Разработка цифрового исполнительного устройства на базе микроконтроллера ATMEL

1.2 Особенности архитектуры однокристальных микро-ЭВМ семейства ATMEL

 

Базовая конфигурация микроконтроллера представлена на рисунке 1.2 .

Рисунок 1.2 – Базовая конфигурация MCS-51

Она содержит общие для всего семейства MCS-51 периферийные устройства. В состав микроконтроллера входят:

- 8-разрядный  центральный  процессор ЦП;

- два 16-разрядных  таймера/счетчика;

- система  двухуровневого  прерывания; 

- последовательный  порт  ввода/вывода; 

- четыре 8-разрядных  параллельных порта, у которых  каждую из 32 линий можно настроить  на ввод или вывод, а 24 линии  могут  выполнять альтернативные  функции. 

Внутренние  ПЗУ программ IROM и ОЗУ данных IRAM имеют минимальный объем 4 Кбайта и 128 байт соответственно. Базовая конфигурация  содержит  встроенные  средства  расширения  своих ресурсов,  позволяющие реализовать вне кристалла память  программ EROM и память данных ERAM до 64 Кбайт каждая. Все расположенные на  кристалле устройства  подключены  к внутренней  мультиплексированной шине данных ШД. В любой момент к шине может быть подключен только  один  источник  данных.  Для этого выходы  всех  источников должны иметь третье состояние. Число подключаемых приемников ограничено нагрузочной способностью шины.

Для сокращения ширины физического интерфейса (числа  контактов ИС) линии параллельного  порта выполняют альтернативные функции. При обращении к внешней  памяти порт P0 выполняет функции  совмещенной шины адреса/данных (AD), а P2 – шины старшего байта адреса (A). Все  линии  порта P3 выполняют  альтернативные  функции управления и специального ввода/вывода (AF).

Центральный процессор 

Ядром  микроконтроллера  является  центральный  процессор. Он выполняет  две  основные  функции:  управление  процессом  преобразования (обработки) данных каждой командой и выполнение этого преобразования (обработки).  Первую  функцию  решает  блок  управления,  в состав которого входят: устройство управления и синхронизации, генератор тактовых импульсов, регистр команд и устройство формирования адреса; вторую - операционное устройство.   Структура центрального процессора показана на рисунке 1.

Рисунок 1.3 – Структура центрального процессора

Устройство  формирования адреса выдает по шине адреса ША в память программ (CSEG) адрес очередной команды. Считанный из памяти  программ код команды по  шине  данных  ШД записывается в регистр команд.  Устройство  управления  и синхронизации дешифрирует команду и выдает по шине управления ШУ сигналы управления всеми внутренними устройствами  микроконтроллера,  а также управление внешними  устройствами:  сигналы разрешения  фиксации  младшего байта адреса ALE (Address Lath Enable), чтения внешней памяти программ (Programm Store Enable). При использовании внешней памяти данных (XSEG) по линиям порта Р3 выдаются сигналы записи (линия Р3.6) и чтения (линия Р3.7).

По  выделенным  линиям  ШУ  устройство  управления  получает оповещающие  сигналы  о  ходе  выполнения  команды,  что  позволяет осуществлять ветвление  в программе.

Под  действием  внутренних  управляющих  сигналов  устройство формирования  адреса  выдает  на  шину адреса  ША  адрес следующего байта

(команды   или  данных).  Операционное  устройство выбирает операнды,  выполняет  заданную  командой  операцию  над операндами  и   выдает  результат  операции  на  шину  данных ШД и признаки (флаги) результата на выделенные  линии ШУ.

Внешний сигнал рестарта RST (Restart) производит сброс микроконтроллера  в исходное  состояние,  а сигнал   (External  Access) управляет конфигурацией внутренней и внешней памяти программ.

Операционное устройство

Операционное  устройство  выполнено  по  классической  схеме  и служит  для  обработки 8-разрядных  данных, рисунок 1.4.  Оно  содержит арифметико-логическое устройство ALU, аккумулятор A, два программно-недоступных  регистра временного хранения TMP1 и TMP2, регистр слова состояния программы PSW (Program Status Word) и регистр B.

 

Рисунок 1.4 – Структура операционного  устройства

 

 В ALU выполняется  операция над двумя операндами, находящимися в регистрах временного  хранения TMP1 и TMP2. При выполнении  операций  данные  интерпретируются  как  целые  числа  без   знака. Результат операции выдается  на внутреннюю  шину  данных  ШД,  а во многих командах  он также за-

писывается  в аккумулятор A. В командах  умножения и деления роль  источника и приемника информации выполняют регистры A и B.

