Микроконтроллеры AVR

Микроконтроллеры AVR

• Введение

Однокристальные микроконтроллеры находят широкие применение в самых разнообразных сферах: от измерительных приборов, фотоаппаратов и видеокамер, принтеров, сканеров и копировальных аппаратов до изделий электронных развлечений и всевозможной домашней техники.

Со времени появления первых микропроцессоров в 1970;х годах их сложность постоянно возрастала за счет появления новых аппаратных решений и добавления новых команд, предназначенных для решения новых задач. Так постепенно сложилась архитектура, получившая впоследствии название CISC (Complete Instruction Set Computers — компьютеры со сложным набором команд). В дальнейшем обозначилось и нашло активное развитие еще одно направление: архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computers — компьютеры с сокращенным набором команд). Именно к этой архитектуре относятся микроконтроллеры AVR от компании Atmel и PIC от компании Microchip, которым посвящена эта книга.

Основное преимущество RISC-процессоров заключается в том, что они просты, выполняют ограниченный набор команд, и, как следствие, очень быстродействующие. Это позволяет снизить стоимость и сложность их программирования.

Обратной стороной RISC-архитектуры стала необходимость создания дополнительных команд на ассемблере, которые у CISC-устройств реализованы в аппаратной части. Например, вместо того, чтобы просто вызвать команду деления, которая характерна для устройств CISC, разработчику, имеющему дело с RISC-процессором, приходится применять несколько последовательных команд вычитания. Однако подобный недостаток с лихвой компенсируется ценой и скоростью работы RISC-устройств. Кроме того, если создавать программы на языке С, то подобные проблемы вообще перестают иметь какое-либо значение для разработчика, поскольку они решаются компилятором, который автоматически генерирует весь недостающий ассемблерный код.

На заре возникновения микропроцессоров разработка программного обеспечения происходила исключительно на том или ином языке ассемблера, ориентированном на конкретное устройство. По сути, такие языки представляли собой символьные мнемоники соответствующих машинных кодов, а перевод мнемоники в машинный код выполнялся транслятором. Однако главный недостаток ассемблерных языков заключается в том, что каждый из них привязан к конкретному типу устройств и логике его работы. Кроме того, ассемблер сложен в освоении, что требует достаточно больших усилий для его изучения, которые, к тому же, оказываются потраченными впустую, если впоследствии потребуется перейти на использование микроконтроллеров других производителей.

Язык С, являясь языком высокого уровня, лишен подобных недостатков и может использоваться для программирования любого микропроцессора, для которого есть компилятор с языка С. В языке С все низкоуровневые операции, выполняемые компьютерами, представлены в виде абстрактных конструкций, позволяющих разработчикам сосредоточиться на программировании одной лишь логики, не заботясь о машинном коде. Изучив язык С, можно легко переходить от одного семейства микроконтроллеров к другому, тратя гораздо меньше времени на разработку.

1. Архитектура микроконтроллеров AVR и PIC

В общем, все микроконтроллеры построены по одной схеме. Система управления, состоящая из счетчика команд и схемы декодирования, выполняет считывание и декодирование команд из памяти программ, а операционное устройство отвечает за выполнение арифметических и логических операций; интерфейс ввода/вывода позволяет обмениваться данными с периферийными устройствами; и, наконец, необходимо иметь запоминающее устройство для хранения программ и данных (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Обобщенная структура микроконтроллера Будем рассматривать микроконтроллеры в общем, не привязываясь к какому-либо конкретному типу микроконтроллеров AVR, поэтому ниже будут рассмотрены только общие для большинства микроконтроллеров особенности архитектуры памяти, вопросы ввода/вывода, обработки прерываний, сброса и др.

Память микроконтроллеров AVR

В микроконтроллерах AVR память реализована по Гарвардской архитектуре, что подразумевает разделение памяти команд и данных. Это означает, что обращение к командам осуществляется независимо от доступа к данным. Преимуществом такой организации является повышение скорости доступа к памяти.

Память данных

Память данных предназначена для записи/чтения данных, используемых программами. Является энергозависимой, то есть, при отключении питания микроконтроллера все хранимые в ней данные, будут потеряны. В микроконтроллерах AVR память данных имеет более развитую структуру по сравнению с микроконтроллерами PIC, что показано на рис. 2.1.

Здесь и далее шестнадцатеричные числа будут представлены в форме, принятой в языке С: с префиксом 0х.

Рис. 2.1. Структура памяти данных в микроконтроллерах AVR и PIC

Область статической памяти SRAM (Static Random Access Memory) обозначена на рис. 2.1 пунктиром, поскольку используется не всеми микроконтроллерами AVR (это относится как к внутренней, так и к внешней SRAM). Ее начальный адрес — 0×060, а верхний адрес — разный в различных устройствах.

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

Регистры общего назначения

Область регистров общего назначения (рабочих регистров) предназначена для временного хранения переменных и указателей, используемых процессором для выполнения программ. В микроконтроллерах AVR она состоит из 32 восьмиразрядных регистров (диапазон адресов 0×000 — 0×01F). В микроконтроллерах PIC регистры общего назначения также восьмиразрядные, однако их количество и диапазон адресов зависят от конкретного типа устройства.

В программах, написанных на языке С, непосредственное обращение к регистрам общего назначения обычно не требуется, если только не используются фрагменты на языке ассемблера.

Регистры специальных функций микроконтроллеров PIC

Регистры специальных функций используются в микроконтроллерах PIC для управления различными операциями. Как и в случае с регистрами общего назначения, их количество и адресация отличаются от устройства к устройству. В программах, написанных на языке С, непосредственное обращение к регистрам специальных функций обычно не требуется, если только не используются фрагменты на языке ассемблера.

Область ввода/вывода микроконтроллеров AVR

Область ввода/вывода микроконтроллеров AVR содержит 64 регистра, используемых для управления или хранения данных периферийных устройств. К каждому из этих регистров можно обращаться по адресу ввода/вывода (начиная с 0×000) или по адресу SRAM (в этом случае к адресу ввода/вывода следует прибавить 0×020). В программах на языке С обычно используются условные имена регистров ввода/вывода, а адреса имеют значение только для программ на языке ассемблера.

Имена, адреса ввода/вывода и SRAM, а также краткое описание регистров из области ввода/вывода микроконтроллеров AVR представлены в табл. 2.1. При этом следует отметить, что в различных моделях микроконтроллеров некоторые из перечисленных регистров не используются, а адреса, не указанные в табл. 2.1, зарезервированы компанией Atmel для использования в будущем.

Таблица 2.1. Описание регистров из области ввода/вывода

Регистр состояния SREG микроконтроллеров AVR

Регистр состояния содержит флаги условий микроконтроллеров AVR и располагается в области ввода/вывода по адресу $3 °F (адрес SRAM — $ 5F). После подачи сигнала сброса он инициализируется нулями.

В микроконтроллерах AVR для обозначения результата выполнения операций используются восемь различных флагов:

— разряд 0 (С) — флаг переноса (Carry); указывает на переполнение (перенос) после выполнения арифметической или логической операции;

— разряд 1 (Z) — нулевой флаг (Zero); всегда устанавливается, если результат арифметической или логической операции равен нулю; сбрасывается, если результат операции не равен нулю;

— разряд 2 (N) — флаг отрицательного результата (Negative); указывает на отрицательный результат после выполнения арифметической или логической операции;

— разряд 3 (V) — флаг переполнения при вычислениях в дополнительных кодах (Two's complement Overflow); поддерживает арифметику дополнительных кодов (арифметика кодов с дополнением до двух); устанавливается, если при выполнении соответствующей операции происходит переполнение, в противном случае — сбрасывается;

— разряд 4 (S) — флаг знака (Sign); S = NV — связь флагов N и V с помощью операции «Исключающее ИЛИ»; флаг знака может применяться для определения фактического результата арифметической операции;

— разряд 5 (Н) — флаг половинного переноса (Half Carry); указывает на переполнение в младшем полубайте (разряды 0…3 байта данных); устанавливается, когда происходит перенос из младшего полубайта в старший, в противном случае — сбрасывается;

— разряд 6 (Т) — флаг копирования (Transfer or Copy); предназначен для свободного применения программистом (например, в качестве буфера);

— разряд 7 (I) — общее разрешение прерываний (Global Interrupt); если прерывания, как таковые, должны быть разрешены, то должен быть установлен разряд 7 регистра состояния (в лог. 1).

Внутренняя и внешняя память SRAM микроконтроллеров AVR

Память SRAM микроконтроллеров AVR предназначена для хранения тех данных, которые не помещаются в рабочих регистрах, а также для организации программного стека. Данные обычно сохраняют в SRAM, начиная с первых адресов, а стеку соответствуют верхние адреса.

Если объема внутренней памяти SRAM недостаточно, то в некоторых микроконтроллерах AVR его можно увеличить до 64 Кбайт посредством подключения внешних блоков памяти. Для этого в регистре MCUCR (адрес в области ввода/вывода — $ 35, адрес в SRAM — $ 55) следует установить в лог. 1 разряд SRE (разряд 7). После установки этого разряда порты, А и С будут выступать в качестве шины адреса и шины данных, а выводы 7 и 6 порта D — в качестве управляющих сигналов чтения /RD и, соответственно, записи /WR для внешней памяти SRAM), независимо от того, какие направления передачи данных установлены для этих портов в соответствующих регистрах направления передачи данных.

Стек

Стек — это особая область памяти данных, используемая процессором для временного хранения адресов возврата из подпрограмм, промежуточных результатов вычислений и др. В микроконтроллерах PIC и некоторых микроконтроллерах AVR стек реализован аппаратно — для этого выделено отдельное запоминающее устройство фиксированного объема в несколько (или несколько десятков) байт. Для микроконтроллеров AVR компиляторы языка С (например, при обращении к подпрограммам) могут также создавать один или более стеков программно, начиная с верхних адресов области SRAM.

Стек действует по принципу LIFO — «Last In, First Out», что означает «последним вошел, первым вышел». Это означает, что новые данные вначале помещаются на вершину (первый уровень) стека, а затем, с поступлением следующих данных, «проталкиваются» на его нижние уровни. Извлечение из стека происходит в обратном порядке: вначале считываются данные, помещенные последними на вершину, после чего данные, размещенные на нижних уровнях, как бы «выталкиваются» на один уровень вверх. Ячейка памяти, которая является в данный момент вершиной стека, адресуется указателем стека (для AVR — регистровой парой SPL, SPH).

Поскольку область памяти данных, отводимая для программного стека, ограничивается только объемом памяти SRAM, при написании программ следует следить за тем, чтобы стек не становился слишком большим, затирая полезные данные.

Память программ

Память программ как в микроконтроллерах AVR, так и в микроконтроллерах PIC реализована по технологии Flash-EPROM, которая подразумевает программирование пользователем и вытирание электрическим способом. Размер этой памяти варьируется в зависимости от микроконтроллера и обычно составляет несколько Кбайт командных слов.

Флэш-память является энергонезависимой, то есть, сохраняет записанную в нее информацию даже после отключения питания микроконтроллера. Несмотря на то, что память этого типа — программируемая, для записи в нее используются только внешние аппаратные средства, поэтому с точки зрения программиста можно сказать, что память программ доступна только для чтения.

Адресация команд в памяти программ реализуется с помощью специального регистра — счетчика команд, разрядность которого определяет допустимый размер этой памяти. Разрядность ячеек памяти программ, в зависимости от типа микроконтроллера, может составлять 14…16 бит.

Кроме того, следует отметить, что в микроконтроллерах PIC в первых ячейках памяти программ (начиная с адреса 0×0000) содержатся векторы (адреса перехода) сброса и прерываний.

Память EEPROM микроконтроллеров AVR

Многие микроконтроллеры AVR оборудованы встроенной памятью EEPROM — электрически перезаписываемой энергонезависимой памятью. Хотя эта память и допускает запись, она редко используется для хранения программных переменных, поскольку, во-первых, медленнодействующая, и, во-вторых, имеет ограниченный (хотя и довольно большой) цикл перезаписи.

Учитывая вышесказанное, память EEPROM используют, преимущественно, для хранения данных, которые не должны быть потеряны даже при потере питания. Это очень удобно, к примеру, при калибровке измерительных приборов, работающих под управлением микроконтроллеров, у которых в памяти EEPROM в процессе настройки сохраняются параметры корректировки. Благодаря этому, в большинстве случаев полностью отпадает необходимость в настроечных потенциометрах и триммерах.

В отличие от флэш-памяти, для записи/чтения памяти EEPROM нет необходимости в специальном программаторе — эти операции доступны программно и допускают побайтную передачу данных с помощью регистра управления EECR, регистра данных EEDR и регистровой пары EEARL, EEARH, определяющей адрес ячейки памяти (см. табл. 1.1).

Запись байта данных в память EEPROM осуществляется по следующей схеме:

— удостовериться, что в разряде EEWE (разряд 1) регистра EECR находится лог. 0 (разрешение записи);

— записать адрес ячейки EEPROM в регистр EEAR;

— записать байт данных в регистр EEDR;

— установить в лог. 1 разряд EEMWE (разряд 2) регистра EECR;

— установить в лог. 1 разряд ЕЕWE (разряд 1) регистра EECR, чтобы активизировать процесс записи.

По окончанию цикла программирования разряд EEWE аппаратно автоматически сбрасывается в лог. 0. Программа пользователя должна непрерывно опрашивать этот разряд, ожидая появления лог. 0, прежде чем приступить к программированию следующего байта.

Чтение байта данных из памяти EEPROM осуществляется по такой схеме:

— записать адрес ячейки EEPROM в регистр EEAR;

— установить в лог. 1 разряд EERE (разряд 0) регистра EECR, чтобы активизировать процесс чтения;

— по окончанию считывания разряда EERE аппаратное обеспечение считывает требуемый байт в регистр EEDR, после чего уже нет необходимости вновь опрашивать разряд EERE, поскольку считывание длится только один цикл такта системной синхронизации.

Перед началом операции чтения программа пользователя должна постоянно опрашивать разряд EEWE и ждать появления лог. 0. Если во время программирования памяти EEPROM в соответствующий регистр будет записан новый адрес или данные, то еще продолжающийся процесс программирования будет прерван, и результат будет неопределенным!

Обработка прерываний

Прерывания — это вызовы определенных функций, генерируемые, главным образом, аппаратной частью микроконтроллера. В результате прерывания выполнение программы останавливается, и происходит переход к соответствующей подпрограмме обработки прерывания.

Прерывания бывают внутренними и внешними. Источниками внутреннего прерывания являются встроенные модули микроконтроллера (например, таймер/счетчик или сторожевой таймер). Внешние прерывания вызываются сбросом (сигнал на выводе RESET) или сигналами предустановленного уровня на выводах INT. К примеру, в микроконтроллерах AVR за характер сигналов на выводах INT0/INT1, вызывающих прерывание, определяется с помощью разрядов регистра управления MCUCR: ISC00 (разряд 0), ISC01 (разряд 1) — для входа INT0; ISC 10 (разряд 2), ISC11 (разряд 3) — для входа INT1 (табл. 3.1 и табл. 3.2).

Таблица 3.1. Выбор способа активизации прерывания по входу INT0

Таблица 3.2. Выбор способа активизации прерывания по входу INT1

В ряде микроконтроллеров PIC выбор фронта для активизации прерывания по входу INT определяется состоянием разряда 6 регистра OPTION: лог. 1 в этом разряде соответствует прерывание по нарастающему, а лог. 0 — по ниспадающему фронту сигнала. Для установки этого разряда в языке С обычно используют специальные функции.

В микроконтроллерах AVR всем прерываниям, включая сброс, поставлен в соответствие собственный вектор прерывания — адрес в начальной области памяти программ, по которому компилятор размещает команду перехода к подпрограмме обработки прерывания. Перечень векторов прерывания в некоторых моделях микроконтроллеров AVR может выглядеть следующим образом (табл. 3.3). В микроконтроллерах AVR все прерывания имеют одинаковый приоритет, и в случае одновременного возникновения двух прерываний первым обрабатывается прерывание с меньшим номером вектора.

Таблица 3.3. Векторы прерываний

В микроконтроллерах PIC источники прерывания, кроме RESET, не рассматриваются в отдельности, им обычно соответствует один вектор, а в некоторых моделях — два вектора для прерываний с различной приоритетностью. Определять, какое именно прерывание требует обслуживания, — задача программиста, и многие компиляторы с языка С предоставляют для этой цели готовые функции, освобождающие от необходимости самому «вычислять» источник прерывания.

В момент возникновения прерывания в стек помещается адрес возврата — адрес команды, которая должна быть выполнена первой после выхода из подпрограммы обработки прерывания. В результате выполнения последней ассемблерной команды подпрограммы обработки прерывания (для микроконтроллеров AVR — это команда reti, а для микроконтроллеров PIC — retfie) адрес возврата извлекается из стека в счетчик команд, и выполнение программы продолжается.

