регистрация /  вход

Микроконтроллеры AVR (стр. 1 из 15)

Микроконтроллеры AVR

Введение

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

Имя регистра 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.