Микроконтроллерный регулятор оптимальной системы управления (стр. 4 из 6)

Общие архитектурные особенности и программная совместимость микроконтроллеров AVR позволяют использовать одни и те же алгоритмы и рабочие программы на разных моделях. Единственным ограничением применимости может служить только отсутствие необходимых для исполнения программ аппаратных средств в более простых моделях микроконтроллеров.

Существенной общей особенностью всего семейства AVR является использование 32 регистров общего назначения и гарвардской архитектуры с тремя раздельными адресными пространствами: памяти программ (флэш-памяти), оперативной памяти данных (ОЗУ), программируемой постоянной памяти данных (ППЗУ). Флэш-память и ППЗУ являются энергонезависимыми и, как обычно, сохраняют данные при отсутствии питающих напряжений. ОЗУ - это стандартная энергозависимая оперативная память. Система команд поддерживает стандартные операции с однобайтовыми данными, возможны определенные операции с двухбайтовыми словами и отдельными битами. Каждый из 32 восьмиразрядных регистров общего назначения может служить регистром-аккумулятором. Основной формат кодов команд - 2 байта, формат данных - 1 байт.

Управление и доступ к аппаратным средствам микроконтроллеров производятся с помощью специальных управляющих регистров - регистров ввода-вывода. Эти регистры определяют параметры и режимы работы устройств микроконтроллеров, обеспечивают необходимый обмен данными с ними. Система прерываний позволяет обслуживать программные прерывания, внутренние прерывания всех устройств микроконтроллеров через регистры ввода-вывода и внешние прерывания. Внутренние аппаратные и внешние прерывания имеют жестко закрепленные адреса векторов прерываний.

Микроконтроллер AT90S8535 (рис. 16) со 118 командами в системе команд содержит 8-разрядное арифметико-логическое устройство (АЛУ), память программ (флэш-память) объемом 8 Кбайт, электрически программируемое ППЗУ (EEPROM) объемом 0,5 Кбайт (также с возможностью внутрисистемного программирования), статическое ОЗУ объемом 0,5 Кбайт, 32 регистра общего назначения, 4 двунаправленных параллельных восьмиразрядных порта ввода-вывода, последовательный синхронный интерфейс SPI, последовательный асинхронный интерфейс UART, два восьмиразрядных и один шестнадцатиразрядный таймеры с возможностью реализации модулятора ШИМ, сторожевой таймер с автономным генератором, аналоговый компаратор, восьмиканальный АЦП.

На структурной схеме (рис.16) и в дальнейшем при описании микроконтроллеров будут использованы названия и обозначения, используемые фирмой ATMEL. Внешние выводы микроконтроллера:

VCC и GND (общий) - источник питания цифровых элементов;

AVCC, AGND (общий аналоговый), AREF - питание и опорное напряжение АЦП и его мультиплексора;

RESET - сигнал внешнего сброса (низкий уровень длительностью более 50 не), при включении питания сброс микроконтроллера производится автоматически;

XTAL1 и XTAL2 - соответственно вход и выход тактового генератора (для подключения частотозадающего кварцевого резонатора и общей синхронизации с другими устройствами), аналогичные электроды вспомогательного генератора асинхронного режима таймера 2 - выводы РС6 и РС7;

РАО-РА7, РВО-РВ7, РСО-РС7, PDO-PD7 - 32 линии ввода-вывода, объединены в 4 восьмиразрядных порта (PORTA, PORTB, PORTC, PORTD).

PORTA, PORTB, PORTC, PORTD могут использоваться как стандартные двунаправленные порты ввода-вывода либо для передачи сигналов других устройств микроконтроллера. Альтернативные функции PORTA: передача аналоговых сигналов через мультиплексор на вход АЦП. Альтернативные функции PORTB:

Рис.16. Структурная схема микроконтроллера АТ90S8535.

РВО и РВ1 - внешние входы ТО и Т1 таймеров 0 и 1 соответственно, РВ2 и РВЗ - входы AINO и AIN1 аналогового компаратора, остальные сигналы синхронного последователь- ного интерфейса SPI (PB4 - SS, PB5 - MOSI, PB6 - MISO, РВ7 - SCK). Альтернативные функции PORTC: PC6 и РС7 - вход и выход вспомогательного генератора таймера 2. Альтернативные функции PORTD: PDO и PD1 - сигналы RXD и TXD асинхронного последовательного интерфейса UART соответственно, PD2 и РВЗ сигналы внешних прерываний INTO и INT1, PD4-PD7 - сигналы ОС1В, OCIA, TCP, OC2 таймеров 1 и 2.

Запоминающие устройства микроконтроллера AT90S8535.

Запоминающие устройства микроконтроллера -флэш-память программ, ОЗУ, ППЗУ, регистры общего назначения и регистры ввода-вывода образуют три отдельных адресных пространства (рис. 17).

Флэш-память объемом 8 Кбайт состоит из 4 К двухбайтовых ячеек с адресами $000 - $FFF* и предназначена для хранения кодов программ и констант, в том числе и при выключенном питающем напряжении. Запись данных производится специальным программатором в процедуре внутрисистемного программирования, допустимое количество циклов перезаписи не менее 1000. Большинство кодов команд имеют 16-битовый формат, поэтому, как правило, одна ячейка флэш-памяти хранит код 1 команды или две 8-битовых константы. Адресация в этом адресном пространстве производится программным счетчиком.

