Вредоносное ПО (malware) - это назойливые или опасные программы,...
|
CISC и RISC
|
Сердцем микроконтроллеров AVR является 8-битное микропроцессорное ядро или центральное процессорное устройство (ЦПУ), построенное на принципах RISC-архитектуры. Основой этого блока служит арифметико-логическое устройство (АЛУ). По системному тактовому сигналу из памяти программ в соответствии с содержимым счетчика команд (Program Counter - PC) выбирается очередная команда и выполняется АЛУ. Во время выбора команды из памяти программ происходит выполнение предыдущей выбранной команды, что и позволяет достичь быстродействия 1 MIPS на 1 МГц.
АЛУ подключено к регистрам общего назначения РОН (General Purpose Registers - GPR). Регистров общего назначения всего 32, они имеют байтовый формат, то есть каждый из них состоит из восьми бит. РОН находятся в начале адресного пространства оперативной памяти, но физически не являются ее частью. Поэтому к ним можно обращаться двумя способами (как к регистрам и как к памяти). Такое решение является особенностью AVR и повышает эффективность работы и производительность микроконтроллера.
Отличие между регистрами и оперативной памятью состоит в том, что с регистрами можно производить любые операции (арифметические, логические, битовые), а в оперативную память можно лишь записывать данные из регистров.
| Память |
|
Фоннеймановская и гарвардская архитектура
|
В микроконтроллерах AVR реализована Гарвардская архитектура, в соответствии с которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но и шины доступа к ним. Каждая из областей памяти данных (оперативная память и EEPROM) также расположена в своем адресном пространстве.
Память программ (Flash ROM или Flash ПЗУ)
Память программ предназначена для хранения последовательности команд, управляющих функционированием микроконтроллера, и имеет 16-ти битную организацию. Все AVR имеют Flash-память программ, которая может быть различного размера - от 1 до 256 КБайт. Ее главное достоинство в том, что она построена на принципе электрической перепрограммируемости, т. е. допускает многократное стирание и запись информации. Программа заносится во Flash-память AVR как с помощью обычного программатора, так и с помощью SPI-интерфейса, в том числе непосредственно на собранной плате. Возможностью внутрисхемного программирования (функция ISP) через коммуникационный интерфейс SPI обладают все микроконтроллеры AVR, кроме Tiny11 и Tiny28.
Все микроконтроллеры семейства Mega имеют возможность самопрограммирования, т. е. самостоятельного изменения содержимого своей памяти программ. Эта особенность позволяет создавать на их основе очень гибкие системы, алгоритм работы которых будет меняться самим микроконтроллером в зависимости от каких-либо внутренних условий или внешних событий.
Гарантированное число циклов перезаписи Flash-памяти у микроконтроллеров AVR второго поколения составляет не менее 10 тыс. циклов при типовом значении 100 тыс. циклов. (В официальной технической документации Atmel Corp. указывается значение 10 тыс. циклов.)
Память данных
Память данных разделена на три части: регистровая память, оперативная память (ОЗУ - оперативное запоминающее устройство или RAM) и энергонезависимая память (ЭСППЗУ или EEPROM).
Регистровая память (РОН и РВВ)
Регистровая память включает 32 регистра общего назначения (РОН или GPR), объединенных в файл, и служебные регистры ввода/вывода (РВВ). И те и другие расположены в адресном пространстве ОЗУ, но не являются его частью.
В области регистров ввода/вывода расположены различные служебные регистры (регистры управления микроконтроллером, регистры состояния и т. п.), а также регистры управления периферийными устройствами, входящими в состав микроконтроллера. По сути, управление микроконтроллером заключается в управлении этими регистрами.
Энергонезависимая память данных (EEPROM)
Для долговременного хранения различной информации, которая может изменяться в процессе функционирования микроконтроллерной системы, используется EEPROM-память. Все AVR имеют блок энергонезависимой электрически перезаписываемой памяти данных EEPROM от 64 Байт до 4 КБайт. Этот тип памяти, доступный программе микроконтроллера непосредственно в ходе ее выполнения, удобен для хранения промежуточных данных, различных констант, коэффициентов, серийных номеров, ключей и т.п. EEPROM может быть загружена извне как через SPI интерфейс, так и с помощью обычного программатора. Число циклов стирание/запись - не менее 100 тыс.
