Проектирование позиционера на микроконтроллере

AVR-архитектура, на основе, которой построены микроконтроллеры семейства AT89, объединяет мощный гарвардский RISC-процессор с раздельным доступом к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения, каждый из которых может работать как регистр – аккумулятор, и развитую систему команд фиксированной 16-бит длины. Большинство команд выполняются за один машинный такт с одновременным исполнением текущей и выборкой следующей команды, что обеспечивает производительность до 1 MIPS на каждый МГц тактовой частоты.

Семейство AVR включает в себя 32 регистра общего назначения. Эти регистры образуют регистровый файл быстрого доступа, где каждый регистр напрямую связан с АЛУ. За один такт из регистрового файла выбираются два операнда, выполняется операция, и результат возвращается в регистровый файл. АЛУ поддерживает арифметические и логические операции с регистрами, между регистром и константой или непосредственно с регистром.

Регистровый файл также  доступен как часть памяти данных. 6 из 32-х регистров могут использоваться как три 16-разрядных регистра – указателя для косвенной адресации. Старшие микроконтроллеры семейства AVR имеют в составе АЛУ аппаратный умножитель.

Периферия МК AVR включает: таймеры-счётчики, широтно-импульсные модуляторы, поддержку внешних прерываний, аналоговые компараторы, 10-разрядный 8-канальный  АЦП, параллельные порты (от 3 до 48 линий  ввода и вывода), интерфейсы UART и SPI, сторожевой таймер и устройство сброса по включению питания. Все эти качества превращают AVR-микроконтроллеры в мощный инструмент для построения современных, высокопроизводительных и экономичных контроллеров различного назначения.

В рамках единой базовой  архитектуры AVR-микроконтроллеры подразделяются на 3 семейства:

– Tiny AVR – дешевые и довольно простые по конструкции;

– Classic AVR – базовая линия микроконтроллеров;

– Mega AVR– микроконтроллеры для сложных приложений, требующих большого объема памяти программ и данных.

AVR-микроконтроллеры поддерживают  спящий режим и режим микропотребления. В спящем режиме останавливается  центральное процессорное ядро, в то время как регистры, таймеры-счётчики, сторожевой таймер и система  прерываний продолжают функционировать. В режиме микропотребления сохраняется содержимое всех регистров, останавливается тактовый генератор, запрещаются все функции микроконтроллера, пока не поступит сигнал внешнего прерывания или аппаратного сброса. В зависимости от модели, AVR-микроконтроллеры работают в диапазоне напряжений 2,7÷6 В либо 4÷6 В (исключение составляет ATtiny12V с напряжением питания 1,2 В).

AVR Classic – самая обширная производственная линия среди других флэш – микроконтроллеров фирмы Atmel. Atmel представила первый 8-разрядный флэш – микроконтроллеров 1993 году и с тех пор непрерывно совершенствует технологию в таких направлениях как:

– реализация функции самопрограммирования;

– увеличение быстродействия до 16 млн. операций в секунду;

– снижение энергопотребления;

– совершенствования и расширения количества периферийных модулей.

Успех AVR – микроконтроллеров объясняется возможностью простого выполнения проекта с достижением необходимого результата в кратчайшие сроки. Отличительной чертой инструментальных средств от Atmel является их невысокая стоимость.

Таким образом, AVR-микроконтроллеры представляют более широкие возможности по оптимизации производительности/энергопотребления, что особенно важно при разработке приложений с батарейным питанием. Микроконтроллеры обеспечивают производительность до 16 млн. операций в секунду и поддерживают Flash-память программ различной емкости: 1 ÷ 256 кбайт.

Широкой номенклатурой  на рынке микроконтроллеров представлена продукция фирмы Аtmel. Это микроконтроллеры семейства АТ89, имеющие стандартную архитектуру MCS51, и AVR микроконтроллеры.

Микроконтроллер семейства АТ89 фирмы Atmel представляет собой восьмиразрядную однокристальную  микроЭВМ с системой команд семейства MCS-51. Микроконтроллеры изготавливаются  по КМОП (CMOS) технологии и имеют полностью статическую структуру (CISC микроконтроллеры). Базовая структура микроконтроллеров совпадает с базовой структурой микроконтроллеров семейства MCS-51 и отечественных микроконтроллеров серий 1816 и 1830.

Однако микроконтроллеры фирмы Atmel содержат некоторые изменения в своей структуре, увеличивающие их функциональные возможности.

В табл. 2.1 перечислены типы микроконтроллеров семейства АТ89 с указанием основных параметров устройств.

 

 Таблица 2.1

Основные параметры  микроконтроллеров

Тип МК	IROM	RAM	IDROM	EM	I/O	SP	T/С	IS	IV	SPI	WDT	C	PTR	V/I
АТ89С1051	1K	64	-	-	5	-	1	3	3	-	-	+	1	3В/5мА 5В/15мА
АТ89С1051U	1K	64	-	-	5	-	2	6	5	-	-	+	1	3/5 5/15
АТ89С2051	2K	128	-	-	5	-	2	6	5	-	-	+	1	3/5 5/15

 

Продолжение таблицы 2.1

АТ89С4051	4K	128	-	-	5	-	2	6	5	-	-	+	1	3/5 5/15
АТ89С51	4K	128	-	+	2	+	2	6	5	-	-	-	1	5/15
АТ89LV51	4K	128	-	+	2	+	2	6	5	-	-	-	1	3/15
АТ89С52	8K	256	-	+	2	+	3	8	6	-	-	-	1	5/15
АТ89LV52	8K	256	-	+	2	+	3	8	6	-	-	-	1	3/15
АТ89С55	20K	256	-	+	2	+	3	8	6	-	-	-	1	5/15
АТ89LV55	20K	256	-	+	2	+	3	8	6	-	-	-	1	3/15
АТ89S53	2K	256	-	+	2	+	3	9	6	+	+	-	2	5/15
АТ89LS53	2K	256	-	+	2	+	3	9	6	+	+	-	2	3/15
АТ89S8252	8K	256	2K	+	2	+	3	9	6	+	+	-	2	5/15
АТ89S4D12	K	256	128K	-	5	-	-	-	-	+	-	-	2	5/15

