AVR mikroprotsessor (0)

Tallinna Polütehnikum
AVR mikroprotsessor
Referaat
Koostja Deniss Skrabutenass
AA-12
Tallinn 2014

Sisukord

Analoog komparaator 3
CPU 4
EEPROM 4
Välised katkestused 5
Portid (B , C ,D ) 6
SPI 7
Timer Counter (0, 1 ja 2) erinevused 7
TWI 7
Watchdog 8
Kasutatud lingid 9

Analoog- digitaal konverter
Analoog-digitaal muundur (ADC) muundab analoogpinge väärtuse digitaalseks väärtuseks. AVR-i ADC analoogpinge sisend on lubatud 0-5.5V piires. Digitaalne väärtus on 10- bitine , kuid selle täpsus on ±2 ühikut. Viga võib veelgi kasvada kui kiibi toitepinget häirete eest ei kaitsta. ADC jaoks on AVR-il eraldi toite ja võrdluspinge viik. Eraldi toide on mürakindluse pärast ja see ei tohi kiibi toitepingest (üle 0.3V) erineda. Võrdluspinge määrab maksimaalse digitaalse väärtuse. Ehk kui võrdluspinge on 3V siis sama pingega sisend annab väärtuseks 2 astmes 10 miinus 1 ehk 1023 .
AVR-i ADC töötab võrdlusmeetodil (Successive Approximation ADC). Lühidalt öeldes toimub mõõdetava pinge võrdlemine kindlate nivoopingetega ja tulemuste esitamine tõeväärtuste-, ehk bitijadana. See meetod võtab aga aega - iga biti leidmine lõppväärtuses toimub eraldi. AVR-il kulub töö ajal 13 takti ühe mõõtmise tegemiseks ja 25 takti kõige esimesel mõõtmisel (käivitusel). Need taktid pole aga kontrolleri töötaktid vaid spetsiaalselt ADC üksuse jaoks sagedusjaguriga saadud. Maksimaalse täpsuse saamiseks peaks ADC takt olema 50-200 kHz. Kõrgemal taktil kaob täpsus, kuid vahel on ka mõõtmiste suur arv olulisem kui täpsus. Ühele mõõtmisele kuluvaks ajaks on AVR-i dokumentatsioonis antud 13-260 µs.
Mõõtetulemust saab kasutaja lugeda 8- ja 10- bitisena. Kuna AVR on 8-bitine, siis ADC mõõteväärtuste jaoks on sel kaks 8-bitist registrit . Seadistustes saab määrata kas 10 bitisest väärtusest 2 esimest või 2 viimast bitti lähevad eraldi registrisse . Kui eraldatakse 2 noorimat, ehk tulemust vähem iseloomustavat bitti, saab mõõtetulemuse 8-bitisena lugeda - sellist kombinatsiooni nimetatakse vasak-asetusega mõõtetulemuseks ( Left align). Testpidist kombinatsiooni, kus kaht tulemusregistrit lugedes tekib 10-bitine arv, nimetatakse parem-asetusega mõõtetulemuseks (Right align).

Analoog komparaator

AVR-i komparaator võrdleb kahe analoogpinge väärtust 0-5.5 voldi ulatuses. Tulemusena saadakse tõeväärtus selle kohta, kas esimene pinge on teisest kõrgem või mitte. Üheks võrdlusnivooks on olenevalt kontrollerist võimalik võtta ka kontrolleri-siseselt fikseeritud pinge. Komparaatori saab panna katkestust tekitama kas võrdluse tulemusena saadud tõeväärtuse suvalise muutumise, tõeseks muutumise või vääraks muutumise peale.
Kui kasutada AVR-i millel on analoog-digitaal muundur saab tõenäoliselt kasutada ka võimalust ühe võrdluspinge valimist mõnest muunduri sisendist.

