Управление синтезатором частот с помощью микпроцессора

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений

Введение

1. Описание микроконтроллеров семейства Atmel

1.1 Классификация микроконтроллеров

1.2 Критерии выбора микроконтроллера

1.3 Характеристики микроконтроллеров корпорации Atmel

1.4 Устройство микроконтроллера AVR

2. Программирование микроконтроллера

2.1 Способы программирования микроконтроллеров AVR

2.2 Ассемблирование написанной программы

2.3 Программатор

3. Применение микроконтроллера AVR для управления работой синтезатора частот декаметрового диапазона

3.1 Методы синтеза частот

3.2 Описание используемого синтезатора частот

3.3 Устройство работы синтезатора частот

3.4 Достоинства, недостатки и особенности применения цифровых систем

Заключение

Список использованной литературы

Приложения

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

AC - AnalogComparator

ALU - Arithmetic Logic Unit

ANRM - ADC Noise Reduction Mode

APS - Application Section

BLS - Boot Loader Section

BOD - Brown-Out Detection

BOR- Brown-Out Reset

CD-ROM - Compact Disc Read-Only Memory

CISC - Complex Instruction Set Computer

CMOS - Complementary-Symmetry/Metal-Oxide Semiconductor

COM - CommunicationsPort

CPU - Central Processing Unit

DDS - Direct Digital Synthesizer

DMA - Direct Memory Access

EDGE -Enhanced Data Rates For GSM Evolution

EEM - Electrically Erasable Memory

EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

EPROM - Erasable Programmable Read Only Memory

ERC - The Internal Oscillator With An External RC-Chain

EXR - External Reset

EXT - External Oscillator

GCK - Clock Generator

GND - Ground

GPRS - General Packet Radio Service

GSM - Group Special Mobile

HVPP - High-Voltage Parallel Programming

HVSP - High-Voltage Serial Programming

I/O - Input /Output

IBM PC - International Business Machines

IEEE - Institute Of Electrical And Electronics Engineers

IM - Idle Mode

IRC - Internal RC-Oscillator

ISP - In-Circuit Serial Programming

JTAG - Joint Testation Group

LPT -Line Print Terminal

LVSP - Low-Voltage Serial Programming

MCU - Microcontroller Unit

MIPS - Million Instructions Per Second

NVT - Network Virtual Terminal

PC - Program Counter

PDM - Power-Down Mode

PPP - Point-To-Point Protocol

PWM - Pulse-Width Modulation

RAM - Random-Access Memory

RISC - Restricted (Reduced) Instruction Set Computer

RISC - Reduced Instruction Set Computer

ROM - Read-Only Memory

RTC - Real-Time System

RTS/CTS - Request To Send / Clear To Send

SLFP - Self-Programming

SPI - Serial Peripheral Interface

SRAM - Static Random Access Memory

TCP/IP - Transmission Control Protocol/Internet Protocol

TWI - Two-Wire Serial Interface

UART или USART - Universal Synchronous/ Asynchronous Receiver And Transmitter

UDP/IP - User Datagram Protocol

USB - Universal Serial Bus

WDT - Watch Dog Timer

WDTR - Watchdog Reset

XTAL - Internal Oscillator With External Crystal Or Ceramic Resonator

АЛУ - Арифметико-Логическое устройство

АЦП - Аналого-Цифровой Преобразователь

ГУН - Генератор Управляемый Напряжением

ЖКИ - Жидкокристаллический Индикатор

КВ - Коротковолновый

МК - Микроконтроллер

ОЗУ - Оперативное Запоминающее Устройство

ПЗУ - Постоянное Запоминающее Устройство

ПЧ - Промежуточная Частота

РВВ - Регистры Ввода/Вывода

РОН - Регистр Общего Назначения

ЦАП - Цифро-Аналоговый Преобразователь

ЦПУ - Центральное Процессорное Устройство

ЭВМ - Электронно-Вычислительная Машина

ВВЕДЕНИЕ

Стремительное развитие микроэлектроники, аналоговой и цифровой микросхемотехники, микропроцессорной и компьютерной техники оказывает существенное влияние на развитие приемопередающей техники как с точки зрения резкого увеличения функциональных возможностей, так и с точки зрения улучшения ее эксплуатационных показателей. Это достигается за счет использования новых принципов построения структурных схем и схемотехнической реализации отдельных их узлов, реализующих цифровые способы формирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов, имеющих различные частоты и уровни мощности.

Широкое распространение получили микроконтроллеры и микроЭВМ. Предназначенные для «интеллектуализации» оборудования различного назначения, они применяются в тестовых и контрольно-измерительных системах; системах управления технологическими процессами; программного управления станками; контроля состояния линии связи; подсистемах управления периферийным оборудованием вычислительных систем и комплексов; специализированных вычислительных устройствах и др. В связи с развитием науки и техники совершенствуется и элементная база электронных схем и узлов, при этом повышается надежность, простота настройки и эксплуатации. Основная часть узлов и блоков современной радиоаппаратуры выполняется на интегральных схемах, обладающих по сравнению с дискретным исполнением меньшими габаритными размерами, большей надежностью.

