Архитектура микроконтроллеров

Архитектура микроконтроллеров

К вашему вниманию представляем курс основы архитектуры микроконтроллеров. Данные уроки предназначены для студентов высших учебных заведений и являются бесплатными.

1. Основные типы микроконтроллеров и их архитектура

2. Аппаратные средства микроконтроллеров

3. Инструментальные и программные средства разработки и отладки

4. Основные типы интерфейсов микроконтроллеров

5. Архитектура микропроцессорного ядра AVR-микроконтроллеров

6. Программная модель AVR и система команд.

7. Адресация регистров ввода/вывода и памяти SRAM

8. Программный счетчик и стек

9. Регистр состояния микроконтроллера

10. Прерывания в микроконтроллере

11. Аппаратные средства AVR

12. Система команд микроконтроллера AVR

 

Основные типы интерфейсов микроконтроллеров

Подключение переключателей и подавление «звона» контактов.

При замыкании и размыкании переключателей в цепи возникают импульсные помехи, вызванные дребезгом контактов. Эти помехи обычно называют «шумом» или «звоном». Такое явление часто возникает в системах на базах МК, где для ввода данных используется клавиатура, и «звон» может восприниматься как многократное нажатие клавиши (см. рис. 1.7). «Звон» возникает при установке и разрыве контакта путем нажатия на клавишу.

а) б)
Рис. 1.7. а) схема ключа; б) дребезг контактов.

Чтобы устранить данный эффект, используются специальные схемы или программные методы для подавления «звона». Один из простых схемотехнических способов устранения «звона» состоит в подключении RC-цепи. В этой схеме время, требуемое для заряда разряда конденсатора до порогового напряжения, маскирует «звон» контактов при переключении. Можно также установить триггер Шмитта между схемой ключа и МК, чтобы усилить эффект подавления «звона». Недостатки этого метода – дополнительные затраты на компоненты, которые должны быть установлены на плате, и дополнительное время, требуемое для заряда/разряда RC-цепи. Все это может затруднить использование данной схемы, так как для некоторых ключей с большим уровнем шумов дополнительная задержка может составить десятые доли секунды. Значительно лучший способ избавиться от «звона» – сделать это программно. Если уровень напряжения на выходе ключа не изменяется в течении 20мс, то можно считать, что «звон» окончился, и больше изменения состояний не ожидается.

 

Световая индикация.

Очень часто вывод данных реализуются с помощью светодиодов LED (Light Emitting Diode), которые достаточно дешевы и легко подключаются к МК. Обычно для свечения светодиода требуется ток более 16 мА, что для большинства МК находится в диапазоне допустимых значений выходных токов. Следует помнить, что светодиод является диодом, пропуская ток только в одном направлении.

Типичная схема подключения светодиода к выводу МК показана на рис. 1.8. В этой схеме светодиоды будут светиться когда МК выдает сигнал «0» (низкое напряжение). Когда вывод работает в качестве входа данных или на него выводится «1», то светодиод будет выключен.
Резистор сопротивлением 220 Ом используется для ограничения тока, т.к. слишком большой ток может вывести из строя МК и светодиод. Некоторые МК содержат ограничители тока на выходных линиях, что устраняет потребность в ограничивающем резисторе. Но все же целесообразно, на всякий случай, включить этот резистор, чтобы гарантировать, что короткое замыкание на «землю» или напряжение питания Vcc, не выведет из строя МК.

Рис. 1.8. Подключение светодиода к микроконтроллеру.

 

Семисегментный индикатор.

Вероятно самый простой вывод числовых десятичных и шестнадцатеричных данных – это использование семисегментного индикатора (ССИ). Такие индикаторы были очень популярны в 70х годах, но в последствии их место заняли жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ). Но светодиодные индикаторы до сих пор являются полезными приборами, которые могут быть включены в схему без больших усилий для создания программного обеспечения. Включая определенные светодиоды (зажигая сегменты), можно выводить десятичные числа (см. рис. 1.9).

Каждый светодиод в индикаторе имеет свой буквенный идентификатор (A, B, C, D, E, F, G), и одна из ножек светодиода подключена к соответствующему внешнему выводу. Вторые ножки всех светодиодов соединены вместе и подключены к общему выводу. Этот общий вывод определяет тип индикатора: с общим катодом или с общим анодом.

Подключение индикатора к МК осуществляется весьма просто: обычно индикатор подключают как семь или восемь (если используется десятичная точка) независимых светодиодов. Наиболее важной частью работы при подключении к МК нескольких ССИ является назначения линий вводе вывода для каждого светодиода. Решение этой задачи вначале выполнения проекта упростит вам монтаж разводки и отладку устройств в дальнейшем. Типичный способ подключения нескольких индикаторов состоит в том, чтобы включить их параллельно и затем управлять протеканием тока через общие выводы отдельных индикаторов. Так как величина этого тока обычно превышает допустимое значение выходного тока МК, то для управления током включается дополнительные транзисторы, которые выбирают, какой из индикаторов будет находиться в активном состоянии.

Рис. 1.9. Семисегментный индикатор.

На рис. 1.10 показано подключение к МК четырех ССИ. В этой схеме МК выдает данные для индикации, последовательно переходя от одного индикатора к другому. Каждая цифра будет высвечиваться в течение очень короткого интервала времени. Это обычно выполняется с помощью подпрограммы обслуживания прерываний таймера. Чтобы избежать мерцания изображения, подпрограмма должна выполняться со скоростью, обеспечивающий включение индикатора, по крайней мере, 50 раз в секунду. Чем больше цифр, тем чаще должны следовать прерывания от таймера. Например, при использовании восьми ССИ цифры должны выводиться со скоростью 400 раз в секунду.

Рис. 1.10. Подключение к МК четырех ССИ.

 

Программный счетчик и стек

В ячейках оперативной памяти организуется системный стек, который используется автоматически для хранения адресов возврата при выполнении подпрограмм, а также может использоваться программистом для временного хранения содержимого оперативных регистров (команды PUSH и POP). В начале любой программы необходимо инициализировать стек программными средствами, т.е. занести в Указатель Стека (Stack Pointer) начальное значение, равное самому старшему адресу ячейки в оперативной памяти. Микроконтроллеры, не имеющие SRAM, содержат трехуровневый аппаратный стек. Следует иметь в виду, что если стек располагается во внешней SRAM, то вызовы подпрограмм и возвраты из них требуют двух дополнительных циклов, если бит SRW не установлен, и четырех, если установлен. Размер стека, организуемого в оперативной памяти, ограничен лишь размерами этой памяти. Если микроконтроллер содержит на кристалле 128 байт внутренней SRAM и не имеет возможности подключения внешней SRAM, то в качестве указателя вершины стека используется регистр ввода/вывода SPL. Если есть возможность подключения внешней памяти или внутренняя память имеет размеры 256 байт и больше, то указатель стека состоит из двух регистров ввода/вывода SPL и SPH. При занесении числа в стек автоматически выполняются следующие действия: 1. Число записывается в ячейку памяти по адресу, хранящемуся в указателе стека. (SPH:SPL) <- число; 2. Содержимое указателя стека уменьшается на единицу. SPH:SPL = SPH:SPL - 1. Обратные действия выполняются при извлечении числа из стека: 1. Содержимое указателя увеличивается на единицу. SPH:SPL= SPH:SPL + 1; 2. Число извлекается из ячейки памяти с адресом, хранящимся в указателе стека. (SPH:SPL) -> число. Таким образом, стек растет от старших адресов к младшим, поэтому, учитывая, что начальное значение указателя стека после сброса равно нулю, программист AVR обязательно должен в инициализирующей части программы позаботиться об установке указателя стека, если он предполагает использовать хотя бы одну подпрограмму. Кроме оперативной памяти программно доступными ресурсами микроконтроллера являются энергонезависимые, электрически программируемые FLASH и EEPROM блоки памяти, которые имеют отдельные адресные пространства. Младшие адреса памяти программ имеют специальное назначение. Адрес $0000 является адресом, с которого начинает выполняться программа после сброса процессора. Начиная со следующего адреса $0001, ячейки памяти программ образуют область векторов прерывания. В этой области для каждого возможного источника прерывания отведен свой адрес, по которому (в случае использования данного прерывания) размещают команду относительного перехода RJMP на подпрограмму обработки прерывания (см. рис. 2.3). Следует помнить, что адреса векторов прерывания одних и тех же аппаратных узлов для разных типов AVR могут иметь разное значение. Поэтому для обеспечения переносимости программного обеспечения удобно, так же как и в случае с регистрами ввода/вывода, использовать символические имена адресов векторов прерывания, которые определены в соответствующем inc-файле. EEPROM блок электрически стираемой памяти данных AVR предназначен для хранения энергонезависимых данных, которые могут изменяться непосредственно на объекте. Это калибровочные коэффициенты, различные установки, конфигурационные параметры системы и т. п. EEPROM-память данных может быть программным путем как считана, так и записана. Однако специальных команд обращения к EEPROM-памяти нет. Чтение и запись ячеек EEPROM выполняется через регистры ввода/вывода EEAR (регистр адреса), EEDR (регистр данных) и EECR (регистр управления).   Рис. 2.3. Программная модель AVR-микроконтроллеров.

 

 

Аппаратные средства AVR

Системный тактовый генератор AVR. AVR может использовать три различных источника системной частоты: кварцевый или керамический резонатор, внешний тактовый сигнал или встроенный RC-генератор (имеется не во всех моделях). Обычный диапазон частот для AVR – от 0 до 16 МГц. Кварцевый или керамический резонатор может быть подключен к AVR (см. рис. 2.6). Если используется одна из этих схем, то не следует подключать какие-либо другие устройства ни к одному из выводов XTAL. а) б) Рис. 2.6.Схемы подключения к AVR керамического и кварцевого резонаторов а) без встроенных конденсаторов и б) со встроенными конденсаторами. Также AVR может синхронизироваться внешним тактовым сигналом, поступающим на вход XTAL1. Последний способ синхронизации – использование встроенного RC-генератора. Такой генератор на данный момент есть только в AT90S1200, он обеспечивает тактовую частоту 1 МГц. Этот режим задается при помощи одного из битов конфигурации (fuse bit) только при параллельном программировании МК.   Таймеры AVR. Источником сигнала переключения таймеров/счетчиков является либо тактовая частота процессора, либо внешний синхросигнал. Тактовая частота процессора может использоваться непосредственно или предварительно делиться. Выбор источника сигнала и коэффициента деления производится с помощью мультиплексора (см. рис. 2.8). Биты CSxn, управляющие мультиплексором, расположены в регистре управления таймера TCCR0. В AT90S8515, который содержит два таймерных блока, имеется два мультиплексора – по одному на каждый блок. В AT90S1200 есть только один таймерный блок и один мультиплексор. Содержимое таймера инкрементируется при поступлении переднего фронта переключающего сигнала. Поэтому синхросигнал со внешнего вывода МК поступает в мультиплексор в прямом и инвертированном. Значение внешнего сигнала проверяется при поступлении переднего фронта тактового сигнала процессора. На рис. 2.7 показан Таймер 0 – простой 8-разрядный таймер, содержимое которого может быть считано или записано. Отключение входного сигнала происходит путем выбора «заземленного» входа при помощи мультиплексора. При переполнении счетчика реализуется маскируемое прерывание. Таймер 1 – более сложный 16-разрядный таймер. Он может выдавать на выход импульсы и ШИМ-сигналы. Его большим достоинством является возможность реализации дополнительных функций, таких как таймер событий. Рис. 2.7. Структура таймера 0.   Сторожевой таймер. Сторожевой таймер представляет собой отдельный таймер с собственной частотой на 1 МГц, который при включении будет отсчитывать нужный интервал времени. Если произойдет переполнение до того, как команда WDR сбросит таймер в 0, то производиться перезапуск МК. Сторожевой таймер включается при установке в 1 бита WDE в регистре управления сторожевого таймера WDTCR. Содержимое битов WDPn этого регистра определяет интервал времени до того, как сторожевой таймер произведет перезапуск МК.   Устройство внешнего вывода. Схема подключения внешнего вывода, показанная на рис. 2.8, дает представление о его работе. С каждым набором линий («портом») связано три адреса ввода/вывода, которые позволяют определять значения данных, записанных в порт, направление передачи данных (1- вывод, 0 - ввод) и реальное значение сигнала на внешнем выводе. Вследствие этого есть возможность «подтянуть» выводы порта к высокому потенциалу для работы в режиме ввода данных, и использовать состояние некоторых выводов в качестве запросов прерываний. Чтение данных может быть либо непосредственно с внешнего вывода, либо с выхода регистра данных порта. Такая возможность является важной особенностью работы порта. Если внешняя линия перегружена или случайно закорочена на «землю», то состояние внешнего выхода никогда не будет меняться. Поэтому в некоторых случаях очень важно иметь возможность прочитать содержимое регистра порта и сравнить его с реальным состоянием внешнего вывода. Рис. 2.8. Схема внешнего вывода. «Подтягивание» внешнего вывода к высокому потенциалу управляется не отдельными битами регистра, а для этого используется специальная комбинационная схема. Эта схема разрешает «подтягивание» только, когда внешний вывод работает в режиме ввода данных, т.е. когда бит регистра направления данных сброшен в 0, а бит регистра данных порта установлен в 1.   Аналоговый ввод/вывод. Встроенный аналоговый компаратор напряжений дает возможность не только сравнивать входное напряжение с опорным, но и измерять длительность импульса при помощи встроенного таймера. Выход компаратора (см. рис. 2.9.) будет находиться в состоянии 1, если значение напряжения на положительном (не инвертирующем) входе AIN0 больше, чем на отрицательном (инвертирующем) AIN1. Рис. 2.9. Устройство компаратора напряжения. Состояние может использоваться для реализации различных вариантов запроса прерывания, которые задаются при помощи битов ACIS1 и ACIS0 (см. таблицу 2.1.) в регистре прерывания и состояния аналогового компаратора ACSR. Таблица 2.1. Установки битов ACIS1 и ACIS0. ACIS1 ACIS0 Тип прерывания     Прерывание по переключению выхода компаратора     Зарезервировано     Прерывание по спадающему фронту (из 1 в 0)     Прерывание по нарастающему фронту (из 0 в 1) Определить текущее состояние выхода компаратора можно путем опроса значения бита ACO в ACSR. Для уменьшения мощности потребления можно отключить компаратор, установив в 1 бит ACD в регистре ACSR. Перед тем, как включить или выключить компаратор, надо запретить все его прерывания путем сброса в 0 бита ACIE в регистре ACSR, чтобы предотвратить возможность поступления ложных запросов прерывания от компаратора. В МК AT90S8515 к выходу компаратора можно подключить вход захвата таймера. При этом можно зафиксировать момент изменения сигнала на выходе компаратора, если в регистре ACSR бит ACIC установлен в 1. Такая возможность позволяет измерять длительность сигнала, поступающего на компаратор.

Конфигурирование МК

В AVR есть два типа битов, задающих конфигурацию МК. Биты конфигурирования «fuses bits» (плавкие перемычки) используются для выбора режима работы AVR, тогда как биты защиты «lock bits» используются для запрещения доступа к памяти.
. Биты конфигурирования различны для разных типов AVR. В AT90S1200 установка в 1 бита RCEN подключает встроенный RC-генератор, при этом внешние тактовые импульсы игнорируются. Когда бит SPIEN сброшен в 0, разрешается программирование МК по последовательному интерфейсу через порт SPI. Во всех этих моделях биты SPIEN и RCEN по умолчанию сброшены в 0.
МК AT90S8515 имеет биты SPIEN и FSTRT, которые позволяют при использовании внешнего тактового генератора производить быстрое включение МК без обычной задержки в 16мс.
Биты конфигурирования «fuses bits» могут быть установлены или сброшены только при параллельном программировании.
Биты защиты «lock bits» используются для запрещения/разрешения доступа к памяти программ в EEPROM, при этом достигаются свойства приведенные в таблице 2.2.
Таблица 2.2. Режимы защиты и биты блокировки

Биты блокировки	Тип защиты
Режим	LB1	LB2
			Защита не установлена
			Дальнейшее программирование флэш-памяти запрещено
			Как режим 2, но запрещено и чтение

Примечание: биты блокировки стираются только при полном стирании памяти

 

Память данных EEPROM.