CPU

Arhitektuur
Välkmälu, EEPROM ja SRAM on integreeritud ühele kiibile, mis kõrvaldab üldjuhul vajaduse välise mälu jaoks. Mõnedel kiipidel on paralleelühenduse võimalus, mille läbi on võimalik külge ühendada lisamälu. Peaaegu kõigil (välja arvatud kõige väiksematel TinyAVR seeria mikrokontrolleritel) on jadaühenduse võimalus, mille abil saab ühendada suurema EEPROMi või välkmälu.
Programmimälu
Programmi käsustik paikneb muutumatus välkmälus. Kuigi tegemist on 8-bitiste mikrokontrolleritega, on iga käsk üks või kaks 16-bitist andmesõna.
Programmimälu suurus on üldjuhul ära märgitud ka nimetuses (näiteks ATmega64x seerial on 64 kB välkmälu, ning ATmega32x seerial 32 kB).
AVRi kiipidel pole tuge toetamaks programmi paiknemist välisel mälul, ehk kogu töötav kood peab paiknema sisemisel välkmälul. Ainsaks erandiks sellele on AT94 FPSLIC AVR/ FPGA kiibid.
Sisemine andmemälu
Aadressiruum koosneb protsessori registritest, sisend-väljund registritest ja SRAMist.
Sisemised registrid
AVRidel on 32 ühebaidist protsessori registrit ja neid klassifitseeritakse 8-bitisteks RISC seadmeteks.
Enamikul juhtudest on protsessori kasutuses olevad registrid esimesel 32-l mäluaadressil (000016-001F16), millele järgnevad 64 sisend-väljund registrit (002016-005F16).
SRAM algab pärast ülalmainitud registreid (aadress 006016). Sisend-väljund registrid võivad mõnel juhul olla suuremad olla, mis juhul võtavad nad osa SRAMi aadressiruumist.
Kuigi on olemas eraldi aadresserimissüsteemid protsessori ja sisend-väljund registritele ligipääsuks, saab kõiki käsitleda sarnaselt SRAMiga.

EEPROM

Peaaegu kõigil AVR mikrokontrolleritel on sisemine EEPROM andmete püsivamaks salvestamiseks. Sarnaselt välkmäluga suudab EEPROM andmed säilitada ka siis, kui vool välja lülitada.
Enamikes AVR arhitektuuri versioonides pole EEPROM otseselt aadresseeritav ja seega pääseb sellele ligi sarnaselt väliste seadmetega. Kuna kasutada tuleb spetsiaalseid registreid ning lugemis- ja kirjutamiskäske, on suhtlus EEPROMiga tunduvalt aeglasem kui näiteks SRAMiga.
Kuna kirjutamisoperatsioonide arv EEPROMil on piiratud (Atmeli andmelehtede järgi umbes 100 000 kirjutamiskorda), peab hästi disainitud EEPROMi kirjutamisprotseduur võrdlema hetkel EEPROMis olevaid andmeid sinna kirjutatavaga ning ainult erinevuste korral sinna päriselt andmeid kirjutama, vähendades seeläbi kirjutamiste arvu.

Välised katkestused

Välised katkestused ( External Interrupt) on ühed lihtsaimad perifeeria funktsioonid. AVR-idel on tavaliselt 1 kuni 8 spetsiaalset viiku mille loogilise väärtuse muutumisel või kindlal olekul tekitatakse programmis katkestus. Kuna enamasti kasutatakse seda funktsiooni kontrolleriväliste loogikasignaalide jälgimiseks siis nimetataksegi vastavaid viike välise katkestuse viikudeks.
Välise katkestuse kasutamiseks tuleb viiku kasutada tavalises IO sisend-režiimis (võib ka väljund-režiimis kasutada aga siis saab katkestust tekitada vaid kontroller ise). Välise katkestuse seadistusregistrites tuleb ära märkida kas lubada katkestuste tekitamine ja mille peale seda teha. Võimalikke tekitajaid on neli:

• Loogiline null (pinge on 0V)
  
• Loogilise väärtuse muutus
  
• Langev front - loogiline muutus ühest nulli.
  
• Tõusev front - loogiline muutus nullist ühte.
  

Loogilise nulli valimisel katkestuse tekitamiseks, tekitatakse katkestust järjest senikaua kuni viigu väärtus on null ja samal ajal põhiprogrammil töötada ei lasta.
Väliseid katkestusi on tööpõhimõttelt kahte liiki: kontrolleri taktiga sünkroniseeritud ja asünkroonsed. Sünkroniseeritud katkestused toimivad sisendite väärtuse meelespidamise teel - see tähendab, et loogilised muutused leitakse kahel erineval taktil saadud väärtuste võrdlemise teel. Kui välise signaali loogilised muutused toimuvad kiiremini kui käib töötakt, siis katkestused ei teki õigesti või ei teki üldse. Asünkroonsed katkestused ei sõltu kontrolleri taktist ja võimaldavad natuke kiiremini muutuvat välist signaali - loogilist nivood peab signaal hoidma vähemalt 50ns. ATmega8-l on ainult 2 sünkroniseeritud välist katkestust.