В современных условиях развития радиоэлектроники возникла необходимость повысить точность частоты излучаемых колебаний во избежание взаимных помех, уменьшения искажений сигнала при приеме и повышения удобства и быстродействия связи. В последнее время методы, используемые в образовании частот и управлении частотой, претерпели коренные изменения в связи с двумя открытиями. Первое из них - изобретение метода синтеза частот, позволяющего получать миллионы дискретных частот со стабильностью и точностью установки, соответствующей одному генератору опорной частоты. Второе - разработка сверхстабильных и сверхточных источников колебаний, позволяющих наделить такими же характеристиками миллионы частот. Различные новые способы конструирования и производства аналоговых и цифровых устройств, например миниатюризация и интеграция существенно снизили стоимость и габариты, массу и потребляемую мощность синтезаторов. В настоящее время в диапазонных приемопередатчиках для целей генерации стабильных колебаний используются синтезаторы частот.

Теория синтеза частот выделилась, по существу, в самостоятельную научную дисциплину. Ее предметом являются системы синтеза частот - устройства, которые позволяют получать колебания с любой из некоторого множества дискретных частот или одновременно несколько таких колебаний с разными частотами при точности и стабильности частоты, определяемыми одним опорным генератором. В технике синтеза частот находят применения новейшие достижения радиоэлектроники: полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы, параметрические системы, микропроцессоры, ЭВМ, атомные стандарты частоты.

В данной работе ставится задача изучить микроконтроллеры различных производителей, как неотъемлемый элемент современных технических средств. На основе сравнения функциональных возможностей и характеристик выбрать наиболее выгодный с точки зрения стоимости и производительности микроконтроллер из ряда наиболее популярных, который впоследствии будет использован с целью управления цифровым синтезатором частот декаметрового диапазона при помощи написанной для него программы. Немаловажным будет являться фактор простоты конструкции и снижение нежелательных явлений, таких как шумы квантования и т.п.

1. ОПИСАНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА ATMEL

1.1 Классификация микроконтроллеров

Микроконтроллер (англ. Microcontrollerunit, MCU) - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

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.

Из рисунка 1 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 энергии от источника питания.[2, С.5-6]

Универсальные микропроцессоры ориентированы на использование в различных вычислительных, информационных и управляющих системах, в которых требуется обработка больших объемов информации (например, для цифровой обработки изображений, управления базами данных, визуализации данных оператору или экипажу), но нет специальных требований к архитектуре вычислителя, габаритным размерам и энергопотреблению. Универсальность микропроцессора подразумевает как широкую сферу использования, так и типовую структуру вычислительной системы.

Однокристальный микроконтроллер представляет собой микропроцессорную систему, реализованную на одном кристалле. Типичная архитектура включает в себя собственно процессор, генератор тактовых импульсов, блоки памяти, порты ввода-вывода, таймеры, контроллер прерываний. Основными достоинствами микроконтроллера являются конструктивное и схемотехническое единство всех блоков, общий электрический интерфейс, удобство программной настройки режимов работы всех подсистем. Благодаря этому микроконтроллеры являются популярным средством для построения встраиваемых цифровых управляющих систем.

Аналоговые процессоры для обработки сигналов - включают в себя, кроме типовых блоков микроконтроллера, многоканальные АЦП и ЦАП, блоки формирования управляющих импульсов. Такой процессор представляет собой интегрированную систему обработки аналоговой информации в цифровом виде.

Еще одна разновидность микроконтроллеров - конвейерные сигнальные процессоры, содержащие конвейеры для реализации алгоритмов цифровой фильтрации данных и обработки изображений. Такие алгоритмы состоят из последовательности операций умножения и суммирования. Конвейер представляет собой набор однотипных блоков для выполнения операций умножения-суммирования, включенных последовательно друг за другом. Таким образом, результат выполнения операции в одном блоке автоматически является входными данными для следующего блока. Применение конвейерной обработки позволяет выдавать на каждом такте работы системы очередной результат вычислений.

Микропроцессоры с микропрограммным принципом управления конструктивно выполняют в виде секций малой разрядности, имеющих средства для наращивания разрядности обрабатываемых данных. Для подобных микропроцессоров в принципе отсутствует понятие системы команд. Действия процессора на тот или иной управляющий код (считанный из памяти код команды) определяются программистом путем настройки специального блока - блока микропрограммного управления. Таким образом, разработчики системы могут сформировать систему команд, ориентированную на эффективное решение определенного круга задач. Существенным недостатком подобных систем является громоздкость аппаратных модулей на их основе, а также необходимость написания программного обеспечения буквально в машинных кодах, что затрудняет разработку. В настоящее время такие секционированные микропроцессоры практически вытеснены однокристальными микроконтроллерами. [6, С.3-7]

Рассмотрим типичные схемы, присутствующие в микроконтроллерах:

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.

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

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

Тактовый генератор. Этот генератор определяет скорость работы микроконтроллера.

Цепь сброса. Эта цепь служит для правильного запуска микроконтроллера.

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

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

Таймер. Используется для отсчета.

