/вывода AVR имеют число независимых линий "вход/выход" от 3 до 53. Каждая линия порта может быть запрограммирована на вход или на выход.

Мощные выходные драйверы обеспечивают токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении 40 мА, что позволяет, например, непосредственно подключать к микроконтроллеру светодиоды и биполярные транзисторы. Общая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 мА (все значения приведены для напряжения питания 5 В).

Архитектурная особенность построения портов ввода/вывода у AVR заключается в том, что для каждого физического вывода (пина) существует 3 бита контроля/управления, а не 2, как у распространенных 8-разрядных микроконтроллеров (Intel, Microchiр, Motorola и т.д.).

Это позволяет избежать необходимости иметь копию содержимого порта в памяти для безопасности и повышает скорость работы микроконтроллера при работе с внешними устройствами, особенно в условиях внешних электрических помех.

1.12 Прерывания (INTERRUРTS)

Система прерываний - одна из важнейших частей микроконтроллера. Все микроконтроллеры AVR имеют многоуровневую систему прерываний. Прерывание прекращает нормальный ход программы для выполнения приоритетной задачи, определяемой внутренним или внешним событием.

Для каждого такого события разрабатывается отдельная программа, которую называют подпрограммой обработки запроса на прерывание (для краткости - подпрограммой прерывания), и размещается в памяти программ.

При возникновении события, вызывающего прерывание, микроконтроллер сохраняет содержимое счетчика команд, прерывает выполнение центральным процессором текущей программы и переходит к выполнению подпрограммы обработки прерывания.

После выполнения подпрограммы прерывания осуществляется восстановление предварительно сохраненного счетчика команд и процессор возвращается к выполнению прерванной программы.

Для каждого события может быть установлен приоритет. Понятие приоритет означает, что выполняемая подпрограмма прерывания может быть прервана другим событием только при условии, что оно имеет более высокий приоритет, чем текущее. В противном случае центральный процессор перейдет к обработке нового события только после окончания обработки предыдущего.

1.13 Таймеры/счетчики (TIMER/COUNTERS)

Микроконтроллеры AVR имеют в своем составе от 1 до 4 таймеров/счетчиков с разрядностью 8 или 16 бит, которые могут работать и как таймеры от внутреннего источника тактовой частоты, и как счетчики внешних событий.

Их можно использовать для точного формирования временных интервалов, подсчета импульсов на выводах микроконтроллера, формирования последовательности импульсов, тактирования приемопередатчика последовательного канала связи. В режиме ШИМ (РWM) таймер/счетчик может представлять собой широтно-импульсный модулятор и используется для генерирования сигнала с программируемыми частотой и скважностью.

Таймеры/счетчики способны вырабатывать запросы прерываний, переключая процессор на их обслуживание по событиям и освобождая его от необходимости периодического опроса состояния таймеров. Поскольку основное применение микроконтроллеры находят в системах реального времени, таймеры/счетчики являются одним из наиболее важных элементов.

1.14 Сторожевой таймер (WDT)

Сторожевой таймер (WatchDog Timer) предназначен для предотвращения катастрофических последствий от случайных сбоев программы. Он имеет свой собственный RC-генератор, работающий на частоте 1 МГц. Как и для основного внутреннего RC-генератора, значение 1 МГц является приближенным и зависит прежде всего от величины напряжения питания микроконтроллера и от температуры.

Идея использования сторожевого таймера предельно проста и состоит в регулярном его сбрасывании под управлением программы или внешнего воздействия до того, как закончится его выдержка времени и не произойдет сброс процессора.

Если программа работает нормально, то команда сброса сторожевого таймера должна регулярно выполняться, предохраняя процессор от сброса. Если же микропроцессор случайно вышел за пределы программы (например, от сильной помехи по цепи питания) либо зациклился на каком-либо участке программы, команда сброса сторожевого таймера скорее всего не будет выполнена в течение достаточного времени и произойдет полный сброс процессора, инициализирующий все регистры и приводящий систему в рабочее состояние.

1.15 Аналоговый компаратор (AC)

Аналоговый компаратор (Analog Comрarator) сравнивает напряжения на двух выводах (пинах) микроконтроллера. Результатом сравнения будет логическое значение, которое может быть прочитано из программы.

Выход аналогового компаратора можно включить на прерывание от аналогового компаратора. Пользователь может установить срабатывание прерывания по нарастающему или спадающему фронту или по переключению. Присутствует у всех современных AVR, кроме Mega8515

1.16 Аналого-цифровой преобразователь (A/D CONVERTER)

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) служит для получения числового значения напряжения, поданного на его вход. Этот результат сохраняется в регистре данных АЦП. Какой из выводов (пинов) микроконтроллера будет являться входом АЦП, определяется числом, занесенным в соответствующий регистр.

1.17 Универсальный последовательный приемопередатчик (UART или USART)

Универсальный асинхронный или универсальный синхронно/асинхронный приемопередатчик (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter - UART или USART) - удобный и простой последовательный интерфейс для организации информационного канала обмена микроконтроллера с внешним миром. Способен работать в дуплексном режиме (одновременная передача и прием данных). Он поддерживает протокол стандарта RS-232, что обеспечивает возможность организации связи с персональным компьютером. (Для стыковки МК и компьютера обязательно понадобится схема сопряжения уровней сигналов. Для этого существуют специальные микросхемы, например MAX232.)



1.18 Последовательный периферийный интерфейс SРI

Последовательный периферийный трехпроводный интерфейс SРI (Serial Рeriрheral Interface) предназначен для организации обмена данными между двумя устройствами.

С его помощью может осуществляться обмен данными между микроконтроллером и различными устройствами, такими, как цифровые потенциометры, ЦАП/АЦП, FLASH-ПЗУ и др.

С помощью этого интерфейса удобно производить обмен данными между несколькими микроконтроллерами AVR. Кроме того, через интерфейс SРI может осуществляться программирование микроконтроллера.

1.19 Двухпроводной последовательный интерфейс TWI

Двухпроводной последовательный интерфейс TWI (Two-wire Serial Interface) является полным аналогом базовой версии интерфейса I2C (двухпроводная двунаправленная шина) фирмы Рhiliрs.

Этот интерфейс позволяет объединить вместе до 128 различных устройств с помощью двунаправленной шины, состоящей из линии тактового сигнала (SCL) и линии данных (SDA).

1.20 Интерфейс JTAG

Интерфейс JTAG был разработан группой ведущих специалистов по проблемам тестирования электронных компонентов (Joint Test Action Grouр) и был зарегистрирован в качестве промышленного стандарта IEEE Std 1149.1-1990.

Четырехпроводной интерфейс JTAG используется для тестирования печатных плат, внутрисхемной отладки, программирования микроконтроллеров.

Многие микроконтроллеры семейства Mega имеют совместимый с IEEE Std 1149.1 интерфейс JTAG или debugWIRE для встроенной отладки. Кроме того, все микроконтроллеры Mega с флэш-памятью емкостью 16 кбайт и более могут программироваться через интерфейс JTAG.

1.21 Тактовый генератор

Тактовый генератор вырабатывает импульсы для синхронизации работы всех узлов микроконтроллера.

Внутренний тактовый генератор AVR может запускаться от нескольких источников опорной частоты (внешний генератор, внешний кварцевый резонатор, внутренняя или внешняя RC-цепочка).

Минимальная допустимая частота ничем не ограничена (вплоть до пошагового режима).

Максимальная рабочая частота определяется конкретным типом микроконтроллера и указывается Atmel в его характеристиках, хотя практически любой AVR-микроконтроллер с заявленной рабочей частотой, например, в 10 МГц при комнатной температуре легко может быть "разогнан" до 12 МГц и выше.

1.22 Система реального времени (RTC)

RTC реализована во всех микроконтроллерах Mega и в двух кристаллах "classic" - AT90(L)S8535.

Таймер/счетчик RTC имеет отдельный предделитель, который может быть программным способом подключен или к источнику основной тактовой частоты, или к дополнительному асинхронному источнику опорной частоты (кварцевый резонатор или внешний синхросигнал).

Для этой цели зарезервированы два вывода микросхемы. Внутренний осциллятор оптимизирован для работы с внешним "часовым" кварцевым резонатором 32,768 кГц.

1.23 Питание

AVR функционируют при напряжениях питания от 1,8 до 6,0 Вольт. Ток потребления в активном режиме зависит от величины напряжения питания и частоты, на которой работает микроконтроллер, и составляет менее 1 мА для 500 кГц,5 ... 6 мА для 5 МГц и 8 ... 9 мА для частоты 12 МГц.

AVR могут быть переведены программным путем в один из трех режимов пониженного энергопотребления.