Оперативная память (ОЗУ или RAM)
Внутренняя оперативная статическая память Static RAM (SRAM) имеет байтовый формат и используется для оперативного хранения данных.
Размер оперативной памяти может варьироваться у различных чипов от 64 Байт до 4 КБайт. Число циклов чтения и записи в RAM не ограничено, но при отключении питающего напряжения вся информация теряется.
Для некоторых микроконтроллеров возможна организация подключения внешнего статического ОЗУ объемом до 64К.
| Периферия |
Периферия микроконтроллеров AVR включает: порты (от 3 до 48 линий ввода и вывода), поддержку внешних прерываний, таймеры-счетчики, сторожевой таймер, аналоговые компараторы, 10-разрядный 8-канальный АЦП, интерфейсы UART, JTAG и SPI, устройство сброса по понижению питания, широтно-импульсные модуляторы.
Порты ввода/вывода (I/O)
Порты ввода/вывода AVR имеют число независимых линий "вход/выход" от 3 до 53. Каждая линия порта может быть запрограммирована на вход или на выход. 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).
Архитектурная особенность построения портов ввода/вывода у AVR заключается в том, что для каждого физического вывода (пина) существует 3 бита контроля/управления, а не 2, как у распространенных 8-разрядных микроконтроллеров (Intel, Microchip, Motorola и т.д.). Это позволяет избежать необходимости иметь копию содержимого порта в памяти для безопасности и повышает скорость работы микроконтроллера при работе с внешними устройствами, особенно в условиях внешних электрических помех.
Прерывания (INTERRUPTS)
Система прерываний - одна из важнейших частей микроконтроллера. Все микроконтроллеры AVR имеют многоуровневую систему прерываний. Прерывание прекращает нормальный ход программы для выполнения приоритетной задачи, определяемой внутренним или внешним событием.
Для каждого такого события разрабатывается отдельная программа, которую называют подпрограммой обработки запроса на прерывание (для краткости - подпрограммой прерывания), и размещается в памяти программ.
При возникновении события, вызывающего прерывание, микроконтроллер сохраняет содержимое счетчика команд, прерывает выполнение центральным процессором текущей программы и переходит к выполнению подпрограммы обработки прерывания.
После выполнения подпрограммы прерывания осуществляется восстановление предварительно сохраненного счетчика команд и процессор возвращается к выполнению прерванной программы.
Для каждого события может быть установлен приоритет. Понятие приоритет означает, что выполняемая подпрограмма прерывания может быть прервана другим событием только при условии, что оно имеет более высокий приоритет, чем текущее. В противном случае центральный процессор перейдет к обработке нового события только после окончания обработки предыдущего.
Таймеры/счетчики (TIMER/COUNTERS)
Микроконтроллеры AVR имеют в своем составе от 1 до 4 таймеров/счетчиков с разрядностью 8 или 16 бит, которые могут работать и как таймеры от внутреннего источника тактовой частоты, и как счетчики внешних событий.
Их можно использовать для точного формирования временных интервалов, подсчета импульсов на выводах микроконтроллера, формирования последовательности импульсов, тактирования приемопередатчика последовательного канала связи. В режиме ШИМ (PWM) таймер/счетчик может представлять собой широтно-импульсный модулятор и используется для генерирования сигнала с программируемыми частотой и скважностью. Таймеры/счетчики способны вырабатывать запросы прерываний, переключая процессор на их обслуживание по событиям и освобождая его от необходимости периодического опроса состояния таймеров. Поскольку основное применение микроконтроллеры находят в системах реального времени, таймеры/счетчики являются одним из наиболее важных элементов.
Сторожевой таймер (WDT)
Сторожевой таймер (WatchDog Timer) предназначен для предотвращения катастрофических последствий от случайных сбоев программы. Он имеет свой собственный RC-генератор, работающий на частоте 1 МГц. Как и для основного внутреннего RC-генератора, значение 1 МГц является приближенным и зависит прежде всего от величины напряжения питания микроконтроллера и от температуры.