Сторожевой таймер. Это специальный таймер для предотвращения сбоев программы. Он работает следующим образом: после запуска он начинает отсчет заданного времени интервала. Если программа не перезапустит его до истечения этого интервала времени, сторожевой таймер перезапустит микроконтроллер. [2, С.7]

1.2 Критерии выбора микроконтроллера

В последние годы при разработке систем управления объектами различного типа и уровня сложности все больше внимания уделяется микроконтроллерной технике. Это связано с ее бурным развитием и широким ассортиментом предлагаемой продукции. Использование микроконтроллеров позволяет конструировать устройства, обладающие такими качествами, как небольшие габариты, относительная дешевизна, простота и надежность, совместимость с персональным компьютером через стандартные интерфейсы.

При разработке устройства возникает необходимость в выборе микроконтроллера, удовлетворяющего требованиям по производительности, надежности, условиям применения и т.д.

Выбор микроконтроллера является одним из самых важных решений, от которых зависит успех или провал всего проекта. При выборе микроконтроллера существуют многочисленные критерии, большинство из которых представлены в этом разделе.

Основная цель - выбрать микроконтроллер с минимальной ценой (чтобы снизить общую стоимость системы), но в то же время удовлетворяющий системной спецификации, т.е. требованиям по производительности, надежности, условиям применения и т.д. Общая стоимость системы включает все: инженерное исследование и разработку, производство (комплектующие и труд), гарантийный ремонт, обновление, обслуживание, совместимость, простоту в обращении и т.д.

Второй шаг - поиск микроконтроллеров, которые удовлетворяют всем системным требованиям. Он обычно включает подбор литературы, технических описаний и технических коммерческих журналов, а также демонстрационные консультации.

Последняя стадия выбора состоит из нескольких этапов, цель которых - сузить список приемлемых микроконтроллеров до одного. Эти этапы включают в себя анализ цены, доступности, средств разработки, поддержки производителя, стабильности и наличия других производителей.

Проведение системного анализа проекта позволяет определить требования к микроконтроллеру:

- разрядность вычислительного ядра;

- набор встроенных периферийных устройств (таймеры, АЦП и т.п.);

- наличие битовых операций;

- аппаратная организация обработки данных (структура машинного цикла, соотношение тактов и машинных циклов);

- возможность работа по прерываниям, по внешним сигналам готовности или по командам человека;

- количество управляемых портов ввода/вывода, характер передачи - байтовая или битовая, программная настройка направления передачи;

- тип устройств ввода/вывода, которыми должен управлять выбираемый МК в проектируемой системе (терминалы, выключатели, реле, клавиши, датчики, цифровые устройства визуальной индикации, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, модуляторы и т.д.);

- поддерживаемые способы загрузки программ в микроконтроллер, возможность внутрисистемного программирования, использование при этом стандартизированных интерфейсов;

- количество и тип напряжений питаний;

- отказоустойчивость источника питания;

- массогабаритные и эстетические ограничения;

- условия окружающей среды, необходимые для эксплуатации.

Выбор прикладного языка программирования (например, С или Паскаль вместо ассемблера) может сильно повлиять на производительность системы, которая затем может диктовать выбор 8-, 16- или 32-разрядной архитектуры.

Тактовая частота или, более точно, скорость шины определяет, сколько вычислений может быть выполнено за единицу времени. Некоторые микроконтроллеры имеют узкий диапазон возможной тактовой частоты, в то время как другие могут работать вплоть до нулевой частоты. Иногда выбирается специальная тактовая частота, чтобы сгенерировать другую тактовую частоту, требуемую в системе, например, для задания скоростей последовательной передачи.

В основном, вычислительная мощность, потребляемая мощность и стоимость системы увеличиваются с повышением тактовой частоты. Цена системы при повышении частоты увеличивается из-за стоимости не только микроконтроллера, но также и всех требующихся дополнительных микросхем.

Чтобы достичь более высокого уровня интеграции и надежности при более низкой цене, все микроконтроллеры имеют встроенные дополнительные устройства. Эти устройства под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера выполняют определенные функции. Встроенные устройства повышают надежность, потому что они не требуют никаких внешних электрических цепей. Они предварительно тестируются производителем и освобождают место на плате, так как все электрические соединительные цепи выполнены на кристалле в микроконтроллере. Некоторыми из наиболее популярных внутрисхемных устройств являются устройства памяти, таймеры, системные часы/генератор и порты ввода-вывода. Устройства памяти включают оперативную память (RAM), постоянные запоминающие устройства (ROM), перепрограммируемую ROM (EPROM), электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM) и электрически стираемую память (EEM). Термин EEM, на самом деле, относится к развиваемой версии микроконтроллера, где EEPROM заменяет ROM, чтобы снизить время разработки. Под таймерами понимают как часы реального времени, так и устройства периодического прерывания. Следует принимать во внимание диапазон разрешения таймера, так же как и другие подфункции, такие как сравнение состояния таймера и/или входных линий измерения сигнала. Сравнительная характеристика микроконтроллеров самых известных производителей представлена в таблице 1.

