Разработка программной и аппаратной поддержки к методическим указаниям Программирование микроконтроллеров

работу МК и его памяти;

. мониторы отладки – специальная программа, загружаемая в память

отлаживаемой системы.

. платы развития (Evaluation Boards – оценочные платы) – своеобразные

конструкторы для макетирования прикладных систем;

. эмуляторы ПЗУ – программно-аппаратное средство, позволяющее заменить ПЗУ

отлаживаемого устройства на ОЗУ, в которое можно загрузить программу с

компьютера через один из стандартных каналов связи.

Помимо этого существуют и комбинированные устройства и наборы.

Симуляторы

Как правило, симулятор состоит из отладчика, модели ЦП и памяти. Более

совершенные устройства содержат в своем составе модели встроенных

периферийных устройств (таймеров, портов, АЦП и систем прерываний).

Симулятор должен уметь загружать файлы программ в всех популярных

форматах, максимально полно отображать информацию о состоянии ресурсов

симулируемого МК, а также предоставлять возможности по симуляции выполнения

загружаемой программы в различных режимах. В процессе отладки модель

выполняет программу, и на экране монитора компьютера отображается текущее

состояние модели.

Загрузив программу в симулятор, пользователь может запускать ее

пошаговом или непрерывном режиме, задавать условные или безусловные точки

останова, контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти

и регистров симулируемого МК. Симулятор позволяет быстро проверить логику

выполнения программы, правильность выполнения арифметических операций.

В зависимости от класса используемого отладчика некоторые модели

симуляторов поддерживают высокоуровневую отладку программ.

Симулятор может содержать и ряд дополнительных программных средств,

например интерфейс внешней среды. Наличие такого интерфейса позволяет

создавать и гибко использовать модель внешней среды МК, функционирующую и

воздействующую на отлаживаемую программу по заданному алгоритму.

В реальной системе МК обычно «занимается» считыванием информации с

подключенных к нему устройств (датчиков), обработкой ее и выдачи

управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для того чтобы в простом

симуляторе смоделировать работу датчика, нужно в ручную изменять текущее

состояние модели периферийного устройства, к которому в реальной системе

подключен датчик. Но существует ряд современных разработок программных

симуляторов, в которых чтобы имитировать внешние условия и ситуации, обычно

используется специальный файл входных воздействий. Этот файл задает

последовательность входных сигналов, поступающих на моделируемое

устройство.

К примеру, для микроконтроллеров AVR этот входной файл программного

симулятора может выглядеть следующим образом:

000000000:00

000000006:F1

000000015:18

000000109:1C

000000203:61

000000250:10

000000344:1F

000000391:71

999999999:ff

где каждая строка содержит – цикл:данные , поступающие на какой либо

указанный порт.

В некоторых моделях симуляторов эта проблема имитации внешних сигналов

решена таким образом, что симулятор имеет встроенное средство для создания

моделей подключенных к МК внешних устройств, включая средства графического

отображения информации.

Очевидная особенность программных симуляторов в том, что загруженные в

них программы выполняются в масштабе времени, отличном от реального. Однако

низкая цена, возможность отладки даже при отсутствии макета отлаживаемого

устройства делают программные симуляторы весьма привлекательным средством

отладки. Необходимо также отметить, что существует целый класс ошибок,

которые можно обнаружить только с помощью симулятора.

Интегрированные среды разработки

Идея единства программного и аппаратного обеспечения систем на базе МК

является очень важной. Объединение инструментальных средств разработки

программного обеспечения с инструментальными средствами разработки

аппаратного обеспечения может стать важным преимуществом при разработке

устройств.

Существенно облегчают и ускоряют процесс разработки и отладки

микропроцессорных систем, так называемые интегрированные среды разработки.

Они совмещают в себе текстовый редактор для написания исходных текстов,

трансляторы с ассемблера и Си, линкер, отладчик, справочную информацию по

МК и другие средства, необходимые разработчику. Настройка трансляторов,

линкера и других компонентов производится не методом указания ключей в

командной строке, а в виде диалоговых окон, где нужно только расставить

«галочки» в нужных местах. Преобразование исходных текстов программ в файл

машинных кодов запускается нажатием одной клавишей.

