Микропроцессорные устройства и системы (вводная лекция)

Микропроцессорные устройства и системы (МПУиС)
Архитектура микроконтроллеров
Компиляторы
Программаторы
Программирование и отладка контроллеров
Порты ввода-вывода
Таймеры/счетчики и ШИМ сигнал
АЦП преобразователи
UART и RS-232/RS-485

Микропроцессорные устройства и системы
Архитектура микроконтроллера
CISC (Complex Instruction Set Computer) - выполняют более 200 команд разной степени сложности, которые имеют размер от 1 до 15 байт и обеспечивают более 10 различных способов адресации.
нефиксированное значение длины команды и инструкций;
арифметические действия кодируются в одной команде;
небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию.
ориентация на процессор
RISC (Reduced Instruction Set Computer) - использование ограниченного набора команд фиксированного формата.
реализуют не более 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта.
фиксированная длина инструкций
значительно сокращено число используемых способов адресации
быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций, но глубокого использования компилятора
VLIW (Very Large Instruction Word) - архитектура с очень длинными командами (128 бит и более), отдельные поля которых содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций

Микропроцессорные устройства и системы
Архитектура микроконтроллера
RISC – много отдельных коротких команд центральному процессору, которые сразу быстро выполняются
CISC – большие команды центральному процессору, которые разбиваются внутри на микроинструкции и в последствии выполняются разом
Одна большая или много маленьких команд выполнятся быстрее?

Микропроцессорные устройства и системы
Архитектура микроконтроллера

Принстонская архитектура (архитектура Фон-Неймана) - характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения команд (программ) и памяти данных, а также для организации стека. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают и команды, и данные
Достоинство:
наличие общей памяти
общая шина данных для передачи команд и данных значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность
Недостаток:
необходимость последовательной выборки команд и обрабатываемых данных по общей системной шине, что ограничивает наращивание производительности цифровой системы
Микропроцессорные устройства и системы
Архитектура микроконтроллера

Гарвардская архитектура - физическое разделение памяти команд (программ) и памяти данных.
Достоинство:
Каждый внутренний блок памяти соединяется с процессорным ядром отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды
более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры
Недостаток:
сложность изготовления кристалла с большим количеством шин
фиксированным объемом памяти, выделенной для команд и данных, значение которой не может оперативно перераспределяться в соответствии с требованиями решаемой задачи
Микропроцессорные устройства и системы
Архитектура микроконтроллера

Типовая модульная внутренняя структура 8-разрядного микроконтроллера
Микропроцессорные устройства и системы
Архитектура микроконтроллера

Микропроцессорные устройства и системы
Архитектура микроконтроллера AT Mega16
На схеме показываются внутренние взаимосвязи модулей
Общая шина данных объединяет все внутренние модули микроконтроллера
На схеме явно обозначено 4 порта ввода-вывода (два сверху и два снизу), один АЦП, один USART и т.д.

Микропроцессорные устройства и системы
Архитектура микроконтроллера AT Mega16
Варианты корпусного исполнения:
Прошивка контроллера обычно не зависит от корпуса – один и тот же код для разных вариантов расположения выводов.
Для изучения и отладки обычно выбирают корпус большего размера – удобно паять, подключать приборы, осциллографы..
Для финального варианта выбираю корпус меньшего габарита

Микропроцессорные устройства и системы.
Программирование и отладка микроконтроллеров
USB
SPI / UART
программирование
USB
JTAG
Отладка через jtag-программатор
5..10$
50..1000$

Микропроцессорные устройства и системы.
Компиляторы для микроконтроллеров - Atmel Studio7 (бесплатная)
Интегрированный компилятор C/C++;
Интегрированный симулятор;
При помощи плагина возможна поддержка компилятора GCC в виде сборки WinAVR;
Поддержка инструментов Atmel, совместимых с 8-разрядной AVR архитектурой0;
Поддержка плагина AVR RTOS;
Интерфейс командной строки с поддержкой TPI.
Программный
код
Значения
переменных
сообщения
Настройки
проекта

Микропроцессорные устройства и системы.
Компиляторы для микроконтроллеров - IAR Embedded Workbench (платная)
Многофункциональная среда разработки приложений на языках C, C++ и ассемблере для целого ряда микроконтроллеров от различных производителей.
Интегрированный компилятор C/C++;
Поддерживает работу с 8-, 16-, 32-разрядными микроконтроллерами от Atmel, ARM, NEC, Infineon, Analog Devices, Cypress, Microchip Technologies, Micronas, Dallas Semiconductor/Maxim, Ember, Luminary, NXP, OKI, Samsung, National Semiconductor, Texas Instruments, STMicroelectronics, TI/Chipcon, Silicon Labs…

Микропроцессорные устройства и системы.
Компиляторы для микроконтроллеров - Keil uVision (платная)
Среда программирования разработана компанией Keil, которая была основана в Мюнхене в 1982 году братьями Гюнтером и Рейнхардом. В октябре 2005 года Keil вошла в состав американской корпорации ARM.
Интегрированный компилятор C/C++;
Макроассемблер,
Отладчики, симуляторы, линкеры, IDE-приложения

Микропроцессорные устройства и системы.
Программаторы для микроконтроллеров AVR
AVR ONE!
JTAG ICE mkII
AVR ISP
AVR ISP mkII
Программирование и отладка
Программирование
Простейший AVR USB
Программатор USBASP

Микропроцессорные устройства и системы.
Загрузка программы в микроконтроллер используя внутрисхемное программирование (ISP)
Программатор AVR ISP mkII
USB AVR программатор (USBASP)
SPI
USB
“ISP разъем”

Микропроцессорные устройства и системы.
Общие сведения о портах ввода/вывода atmaga 16
DDRx – Настройка разрядов порта x на вход или выход.
Весь порт настроен на выход=1
Весь порт настроен на вход =0
PORTx – Управление состоянием выходов порта x
PINx –Чтение логических уровней разрядов порта x.
На вывод 0,1,7 порта подана 1
DDRB = 0b10000001; или DDRB |= 0x01;
PORTB |= (1<
MyKeyBoard = PINB; // читаем состояние порта B

Микропроцессорные устройства и системы.
Общие сведения о Таймерах-счетчиках atmaga 16
Общие регистры, относящиеся ко всем трем таймерам ATmega16:
TIMSK - конфигурационный регистр
TIFR - статусный регистр флагов
SFIOR - регистр специальных функций
Для таймера 0 (8бит)
1.TCNT0 - счетный регистр
2.OCR0 - регистр сравнения
3.TCCR0 - конфигурационный регистр.
Для таймера 1 (16бит)
1. TCNT1 Timer/Counter1 – регистр, содержащий текущее значение таймера счетчика 1
2. TCCR1A Timer/Counter1 Control Register A – регистр задания режимов таймера/счетчика 1
3. TCCR1B Timer/Counter1 Control Register B – регистр задания режимов таймера/счетчика 1
4. OCR1A Timer/Counter Output1 Compare Register A – выходной регистр компаратора A
5. OCR1B Timer/Counter Output1 Compare Register B – выходной регистр компаратора B
6. ICR1 Timer/Counter1 Input Capture Register1 – входной регистр защелки 1-го таймера
Считающий в “фоне” Таймер не нагружает ЦПУ и не сказывается на свободном процессорном времени

Микропроцессорные устройства и системы.
Общие сведения о Таймерах-счетчиках atmaga 16
Функциональная блок схема Таймера 0,2 (8-бит)

Микропроцессорные устройства и системы.
Общие сведения о Таймерах-счетчиках atmaga 16
Функциональная блок схема Таймера 1 (16-бит)

Микропроцессорные устройства и системы.
Таймеры счетчики
TCNT0
Это 8-ми разрядный счетный регистр. Когда таймер работает, по каждому импульсу тактового сигнала значение TCNT0 изменяется на единицу.
OCR0
Это 8-ми разрядный регистр сравнения. Его значение постоянно сравнивается со счетным регистром TCNT0, и в случае совпадения таймер может выполнять какие-то действия
TCCR0
(Timer/Counter Control Register)
Это конфигурационный регистр таймера-счетчика Т0

Микропроцессорные устройства и системы.
Таймеры счетчики
TCNT0, TCNT1, TCNT2 - При работающем таймере T0 в TCNT0 будет прибавляться/вычитаться 1 (единица) TCNT0 = 0…255 (1111 1111 b)
OCR0 Регистр сравнения. Число, записанное в OCR0 постоянно сравнивается с TCNT0.
Нормальный режим,
Режим быстрой широтно-импульсной модуляции
Счет в TCNT0,1,2 происходит от мин. 0 до макс. 255 (для 8бит ) или 65 535(для 16бит таймеров).
Происходит сброс TCNT0,1,2 при достижении макс.значений + установка флага.
При равенстве TCNT0 = OCR0 выставляется флаг и/или прерывание.
На ножку OC0 можно назначить авто.вывод 1 или 0 если TCNT0 > OCR0 или TCNT0 < OCR0
(решим ШИМ).
С ножки OC0 можно считывать импульсы 1/0, которые будут увеличивать TCNT0.

Микропроцессорные устройства и системы.
Таймеры счетчики
Режим ШИМ с фазовой коррекцией
Счет в TCNT0 происходит от мин. 0 до макс. 255 (для 8бит ) или 65 535(для 16бит таймеров).
Происходит изменение счета TCNT0 при достижении макс.значений + установка флага.
При равенстве TCNT0 = OCR0 выставляется флаг и/или прерывание.
На ножку OC0 можно назначить авто.вывод 1 или 0 если TCNT0 > OCR0 или TCNT0 < OCR0
(решим ШИМ).
С ножки OC0 можно считывать импульсы 1/0, которые будут увеличивать TCNT0.

Микропроцессорные устройства и системы.
Таймеры счетчики
Счет в TCNT0 происходит от мин. 0 до значения записанного в регистр OCR .
Происходит сброс счета TCNT0 при достижении значения OCR + установка флага.
При равенстве TCNT0 = OCR0 выставляется флаг и/или прерывание.
На ножку OC0 можно назначить авто.вывод 1 или 0 если TCNT0 > OCR0 или TCNT0 < OCR0
(решим ШИМ).
С ножки OC0 можно считывать импульсы 1/0, которые будут увеличивать TCNT0.
Режим сброса таймера при совпадении (СТС)

Микропроцессорные устройства и системы.
Модуль АЦП – аналого-цифровой преобразователь
(Analog to Digital Converter) AT mega16
В процессоре 1 АЦП модуль позволяет мультиплексировать 8 выводов
Последовательное измерение 1 сигнала с выводов ADC0-ADC7

Микропроцессорные устройства и системы.
Модуль АЦП – аналого-цифровой преобразователь
(Analog to Digital Converter) AT mega16
Основные характеристики:
• 10-разрядное разрешение.
• Интегральная нелинейность 0.5 мл. разр.
• Абсолютная погрешность ±2 мл. разр.
• Время преобразования 13–260 мкс.
• Частота преобразования до 15 тыс. преобразований в секунду при
максимальном разрешении.
• 8 мультиплексированных однополярных каналов (входов).
• 7 дифференциальных каналов (входов).
• 2 дифференциальных канала (входа) с подключаемым усилением на
10 и 200.
• Представление результата с левосторонним или правосторонним выравниванием в 16-разрядном слове.
• Диапазон входного напряжения ADC 0…VCC.
• Выборочный внутренний ИОН (Reference Voltage) на 2,56 В.
• Режимы одиночного преобразования и автоматического перезапуска.
• Прерывание по завершении преобразования ADC.
• Механизм подавления шумов в режиме сна.

ADC 16бит (ADCL и ADCH по 8 бит каждый) – регистры данных ADC
ADMUX (ADC Multiplexer Select Register)
ADCSRA (ADC Control and Status Register)
Микропроцессорные устройства и системы.
Модуль АЦП – аналого-цифровой преобразователь
(Analog to Digital Converter) AT mega16

Микропроцессорные устройства и системы.
Модуль АЦП – аналого-цифровой преобразователь
(Analog to Digital Converter) AT mega16
Узел тактового делителя АЦП позволяет изменить скорость/частоту работы АЦП
ADCSRA (ADC Control and Status Register)
Обычно, при более низкой скорости работы АЦП повышается точность измерений
Изменение скорости работы АЦП

Микропроцессорные устройства и системы.
Модуль АЦП – аналого-цифровой преобразователь
(Analog to Digital Converter) AT mega16
Узел внутреннего усиления АЦП позволяет программно усилить аналоговый сигнал
Узел дифференциального измерения позволяет анализировать разностный сигнал
ADMUX (ADC Multiplexer Select Register)
Усиление сигнала в АЦП и измерение диф.сигнал

Микропроцессорные устройства и системы.
Модуль АЦП – аналого-цифровой преобразователь
(Analog to Digital Converter) AT mega16
Узел опорного напряжения АЦП позволяет выбрать опорный аналоговый сигнал
ADMUX (ADC Multiplexer Select Register)
Источники опорного напряжения:
Питание АЦП – самое «шумное»
Внутреннее опорное = 2,56В. – стабильнее AVCC
Внешнее опорное,
поданное на ножку AREF. – самое точное
Выбор опорного напряжения АЦП

Микропроцессорные устройства и системы.
Модуль UART ATmega16
Современные примеры использования
GSM/GPRS чип
Микроконтроллер с UART (AtMega, Pic, STM…)
Купюроприемники
Считыватели магнитных карт
Банковские терминалы
Контроль доступа

Микропроцессорные устройства и системы.
Модуль UART ATmega16
Отвечающие за работу регистры:
UDR - Регистр данных
UCSRA - Управляющий регистр
UCSRB - Управляющий регистр
UCSRC - Управляющий регистр
UBRRL и UBRRH - Регистры скорости передачи