Управление прерываниями в микроконтроллерах AVR

В микроконтроллерах AVR за управление прерываниями отвечают, главным образом, четыре регистра:

— GIMSK (General Interrupt Mask Register) — разрешает или запрещает внешние прерывания по входу INT0/INT1;

— GIFR (General Interrupt Flag Register) — регистр флагов внешних прерываний;

— TIMSK (Timer/Counter Interrupt Mask Register) — регистр маскирования прерываний от таймера/счетчика Т/С0 и Т/С1;

— TIFR (Timer/Counter Interrupt Flag Register) — регистр флагов прерываний от таймеров/счетчиков.

О состоянии прерывания сигнализирует соответствующий флаг, который устанавливается или сбрасывается в регистре флагов. Даже если в регистре маски прерываний установлен соответствующий отдельный разряд разрешения прерывания, то прерывания могут активизироваться только тогда, когда в регистре состояния SREG установлен разряд общего разрешения прерываний I (разряд 7). Если это имеет место, и наступает прерывание, то выполнение программы ответвляется по соответствующему адресу (см. табл. 1.4) и разряд общего разрешения прерываний I в регистре SREG сбрасывается в состояние лог. 0, блокируя тем самым последующие прерывания. Если требуется прервать подпрограмму другим прерыванием, то после входа в подпрограмму обработки прерывания программа пользователя должна установить флаг I в лог. 1.

Вместе с входом в подпрограмму обработки прерывания аппаратно сбрасывается также и соответствующий флаг, вызвавший прерывание. Некоторые флаги прерываний могут быть сброшены самим пользователем посредством установки соответствующего флага в лог. 1.

Регистр GIMSK

Регистр GIMSK (рис. 3.1), расположенный в области ввода/вывода по адресу 0×003 В (адрес в SRAM — 0×005В), используется для разрешения внешних прерываний.

Рис. 3.1. Структура регистра GIMSK микроконтроллеров AVR

Если разряд INT1/INT0 установлен в лог. 1, то внешнее прерывание по входу INT1/INT0 будет разрешено до тех пор, пока установлен в лог. 1 разряд I в регистре состояния SREG.

Регистр GIFR

Состояние внешнего прерывания определяется по регистру GIFR (рис. 3.2), который расположен в области ввода/вывода по адресу 0×003А (адрес SRAM — 0×005А).+

Рис. 3.2. Структура регистра GIFR микроконтроллеров AVR

Флаг INTF1/INTF0 устанавливается в лог. 1, если возникает внешнее прерывание по сигналу на выводе INT1/INT0. При входе в подпрограмму обработки прерывания этот разряд переводится аппаратно в исходное состояние лог. 0.

Регистры TIMSK и TIFR

Регистр TIMSK (рис. 3.3), расположенный в области ввода/вывода по адресу 0×0039 (адрес в SRAM — 0×0059), используется для разрешения прерываний от таймеров/счетчиков.

Рис. 3.3. Структура регистра TIMSK микроконтроллеров AVR

Состояние прерываний, имеющих отношение к таймерам/счетчикам микроконтроллеров AVR, определяется по регистру TIFR (рис. 3.4), который расположен в области ввода/вывода по адресу 0×0038 (адрес SRAM — 0×0058).

Рис. 3.4. Структура регистра TIFR микроконтроллеров AVR

Когда разряд TOIE1 и разряд I в регистре состояния SREG установлены в лог. 1, то разрешено прерывание при переполнении Т/С1. В случае переполнения в регистре TIFR устанавливается флаг TOV1.

Если разряд OCIE1A и разряд I в регистре состояния SREG установлены в лог. 1, то разрешено прерывание при совпадении содержимого регистра сравнения, А с текущим состоянием Т/С1. В случае совпадения, в регистре TIFR устанавливается флаг OCF1 А.

Если разряд OCIE1B и разряд I в регистре состояния SREG установлены в лог. 1, то разрешается прерывание при совпадении содержимого регистра сравнения В с текущим состоянием Т/С1. В случае совпадения, в регистре TIFR устанавливается флаг OCF1B.

Если разряд TICIE1 и разряд I в регистре состояния SREG установлены в лог. 1, то разрешается прерывание при выполнении условия захвата. Когда возникает срабатывание по захвату, в регистре TIFR устанавливается флаг ICF1.

Если разряд TOIE0 и разряд I в регистре состояния SREG установлены в лог. 1, то разрешается прерывание при переполнении таймера/счетчика Т/СО. В таком случае, в регистре TIFR устанавливается флаг TOV0.

Установка в лог. 1 одного из флагов в регистре TIFR приводит к переходу по соответствующему вектору прерывания. При входе в подпрограмму обработки прерывания, флаг в регистре TIFR аппаратно сбрасывается в лог. 0.

Управление прерываниями в микроконтроллерах PIC

В микроконтроллерах PIC управление прерываниями реализовано с помощью регистров специальных функций, и отличается от устройства к устройству. К примеру, в микроконтроллерах PIC12C6x, PIC14000, Р1С16х для этой цели используются регистры INTCON (рис. 3.5), PIE и PIR, а программы обработки прерываний всегда начинают исполняться с адреса 0×004.

Рис. 3.5. Регистр INTCON микроконтроллеров PtC12C6x, PIC14000, Р1С16х Разряд GIE — это флаг общего разрешения прерываний. Если он установлен в лог. 1, то все немаскированные прерывания разрешены, если же он сброшен в лог. 0, то все прерывания запрещены.

Разряд PEIE регистра INTCON может использоваться в качестве флага разрешения всех прерываний от периферии, определяемых с помощью регистров PIE и PIR.