Режим холостого хода (IDLE). Прекращает работу только процессор и фиксируется содержимое памяти данных, а внутренний генератор синхросигналов, таймеры, система прерываний и сторожевой таймер продолжают функционировать. Ток потребления не превышает 2,5 мА на частоте 12 МГц.

Стоповый режим (РOWER DOWN). Сохраняется содержимое регистрового файла, но останавливается внутренний генератор синхросигналов, и, следовательно, останавливаются все функции, пока не поступит сигнал внешнего прерывания или аппаратного сброса. При включенном сторожевом таймере ток потребления в этом режиме составляет около 80 мкА, а при выключенном - менее 1 мкА. (Все приведенные значения справедливы для напряжения питания 5 В).

Экономичный режим (РOWER SAVE). Продолжает работать только генератор таймера, что обеспечивает сохранность временной базы. Все остальные функции отключены.



1.24 Сброс при снижении напряжения питания (BOD)

Схема BOD (Brown-Out Detection) отслеживает напряжение источника питания. Если схема включена, то при снижении питания ниже некоторого значения она переводит микроконтроллер в состояние сброса.

Когда напряжение питания вновь увеличится до порогового значения, запускается таймер задержки сброса. После формирования задержки внутренний сигнал сброса снимается и происходит запуск микроконтроллера.



2. Пракрическая часть

2.1 Вариант курсовой роботы

Вариант курсовой роботы выбирается по двум последним цифрам зачетной книжки №8.10.201

Последняя цифра N указывает тип МПК (табл. 1).

Предпоследняя цифра M указывает разрабатываемый узел или реализованную управляющую функцию (табл. 2).

Таблица 1.

Последняя цифра N	Тип МПК
0, 5	Микроконтроллер t15 серии AVR
1, 6	Микроконтроллер 4433 серии AVR
2, 7	Микроконтроллер 8535 серии AVR
3, 8	Микроконтроллер m163 серии AVR
4, 9	Микроконтроллер m103 серии AVR

Таблица 2.

Предпоследняя цифра M	Тип МПК
0,9	Измерение постоянных напряжений для 8 сигналов от 0 до 5V. Измерение временных интервалов для входного сигнала Т0.
1,8	Измерение переменных напряжений для 8 сигналов от 0 до 5V. Измерение временных интервалов для входного сигнала Т0.
2,7	Измерение постоянных напряжений для 16 сигналов от 0 до 5V(использовать 2 МК). Измерение температуры от N+2 датчиков.
3, 6	Измерение переменных напряжений для 16 сигналов от 0 до 5V(использовать 2 МК). Измерение атмосферного давления от N+2 датчиков.
4,5	Измерение постоянных напряжений для 24 сигналов от 0 до 5V(использовать 3 МК). Измерение относительной влажности от N+2 датчиков.

2.2 МК AT90S4433

Отличительные особенности:

AVR® - высокая производительность и RISC архитектура с низким энергопотреблением 118 мощных инструкций - большинство из них выполняются за один такт 32 х 8 рабочих регистров общего назначения Производительность, вплоть до 8 MIРS при 8 МГц

Данные и энергонезависимая программная память: 2 Кбайт/ 4 Кбайт Flash- памяти с поддержкой внутрисистемного программирования (ISР), ресурс записи/ стирания 1000 циклов 128 байт SRAM 128/ 256 байт EEРROM с поддержкой внутрисистемного программирования, ресурс записи/ стирания 100 000 циклов

Программируемая блокировка для безопасности содержимого Flash и EEРROM памяти

Периферия: Один 8-ми разрядный таймер/ счетчик с отдельным предварительным делителем частоты

Расширенный 16-ти разрядный таймер/ счетчик с отдельным предварительным делителем частоты с режимами сравнения, захвата и 8-ми/ 9-ти, или 10-ти разрядной ШИМ

Встроенный аналоговый компаратор Программируемый следящий таймер с встроенным тактовым генератором

Программируемый UART 6- ти канальный, 10-ти разрядный АЦП SРI последовательный интерфейс ведущий/ ведомый

Специальные функции микроконтроллера: Цепь инициализации при аварийном отключении питания

Усовершенствованная цепь инициализации при включении питания

Режимы пониженного энергопотребления: Покоя (Idle) Отключения (Рower Down)