Появление интегрированных сред разработки программ ещё больше повысило

эффективность создания программ для МК, позволило разработчику

сосредоточиться на сути решаемой задачи и отвлечься от конкретных деталей

ее реализации. Интегрированные пакеты для разработки программ выпускают

несколько фирм, пакеты разных производителей схожи между собой по функциям,

но различаются предоставляемыми сервисными возможностями, удобством работы

и качеством генерированного машинного кода.

Напомним, что при традиционном подходе начальный этап написания

программ строится следующим образом. Исходный текст набирают с помощью

какого либо текстового редактора. По завершению набора работа с текстовым

редактором прекращается и запускается кросс-компилятор. Как правило, новая

программ содержит синтаксические ошибки, и компилятор сообщает о них на

консоль оператора. Затем вновь запускается текстовый редактор, и оператор

ищет и устраняет выявленные ошибки. При этом сообщение об их характере,

выведенные компилятором уже не видны, так как экран занят текстовым

редактором.

Этот цикл может повторяться не один раз. И если программа относительно

сложна, собирается из различных частей, подвергается редактированию или

модернизации, то даже этот начальный этап может потребовать очень много сил

и времени программиста.

Избежать рутинной работы и тем самым существенно повысить

производительность труда программиста позволяет появившиеся и быстро

завоевывающие популярность так называемые интегрированные среды (оболочки)

разработки (Integrated Development Environment – IDE).

Как правило, хорошая интегрированная среда объединяет имеющиеся

средства отладки (внутрисхемный эмулятор, программный симулятор и

программатор) и обеспечивает работу программиста с текстами программ в

стиле диалоговых окон.

Интегрированная среда позволяет:

. использовать встроенный многофайловый текстовый редактор, специально

ориентированный на работу с исходными текстами программ;

. наблюдать одновременно в многооконном режиме диагностику выявленных при

компиляции ошибок и исходный текст программы доступный редактированию;

. вести параллельную работу над несколькими проектами. Менеджер проектов

позволяет использовать любой проект в качестве шаблона для вновь

создаваемого. Опции используемых компиляторов и список исходных файлов

проекта устанавливаются в диалоговых меню и сохраняются в рамках

проекта, устраняя необходимость работы с неудобными bat – файлами:

. подвергать перекомпиляции, только редактировавшиеся модули;

. загружать отлаживаемую программу в имеющиеся средства отладки и работать

с ними без выхода из оболочки;

. подключать к оболочки практически любые программные средства.

В последнее время функции интегрированных сред разработки становится

принадлежностью программных интерфейсов наиболее «продвинутых» эмуляторов и

отладчиков симуляторов. Такие функциональные возможности в сочетании с

дружественным интерфейсом существенно ускоряют работу программиста.

Таким образом, выбирая инструментальные средства отладки,

целесообразно принимать в расчет следующий комплекс показателей: перечень

поддерживаемых МК, ограничения на ресурсы эмулируемых/симулируемых МК,

возможность символьной отладки, перечень поддерживаемых компиляторов и,

наконец, сервисные возможности.

Язык Ассемблера.

Прежде чем начать разработку какого либо устройства на база МК очень

важно познакомиться с основами программирования на языке Ассемблера. При

создании приложений для МК следует не только освоить этот метод

программирования, но и научиться хорошо понимать, как шаг за шагом

выполняется ваша программа, и что при этом происходит в устройстве.

Чтобы процесс изучения языка, написание и отладка программ на

Ассемблере был более простым и понятным, существует несколько приемов. Во-

первых – использование визуализации процедур выполнения команд процессором.

Во-вторых – применение методов структурного программирования, чтобы сделать

программы более простыми для чтения и понимания.

Визуализацию выполнения команд лучше всего осуществлять, используя

структурную схему процессора или МК, на которой отмечается прохождение

данных при выполнении каждой команды. В результате обеспечивается хорошее

визуальное представление процесса выполнения команд.

Языки программирования высокого уровня.