Portid (B , C ,D )

Atmeli mikrokontrolleril mega88 on kolm sisend-väljundporti: port B (PB), port C (PC) ja port D (PD). PORT B (samamoodi nagu PORT C ja D ) on IO seade määratud väljaviikude seisundi manipuleerimiseks ja lugemiseks. Iga AVR mikrokontrollerite port käsitleb kuni 8 mikroskeemi jalga. AVR arhitektuuris pordi tööd määravad 3 IO registrit. Alustades mikroprotsessori programmeerimist, on portide konfigureerimine esimene ülesanne, sest enne kui mikrokontroller hakkab väliste seadmetega „ suhtlema “, peab olema ära määratud milliste väljaviikude kaudu liiguvad andmed mikrokontrollerisse sisse ja milliste väljaviikude kaudu liiguvad andmed mikrokontrollerist välja.
Võtame näiteks pordi B, mis koosneb kolmest registrist PORTB, DDRB ja PINB.
PORTB – B pordi väljundregister.
Kõik andmed mida tahetakse mikrokontrollerist välja saata, tuleb saata siia registrisse. Number 0x05 on registri PORTB nimi mikrokontrolleris. Selleks, et saata andmeid registrile PORTB, tuleb saata andmed aadressile 0x05. Väljundregistrisse saadetud andmed jõuavad väljundisse loomulikult ainult siis kui antud väljaviik on määratud väljundiks.
DDRB – B pordi suunaregister.
Selle registriga määratakse ära milline väljaviik on sisend ja milline väljund. Need väljaviigud mille kohapeal on DDRB registris „0“, on määratud sisenditeks ja need väljaviigud mille kohapeal on DDRB registris „1“, on määratud väljunditeks. Kui DDRB registris on antud väljaviigu kohapeal „1“, siis määrab selle väljaviigu oleku PORTB register . Kui DDRB registris on antud väljaviigu kohapeal „0“, siis määrab väljaviigu oleku sisendseade, mis on ühendatud antud väljaviiguga. DDRB register ise väljaviigu olekut ei määra, ta määrab ainult andmete liikumise suuna. . Selleks, et saata andmeid registrile DDRB, tuleb saata andmed aadressile 0x04.
PinB – B pordi sisendregister.
PinB register „kuulab“ pidevalt millises olekus („0“ või „1“) on mikrokontrolleri väljaviigud ja jälgides PinB registri sisu saab teada millises olekus väljaviik on. Kui väljaviik on määratud väljundiks ja väljaviigu oleku määrab PORTB register, siis pole PinB registri oleku jälgimisel mõtet, sest PORTB määrab väljaviikude oleku ja PinB järgib seda. Kui väljaviik on määratud sisendiks ja väljaviigu oleku määrab sisendis olev seade, siis saab PinB registrilt teada, millises olekus väljaviik parajasti on.
Selleks, et porte konfigureerida on vaja teada, et registri vanem järk on PB7 ja noorem järk PB0. Seega tuleb porti B vaadata: PB7, PB6, PB5, PB4, PB3, PB2, PB1, PB0.

SPI

SPI (ingl serial peripheral interface) on jada välisliidese ja välisseadmete vaheline andmevahetuse standard. SPI töötab täisdupleksi režiimis ( saatmise ajal toimub ka vastuvõtt). Seda tüüpi andmevahetust kasutatakse mikroprotsessorite vahel, et „suhelda“ sensorite, mälu, LCD kontrolleritega. Seadmed vahetavad omavahel andmeid ülem-alluv (ingl master/slave) režiimis, kus ülemseade (ingl master) lähtestab andmekaadri (ehk alustab suhtlemist). Korraga on lubatud kasutada mitut alluvseadet, mis on juhtmete abil ülemseadmega seotud. Mõnikord nimetatakse SPI-d ka neljajuhtmeliseks jadasiiniks, eristamaks seda kolmejuhtmelisest jadasiinist ning kahe- ja ühejuhtmelist siinist. SPI-d kutsutakse tihti sünkrooniliseks jadaliideseks.

Timer Counter (0, 1 ja 2) erinevused

Taimer0 normaalrežiimi seadistamine. Selles režiimis loendab taimer 255-ni (8 bitine loendur) , R/W , 8 bitine programmeeritav sageduse jagaja (prescaler). Sisemine/välimine signaali allikas. Katkestus üleminekul FFh->00h. Signaali frondi valik
Timer1 16-bitine loendur – st. Suurendatakse arvu, mis asub kahes 8bitises registris, mis käitub kui üks 16bitine register. Kolm võimalust : Sünkroonne taimer , Sünkroonne loendur , Asünkroonne loendur
Taimer2 normaalrežiimi seadistamine. Selles režiimis loendab taimer 255-ni (8 bitine). pre ja postscaler ja perioodi register.

