Основы микропроцессорной техники

100

Ниже приведены основные характеристики двух микросхем семейства AT89.

Микроконтроллер AT89C4051

Совместимость с ИС семейства MCS-51.

4 Кбайта перепрограммируемой Flash памяти.

Ресурс: 1000 циклов записи/ стирания.

Напряжение питания от 2,7 В до 6 В.

Полностатический режим работы: от 0 Гц до 24 МГц.

Двухуровневая защита программирования памяти.

Встроенная 128 х 8 бит RAM.

15 программируемых линий I/O.

Два 16-разрядных таймера/ счетчика.

6 источников прерывания.

Программируемый последовательный канал UART.

Выходы с поддержкой прямого управления светодиодными сегментами.

Встроенный аналоговый компаратор.

Экономичные режимы ожидания (Idle) и отключения

(Power — down).

Распознавание режима аварийного отключения питания.

Рис. 10.1 — Расположение выводов AT89C4051

Микроконтроллер AT89S51

Совместимость с серией MCS-51.

101

4 КБ флэш-памяти с внутрисхемным программированием

(ISP).

Рабочий диапазон питания 4,0…5,5 В

Полностью статическое функционирование: 0 …33 МГц.

Три уровня защиты памяти программ.

Внутреннее ОЗУ размером 128 8.

32 программируемые линии ввода-вывода.

Два 16-разрядных таймера-счетчика.

Шесть источников прерываний.

Полнодуплексный канал последовательной связи на

UART.

Режимы снижения потребления: холостой ход и экономичный.

Восстановление прерываний при выходе из экономичного режима.

Сторожевой таймер.

Двойной указатель данных.

Флаг выключения питания.

Быстрое время программирования.

Гибкое внутрисхемное программирование.

Рис. 10.2 — Расположение выводов AT89S51

102

11 ПРИМЕРЫ ВОПРОСОВ КОМПЬЮТЕРНОЙ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Определить содержимое аккумулятора после выполнения команд (два шестнадцатеричных символа)

SUBBA,#100

2. Определить содержимое аккумулятора после выполнения команд (два шестнадцатеричных символа)

3. Определить содержимое регистра DPTR после выполнения команд (четыре шестнадцатеричных символа)

4.Записать третий байт команды CJNE A,#100,$-5

5.Транслировать команду SJMP $+10

6.Записать второй байт команды MOV C,P

7.Оценить время выполнения команд в микросекундах

(fк=12 МГц)

MOV A,#64H

DJNZ ACC,$

8. Какое из прерываний будет иметь высший приоритет после выполнения команд

MOV IE,#9FH

MOV IP,#0AH

9. Оценить время (в мкс) выполнения команды MUL AB при fк=4 МГц

103

ЛИТЕРАТУРА

1.Шарапов А.В. Цифровые и микропроцессорные устройства: Учебное пособие. — Томск: ТМЦ ДО, 2003. — 166 с.

2.Сташин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 224 с.

3.Боборыкин А.В., Липовецкий Г.П. и др. Однокристальные микроЭВМ: Справочник. — М.: БИНОМ, 1994. — 400 с.

4.Ремизевич Т.В. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений: от общих подходов — к семействам НС05 и НС08 фирмы Motorola /под ред. Кирюхина И.С. — М.: ДОДЭКА, 2000. — 272 с.

104

105

ПРЕДИСЛОВИЕ

За время своего относительно недолгого существования (с 1997 года) микроконтроллеры семейства AVR (серия AT90S) фирмы Atmel Corp. приобрели чрезвычайную популярность в мире и в России. В 2001 году более половины российских разработок с использованием 8-разрядных микроконтроллеров было создано именно на AVR. На сегодняшний день продолжается развитие в том же направлении. Это легко объяснить: благодаря очень удачной архитектуре ядра процессора и широкому набору периферийных модулей на кристалле существенно облегчается процесс программирования конечного устройства. Еще одним фактором, привлекательным для разработчиков, стал выпуск в 2002 году AVR-микроконтроллеров следующего поколения. Эти микросхемы производятся по технологическим нормам 0,35 мкм, в отличие от первых AT90S, выпускающихся по технологии 0,5 мкм. Заметное отличие – увеличенная в два раза тактовая частота новых контроллеров – 16 МГц, обеспечивающая производительность до 16 MIPS (типовая команда у AVR-контроллеров выполняется за один период тактовой частоты).

Кроме лекционного курса вторая часть пособия включает руководство к выполнению трех компьютерных лабораторных работ. Для их реализации используются программные средства отладки, свободно распространяемые фирмой Atmel (отладчик

AVR Studio, компилятор CVAVR и симулятор VMLAB).

В заключительном разделе пособия приведен пример проектирования измерителя частоты сети (микроконтроллер ATmega16 с программой на Си) и отладкой устройства c помощью симуля-

торов VMLAB и Proteus VSM.

106

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ AVR, ПРОГРАММНАЯ МОДЕЛЬ И СИСТЕМА КОМАНД

В настоящее время в серийном производстве находятся два семейства AVR – Tiny и Mega. Микроконтроллеры семейства Tiny имеют небольшой объем памяти программ и весьма ограниченную периферию. Они выпускаются в 8-выводных корпусах и являются самыми дешевыми. Наиболее развитую периферию, наибольшие объемы памяти данных и программ имеют микроконтроллеры семейства Mega.