К устройствам ввода-вывода относят последовательные порты связи, параллельные порты, аналого-цифровые преобразователи, цифро-аналоговые преобразователи, драйверы жидкокристаллического экрана и драйверы вакуумного флуоресцентного экрана. Другими, реже используемыми, встроенными ресурсами являются внутренняя/внешняя шина, таймер слежения за нормальным функционированием системы, сторожевая схема, система обнаружения отказов тактового генератора, выбираемая конфигурация памяти и системный интеграционный модуль (обычно заменяет внешнюю логику, необходимую для взаимодействия с внешними устройствами через избранные контакты микросхемы).

В большинство микроконтроллеров с внутрисхемными ресурсами включается блок конфигурационных регистров для управления этими ресурсами. Хотя конфигурационные регистры могут сначала испугать своей сложностью, они крайне ценны благодаря гибкости при низкой стоимости, так что одному микроконтроллеру можно найти различные применения. [1, С.12-16]

1.3 Характеристики микроконтроллеров корпорации Atmel

Одним из самых известных производителей микроконтроллеров является корпорация Atmel, которая хорошо известна как на мировом, так и на российском рынках электронных компонентов. Является одним из признанных мировых лидеров в разработке и производстве сложных изделий современной микроэлектроники - устройств энергонезависимой памяти высокого быстродействия и минимального удельного энергопотребления, микроконтроллеров общего назначения и микросхем программируемой логики.

Таблица 1 - Сравнительная характеристика микроконтроллеров

	АЦП	Ядро	F, МГЦ	Flash, Кбайт	RAM, байт	Потребление в активном режиме	Время старта, мкс	Vсс,В	Стоимость
ATmega3290P	8ch-10 бит	8-бит	20	32	2048	500-750 мкА	4300	1,8-5,5	310.00 руб.
ATmega329P	8ch-10 бит	8-бит	20	32	2048	500-750 мкА	4300	1,8-5,5	408.78 руб.
ATmega169P	8ch-10 бит	8-бит	16	16	1024	350-440 мкА	4300	1,8-5,5	262,00 руб.
MSP430FG4616	12 бит SAR	16-бит	8	92	4096	400 мкА	6	1,8-3,6	300.00 руб.
MSP430FG4617	12 бит SAR	16-бит	8	92	8192	400 мкА	6	1,8-3,6	€ 8,97
MSP430FG4618	12 бит SAR	16-бит	8	116	8192	400 мкА	6	1,8-3,6	€92.21
MSP430FG4619	12 бит SAR	16-бит	8	120	4096	400 мкА	6	1,8-3,6	€113.72
MC9S08LC36LK	8-ch 12 бит	8-бит	20	36	2500	600-1700 мкА	128	1,8-3,6	541.90 руб.
MC9S08LC60LK	8-ch 12 бит	8-бит	20	60	4000	600-1700 мкА	128	1,8-3,6	339,25 руб.
PIC18F6490	12-ch 10 бит	8-бит	32	16	768	440-960 мкА	128	2,0-5,5	371.75 руб.
PIC18F64J90	12-ch 10 бит	8-бит	8	16	1024	440-960мкА	128	2,0-3,6	300.00 руб.
PIC18F65J90	12-ch 10 бит	8-бит	8	32	2047	460 мкА	128	2,0-3,6	Ј3.06
PIC18F6490	12-ch 10 бит	8-бит	32	16	768	440-960мкА	128	2,0-3,6	378.25 руб.
PIC18F8490	12-ch 10 бит	8-бит	32	16	1024	440-960мкА	128	2,0-3,6	€10.26
PIC18F84J90	12-ch 10 бит	8-бит	8	32	2048	460 мкА	128	2,0-3,6	294.71 руб.

1.1. AVR - это новое семейство 8-разрядных микроконтроллеров фирмы Atmel. Эти микроконтроллеры позволяют решать множество задач встроенных систем. Они отличаются от других распространенных в настоящее время микроконтроллеров 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-разрядные микроконтроллеры, что позволяет ощутимо удешевить готовую систему. Кроме того, микроконтроллеры AVR очень легко программируются.

По заявлению фирмы-производителя микроконтроллеров микроконтроллеры семейства AVR можно перепрограммировать до 1000 раз, причем непосредственно к собранной схеме.

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

Микроконтроллеры AVR обладают следующими основными характеристиками:

- очень быстрая гарвардская RISC-архитектура загрузки и выполнения большинства инструкций в течение одного цикла тактового генератора. При этом достигается скорость работы примерно 1 MIPS на МГц. Частота тактового генератора многих типов микроконтроллеров AVR может достигать 10...16 МГц (10...16 MIPS) (MIPS - million instructions per second - миллионов операций в секунду). 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 FLASHROM. 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 значительно ускоряет процесс разработки систем на основе этих микроконтроллеров;

- система команд микроконтроллеров AVR изначально проектировалась с учетом особенностей языка программирования высокого уровня С, что в результате позволяет получать после компиляции программ на С гораздо более эффективный код, чем для других микроконтроллеров. А это уже выигрыш и в размере полученного кода (в объеме памяти на кристалле), и в скорости работы микроконтроллера;

- микроконтроллеры AVR 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 обязательно должен находиться в специальном регистре - аккумуляторе. Таким образом, необходимо сначала его туда занести, затем после выполнения операции результат из аккумулятора переписать в регистр для хранения результата. Итого получается уже три команды. В микроконтроллерах AVR то же самое займет всего одну команду;

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

- наличие дешевых и простых в использовании программных средств. Многие полноценные программы доступны в свободно распространяемом варианте;

- узлы PWM (широтно-импульсная модуляция), таймеры/счетчики, аналоговый компаратор и последовательный порт 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;

- все микроконтроллеры AVR имеют электрически перепрограммируемую постоянную память данных EEPROM, которая может быть перепрограммирована более 100000 раз.