Идея использования стоpожевого таймеpа предельно проста и состоит в pегуляpном его сбpасывании под упpавлением пpогpаммы или внешнего воздействия до того, как закончится его выдеpжка вpемени и не пpоизойдет сбpос пpоцессоpа. Если пpогpамма pаботает ноpмально, то команда сбpоса стоpожевого таймеpа должна pегуляpно выполняться, пpедохpаняя поцессоp от сбpоса. Если же микpопpоцессоp случайно вышел за пpеделы пpогpаммы (напpимеp, от сильной помехи по цепи питания) либо зациклился на каком-либо участке пpогpаммы, команда сбpоса стоpожевого таймеpа скоpее всего не будет выполнена в течение достаточного вpемени и пpоизойдет полный сбpос пpоцессоpа, инициализиpующий все pегистpы и пpиводящий систему в pабочее состояние.
Аналоговый компаратор (AC)
Аналоговый компаратор (Analog Comparator) сравнивает напряжения на двух выводах (пинах) микроконтроллера. Результатом сравнения будет логическое значение, которое может быть прочитано из программы.
Выход аналогового компаратора можно включить на прерывание от аналогового компаратора. Пользователь может установить срабатывание прерывания по нарастающему или спадающему фронту или по переключению.
Присутствует у всех современных AVR, кроме Mega8515
Аналого-цифровой преобразователь (A/D CONVERTER)
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) служит для получения числового значения напряжения, поданного на его вход. Этот результат сохраняется в регистре данных АЦП. Какой из выводов (пинов) микроконтроллера будет являться входом АЦП, определяется числом, занесенным в соответствующий регистр.
Универсальный последовательный приемопередатчик (UART или USART)
Универсальный асинхронный или универсальный синхронно/асинхронный приемопередатчик (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter - UART или USART) - удобный и простой последовательный интерфейс для организации информационного канала обмена микроконтроллера с внешним миром. Способен работать в дуплексном режиме (одновременная передача и прием данных). Он поддерживает протокол стандарта RS-232, что обеспечивает возможность организации связи с персональным компьютером. (Для стыковки МК и компьютера обязательно понадобится схема сопряжения уровней сигналов. Для этого существуют специальные микросхемы, например MAX232.)
Последовательный периферийный интерфейс SPI
Последовательный периферийный трехпроводный интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface) предназначен для организации обмена данными между двумя устройствами. С его помощью может осуществляться обмен данными между микроконтроллером и различными устройствами, такими, как цифровые потенциометры, ЦАП/АЦП, FLASH-ПЗУ и др. С помощью этого интерфейса удобно производить обмен данными между несколькими микроконтроллерами AVR.
Кроме того, через интерфейс SPI может осуществляться программирование микроконтроллера.
Двухпроводной последовательный интерфейс TWI
Двухпроводной последовательный интерфейс TWI (Two-wire Serial Interface) является полным аналогом базовой версии интерфейса I2C (двухпроводная двунаправленная шина) фирмы Philips. Этот интерфейс позволяет объединить вместе до 128 различных устройств с помощью двунаправленной шины, состоящей из линии тактового сигнала (SCL) и линии данных (SDA).
Интерфейс JTAG
Интерфейс JTAG был разработан группой ведущих специалистов по проблемам тестирования электронных компонентов (Joint Test Action Group) и был зарегистрирован в качестве промышленного стандарта IEEE Std 1149.1-1990. Четырехпроводной интерфейс JTAG используется для тестирования печатных плат, внутрисхемной отладки, программирования микроконтроллеров.
Многие микроконтроллеры семейства Mega имеют совместимый с IEEE Std 1149.1 интерфейс JTAG или debugWIRE для встроенной отладки. Кроме того, все микроконтроллеры Mega с флэш-памятью емкостью 16 кбайт и более могут программироваться через интерфейс JTAG.
Тактовый генератор вырабатывает импульсы для синхронизации работы всех узлов микроконтроллера. Внутренний тактовый генератор AVR может запускаться от нескольких источников опорной частоты (внешний генератор, внешний кварцевый резонатор, внутренняя или внешняя RC-цепочка). Минимальная допустимая частота ничем не ограничена (вплоть до пошагового режима). Максимальная рабочая частота определяется конкретным типом микроконтроллера и указывается Atmel в его характеристиках, хотя практически любой AVR-микроконтроллер с заявленной рабочей частотой, например, в 10 МГц при комнатной температуре легко может быть "разогнан" до 12 МГц и выше.
Система реального времени (RTC)
RTC реализована во всех микроконтроллерах Mega и в двух кристаллах "classic" - AT90(L)S8535. Таймер/счетчик RTC имеет отдельный предделитель, который может быть программным способом подключен или к источнику основной тактовой частоты, или к дополнительному асинхронному источнику опорной частоты (кварцевый резонатор или внешний синхросигнал). Для этой цели зарезервированы два вывода микросхемы. Внутренний осциллятор оптимизирован для работы с внешним "часовым" кварцевым резонатором 32,768 кГц.
| Питание |
AVR функционируют при напряжениях питания от 1,8 до 6,0 Вольт. Ток потребления в активном режиме зависит от величины напряжения питания и частоты, на которой работает микроконтроллер, и составляет менее 1 мА для 500 кГц,5 ... 6 мА для 5 МГц и 8 ... 9 мА для частоты 12 МГц.
AVR могут быть переведены программным путем в один из трех режимов пониженного энергопотребления.
Режим холостого хода (IDLE).
Прекращает работу только процессор и фиксируется содержимое памяти данных, а внутренний генератор синхросигналов, таймеры, система прерываний и сторожевой таймер продолжают функционировать. Ток потребления не превышает 2,5 мА на частоте 12 МГц.
Стоповый режим (POWER DOWN).
Сохраняется содержимое регистрового файла, но останавливается внутренний генератор синхросигналов, и, следовательно, останавливаются все функции, пока не поступит сигнал внешнего прерывания или аппаратного сброса. При включенном сторожевом таймере ток потребления в этом режиме составляет около 80 мкА, а при выключенном - менее 1 мкА. (Все приведенные значения справедливы для напряжения питания 5 В).
Экономичный режим (POWER SAVE).
Продолжает работать только генератор таймера, что обеспечивает сохранность временной базы. Все остальные функции отключены.
Сброс при снижении напряжения питания (BOD)
Схема BOD (Brown-Out Detection$WinAVR = ($_GET["avr"]); if($WinAVR) include($WinAVR);?>) отслеживает напряжение источника питания. Если схема включена, то при снижении питания ниже некоторого значения она переводит микроконтроллер в состояние сброса. Когда напряжение питания вновь увеличится до порогового значения, запускается таймер задержки сброса. После формирования задержки внутренний сигнал сброса снимается и происходит запуск микроконтроллера.
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.
Взаимодействие ядра с периферией
Ядро одно на всех, периферия разная. Общение между ними происходит через память. Т.е. у периферии есть свои ячейки памяти — регистры периферии. У каждого периферийного устройства их не по одной штуки. В этих регистрах находятся биты конфигурации. В зависимости от того как эти биты выставлены в таком режиме и работает периферийное устройство. В эти же регистры нужно записывать данные которые мы хотим выдать, например, по последовательному порту, или считывать данные которые обработал АЦП. Для работы с периферией есть специальные команды IN и OUT для чтения из периферии в регистр РОН и записи из регистра РОН в периферию соответственно.
Поскольку ядро одинаковое, а периферия разная, то при переносе кода на другую модель микроконтроллера надо только подправить эти обращения так как название периферийных регистров от модели к модели может чуток отличаться. Например, если в контроллере один приемопередатчик UART то регистр прием данных зовется UDR, а если два, то у нас есть уже UDR0 и UDR1. Но, в целом, все прозрачно и логично. И, как правило, портирование кода с одного МК на другой, даже если он написан на ассемблере, не составляет большого труда. Особенно если он правильно написан.
Как узнать что есть в конкретном микроконтроллере?
Для этого на каждый МК есть даташит — техническая документация. И вот там, прям на первой странице, написано что почем и как. Вот тебе пример, даташит на Мегу16 с моим закадровым переводом:) Жирным шрифтом помечены опции которые я гляжу в первую очередь, как наиболее интересные для меня, остальное, как правило, присутствует по дефолту.
Features
(фичи!)
High-performance, Low-power AVR® 8-bit Microcontroller
(понтовая экономичная архитектура AVR)
Advanced RISC Architecture
(просто офигенная вещь для рисковых чуваков!)
– 131 Powerful Instructions – Most Single-clock Cycle Execution
(131 крутая и быстрая команда!)
– 32 x 8 General Purpose Working Registers
(32 восьми разрядных регистра — те самые R0…R31)
– Fully Static Operation
(Полностью статические операции, т.е. тактовая частота может быть хоть 1 импульс в год)
– Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz
(скорость выполнения до 16миллионов операций в секунду!)
– On-chip 2-cycle Multiplier
(а числа умеем множить за два такта! Это правда круто, народ!)
High Endurance Non-volatile Memory segments
– 16K Bytes of In-System Self-programmable Flash program memory
(памяти хватит набыдлокодить на 16кб кода)
– 512 Bytes EEPROM 8-bit
(и нажрать на века 512 байт мусора в ЕЕПРОМ)
– 1K Byte Internal SRAM
(оперативки 1кб, кому там 2Гигабайт не хватает? Программировать не умеете! =) Тут и 64 байтов за глаза хватает. Помните Билла Гейтса и его «640кб хватит всем!» он знал о чем говорил:)
– Write/Erase Cycles: 10,000 Flash/100,000 EEPROM Microcontroller
(перешивать флеш можно 10тыщь раз, еепром 100тыщь раз. Так что можешь не бояться экспериментировать)
– Data retention: 20 years at 85°C/100 years at 25°C(1)
(Если законсервируешь свой будильник на AVR, то твоих правнуков он еще и через 100 лет порадует)
– Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits
In-System Programming by On-chip Boot Program
True Read-While-Write Operation
(поддержка бутлоадеров. Удобная вещь, позволяет прошиваться без программаторов)
– Programming Lock for Software Security In-System
(если жадный и умный, то можешь закрыть от посторонних прошивку и фиг кто выкрадет твои секреты)
JTAG (IEEE std. 1149.1 Compliant) Interface
– Boundary-scan Capabilities According to the JTAG Standard Programmable
– Extensive On-chip Debug Support
– Programming of Flash, EEPROM, Fuses, and Lock Bits through the JTAG Interface Flash
(Отладочный интерфейс JTAG и его фичи)
Peripheral Features
(А вот, собственно и периферия пошла)
– Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Modes
(два таймера 8ми разрядных, с кучей всяких режимов разных.
– One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, Compare Mode, and Capture Mode ATmega16
(один 16ти разрядный таймер счетчик, с кучей всяких примочек и фишек)
– Real Time Counter with Separate Oscillator
(таймер может тикать от отдельного генератора, удобно если хочешь сделать часы)
– Four PWM Channels ATmega16L
(Четыре ШИМ канала — на тех же таймерах)
– 8-channel, 10-bit ADC
(восьмиканальный 10ти разрядный АЦП. Фичи его ниже)
8 Single-ended Channels
(можно замерять по очереди сразу 8 разных напряжений)
7 Differential Channels in TQFP Package Only
(7 дифференциальных каналов. Правда только в корпусе TQFP т.к. ног у него больше)
2 Differential Channels with Programmable Gain at 1x, 10x, or 200x
(два дифференциальных канала с программируемым усилением)
– Byte-oriented Two-wire Serial Interface
(Поддержка IIC с аппаратным кодированием байтов)
– Programmable Serial USART
(Последовательный интерфейс. Удобен для связи с компом)
– Master/Slave SPI Serial Interface
(SPI интерфейс, пригодится)
– Programmable Watchdog Timer with Separate On-chip Oscillator
(Спец таймер защиты от зависаний)
– On-chip Analog Comparator
(Тот самый компаратор)
Special Microcontroller Features
(полезные свистоперделки)
– Power-on Reset and Programmable Brown-out Detection
(защита от косяков в работе при пониженном напряжении ака севшие батарейки)
– Internal Calibrated RC Oscillator
(А еще можно сэкономить 20рублей на покупке внешнего кварца. Он нафиг не нужен! :) И это круто!)
– External and Internal Interrupt Sources
(Есть внешние прерывания. Очень удобная вещь)
– Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, Standby
and Extended Standby
(Дофига режимов энергосбережения)
I/O and Packages
– 32 Programmable I/O Lines
– 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, and 44-pad QFN/MLF
(число полезных ножек, тем самых вводов выводов)
Operating Voltages designs.
– 2.7 — 5.5V for ATmega16L
– 4.5 — 5.5V for ATmega16
(Питающие напряжения. Помните я говорил про низковольтные серии — вот они, во всей красе)
Speed Grades
– 0 — 8 MHz for ATmega16L
– 0 — 16 MHz for ATmega16
(А это максимальные частоты для разных серий. Низковольтные лажают. Впрочем, они подвержены разгону)
Power Consumption @ 1 MHz, 3V, and 25°C for ATmega16L
– Active: 1.1 mA
– Idle Mode: 0.35 mA
Задание........................................................................................................................ 3
Архитектура микроконтроллеров AVR.................................................................... 4
Основные характеристики семейства микроконтроллеров AVR............................. 5
Блок-схема микроконтроллера AT90S8515............................................................. 8
Конструктивное исполнение корпусов и расположение выводов............................ 9
Система управления и АЛУ..................................................................................... 11
Статическая память RAM(SRAM)........................................................................... 11
Память команд.......................................................................................................... 13
Память для энергонезависимых данных................................................................. 13
Схема алгоритма...................................................................................................... 14
Текст программы...................................................................................................... 15
Результат выполнения программы:......................................................................... 16
Схема принципиальная............................................................................................ 17
Список литературы.................................................................................................. 18
Задание
Требуется разработать устройство, которое реализует следующие функции:
1) вводит m однобайтных чисел;
2) Определяет количество чисел имеющих в 4-ом и 5-ом разрядах комбинацию «11».
Задание предполагает разработку программного и аппаратного обеспечения устройства преобразования форматов данных, реализованного на основе микроконтроллера (МК) AVR - RISC AT90S8515.
При выполнении КР необходимо:
1. Изучить структуру МК и его функционирование.
2. Изучить организацию памяти МК.
3. Разработать алгоритм преобразования данных, реализующий поставленную задачу.
4. Составить алгоритм программы на уровне машинных команд контроллера.
5. Составить программу работы устройства на языке ассемблера МК AVR и в машинных кодах.
6. Отладить программу в среде AVR - STUDIO.
Архитектура микроконтроллеров AVR
Все микроконтроллеры AVR спроектированы для работы в составе очень производительной маломощной архитектуры RISC.
Перечислим характерные особенности архитектуры RISC:
1) ограниченное количество эффективных команд;
2) отсутствие классического накапливающего сумматора в пользу большего числа равноправных рабочих регистров;
3) организация диапазонов памяти по Гарвардской модели;
4) единый интерфейс с запоминающими устройствами за счет исключительного применения команд вида "Загрузка/Сохранение";
5) обработка почти всех команд в течение единственного машинного такта;
6) оптимизация аппаратного обеспечения и набора команд с целью применения программирования на языках высокого уровня.
Поначалу использование архитектуры RISC было ограничено мощными компьютерами, выступающими в роли рабочих станций, однако вскоре были открыты преимущества этой архитектуры для однокристальных микроконтроллеров, что доказывает семейство AVR компании Atmel.
1. Представители семейства AVR обладают ограниченным набором из 118 высокоэффективных команд (в модели AT90S1200 этот набор ограничен 89 командами).
2. Благодаря особой архитектуре микропроцессоров AVR, исключен ярко выраженный недостаток обычных процессоров, у которых все арифметические и логические операции выполняются исключительно в так называемом накапливающем сумматоре. Вследствие этого, как правило, после завершения собственно вычислительных операций требуются операции обращения к вспомогательным регистрам или промежуточным запоминающим устройствам. У семейства микроконтроллеров AVR этот недостаток отсутствует, поскольку в вычислениях, кроме накапливающего сумматора, задействованы 32 равноправных рабочих регистра, напрямую связанных с арифметико-логическим устройством (АЛУ).
3. Микроконтроллеры AVR работают по Гарвардской архитектуре, что подразумевает разделение памяти для программ и данных. Они используют одноступенчатую конвейерную обработку. Это означает, что во время выполнения команды выполняется загрузка следующей команды из памяти программ (рис. 1). Благодаря этому, достигается возможность выполнения команды в течение одного тактового цикла.
4. Первая команда программы выполняется на один тактовый цикл дольше, чем та же команда в другом месте программы, поскольку в этом случае выборка не может быть осуществлена параллельно с выполнением предыдущей команды.
