Короткий огляд

ATmega128 - малопотужний 8-розр. КМОП мікроконтролер, заснований на розширеній AVR RISC-архітектурі. За рахунок виконання більшості інструкцій за один машинний цикл ATmega128 досягає продуктивності 1 млн. операцій у секунду / МГц, що дозволяє проектувальникам систем оптимізувати співвідношення енергоспоживання і швидкодії

Ядро AVR поєднує багатий набір інструкцій з 32 універсальними робочими регістрами. Усі 32 регістра безпосередньо підключені до арифметико-логічного пристрою (АЛУ), який дозволяє вказати два різних регістра в одній інструкції і виконати її за один цикл. Дана архітектура володіє більш ефективним кодом за рахунок досягнення продуктивності в 10 разів вище в порівнянні зі звичайними CISC-мікроконтролерами.

ATmega128 містить такі елементи: 128 кбайт внутрішньосистемної програмованої флеш-пам'яті з підтримкою читання під час запису, 4 кбайт ЕСППЗУ, 4 кбайт статичного ОЗУ, 53 лінії універсального вводу-виводу, 32 універсальних робочих регістри, лічильник реального часу (RTC), чотири гнучких таймера-лічильника з режимами порівняння і ШИМ, 2 УСАПП, двухпроводной послідовний інтерфейс орієнтований на передачу байт, 8-канальний 10-розр. АЦП з опціональним диференціальним входом з програмованим коефіцієнтом підсилення, програмований сторожовий таймер з внутрішнім генератором, послідовний порт SPI, випробувальний інтерфейс JTAG сумісний зі стандартом IEEE 1149.1, який також використовується для доступу до вбудованої системи відладці і для програмування, а також шість програмно вибираних режимів зменшення потужності. Режим холостого ходу (Idle) зупиняє ЦПУ, але при цьому підтримуючи роботу статичного ОЗУ, таймерів-лічильників, SPI-порту і системи переривань. Режим вимкнення (Powerdown) дозволяє зберегти вміст регістрів, при зупиненому генераторі і виключенні вбудованих функцій до наступного переривання або апаратного скидання. В економічному режимі (Power-save) асинхронний таймер продовжує роботу, дозволяючи користувачеві зберегти функцію відліку часу в той час, коли інша частина контролера знаходиться в стані сну. Режим зниження шумів АЦП (ADC Noise Reduction) зупиняє ЦПУ і всі модулі введення-виведення, крім асинхронного таймера і АЦП для мінімізації імпульсних шумів у процесі перетворення АЦП. У черговому режимі (Standby) кварцовий / резонатора генератор продовжують роботу, а інша частина мікроконтролера знаходиться в режимі сну. Даний режим характеризується малою споживаною потужністю, але при цьому дозволяє досягти найшвидшого повернення в робочий режим. У розширеному черговому режимі (Extended Standby) основний генератор і асинхронний таймер продовжують працювати.

Мікроконтролер проводиться за технологією високощільної енергонезалежної пам'яті компанії Atmel. Вбудована внутрішньосистемної програмована флеш-пам'ять дозволяє перепрограмувати пам'ять програм безпосередньо усередині системи через послідовний інтерфейс SPI за допомогою простого програматора або за допомогою автономної програми в завантажувальному секторі. Завантажувальна програма може використовувати будь-який інтерфейс для завантаження прикладної програми у флеш-пам'ять. Програма в завантажувальному секторі продовжує роботу в процесі оновлення прикладної секції флеш-пам'яті, тим самим підтримуючи двухопераціонность: читання під час запису. За рахунок поєднання 8-розр. RISC ЦПУ з внутрішньосистемної самопрограмміруемой флеш-пам'яттю в одній мікросхемі ATmega128 є потужним микроконтроллером, що дозволяє досягти високого ступеня гнучкості й ефективної вартості при проектуванні більшості додатків вбудованого керування.

ATmega128 підтримується повним набором програмних і апаратних засобів для проектування, в т.ч.: Сі-компілятори, макроассемблера, програмні відладчики/симулятори, внутрішньосистемні емулятори і оцінні набори.

Лабораторна робота №1 «Освоєння середовища AVR Studio і способів відладки на елементарному прикладі»

Ціль роботи

• вивчення AVR Studio

• вивчення принципів написання програм на мові асемблер

• вивчення найпростіших команд ATMEGA128

Програма виконання роботи

- Самостійно ознайомитися з методикою роботи в AVR Studio

- Скласти алгоритм програми

- Відлагодити програму в AVR Studio

- Самостійно перевірити виконання програми

- Підготувати звіт по лабораторній роботі

Додатковий теоретичний матеріал необхідний для виконання лабораторної роботи

Assembler AVR працює з файлами, які складаються з мнемонік команд, міток і директив. Мнемоніки інструкцій і директиви часто мають свої операнди.

Кожна лінійка має бути обмеженою до 120 символів.

Кожна лінійка може починатися з мітки, яка є символьним рядком, який завершується двокрапкою. Мітки використовуються як аргумент в командах переходу ,а також, як ім’я змінної в Program Memory і RAM.