При выполнении арифметических  и  логических  операций  в ALU  вырабатываются  признаки результата,  которые  записываются в регистр PSW. Все биты регистра PSW, расположенного в области BSEG регистров  специальных функций SFR, программно-доступны. Их можно устанавливать и сбрасывать командами программы.

Периферия

Периферия микроконтроллеров 8051 включает: порты (от 3 до 48 линий ввода и вывода), поддержку внешних прерываний, таймеры-счетчики, сторожевой таймер, аналоговые компараторы, 10-разрядный 8-канальный АЦП, интерфейсы UART, JTAG и SPI, устройство сброса по понижению питания, широтно-импульсные модуляторы.

Порты ввода/вывода (I/O). Порты ввода/вывода 8051 имеют число независимых линий "вход/выход" от 3 до 53. Каждая линия порта может быть запрограммирована на вход или на выход. Мощные выходные драйверы обеспечивают токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении 40 мА, что позволяет, например, непосредственно подключать к микроконтроллеру светодиоды и биполярные транзисторы. Общая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 мА (все значения приведены для напряжения питания 5 В).

Система прерываний - одна из важнейших частей микроконтроллера. Все микроконтроллеры 8051 имеют многоуровневую систему прерываний. Прерывание прекращает нормальный ход программы для выполнения приоритетной задачи, определяемой внутренним или внешним событием.

Для каждого такого события  разрабатывается отдельная программа, которую называют подпрограммой  обработки запроса на прерывание (для краткости - подпрограммой прерывания), и размещается в памяти программ.

При возникновении события, вызывающего прерывание, микроконтроллер  сохраняет содержимое счетчика команд, прерывает выполнение центральным  процессором текущей программы  и переходит к выполнению подпрограммы обработки прерывания. 

После выполнения подпрограммы прерывания осуществляется восстановление предварительно сохраненного счетчика команд и процессор возвращается к выполнению прерванной программы. 

Для каждого события  может быть установлен приоритет. Понятие  приоритет означает, что выполняемая  подпрограмма прерывания может быть прервана другим событием только при  условии, что оно имеет более  высокий приоритет, чем текущее. В противном случае центральный  процессор перейдет к обработке  нового события только после окончания  обработки предыдущего.

Микроконтроллеры серии 8051 имеют в своем составе от 1 до 4 таймеров/счетчиков с разрядностью 8 или 16 бит, которые могут работать и как таймеры от внутреннего источника тактовой частоты, и как счетчики внешних событий. 

Их можно использовать для точного формирования временных  интервалов, подсчета импульсов на выводах микроконтроллера, формирования последовательности импульсов, тактирования приемопередатчика последовательного  канала связи. В режиме ШИМ (PWM) таймер/счетчик может представлять собой широтно-импульсный модулятор и используется для генерирования сигнала с программируемыми частотой и скважностью. Таймеры/счетчики способны вырабатывать запросы прерываний, переключая процессор на их обслуживание по событиям и освобождая его от необходимости периодического опроса состояния таймеров. Поскольку основное применение микроконтроллеры находят в системах реального времени, таймеры/счетчики являются одним из наиболее важных элементов.

Универсальный асинхронный или универсальный  синхронно/асинхронный приемопередатчик (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter - UART или USART) - удобный и простой последовательный интерфейс для организации информационного канала обмена микроконтроллера с внешним миром. Способен работать в дуплексном режиме (одновременная передача и прием данных). Он поддерживает протокол стандарта RS-232, что обеспечивает возможность организации связи с персональным компьютером. (Для стыковки МК и компьютера обязательно понадобится схема сопряжения уровней сигналов. Для этого существуют специальные микросхемы, например MAX232.)

Тактовый генератор вырабатывает импульсы для синхронизации работы всех узлов микроконтроллера. Внутренний тактовый генератор 8051 может запускаться от нескольких источников опорной частоты (внешний генератор, внешний кварцевый резонатор, внутренняя или внешняя RC-цепочка). Минимальная допустимая частота ничем не ограничена (вплоть до пошагового режима). Максимальная рабочая частота определяется конкретным типом микроконтроллера и указывается Atmel в его характеристиках, хотя практически любой микроконтроллер с заявленной рабочей частотой, например, в 10 МГц при комнатной температуре легко может быть "разогнан" до 12 МГц и выше. 