Имеется три подсемейства микроконтроллеров AVR:

- TinyAVR - недорогие миниатюрные микроконтроллеры в 8-выводном исполнении;

- ClassicAVR - основная линия микроконтроллеров с производительностью отдельных модификаций до 16 MIPS, FLASH-памятью программ 2…8 Кбайт, памятью данных EEPROM 64…512 байт, оперативной памятью данных SRAM 128...512 байт;

- MegaAVR с производительностью 4..16 MIPS для сложных приложений, требующих большого объема памяти, FLASH-памятью программ до 128 Кбайт, памятью данных EEPROM 64…512 байт, оперативной памятью данных SRAM 2…4 Кбайт, встроенным 10-разрядным 8-канальным АЦП, аппаратным умножителем 8x8.

Российские специалисты уже по достоинству оценили высокую скорость работы и мощную систему команд AVR, наличие двух типов энергонезависимой памяти на одном кристалле и активно развивающуюся периферию. Немаловажную роль в этом играет политика Atmel в вопросе развития и распространения разнообразных, доступных средств поддержки разработок. Это позволяет разработчикам и производителям электронной техники надеяться на сохранение полноценной поддержки для перспективного семейства микроконтроллеров, закладывая AVR в свои новые изделия.

AVR - это относительно молодой продукт корпорации Atmel, активно развиваемая линия встраиваемых многоцелевых микроконтроллеров общего назначения. В этой линии постоянно появляются новые семейства и кристаллы, обновляются версии уже существующих микросхем, совершенствуется и расширяется программное обеспечение поддержки. Большинство команд, входящих в систему команд, выбираются из памяти за один такт и выполняются за один такт работы микроконтроллера. При выполнении последовательности таких команд выборка из памяти очередной команды совмещается во времени с исполнением ранее выбранной команды. При этом число команд, выполняемых за 1 секунду, совпадает с тактовой частотой работы микроконтроллера.

Микроконтроллеры изготавливаются по высококачественной CMOS технологии, содержат энергонезависимые запоминающие устройства для хранения программы и данных, выполненные по Flash и EEPROM технологиям, и отличаются низким энергопотреблением при высокой тактовой частоте. Запись программы и исходных данных в память может выполняться после установки микроконтроллера в аппаратуре, где ему предстоит работать. [2, С.9-12]

1.4 Устройство микроконтроллеров AVR

Микроконтроллеры семейства AVR имеют единую базовую структуру. Обобщенная структурная схема микроконтроллера (МК) изображена на рис. 3.

В состав микроконтроллера входят:

- генератор тактового сигнала (GCK);

- процессор (CPU);

- постоянное запоминающее устройство для хранения программы, выполненное по технологии Flash, (FlashROM);

- оперативное запоминающее устройство статического типа для хранения данных (SRAM);

- постоянное запоминающее устройство для хранения данных, выполненное по технологии EEPROM, (EEPROM);

- набор периферийных устройств для ввода и вывода данных и управляющих сигналов и выполнения других функций.

Вывод GND предназначен для подключения источника напряжения питания микроконтроллера. Уровень напряжения всех сигналов в микроконтроллере отсчитывается относительно уровня на шине GND, принимаемого за 0 В.

В состав процессора (CPU) входят:

- счетчик команд (PC);

- арифметико-логическое устройство (ALU);

- блок регистров общего назначения. Кроме регистров общего назначения в микроконтроллере имеются регистры специальных функций, которые в семействе AVR называются регистрами ввода-вывода.

С участием этих регистров осуществляется:

- управление работой микроконтроллера и отдельных его устройств;

- определение состояния микроконтроллера и отдельных его устройств;

- ввод данных в микроконтроллер и отдельные его устройства, и вывод данных.

Генератор тактового сигнала. Микроконтроллеры семейства AVRявляются устройствами синхронного типа. Действия, выполняемые в микроконтроллере, привязаны к импульсам тактового сигнала. Микроконтроллеры имеют полностью статическую структуру и могут работать при тактовой частоте от 0 Гц.

В качестве генератора тактового сигнала (GCK) используются:

- внутренний генератор с внешним кварцевым или керамическим резонатором (XTAL);

- внутренний RC-генератор (IRC);

- внутренний генератор с внешней RC-цепочкой (ERC);

- внешний генератор (EXT).

У микроконтроллеров, имеющих внутренний генератор с внешним резонатором (XTAL), резонатор подключается к выводам XTAL1 и XTAL2, которые через конденсаторы малой емкости (20-30 пФ) соединяются с шиной GND. Тактовая частота определяется рабочей частотой резонатора.

