Микроконтроллеры AVR

Однокристальные микроконтроллеры находят широкие применение в самых разнообразных сферах: от измерительных приборов, фотоаппаратов и видеокамер, принтеров, сканеров и копировальных аппаратов до изделий электронных развлечений и всевозможной домашней техники.

Со времени появления первых микропроцессоров в 1970-х годах их сложность постоянно возрастала за счет появления новых аппаратных решений и добавления новых команд, предназначенных для решения новых задач. Так постепенно сложилась архитектура, получившая впоследствии название CISC (Complete Instruction Set Computers – компьютеры со сложным набором команд). В дальнейшем обозначилось и нашло активное развитие еще одно направление: архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computers – компьютеры с сокращенным набором команд). Именно к этой архитектуре относятся микроконтроллеры AVR от компании Atmel и PIC от компании Microchip, которым посвящена эта книга.

Основное преимущество RISC-процессоров заключается в том, что они просты, выполняют ограниченный набор команд, и, как следствие, очень быстродействующие. Это позволяет снизить стоимость и сложность их программирования.

Обратной стороной RISC-архитектуры стала необходимость создания дополнительных команд на ассемблере, которые у CISC-устройств реализованы в аппаратной части. Например, вместо того, чтобы просто вызвать команду деления, которая характерна для устройств CISC, разработчику, имеющему дело с RISC-процессором, приходится применять несколько последовательных команд вычитания. Однако подобный недостаток с лихвой компенсируется ценой и скоростью работы RISC-устройств. Кроме того, если создавать программы на языке С, то подобные проблемы вообще перестают иметь какое-либо значение для разработчика, поскольку они решаются компилятором, который автоматически генерирует весь недостающий ассемблерный код.

На заре возникновения микропроцессоров разработка программного обеспечения происходила исключительно на том или ином языке ассемблера, ориентированном на конкретное устройство. По сути, такие языки представляли собой символьные мнемоники соответствующих машинных кодов, а перевод мнемоники в машинный код выполнялся транслятором. Однако главный недостаток ассемблерных языков заключается в том, что каждый из них привязан к конкретному типу устройств и логике его работы. Кроме того, ассемблер сложен в освоении, что требует достаточно больших усилий для его изучения, которые, к тому же, оказываются потраченными впустую, если впоследствии потребуется перейти на использование микроконтроллеров других производителей.

Язык С, являясь языком высокого уровня, лишен подобных недостатков и может использоваться для программирования любого микропроцессора, для которого есть компилятор с языка С. В языке С все низкоуровневые операции, выполняемые компьютерами, представлены в виде абстрактных конструкций, позволяющих разработчикам сосредоточиться на программировании одной лишь логики, не заботясь о машинном коде. Изучив язык С, можно легко переходить от одного семейства микроконтроллеров к другому, тратя гораздо меньше времени на разработку.

1.Архитектура микроконтроллеров AVR и PIC

В общем, все микроконтроллеры построены по одной схеме. Система управления, состоящая из счетчика команд и схемы декодирования, выполняет считывание и декодирование команд из памяти программ, а операционное устройство отвечает за выполнение арифметических и логических операций; интерфейс ввода/вывода позволяет обмениваться данными с периферийными устройствами; и, наконец, необходимо иметь запоминающее устройство для хранения программ и данных (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Обобщенная структура микроконтроллера

Будем рассматривать микроконтроллеры в общем, не привязываясь к какому-либо конкретному типу микроконтроллеров AVR, поэтому ниже будут рассмотрены только общие для большинства микроконтроллеров особенности архитектуры памяти, вопросы ввода/вывода, обработки прерываний, сброса и др.

Память микроконтроллеров AVR

В микроконтроллерах AVR память реализована по Гарвардской архитектуре, что подразумевает разделение памяти команд и данных. Это означает, что обращение к командам осуществляется независимо от доступа к данным. Преимуществом такой организации является повышение скорости доступа к памяти.

Память данных

Память данных предназначена для записи/чтения данных, используемых программами. Является энергозависимой, то есть, при отключении питания микроконтроллера все хранимые в ней данные, будут потеряны. В микроконтроллерах AVR память данных имеет более развитую структуру по сравнению с микроконтроллерами PIC, что показано на рис. 2.1.

Здесь и далее шестнадцатеричные числа будут представлены в форме, принятой в языке С: с префиксом 0х.

Рис. 2.1. Структура памяти данных в микроконтроллерах AVR и PIC

Область статической памяти SRAM (Static Random Access Memory) обозначена на рис. 2.1 пунктиром, поскольку используется не всеми микроконтроллерами AVR (это относится как к внутренней, так и к внешней SRAM). Ее начальный адрес – 0x060, а верхний адрес – разный в различных устройствах.

В некоторых микроконтроллерах AVR можно увеличивать пространство памяти SRAM посредством подключения внешних блоков памяти вплоть до 64 Кбайт, однако для этого приходится пожертвовать портами А и С, которые в этом случае применяются для передачи данных и адресов.

Регистры общего назначения

Область регистров общего назначения (рабочих регистров) предназначена для временного хранения переменных и указателей, используемых процессором для выполнения программ. В микроконтроллерах AVR она состоит из 32 восьмиразрядных регистров (диапазон адресов 0x000 – 0x01F). В микроконтроллерах PIC регистры общего назначения также восьмиразрядные, однако их количество и диапазон адресов зависят от конкретного типа устройства.