В памяти данных ППЗУ (EEPROM) образует отдельное адресное пространство объемом 0,5 К однобайтовых ячеек с адресами $000 - $ IFF и хранением данных при выключении питающего напряжения. Доступ к данным в ППЗУ производится с помощью специальных регистров из файла регистров ввода-вывода; программно доступно и чтение, и запись данных. Запись данных также может производиться программатором в процедуре внутрисистемного программирования.

Третье адресное пространство является основной частью памяти данных и содержит 32 регистра общего назначения с адресами $000 - $01F, 64 регистра ввода-вывода с адресами $020 - $05F и ОЗУ объемом 0,5 К однобайтовых ячеек с адресами $060 - $25F. Такая организация памяти данных позволяет адресовать все эти регистры как ячейки ОЗУ с известными адресами либо использовать для их адресации соответствующие обозначения или адреса в регистровых файлах. Например, регистр управления АЦП имеет адрес ОЗУ $026, адрес в файле регистров ввода-вывода $06 или символическое имя ADCSR.

Адресация ячеек памяти в третьем адресном пространстве производится стандартными способами. При прямой адресации адрес содержится в командах STS k, Rr и LDS Rd, k, где к - адрес в диапазоне $000-$25F, Rr и Rd любые из регистров общего назначения.

Рис.17. Память микроконтроллера АТ90S8535.

Косвенная адресация возможна регистрами X, Y, Z. Каждый из этих адресных регистров образован парой регистров общего назначения: X -R27-R26, Y - R29-R28, Z - R31-R30. Адресация также возможна с помощью указателя стэка (пара регистров SPH-SPL файла регистров ввода-вывода), обычно в качестве вершины стэка используется наибольший адрес ОЗУ с символическим именем RAMEND, для данного микроконтроллера - это физический адрес S25F.

Адресация регистров общего назначения стандартная: в команде указывается номер регистра (например, mov r2, r0) или присвоенное ему ранее символическое имя (например, mov r2, temp). Обращение к файлу регистров ввода-вывода производится командами in, out с использованием, как правило, символических имен (символические имена регистров ввода-вывода приведены в приложении).

Параллельные порты ввода-вывода.

Микроконтроллер содержит 32 линии ввода-вывода, объединенные в 4 двунаправленных порта (А, В, С, D). Управление каждым портом производится тремя регистрами порта из файла регистров ввода-вывода, символические имена этих регистров содержат наименование порта. Так как процедуры управления для всех портов аналогичны, рассмотрим их на примере порта А.

Регистр управления порта А с символическим именем DDRA*, адресом в файле регистров ввода-вывода $1А, адресом ОЗУ $03 А программно доступен и для чтения, и для записи и определяет направление передачи данных: 0 - ввод, 1 - вывод. Каждый бит DDRA (DDAO - DDA7) управляет соответствующей линией ввода-вывода и программируется независимо, начальное значение всех битов DDRA -- нулевое. Т.е. в процессе работы значение каждого бита не зависит от значений других битов, чтением содержимого регистра DDRA можно определить направление передачи данных по соответствующим линиям ввода-вывода в данный момент времени.

Регистр ввода данных PINA (адрес в файле регистров ввода-вывода -$19, адрес ОЗУ - $039) программно доступен только для чтения и обеспечивает считывание сигналов, поступающих в данный момент времени на соответствующие линии ввода-вывода (например, линия РА2 в режиме ввода формирует бит PINA2 регистра ввода данных). Никакого хранения данных регистр PINA не выполняет.

Регистр вывода данных PORTA (адрес в файле регистров ввода-вывода - $ 1В, адрес ОЗУ - $ОЗВ) программно доступен и для чтения, и для записи, обеспечивает хранение данных и выдачу их в режиме вывода на соответствующие линии ввода-вывода (например, PORTA4 - РА4). При чтении PORTA передает данные, ранее записанные в этот регистр для вывода.

Буферы портов в режиме вывода позволяют формировать логические сигналы с током нагрузки до 20 мА. В режиме ввода, кроме приема внешних сигналов, буферы позволяют подключать к входам портов внутренние резисторы, задавая на входах при отсутствии внешних сигналов уровень логического нуля. Например, DDA7=0 (ввод данных) при PORTA7=0 внутренний резистор буфера подключен и при отсутствии внешнего сигнала будет задавать на РА7 низкий уровень. Это позволяет устранитьвозможные неопределенности входных сигналов. При появлении сигнала внешнего источника уровень РА7 будет задаваться этим внешним сигналом. При PORTA7=1 внутренний резистор отключен и никакого влияния не оказывает.

Для остальных портов ввода-вывода используются такие же регистры с аналогичными именами и заменой буквы, обозначающей наименование порта. При использовании альтернативных функций портов ввода-вывода в регистрах управления должны задаваться соответствующие этим функциям направления передачи сигналов. Более детальное описание альтернативных функций будет приведено позже при описании соответствующих аппаратных средств микроконтроллера.