AVR, пожалуй, одно из самых интересных направлений, развиваемых корпорацией Atmel. Они представляют собой мощный инструмент для создания современных высокопроизводительных и экономичных многоцелевых контроллеров. На настоящий момент соотношение «цена – производительность – энергопотребление» для AVR является одним из лучших на мировом рынке 8-разрядных микроконтроллеров. Объемы продаж AVR в мире удваиваются ежегодно. В геометрической прогрессии растет число сторонних фирм, разрабатывающих и выпускающих разнообразные программные и аппаратные средства поддержки разработок для них. Можно считать, что AVR становится еще одним индустриальным стандартом среди 8-разрядных микроконтроллеров общего назначения.

Сама идея создания нового RISC-ядра родилась в 1994 году в Норвегии. В 1995 году два его изобретателя Альф Боген (Alf-Egil Bogen) и Вегард Воллен (Vegard Wollen) предложили корпорации Atmel выпускать новый 8-разрядный RISC-микроконтроллер как стандартное изделие и снабдить его Flash-памятью программ на кристалле. Руководство Atmel Corp. приняло решение инвестировать данный проект. В 1996 году был основан исследовательский центр в городе Тронхейм (Норвегия). Оба изобретателя стали директорами нового центра, а микроконтроллерное ядро было запатентовано и получило название AVR (Alf-Egil Bogen + Vegard Wollen + RISC). Первый опытный кристалл 90S1200 был выпущен на стыке 1996–1997 годов, а с 3 квартала 1997 года корпорация Atmel приступила к серийному производству нового семейства микроконтроллеров и к их рекламной и технической поддержке.

107

AVR функционируют в широком диапазоне питающих напряжений от 1,8 до 6,0 вольт. Энергопотребление в активном режиме зависит от величины напряжения питания, от частоты, на которой работает AVR и от конкретного типа микроконтроллера. Подробные спецификации обычно приводятся в оригинальной технической документации Atmel Corp. Температурные диапазоны работы микроконтроллеров AVR – коммерческий (0С...70С) и индустриальный (-40С...+85С).

Все микроконтроллеры AVR имеют Flash-память программ, которая может быть загружена как с помощью обычного программатора, так и с помощью SPI-интерфейса, в том числе непосредственно на целевой плате (рис. 1.1). Число циклов перезаписи – не менее 1000.

3–WIRE IN/OUT

Рис. 1.1 – Структурная схема AVR

Все AVR имеют также блок энергонезависимой электрически стираемой памяти данных EEPROM. Этот тип памяти, дос-

108

тупный программе микроконтроллера непосредственно в ходе ее выполнения, удобен для хранения промежуточных данных, различных констант, таблиц перекодировок, калибровочных коэффициентов и т.п. EEPROM также может быть загружена извне как через SPI-интерфейс, так и с помощью обычного программатора. Число циклов перезаписи – не менее 100000. Два программируемых бита секретности позволяют защитить память программ и энергонезависимую память данных EEPROM от несанкционированного считывания.

Следующая отличительная черта архитектуры микроконтроллеров AVR – регистровый файл быстрого доступа (рис. 1.2). Каждый из 32-х регистров общего назначения длиной 1 байт непосредственно связан с арифметико-логическим устройством (ALU) процессора. Другими словами, в AVR существует 32 регистрааккумулятора (сравните, например, с MCS-51). Это обстоятельство позволяет в сочетании с конвейерной обработкой выполнять одну операцию в ALU за один машинный цикл. Так, два операнда

извлекаются из регистрового файла, выполняется команда и результат записывается обратно в регистровый файл в течение только одного машинного цикла, причем этот цикл равен периоду тактового генератора. Старшие регистры объединены парами и образуют три 16разрядных регистра X, Y и Z, предназначенных для косвенной адресации ячеек памяти (AVR без RAM

имеют только один 16-битный ре-

Рис. 1.2 – Регистровый файл гистр Z).

Внутренний тактовый генератор AVR может запускаться от нескольких источников опорной частоты (внешний генератор, внешний кварцевый резонатор, внутренняя или внешняя RC-цепочка). Поскольку AVRмикроконтроллеры полностью статические, минимальная допустимая частота ничем не ограничена (вплоть до пошагового режима). Максимальная рабочая частота определяется конкретным типом микроконтроллера. Верхние границы частотного диапазо-

109

на гарантируют устойчивую работу микроконтроллеров при работе во всем температурном диапазоне.

Программная модель AVR-микроконтроллеров приведена на рис.1.3. Для хранения оперативных данных программист, кроме регистрового файла, может использовать внутреннюю и внешнюю (если они имеются) блоки RAM. Поскольку внутренняя и внешняя RAM входят в единое адресное пространство (вместе с оперативными регистрами и регистрами ввода/вывода), то для доступа к ячейкам внутренней и внешней памяти используются одни и те же команды. Внутренняя оперативная память RAM отсутствует у кристаллов семейства Tiny, но имеется у всех AVR семейства Mega. Для некоторых микроконтроллеров возможна организация подключения внешней памяти данных объемом до 64Кб.

Область векторов прерываний

Рис. 1.3 – Программная модель AVR-микроконтроллеров

Регистровый файл, блок регистров ввода/вывода и память данных образуют единое адресное пространство, что дает воз-