Для программирования МК можно использовать различные языки высокого

уровня. Термин «язык высокого уровня» служит для обозначения языков,

используемых для написания легко читаемых программ, которые конвертируются

(компилируются) в язык ассемблера, а затем преобразуются в объектный код

(биты и байты) для их выполнения микроконтроллером.

Перечислим основные характеристики языков высокого уровня:

. наличие встроенных функций (например, консольный ввод/вывод) с

подключаемыми библиотеками;

. разнообразные типы данных (8-, 16-, 32-битные и с плавающей

точкой);

. выполнение арифметических операций с использованием стека;

. использование локальных и глобальных переменных, указателей и

структур данных;

. распределение памяти;

. доступ к аппаратным регистрам;

. символическая информация для симулятора/эмулятора.

Реализация этих характеристик может быть проблематичной для

встраиваемых МК, которые обладают следующими особенностями:

. ограниченный объем памяти программ ROM и памяти данных RAM;

. отсутствие BIOS или операционной системы;

. переопределяемый ввод/вывод (когда вывод может использоваться как

цифровой/аналоговый/последовательный вход/выход).

Таким образом, использование ассемблера необходимо, если к размеру и

быстродействию генерируемого кода предъявляются очень жесткие требования. В

настоящее время таких случаев становится все меньше и меньше, т.к.

практически всегда можно взять более «быстрый» МК с большим объемом памяти.

Кроме того, современные пакеты кросс средств позволяют легко писать

смешанные программы, где часть модулей написана на Си, а наиболее критичные

к быстродействию части – на ассемблере. Компиляторы Си позволяют также

вставлять в исходные тексты ассемблерные инструкции.

При разработке программного обеспечения для МК существует несколько

правил, которые следует выполнять, чтобы объем используемых ресурсов не

превысил доступный предел.

1. Использовать только один вид интерфейса с аппаратными средствами

(внешними устройствами). Применения различных интерфейсов создает

проблемы, если потребуется подключать другие типы внешних

устройств.

2. Идентифицировать глобальные переменные, специфичные для

подпрограмм, и не использовать их где-нибудь еще в коде.

3. Использовать везде, где возможно, локальные переменные (это можно

реализовать только в языках высокого уровня).

4. Если предполагается наличие временно используемых переменных, то

программа должна обеспечить их уникальное использование.

Следование этим правилам при разработке прикладных программ избавит

вас в дальнейшем от проблем, связанных с устранением трудно выявляемых

неустойчивых ошибок в программе.

1.4. Основные типы интерфейсов МК.

1.4.1. Подключение переключателей и подавление «звона» контактов.

При замыкании и размыкании переключателей в цепи возникают импульсные

помехи, вызванные дребезгом контактов. Эти помехи обычно называют «шумом»

или «звоном». Такое явление часто возникает в системах на базах МК, где для

ввода данных используется клавиатура, и «звон» может восприниматься как

многократное нажатие клавиши (см. рис. 1.7). «Звон» возникает при установке

и разрыве контакта путем нажатия на клавишу.

а) б)

Рис. 1.7. а) схема ключа; б) дребезг контактов.

Чтобы устранить данный эффект, используются специальные схемы или

программные методы для подавления «звона». Один из простых схемотехнических

способов устранения «звона» состоит в подключении RC-цепи. В этой схеме

время, требуемое для заряда разряда конденсатора до порогового напряжения,

маскирует «звон» контактов при переключении. Можно также установить триггер

Шмитта между схемой ключа и МК, чтобы усилить эффект подавления «звона».

Недостатки этого метода – дополнительные затраты на компоненты, которые

должны быть установлены на плате, и дополнительное время, требуемое для

заряда/разряда RC-цепи. Все это может затруднить использование данной

схемы, так как для некоторых ключей с большим уровнем шумов дополнительная

задержка может составить десятые доли секунды. Значительно лучший способ

избавиться от «звона» – сделать это программно. Если уровень напряжения на

выходе ключа не изменяется в течении 20мс, то можно считать, что «звон»

окончился, и больше изменения состояний не ожидается.

