Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel (стр. 1 из 8)

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Дальневосточный Государственный Университет путей сообщения

ИИФО

ГОУ ВПО

Кафедра «Телекоммуникации»

Курсовой проект

По дисциплине: «Микропроцессорные информационно управляющие системы»

По теме: «Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel»

г. Хабаровск

2010г.

Введение

В классической микропроцессорной системе используются отдельная микросхема процессора, отдельные микросхемы памяти и отдельные порты ввода вывода. Стремительное развитие микропроцессорной техники требует всё большей и большей степени интеграции микросхем.

Именно поэтому были разработаны микросхемы, которые объединяют в себе сразу все элементы микропроцессорной системы. Такие микропроцессоры называются микроконтроллерами. В советское время такие микросхемы называли «Однокристальные микро ЭВМ».

Для однокристальных микроконтроллеров понятие «центральный процессор» обычно не употребляется. Так как процессор – это все-таки отдельное устройство. Функции процессора в микроконтроллере заменяет арифметико-логическое устройство (АЛУ).

Кроме АЛУ, микроконтроллер содержит в своём составе:

♦ тактовый генератор;

♦ память данных;

♦ память программ;

♦ порты ввода-вывода.

Все эти элементы соединены между собой внутренними шинами данных и адреса. С внешним миром микроконтроллер общается при помощи портов ввода-вывода. Любой микроконтроллер всегда имеет один или несколько портов. Кроме того, современные микроконтроллеры всегда имеют встроенную систему прерываний, а также встроенные программируемые таймеры, компараторы, цифроаналоговые преобразователи и многое другое.

Если речь идёт не о большом компьютере, а о портативном устройстве управления, то в нём применяются именно микроконтроллеры. Конечно, любая реальная схема редко обходится без простых логических микросхем, триггеров, счётчиков и тому подобного. Но основой всегда является микроконтроллер. Чистые микропроцессоры в настоящее время применяются только в персональных компьютерах.

1. Микроконтроллер ATtiny2313/V фирмы Atmel

1.1 Структура, основные характеристики и возможности

Микросхема ATtiny 2313 представляет собой восьмиразрядный микроконтроллер с внутренней программируемой Flash-памятью размером 2 Кбайт.

Общие сведения:

♦ использует AVRRISC архитектуру;

♦AVR–это высокое быстродействие и специальная RISC-архитектура с низким потреблением;

♦ 120 мощных инструкций, большинство из которых выполняется за один машинный цикл;

♦ 32 восьмиразрядных регистра общего назначения;

♦ полностью статическая организация (минимальная частота может быть равна 0);

♦ до 20 миллионов операций в секунду (MIPS/Sec) при тактовой частоте 20 МГц.

Сохранение программ и данных при выключенном питании:

♦ 2 Кбайт встроенной программируемой Flash-памяти, до 10000 циклов записи/стирания;

♦ 128 байт встроенной программируемой энергонезависимой памяти данных (EEPROM);

♦ до 10000 циклов записи/стирания;

♦ 128 байт внутреннего ОЗУ (SRAM);

♦ программируемые биты защиты от чтения и записи программной памяти и EEPROM.

Периферийные устройства:

♦ один 8-разрядный таймер/счётчик с программируемым определителем и режимом совпадения;

♦ один 16-разрядный таймер/счетчик с программируемым определителем, режимом совпадения и режимом захвата;

♦ четыре канала ШИМ (PWM);

♦ встроенный аналоговый компаратор;

♦ программируемый сторожевой таймер и встроенный тактовый генератор;

♦ универсальный последовательный интерфейс USI (Universal Serial Interface);

♦ полнодуплексный USART.

Особенности микроконтроллера:

♦ специальный вход debug WIRE для управления встроенной системой отладки;

♦ внутрисистемный программируемый последовательный интерфейс SPI;

♦ поддержка как внешних, так и внутренних источников прерываний;

♦ три режима низкого потребления (Idle, Power-downи Standby);

♦ встроенная система аппаратного сброса при включении питания;

♦ внутренний перестраиваемый тактовый генератор;

♦ цепи ввода-вывода и корпус;

♦ 18 программируемых линий ввода-вывода;

♦ три вида корпусов;

PDIP– 20 контактов;

SOIC – 20 контактов;

QFN/MLF – 20 контактных площадок.

Напряжения питания:

♦ 1,8 – 5,5 В (для ATtiny2313V);

♦ 2,7 – 5,5 В (для ATtiny2313).

Диапазон частот тактового генератора ATtiny2313V:

♦ 0-4 МГц при напряжении 1,8-5,5 В;

♦ 0–10 МГц при напряжении 2,7-5,5 В.

Диапазон частот тактового генератора ATtiny2313:

♦ 0-10МГц при напряжении 2,7-5,5 В;

♦ 0–20 МГц при напряжении 4,5-5,5 В.