Флаг TOIE разрешает (лог. 1) или запрещает (лог. 0) прерывания при переполнении таймера TMR0), а флаг TOIF определяет запрос на соответствующее прерывание.

Разряд INTE — флаг разрешения внешнего прерывания по входу INT, а разряд INTF — флаг запроса на прерывания по этому входу. Аналогичное значение, но для порта В имеют разряды RBIE и RBIF.

Регистр PIE содержит флаги разрешения прерываний от периферийных устройств, а регистр PIR — соответствующие флаги запросов на прерывание. Позиции разрядов в этих регистрах для различных микроконтроллеров отличаются.

Сброс

Сброс — это, по сути, одна из форм прерываний, вызывающая перезапуск микроконтроллера (аппаратная инициализация всех регистров управления и периферийных устройств и выполнение программы, начиная с адреса 0×0000). Вектор сброса всегда расположен самым первым.

Возможны следующие варианты сброса:

— сброс при включении питания;

— внешний сброс — сигнал сброса подается на соответствующий вывод микроконтроллера;

— сброс от сторожевого таймера — микроконтроллер сбрасывается по истечению времени, заданного сторожевым таймером, если этот таймер был разрешен.

" Спящие" режимы процессора

Микроконтроллеры AVR и PIC допускают переход в «спящий» режим, когда происходит временное отключение генератора тактовых импульсов. В таком режиме потребление энергии сведено к минимуму, а выход из него осуществляется при получении запроса на прерывание.

Переход в «спящий» режим реализуется по ассемблерной команде sleep. В случае микроконтроллеров AVR, при этом должен быть предварительно установлен в лог. 1 разряд SE (разряд 5) регистра управления MCUCR.

Когда во время режима пониженного энергопотребления происходит прерывание, центральный процессор выходит из «спящего» режима, выполняет подпрограмму обработки прерывания и продолжает выполнение программы с команды, следующей после команды sleep. Если во время режима пониженного энергопотребления поступает сигнал сброса, то центральный процессор выходит из «спящего» режима и продолжает выполнение программы с команды, расположенной по адресу $ 000 в области команд.

Для микроконтроллеров AVR может быть выбран один из двух «спящих» режимов:

— В ждущем режиме (Idle Mode) работа процессора приостанавливается, но таймер/счетчик, сторожевой таймер, система прерываний и тактирования остаются активными. Благодаря этому, центральный процессор может быть возвращен в обычный режим работы с помощью сторожевого таймера, таймера/счетчика или внешнего прерывания.

— В режиме пониженного энергопотребления (Power Down Mode) системный осциллятор (а значит и весь микроконтроллер) находится в отключенном состоянии. В таком режиме с помощью внутреннего RC-генератора колебаний может включаться лишь сторожевой таймер со своим собственным обеспечением тактовой частотой. Активный сторожевой таймер по истечении времени задержки опять переводит микроконтроллер в нормальное состояние. Если сторожевой таймер также отключен, то в нормальное состояние его может перевести только внешний сигнал сброса или внешнее прерывание.

Выбор одного из «спящих» режимов в микроконтроллерах AVR осуществляется с помощью разряда SM (разряд 4) регистра управления MCUCR. Если разряд SM установлен в лог. 1, то микроконтроллер переводится в режим пониженного энергопотребления последующей командой sleep, если же разряд SM сброшен в лог. 0, то последующей микроконтроллер переводится в ждущий режим в том случае, если ранее в регистре MCUCR был установлен разряд SE.

Таймеры/счетчики

Таймеры/счетчики — это, наиболее часто используемые модули микроконтроллеров. С их помощью можно измерять промежутки времени и частоту, определять ширину импульсов, вычислять скорость и т. д. Хотя они и используются для измерения времени, на самом деле речь идет об обычных двоичных счетчиках.

В микроконтроллерах AVR и PIC используются как 8-ми, так и 16-ти разрядные таймеры/счетчики. Разрядность определяет момент переполнения счетчика (возврат в нулевое состояние). Так, для 8-разрядного счетчика переполнение наступает, когда счет достигает 255, а для 16-разрядного — 65 535.

Количество таймеров/счетчиков и их разрядность в микроконтроллерах отличается в зависимости от модели, и потому в данном разделе будут рассмотрены только общие вопросы, имеющие отношение к использованию таймеров/счетчиков.

Если таймер/счетчик функционирует в качестве счетчика, то он подсчитывает число импульсов, поступающих на определенный вход микроконтроллера. В этом случае соответствующий вывод должен быть сконфигурирован в инициализационной части программы как вход.

В случае использования в качестве таймера, частота тактирования таймера/счетчика является производной величиной от такта системной синхронизации внутреннего кварцевого осциллятора. При этом таймеры/счетчики используют в качестве тактового сигнала разделенный такт системной синхронизации. Коэффициент деления предварительного делителя частоты может настраиваться индивидуально для каждого из таймеров с помощью мультиплексора, управляемого разрядами из регистра управления таймера/счетчика.

Таймеры/счетчики микроконтроллеров AVR

В микроконтроллерах AVR могут использоваться следующие таймеры/счетчики:

— 8-ти или 16-ти разрядный Т/С0;

— 16-разрядный Т/С1;

— 8-ми или 16-ти разрядный Т/С2.

Регистры управления в этом случае называются TCCR0, TCCR1 и TCCR2 (расположены в области ввода/вывода), а режим работы и коэффициент деления частоты осциллятора определяется с помощью разрядов CSx2, CSxl и CSx0 этих регистров. К примеру, для таймеров/счетчиков Т/С0 и Т/С1 выбор режима и входного такта можно определить с помощью комбинаций разрядов, представленных в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Выбор режима и входного такта для Т/С0 и Т/С1

Для Т/С2 комбинации разрядов CS22, CS21 и CS20 могут иметь разное значение для различных моделей микроконтроллеров.

Т/С0

Схема работы таймера/счетчика Т/С0, представлена на рис. 4.1.

Как только с помощью разрядов CS00, CS01 и CS02 регистра TCCR0 (адрес 0×33 в области ввода/вывода, адрес 0×53 в SRAM) для делителя частоты будет установлена комбинация, отличная от 000, таймер/счетчик Т/С0 по каждому импульсу, поступающему на тактовый вход, начинает увеличивать на единицу содержимое регистра TCNT0 (адрес 0×32 в области ввода/вывода, адрес 0×52 в SRAM). Когда состояние счетчика в регистре TCNT0 изменяется с 0xFF на 0×00, в регистре TIFR (адрес 0×38 в области ввода/вывода) устанавливается флаг переполнения TOV0.

Рис. 4.1. Схема таймера/счетчика Т/С0

Кроме разрядов CS00, CS01 и CS02 регистра TCCR0 (разряды 0−2), никакие другие разряды этого регистра не используются.

Таймер/счетчик Т/С0 хорошо подходит для оценки временных интервалов. Для этого в ходе выполнения программы в регистр TCNT0 записывается исходное значение. Затем может быть запущен Т/С0 с требуемым входным тактом. Программа ожидает появления в регистре TIFR флага переполнения TOV0, указывающего на то, что требуемое время истекло.

Предположим частота системной синхронизации составляет 4 МГц, а некоторое действие должно выполняться программой каждые 0,5 с. В этом случае можно воспользоваться делением частоты на 8, что соответствует частоте тактирования 500 кГц или 2 мкс. Таким образом, на подсчет 256 тактовых импульсов счетчику потребуется 512 мкс. Это значение должно быть кратно 500 мкс, чтобы с помощью множителя 1000 в программе можно было реализовать требуемое действие в точности с периодом 500 мс. Для этого в счетчик перед началом каждого счета должно быть загружено значение 6, чтобы до переполнения выполнялся подсчет не 256, а только 250 тактовых импульсов.

Т/С1

16-разрядный таймер/счетчик Т/С1 гораздо сложнее Т/С1 (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема таймера/счетчика T/C1

В дополнение к счетному регистру и регистру управления, он содержит регистр захвата по входу (ICR1) и два 16-ти разрядных регистра сравнения на выходе (в некоторых моделях микроконтроллеров регистр сравнения В отсутствует).

Рассмотрим назначение отдельных регистров:

— TCNT1 — счетный регистр (содержимое счетчика);

— TCCR1А — регистр управления для определения реакции выводов

— ОС1А/ОС1 В в случае совпадения состояния счетчика в регистре TCNT1 с регистрами сравнения OCR1A/OCR1B, а также для выбора режима широтно-импульсной модуляции;

— TCCR1B — регистр управления для настройки делителя частоты, для разрешения подачи сигнала сброса для регистра TCNT1 и для управления захватом;

— ICR1 — регистр захвата по входу (при появлении на выводе ICP фронта входного сигнала, определенного как активный, текущее состояние счетчика будет перенесено в этот регистр);

— OCR1A, OCR1B — регистры сравнения; их содержимое постоянно сравнивается с состоянием счетчика. В случае совпадения выполняются действия, определенные регистром TCCR1A.

Регистр управления TCCR1A (рис. 4.3) находится в области ввода/вывода по адресу 0x2 °F (адрес 0x4 °F в SRAM).

Рис. 4.3. Регистр TCCR1A таймера/счетчика T/C1

Разряды СОМ1А1/СОМ1А0 и СОМ1В1/СОМ1В0 определяют состояние вывода ОС1 А/ОС 1 В при совпадении содержимого регистра сравнения А/В с содержимым счетчика. Возможные настройки для режима сравнения показаны в табл. 4.2.

Таблица 4.2. Возможные варианты для работы в режиме сравнения

В случае активизации режима ШИМ, разряды 4…7 в регистре TCCR1А имеют значения, отличные от указанных в табл. 1.6. Когда регистр управления TCCR1A определяет работу в конфигурации широтно-импульсного модулятора, то Т/С1 работает как суммирующий и вычитающий счетчик, осуществляя циклические переходы от 0×0000 к максимальному значению ТОР, и затем снова возвращаясь к 0×0000. При запрограммированной разрешающей способности ШИМ в N разрядов значение ТОР рассчитывается как:

Частота f_ШИМ, с которой повторяются циклы ШИМ, вычисляется по формуле:

причем частота таймера/счетчика f_T/ci выбирается с помощью разрядов CSIO-CS 12 регистра TCCR1B, а разрешающая способность N — с помощью разрядов PWM10 и PWM11 регистра TCCR1A. Соответствующие взаимосвязи показаны в табл. 4.3.

Таблица 4.3. Выбор режима ШИМ (PWM11 и PWM10)

Когда состояние счетчика в регистре TCNT1 совпадает со значением 10 младших разрядов регистра OCR1A/OCR1B, то, в зависимости от состояния разрядов СОМ1А1/СОМ1А0 или СОМ1В1/СОМ1В0 регистра TCCR1A, вывод ОС1А/ОС1 В последующим тактовым импульсом устанавливается или сбрасывается. Соответствующие взаимосвязи показаны в табл. 4.4.

Таблица 4.4. Возможности выбора для режима сравнения

В случае неинвертирующего широтно-импульсного модулятора, коэффициент заполнения g прямоугольного сигнала на выводе с ШИМ соответствует значению n / (2N — 1), где n — значение в соответствующем регистре OCR, a N — разрешающая способность ШИМ в разрядах (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Определение периода Т, коэффициента заполнения g и среднего арифметического U_AV прямоугольных импульсов напряжения U

Если регистр сравнения OCR1A/OCR1B содержит значение ТОР или 0, то на соответствующем выводе, в соответствии с правилами, представленными в табл. 4.5, постоянно поддерживаются уровень лог. 0 или лог. 1.