Процессор. Сердцем микроконтроллеров AVR является 8-битное микропроцессорное ядро или центральное процессорное устройство (ЦПУ), построенное на принципах RISK-архитектуры. Основой этого блока служит арифметико-логическое устройство (АЛУ). По системному тактовому сигналу из памяти программ в соответствии с содержимым счетчика команд выбирается очередная команда и выполняется АЛУ. Во время выбора команды из памяти программ происходит выполнение предыдущей выбранной команды, что и позволяет достичь быстродействия 1 MIPS на 1 МГц.

АЛУ подключено к регистрам общего назначения РОН. 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.

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 EEPROM) также расположена в своем адресном пространстве. [1, С.7-9]

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 SPI-интерфейса, в том числе непосредственно на собранной плате. Возможностью внутрисхемного программирования через коммуникационный интерфейс обладают все микроконтроллеры AVR.

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.

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

Регистровая память. Регистровая память включает 32 регистра общего назначения (РОН), 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.

Энергонезависимая память данных (EEPROM).Для долговременного хранения различной информации, которая может изменяться в процессе функционирования микроконтроллерной системы, используется EEPROM-память. Все AVR имеют блок энергонезависимой электрически перезаписываемой памяти данных EEPROM 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. EEPROM может быть загружена извне как через интерфейс, так и с помощью обычного программатора. Число циклов стирание/запись - не менее 100 тысяч.

Оперативная память. Внутренняя оперативная статическая память Static RAM 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 64 Кбайт.

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 миллиампер (все значения приведены для напряжения питания 5 В).

Параллельный порт ввода-вывода предназначен для ввода и вывода данных. Микроконтроллеры семейства AVR имеют от одного до шести портов. Порт может иметь от трех до восьми выводов.

Вывод порта может работать в режиме входа или в режиме выхода. Направление передачи бита устанавливается для каждого вывода в отдельности.

Последовательный порт ввода-вывода SPI (Serial Periphera lInterface) предназначен для ввода и вывода байтов при обмене данными с другими устройствами, имеющими порт SPI. Обмен выполняется под управлением тактового сигнала порта. Устройство, инициализирующее обмен и вырабатывающее тактовый сигнал, является ведущим (master).Устройство, выполняющее обмен при поступлении тактового сигнала, является ведомым (slave).В процессе обмена оба устройства последовательно бит за битом одновременно выдают и принимают байт. Обмен выполняется с использованием трех шин.

Архитектурная особенность построения портов ввода/вывода у AVR заключается в том, что для каждого физического вывода существует 3 бита контроля/управления, а не 2, как у распространенных 8-разрядных микроконтроллеров. 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. [6, С.147-151]

Способы адресации памяти данных. Все МК семейства Classic поддерживают 8 способов адресации для доступа к различным областям памяти данных (РОН, РВВ, ОЗУ). В действительности способов адресации всего два: прямая адресация и косвенная. Однако каждый способ адресации имеет несколько разновидностей в зависимости от того, к какой области памяти производится обращение (для прямой адресации) или какие дополнительные действия выполняются над индексным регистром (для косвенной адресации).

Прямая адресация. При прямой адресации адреса операндов содержатся непосредственно в слове команды. В соответствии со структурой памяти данных существуют следующие разновидности прямой адресации: прямая адресация одного РОН, прямая адресация двух РОН, прямая адресация РВВ, прямая адресация ОЗУ.

Прямая адресация одного регистра общего назначения. Этот способ адресации используется в командах, оперирующих с одним из регистров общего назначения. При этом адрес регистра-операнда (его номер) содержится в разрядах 8...4 (5 бит) слова команды. Примером команд, использующих этот способ адресации, являются команды работы со стеком.

Прямая адресация двух регистров общего назначения. Этот способ адресации используется в командах, оперирующих одновременно с двумя регистрами общего назначения. При этом адрес регистра-источника содержится в разрядах 9, 3...0, а адрес регистра-приемника в разрядах 8...4 слова команды. К командам, использующим этот способ адресации, относятся команда пересылки данных из регистра в регистр, а также большинство команд арифметических операций. Некоторые команды, имеющие только один регистр-операнд, тем не менее, используют рассматриваемый способ адресации. Просто в этом случае источником и приемником является один и тот же регистр.

Прямая адресация регистра ввода/вывода. Данный способ адресации используется командами пересылки данных между регистром ввода/вывода и регистровым файлом. В этом случае адрес регистра ввода/вывода содержится в разрядах 10, 9, 3...0, а адрес РОН в разрядах 8...4 слова команды.

Прямая адресация ОЗУ. Данный способ используется при обращении ко всему адресному пространству памяти данных. В системе команд микроконтроллеров семейства имеется только две команды, использующие этот способ адресации. Это команды пересылки байта между одним из РОН и ячейкой ОЗУ. Каждая из этих команд занимает в памяти программ два слова (32 бита). В первом слове содержится код операции и адрес регистра общего назначения (в разрядах с 8-го по 4-й). Во втором слове находится адрес ячейки памяти, к которой происходит обращение.

Косвенная адресация. При косвенной адресации адрес ячейки памяти находится в одном из индексных регистров. В зависимости от дополнительных условий, которые производятся над содержимым индексного регистра, различают следующие разновидности косвенной адресации: простая косвенная адресация, относительная косвенная адресация.

Простая косвенная адресация. При использовании команд простой косвенной адресации обращение производится по адресу ячейки памяти, который находится в индексном регистре. Никаких действий с содержимым индексного регистра при этом не производится. МК поддерживают 6 команд (по 2 для каждого индексного регистра) простой косвенной адресации: пересылка байта из ОЗУ в РОН и пересылка байта из РОН в ОЗУ. Адрес регистра общего назначения содержится в разрядах 8...4 слова команды.

Относительная косвенная адресация. При использовании команд относительной косвенной адресации адрес ячейки памяти, к которой производится обращение, получается суммированием содержимого индексного регистра и константы, задаваемой в команде. Другими словами, производится обращение по адресу, указанному в команде, относительно адреса, находящегося в индексном регистре. МК поддерживают 4 команды относительной косвенной адресации: пересылка байта из ОЗУ в РОН и пересылка байта из РОН в ОЗУ. Адрес регистра общего назначения содержится в разрядах 8...4 слова команды. [2, С.20-32]

Счетчик команд и выполнение программы. Функционирование конвейера. Высокое быстродействие МК обеспечивается наличием двухуровневого конвейера при выполнении программы. Во время первого машинного цикла происходит выборка команды из памяти программ и ее декодирование. Во время второго цикла эта команда выполняется, а параллельно происходит выборка и декодирование второй команды, и так далее. В результате фактическое время выполнения каждой команды получается равным одному машинному циклу. Такое решение позволяет достигать производительности до 1 MIPS на 1 МГц.

АЛУ МК подключено непосредственно количество все регистрам группы РОН, поэтому выполнение одной команды (чтения содержимого двух регистров, непосредственное выполнение операции и запись результата в регистр-приемник) осуществляется за один такт (машинный цикл).

Тактовым сигналом для функционирования МК семейства Classic является непосредственно сигнал от тактового генератора либо внешний сигнал синхронизации. Внутреннее деление частоты для получения системного тактового сигнала не производится.

Задержки в конвейере. Выше была описана последовательность выполнения команд программы в идеальном случае. В действительности очень часто происходит нарушение нормального функционирования конвейера. Наиболее ярким примером команд, вызывающих подобное нарушение, являются команды условного перехода, а также команды проверка и пропуск следующей команды, если результат проверки положительный. В случае истинности условия, проверяемого командой условного перехода, выполнение программы должно быть продолжено с другого адреса. А поскольку в конвейере уже произошла выборка команды, расположенной за командой перехода, время выполнения команды перехода увеличивается на один машинный цикл, во время которого происходит выборка команды, расположенной по требуемому адресу.

Во втором случае, при выполнении команд, следующая команда не выполняется в случае истинности проверяемого условия. Однако выборка пропускаемой команды уже произошла. Вследствие того, что команда не выполняется, в конвейере образуется «дырка», которая заключается в пропуске одного или двух (в зависимости от пропускаемой команды) машинных циклов. Соответственно команды выполняются за один машинный цикл, если результат проверки условия отрицателен, и за два или три цикла, если он положителен.

По той же причине нарушение нормального функционирования конвейера происходит и при возникновении прерывания. Минимальная задержка при этом составляет 4 машинных цикла.

Счетчик команд. Разрядность счетчика команд составляет от 9 до 12 в зависимости от объема адресуемой памяти. При этом счетчик команд недоступен из программы напрямую, как регистр.

При нормальном выполнении программы содержимое счетчика команд, в каждом машинном цикле, автоматически увеличивается на 1 или на 2, в зависимости от выполняемой команды. После включения питания, а также после сброса МК в счетчик программ автоматически загружается значение. Как правило, по этому адресу находится команда относительного перехода инициализационной части программы.

При возникновении прерывания в счетчик команд загружается адрес соответствующего вектора прерывания. Если в программе используются прерывания, следовательно, по этим адресам должны размещаться команды относительного перехода к подпрограммам обработки прерываний. В противном случае основная программа может начинаться непосредственно с адреса.

Команды типа «проверка/пропуск». В командах этого типа производится проверка условия, результат которой влияет на выполнение следующей команды. Если условие истинно, следующая команда игнорируется. В действительности переход к следующей инструкции производится увеличением счетчика команд на 1, а пропуск команды требует загрузки нового значения в счетчик команд. Следовательно, когда проверяемое условие истинно, в конвейере возникает задержка длительность, которой зависит от пропускаемой команды и составляет от одного двух машинных циклов.

Команды условного перехода. В этих командах производится проверка условия, результат которой влияет на состояние счетчика команд. Если условие истинно, происходит переход по заданному адресу. Если же условие ложно, выполняется следующая команда.

Команды условного перехода имеют ограничение по области действия, т.к. новое значение счетчика команд получается прибавлением к нему или вычитанием из него заданного в слове команды смещения. В инструкции команд условного перехода под величину смещения отводится 7 бит, следовательно, наибольшая величина перехода составляет от -64 до +64 слов. Так как переход по заданному адресу осуществляется загрузкой нового значения в счетчик команд, то в случае истинности проверяемого условия в конвейере возникает задержка длительностью в один машинный цикл.