Рядок може мати такі чотири форми:

[мітка:] директива [операнди директиви] [коментар]

[мітка:] інструкція [операнди інструкції] [коментар]

Коментар

Пустий рядок

У квадратних дужках вказується інформація яка не обов’язково має бути присутньою у рядку.

Коментар має мати таку форму

; [Текст]

Додатково AVRASM2 сприймає коментарі, які написані у C-стилі.

AVRASM2 допусткає декілька команд і диркттив у одному рядку, але це не рекомендується.

По замовчування Assembler AVR не є чутливим до регістру клавіатури, якщо опціями не встановлено протилежне

Способи представлення чисел:

Цілі числа можна представляти у таких форматах:

- десяткова (по замовчуванню): 10, 255

- шістнадцяткова (дві форми запису): 0x0a, $0a, 0xff, $ff

- двійкова: 0b00001010, 0b11111111

-  вісьміркова (першим символом є нуль): 010, 077

Директиви.

Асемблер підтримує велику кількість директив. Директиви не транслюються прямо у машинні коди. Вони використовуються для впорядкування програми у пам’яті, визначають макроси, ініціалізують пам’ять і т.д. Повний список директив можна отримати з допомоги до AVR Studio. Директива починається з значка крапки «.»

Директива CSEG – «Сегмент програми»

Ця директива визначає початок сегменту програми. Асемблерний файл може складатися з декількох сегментів програми, які з’єднуються в один сегмент програми коли асемблюються. По замовчуванню тип сегменту є «програма». Сегмент програми має власний адресу розміщення, яка має розмір слова. Директива ORG може бути використана для розміщення програми і констант у специфічне місце пам’яті програм. Ця директива не потребує додаткових параметрів.

Синтаксис:

.CSEG

Директива DSEG – «Сегмент даних»

Ця директива визначає початок сегменту даних. Асемблерний файл може складатися з декількох сегментів даних, які з’єднуються в один сегмент даних коли асемблюються. Сегмент даних, по-нормальному, тільки складається з директив BYTE (і міток). Сегмент даних має власний адресу розміщення, яка має розмір байту. Директива ORG може бути використана для розміщення змінних у специфічне місце пам’яті даних (SRAM). Ця директива не потребує додаткових параметрів.

Синтаксис:

.DSEG

Директива ORG – «Встановлення початку програми»

Ця директива встановлює лічильник в абсолютне значення. Значення встановлення береться як параметр. Якщо ця директива подається в сегменті даних, тоді це є адреса розміщення у SRAM; якщо ця директива подається у сегменті програм, тоді це є адреса розміщення пам’яті програм; аналогічно з сегментом EEPROM.

По замовчуванню величина адреси розміщення для пам’яті програм і EEPROM є нуль, і для SRAM є адреса, яка слідує за кінцем області регістрів вводу/виводу (0x60 для мікроконтролерів без розширених адрес вводу/виводу, або 0x100 і більше для мікроконтролерів з розширеним адресним простором регістрів вводу/виводу). Треба мати на увазі, що адреса розміщення для SRAM і EEPTOM визначається байтами, у той час як для пам’яті програм адреса розміщення визначається словами. Також треба мати на увазі, що в деяких мікроконтролерах відсутнє SRAM і/чи EEPROM.

Синтаксис:

.ORG вираз

Інструкції:

Асемблер бере мнемоніки інструкцій з набору інструкцій, який можна отримати або з допомоги до AVR Studio, або з документації.

Всі інструкції поділяються на такі групи:

- арифметичні і логічні інструкції

- інструкції переходу

- інструкції переміщення даних

- бітові і біт-оціночні інструкції

Для операндів інструкцій будемо приймати такі скорочення:

Rd – регістр призначення (і джерело) у наборі регістрів

Rr – регістр джерело у наборі регістрів

b – константа (0-7), може бути вираз, результатом якого є константа

s – константа (0-7), може бути вираз, результатом якого є константа

P – константа (0-31/63), може бути вираз, результатом якого є константа

K6 – константа (0-63), може бути вираз, результатом якого є константа

K8 – константа (0-255), може бути вираз, результатом якого є константа

k – константа, величина якої залежить від того, яка інструкція. Може бути вираз, результатом якого є константа

q константа (0-63), може бути вираз, результатом якого є константа

Rd1 – R24, R26, R28, R30 Для інструкцій ADIW і SBIW

X, Y, Z – регістри непрямої адресації (X= R27:R26, Y=R29:R28, Z=R31:R30)

Опис деяких мнемонік інструкцій, які використовуються у цій лабораторній роботі

LDI – «Безпосереднє завантаження»

Ця інструкція завантажує 8-и бітну константу в регістри R16÷R31

Rd ← K

Синтаксис	Операнди	Лічильник команд
LDI Rd,K	16 ≤ d ≤ 31, 0 ≤ K ≤ 255	PC ← PC + 1

Вплив на регістри статусу:

I	T	H	S	V	N	Z	C
-	-	-	-	-	-	-	-

Наприклад:

ldi r30, $F0

NOP – «Немає операції»

Ця інструкція займає цілий цикл ядра мікроконтролерах і при цьому не виконує ніяких дій

Синтаксис	Операнди	Лічильник команд
NOP	Нема	PC ← PC + 1

Вплив на регістри статусу:

I	T	H	S	V	N	Z	C
-	-	-	-	-	-	-	-

Наприклад:

nop

MOV – «Копіювання регістру»

Ця інструкція робить копію одного регістра у інший. Регістр джерело Rr залишається незмінним, у той час, як регістр призначення Rd завантажується копією регістра джерела Rr

Rd ← Rr

Синтаксис	Операнди	Лічильник команд
MOV Rd,Rr	0 ≤ d ≤ 31, 0 ≤ r ≤ 31	PC ← PC + 1

Вплив на регістри статусу:

I	T	H	S	V	N	Z	C
-	-	-	-	-	-	-	-

Наприклад:

mov r16, r0

CP – «Порівняння регістрів»

Ця інструкція здійснює порівняння двох регістрів Rd і Rr. Ні один регістр при цьому не змінюється. Всі інструкції переходу з умовою можуть бути використані після цієї інструкції

Rd - Rr

Синтаксис	Операнди	Лічильник команд
CP Rd,Rr	0 ≤ d ≤ 31, 0 ≤ r ≤ 31	PC ← PC + 1

Вплив на регістри статусу:

I	T	H	S	V	N	Z	C
-	-	<>	<>	<>	<>	<>	<>

Наприклад:

cp r4, r19

BRLO – «Перейти, якщо менше (беззнекова)»

Інструкція умовного відносного переходу. Вона перевіряє БІТ ПЕРЕНОСУ (С - Carry flag - англ.) і здійснює відносний перехід (відносно регістра PC – Program Counter - англ.) якщо C встановлений. Якщо ця інструкція виконується зразу після будь-яких цих інструкцій CP, CPI, SUB чи SUBI – перехід відбудеться, якщо беззнакове ціле число представлене у Rd було меншим за беззнакове ціле число представлене у Rr. Ця інструкція здійснює відносний перехід відносно регістра PC у будь-якому напрямку (PC – 63 ≤ PC +64). Параметр k є зміщенням відносно PC і представляється у додатковому коді. (Ця інструкція є еквівалентною інструкції BRBS 0,k)

якщо Rd < Rr (C = 1) тоді PC ← PC + k + 1 інакше PC  ← PC + 1

Синтаксис	Операнди	Лічильник команд
BRLO k	-64 ≤ k ≤ +63	PC ← PC + k + 1 PC  ← PC + 1, якщо умова не справджується

Вплив на регістри статусу:

I	T	H	S	V	N	Z	C
-	-	-	-	-	-	-	-

Наприклад:

loop: ldi r20, $20

cpi r19, $10

brlo loop

nop

BRSH – «Перейти, якщо рівне або більше (беззнекова)»

Інструкція умовного відносного переходу. Вона перевіряє БІТ ПЕРЕНОСУ (С - Carry flag - англ.) і здійснює відносний перехід (відносно регістра PC – Program Counter - англ.) якщо C не встановлений. Якщо ця інструкція виконується зразу після будь-яких цих інструкцій CP, CPI, SUB чи SUBI – перехід відбудеться, якщо беззнакове ціле число представлене у Rd було більшим або рівним за беззнакове ціле число представлене у Rr. Ця інструкція здійснює відносний перехід відносно регістра PC у будь-якому напрямку (PC – 63 ≤ PC +64). Параметр k є зміщенням відносно PC і представляється у додатковому коді. (Ця інструкція є еквівалентною інструкції BRBC 0,k)

якщо Rd ≥ Rr (C = 0) тоді PC ← PC + k + 1 інакше PC  ← PC + 1

Синтаксис	Операнди	Лічильник команд
BRSH k	-64 ≤ k ≤ +63	PC ← PC + k + 1 PC  ← PC + 1, якщо умова не справджується

Вплив на регістри статусу:

I	T	H	S	V	N	Z	C
-	-	-	-	-	-	-	-

Наприклад:

loop: ldi r20, $20

cpi r19, $10

brsh loop

nop

RJMP – «Відносний перехід»

Інструкція здійснює відносний перехід по адресі у інтервалі PC – 2K + 1 і PC +2K (слів). У асемблері мітки використовуються замість відносних операцій. Для AVR мікроконтролерів з пам’яттю програм не більшою 4К слів (8К байт) ця інструкція може адресувати пам’ять з будь-якого місця програми (будь-якої комірки пам’яті програм).

PC ← PC + k + 1

Синтаксис	Операнди	Лічильник команд	Стек
RJMP k	-2K ≤ k ≤ 2K	PC ← PC + k + 1	Без змін

Вплив на регістри статусу:

I	T	H	S	V	N	Z	C
-	-	-	-	-	-	-	-

Наприклад:

rjmp OK

OK: nop