Следующая отличительная черта архитектуры микроконтроллеров AVR -регистровый файл быстрого доступа. Каждый из 32-х регистров общего назначения длиной 1 байт непосредственно соединен с арифметико-логическим устройством (ALU) процессора. Это означает, что в AVR существует 32 регистра-аккумулятора. Это позволяет в сочетании с конвейерной обработкой выполнять одну операцию в ALU за один машинный цикл. Например, два операнда извлекаются из регистрового файла, выполняется команда и результат записывается обратно в регистровый файл в течение только одного машинного цикла!
Шесть из 32-х регистров файла могут использоваться как три 16-разрядных указателя адреса при косвенной адресации данных. Один из этих указателей применяется также для доступа к таблицам перекодировок, записанных в памяти программ микроконтроллера. Использование трех 16-битных указателей существенно повышает скорость пересылки данных при работе прикладной программы.
Во время переходов к выполнению процедур обработки прерываний или подпрограмм текущее состояние программного счетчика сохраняется в стеке. Только у AT90S1200 стек реализован аппаратно с глубиной вложений, равной 3. Во всех остальных типах AVR микроконтроллеров стек формируется программно и располагается в общем адресном пространстве оперативной памяти данных. 16-разрядный указатель стека находится в общем адресном пространстве оперативной памяти и доступен для чтения и записи.
Система команд AVR весьма развита и насчитывает 89 различных инструкций. 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). Различают пять групп команд AVR: условного ветвления, безусловного ветвления, арифметические и логические операции, команды пересылки данных, команды работы с битами. По разнообразию и количеству реализованных инструкций AVR больше похожи на CISC, чем на RISC процессоры. Например, у PIC-контроллеров система команд насчитывает от 33 до 58 различных инструкций, а у MCS51 она составляет 111.
В целом, архитектура AVR в сочетании с регистровым файлом и расширенной системой команд позволяет в короткие сроки создавать программы с очень эффективным кодом как по скорости его выполнения, так и по компактности.
Наше краткое знакомство с новым микроконтроллерным семейством было бы неполным, если не упомянуть о имеющихся средствах поддержки разработок для AVR. Программные и аппаратные средства для новой платформы разрабатывались параллельно с самими микроконтроллерами и включают в себя компиляторы, внутрисхемные эмуляторы, отладчики, программаторы, простейшие отладочные платы-конструкторы практически на любой вкус.
Подводя итог всему вышесказанному, хочется верить, что я как разработчик привел убедительные доводы в пользу выбранной мной элементной базы. Многие отечественные специалисты уже по достоинству оценили высокую скорость работы и мощную систему команд AVR, наличие двух типов энергонезависимой памяти на одном кристалле и развивающуюся периферию. Немаловажную роль в этом сыграла и открытая политика Atmel в вопросе развития разнообразных, доступных средств поддержки разработок. Это позволяет разработчикам и производителям электронной техники надеяться на сохранение полноценной поддержки для перспективной линии AVR и в будущем, закладывая микроконтроллеры семейства AT90S в свои новые изделия. В сочетании со всеми аппаратными и программными достоинствами низкая цена на микроконтроллер явилась решающим фактором в выборе оного.
3.2. Разработка принципиальной схемы контроллера
Плата контроллера состоит из 2 разъемов, 5 микросхем MAX 232 (DD1..DD5) - микросхем преобразования сигналов ТТЛ уровня в сигналы уровня интерфейса RS-232 и наоборот и микроконтроллера AT90S1200 (DD6).
Сигналы с модема поступают на разъем Х1 контроллера. После этого они поступают на одну из микросхем преобразования сигналов ТТЛ уровня в сигналы уровня интерфейса RS-232, а потом на микроконтроллер DD6, где проходят дальнейшую обработку. В зависимости от того какая команда придет в микроконтроллер DD6, может быть произведена либо запись, либо чтение по заданному адресу. Тоже самое происходит и со стороны тепловычислителя: микроконтроллер обменивается командами с тепловычислителем через одну из микросхем DD4..DD5, т.к. тепловычислитель сопрягается с другими устройствами по интерфейсу RS-232, а микроконтроллер работает с сигналами ТТЛ уровня.
К микроконтроллеру также приходят сигналы от датчиков пожара, затопления и от охранного датчика. По сигналам от этих датчиков происходит автоматический дозвон до диспетчерского пункта и выдается соответствующее сообщение на дисплей диспетчеру, который должен предпринять меры по устранению причин, вызвавших этот сигнал.
3.3. Проектирование печатной платы контроллера
3.3.1. Определение общих требований к печатной плате
По конструкции печатные платы (ПП) делятся на следующие типы: односторонние (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП). При выборе типа ПП для разрабатываемой конструкции следует учитывать технико-экономические показатели.