TWI

TWI (Two Wire Interface) on järjestikuline andmesideliides, mis on levinuma nime all I2C ( Inter -Integrated Circuit ). Andmesideliides on ettenähtud kiipide ühendamiseks ühele andmesideliinile, kus on tavaliselt üks siinihaldur (master) ja üks või rohkem alluvat (slave). Side on pakettidena realiseeritud juba füüsilises kihis, kus paketi algus ja lõpp on eristuvad bittide edastamisest teistsuguste pinge tasemeta ja muutustega . Sidet alustab alati haldur . Pakett algab 7-bitise alluva aadressiga ning andmete liikumise suunda tähistava bitiga (lugemine või kirjutamine).
Usart 0
USART on universaalne sünkroonne jadaliides, UART aga selle lihtsustatud variant - universaalne asünkroonne jadaliides. Vahe seisneb selles, et USART kasutab peale andmeliinide ka taktsignaali liini, millega andmeid sünkroniseeritakse, UART aga mitte. AVR-i USART võimaldab täisduplekssidet, 5- kuni 9-bitiseid andmesõnu (8 biti puhul sõna = bait ), 1 või 2 stoppbitti, kolme paarsuse režiimi ja laia boodikiiruste valikut. AVR mikrokontrolleritel on üldiselt kuni 2 USART liidest, kuid mõnel puudub USART üldse. Andmete edastamine toimub sõna kaupa, ehk AVR teeb riistvara tasandil kasutaja edastatud sõna bittideks ja edastab selle iseseisvalt ning vastupidi. Kasutaja juhib USART tööd seade-, oleku- ja andmeregistreid kirjutades ning lugedes.
Kõikide seadistuste jaoks on olemas vastavad registrid, mida on üsna lihtne andmelehe abil seadistada . Natuke keerulisem on boodikiiruse seadmine. Taktsignaal andmete edastamiseks genereeritakse töötaktist ja kasutaja saab valida teguri 1-st 4096-ni, millega töötakt läbi jagatakse. Täiendavalt jagatakse saadud taktisignaali olenevalt režiimist veel 2, 8 või 16-ga. Probleem on selles, et kõiki taktsagedusi ei saa jagada nii, et tekiks standardne boodikiirus. Mõnede mikrokontrolleri taktsageduste puhul on boodikiiruse erinevus soovitust ligikaudu 10%. AVR andmelehtedes on toodud tabelid tüüpilistest taktsagedustest, boodikiirustest ja nende saamiseks vajalikust jagamistegurist ning tekkida võivast veast.
Kuna andmete edastus toimub protsessorist sõltumata ja oluliselt aeglasemalt, tuleb enne saatmist veenduda, et liides on valmis uut sõna edastama . Selleks tuleb jälgida saatepuhvri valmisoleku olekubitti, mis näitab, kas sinna võib saatmiseks uue sõna kirjutada või mitte. Kui mikrokontroller käivitada, on see luba vaikimisi kohe olemas. Niipea kui sõna on saadetud ja puhvrisse pole uut sõna saatmiseks kirjutatud, muudetakse saatmise õnnestumise olekubitt kõrgeks.

Watchdog

Watchdog on mikrokontrollerites levinud lahendus. Igasugustes väikestes kivides, pultides jms kohtades. Andes nii neile suure töökindluse.
Paljud emaplaadid on varustatud spetsiaalse kiibiga mida saab seadistada tegema masinale restardi kui OS pole talle endast mõni aeg märka andnud. Täpsemalt toimib see nõnda, et kiibis pannakse tiksuma countdown - ehk mahalugemine, mille lõppedes tehakse restart. Kuni süsteemis töötab teatud deemon (watchdogd) siis lükkab see iga sekundi järel emaplaadil asuva mahalugemise/countdowni uuesti tagasi algusesse . Kui aga masin on kinni kiilunud siis jookseb countdown takistuseta lõpuni ja emaplaadi kontroller teeb arvutile restardi.

Kasutatud lingid

http://kuutorvaja.eenet.ee/wiki/FreeBSD_Watchdog
http://www.robotiklubi.ee/juhendid/avr
http://opiobjektid.tptlive.ee/Oppemaketi_tutvustus/ATmega88.pdf
http://opiobjektid.tptlive.ee/Pordid/index.html
http://digi.physic.ut.ee/mw/images/9/99/AVR_mikrokontrollerid1.pdf
http://et.wikipedia.org/wiki/Atmel_AVR
http://et.wikipedia.org/wiki/Kasutaja:Z3n/SPI
http://home.roboticlab.eu/et/avr