1.4.2. Световая индикация.

Очень часто вывод данных реализуются с помощью светодиодов LED (Light

Emitting Diode), которые достаточно дешевы и легко подключаются к МК.

Обычно для свечения светодиода требуется ток более 16 мА, что для

большинства МК находится в диапазоне допустимых значений выходных токов.

Следует помнить, что светодиод является диодом, пропуская ток только в

одном направлении.

Типичная схема подключения светодиода к выводу МК показана на рис.

1.8. В этой схеме светодиоды будут светиться когда МК выдает сигнал «0»

(низкое напряжение). Когда вывод работает в качестве входа данных или на

него выводится «1», то светодиод будет выключен.

Резистор сопротивлением 220 Ом используется для ограничения тока, т.к.

слишком большой ток может вывести из строя МК и светодиод. Некоторые МК

содержат ограничители тока на выходных линиях, что устраняет потребность в

ограничивающем резисторе. Но все же целесообразно, на всякий случай,

включить этот резистор, чтобы гарантировать, что короткое замыкание на

«землю» или напряжение питания Vcc, не выведет из строя МК.

Рис. 1.8. Подключение светодиода к микроконтроллеру.

Семи сегментный индикатор.

Вероятно самый простой вывод числовых десятичных и шестнадцатеричных

данных – это использование семи сегментного индикатора (ССИ). Такие

индикаторы были очень популярны в 70х годах, но в последствии их место

заняли жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ). Но светодиодные индикаторы до

сих пор являются полезными приборами, которые могут быть включены в схему

без больших усилий для создания программного обеспечения. Включая

определенные светодиоды (зажигая сегменты), можно выводить десятичные числа

(см. рис. 1.9).

Каждый светодиод в индикаторе имеет свой буквенный идентификатор (A,

B, C, D, E, F, G), и одна из ножек светодиода подключена к соответствующему

внешнему выводу. Вторые ножки всех светодиодов соединены вместе и

подключены к общему выводу. Этот общий вывод определяет тип индикатора: с

общим катодом или с общим анодом.

Подключение индикатора к МК осуществляется весьма просто: обычно

индикатор подключают как семь или восемь (если используется десятичная

точка) независимых светодиодов. Наиболее важной частью работы при

подключении к МК нескольких ССИ является назначения линий вводе вывода для

каждого светодиода. Решение этой задачи в начале выполнения проекта

упростит вам монтаж разводки и отладку устройств в дальнейшем. Типичный

способ подключения нескольких индикаторов состоит в том, чтобы включить их

параллельно и затем управлять протеканием тока через общие выводы отдельных

индикаторов. Так как величина этого тока обычно превышает допустимое

значение выходного тока МК, то для управления оком включается

дополнительные транзисторы, которые выбирают, какой из индикаторов будет

находиться в активном состоянии.

Рис. 1.9. Семи сегментный индикатор.

На рис. 1.10 показано подключение к МК четырех ССИ. В этой схеме МК

выдает данные для индикации, последовательно переходя от одного индикатора

к другому. Каждая цифра будет высвечиваться в течении очень короткого

интервала времени. Это обычно выполняется с помощью подпрограммы

обслуживания прерываний таймера. Чтобы избежать мерцания изображения,

подпрограмма должна выполняться со скоростью, обеспечивающий включение

индикатора, по крайней мере, 50 раз в секунду. Чем больше цифр, тем чаще

должны следовать прерывания от таймера. Например, при использовании восьми

ССИ цифры должны выводиться со скоростью 400 раз в секунду.

Рис. 1.10. Подключение к МК четырех ССИ.

1.4.3. Ввод с матричной клавиатуры.

Во многих приложениях требуется производить ввод данных с клавиатуры.

Это может быть реализовано при помощи отдельных кнопок, но такой подход

слишком расточителен с точки зрения использования линий ввода/вывода МК.

Лучшим решением является использование матричной клавиатуры, которая

представляет собой набор ключей, объединенных в ряды и столбцы (см. рис.

1.11).

Рис. 1.11. Подключение к МК матричной клавиатуры.