 

В таблице применены  следующие сокращения:

IROM – внутреннее постоянное запоминающее устройство;

IRAM – внутреннее оперативное запоминающее устройство для хранения данных;

IDROM – внутреннее перепрограммируемое запоминающее устройство для хранения данных;

EM – возможность подключения внешней памяти;

I/O – суммарное число входов-выходов параллельных портов;

SP – наличие последовательного интерфейса;

T/C – количество таймеров/счетчиков;

IS – количество источников прерываний;

IV – количество векторов прерываний;

SPI – наличие последовательного периферийного интерфейса;

WDT – наличие сторожевого таймера;

AC – наличие аналоговых компараторов;

DPTR – количество  регистров – указателей данных;

V/I – напряжение питания (В) и потребляемый ток (мА).

Структуру микроконтроллеров  семейства AT89 можно разделить на стандартные блоки: арифметико-логическое устройство, блок памяти и периферийные устройства.

Арифметико-логическое устройство всех модификаций микроконтроллеров  семейства AT89 представляет собой 8-разрядное  АЛУ c базовым регистром, участвующим во всех операциях – аккумулятором.

Для адресации  блоков памяти микроконтроллеры АТ89 содержит регистр-указатель данных – DPTR, а некоторые типы микросхем – два регистра-указателя данных (DPTR0 и DPTR1), что существенно облегчает работу с боками данных.

Блок памяти представленных микроконтроллеров включает:

• внутреннее постоянное запоминающее устройство (Internal ROM, IROM), предназначенное для хранения команд программы и констант. IROM представляет собой перепрограммируемое запоминающее устройство с электрическим стиранием записи, выполненное по Flash технологии. IROM выдерживает до 1000 циклов перепрограммирования. Это является несомненным преимуществом представленных контроллеров;
• внутреннее оперативное запоминающее устройство (Internal RАM, IRАM), предназначенное для хранения данных. IRAM является статическим оперативным запоминающим устройством.

Кроме этого:

• микроконтроллеры АТ89S8252 и АТ89S4D12 имеют внутреннее репрограммируемое запоминающее устройство для хранения данных (Internal Data ROM, IDROM). Первоначальная запись данных в IDROM производится при программировании микроконтроллера. В процессе выполнения программы обращения к IDROM для чтения и записи выполняются с использованием команд с мнемокодами операции MOVX. После обращения для записи в IDROM выполняется цикл записи длительностью несколько мс, в течение, которого новое обращение к IDROM невозможно;
• к микроконтроллерам АТ89СХ051 не может подключаться внешняя память (External Memory, EM). Отсутствие возможности подключения внешней памяти объясняется малым количеством контактов в корпусе микросхемы и отмечено в таблице 1 знаком « - » в колонке ЕМ.

Все микроконтроллеры семейства AT89 имеют минимальный  стандартный набор периферийных устройств:

• восьмиразрядные параллельные порты ввода-вывода Р0, Р1, Р2, Р3 (количество зависит от типа микроконтроллера). Микроконтроллеры АТ89СХ051 содержат меньшее число параллельных портов, а некоторые порты имеют меньшее число входов-выходов. Суммарное число входов-выходов параллельных портов у микроконтроллера указано в таблице 1 в колонке I/O;
• последовательный порт SP;
• таймеры-счетчики Т/С0, Т/С1, Т/С2. Число таймеров-счетчиков у различных микроконтроллера указано в колонке Т/С;
• контроллер прерываний (количество источников прерывания и векторов зависит от типа микроконтроллера). Система прерываний имеет два уровня приоритета. Число источников запросов прерывания (Interrupt Source, IS) и векторов прерывания (Interrupt Vector, IV) у микроконтроллеров разных типов указано в колонках IS и IV соответственно.

Некоторые микроконтроллеры семейства AT89 включают новые типы периферийных устройств:

• блок последовательного периферийного интерфейса (SPI), который предназначен для последовательного ввода и вывода данных с использованием трех линий. При этом микроконтроллер может работать в качестве ведущего или ведомого устройства, а микроконтроллер типа АТ89S4D12 – только в качестве ведомого. Блок SPI может быть использован также для последовательного программирования некоторых типов микроконтроллера после непосредственной установки его в аппаратуру, что является еще одним преимуществом рассматриваемого семейства микросхем;
• сторожевой таймер (WDT), предназначенный для перезапуска программы при появлении сбоев в ходе ее выполнения. Программа, работающая без сбоев, периодически сбрасывает сторожевой таймер, не допуская его переполнения;
• аналоговый компаратор (АС). Он предназначен для сравнения по величине напряжения сигналов, поступающих на входы Р1.0 и Р1.1. Результат сравнения подается на вход Р3.6, не имеющий внешнего вывода;

Наличие у микроконтроллера названных устройств отмечено знаком «+» в колонках SPI, WDT и АС соответственно.

Программирование микроконтроллеров  семейства AT89 возможно, в зависимости  от типа:

• внутрисистемнопоследовательное программирование (с использованием при программировании напряжения питания системы);
• с использованием дополнительных программаторов.

Содержимое Flash памяти программ может быть защищено от несанкционированной  записи/считывания. У ряда микроконтроллеров  имеется возможность очистки Flash памяти за одну операцию, возможность считывания встроенного кода идентификации.