Микропроцессорные устройства и системы.
Модуль UART ATmega16
Общий формат пакета данных
1 Старт бит
0,1,2,3,4 – обязательные биты данных
[5],[6],[7],[8],[9] – не обязательные биты данных
[SP2] – стоп бит может быть, либо нет
St - Старт бит, всегда 0
Sp - Стоп бит, всегда 1
P – Бит четности данных может быть либо нет
Типовой (стандартный) формат пакета данных

Микропроцессорные устройства и системы.
Модуль UART ATmega16
Настройка UART
Передача 8 бит данных
Прием 8 бит данных

UDR = MyDataByte; // отправить 1байт данных, записав их в регистр UDR
MyDataByte = UDR ; // получить 1байт данных, прочитав их из регистра UDR
Микропроцессорные устройства и системы.
Модуль UART ATmega16
Интерфейс RS-232 (Com Port)
Скорость (Бод) / Длина неэкран. кабеля/
110 — 914,4 м
300 — 914,4 м
1200 — 914,4 м
2400 — 152,4 м
4800 — 76,2 м
9600 — 76, 2 м

Микропроцессорные устройства и системы.
Интерфейс RS-485/422. Прототип Ethernet
Среда передачи – витая пара
62,5 кбит/с 1200 м (одна витая пара),
375 кбит/с 500 м (одна витая пара),
500 кбит/с,
1000 кбит/с,
2400 кбит/с 100 м (две витых пары),
10000 кбит/с 10 м

Микропроцессорные устройства и системы.
Интерфейс RS-485/422. Прототип Ethernet

Микропроцессорные устройства и системы.
Многозадачность. Особенности. Рекомендации
На примере управления квадрокоптера.
Особенности работы:
Непрерывная выдача сигналов на двигатели .
При сбое – падение аппарата.
Непрерывный прием данных с пульта оператора.
При сбое – потеря управления.
Мониторинг напряжения аккумулятора.
При сбое – разряд.

Микропроцессорные устройства и системы.
Многозадачность. Особенности. Рекомендации
Радиопередатчик
(GPRS,2,4ГГц,868МГц…)
UART
Токи/напряжения
диагностика
ADC
SPI
Flash память
GPIO
Timer0
Индикатор 7сегментный LED
GPIO
Timer1
GPIO
Timer2
ШИМ сигнал на драйверы двигателей 2шт
ШИМ сигнал на драйверы двигателей 2шт
МК
ЦПУ
Работа с таймерами, UART, ADC.. на прерываниях.
Максимальное задействие возможностей встроенных модулей.
Избегать программной реализации Таймеров, ШИМ, UART..
Избегать длительного ожидания флагов/данных, блокирующих работу основной программы
Уменьшать время выполнения в процедурах прерываний

Микропроцессорные устройства и системы.
Многозадачность. Особенности. Рекомендации
Радиопередатчик
(GPRS,2,4ГГц,868МГц…)
UART
Токи/напряжения
диагностика
ADC
SPI
Flash память
GPIO
Timer0
Индикатор 7сегментный LED
GPIO
Timer1
GPIO
Timer2
ШИМ сигнал на драйверы двигателей 2шт
ШИМ сигнал на драйверы двигателей 2шт
МК
ЦПУ
Таймер 0,2 формирует ШИМ сигнал управления двигателями, в прерывании
UART при приеме данных управления переходит на свое прерывание
ADC при окончании измерений в своем прерывании хранит результаты
Таймер1, по окончании счета, в своем прерывании обновляет данные на LED
SPI в прерывании отправляет данные во Flash
Прерывания – спасение в нагруженных задачах.

Микропроцессорные устройства и системы.
Многозадачность. Особенности. Рекомендации
Прерывания - получение информации, основная программа - обработка
//программа обработки прерывания по переполнению таймера
ISR(TIMER2_OVF_vect)
{
…… // свой код
}
//подпрограмма обработки прерывания от АЦП
ISR(ADC_vect)
{
…… // свой код
}
………. Другие прерывания …
//программа обработки прерывания по переполнению таймера
ISR(TIMER1_OVF_vect)
{
…… // свой код
}
//программа обработки по приему данных
ISR( USART_RXC_vect )
{
…… // свой код
}
//основная программа
int Main (void)
{
//если измеренные параметры правильные, то
if {****}
// если НЕ правильные значения курсов, токов, …,
else
{ корректируем и обрабатываем настройки, чтобы добиться требуемого
}
}
бесконечный цикл

Микропроцессорные устройства и системы.
Заключение
Программирование микроконтроллеров сводится к настройке внутренних модулей через индивидуальные регистры:
Портов ввода/вывода (PORTA, PORTB…)
Таймеров/счетчиков (T0,T1,T2…)
Шин ввода вывода (UART, SPI, i2C, USB…)
Преобразователей сигнала (АЦП, ЦАП, Компаратор..)
Внутренней памяти (EEPROM, Flash..)
…
и обмена информацией между модулями по различным условиям