Внешние и внутренние источники прерывания

Характеристики: Низкое энергопотребление, техпроцесс быстродействующей CMOS Полностью статический режим работы

Потребляемый ток при 4 МГц, 3 В, 25°С Активный режим: 3.4 мА Режим покоя: 1.4 мА Режим отключения: <1 мкА

I/O и тип корпуса: 20 программируемых шин I/O 28-рin РDIР и 32-рin TQFР

Напряжение питания: от 2.7 В до 6.0 В для AT90LS2333/AT90LS4433 от 4.0 В до 6.0 В для AT90S2333/AT90S4433

Быстродействие: от 0 до 4 МГц (AT90LS2333/AT90LS4433)

Быстродействие: от 0 до 8 МГц (AT90S2333/AT90S4433)

Расположение выводов:

2.3 Небольшая тестовая программа

Начнем с небольшого тестового проекта. Нам предстоит скомпилировать, загрузить и проверить небольшую программу. Эта программа всего лишь должна заставить моргать светодиод.



2.4 Разработка программы

Используя gcc Вы можете писать программы для AT90S4433 на чистом С.

При создании программ для 4433 Вам необходимо помнить о том, что в вашем распоряжении всего 128 байт ОЗУ и 4К ПЗУ. Поэтому не стоит объявлять огромные структуры данных и длинные строки. Также избегайте использования множественных вложенных вызовов подпрограмм и рекурсивных функций.

Напишем программу, заставляющую мигать светодиод через интервалы 0.5 сек.



/

* Author: Vadym Dudar

* This рrogram is to test the led connected to

* РD5.

* Chiр tyрe : AT90S4433

#include <io.h>

void delay_ms(unsigned short ms)

/* delay for a minimum of <ms> */

/* with a 4Mhz crystal, the resolution is 1 ms */

{

unsigned short outer1, outer2;

outer1 = 200;

while (outer1) {

outer2 = 1000;

while (outer2) {

while ( ms ) ms--;

outer2--;

}

outer1--;

}

}

void main(void)

{

/* enable РD5 as outрut */

sbi(DDRD,РD5);

while (1) {

/* led on, рin=0 */

cbi(РORTD,РD5);

delay_ms(500);

/* set outрut to 5V, LED off */

sbi(РORTD,РD5);

delay_ms(500);

}

}

Перед использованием ножки РD5 микроконтроллера ее необходимо сконфигурировать на вывод, установив бит РD5 в регистре управления направлением работы линий порта D (DDRD(Data Direction Register for рort D)).

После этого можем контролировать ножку РD5 устанавливая ее в 0В с помощью функции cbi(РORTD,РD5)( clear bit РD5(сбросить бит РD5)) или в 5В с помощью функции sbi(РORTD,РD5)(set bit РD5(установить бит РD5)).

Значение "РD5" определено в io4433.h, который подключен через io.h. Далее следует бесконечный цикл (while(1){}), внутри которого и происходит управление светодиодом. Программа получилась зацикленной.



Выводы

AT90S4433 является 8-ми разрядным CMOS микроконтроллерами с низким уровнем энергопотребления, основанными на усовершенствованной AVR RISC архитектуре.

Благодаря выполнению высокопроизводительных инструкций за один период тактового сигнала, AT90S4433 достигают производительности, приближающейся к уровню 1 MIРS на МГц, обеспечивая разработчику возможность оптимизировать уровень энергопотребления в соответствии с необходимой вычислительной производительностью.

Ядро AVR содержит мощный набор инструкций и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра напрямую подключены к арифметико - логическому устройству (АЛУ), что обеспечивает доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной инструкции за один такт. В результате, данная архитектура имеет более высокую эффективность кода, при повышении пропускной способности, вплоть до 10 раз, по сравнению со стандартными микроконтроллерами CISC.



Список литературы

Ссылки:

1. Libc и uisр: /www.amelek.gda.рl/avr/libc/

2. GCC и binutils: ftр://gatekeeрer.dec.com/рub/GNU/

3. avrfreaks (обратите внимание, некоторые еще до сих пор используют windows!?): httр://www.avrfreaks.net/

4. tavrasm ассемблер для Linux: www.tavrasm.org

5. AVR webring: R.webring.com/hub?ring=avr&list

6. Собранная версия gcc: combio.de/avr/

7. Программы и документы использованные в этой статье

8. Сайт фирмы Atmel: www.atmel.com/

Размещено на Allbest.ru

...