Команды безусловного перехода. Для безусловного перехода по требуемому адресу в памяти программ используются команды относительного и косвенного переходов, т.к. МК не имеют команды абсолютного перехода.

Относительный переход. Выполнение команды заключается в изменении содержимого счетчика команд путем прибавления к нему или вычитания из него значения, являющегося операндом команды. Следует учитывать, что данная команда имеет ограничение по области действия. В программах в качестве операндов этой команды вместо констант используются метки, следовательно, ассемблер сам вычисляет величину перехода и подставляет это значение в слово команды. При выполнении команды относительного перехода изменяется содержимое счетчика команд, следовательно, она выполняется за 2 машинных цикла.

Косвенный переход. В результате выполнения этой команды программа продолжает выполняться с адреса, находящегося в индексном регистре. Таким образом, выполнение команды сводится к загрузке содержимого индексного регистра в счетчик команд.

В отличие от команды относительного перехода данная команда не имеет ограничений по области действия т.к. индексный регистр 16-разрядный, а максимально возможная величина перехода составляет 128 Кбайт, при наибольшем объеме памяти программ МК 8 Кбайт.

Как и команда относительного перехода, команда косвенного перехода выполняется за 2 машинных цикла.

Относительный вызов подпрограммы. Команда сохраняет в стеке значение счетчика команд. Затем содержимое счетчика команд увеличивается или уменьшается на число, являющееся операндом команды. В программах в качестве операндов этой команды, используются метки. Ассемблер сам вычисляет величину перехода и подставляет это значение в слово команды.

Команда относительного вызова подпрограмм выполняется за 3 машинных цикла, два из которых затрачиваются на сохранение в стеке двух байт счетчика команд.

Косвенный вызов подпрограммы. Команда сохраняет в стеке значение счетчика команд. Затем в счетчик команд загружается содержимое индексного регистра. Поскольку индексный регистр 16-разрядный, максимально возможная величина перехода составляет 128 Кбайт. Поэтому данная команда не имеет ограничений по области действия, т.к. наибольший объем памяти программ МК 8 Кбайт.

На выполнение каждой из команд возврата из подпрограммы требуется 4 машинных цикла. [2, С.41-53]

Стек.Во всех моделях МК используется программный стек. В этом случае стек размещается в памяти данных, и его глубина определяется только размером свободной области памяти программ. В зависимости от объема памяти данных в качестве указателя стека используется либо один регистр ввода/вывода, либо пара регистров. Регистры указатели стека являются обычными регистрами ввода/вывода и, соответственно, полностью доступны из программы. Кроме того, в наборе команд МК имеются команды занесения в стек и извлечения из стека, что позволяет программе использовать стек для своих нужд. Так как после подачи напряжения питания (или после сброса) указатель стека равен нулю, следовательно, в самом начале программы его необходимо проинициализировать, записав значение верхнего адреса памяти данных.

При вызове подпрограмм адрес команды сохраняется в стеке. Значение указателя стека при этом уменьшается на 2, т.к. для хранения счетчика команд требуется 2 байта. При возврате из подпрограммы этот адрес извлекается из стека и загружается в счетчик команд. Значение указателя стека соответственно увеличивается на 2. То же происходит и во время прерывания. При генерации прерывания адрес следующей команды сохраняется в стеке, а при возврате из подпрограммы обработки прерывания он восстанавливается из стека.

Прерывания. 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.

Все имеющиеся прерывания можно разделить на два типа. Прерывания первого типа генерируются при наступлении некоторого события, в результате которого устанавливается флаг прерывания. Затем, если прерывание разрешено, в счетчик команд загружается адрес вектора соответствующего прерывания. При этом флаг прерывания аппаратно (или программно) сбрасывается.

Прерывания второго типа не имеют флагов прерываний и генерируются в течение всего времени, пока присутствуют условия, необходимые для этого. Соответственно, если условия, вызывающие прерывание, исчезнут до разрешения прерывания, генерации прерывания не произойдет.

Микроконтроллеры семейства Mega поддерживают очередь прерываний, которая работает следующим образом: если условия генерации одного или более прерываний возникают в то время, когда флаг общего разрешения прерываний сброшен, соответствующие флаги устанавливаются в «1» и остаются в этом состоянии до установки флага общего разрешения прерываний. После разрешения прерываний, выполняется их обработка в порядке приоритета.

Наименьшее время отклика для любого прерывания составляет 4 машинных цикла, в течение которых происходит сохранение счетчика команд в стеке. В течение последующих двух или трех циклов выполняется команда перехода к подпрограмме обработки прерывания. Если прерывание произойдет во время выполнения команды, длящейся несколько циклов, то генерация прерывания произойдет только после выполнения этой команды. Если же прерывание произойдет во время нахождения микроконтроллера в «спящем» режиме, время отклика увеличивается еще на 4 машинных цикла.

Возврат в основную подпрограмму занимает 4 машинных цикла, в течение которых происходит восстановление счетчика команд из стека. После выхода из прерывания процессор всегда выполняет одну команду основной программы, прежде чем обслужить любое отложенное прерывание.

...