ОПП представляют собой диэлектрическое основание с отверстиями, пазами, вырезами и т. п., на одной стороне которого выполнен проводящий рисунок, а на другой при сборке размещают интегральные микросхемы (ИМС) и электрорадиоэлементы (ЭР-Э).
В связи с ограниченной площадью для трассировки рисунка схемы такие ПП применяют для простых электронных устройств бытового и вспомогательного назначения. Наиболее просты по конструкции и дешевы в изготовлении ОПП без металлизированных отверстий. Более сложны, но и более надежны в эксплуатации платы с металлизированными с помощью пистонов отверстиями.
ДПП имеют проводящий рисунок на обеих сторонах диэлектрического основания. Необходимые соединения печатных проводников разных сторон ДПП выполняют с помощью проволочных перемычек, металлизированных отверстий, контактных площадок. Такие платы позволяют реализовать более сложные схемы и имеют наиболее широкое применение при изготовлении узлов электронных схем. Менее распространенные ДПП на металлическом основании с нанесенным на него электроизоляционным покрытием имеют лучший теплоотвод, что существенно при большой мощности навесных элементов.
МПП состоят из чередующихся слоев изоляционного материала и проводящего рисунка. Между проводящими слоями в структуре плат могут быть или отсутствовать межслойные соединения. Существует достаточно большое разнообразие конструктивно-технологических разновидностей МПП в зависимости от наличия и характера межслойных соединений. Наибольшее распространение среди них получили МПП с металлизацией сквозных отверстий, которые не имеют ограничения на число слоев (оптимальное число до 12) и пригодны для установки элементов как со штыревыми, так и с планарными выводами. Предпочтительность использования МПП этого типа обусловлена сравнительно высокой плотностью монтажа, хорошим качеством межслойных соединений, удовлетворительной ремонтоспособностью, возможностью автоматизации и механизации как процессов изготовления самих плат, так и сборки на них узлов.
В зависимости от сложности реализуемой электрической схемы и применяемой элементной базы выбирают конструктивное исполнение платы, число слоев и плотность проводящего рисунка схемы. При выборе числа слоев платы следует иметь в виду, что наименее трудоемки и просты в изготовлении ОПП без металлизированных отверстий и приблизительно равны по затратам ОПП и ДПП о металлизированными отверстиями. Наиболее сложны и трудоемки в изготовлении МПП, число слоев которых ограничено предельно допустимым соотношением между диаметром металлизированных отверстий и толщиной платы (не менее 0,33). Ориентировочно соотношение трудоемкости изготовления ОПП без металлизированных отверстий, ДПП и МПП составляет 1:4:20.
По точности выполнения элементов (согласно ГОСТ 23751 - 86) конструкции ПП делятся на пять классов. Класс точности указывают на чертеже ПП.
Под элементами конструкции ПП подразумеваются элементы проводящего рисунка.
Печатные платы 1-го и 2-го классов точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость. Печатные платы 3-го, 4-го и 5-го классов точности требуют использования высококачественных материалов, инструмента и оборудования, ограничения габаритных размерен, а в отдельных случаях и особых условий при изготовлении.
Габаритные размеры ПП должны соответствовать ГОСТ 10317 - 79. Размеры каждой стороны ПП должны быть кратными:
– 2,5 мм - при длине до 100 мм;
– 5,0 мм - при длине до 350 мм;
– 10,0 мм - при длине более 350 мм.
Рекомендуется разрабатывать ПП простой прямоугольной формы. Конфигурацию, отличную от прямоугольной, следует применять только в технически обоснованных случаях.
Соотношение линейных размеров сторон ПП должно быть не более 3:1. Допускается увеличение этого соотношения по согласованию с заказчиком.
Согласно ОСТ 25.931 - 80 рекомендуются размеры ПП на вновь разрабатываемые и модернизируемые изделия. Максимальные размеры ПП и (или) рабочего поля групповой установки должны быть не более 470 мм. Допуски на линейные размеры сторон ПП должны соответствовать ГОСТ 25346 - 82 и ГОСТ 25347 - 82. Сопрягаемые размеры контура ПП должны иметь предельные отклонения по 12 квалитету. Несопрягаемые размеры контура - по 14 квалитету согласно ГОСТ 25347 - 82 (СТ СЭВ 145 - 75).
Толщина печатной платы определяется толщиной исходного материала и выбирается в зависимости от используемой элементной базы и действующих механических нагрузок. Предпочтительными значениями номинальных толщин одно- и двусторонних печатных плат являются 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 мм.
Фольгированные материалы представляют собой слоистые прессованные пластинки, изготовленные на основе бумаги (гетинакс) или ткани из стеклянного волокна (стеклотекстолит), пропитанные термореактивными связующими и облицованные с одной или двух сторон медной электролитической фольгой, которая оксидирована с внутренней стороны для материалов обычного исполнения или покрыта пленкой хрома для гальваностойких материалов.