Операции чтения и записи области данных EEPROM довольно просты и надежны. Обращение к EEPROM производится при помощи команд с индексной адресацией, которые используют адрес, хранящийся в регистре EEAR.

Если EEPROM имеет емкость больше 256 байт, как у AT90S8515, то используются два адресных регистра: EEARH для хранения старшей части адреса и EEARL – для хранения младшей части. Эти регистры должны сохранять правильный адрес до тех пор, пока не буде закончена операция чтения или записи.
Запись в память данных EEPROM производится следующим образом:

1. Ожидание сброса в 0 бита EEWE в регистре управления EECR памяти EEPROM;

2. Запись в EEAR нужного адреса;

3. Запись в регистр данных EEDR нужных данных;

4. Установка в 1 бита EEMWE в регистре EECR. (Бит EEMWE не используется в AT90S1200);

5. В течении четырех тактов после установки бита EEMWE установить бит EEWE в 1 для начала записи в EEPROM. Операция записи занимает от 2,5 до 4мс.

Бит EEMWE регистра EECR обеспечивает аппаратную блокировку записи для того, чтобы уменьшить возможность случайного изменения EEPROM.
Чтение из EEPROM выполняется аналогичным образом.

1. Ожидание сброса в 0 бита EEWE в регистре управления EECR;

2. Запись в EEAR нужного адреса;

3. Установка в 1 бита EERE в регистре EECR;

4. Чтение данных из EEDR.

Операция записи должна быть закончена до того, как программа произведет попытку чтения из EEPROM. После установки в 1 бита EERE процессор переходит в состояние ожидания в течении двух тактов, пока данные выбираются из EEPROM. Это означает, что выполнение команды «SBI EECR, EERE», которая инициализирует операцию чтения, занимает не один такт, а три.

 

Программирование в системе.

Используя программирование по последовательному интерфейсу, можно менять программу в памяти МК, уже установленного в готовую к применению систему. Для этого плата с контроллером должна быть подключена к питанию и генератору тактовых сигналов (см. рис. 2.11).

Рис. 2.11. Схеме подключения МК для программирования в системе.

На рис. 2.11 включены согласующие резисторы в линиях программирования, чтобы быть уверенным, что если схема программирования подает на эти линии сигналы, уровень которых отличается от того, который поступает на них от других устройств системы, состояния выводов не изменяться и на них не возникнет конфликт сигналов.

Для линии запуска используется другое подключение. Нормально на этой линии поддерживается высокий уровень сигнала, а программатор может подать на нее низкий, чтобы перевести МК в режим программирования по последовательному интерфейсу. Управление состоянием линии RESET осуществляется схемой, имеющий выход с открытым коллектором.

Эту схему можно использовать для программирования прикладной системы. Надо соединить МК (сигналы «земля», RESET, MISO, MOSI и SCK) с программатором при помощи 5-и контактного IDC-разъема.

 

 

Архитектура микроконтроллеров

К вашему вниманию представляем курс основы архитектуры микроконтроллеров. Данные уроки предназначены для студентов высших учебных заведений и являются бесплатными.

1. Основные типы микроконтроллеров и их архитектура

2. Аппаратные средства микроконтроллеров

3. Инструментальные и программные средства разработки и отладки

4. Основные типы интерфейсов микроконтроллеров

5. Архитектура микропроцессорного ядра AVR-микроконтроллеров

6. Программная модель AVR и система команд.

7. Адресация регистров ввода/вывода и памяти SRAM

8. Программный счетчик и стек

9. Регистр состояния микроконтроллера

10. Прерывания в микроконтроллере

11. Аппаратные средства AVR

12. Система команд микроконтроллера AVR