В программах, написанных на языке С, непосредственное обращение к регистрам общего назначения обычно не требуется, если только не используются фрагменты на языке ассемблера.

Регистры специальных функций микроконтроллеров PIC

Регистры специальных функций используются в микроконтроллерах PIC для управления различными операциями. Как и в случае с регистрами общего назначения, их количество и адресация отличаются от устройства к устройству. В программах, написанных на языке С, непосредственное обращение к регистрам специальных функций обычно не требуется, если только не используются фрагменты на языке ассемблера.

Область ввода/вывода микроконтроллеров AVR

Область ввода/вывода микроконтроллеров AVR содержит 64 регистра, используемых для управления или хранения данных периферийных устройств. К каждому из этих регистров можно обращаться по адресу ввода/вывода (начиная с 0x000) или по адресу SRAM (в этом случае к адресу ввода/вывода следует прибавить 0x020). В программах на языке С обычно используются условные имена регистров ввода/вывода, а адреса имеют значение только для программ на языке ассемблера.

Имена, адреса ввода/вывода и SRAM, а также краткое описание регистров из области ввода/вывода микроконтроллеров AVR представлены в табл. 2.1. При этом следует отметить, что в различных моделях микроконтроллеров некоторые из перечисленных регистров не используются, а адреса, не указанные в табл. 2.1, зарезервированы компанией Atmel для использования в будущем.

Таблица 2.1. Описание регистров из области ввода/вывода

Имярегистра	Адрес ввода/ вывода	Адрес SRAM	Описание
ACSR	0x08	0x28	Регистр управления и состояния аналогового компаратора
UBRR	0x09	0x29	Регистр скорости передачи данных через UART
UCR	0х0А	0х2А	Регистр управления приемопередатчиком UART
USR	0x0В	0x2В	Регистр состояния приемопередатчика UART
UDR	0х0С	0х2С	Регистр данных приемопередатчика UART
SPCR	0x0D	0x2D	Регистр управления интерфейсом SPI
SPSR	0х0Е	0х2Е	Регистр состояния интерфейса SPI
SPDR	0x0F	0x2F	Регистр ввода/вывода данных интерфейса SPI
PIND	0x10	0x30	Выводы порта D
DDRD	0x11	0x31	Регистр направления передачи данных порта D
PORTD	0x12	0x32	Регистр данных порта D
PINC	0x13	0x33	Выводы порта С
DDRC	0x14	0x34	Регистр направления передачи данных порта С
PORTC	0x15	0x35	Регистр данных порта С
PINB	0x16	0x36	Выводы порта В
DDRB	0x17	0x37	Регистр направления передачи данных порта В
PORTB	0x18	0x38	Регистр данных порта В
PINA	0x19	0x39	Выводы порта А
DDRA	0x1А	0х3А	Регистр направления передачи данных порта А
PORTA	0x1В	0х3В	Регистр данных порта А
EECR	0x1С	0х3С	Регистр управления памяти EEPROM
EEDR	0x1D	0x3D	Регистр данных памяти EEPROM
EEARL	0x1Е	0х3Е	Регистр адреса памяти EEPROM (младший байт)
EEARH	0x1F	0x3F	Регистр адреса памяти EEPROM (старший байт)
WDTCR	0x21	0x41	Регистр управления сторожевым таймером
ICR1L	0x24	0x44	Регистр захвата таймера/счетчика Т/С1 (младший байт)
ICR1H	0x25	0x45	Регистр захвата таймера/счетчика Т/С1 (младший байт)
OCR1BL	0x28	0x48	Регистр сравнения В таймера Т/С1 (младший байт)
OCR1BH	0x29	0x49	Регистр сравнения В таймера Т/С1 (старший байт)
OCR1AL	0х2А	0х4А	Регистр сравнения А таймера Т/С1 (младший байт)
OCR1AH	0x2В	0x4В	Регистр сравнения А таймера Т/С1 (старший байт)
TCNT1L	0х2С	0х4С	Счетный регистр таймера/счетчика Т/С1 (младший байт)
TCNT1H	0x2D	0x4D	Счетный регистр таймера/счетчика Т/С1 (старший байт)
TCCR1B	0x2Е	0х4Е	Регистр управления В таймера/счетчика Т/С1
TCCR1A	0x2F	0x4F	Регистр управления А таймера/счетчика Т/С1
TCNT0	0x32	0x52	Счетный регистр таймера/счетчика Т/С0
TCCR0	0x33	0x53	Регистр управления таймера/счетчика Т/С0
MCUCR	0x35	0x55	Регистр управления микроконтроллером
TIFR	0x38	0x58	Регистр флагов прерываний от таймеров/счетчиков
TIMSK	0x39	0x59	Регистр маскирования прерываний от таймеров
GIFR	0х3А	0х5А	Общий регистр флагов прерываний
GIMSK	0х3В	0x5В	Общий регистр маскирования прерываний
SPL	0x3D	0x5D	Указатель стека (младший байт)
SPH	0х3Е	0х5Е	Указатель стека (старший байт)
SREG	0x3F	0x5F	Регистр состояния

Регистр состояния SREG микроконтроллеров AVR

Регистр состояния содержит флаги условий микроконтроллеров AVR и располагается в области ввода/вывода по адресу $3F (адрес SRAM – $5F). После подачи сигнала сброса он инициализируется нулями.