5. В микроконтроллерах AVR используются несколько команд загрузки/ сохранения, с помощью которых к переменным и константам можно обратиться в различных режимах адресации.
6. У большинства обычных процессоров и контроллеров такт, сгенерированный кварцевым осциллятором, делится на заранее заданный коэффициент для получения собственно системного такта. Так, например, в контроллере 8051, работающем с частотой кварца 12 МГц, при внутреннем коэффициенте деления минимальное время выполнения команд составляет всего лишь одну секунду, причем "минимальное время" в данном случае подразумевает, что для выполнения некоторого количества команд потребуется больше времени. Однако в случае с микроконтроллерами семейства AVR такого не происходит. В них действительно почти все команды выполняются в течение одного периода частоты кварцевого генератора, что при максимально допустимой частоте 12 МГц в случае микроконтроллера AT90S1200 означает всего лишь 83,33 не. Другими словами, достигается быстродействие до 12 MIPS (Million Instructions Per Second), то есть, - 12 миллионов выполненных команд в течение одной секунды! И, за немногими исключениями, микроконтроллеры семейства AVR действительно обрабатывают все команды в течение единственного системного такта.
1.1. Блок управления и синхронизации
Блок управления и синхронизации (Timing and Control ) предназначен для выработки синхронизирующих и управляющих сигналов, обеспечивающих координацию совместной работы блоков ОЭВМ во всех допустимых режимах ее работы.В состав блока управления входят:
· устройство формирования временных интервалов,
· логика ввода-вывода,
· регистр команд,
· регистр управления потреблением электроэнергии,
· дешифратор команд, логика управления ЭВМ.
Устройство формирования временных интервалов предназначено для формирования и выдачи внутренних синхросигналов фаз, тактов и циклов. Количество машинных циклов определяет продолжительность выполнения команд. Практически все команды ОЭВМ выполняются за один или два машинных цикла, кроме команд умножения и деления, продолжительность выполнения которых составляет четыре машинных цикла. Обозначим частоту задающего генератора через F г. Тогда длительность машинного цикла равна 12/F г или составляет 12 периодов сигнала задающего генератора. Логика ввода - вывода предназначена для приема и выдачи сигналов, обеспечивающих обмен информации с внешними устройствами через порты ввода вывода Р0-Р3.
Регистр команд предназначен для записи и хранения 8-ми разрядного кода операции выполняемой команды. Код операции, с помощью дешифратора команд и логики управления ЭВМ, преобразуется в микропрограмму выполнения команды.
Регистр управления потреблением (PCON ) позволяет останавливать работу микроконтроллера для уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения уровня помех от микроконтроллера. Еще большего уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения помех можно добиться, остановив задающий генератор микроконтроллера. Этого можно достичь при помощи переключения бит регистра управления потреблением PCON. Для варианта изготовления по технологии n-МОП (серия 1816 или иностранных микросхем, в названии которых в середине отсутствует буква "c") регистр управления потреблением PCON содержит только один бит, управляющий скоростью передачи последовательного порта SMOD, а биты управления потреблением электроэнергией отсутствуют.
Арифметико-логическое устройство (ALU) представляет собой параллельное восьмиразрядное устройство, обеспечивающее выполнение арифметических и логических операций. АЛУ состоит из:
· регистров аккумулятора, регистров временного хранения TMP1 и TMP2,
· ПЗУ констант,
· сумматора,
· дополнительного регистра (регистра В),
· аккумулятора (ACC),
· регистра состояния программ (PSW).
Регистр аккумулятор и регистры временного хранения - восьмиразрядные регистры, предназначенные для приема и хранения операндов на время выполнения операций над ними. Эти регистры программно не доступны.
ПЗУ констант обеспечивает выработку корректирующего кода при двоично-десятичном представлении данных, кода маски при битовых операциях и кода констант.
Параллельный восьмиразрядный сумматор представляет собой схему комбинационного типа с последовательным переносом, предназначенную для выполнения арифметических операций сложения, вычитания и логических операций сложения, умножения, неравнозначности и тождественности.
Регистр B - восьмиразрядный регистр, используемый во время операций умножения и деления. Для других инструкций он может рассматриваться как дополнительный сверхоперативный регистр.
Аккумулятор - восьмиразрядный регистр, предназначенный для приема и хранения результата, полученного при выполнении арифметико-логических операций или операций сдвига
Блок последовательного интерфейса и прерываний (ПИП) предназначен для организации ввода - вывода последовательных потоков информации и организации системы прерывания программ. В состав блока входят:
1. буфер ПИП,
2. логика управления,
3. регистр управления,
4. буфер передатчика,
5. буфер приемника,
6. приемопередатчик последовательного порта,
7. регистр приоритетов прерываний,
8. регистр разрешения прерываний,
9. логика обработки флагов прерываний и схема выработки вектора.
Счетчик команд (Program Counter) предназначен для формирования текущего 16-разрядного адреса внутренней памяти программ и 8/16-разрядного адреса внешней памяти программ. В состав счетчика команд входят 16-разрядные буфер РС, регистр РС и схема инкремента (увеличения содержимого на 1).
Память данных (RAM) предназначена для временного хранения информации, используемой в процессе выполнения программы.
Порты P0, P1, P2, P3 являются квазидвунаправленными портами ввода - вывода и предназначены для обеспечения обмена информацией ОЭВМ с внешними устройствами, образуя 32 линии ввода-вывода.
Регистр состояния программы (PSW) предназначен для хранения информации о состоянии АЛУ при выполнении программы.
Память программ (EPROM) предназначена для хранения программ и представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В разных микросхемах применяются масочные, стираемые ультрафиолетовым излучением или FLASH ПЗУ.
Регистр указателя данных (DPTR) предназначен для хранения 16 - разрядного адреса внешней памяти данных или памяти программ.
Указатель стека (SP) представляет собой восьмиразрядный регистр, предназначенный для организации особой области памяти данных (стека), в которой можно временно сохранить любую ячейку памяти.
3.2.1. Память программ (Flash ROM или Flash ПЗУ)
Память программ предназначена для хранения последовательности команд, управляющих функционированием микроконтроллера, и имеет 16-ти битную организацию. Все AVR имеют Flash-память программ, которая может быть различного размера - от 1 до 256 КБайт. Ее главное достоинство в том, что она построена на принципе электрической перепрограммируемости, т. е. допускает многократное стирание и запись информации. Программа заносится во Flash-память AVR как с помощью обычного программатора, так и с помощью SPI-интерфейса, в том числе непосредственно на собранной плате. Возможностью внутрисхемного программирования (функция ISP) через коммуникационный интерфейс SPI обладают все микроконтроллеры AVR, кроме Tiny11 и Tiny28.
Все микроконтроллеры семейства Mega имеют возможность самопрограммирования, т. е. самостоятельного изменения содержимого своей памяти программ. Эта особенность позволяет создавать на их основе очень гибкие системы, алгоритм работы которых будет меняться самим микроконтроллером в зависимости от каких-либо внутренних условий или внешних событий.
Гарантированное число циклов перезаписи Flash-памяти у микроконтроллеров AVR второго поколения составляет не менее 10 тыс. циклов при типовом значении 100 тыс. циклов. (В официальной технической документации Atmel Corp. указывается значение 10 тыс. циклов.)
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) служит для получения числового значения напряжения, поданного на его вход. Этот результат сохраняется в регистре данных АЦП. Какой из выводов (пинов) микроконтроллера будет являться входом АЦП, определяется числом, занесенным в соответствующий регистр.
Универсальный асинхронный или универсальный синхронно/асинхронный приемопередатчик (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter - UART или USART) - удобный и простой последовательный интерфейс для организации информационного канала обмена микроконтроллера с внешним миром. Способен работать в дуплексном режиме (одновременная передача и прием данных). Он поддерживает протокол стандарта RS-232, что обеспечивает возможность организации связи с персональным компьютером. (Для стыковки МК и компьютера обязательно понадобится схема сопряжения уровней сигналов. Для этого существуют специальные микросхемы, например MAX232.)
Выводы
Микроконтроллеры развиваются невероятными темпами и их можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах... и даже кофеварках. Среди производителей микроконтроллеров можно назвать Intel, Motorola, Hitachi, Microchip, Atmel, Philips, Texas Instruments, Infineon Technologies (бывшая Siemens Semiconductor Group) и многих других.
