АРХИТЕКТУРА AVR

Условные обозначения:

Flash ROM - объем энергонезависимой памяти программ (в килобайтах);

EEPROM - объем энергонезависимой памяти данных (в байтах);

RAM - объем статической памяти данных (в байтах);

External RAM - возможность подключения к микроконтроллеру дополнительной микросхемы внешней статической памяти данных (в килобайтах);

ISP - возможность программирования микроконтроллера в системе (на целевой плате) при основном напряжении питания;

SPM - функция самопрограммирования Flash ROM памяти микроконтроллера в системе без участия внешнего программатора;

JTAG - встроенный JTAG - интерфейс;

I/O (pins) - максимальное количество доступных линий ввода / вывода;

Timer(s) 8/16 bit - количество и разрядность таймеров/счетчиков;

USI - универсальный коммуникационный интерфейс;

AC - аналоговый компаратор;

ADC (channels) - количество каналов аналого-цифрового преобразования;

Internal RC - наличие внутренней RC-цепочки для автономной работы микроконтроллера (без внешнего источника опорной частоты);

WDT - сторожевой таймер;

BDC - аппаратный программируемый блок защиты от сбоев при внезапном (в том числе и кратковременном) пропадании напряжения питания микроконтроллера;

UART - асинхронный последовательный приемопередатчик;

SPI - синхронный трехпроводной последовательный интерфейс;

I2C - двухпроводной последовательный интерфейс;

RTC - система реального времени;

PWM (channels) - количество независимых каналов широтно - импульсной модуляции;

Все AVR имеют Flash-память программ, которая может быть загружена как с помощью обычного программатора, так и с помощью SPI-интерфейса, в том числе непосредственно на целевой плате. Число циклов перезаписи - не менее 1000. Последние версии кристаллов имеют возможность самопрограммирования. Это означает, что микроконтроллер способен самостоятельно, без какого-либо внешнего программатора, изменять содержимое ячеек памяти программ. То есть, новые AVR могут менять алгоритмы своего функционирования и программы, заложенные в них, и далее работать уже по измененному алгоритму или новой программе. Например, Вы можете написать и сохранить несколько рабочих версий программы для конкретного приложения во внешней энергонезависимой памяти (DataFlash, SEEPROM и т.п.), а затем по мере необходимости или по реакции на какие-нибудь внешние или внутренние логические условия перегружать рабочие программы в тот же самый микроконтроллер AVR, не извлекая его из печатной платы. Для этого весь массив памяти программ делится на две неравные по объему области: блок загрузчика (программа, управляющая перезаписью Flash-памяти программ) и блок для размещения рабочего программного кода, причем свободная память в области загрузчика может быть использована в качестве дополнительного пространства для рабочего кода. Программа - загрузчик создается самим разработчиком и должна быть запрограммирована внешним программатором.

Все AVR имеют также блок энергонезависимой электрически стираемой памяти данных EEPROM. Этот тип памяти, доступный программе микроконтроллера непосредственно в ходе ее выполнения, удобен для хранения промежуточных данных, различных констант, таблиц перекодировок, калибровочных коэффициентов и т.п. EEPROM также может быть загружена извне как через SPI интерфейс, так и с помощью обычного программатора. Число циклов перезаписи - не менее 100000. Два программируемых бита секретности позволяют защитить память программ и энергонезависимую память данных EEPROM от несанкционированного считывания. Внутренняя оперативная память SRAM имеется у всех AVR семейств "classic" и "mega" и у одного нового кристалла семейства "tiny" - ATtiny26/L. Для некоторых микроконтроллеров возможна организация подключения внешней памяти данных объемом до 64К.

Внутренний тактовый генератор AVR может запускаться от нескольких источников опорной частоты (внешний генератор, внешний кварцевый резонатор, внутренняя или внешняя RC-цепочка). Поскольку AVR-микроконтроллеры полностью статические, минимальная допустимая частота ничем не ограничена (вплоть до пошагового режима). Максимальная рабочая частота определяется конкретным типом микроконтроллера. Интересную аппаратную особенность имеет микроконтроллер ATtiny15L. Он содержит блок PLL для аппаратного умножения основной тактовой частоты в 16 раз. При номинальном значении последней 1,6 МГц получаемая вспомогательная периферийная частота равна 25,6 МГц. Эта частота может служить источником для одного из таймеров/счетчиков микроконтроллера, значительно повышая временное разрешение его работы.

Сторожевой (WATCHDOG) таймер предназначен для защиты микроконтроллера от сбоев в процессе работы. Он имеет свой собственный RC-генератор, работающий на частоте 1 МГц. Эта частота является приближенной и зависит прежде всего от величины напряжения питания микроконтроллера и от температуры. WATCHDOG-таймер снабжен своим собственным предделителем входной частоты с программируемым коэффициентом деления, что позволяет подстраивать временной интервал переполнения таймера и сброса микроконтроллера. WATCHDOG-таймер может быть отключен программным образом во время работы микроконтроллера как в активном режиме, так и в любом из режимов пониженного энергопотребления. В последнем случае это приводит к значительному снижению потребляемого тока.