1.3 Программирование микро-ЭВМ

Программатор — аппаратно-программное устройство, предназначенное для записи/считывания информации в постоянное запоминающее устройство (однократно записываемое, ПЗУ, внутреннюю память микроконтроллеров и ПЛК). Программирование микроконтроллеров обозначает процесс записи (программирования) информации в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микроконтроллера. В общем случае, помимо программирования микроконтроллеров, в практике встречается программирование микросхем памяти и программирование логических матриц.  Как правило, программирование микроконтроллеров и микросхем памяти производится при помощи специальных устройств – программаторов. Хороший программатор позволяет не только программировать (записывать), но и считывать информацию, а в ряде случаев, производить и другие действия с микросхемами и информацией находящейся в ней (стирание, защита от чтения, защита от программирования и т.п.).

Каждый программируемый  микроконтроллер обладает своим  индивидуальным набором допустимых режимов: программирование (запись), чтение, стирание, защита от чтения, защита от программирования и т.п.

Некоторые программируемые  микроконтроллеры не имеют отдельного режима «стирание». Для них стирание прежней информации в памяти происходит в теневом режиме, при каждом новом  цикле программирования микроконтроллера.

Некоторые программируемые  микроконтроллеры поддерживают различные  режимы ограничения доступа. Выбор  режима ограничения доступа производится при программировании микроконтроллера. В зависимости от выбранного режима, либо все ПЗУ микроконтроллера, либо его определенные части могут быть:

- защищены от возможности  записи/дозаписи;

- защищены от возможности  считывания содержимого извне.  При попытке считать информацию, защищенный микроконтроллер будет  выдавать либо «мусор», либо  «все 0», либо «все 1».

Для микроконтроллеров  уществуют различные языки программирования, но, пожалуй, наиболее подходящими являются ассемблер и Си, поскольку в этих языках в наилучшей степени реализованы все необходимые возможности по управлению аппаратными средствами микроконтроллеров.

Ассемблер - это низкоуровневый язык программирования, использующий непосредственный набор инструкций микроконтроллера. Создание программы  на этом языке требует хорошего знания системы команд программируемого чипа и достаточного времени на разработку программы. Ассемблер проигрывает  Си в скорости и удобстве разработки программ, но имеет заметные преимущества в размере конечного исполняемого кода, а соответственно, и скорости его выполнения.

Си позволяет создавать  программы с гораздо большим комфортом, предоставляя разработчику все преимущества языка высокого уровня. 

Следует еще раз отметить, что архитектура и система  команд создавалась при непосредственном участии разработчиков компилятора  языка Си и в ней учтены особенности  этого языка. Компиляция исходных текстов, написанных на Си, осуществляется быстро и дает компактный, эффективный код.

Основные преимущества Си перед ассемблером: высокая скорость разработки программ; универсальность, не требующая досконального изучения архитектуры микроконтроллера; лучшая документируемость и читаемость алгоритма; наличие библиотек функций; поддержка вычислений с плавающей точкой.

В языке Си гармонично сочетаются возможности программирования низкого уровня со свойствами языка  высокого уровня. Возможность низкоуровневого  программирования позволяет легко  оперировать непосредственно аппаратными  средствами, а свойства языка высокого уровня позволяют создавать легко  читаемый и модифицируемый программный  код. Кроме того, практически все  компиляторы Си имеют возможность  использовать ассемблерные вставки  для написания критичных по времени  выполнения и занимаемым ресурсам участков программы.

Одним словом, Си - наиболее удобный язык как для начинающих знакомиться с микроконтроллерами, так и для серьезных разработчиков.

 

2 СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

На этапе структурного проектирования опишем основные блоки  устройства.

Блок управления будет  содержать в себе интерфейс для  подключения внешнего устройства (персональный компьютер). Микропроцессорное устройство, будет содержать в себе микроконтроллер. К микроконтроллеру будет подключена обвязка, для задания тактовой частоты, сброса устройства и т.п. Блок индикации  будет содержать дисплей для вывода информации.

 

 

Рисунок 2.1 – Структурная схема устройства

 

Опишем функциональное проектирование.

Блок управления будет  состоять из порта для подключения  к персональному компьютеру.

Рисунок 2.2 – Блок управления