Микропроцессоры универсальные

Система тактирования (Clock System). Данную систему можно сравнить с сердечно-сосудистой системой 
Модуль обработки прерываний (Interrupt Unit)

 

Периферийные устройства:

Порты ввода/вывода 
EEPROM память 
USB (только в xMega), USART, I2C, SPI, JTAG интерфейсы 
Сторожевой таймер, Таймер/Счетчик (с функцией ШИМ генератора, захвата/сравнения и т.д.) 
АЦП, ЦАП (только в xMega), Аналоговый компаратор 
Модули внешнего прерывания (External Interrupts)

Одним из плюсов AVR микроконтроллеров является возможность использования периферийных устройств в различных совместных режимах работы, что очень часто упрощает задачу разработчика. Также в AVR встроена система сброса и отслеживания уровня питающего напряжения (System Control and Reset), обеспечивающая нормальный старт микроконтроллера и в случае необходимости, надежное завершение работы.

Регистры управления/состояния периферийных устройств находятся в области памяти данных (Data memory), между регистрами общего назначения и оперативной памятью, что обеспечивает высокое быстродействие в работе с периферией. Разработчик, естественно, имеет полный доступ к данным регистрам (I/O Registers).

Что необходимо чтобы заработал микроконтроллер?

Здесь вырисовываются три базовых направления:

• написать программу (программирование). Для того чтобы написать программу/алгоритм, по которому будет действовать микроконтроллер нам понадобится интегрированная среда разработки для AVR микроконтроллеров, в состав которой входит редактор кода/текста, компилятор, компоновщик (linker) и пр. утилиты. Среда разработки позволяет сэкономить уйму времени и сил в процессе создания проложения.
• схемотехника. Одной лишь программы недостаточно чтобы микроконтроллер заработал, ему также требуется минимальный обвес (набор внешних электронных устройств), для обеспечения микроконтроллера напряжением питания и тактирующим сигналом, чтобы как минимум заработало ядро микроконтроллера.
• программатор. Устройство для записи откомпилированной программы (прошивки) в память микроконтроллера. Самый часто-используемый метод записи прошивки в память микроконтроллера является метод ISP (In-System Programming), для чего и нужен ISP connector. Также весьма популярными методами записи прошивки в память микроконтроллера являются HVP (High-Voltage Programming) и запись прошивки через JTAG-интерфейс.

 

 

 

 

1.3. Способы адресации.

Все микроконтроллеры AVR семейства поддерживают 8 способов адресации для доступа к различным областям памяти данных (РОН, РВВ, ОЗУ).

В действительности способов адресации всего два:

1. прямая адресация;
2. косвенная адресация.

 

 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 (PUSH, POP), команды инкремента (INC), декремента (DEC), а также некоторые команды арифметических операций.

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 (5 бит), а адрес регистра-приемника в разрядах 8…4 (5 бит) слова команды.

К командам, использующим этот способ адресации, относятся команда пересылки данных из регистра в регистр (MOV), а также большинство команд арифметических операций.

Прямая адресация регистра ввода/вывода

Данный способ адресации используется командами пересылки данных между регистром ввода/вывода и регистровым файлом – IN и OUT. В этом случае адрес регистра ввода/вывода содержится в разрядах 10, 9, 3…0 (6 бит), а адрес РОН – в разрядах 8…4 (5 бит).

Прямая адресация ОЗУ

Как следует из названия, данный способ используется при обращении ко всему адресному пространству памяти данных. Естественно, этот способ адресации не поддерживается микроконтроллером AT90S1200.

В системе команд микроконтроллеров семейства имеется только две команды, использующие этот способ адресации. Это команды пересылки байта между одним из РОН и ячейкой ОЗУ – LDS иSTS. 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 (для AT90S1200 – регистра) находится в одном из индексных регистров X, Y и Z. В зависимости от дополнительных манипуляций, которые производятся над содержимым индексного регистра, различают следующие разновидности косвенной адресации: простая косвенная адресация, относительная косвенная адресация, косвенная адресация с преддекрементом и косвенная адресации с постинкрементом.