Для чтения состояния определенного ключа на столбец подается сигнал, а

затем считывается состояние рядов. Обычно ряды подключаются к высокому

потенциалу, а опрашиваемый столбец соединяется с землей. Если при

сканировании считывается низкий уровень сигнала, то это означает, что ключ

в данной позиции ряд-столбец замкнут. На рис. 1.11 показаны два МОП-

транзистора, которые используются для подключения столбцов к земле. Но в

некоторых МК выводы могут работать в режиме с открытым коллектором, и

следовательно имитировать работу этих транзисторов, делая их включение

ненужным.

Матричная клавиатура может быть расширена практически до любого

размера, используя при этом небольшое число выводов МК. Например, 104-

клавишная клавиатура ПК – это матрица, содержащая 13х8 ключей.

2. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ ФИРМЫ

ATMEL СЕМЕЙСТВА AVR

2.1. Архитектура микропроцессорного ядра AVR-микроконтроллеров

Архитектура AVR была оптимизирована так, чтобы соединить достоинства

Гарвардской и Принстонской (Фон Неймана) архитектуры для достижения очень

быстрого и эффективного выполнения программ. Такая организация обеспечивает

высокую эффективность процессора при обработке данных.

Основной идеей всех RISC (Reduced Instruction Set Computer), как

известно, является увеличение быстродействия за счет сокращения количества

операций обмена с памятью программ. Для этого каждую команду стремятся

уместить в одну ячейку памяти программ. При ограниченной разрядности ячейки

памяти это неизбежно приводит к сокращению набора команд микропроцессора.

У AVR-микроконтроллеров в соответствии с этим принципом практически

все команды (исключая те, у которых одним из операндов является 16-

разрядный адрес) также упакованы в одну ячейку памяти программ. Но сделать

это удалось не за счет сокращения количества команд процессора, а путем

расширения ячейки памяти программ до 16 разрядов. Такое решение является

причиной богатства системы команд AVR по сравнению с другими RISC-

микроконтроллерами.

Организация памяти AVR выполнена по схеме Гарвардского типа, в которой

разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных,

но также и шины доступа к ним. Для более углубленного понимания архитектуры

приведем две схемы (см. рис. 2.1 и 2.2).

Вся программная память AVR-микроконтроллеров выполнена по технологии

FLASH и размещена на кристалле. Она представляет собой последовательность

16-разрядных ячеек и имеет емкость от 512 слов до 64K слов в зависимости от

типа кристалла.

Разделение шин доступа (рис. 2.2.) к FLASH памяти и SRAM памяти дает

возможность иметь шины данных для памяти данных и памяти программ различной

разрядности, а также использовать технологию конвейеризации. Конвейеризация

заключается в том, что во время исполнения текущей команды программный код

следующей уже выбирается из памяти и дешифрируется.

Рис. 2.1. Архитектура AVR-микроконтроллеров.

Рис. 2.2. Структурная схема архитектуры процессора семейства AVR.

Для сравнения вспомним, что у микроконтроллеров семейства MCS-51

выборка кода команды и ее исполнение осуществляются последовательно, что

занимает один машинный цикл, который длится 12 периодов кварцевого

резонатора.

В случае использования конвейера приведенную длительность машинного

цикла можно сократить. Например, у PIC-микроконтроллеров фирмы Microchip за

счет использования конвейера удалось уменьшить длительность машинного цикла

до 4 периодов кварцевого резонатора. Длительность же машинного цикла AVR

составляет один период кварцевого резонатора. Таким образом, AVR способны

обеспечить заданную производительность при более низкой тактовой частоте.

Именно эта особенность архитектуры и позволяет AVR-микроконтроллерам иметь

наилучшее соотношение энергопотребление/производительность, так как

потребление КМОП микросхем, как известно, определяется их рабочей частотой

[9,11].

Программная модель AVR и система команд.

На рисунке 2.3 изображена программная модель AVR-микроконтроллеров,

которая представляет собой диаграмму программно доступных ресурсов AVR.

Центральным блоком на этой диаграмме является регистровый файл из 32

оперативных регистров (R0-R31) или как их обычно называют регистры общего

назначения (РОН). Все РОН непосредственно доступны АЛУ. Старшие регистры

(см. рис. 2.4.) объединены парами и образуют три 16-разрядных регистра,

предназначенных для косвенной адресации ячеек памяти (AVR без SRAM имеют

только один 16-битный регистр Z).

Рис. 2.3. Программная модель AVR-микроконтроллеров.

Регистровый файл, блок регистров ввода/вывода и оперативная память,

как показано на рис. 2.3, образуют единое адресное пространство, что дает

возможность при программировании обращаться к 32 оперативным регистрам и к

регистрам ввода/вывода как к ячейкам памяти, используя команды доступа к

SRAM (в том числе и с косвенной адресацией) [8].

Все арифметические и логические операции, а также часть операций

работы с битами выполняются в АЛУ только над содержимым РОН. Следует

обратить внимание, что команды, которые в качестве второго операнда имеют

константу (SUBI, SBCI, ANDI, ORI, SBR, CBR), могут использовать в качестве

первого операнда только регистры из второй половины РОН (R16-R31). Команды

16-разрядного сложения с константой ADIW и вычитания константы SBIW в

качестве первого операнда используют только регистры R24, R26, R28, R30.

Рис. 2.4. Регистровый файл или РОН.

Во время выполнения арифметических и логических операций или операций

работы с битами АЛУ формирует те или иные признаки результата операции, то

есть устанавливает или сбрасывает биты в регистре состояния SREG (Status

Register) (см. рис. 2.5).

Признаки результата операции могут быть затем использованы в программе

для выполнения дальнейших арифметико-логических операций или команд

условных переходов.

Адресация регистров ввода/вывода и памяти SRAM.

Регистры ввода/вывода, также изображенные на рис. 1, представляют

собой набор регистров управления процессорного ядра и регистров управления

и данных аппаратных узлов AVR-микроконтроллера. Регистрами ввода/вывода

являются регистры SREG, MCUSR и указатель стека SPH:SPL а также регистры,

управляющие системой прерывания микроконтроллера, режимами подключения

EEPROM памяти, сторожевым таймером, портами ввода/вывода и другими

периферийными узлами. Изучение данных регистров удобно выполнять

одновременно с изучением конкретного периферийного узла.

Все регистры ввода/вывода могут считываться и записываться через РОН

при помощи команд IN, OUT (см. группу команд передачи данных приложение 1).

Регистры ввода/вывода, имеющие адреса в диапазоне $00 - $1F (знак $

указывает на шестнадцатеричную систему счисления), обладают возможностью

побитовой адресации. Непосредственная установка и сброс отдельных разрядов

этих регистров выполняется командами SBI и CBI (см. группу команд работы с

битами приложение 1). Для признаков результата операции, которые являются

битами регистра ввода/вывода SREG, имеется целый набор команд установки и

сброса. Команды условных переходов в качестве своих операндов могут иметь

как биты-признаки результата операции, так и отдельные разряды побитно

адресуемых регистров ввода/вывода.

На рис. 2.3 показано распределение адресов в едином адресном

пространстве. Младшие 32 адреса ($0 - $1F) соответствуют оперативным

регистрам т.е. РОН. Следующие 64 адреса ($20 - $5F) зарезервированы для

регистров ввода/вывода. Внутренняя SRAM у всех AVR начинается с адреса $60.

Таким образом, регистры ввода/вывода имеют двойную нумерацию. Если

используются команды IN, OUT, SBI, CBI, SBIC, SBIS, то следует использовать

нумерацию регистров ввода/вывода, начинающуюся с нуля (назовем ее

основной). Если же к регистрам ввода/вывода доступ осуществляется как к

ячейкам памяти, то необходимо использовать нумерацию единого адресного

пространства оперативной памяти данных AVR. Очевидно, что адрес в едином

адресном пространстве памяти данных получается путем прибавления числа $20

к основному адресу регистра ввода/вывода.

Для хранения оперативных данных программист, кроме РОН, может

использовать внутреннюю и внешнюю (если они имеются) блоки SRAM (см.

рис. 2.3).

Работа с внешней SRAM может быть программно разрешена/запрещена

установкой/сбросом бита SRE в регистре ввода/вывода MCUSR.

Операции обмена с внутренней оперативной памятью AVR-микроконтроллер

выполняет за два машинных цикла. Доступ к внешней SRAM требует одного

дополнительного цикла на каждый байт по сравнению с внутренней памятью.

Кроме того, установкой бита SRW в регистре ввода/вывода MCUSR можно

программно увеличить время обмена с внешней SRAM еще на один дополнительный

машинный цикл ожидания.

Выполнять арифметико-логические операции и операции сдвига

непосредственно над содержимым ячеек памяти нельзя. Нельзя также записать

константу или очистить содержимое ячейки памяти. Система команд AVR

позволяет лишь выполнять операции обмена данными между ячейками SRAM и

оперативными регистрами. Достоинством системы команд можно считать

разнообразные режимы адресации ячеек памяти. Кроме прямой адресации имеются

следующие режимы: косвенная, косвенная с пост-инкрементом, косвенная с пре-

декрементом и косвенная со смещением.

Поскольку внутренняя и внешняя SRAM входят в единое адресное

пространство (вместе с оперативными регистрами и регистрами ввода/вывода),

то для доступа к ячейкам внутренней и внешней памяти используются одни и те

же команды.

Следует отметить, что регистры ввода/вывода не полностью используют

отведенные для них 64 адреса. Неиспользуемые адреса зарезервированы для

будущих применений, дополнительных ячеек памяти по этим адресам не

существует.

Программный счетчик и стек

В ячейках оперативной памяти организуется системный стек, который

используется автоматически для хранения адресов возврата при выполнении

подпрограмм, а также может использоваться программистом для временного

хранения содержимого оперативных регистров (команды PUSH и POP). В начале

любой программы необходимо инициализировать стек программными средствами,

т.е. занести в Указатель Стека (Stack Pointer) начальное значение, равное

самому старшему адресу ячейки в оперативной памяти. Микроконтроллеры, не

имеющие SRAM, содержат трехуровневый аппаратный стек.

Следует иметь в виду, что если стек располагается во внешней SRAM, то

вызовы подпрограмм и возвраты из них требуют двух дополнительных циклов,

если бит SRW не установлен, и четырех, если установлен.

Размер стека, организуемого в оперативной памяти, ограничен лишь

размерами этой памяти. Если микроконтроллер содержит на кристалле 128 байт

внутренней SRAM и не имеет возможности подключения внешней SRAM, то в

качестве указателя вершины стека используется регистр ввода/вывода SPL.

Если есть возможность подключения внешней памяти или внутренняя память

имеет размеры 256 байт и больше, то указатель стека состоит из двух

регистров ввода/вывода SPL и SPH.

При занесении числа в стек автоматически выполняются следующие

действия:

1. Число записывается в ячейку памяти по адресу, хранящемуся в указателе

стека. (SPH:SPL) число.

Таким образом, стек растет от старших адресов к младшим, поэтому,

учитывая, что начальное значение указателя стека после сброса равно нулю,

программист AVR обязательно должен в инициализирующей части программы

позаботиться об установке указателя стека, если он предполагает

использовать хотя бы одну подпрограмму.

Кроме оперативной памяти программно доступными ресурсами

микроконтроллера являются энергонезависимые, электрически программируемые

FLASH и EEPROM блоки памяти, которые имеют отдельные адресные пространства.

Младшие адреса памяти программ имеют специальное назначение. Адрес

$0000 является адресом, с которого начинает выполняться программа после

сброса процессора. Начиная со следующего адреса $0001, ячейки памяти

программ образуют область векторов прерывания. В этой области для каждого

возможного источника прерывания отведен свой адрес, по которому (в случае

использования данного прерывания) размещают команду относительного перехода

RJMP на подпрограмму обработки прерывания (см. рис. 2.3). Следует помнить,

что адреса векторов прерывания одних и тех же аппаратных узлов для разных

типов AVR могут иметь разное значение. Поэтому для обеспечения

переносимости программного обеспечения удобно, так же как и в случае с

регистрами ввода/вывода, использовать символические имена адресов векторов

прерывания, которые определены в соответствующем inc-файле.