На рис. 4.5. на примере фиктивной трехразрядной ШИМ показано формирование неинвертированного и инвертированного выходного ШИМ — сигнала на выходе ОС1 В. На диаграмме, А показан примерный вид ступенчатого сигнала, соответствующий состоянию счетчика TCNT1, на диаграмме В — неинвертированный, а на диаграмме С — инвертированный выходной сигнал. Продолжительность периода TPWM в этом случае вычисляется в соответствии с рассмотренным выше уравнением T_PWM = T_T/C1 * (2^N+1 — 2). Таким образом, при N=3 период ШИМ-сигнала состоит из 14 периодов тактового сигнала f_T/C1 на входе TCNT1.

Таблица 4.5. Вывод ШИМ для особых случаев

Рис. 4.5. Способ формирования неинвертированных и инвертированных выходных ШИМ-сигналов В данном примере регистр сравнения OCR1B содержит значение 5. В регистре TCNT1, учитывая тот факт, что его исходное значение равно 0, значение 5 появляется после пяти тактовых импульсов. На следующем тактовом импульсе, после распознания совпадения на выводе ОС 1 В устанавливается уровень лог. 0 (рис. 1.12, В).

Регистр TCNT1 инкрементируется далее до тех пор, пока не будет достигнуто значение ТОР, которое при трехразрядной ШИМ составляет 7. Как только достигнуто значение ТОР, направление счета меняется на обратное, и регистр выполняет вычитание. После девятого тактового импульса, начиная от стартового значения 0, содержимое регистра TCNT1 опять совпадает с содержимым регистра OCR1B. На следующем тактовом импульсе на выходе ОС1 В устанавливается уровень лог. 1.

Регистр TCNT1 декрементируется далее до тех пор, пока опять не будет достигнуто значение 0. Это происходит после в общей сложности четырнадцати тактовых импульсов, считая от начального значения 0. Таким образом завершается период ШИМ-сигнала, направление счета вновь меняется на обратное и регистр TCNT1 опять выполняет сложение. Как видно на рис. 1.12 (В), «высокая» составляющая выходного сигнала составляет 6 тактовых периодов, а «низкая» — 4. Таким образом, коэффициент заполнения g = 6/10 или g = 3/5. Аналогично, диаграмма С на рис. 1.12 показывает соотношения для инвертированного выходного ШИМ-сигнала.

В режиме ШИМ устанавливается флаг переполнения TOV1, если счетчик при достижении состояния 0 меняет направление счета на обратное. Это прерывание по Т/С1 при переполнении, как и при нормальной работе в режиме счетчика, вызывается в том случае, если установлен флаг общего разрешения прерываний I в регистре состояния SREG, а также флаг TOIE1 в регистре TIMSK. В соответствии с этим, прерывания при совпадении регистров TCNT1 и OCR1A/OCR1B вызываются тогда, когда в регистре TIMSK установлен флаг общего разрешения прерываний и флаг OCIE1A/OCIE1B.

В отношении таймера/счетчика Т/С1 осталось рассмотреть еще регистр управления TCCR1B (адресу 0×2Е в области ввода/вывода, адрес 0×4Е в SRAM). Структура регистра TCCR1B показана на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Регистр TCCR1 В таймера/счетчика Т/С1

Разряды 0 — 2 используются для выбора частоты тактирования Т/С1 (табл. 1.5). Если разряд СТС1 установлен в лог. 1, то Т/С1 возвращается в состояние 0×0000 по импульсу такта системной синхронизации, следующего после совпадения содержимого счетчика и регистра сравнения А. При работе в режиме ШИМ этот разряд на процесс работы никак не влияет.

Разряд ICES1 определяет, каким образом должна осуществляться передача состояния счетчика в регистр захвата ICR1: по нарастающему (ICES 1 = 1) или по ниспадающему фронту (ICES 1=0).

Разряд ICNC1 определяет, должно ли быть активизировано подавление помех (если ICNC1 = 0, то подавление помех отключено), Для подавления кратковременных импульсов помех, которые могут привести к ошибочному запуску, входной сигнал зондируется на протяжении четырех периодов такта системной синхронизации. Только после того как будут распознаны четыре последовательных низких или высоких уровня входного сигнала, что определяется разрядом ICES1, при активном подавлении помех будет выполнена запись текущего состояния счетчика в регистр ICR1.

Т/С2

Таймер/счетчик Т/С2 обычно имеет разрядность 8 бит и реализует функции сравнения на выходе и ШИМ, аналогичные Т/С1. Основная особенность Т/С2 заключается в том, что в качестве источника тактовых импульсов он может использовать генератор, независимый от системного. Для управления Т/С2 используются два регистра: ASSR (рис. 4.7) и TCCR2 (рис. 4.8).

Рис. 4.7. Регистр ASSR таймера/счетчика Т/С2

Если установить в лог. 1 разряд AS2, то в качестве источника тактовых импульсов можно использовать внешний осциллятор. Оставшиеся три разряда (0−2) используются в программах для проверки того, что данные не записываются в регистры Т/С2 в тот момент, когда они обновляются аппаратно. Такая проверка необходима по той причине, что осциллятор Т/С2 работает асинхронно по отношению к системному осциллятору.

Рис. 4.8. Регистр TCCR2 таймера/счетчика Т/С2

Установка в лог. 1 разряда PWM2 переводит Т/С2 в режим ШИМ. Назначение разрядов COM21 и СОМ20 идентично назначению разрядов COM lxl и СОМ 1×0 таймера/счетчика Т/С1 — выбор режима сравнения на выходе.

Разряд СТС2 определяет, должен ли счетчик сбрасываться в нуль при совпадении его содержимого с регистром сравнения. Разряды 0 — 2 определяют частоту тактового сигнала, полученного с помощью предварительного делителя частоты такта системной синхронизации.

Таймеры/счетчики микроконтроллеров PIC

Описанное выше применение таймеров/счетчиков микроконтроллеров AVR справедливо также и для таймеров микроконтроллеров PIC. Здесь используются аналогичные принципы измерения ширины и частоты импульсов, а также широтно-импульсной модуляции, режимов сравнения и захвата.

В микроконтроллерах PIC могут использоваться три таймера: TMR0, TMR1 и TMR2.

TMR0

TMR0 (рис. 4.9) — это 8-разрядный таймер/счетчик. Таким образом, счет для него ограничен диапазоном 0−255. Его тактирование реализуется от внешнего источника или на основании такта системной синхронизации.

Рис. 4.9. Схема таймера/счетчика TMR0

Для управления работой таймера TMR0 используются следующие разряды регистра OPTION_REG:

— разряд 5 — T0CS — определяет выбор источника синхроимпульсов (0 — внутренний; 1 — внешний на входе TOCKI);

— разряд 4 — T0SE — определяет выбор фронта, по которому происходит увеличение содержимого счетного регистра TMR0 (0 — по нарастающему; 1 — по ниспадающему фронту тактового сигнала);

— разряд 3 — PSA — использование предварительного делителя частоты (0 — делитель используется для управления таймером TMR0; 1 — для управления сторожевым таймером);

— разряды 0−2 — PS0, PS1, PS2 — выбор коэффициента деления частоты входного тактового сигнала (табл. 4.6).

Таблица 4.6. Назначение разрядов PSO — PS2 регистра OPTIONJREG

Для управления прерываниями от таймера TMR0 используются следующие разряды регистра INTCON:

— разряд 2 — TOIF — флаг прерывания при переполнении TMR0;

— разряд 5 — TOIE — флаг разрешения прерывания при переполнении TMR0;

— разряд 7 — GIE — флаг общего разрешения прерываний.

TMR1

TMR1 (рис. 4.11) — это 16-разрядный таймер/счетчик, который может использоваться для формирования запросов на прерывание, подобно TMR0, или же работать в режимах захвата, сравнения и ШИМ.

Тактирование таймера TMR1 осуществляется от сигнала системной синхронизации или от специального генератора, предназначенного для работы с относительно медленными программными приложениями. Как правило, используется кварцевый резонатор частотой 32,768 кГц.

Для управления таймером TMR1 используется регистр T1CON (рис. 4.12). Назначение отдельных разрядов регистра T1CON:

— TMRION — подключение таймера (0 — отключен, 1 — включен);

— TMR1CS — выбор источника тактирующих сигналов (0 — такт системной синхронизации; 1 — генератор 32,768 кГц);

— Tl SYNC — включение/отключение синхронизация специального генератора с генератором импульсов системной синхронизации (0 — включена; 1 — отключена);

— T10SCEN — разрешение/запрет тактирования таймера TMR1 от специального генератора (0 — генератор отключен; 1 — тактирование разрешено);

T1CKPS0, T1CKPS1 — выбор коэффициента деления частоты (табл. 4.7).

Рис. 4.11. Схема таймера/счетчика TMR1

Рис. 4.12. Регистр T1CON микроконтроллеров PIC

Таблица 4.7. Назначение разрядов T1CKPS0 — T1CKPS1 регистра T1CON

Счетный регистр таймера TMR1 представляет собой регистровую пару TMR1H, TMR1L, а управление прерываниями осуществляется с помощью разрядов регистров PIR1 и РIЕ1:

Регистр PIR1:

— разряд 0 — TMR1IF — флаг переполнения TMR1;

— разряд 2 — ССР 1 IF — флаг прерывания при возникновении захвата по входу/

Регистр PIE1:

— разряд 0 — TMR1IE — флаг разрешения прерывания при переполнении TMR1;

— разряд 2 — ССР НЕ — флаг разрешения прерывания при возникновении захвата по" входу.

TMR2

Назначение таймера TMR2 (рис. 4.13) — измерение временных интервалов для реализации ШИМ, обеспечения определенной скорости обмена по последовательному порту и т. п. В этом смысле он подобен таймеру TMR0.

Таймер TMR2 тактируется импульсами, следующими с частотой такта системной синхронизации, деленной на четыре. Каждый раз, когда содержимое счетного регистра TMR2 совпадает с содержимым регистра PR2, таймер автоматически сбрасывается в исходное (нулевое) состояние.

Рис. 4.13. Схема таймера/счетчика TMR2

При каждом совпадении TMR2 и PR2 генерируется запрос на прерывание, частоту возникновения которого можно также масштабировать с помощью выходного делителя частоты.

Для управления таймером TMR2 используется регистр T2CON (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Регистр T2CON микроконтроллеров PIC

Назначение отдельных разрядов регистра T2CON:

— T2CKPS0-T2CKPS1 -управление предварительным делителем частоты (табл. 4.8);

— TMR20N — подключение таймера (0 — отключен, 1 — включен);

— TOUTPS0-TOUTPS3 — выбор коэффициента деления частоты запросов на прерывание при TMR2:=:PR2 (табл. 4.9).

Таблица 4.8. Назначение разрядов T2CKPS0 — T2CKPS1 регистра T2CON

Таблица 4.9. Назначение разрядов TOUTPS0 — TOUTPS3 регистра T2CON

Для организации прерываний используются разряды TMR2JE (флаг разрешения) и TMR2IF (флаг прерывания) регистров PIE1 и PIR1 соответственно.