Микроконтроллеры AVR имеют в своем составе от 1 до 4 таймеров/счетчиков общего назначения с разрядностью 8 или 16 бит, которые могут работать и как таймеры от внутреннего источника опорной частоты, и как счетчики внешних событий с внешним тактированием. Общие черты всех таймеров/счетчиков следующие.

наличие программируемого предделителя входной частоты с различными градациями деления. Отличительной чертой является возможность работы таймеров/счетчиков на основной тактовой частоте микроконтроллера без предварительного ее понижения, что существенно повышает точность генерации временных интервалов системы;

независимое функционирование от режима работы процессорного ядра микроконтроллера (т.е. они могут быть как считаны, так и загружены новым значением в любое время);

возможность работы или от внутреннего источника опорной частоты, или в качестве счетчика событий. Верхний частотный порог определен в этом случае как половина основной тактовой частоты микроконтроллера. Выбор перепада внешнего источника (фронт или срез) программируется пользователем;

наличие различных векторов прерываний для нескольких различных событий (переполнение, захват, сравнение).

Система реального времени (RTC) реализована во всех микроконтроллерах семейства "mega" и в двух кристаллах семейства "classic" - AT90(L)S8535. Таймер/счетчик RTC имеет свой собственный предделитель, который может быть программным способом подключен или к основному внутреннему источнику тактовой частоты микроконтроллера, или к дополнительному асинхронному источнику опорной частоты (кварцевый резонатор или внешний синхросигнал). Для этой цели зарезервированы два внешних вывода микроконтроллера. Внутренний осциллятор, нагруженный на счетный вход таймера/счетчика RTC, оптимизирован для работы с внешним "часовым" кварцевым резонатором 32,768 кГц.

Порты ввода/вывода AVR имеют число независимых линий "Вход/Выход" от 3 до 53. Каждый разряд порта может быть запрограммирован на ввод или на вывод информации. 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 мА (все значения приведены для напряжения питания 5 В).

Интересная 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 (Intel, Microchip, Motorola и т.д.). Упрощенная структурная схема элемента ввода/вывода AVR - микроконтроллера приведена на рис. 1. Здесь DDRx - бит контроля направления передачи данных и привязки вывода к шине питания (VCC), PORTx - бит привязки вывода к VCC и бит выходных данных, PINx - бит для отображения логического уровня сигнала на физическом выводе микросхемы.

Естественно возникает вопрос: а зачем необходимы именно 3 бита? Дело в том, что использование только двух бит контроля/управления порождает ряд проблем при операциях типа "чтение-модификация-запись". Например, если имеют место две последовательные операции "чтение-модификация-запись", то первый результат может быть потерян безвозвратно, если вывод порта работает на емкостную нагрузку и требуется некоторое время для стабилизации уровня сигнала на внешнем выводе микросхемы. Архитектура построения портов ввода/вывода AVR с тремя битами контроля/управления позволяет разработчику полностью контролировать процесс ввода/вывода. Если необходимо получить реальное значение сигнала на физическом выводе микроконтроллера - читайте содержимое бита по адресу PINx. Если требуется обновить выходы - прочитайте PORTx защелку и потом модифицируйте данные. Это позволяет избежать необходимости иметь копию содержимого порта в памяти для безопасности и повышает скорость работы микроконтроллера при работе с внешними устройствами. Особую значимость приобретает данная возможность AVR для реализации систем, работающих в условиях внешних электрических помех.

Аналоговый компаратор входит в состав большинства микроконтроллеров AVR. Типовое напряжение смещения равно 10 мВ, время задержки распространения составляет 500 нс и зависит от напряжения питания микроконтроллера. Так, например, при напряжении питания 2,7 Вольт оно равно 750 нс. Аналоговый компаратор имеет свой собственный вектор прерывания в общей системе прерываний микроконтроллера. При этом тип перепада, вызывающий запрос на прерывание при срабатывании компаратора, может быть запрограммирован пользователем как фронт, срез или переключение. Логический выход компаратора может быть программным образом подключен ко входу одного из 16-разрядных таймеров/счетчиков, работающего в режиме захвата. Это дает возможность измерять длительность аналоговых сигналов а также максимально просто реализовывать АЦП двухтактного интегрирования.