EEPROM блок электрически стираемой памяти данных AVR предназначен для

хранения энергонезависимых данных, которые могут изменяться непосредственно

на объекте. Это калибровочные коэффициенты, различные установки,

конфигурационные параметры системы и т. п. EEPROM-память данных может быть

программным путем как считана, так и записана. Однако специальных команд

обращения к EEPROM-памяти нет. Чтение и запись ячеек EEPROM выполняется

через регистры ввода/вывода EEAR (регистр адреса), EEDR (регистр данных) и

EECR (регистр управления).

Регистр состояния.

Регистр состояния – SREG является частью пространства ввода/вывода и

расположен по адресу $3F. В нем устанавливаются признаки результата

арифметических операций. Отдельные биты регистра имеют следующее назначение

(см. рис. 2.5)

Рис. 2.5. Регистр состояния SREG (Status Register).

Рассмотрим некоторые из признаков:

. Бит 0 – С (carry) Флаг переноса. Устанавливается, если во время

выполнения операции был перенос из старшего разряда результата;

. Бит 1 – Z (zero) Флаг нулевого результата. Устанавливается, если

результат операции равен 0;

. Бит 2 – N Флаг отрицательного результата. Устанавливается, если MSB

(Most Significant Bit - старший бит) результата равен 1 (правильно

показывает знак результата, если не было переполнения разрядной сетки

знакового числа);

. Бит 3 – V Флаг переполнения дополнения до двух. Устанавливается, если во

время выполнения операции было переполнение разрядной сетки знакового

результата;

. Бит 4 – : Бит знака, S = N XOR V. Бит S всегда равен исключающему ИЛИ

между флагами N (отрицательный результат) и V (переполнение дополнения

до двух). Правильно показывает знак результата и при переполнении

разрядной сетки знакового числа;

. Бит 5 – H Флаг половинного переноса. устанавливается, если во время

выполнения операции был перенос из 3-го разряда результата.

. Бит 6 - T: Хранение копируемого бита. Команды копирования битов BLD (Bit

LoaD) и BST (Bit STore) используют этот бит как источник и приемник

обрабатываемого бита. Бит из регистра регистрового файла может быть

скопирован в T командой BST, бит T может быть скопирован в бит

регистрового файла командой BLD.

. Бит 7 - I: Общее разрешение прерываний. Для разрешения прерываний этот

бит должен быть установлен в единицу. Управление отдельными прерываниями

производится регистром маски прерываний - GIMSK/TIMSK. Если флаг сброшен

(0), независимо от состояния GIMSK/TIMSK, прерывания не разрешены. Бит I

очищается аппаратно после входа в прерывание и восстанавливается

командой RETI, для разрешения обработки следующих прерываний.

Прерывания.

Описать, что происходит внутри процессора во время выполнения

прерывания очень просто. Если произошел запрос прерывания, и флаг I в

регистре состояния установлен в 1, то адрес следующий команды сохраняется в

стеке, а выполнения программы продолжается с адреса, хранящимся в

соответствующем векторе прерывания. Когда запрос прерывания получен, и

программа перешла по этому вектору (адресу), флаг I сбрасывается в 0, чтобы

предотвратить возможность вызова нового прерывания во время обработки

текущего прерывания.

Флаг I будет снова установлен в 1 в конце обработчика прерывания,

когда выполняется команда возврата RETI. Он также может быть установлен в 1

в процессе обработки (после сохранения контекстовых регистров), чтобы

разрешить вложенные прерывания. Средние и старшие модели AVR могут

обрабатывать столько вложенных прерываний, на сколько хватит объема стека

для хранения содержимого счетчика команд и регистров контекста. Младшие

модели имеют ограниченный объем стека (три позиции), который может быстро

переполниться при выполнении вложенных прерываний или подпрограмм.

Страницы: 1, 2, 3, 4