Микроконтроллеры Atmel AVR – Часть 1

June 27, 2010 by admin Комментировать »

Общее количество существующих семейств микроконтроллеров оценивается приблизительно в 100 с лишним, причем ежегодно появляются все новые и новые. Каждое из этих семейств может включать десятки разных моделей. Причем львиная доля выпускаемых чипов приходится на специализирован­ные контроллеры: например, для управления USB-интерфейсом, или ЖК-дисплеями. Иногда довольно трудно классифицировать продукт: так, многие представители семейства ARM, которое широко применяется для построения мобильных устройств, с точки зрения развитой встроенной функционально­сти относятся к типичным контроллерам, но в то же время достаточно мощ­ное ядро позволяет отнести их и к классу микропроцессоров.

Из семейств универсальных 8-разрядных микроконтроллеров, так сказать, «на все случаи жизни», наиболее распространены три: контроллеры класси­ческой архитектуры х51 (первый контроллер семейства 8051 был выпущен фирмой Intel еще в середине 1980-х), контроллеры PIC фирмы Microchip (идеально подходят для проектирования несложных устройств, особенно предназначенных для тиражирования), и рассматриваемые нами Atmel AVR.

Заметки на полях

в 1995 г. два студента Норвежского университета науки и технологий в г. Трон­хейме, Альф Боген и Вегард Воллен, выдвинули идею 8-разрядного RISC-ядра, которую предложили руководству Atmel. Имена разработчиков вошли в название архитектуры AVR: Alf + Vegard + RISC. В Atmel идея настолько по­нравилась, что в 1996 г. был основан исследовательский центр в Тронхейме, и уже в конце того же года был начат выпуск первого опытного микрокон­троллера новой серии AVR под названием AT90S1200. Во второй половине 1997 г. корпорация Atmel приступила к серийному производству семейства AVR.

Почему AVR?

у AVR-контроллеров «с рождения» есть несколько особенностей, которые отличают это семейство от остальных МК, упрощают его изучение и исполь­зование. Одним из существенных преимуществ AVR стало использование конвейера. В результате для AVR не существует понятия машинного цикла: большинство команд, как мы говорили, выполняется за один такт (для срав­нения отметим, что пользующиеся большой популярностью МК семейства PIC выполняют команду за 4 такта).

Правда, при этом пришлось немного пожертвовать простотой системы ко­манд, есть некоторые сложности и в области операций с битами. Тем не ме­нее, это не приводит к заметным трудностям при изучении AVR-ассемблера: наоборот, программы получаются короче и больше напоминают программу на языке высокого уровня (отметим, что AVR проектировались специально в расчете на максимальное приближение к структуре языка С).

Другое огромное преимущество AVR-архитектуры — наличие 32 оператив­ных регистров, не во всем равноправных, но позволяющих в простейших случаях обходиться без обращения к оперативной памяти и, что еще важнее, без использования стека — главного источника ошибок у начинающих про­граммистов (мало того, в младщих моделях AVR стек даже недоступен для программиста). Для AVR не существует понятия «аккумулятора», ключевого для ряда других семейств. Это еще больше приближает структуру ассемб­лерных программ для AVR к программам на языке высокого уровня, где опе­раторы работают не с ячейками памяти и регистрами, а с абстрактными пе­ременными и константами.

Но это, конечно, не значит, что AVR — однозначно лучшее в мире семейство МК. У него есть и ряд недостатков (например, несовершенная система защи­ты энергонезависимой памяти данных— EEPROM, некоторые вопросы с помехоустойчивостью, излишние сложности в системе команд и структуре программ и т. п.). Но в принципе любые универсальные современные МК позволяют делать одно и то же, и вопрос выбора платформы — вопрос в зна­чительной степени предпочтений и личного опыта разработчика.

Classic, Mega и Tiny

Линейка универсальных контроллеров AVR общего назначения делится на семейства — Classic, Mega и Tiny (есть и новейшее семейство Xmega, но оно представляет весьма «навороченные» приборы не для наших задач). МК се­мейства Classic (они именовались, как АТ908<марка контроллера>) ныне уже не производятся, однако все еще распространены, так как они задержа­лись на складах торгующих фирм, и, к тому же, для них наработано значи­тельное количество программ. Чтобы пользователям не пришлось переписы­вать все ПО, фирма Atmel позаботилась о преемственности — большинство МК семейства Classic имеет функциональные аналоги в семействе Mega, на­пример, AT90S8515— ATmega8515, AT90S8535— ATmega8535 и т.п. (только AT90S2313 имеет аналог в семействе Tiny — ATtiny2313).

Полная совместимость обеспечивается специальным установочным битом (из набора т. н. Fuse-битов), при программировании которого Mega-процессор начинает функционировать, как Classic (подробнее об этом рассказано в гла­ве 19). Для вновь разрабатываемых устройств обычно нет никакого смысла в использовании их в режиме совместимости, однако такой прием в ряде слу­чаев может оказаться полезным для начинающих, так как МК Classic устрое­ны проще и не заставляют пользователя отвлекаться на некоторые ненужные подробности, не имеющие отношения к делу. Поэтому в книге далее будут приводиться иногда примеры и для «классической» серии.

Семейство Tiny (что в буквальном переводе означает «крохотный») предна; значено для наиболее простых устройств. Часть МК этого семейства не имеет возможности программирования по последовательному интерфейсу, и пото­му мы не буд^м их рассматривать в этой книге, за исключением ATtiny2313 (это не значит, что остальных Tiny следует избегать — среди них есть очень удобные и функциональные микросхемы, нередко вообще не имеющие ана­логов). У этого МК отсутствует бит совместимости с «классическим» анало­гом AT90S2313, одним из самых простых и удобных контроллеров Atmel, но при внимательном рассмотрении оказывается, что они и без такого бита со­вместимы «снизу вверх»: программы для «классического» 2313 полностью подходят и для Tiny2313 (см. следующую главу).

Структура МК AVR

Общая структура внутреннего устройства МК AVR приведена на рис. 18.9. На этой схеме показаны все основные компоненты AVR (за исключением некоторых специализированных); в отдельных моделях некоторые компо­ненты могут отсутствовать или различаться по характеристикам, неизменным остается только общее 8-разрядное процессорное ядро (GPU, General Processing Unit). Кратко рассмотрим наиболее важные компоненты, боль­шинство из которых мы будем рассматривать в дальнейшем подробнее.

Начнем с памяти. В структуре AVR имеются три разновидности памяти: flash-память программ, ОЗУ (SRAM) для временного хранения данных, и энергонезависимая память (EEPROM) для долговременного хранения кон­стант и данных. Рассмотрим их по отдельности.

clip_image002

Память программ

Встроенная flash-память программ в AVR-контроллерах имеет объем от 1 кбайта у ATtinyl 1 до 256 кбайт у ATmega2560. Первое число в наименова­нии модели содержит величину этой памяти в килобайтах, из ряда: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и 256 кбайт. Так, ATtiny2313 имеет 2 кбайта памяти, а ATmega8535 — 8 кбайт.

С точки зрения программиста память программ можно считать построенной из отдельных ячеек— слов по два байта каждое. Устройство памяти про­грамм (и только этой памяти!) по двухбайтовым словам— очень важный момент, который нужно твердо усвоить. Такая организация обусловлена тем.

что любая команда в AVR имеет длину ровно 2 байта. Исключение состав­ляют команды jmp, call и некоторые другие (например, ids), которые опери­руют с адресами 16-разрядной и более длины, длина этих команд составляет 4 байта, и они используются лишь в моделях с памятью программ более 8 кбайт, поэтому в этой книге вы их не встретите. Во всех остальных случаях счетчик команд сдвигается при выполнении очередной команды на 2 байта (одно слово), поэтому необходимую емкость памяти легко подсчитать, зная просто число используемых команд.

По умолчанию все контроллеры AVR всегда начинают выполнение програм­мы с адреса $0000^. Если в программе не используются прерывания, то с это­го адреса может начинаться прикладная программа, как мы увидим далее. В противном случае по этому адресу располагается т. н. таблица векторов прерываний, подробнее о которой мы будем говорить в главе 19.

Память данных (ОЗУ, 3RAM)

в отличие от памяти программ, адресное пространство памяти данных адре­суется побайтно (а не пословно). Адресация полностью линейная, без какого-то деления на страницы, сегменты или банки, как это принято в некоторых других системах. Исключая некоторые младшие модели Tiny, объем встро­енной SRAM колеблется от 128 байт (например, у ATtiny2313) до 4—8 кбайт у старших моделей Mega.

Адресное пространство статической памяти данных (SRAM) условно делится на несколько областей, показанных на рис. 18.10. К собственно встроенной SRAM относится лишь затемненная часть, до нее по порядку адресов распо­ложено адресное пространство регистров, где первые 32 байта занимает мас­сив регистров общего назначения (РОН), еще 64 — регистров ввода-вывода (РВВ).

Для некоторых моделей Mega (ATmega8515, ATmegal62, ATmegal28, AT-mega2560 и др.) предусмотрена возможность подключения внешней памяти объемом до 64 кбайт. Отметим, что адресные пространства РОН и РВВ не отнимают пространство у ОЗУ данньпс: так, если в конкретной модели МК имеется 512 байт SRAM, а пространство регистров занимает первые 96 байт (до адреса $60), то адреса SRAM займут адресное пространство от $0060 до $025F (то есть от 96 до 607 ячейки включительно). Конец встроенной памяти данных обозначается константой ramend. Следует учесть, что последние ад­реса SRAM, как минимум, на четыре—шесть ячеек от конца (в зависимости от количества вложенных вызовов процедур, для надежности лучше принять это число равным десяти или даже более) занимать данными не следует, так как они при использовании подпрограмм и прерываний заняты под стек.

clip_image004

Рис. 18.10. Адресное пространство статической памяти данных (SRAM) микроконтроллеров AVR

Операции чтения/записи в память одинаково работают с любыми адресами из доступного пространства, и потому при работе с SRAM нужно быть вни­мательным: вместо записи в память вы легко можете «попасть» в какой-нибудь регистр. Для обращения к РОН, как к ячейкам памяти, можно в каче­стве адреса подставлять номер регистра, а вот при обращении к РВВ таким же способом к номеру последнего нужно прибавлять $20. Следует также помнить, что по умолчанию при включении питания все РВВ устанавливают­ся в нулевое состояние во всех битах (единичные исключения все же имеют­ся, поэтому в критичных случаях надо смотреть документацию), а вот РОН и ячейки SRAM могут принимать произвольные значения.

Энергонезависимая память данных (EEPROM)

Все модели МК AVR (кроме снятого с производства ATtinyl 1) имеют встро­енную EEPROM для хранения констант и данных при отключении питания. В разных моделях объем ее варьируется от 64 байт (ATtinylх) до 4 кбайт (старшие модели Mega). Число циклрв перепрограммирования EEPROM мо­жет достигать 100 тыс.

Напомним, что EEPROM отличается от flash-памяти возможностью выбо­рочного программирования побайтно (в принципе, даже побитно, но эта воз­можность скрыта от пользователя). Чтение из EEPROM осуществляется с такой же скоростью, как и чтение из РОН — в течение одного машинного цикла (правда, на практике оно растягивается на 4 цикла, но программисту следить за этим специально не требуется). А вот запись в EEPROM протекает значительно медленнее, и к тому же с не точно определенной скоростью: цикл записи одного байта может занимать от 2 до 4 и более миллисекунд. Процесс записи регулируется встроенным RC-генератором, частота которого нестабильна (при низком напряжении питания можно ожидать, что время записи будет больше). За такое время при обычных тактовых частотах МК успевает выполнить несколь^со тысяч команд, потому программирование процедуры записи требует аккуратности: например, нужно следить, чтобы в момент записи не «вклинилось» прерывание (подробнее об этом далее).

Главная же сложность при использовании EEPROM — то, что при недоста­точно быстром снижении напряжения питания в момент выключения содер­жимое ее может быть испорчено. Обусловлено это тем, что при снижении напряжения питания ниже некоторого порога (ниже порога стабильной рабо­ты, но недостаточного для полного выключения) и вследствие его дребезга МК начинает выполнять произвольные команды, в том числе может выпол­нить и процедуру записи в EEPROM, если она имеется в программе. Если учесть, что типовая команда МК AVR выполняется за десятые доли микросе­кунды, то ясно, что никакой реальный источник питания не может обеспе­чить снижение напряжения до нуля за нужное время. По опыту автора при питании от обычного стабилизатора типа LM7805 с рекомендованными зна­чениями емкости конденсаторов на входе и на выходе содержимое EEPROM будет испорчено примерно в половине случаев.

Этой проблемы не должно существовать, если запись констант в EEPROM производится при программировании МК, а процедура записи в программе отсутствует. Во всех же остальных случаях (а их, очевидно, абсолютное большинство — EEPROM чаще всего используется для хранения пользова­тельских установок и текущей конфигурации при выключении питания) при­ходится принимать специальные меры. Встроенный детектор падения на­пряжения (Brown-Out Detection, BOD), имеющийся практически во всех моделях Tiny и Mega, обычно с этим не справляется. Наиболее кардинальной из таких мер является установка внешнего монитора питания, удерживающе­го МК при снижении напряжения питания ниже пороговой величины в со­стоянии сброса (см. главу 21).

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты