Периферийные устройства МК AVR (Лекция)
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Порты
2. Прерывания
3. Таймеры/счетчики
4. Аналоговый компаратор
5. Аналого-цифровой
преобразователь
6. Универсальный последовательный
приемопередатчик
7. Последовательный периферийный
интерфейс SPI
8. Двухпроводной последовательный
интерфейс TWI
9. Интерфейс JTAG
10. Внутренний тактовый генератор
11. Система реального времени
1. Порты
Порты ввода/вывода
AVR имеют число независимых линий "Вход/Выход" от 3 до 53. Каждый
разряд порта может быть запрограммирован на ввод или на вывод информации.
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).
Интересная архитектурная
особенность построения портов ввода/вывода у AVR заключается в том, что для
каждого физического вывода существует 3 бита контроля/управления, а не 2, как у
распространенных 8-разрядных микроконтроллеров (Intel, Microchip, Motorola и
т.д.). Упрощенная структурная схема элемента ввода/вывода AVR -
микроконтроллера приведена на рис. 1. Здесь DDRx - бит контроля направления
передачи данных и привязки вывода к шине питания (VCC), PORTx - бит привязки
вывода к VCC и бит выходных данных, PINx - бит для отображения логического
уровня сигнала на физическом выводе микросхемы.
Рис. 1. Структура
элемента ввода/вывода AVR
Использование
только двух бит контроля/управления порождает ряд проблем при операциях типа
"чтение-модификация-запись". Например, если имеют место две
последовательные операции "чтение-модификация-запись", то первый
результат может быть потерян безвозвратно, если вывод порта работает на
емкостную нагрузку и требуется некоторое время для стабилизации уровня сигнала
на внешнем выводе микросхемы. Архитектура построения портов ввода/вывода AVR с
тремя битами контроля/управления позволяет разработчику полностью
контролировать процесс ввода/вывода. Если
необходимо получить реальное значение сигнала на физическом выводе
микроконтроллера - читайте содержимое бита по адресу PINx. Если требуется
обновить выходы - прочитайте PORTx защелку и потом модифицируйте данные. Это
позволяет избежать необходимости иметь копию содержимого порта в памяти для
безопасности и повышает скорость работы микроконтроллера при работе с внешними
устройствами. Особую значимость приобретает данная возможность AVR для
реализации систем, работающих в условиях внешних электрических помех.
2. Прерывания
Система
прерываний - одна из важнейших частей микроконтроллера. Все микроконтроллеры
AVR 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.
3. Таймеры/счетчики
Микроконтроллеры
AVR 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.
3.1. Сторожевой таймер
Сторожевой
таймер (WatchDog Timer) предназначен для предотвращения катастрофических
последствий от случайных сбоев программы. Он имеет свой собственный
RC-генератор, работающий на частоте 1 МГц. Как и для основного внутреннего
RC-генератора, значение 1 МГц является приближенным и зависит прежде всего от
величины напряжения питания микроконтроллера и от температуры.
Идея
использования стоpожевого таймеpа предельно проста и состоит в pегуляpном его
сбpасывании под упpавлением пpогpаммы или внешнего воздействия до того, как
закончится его выдеpжка вpемени и не пpоизойдет сбpос пpоцессоpа. Если
пpогpамма pаботает ноpмально, то команда сбpоса стоpожевого таймеpа должна
pегуляpно выполняться, пpедохpаняя поцессоp от сбpоса. Если же микpопpоцессоp
случайно вышел за пpеделы пpогpаммы (напpимеp, от сильной помехи по цепи
питания) либо зациклился на каком-либо участке пpогpаммы, команда сбpоса
стоpожевого таймеpа скоpее всего не будет выполнена в течение достаточного
вpемени и пpоизойдет полный сбpос пpоцессоpа, инициализиpующий все pегистpы и
пpиводящий систему в pабочее состояние.
4. Аналоговый
компаратор
Аналоговый
компаратор (Analog Comparator) сравнивает напряжения на двух выводах (пинах)
микроконтроллера. Результатом сравнения будет логическое значение, которое
может быть прочитано из программы.
Выход
аналогового компаратора можно включить на прерывание от аналогового
компаратора. Пользователь может установить срабатывание прерывания по
нарастающему или спадающему фронту или по переключению.
Присутствует у всех современных AVR, кроме
Mega8515
5. Аналого-цифровой преобразователь
АЦП построен
по классической схеме последовательных приближений с устройством
выборки/хранения (УВХ). Каждый из аналоговых входов может быть соединен со
входом УВХ через аналоговый мультиплексор. Устройство выборки/хранения имеет
свой собственный усилитель, гарантирующий, что измеряемый аналоговый сигнал
будет стабильным в течение всего времени преобразования. Разрядность АЦП
составляет 10 бит при нормируемой погрешности +/- 2 разряда. АЦП может работать
в двух режимах - однократное преобразование по любому выбранному каналу и
последовательный циклический опрос всех каналов.
Время
преобразования выбирается программно с помощью установки коэффициента деления
частоты специального предделителя, входящего в состав блока АЦП. Оно составляет
70...280 мкс для ATmega103 и 65...260 мкс для всех остальных микроконтроллеров,
имеющих в своем составе АЦП. Важной особенностью аналого-цифрового
преобразователя является функция подавления шума при преобразовании.
Пользователь имеет возможность, выполнив короткий ряд программных операций,
запустить АЦП в то время, когда центральный процессор находится в одном из
режимов пониженного энергопотребления. При этом на точность преобразования не
будут оказывать влияние помехи, возникающие при работе процессорного ядра.
6. Универсальный
последовательный приемопередатчик
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.)
7. Последовательный
периферийный интерфейс SPI
Последовательный
периферийный трехпроводный интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface)
предназначен для организации обмена данными между двумя устройствами. С его
помощью может осуществляться обмен данными между микроконтроллером и различными
устройствами, такими, как цифровые потенциометры, ЦАП/АЦП, FLASH-ПЗУ и др. С
помощью этого интерфейса удобно производить обмен данными между несколькими
микроконтроллерами AVR.
Кроме
того, через интерфейс SPI может осуществляться программирование
микроконтроллера.
8. Двухпроводной
последовательный интерфейс TWI
Двухпроводной
последовательный интерфейс TWI (Two-wire Serial Interface) является полным
аналогом базовой версии интерфейса I2C (двухпроводная двунаправленная шина)
фирмы Philips. Этот интерфейс позволяет объединить вместе до 128 различных
устройств с помощью двунаправленной шины, состоящей из линии тактового сигнала
(SCL) и линии данных (SDA).
9. Интерфейс JTAG
Интерфейс JTAG был разработан группой ведущих
специалистов по проблемам тестирования электронных компонентов (Joint Test
Action Group) и был зарегистрирован в качестве промышленного стандарта IEEE Std
1149.1-1990. Четырехпроводной интерфейс JTAG используется для тестирования
печатных плат, внутрисхемной отладки, программирования микроконтроллеров.
Многие
микроконтроллеры семейства Mega имеют совместимый с IEEE Std 1149.1 интерфейс
JTAG или debugWIRE для встроенной отладки. Кроме того, все микроконтроллеры
Mega с флэш-памятью емкостью 16 кбайт и более могут программироваться через
интерфейс JTAG.
10. Внутренний
тактовый генератор
Тактовый
генератор вырабатывает импульсы для синхронизации работы всех узлов
микроконтроллера. Внутренний тактовый генератор AVR 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 AVR-микроконтроллер с
заявленной рабочей частотой, например, в 10 МГц при комнатной температуре легко
может быть "разогнан" до 12 МГц и выше.
11. Система реального времени
RTC реализована во всех микроконтроллерах Mega
и в двух кристаллах "classic" - AT90(L)S8535. Таймер/счетчик RTC
имеет отдельный предделитель, который может быть программным способом подключен
или к источнику основной тактовой частоты, или к дополнительному асинхронному
источнику опорной частоты (кварцевый резонатор или внешний синхросигнал). Для
этой цели зарезервированы два вывода микросхемы. Внутренний осциллятор
оптимизирован для работы с внешним "часовым" кварцевым резонатором
32,768 кГц.