Ток потребления в активном режиме:

♦ 1 МГц, 1,8 В: 230 мкА;

♦ 32 кГц, 1,8 В: 20 мкА (с внутренним генератором).

Ток потребления в режиме низкого потребления:

♦ не более 0,1 мкА при напряжении 1,8 В.

Блок-схема микроконтроллера

Назначение выводов микросхемы ATtiny2313 приведено на рис. 1. Блок-схема микроконтроллера ATtiny2313 приведена на рис. 2.

Ядро AVR имеет большой набор инструкции для работы с 32 регистрами общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны арифметико-логическим устройством (ALU), которое позволяет выполнять команду для двух разных регистров за один такт системного генератора. Такая архитектура позволила достигнуть производительности в десять раз большей, чем у традиционных микроконтроллеров, построенных по CISC-технологии.

Рис. 1 - Назначения выводов микросхемы ATtiny2313

1.2 Особенности микросхемы ATtiny2313

Микросхема ATtiny2313 имеет следующие особенности:

♦ 2 Кбайт системной программируемой Flash-памяти программ;

♦ 128 байт EEPROM;

♦ 128 байт SRAM (ОЗУ);

♦ 18 линий ввода-вывода (I/O);

♦ 32 рабочих регистра;

♦ однопроводной интерфейс для внутрисхемной отладки;

♦ два многофункциональных таймера/счетчика с функцией совпадения;

♦ поддержка внешних и внутренних прерываний;

♦ последовательный программируемый USART-порт;

Рис. 2 - Блок-схема микроконтроллера ATtiny2313

♦ универсальный последовательный интерфейс с детектором начала передачи;

♦ программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором;

♦ три программно изменяемых режима энергосбережения.

В режиме Idle происходит приостановка центрального процессора, остальные системы продолжают работать. Выход из этого режима возможен как по внешнему прерыванию, так и по внутреннему. Например, при переполнении таймера.

В режиме PowerDown сохраняется содержимое регистров, но приостанавливается работа внутреннего генератора и отключаются все остальные функции микросхемы. Выход из режима возможен по внешнему прерыванию или после системного сброса. Такое решение позволяет совмещать быстрый старт с низким энергопотреблением.

Микросхема изготовлена с использованием уникальной высокочастотной технологии фирмы Atmel. Внутренняя Flash-память программ может быть перепрограммирована при помощи ISP-интерфейса без извлечения микроконтроллера из платы. Объединение 8-разрядного RISC-процессора внутрисистемной перепрограммируемой Flash-памятью на одном кристалле делают микросхему ATtiny2313 мощным средством, которое обеспечивает очень гибкие и недорогие решения многих прикладных задач управления.

В моей курсовом проекте будет описана некоторая часть микроконтроллера.

2. Центральное ядро процессора

Главная функция центрального ядра процессора – управление процессом выполнения программ. Для этого центральный процессор должен иметь непосредственный доступ к памяти, должен быть способен производить все виды вычислений и выполнять запросы на прерывания.

Рассмотрим общие вопросы архитектуры AVR.

2.1 Кратка характеристика архитектуры

Чтобы максимально ускорить работу и сделать возможным параллельное выполнение нескольких операций, микроконтроллеры AVR используют Гавардскую архитектуру (рис. 3).

Рис. 3 - Блок-схема архитектуры AVR

Такая архитектура предусматривает отдельную память и отдельную шину адреса как для программы, так и для данных.

Каждая команда из пяти программ выполняются за один машинный цикл с использованием многоуровневой конвейерной обработки. В тот момент, когда очередная команда выполняется, следующая команда считывается из программной памяти. Такая концепция позволяет выполнять по одной команде за один такт системного генератора. Программный сегмент памяти физически представляет собой встроенную перепрограммируемую Flash-память.

Файл регистров быстрого доступа содержит 32 восьмиразрядных регистра общего назначения, доступ к которым осуществляется за один такт системного генератора. Это позволяет арифметико-логическому устройству (ОЛУ) осуществлять большинство своих операций за один такт.

Типичная операция АЛУ выполняется следующим образом: из регистрового файла читаются два операнда, выполняется операция. Результат сохранения опять же в файле регистров. Все эти три действия выполняются за один цикл тактового генератора.

Шесть из этих 32 регистраторов могут использоваться как три 16-разрядных регистра-указателя косвенной адресации. Эти сдвоенные регистры могут использоваться для адресации данных в адресном пространстве ОЗУ. Такая организация даёт возможность программного вычисления адреса.

Один из этих регистров-указателей может также использоваться в качестве указателя адреса данных, размещённых в памяти программ (Flash-памяти). Эти дополнительные составные 16-разрядные регистры именуются X, Yи Z.

АЛУ поддерживает арифметические и логические операции между двумя регистраторами или между константой и регистратором. В АЛУ также могут выполняться операции с отдельными регистраторами. После каждой арифметической операции обновляется регистр статуса для того, чтобы отразить информацию о её результате.