Аналого - цифровой преобразователь (АЦП) построен по классической схеме последовательных приближений с устройством выборки/хранения (УВХ). Каждый из аналоговых входов может быть соединен со входом УВХ через аналоговый мультиплексор. Устройство выборки/хранения имеет свой собственный усилитель, гарантирующий, что измеряемый аналоговый сигнал будет стабильным в течение всего времени преобразования. Разрядность АЦП составляет 10 бит при нормируемой погрешности +/- 2 разряда. АЦП может работать в двух режимах - однократное преобразование по любому выбранному каналу и последовательный циклический опрос всех каналов. Время преобразования выбирается программно с помощью установки коэффициента деления частоты специального предделителя, входящего в состав блока АЦП. Оно составляет 70...280 мкс для ATmega103 и 65...260 мкс для всех остальных микроконтроллеров, имеющих в своем составе АЦП. Важной особенностью аналого-цифрового преобразователя является функция подавления шума при преобразовании. Пользователь имеет возможность, выполнив короткий ряд программных операций, запустить АЦП в то время, когда центральный процессор находится в одном из режимов пониженного энергопотребления. При этом на точность преобразования не будут оказывать влияние помехи, возникающие при работе процессорного ядра.

AVR - микроконтроллеры могут быть переведены программным путем в один из шести режимов пониженного энергопотребления. Для разных семейств AVR и разных микроконтроллеров в пределах каждого семейства изменяются количество и сочетание доступных режимов пониженного энергопотребления. Подробную информацию можно найти в оригинальной технической документации Atmel Corp.

Режим холостого хода (IDLE), в котором прекращает работу только процессор и фиксируется содержимое памяти данных, а внутренний генератор синхросигналов, таймеры, система прерываний и WATCHDOG-таймер продолжают функционировать.

Режим микропотребления (Power Down), в котором сохраняется содержимое регистрового файла, но останавливается внутренний генератор синхросигналов. Выход из Power Down возможен либо по общему сбросу микроконтроллера, либо по сигналу (уровень) от внешнего источника прерывания. При включенном WATCHDOG-таймере ток потребления в этом режиме составляет около 60...80 мкА, а при выключенном - менее 1 мкА для всех типов AVR. Вышеприведенные значения справедливы для величины питающего напряжения 5 В.

Режим сохранения энергии (Power Save), который реализован только у тех AVR, которые имеют в своем составе систему реального времени. В основном, режим Power Save идентичен Power Down, но здесь допускается независимая работа дополнительного таймера/счетчика RTC. Выход из режима Power Save возможен по прерыванию, вызванному или переполнением таймера/счетчика RTC, или срабатыванием блока сравнения этого счетчика. Ток потребления в этом режиме составляет 6...10 мкА при напряжении питания 5 В на частоте 32,768 кГц.

Режим подавления шума при работе аналого-цифрового преобразователя (ADC Noise Reduction). Как уже отмечалось, в этом режиме останавливается процессорное ядро, но разрешена работа АЦП, двухпроводного интерфейса I2C и сторожевого таймера.

Основной режим ожидания (Standby). Идентичен режиму Power Down, но здесь работа тактового генератора не прекращается. Это гарантирует быстрый выход микроконтроллера из режима ожидания всего за 6 тактов генератора.

Дополнительный режим ожидания (Extended Standby). Идентичен режиму Power Save, но здесь работа тактового генератора тоже не прекращается. Это гарантирует быстрый выход микроконтроллера из режима ожидания всего за 6 тактов генератора.

Микроконтроллеры AVR mega64, mega103 и mega128 имеют еще одну примечательную архитектурную особенность, позволяющую значительно снизить энергопотребление всего кристалла в целом, когда в процессе работы возникают вынужденные паузы ожидания. В этом случае целесообразно уменьшить ток потребления центрального процессора и периферийных устройств как в активном режиме, так и в режиме холостого хода, понизив основную тактовую частоту микроконтроллера. Для этой цели на кристалле размещен специальный предделитель, позволяющий делить основную тактовую частоту на целое число в диапазоне от 2 до 129. Включение/выключение данной функции осуществляется одной короткой командой в программе.

AVR функционируют в широком диапазоне питающих напряжений от 1,8 до 6,0 Вольт. Энергопотребление в активном режиме зависит от величины напряжения питания, от частоты, на которой работает AVR и от конкретного типа микроконтроллера. Подробные спецификации обычно приводятся в оригинальной технической документации Atmel Corp. Температурные диапазоны работы микроконтроллеров AVR - коммерческий (0С...70С) и индустриальный (-40С...+85С). К сожалению, корпорация Atmel не выпускает и не планирует выпускать AVR для работы в автомобильном (-40С...+125С) и военном (-55С...+125С) температурных диапазонах.

Рис. 2: Структурная схема AVR.

С точки зрения программиста AVR представляет собой 8-разрядный RISC микроконтроллер, имеющий быстрый Гарвардский процессор, память программ, память данных, порты ввода/вывода и различные интерфейсные схемы. Структурная схема микроконтроллера приведена на рис. 2. Гарвардская архитектура AVR реализует полное логическое и физическое разделение не только адресных пространств, но и информационных шин для обращения к памяти программ и к памяти данных, причем способы адресации и доступа к этим массивам памяти также различны. Подобное построение уже ближе к структуре цифровых сигнальных процессоров и обеспечивает существенное повышение производительности. Центральный процессор работает одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных; разрядность шины памяти программ расширена до 16 бит. Следующим шагом на пути увеличения быстродействия AVR является использование технологии конвейеризации, вследствие чего цикл "выборка - исполнение" команды заметно сокращен. Например, у микроконтроллеров семейства MCS51 короткая команда выполняется за 12 тактов генератора (1 машинный цикл), в течение которого процессор последовательно считывает код операции и исполняет ее. В PIC-контроллерах фирмы Microchip, где уже реализован конвейер, короткая команда выполняется в течение 8 периодов тактовой частоты (2 машинных цикла). За это время последовательно дешифрируется и считывается код операции, исполняется команда, фиксируется результат и одновременно считывается код следующей операции (одноуровневый конвейер). Поэтому в общем потоке команд одна короткая команда реализуется за 4 периода тактовой частоты или за один машинный цикл. В микроконтроллерах AVR тоже используется одноуровневый конвейер при обращении к памяти программ и короткая команда в общем потоке выполняется, как и в PIC-контроллерах, за один машинный цикл. Главное же отличие состоит в том, что этот цикл у AVR составляет всего один период тактовой частоты. Для сравнения, на рис. 3 приведены временные диаграммы при выполнении типовой команды для различных микроконтроллерных платформ.

Следующая отличительная черта архитектуры микроконтроллеров AVR - регистровый файл быстрого доступа, структурная схема которого показана на рис. 4. Каждый из 32-х регистров общего назначения длиной 1 байт непосредственно связан с арифметико-логическим устройством (ALU) процессора. Другими словами, в AVR существует 32 регистра - аккумулятора (сравните, например, с MCS51). Это обстоятельство позволяет в сочетании с конвейерной обработкой выполнять одну операцию в ALU за один машинный цикл. Так, два операнда извлекаются из регистрового файла, выполняется команда и результат записывается обратно в регистровый файл в течение только одного машинного цикла.

Рис. 3: Сравнительная характеристика некоторых микропроцессорных платформ.

Шесть из 32-х регистров файла могут использоваться как три 16-разрядных указателя адреса при косвенной адресации данных. Один из этих указателей (Z Pointer) применяется также для доступа к данным, записанным в памяти программ микроконтроллера. Использование трех 16-битных указателей (X, Y и Z Pointers) существенно повышает скорость пересылки данных при работе прикладной программы.

Рис. 4: Регистровый файл.

Регистровый файл занимает младшие 32 байта в общем адресном пространстве SRAM AVR. Такое архитектурное решение позволяет получать доступ к быстрой "регистровой" оперативной памяти микроконтроллера двумя путями - непосредственной адресацией в коде команды к любой ячейке и другими способами адресации ячеек SRAM. В технической документации фирмы Atmel это полезное свойство носит название "быстрое контекстное переключение" и является еще одной отличительной особенностью архитектуры AVR, повышающей эффективность работы микроконтроллера и его производительность. Особенно заметно данное преимущество при реализации процедур целочисленной 16-битной арифметики, когда исключаются многократные пересылки между различными ячейками памяти данных при обработке арифметических операндов в ALU.

Система команд AVR весьма развита и насчитывает до 133 различных инструкций. Конкретное количество команд для каждого микроконтроллера того или иного семейства AVR приведено в таблицах 1 - 2. Почти все команды имеют фиксированную длину в одно слово (16 бит), что позволяет в большинстве случаев объединять в одной команде и код операции, и операнд(ы). Лишь немногие команды имеют размер в 2 слова (32 бит) и относятся к группе команд вызова процедуры CALL, длинных переходов в пределах всего адресного пространства JMP, возврата из подпрограмм RET и команд работы с памятью программ LPM. Различают пять групп команд AVR: условного ветвления, безусловного ветвления, арифметические и логические операции, команды пересылки данных, команды работы с битами. В последних версиях кристаллов AVR семейства "mega" реализована функция аппаратного умножения, что придает новым микроконтроллерам еще больше привлекательности с точки зрения разработчика.

По разнообразию и количеству реализованных инструкций AVR больше похожи на CISC, чем на RISC процессоры. Например, у PIC-контроллеров система команд насчитывает до 75 различных инструкций, а у MCS51 она составляет 111. В целом, прогрессивная RISC архитектура AVR в сочетании с наличием регистрового файла и расширенной системы команд позволяет в короткие сроки создавать работоспособные программы с эффективным кодом как по компактности реализации, так и по скорости выполнения.

Корпорация Atmel планирует дальнейшее развитие перспективной линии AVR - микроконтроллеров. Исключение составляет лишь семейство "classic", развитие которого не планируется. Считается, что это семейство функционально сбалансировано и разнообразно представлено. В семействе "tiny" анонсирован очень интересный микроконтроллер - ATtiny26, имеющий в своем составе блок SRAM емкостью 128 байт и модуль USI (Universal Serial Interface). Это означает, что один и тот же периферийный узел связи на кристалле может быть программным образом сконфигурирован для работы в качестве коммуникационных интерфейсов SPI (Master/Slave) или I2C (Master/Slave). Дополнительно USI может быть запрограммирован для работы в качестве полудуплексного UART или 4/12 разрядного счетчика. Но наиболее интересные решения реализованы в семействе "mega", где анонсирован и начат серийный выпуск целого ряд кристаллов, которые будут выпускаться по технологии 0,35 мкм. Объем Flash-памяти программ с функциями ISP и SPM у новых "mega" будет варьироваться от 8 до 128 килобайт, а выпускаться они будут в корпусах MLF, DIP и TQFP с количеством выводов от 32 до 64. Все новые микроконтроллеры семейства "mega" будут иметь JTAG - интерфейс (за исключением mega8), аппаратный умножитель 8х8, дающий 16-разрядный результат, схему защиты от сбоев, двухпроводной последовательный интерфейс, аналого-цифровой преобразователь (за исключением ATmega162) и ряд других аппаратных особенностей (см. таблицу 3). Помимо этого, вдвое будет повышена скорость работы всех периферийных узлов (SPI, PWM, UART и др.), улучшена работа схемы тактирования и упрощен доступ к внешней памяти данных.

Улучшенная RISC (enhanced RISC) архитектура AVR-микроконтроллеров (рис. 2) объединяет в себе комплекс решений, направленных на повышение быстродействия микропроцессорного ядра AVR.

Арифметико-логическое устройство (ALU), в котором выполняются все вычислительные операции, имеет доступ к 32-м оперативным регистрам, объединенным в регистровый файл. Выборка содержимого регистров, выполнение операции и запись результата обратно в регистровый файл выполняются за один машинный цикл. Для сравнения полезно вспомнить, что большинство встраиваемых микроконтроллеров имеют только один такой регистр, непосредственно доступный ALU, - аккумулятор, что требует включения в программу дополнительных команд его загрузки и считывания.

Основной идеей всех RISC (Reduced Instruction Set Computer), как известно, является увеличение быстродействия за счет сокращения количества операций обмена с памятью программ. Для этого каждую команду стремятся уместить в одну ячейку памяти программ. При ограниченной разрядности ячейки памяти это неизбежно приводит к сокращению набора команд микропроцессора.

У AVR-микроконтроллеров в соответствии с этим принципом практически все команды (исключая те, у которых одним из операндов является 16-разрядный адрес) также упакованы в одну ячейку памяти программ. Но сделать это удалось не за счет сокращения количества команд процессора, а путем расширения ячейки памяти программ до 16 разрядов. Такое решение является причиной богатства системы команд AVR по сравнению с другими RISC-микроконтроллерами.

Организация памяти AVR выполнена по схеме Гарвардского типа, в которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но также и шины доступа к ним.

Вся программная память AVR-микроконтроллеров выполнена по технологии FLASH и размещена на кристалле. Она представляет собой последовательность 16-разрядных ячеек и имеет емкость от 512 слов до 64K слов в зависимости от типа кристалла.

Во FLASH-память, кроме программы, могут быть записаны постоянные данные, которые не изменяются во время функционирования микропроцессорной системы. Это различные константы, таблицы знакогенераторов, таблицы линеаризации датчиков и т. п.

Достоинством технологии FLASH является высокая степень упаковки, а недостатком то, что она не позволяет стирать отдельные ячейки. Поэтому всегда выполняется полная очистка всей памяти программ. При этом для AVR гарантируется, как минимум, 1000 циклов перезаписи FLASH-памяти.

Кроме того, для хранения данных AVR-микроконтроллеры могут иметь, в зависимости от типа кристалла, внутреннюю (от 0 до 4K байт) и внешнюю (от 0 до 64 Кбайт) оперативную SRAM память и энергонезависимую внутреннюю EEPROM память (от 0 до 4K байт).

Разделение шин доступа (рис. 2) к FLASH памяти и SRAM памяти дает возможность иметь шины данных для памяти данных и памяти программ различной разрядности а также использовать технологию конвейеризации. Конвейеризация заключается в том, что во время исполнения текущей команды программный код следующей уже выбирается из памяти и дешифрируется.

Для сравнения вспомним, что у микроконтроллеров семейства MCS-51 выборка кода команды и ее исполнение осуществляются последовательно, что занимает один машинный цикл, который длится 12 периодов кварцевого резонатора.

В случае использования конвейера приведенную длительность машинного цикла можно сократить. Например, у PIC-микроконтроллеров фирмы Microchip за счет использования конвейера удалось уменьшить длительность машинного цикла до 4 периодов кварцевого резонатора. Длительность же машинного цикла AVR составляет один период кварцевого резонатора. Таким образом, AVR способны обеспечивать заданную производительность при более низкой тактовой частоте. Именно эта особенность архитектуры и позволяет AVR-микроконтроллерам иметь наилучшее соотношение энергопотребление/производительность, так как потребление КМОП микросхем, как известно, определяется их рабочей частотой.

EEPROM блок электрически стираемой памяти AVR предназначен для хранения энергонезависимых данных, которые могут изменяться непосредственно на объекте. Это калибровочные коэффициенты, различные уставки, конфигурационные параметры системы. EEPROM-память имеет меньшую, по сравнению с FLASH, емкость (до 4К байт), но при этом допускает возможность побайтной перезаписи ячеек, которая может происходить как под управлением внешнего процессора, так и под управлением собственно AVR-микроконтроллера во время его работы по программе.

Как было сказано ранее микроконтроллеры AVR представляют собой восьми разрядные RISC-микроконтроллеры с Гарвардской архитектурой и пониженным энергопотреблением. Набор команд, ограниченность которого свойственна RISC-архитектурам тем не менее необычно широк (120 команд), однако при этом сохранено основное преимущество RISC-архитектур повышенное быстродействие и сокращенное число операций обмена с памятью программ. Почти все команды размещаются в одной ячейке программной памяти и выполняются за один такт синхросигнала.Доступ к памяти данных и памяти программ осуществляется по разным шинам (по собственным шинам этих модулей), поэтому можно не только сделать различными разрядности этих шин, но и реализовать параллельное выполнение текущей команды и выборку и дешифрацию следующей.

На рис. 2.6 представлена структурная схема микроконтроллера АТ90S8515. Многие блоки по назначению аналогичны рассмотренным ранее блокам микроконтроллера и имеют такое же назначение. В памяти ЭСППЗУ (EEPROM) хранятся редко изменяемые данные (калибровочные константы и т. п.), Указатель стека используется для организации стека в некоторой области памяти Аппаратного Стека (SRAM). Микроконтроллер имеет 32 программно доступных регистра общего назначения (РОН), которые объединены в регистровый файл. В отличие от ранее

рассмотренного микроконтроллера здесь АЛУ способно выполнять операции над содержимым любой пары РОН, т. е. все регистры непосредственно доступны для АЛУ и регистр – аккумулятор не требуется. Регистр состояния аналогичен рассмотренному ранее регистру PSW и выполняет те же функции.

Структура портов ввода – вывода немного отличается от предыдущего микроконтроллера.Порт представляет собою набор из восьми линий. Каждая из восьми линий любого порта конфигурируется как входная или выходная индивидуально с помощью управляющего слова, загружаемого в регистр направления передачи. Каждый бит этого слова задает конфигурацию своей линии. Вводимые или выводимые данные поступают в регистр данных. Входные и выходные сигналы проходят через буферные каскады (драйверы).

Последовательный SPI (Serial Peripheral Interface) периферийный канал применяется как для программирования микроконтроллера в последовательном режиме, так и для обмена данными с периферийными устройствами или между микроконтроллерами, если они работают в системе. Протокол обмена для SPI предусматривает работу в режиме либо ведущего (master), либо ведомого (slave).

Асинхронный последовательный интерфейс между микроконтроллером и внешними устройствами обеспечивается рассмотренным ранее блоком UART.

Кроме этого в рассматриваемом микроконтроллере имеется аналоговый компаратор напряжения, подключенный к двум специально выделеным линиям порта В. Компаратор позволяет реализовывать ряд достаточно необходимых функций,

например, служить формирователем при измерении длительности или частоты следования импульсов входного сигнала, служить в качестве элемента простейшего АЦП с обратным интегрированием и т. п.

Рис. 2.6. Структурная схема микроконтроллера AVR

Организация памяти и функционирование микроконтроллера AVR.

Согласно Гарвардской архитектуре, адресные пространства (АП) для памяти программ и памяти данных разделены. Память данных организована линейно и имеет два адресных пространства. В первом находятся адреса регистровой памяти и адреса статического ЗУ (SRAM). Во втором размещены адреса энергонезависимой

репрограммируемой памяти (EEPROM). Кроме того, возможно подключение к микроконтроллеру внешнего ОЗУ, для которого шины адреса и мультитиплексируемая шина адресов/данных организуется с помощью портов ввода/вывода РА и РС . Линии этих портов формируют 16-разрядные адреса для работы с внешней памятью больших объемов.

Распределение адресного пространства иллюстрируется рис. 2.7.

В регистровой области памяти размещены адреса регистров общего назначения РОН (32 адреса) и регистров ввода/вывода РВВ (64 адреса для адресации 64 байтов памяти). Соответственно общая емкость регистровой памяти составляет 96 байтов. Для адресов статической памяти отведены следующие 512 адресов. Подключение внешнего ОЗУ, как уже отмечалось, может довести емкость до 64 Кбайт. Обращение к внешнему ОЗУ увеличивает время выполнения команды на 1-2 такта для каждого обрабатываемого байта.

В пространстве РВВ размещаются операнды, служебные регистры микроконтроллера и регистры, относящиеся к внешним устройствам. В их числе 12 регистров для работы с портами ввода/вывода (для каждого порта предусмотрены регистр данных, регистр направления данных и регистр выводов. Имеется также регистр – указатель стека.

Энергонезависимая память EEPROM, рассчитана на хранение редко изменяемых данных и имеет длительные операции записи, отличающиеся особым алгоритмом. Доступ к ней производится посредством трех регистров РВВ.

Программы, хранятся во флэш-памяти, а ее разрядность соответствует формату команд и составляет два байта.

Повышению производительности микроконтроллера способствует выполнение почти всех команд за один такт. Такая возможность – следствие конвейерной обработки

информации и непосредственного подключения АЛУ ко всем РОН. В нормальном режиме работы конвейера параллельно выполнению текущей команды происходит выборка и декодирование следующей. При нарушении последовательного

следования команд, например при появлении команды условного перехода, в работе конвейера возникает разрыв и время выполнения команды увеличивается до 2-4 тактов.

Начало выполнения программы инициируется сигналом сброса, после которого микроконтроллер обращается к стартовому адресу программы.

Рис. 2.6. Адресные пространства микроконтроллера AVR

В ходе выполнения программы микроконтроллер выполняет команду за командой, пока не дойдет до команды останова. Большая часть микропрограмм построена так, что определенный набор микрокоманд выполняется циклически, т. е. необходимость в команде останова отпадает.

Все множество команд, выполняемых микроконтроллером, можно разбить на следующие группы:

● команды пересылки данных;

● команды арифметических сдвигов;

● команды логических операций;

● команды операций с битами;

● команды передачи управления;

● команды управления системой.

Сопоставляя перечисленные группы команд с рассмотренными в предыдущей главе для CISC процессоров, можно отметить их большое сходство. Специфичная группа команд операций с битами содержит команды установки и сброса заданного разряда в регистре РОН или РВВ. Для удобства программирования задействованным разрядам регистров РВВ присваиваются символические имена, определение которых дается в специальном файле, подключаемом вначале программы.

Итак, камрад, прежде чем ты начнешь работать с контроллером, то неплохо бы тебе узнать что у него внутри.
Поэтому дам тебе краткий ликбез по архитектуре контроллера AVR .

Основой любого микроконтроллера является вычислительное ядро. Во всех моделях AVR оно практически одинаковое и это большой плюс. Именно единство архитектуры обеспечивает легкую переносимость кода.

Итак, что же у нас в основе микроконтроллера, взгляни на диаграмму:

Ядро состоит, в первую очередь, из памяти программ (Flash Programm Memory) и Арифметико-логического устройства (ALU), блока управления (на диаграмме не показан) и программного счетчик (Program Counter). Также есть тактовый генератор, задающий импульсы относительно которых работают блоки микроконтроллера. Тактовый генератор можно сравнить с маятником и собачкой в будильнике: маятник туда сюда, собачка тикает по одному зубчику — шестеренки крутятся. Встала собачка — встал весь будильник.

При старте микроконтроллера значение программного счетчика равно 0000 — это адрес первой команды в нашей flash ROM. Микроконтроллер хватает оттуда два байта (код команды и ее аргументы) и отдает на выполнение в декодер команд (Instruction Decoder).

А дальнейшая судьба зависит от команды. Если это просто команда работы с какими-либо действиями, то они будут выполнены, а на следующем такте значение программного счетчика будет увеличено и из следующей пары ячеек памяти будут взяты еще два байта команды и также отправлены на выполнение.

Все интересней становится когда встречается команда перехода. В этом случае в Программный счетчик загружается адрес указанный в команде (абсолютный переход) или его значение увеличивается не на 1, а на столько сколько нужно и на следующем такте микроконтроллер возьмет команду уже с нового адреса.

Декодер команд загребает команду и скармливает ее логике блока управления, который уже пинает все остальные блоки, заставляя их делать нужные действия в нужном порядке.

Вся математика и обработка делается посредством ALU. Это, своего рода, калькулятор. Он может складывать, вычитать, сравнивать, сдвигать разными способами, иногда делить и умножать (это считается круто, встречается редко).

В качестве промежуточных операндов используются 32 ячейки — Оперативные регистры общего назначения РОН. Доступ к этим ячейкам самый быстрый, а число операций с их содержимым наиболее богатое. В ассемблере регистры эти называются просто R0,R1,R2 … R31. Причем делятся они на три группы:

Младшие R0..R15
Обычные регистры общего назначения, но какие то ущербные. С ними не работают многие команды, например, такие как загрузка непосредственного числа. Т.е. нельзя, например, взять и присвоить регистру число. Зато можно скопировать число из любого другого регистра.

Старшие R16..R31
Полноценные регистры, работающие со всеми командами без исключения.

Индексные R26…R31
Шесть последних регистров из старшей группы особенные. В принципе, их можно юзать и как обычные регистры общего назначения. Но, кроме этого, они могут образовывать регистровые пары X(R26:R27), Y(R28,R29), Z(R30:R31) которые используются как указатели при работе с памятью.

ОЗУ
Кроме 32 регистров в микроконтроллере есть оперативная память. Правда не везде — в младших семействах AVR Tiny12 и Tiny11 оперативной памяти нет, так что приходиться вертеться в 32 ячейках.

Оперативная память это несколько сотен ячеек памяти. От 64 байт до 4килобайт, в зависимости от модели. В этих ячейках могут храниться любые данные, а доступ к ним осуществляется через команды Load и Store.

То есть нельзя взять, например, и прибавить к ячейке в памяти, скажем, единицу. Нам сначала сделать операцию Load из ОЗУ в РОН, потом в регистре прибавить нашу единицу и операцией Store сохранить ее обратно в память. Только так.

EEPROM
Долговременная память. Память которая не пропадает после выключения питания. Если Flash может содержать только код и константы, а писать в нее при выполнении ничего нельзя (Это память Read Only), то в ЕЕПРОМ можно сколько угодно писать и читать. Но в качестве оперативки ее особо не поюзаешь. Дело в том, что цикл записи в EEPROM длится очень долго — миллисекунды. Чтение тоже не ахти какое быстрое. Да и число циклов перезаписи всего 100 000, что не очень много в масштабах работы оперативной памяти. ЕЕПРОМ используется для сохранения всяких настроек, предустановок, собранных данных и прочего барахла, что может потребоваться после включения питания и в основном на чтение. Эта память есть не во всех моделях AVR, но в подавляющем их большинстве.

Периферия
Периферия это внутренний фарш микроконтроллера. То что делает его таким универсальным. ALU, RAM, FLASH и Блок управления это как в компе Мать, Проц, Память, Винт — то без чего комп даже не запустится толком. То периферия это уже как сетевуха, видяха, звуковая карта и прочие прибамбасы. Они могут быть разными, разной степени крутости и навороченности, а также комбинироваться в разном порядке.

Именно по наличию на кристалле той или иной периферии происходит выбор микроконтроллера под задачу.

Периферии всякой придумано великое множество, всего я наверное даже не опишу. Но дам основной набор присутствующий почти во всех AVR, а также в других современных контроллерах.

• Порты ввода вывода — то без чего невозможно взаимодействие контроллера с внешним миром. Именно порты обеспечивают то самое «ножкодрыгательство» управляющее другими элементами схемы. Захотели получить на выводе единичку, дали приказ соответствующему порту — получите, распишитесь. Захотели узнать какой там сигнал на входе? Спросили у соответствующего порта — получили. Почти все выводы микроконтроллера могут работать в режиме портов ввода-вывода.
• UART/USART приемопередатчик — последовательный порт. Работает по тому же асинхронному протоколу что и древние диалапные модемы. Старый как мир, надежный и простой как кувалда. Подходит для связи с компьютером и другими контроллерами.
• Таймеры/счетчики — задача таймеров отсчитывать тики. Сказал ему отсчитать 100 тактов процессора — он приступит и как досчитает подаст сигнал. Им же можно подсчитывать длительность входных сигналов, подсчитывать число входных импульсов. Да много чего умеет таймер, особенно в AVR. Подробное описание функций таймера занимает добрых три десятка страниц в даташите. При том, что таймеров самих существует несколько видов и фарш у них разный.
• АЦП — аналоговый вход. Есть не у всех микроконтроллеров, но вещь полезная. Позволяет взять и замерить аналоговый сигнал. АЦП это своеобразный вольтметр.
• I2C(TWI) интерфейс — последовательная шина IIC. Через нее осуществляется связь с другими устройствами. На IIC можно организовать своеобразную локальную сеть из микроконтроллеров в пределах одного устройства.
• SPI — еще один последовательный протокол, похожа на IIC, но не позволяет организовывать сети. Работает только в режиме Мастер-Ведомый. Зато ОЧЕНЬ быстрая.
• Аналоговый Компаратор — еще один аналоговый интерфейс. Но, в отличии от АЦП, он не замеряет, а сравнивает два аналоговых сигнала, выдавая результат А>B или A
• JTAG/DebugWire — средство отладки, позволяет заглянуть в мозги контроллера с помощью специального адаптера, например такого, какой встроен в мою демоплату . Иной раз без него как без рук.
• PWM — ШИМ генератор. Вообще это не отдельный блок, а дополнительная функция таймера, но тоже полезная. С помощью ШИМ генератора легко задать аналоговый сигнал. Например, менять яркость свечения светодиода или скорость вращения двигателя. Да мало ли куда его применить можно. Число каналов ШИМ разное от контроллера к контроллеру.

Еще бывают встроенные USB, Ethernet интерфейсы, часы реального времени, контроллеры ЖКИ дисплеев. Да чего там только нет, моделей микроконтроллеров столько, что задолбаешься только перечислять.