AVR. Учебный курс. Архитектура.

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 R26R31
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&lt,B в двоичном виде.
  • JTAG/DebugWire средство отладки, позволяет заглянуть в мозги контроллера с помощью специального адаптера, например такого, какой встроен в мою демоплату Pinboard. 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 R0R31)

– 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
– Power-down Mode:

Комментарии: 0Активность: 322
5 1 голос

Оцените статью!

guest
0 Комментарий
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии