Структура микроконтроллера (стр. 1 из 3)
Структура микроконтроллера
Содержание
1. Обобщенная структурная схема
2. Генератор тактового сигнала
3. Процессор
4. Запоминающее устройство FlashROM
5. Запоминающее устройство SRAM
6. Запоминающее устройство EEPROM
7. Внешнее запоминающее устройство ERAM
8. Периферийные устройства
Литература
1. Обобщенная структурная схема
Микроконтроллеры семейства AVR имеют единую базовую структуру. Обобщенная структурная схема микроконтроллера (МК) изображена на рис. 1.VCC OND
В состав микроконтроллера входят:
■ генератор тактового сигнала (GCK);
■ процессор (CPU);
■ постоянное запоминающее устройство для хранения программы, выполненное по технологии Flash, (FlashROM);
■ оперативное запоминающее устройство статического типа для хранения данных (SRAM);
■ постоянное запоминающее устройство для хранения данных, выполненное по технологии EEPROM, (EEPROM);
■ набор периферийных устройств для ввода и вывода данных и управляющих сигналов и выполнения других функций.
В микроконтроллерах тина t11, t12. t15, 1200 и t28 запоминающее устройство SRAM отсутствует. В микроконтроллерах типа t1l и t28 отсутствует также запоминающее устройство EEPROM.
К микроконтроллерам типа 8515 и тЮЗ может быть подключено внешнее запоминающее устройство для храпения данных (ERAM). Команды программы хранятся только во внутреннем запоминающем устройстве FlashROM.
Выводы VCC и GND предназначены для подключения источника напряжения питания микроконтроллера. Уровень напряжения всех сигналов в микроконтроллере отсчитывается относительно уровня на шине GND, принимаемого за 0В. Допустимые значения напряжения питания у микроконтроллеров разных типов и вариантов указаны в приложении П1 в табл. П1.3. Другие выводы микроконтроллеров разных типов указаны в приложении П2. Функции этих выводов описываются при рассмотрении устройств, в работе которых они используются.
В состав процессора (CPU) входят:
■ счетчик команд (PC);
■ арифметико-логическое устройство (ALU);
■ блок регистров общего назначения (GPR, General Purpose Registers) и другие элементы, не показанные на схеме рис. 1.
Кроме регистров общего назначения в микроконтроллере имеются регистры специальных функций, которые в семействе AVR называются регистрами ввода-вывода (I/О Registers, IOR). С участием этих регистров осуществляются:
■ управление работой микроконтроллера и отдельных его устройств;
■ определение состояния микроконтроллера и отдельных его устройств;
■ ввод данных в микроконтроллер и отдельные его устройства и вывод данных и выполняются другие функции.
Структура микроконтроллера
Таблица 1
| Тип МК | Flash (байт) | ISP | SRAM (байт) | EEPROM (байт) | ERAM | IOR | P | I/O | ALT | SPI | UART | TWSI | T/C0 | T/C1 | T/C2 | ADC | AC | PHM | IU | Тип МК |
| t11 | 1K | 14 | 1 | 6 | 6 | A | + | 5 | t11 | |||||||||||
| t12 | 1K | + | 64 | 18 | 1 | 6 | 6 | A | + | 6 | t12 | |||||||||
| t15 | 1K | + | 64 | 27 | 1 | 6 | 6 | A | B | 4 | + | 9 | t15 | |||||||
| 2323 | 2K | + | 128 | 128 | 17 | 1 | 3 | 2 | A | 3 | 2323 | |||||||||
| 2343 | 2K | + | 128 | 128 | 17 | 1 | 5 | 3 | A | 3 | 2343 | |||||||||
| 1200 | 1K | + | 64 | 18 | 2 | 15 | 4 | A | + | 4 | 1200 | |||||||||
| 2313 | 2K | + | 128 | 128 | 32 | 2 | 15 | 10 | + | A | D | + | 11 | 2313 | ||||||
| t28 | 2K | 17 | 3 | 20 | 6 | A | + | + | 6 | t28 | ||||||||||
| 4433 | 4K | + | 128 | 256 | 44 | 3 | 20 | 20 | + | + | A | D | 6 | + | 14 | 4433 | ||||
| 8515 | 8K | + | 512 | 512 | + | 45 | 4 | 32 | 31 | + | + | A | E | + | 13 | 8515 | ||||
| 8535 | 8K | + | 512 | 512 | 54 | 4 | 32 | 26 | + | + | A | E | C | 8 | + | 17 | 8535 | |||
| m163 | 16K | + | 1024 | 512 | 63 | 4 | 32 | 28 | + | + | + | A | E | C | 8 | + | 18 | m163 | ||
| m103 | 128K | + | 4000 | 4K | + | 60 | 6 | 48 | 47 | + | + | C | E | B | 8 | + | 24 | m103 |
Для нумерации регистров ввода-вывода используются номера от О до 63 (от $00 до $3F, где $ — указатель шестнадцатеричного кода). Каждому регистру присвоено имя, связанное с выполняемой этим регистром функцией. Микроконтроллеры разных типов имеют разный состав регистров ввода-вывода, при этом регистры с одинаковыми номерами могут иметь разные имена. Число регистров ввода-вывода у микроконтроллеров разных типов указано в табл. 1.1, в колонке IOR. Имена и номера регистров ввода-вывода у микроконтроллеров разных типов приведены в приложении П4. Функции, выполняемые регистрами ввода-вывода, описываются при рассмотрении устройств, в работе которых они участвуют.