Простая косвенная адресация

При использовании команд простой косвенной адресации обращение производится по адресу, который находится в индексном регистре. Никаких действий с содержимым индексного регистра при этом не производится.

Микроконтроллеры поддерживают 6 команд (по 2 для каждого индексного регистра) простой косвенной адресации: LD Rd, X/Y/Z, Rd (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 (Y илиZ) и константы, задаваемой в команде. Другими словами, производится обращение по адресу, указанному в команде, относительно адреса, находящегося в индексном регистре.

Соответственно микроконтроллера поддерживают 4 команды относительной косвенной адресации (две для регистра Y и две для регистра Z): LDD Rd, Y+q/Z+q (пересылка байта из ОЗУ и РОН) и ST Y+q/Z+q, Rr (пересылка байта из РОН в ОЗУ). Адрес регистра общего назначения содержится в разрядах 8…4 слова команды, а величина смещения – разрядах 13, 11, 10…0. Поскольку под значение смещения отводится только 6 бит, оно не может превышать 64.

Косвенная адресация с преддекрементом

При использовании команд косвенной адресации с преддекрементом содержимое индексного регистра сначала увеличивается на 1, а затем производится обращение по полученному адресу.

Микроконтроллеры семейства поддерживают 6 команд (по 2 для каждого индексного регистра) косвенной адресации с преддекрементом: LD Rd, - X/ -Y/ -Z (пересылка байта из РОН в ОЗУ).Адрес регистра общего назначения содержится в разрядах 8…4 слова

Косвенная адресация с постинкрементом

При использовании команд косвенной адресации с постинкрементом после обращения по адресу, который находится в индексном регистре, содержимое индексного регистра уменьшается на 1.

Микроконтроллеры семейства поддерживают 6 команд (по 2 для каждого индексного регистра) косвенной адресации с постинкрементом: LD Rd, X+/Y+/Z+ пересылка байта из ОЗУ в РОН) и STX+/Y+/Z+, Rd (пересылка байта из РОН в ОЗУ). Адрес регистра общего назначения содержится в разрядах 8…4 слова команды.

 

1.4. Энергонезависимая память данных.

Как уже было сказано, микроконтроллеры AVR имеют в своем составе энергонезависимую память (EEPROM). Объем этой памяти колеблется от 64 байт до 512 байт в старших моделях. EEPROM-память расположена в своем адресном пространстве и так же, как и ОЗУ, организована линейно.

Организация доступа

Для обращения к EEPROM-памяти используются три регистра: регистр адреса, регистр данных и регистр управления. Все эти регистры, а также их использование подробно рассматриваются в этом пункте.

Регистр адреса

В регистр адреса загружается адрес ячейки, к которой будет производиться обращение. В моделях микроконтроллеров с объемом EEPROM-памяти до 256 байт регистр адреса реализован на одном РВВ (регистр ввода/вывода) – EEAR (EEPROM Addres Register), расположенном по адресу $IE ($3E). В моделях микроконтроллеров с объемом EEPROM-памяти, равным 512 байт, для адресации всего адресного пространства требуется уже девять разрядов, поэтому регистр адреса в них реализован на двух РВВ – EEARH (старший байт адреса) и EEARL (младший байт адреса). Эти регистры расположены по адресам $IF ($3F) и $IE ($3E) соответственно.

Все перечисленные регистры доступны как для записи, так и для чтения. При этом содержимое разрядов 7…1 регистра EEARH, разумеется, игнорируется. 

Регистр данных

Регистр ввода/вывода, являющийся регистром данных EEPROM-памяти, называется EEDR (EEPROM Data Register), а расположен он по адресу $ID ($3D). При записи в этот регистр загружаются данные, которые должны быть помещены в EEPROM по адресу, находящемуся в регистре EEAR.

Регистр управления

Как следует из названия, данный регистр используется для управления доступом к EEPROM-памяти.

 Этот регистр,  который называется EECR (EEPROM Control Register), расположен по адресу $IC ($3C). Разные модели предоставляют неодинаковые возможности по управлению процессами записи/чтения в EEPROM, поэтому состав управляющих разрядов в регистре EECR зависит от конкретной модели микроконтроллера.

Таким образом, процедура записи одного байта в EEPROM-память состоит из следующих этапов:

1.      Дождаться готовности EEPROM к приему новых данных (ждать, пока не сбросится флаг EEWE регистра EECR).

2.      Загрузить байт данных в регистр EEDR, а требуемый адрес – в регистр EEAR (EEARH:EEARL).

3.      Установить в «1» флаг EEMWE регистра EECR. Причем для выполнения этой операции необходимо в том же машинном цикле записать «0» в разряд EEWE.

4.      В течение 4 машинных циклов после установки флага EEMWE записать в разряд EEWE регистра EECR лог: «1».

Длительность цикла записи составляет 2…4 мс, в зависимости от напряжения питания микроконтроллера (2 мс при Vcc = 2,7 В). По окончании цикла записи разряд EEWE аппаратно сбрасывается, после чего программа может начать запись следующего байта.

Процедура чтения данных из EEPROM гораздо проще, чем процедура записи. После загрузки требуемого адреса в регистр EEAR (EEARH;EEARL) программа должна установить в «1» разряд EERE регистра EECR. Когда запрошенные данные будут находиться в регистре данных EEDR, произойдет аппаратный сброс этого разряда.

Меры предосторожности при работе с EEPROM

К сожалению, у EEPROM-памяти есть один недостаток: во время работы при пониженном напряжении питания хранящиеся в ней данные могут быть повреждены. Это может произойти по двум причинам:

1. Обычная процедура записи в EEPROM требует некоторого минимального напряжения питания; если напряжение питания ниже этой величины, запись не может быть выполнена.

2.  Микроконтроллер сам может выполнять команды некорректно, если напряжение питания будет ниже некоторой величины.     

Чтобы избежать повреждения данных, хранящихся в EEPROM, достаточно воспользоваться одним из трех следующих решений:

1. Удерживать микроконтроллер в состоянии сброса все время, пока напряжение питания находится ниже нормы. Это решение реализуется внешней схемой защитного сброса, называемой также детектором пониженного напряжения питания (Brown-out Detector).
2. Удерживать микроконтроллер в «спящем» режиме (Power Down), пока напряжение питания находится ниже нормы. Поскольку в этом режиме микроконтроллер не может выполнять никаких команд, такое решение эффективно защищает служебные регистры EEPROM от непреднамеренной записи.
3. Хранить константы во FLASH-памяти программ, если они не должны меняться во время работы программы. Микроконтроллер не может самостоятельно производить запись в FLASH-память, соответственно, при понижении напряжения питания ее содержимое не будет повреждено.

 

1.5. Порты ввода/вывода.

Каждый микроконтроллер содержит порты ввода-вывода, к которым, можно подключить какое либо устройство, будь это светодиод или кнопка. В некоторых AVR микроконтроллерах некоторые порты ввода-вывода можно сконфигурировать как аналоговые порты ввода-вывода, например АЦП (Аналого-цифровой преобразователь), ШИМ (Широтно-импульсная модуляция).  
Порты ввода-вывода AVR микроконтроллера Attiny13:

Как видно на картинке, у микроконтроллера Attiny13, 6 портов ввода-вывода (PB0 – PB5) и 2 ножки по питанию (VCC, GND). Но, первая ножка микроконтроллера Attiny13 (порт PB5), по умолчанию не порт ввода-вывода, а сброс (Reset) микроконтроллера. Его можно переключить в порт ввода-вывода специальным фьюз битом (RSTDISBL), но тогда микроконтроллер не будет поддерживать внутрисхемное программирование (по SPI интерфейсу).