Работа некоторых устройств микроконтроллера зависит от состояния дополнительных однобитовых запоминающих элементов — установочных битов (Fuse Bits). Исходные значения установочных битов записываются на заводе-изготовителе. Значение установочного бита может быть изменено только при программировании микроконтроллера. В приложении П6 перечислены установочные биты в микроконтроллерах разных типов и указаны их исходные значения. Функции установочных битов рассматриваются при описании устройств, работа которых зависит от их значения.
2. Генератор тактового сигнала
Микроконтроллеры семейства AVR являются устройствами синхронного типа. Действия, выполняемые в микроконтроллере, привязаны к импульсам тактового сигнала. Микроконтроллеры имеют полностью статическую структуру и могут работать при тактовой частоте от 0 Гц. Максимальные значения тактовой частоты у микроконтроллеров разных типов и вариантов указана в приложении П1, в таблице Ш.З.
В качестве генератора тактового сигнала (GCK) используются:
■ внутренний генератор с внешним кварцевым или керамическим резонатором (XTAL);
■ внутренний RC-генератор (IRC);
■ внутренний генератор с внешней RC-цепочкой (ERC);
■ внешний генератор (ЕХТ).
Генераторы тактового сигнала, используемые в микроконтроллерах разных типов, указаны в табл. 2.
У микроконтроллеров, имеющих внутренний генератор с внешним резонатором (XTAL), резонатор подключается к выводам XTAL1 и XTAL2, которые через конденсаторы малой емкости (20—30 пФ) соединяются с тиной GND. Тактовая частота определяется рабочей частотой резонатора. У микроконтроллера типа t28 при нулевом значении установочного бита INTCAP подключение выводов XTAL1 и XTAL2 к шине GND выполняется через внутренние конденсаторы емкостью 50 пФ.
Таблица 2
| Тип | ТипМК | ||||||||||||
| GCK | П1 | t12 | t15 | 2323 | 2343 | 1200 | 2313 | t28 | 4333 | 8515 | 8535 | m163 | m103 |
| XTAL | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | +* | ||
| IRC | + | +* | +* | + | + | +* | +* | ||||||
| ERC | + | + | + | + | |||||||||
| ЕХТ | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | |
| * — возможно изменение частоты программными средствами | |||||||||||||
У микроконтроллеров типа t1l и tl2 в качестве выводов XTAL1 и XTAL2 используются выводы РВЗ и РВ4.
Внешний генератор (ЕХТ) подключается к выводу XTAL1, при этом вывод XTAL2 остается неподключенным. У микроконтроллера типа 2343, не имеющего выводов XTAL, внешний генератор подключается к выводу РВЗ.
В генераторах с RC-цепочкой тактовая частота определяется параметрами цепочки, но изменяется в значительных пределах при изменении напряжения питания микроконтроллера.
В микроконтроллерах типа 2343 и 1200 внутренний RC-генератор (IRC) используется при нулевом значении установочного бита RCEN.
В микроконтроллерах типа t1l, tl2, t28 и ml63 выбор генератора для работы определяется комбинацией значений установочных битов CKSEL. У микроконтроллеров типа t1l таких битов три (CKSEL2 — 0), у микроконтроллеров остальных типов — четыре (CKSEL3 — 0).
В табл. 3 приведены числа, двоичные коды которых являются комбинацией значений установочных битов CKSEL при выборе типа генератора. Биту CKSEL0 соответствует младший разряд двоичного кода.
Таблица 3
| Тип GCK | CKSEL2 — 0 | CKSEL3 — 0 |
| XTAL | 6,7 | 8—15 |
| IRC | 4 | 2—4 |
| ERC | 5 | 5—7 |
| ЕХТ | 0 | 0,1 |
В микроконтроллерах, имеющих внутренний генератор с внешней RC-цепочкой (ERC), резистор (3—100 кОм) подключается между выводом XTAL1 и шиной VCC, а конденсатор (не менее 20 пФ) — между выводом XTAL1 и шиной GND.
В микроконтроллерах типа t12, t15, t28 и m163 при использовании внутреннего RC-генератора тактовая частота может изменяться программными средствами путем изменения кода, записываемого в регистр OSCCAL. При записи кода $00 тактовая частота имеет наименьшее значение, при записи кода SFF — наибольшее значение.
В микроконтроллере типа ml03 программными средствами может изменяться тактовая частота генератора с кварцевым резонатором.
Значение тактовой частоты FCk определяется по формуле
где Fq — рабочая частота кварцевого резонатора; (XDIV.6 — 0) — число, двоичный код которого записан в младших семи разрядах регистра XDIV (№ $ЗС). Изменение тактовой частоты возможно при XDIV.7 = 1.
3. Процессор
Процессор (CPU) формирует адрес очередной команды, выбирает команду из памяти и организует ее выполнение. Код команды имеет формат "слово" (16 бит) или "два слова". Система команд микроконтроллеров семейства AVR рассматривается в главе 2.
В состав процессора кроме счетчика команд (PC), арифметико-логического устройства (ALU) и блока регистров общего назначения (GPR),изображенных на структурной схеме рис. 1, входят: