Архитектура микроконтроллеров семейства Atmega. Учебное пособие

12.ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

Любая МПС, работающая от автономного источника питания, долго не сможет функционировать, если будет работать только в основном (динамическом) режиме. Для решения этой проблемы у МК имеются режимы пониженного энергопотребления.Уровень энергопотребления очень часто определяет способ реализации МПС.

Всовременных МК реализованы следующие основные виды режимов энергопотребления:

1) активный режим,

2) режим ожидания,

3) режим останова.

Из них представители двух последних видов называ-

ются режимами пониженного энергопотребления и отличаются они друг о друга разнообразием характеристик.Информацию об особенностях последних двух режимов необходимо смотреть в справочной литературе.

Основной режим работы МК – активный режим, в котором осуществляется исполнение управляющей программы, и возможен доступ ко всем ресурсам МК. При этом потребляемая мощность достигает максимального значения (обозначается как PRUN). Поскольку МК семейства Atmega реализованы на базе КМОП-технологии, мощность потребления в активном режиме зависит от тактовой частоты. В этом режиме мощность выше по сравнению с режимами пониженного энергопотребления в 5…10 раз.

Врежиме ожидания работа ПЯ приостанавливается, но внутренние ПУ, контролирующие состояние объекта, управляемого МК, остаются активными. Чем меньше внутренних ПУ функционируют, тем ниже у МПС энергопотребление. Сигналы от ПУ могут переводить МК в активный режим, и управляющая программа выполнит требуемые действия. Перевод МК из режима ожидания в рабочий режим мо-

41

жет происходить по прерываниям от внешних или внутренних ПУ, либо при сбросе МК. Пониженная мощность потребления МК (обозначается как PWAIT) – отличительная черта последних двух режимов по сравнению с активным.

Большая часть внутренних ПУ, а также ПЯ, в режиме останова приостанавливают работу. МК обязательно должен иметь возможность выхода из состояния останова в рабочий режим. Для этой цели используют подсистему внешних прерываний или сигнал сброса. В режиме останова мощность потребления МК (обозначается как PSTOP) падает в сопоставлении с активным режимом приблизительно на три порядка.

Выход из режима ожидания реализуется примерно за 3…5 периодов синхронизации МК, из режима останова – реализуется за несколько тысяч периодов синхронизации. Длительный переход в активный режим влечет за собой дополнительный расход энергии. Чем больше внутренних ПУ в режимах пониженного энергопотребления отключено, тем труднее МПС выходит из такого режима. Кроме того, режимы пониженного энергопотребления влекут за собой уменьшение функциональности МПС.

42

13. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОЙ РАБОТЫ МК

13.1. Состав средств обеспечения надежной работы МК

Управляющая программа МК должна выполняться независимо от факторов внешней среды. В результате воздействия на МПС электромагнитных помех, колебаний напряжения питания и других событий выполнение программы может быть нарушено. Для обеспечения надежности работы МПС МК снабжены специальными аппаратными средствами:

схемой формирования сигнала сброса МК;

модулем мониторинга напряжения питания;

сторожевым таймером.

Для гибкой настройки МК на конкретную задачу используются такой инструментарий как FUSE–биты. У любого МК имеется свой набор FUSE–битов. Содержание этого набора можно посмотреть в справочной литературе. FUSE – биты необходимы для задания настроек ряда внутренних ПУ, что реализуется путем установки энергонезависимых "перемычек" при программировании МК.

13.2. Схема формирования сигнала сброса

Схема формирования сигнала сброса для МК рассматриваемого семейства является традиционной.

Сигнал сброса (RESET) – это специальный внешний сигнал, переводящий МК в начальное состояние, т.е. устанавливающий в начальное состояние управляющие сигналы, внутренние магистрали МК и др. При этом инициализируются регистры специальных функций.

Сброс может быть вызван подачей питания на МК, а также подачей на вход RESET внешнего сигнала путем нажатия соответствующей кнопки на отладочной плате. После сброса происходит запуск управляющей программы МК.

43

13.3. Блок детектирования пониженного напряжения питания

В МК рассматриваемой серии имеется блок, который занимается мониторингом пониженного напряжения питания. При функционировании МПС напряжение питания МК может снизиться до минимально допустимого, но не дойти до уровня отпускания схемы, другими словами, может «просесть», а сам МК "зависнуть". В период восстановления напряжения питания до номинального значения МПС не будет нормально функционировать. Чтобы восстановить работоспособность МПС, МК необходимо сбросить. Для решения этой задачи и реализован рассматриваемый блок.

Сброс по сигналу блока пониженного напряжения питания фиксируется в специальном регистре МК. Анализ соответствующего бита этого регистра программой позволяет установить, сохранена ли целостность данных.

13.4. Сторожевой таймер

Cторожевой таймер (WDT) является реализованной на базе многоразрядного счетчика схемой контроля над зависанием МК. WDT должен периодически обнуляться в процессе выполнения программы. В момент перехода МК в активный режим работы содержимое счетчика начинает инкрементироваться независимо от контролируемой программы. Если в течение определенного временного интервала управляющая программа не сбрасывала счетчик, то содержимое счетчика достигнет максимального значения и будет сгенерирован сигнал внутреннего сброса. В результате программа начнет выполняться с самого начала.Чтобы принудительная перезагрузка МК не происходила,управляющая программа должна регулярно по истечение определенного временного интервала сбрасывать WDT.

44

Если не происходят внештатные ситуации и программа последовательно выполняется в соответствие с заранее предусмотренным алгоритмом, то перезагрузка по переполнению WDT не происходит. Но, если внештатная ситуация имела место, например, "зависание", то, скорее всего, WDT не будет сброшен вовремя. В этом случае произойдет сброс по переполнению WDT, который и поможет восстановить нормальный ход выполнения управляющей программы. Для работы со сторожевым таймером в стандартном комплекте для МК AVR существует библиотека wdt.h.

45

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Появление микроконтроллеров изменило различные области электронной техники настолько быстро, что последствия этого воздействия человек наблюдает каждый день. Стремительное развитие микроконтроллеров и связанных с ними областей техники и технологий привел к созданию аппаратуры с высокими техническими характеристиками и развитыми функциональными возможностями, имеющей низкую стоимость, малые габариты, удобство эксплуатации. Микроконтроллеры облегчают повседневную жизнь каждого человека.

Изучение архитектуры микроконтроллеров является очень важным направлением в области профессиональной подготовки студентов, обучающихся по профилю «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» и профилей, связанных с радиоэлектронной техникой. Данное пособие поможет будущим специалистам освоить эту перспективную быстроразвивающуюся область техники.

46

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

СЕМЕЙСТВА И ВЕРСИИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ ФИРМЫ ATMEL

Материал приложения взят из литературного источника [2].

Основные характеристики tinyAVR (ATtinyxxx):

флеш-память объемом до 16 Кб.

SRAM объемом до 512 б;

EEPROM объемом до 512 б.

число линий ввод-вывода 4-18 (общее количество выводов 6-32).

ограниченный набор периферийных устройств. Основные характеристики megaAVR (Atmegaxxx)

флеш-память объемом до 256 Кб;

SRAM объемом до 8 Кб;

EEPROM объемом до 4 Кб;

число линий ввода-вывода 23-86 (общее количество выводов 28-100);

аппаратный умножитель;

расширенная система команд и периферийных

устройств.

Основные характеристики XMEGA AVR (Atxmegaxxx):

флеш-память объемом до 384 Кб;

SRAM объемом до 32 Кб;

EEPROM объемом до 4 Кб;

четырехканальный DMA-контроллер;

инновационная система обработки событий, которая обеспечивает независимую от ЦПУ быстродейст-

вующую передачу данных между внутренними периферийными устройствами;

47

быстродействующие 12-битные АЦП и ЦАП;

ускоритель криптографических алгоритмов AES

и DES.

На основе стандартных семейств выпускаются микроконтроллеры, адаптированные под конкретные задачи:

−со встроенными интерфейсами USB, CAN, контроллером LCD;

−со встроенным радиоприемопередатчиком – серии

ATAхxxx, ATAMxxx;

−для управления электродвигателями – серия

AT90PWMxxxx;

−для автомобильной электроники;

−для осветительной техники.

Кроме указанных выше семейств, ATMEL выпускает 32-разрядные микроконтроллеры семейства AVR32. Версии микроконтроллеров:

−At(mega/tiny)xxx базовая версия;

−AtxxxL версии микроконтроллеров, работающих на пониженном (Low) напряжении питания (2,7 В);

−AtxxxV версии микроконтроллеров, работающих на низком напряжении питания (1,8 В);

−AtxxxP малопотребляющие версии (до 100 нА в режиме Power-down), применена технология picoPower, повыводно и функционально совместимы с предыдущими версиями;

−AtxxxA уменьшен ток потребления, перекрывается весь диапазон тактовых частот и напряжений питания двух предыдущих версий (также, в некоторых моделях, добавлены новые возможности и новые регистры, но сохранена полная совместимость с предыдущими версиями).

Микроконтроллеры «А» и «не А» с точки зрения программатора ничем не отличаются.

−Аtxxx-yyPI корпус DIP ;

−Аtxxx-yyPU корпус DIP, бессвинцовый припой;

48

−Аtxxx-yyAI корпус TQFP;

−Аtxxx-yyAU корпус TQFP, бессвинцовый припой, где yy (цифры 8/10/16/20) перед индексом означают максимальную частоту, на которой микроконтроллер может стабильно работать при нормальном для него напряжении питания.

Наименованием AVR32 Atmel обозначает МП с 32битной RISC архитектурой с DSP и развитой функциональностью SIMD. Несмотря на внешнюю схожесть названий и логотипов, у этой архитектуры технически мало общего с 16битной архитектурой.

Итого три линейки: от небольшого Attiny с ограниченным набором функций до больших моделей Atmega и AT90 со специальными функциями.

Все микроконтроллеры AVR от Microchip (кроме AVR32) имеют номенклатуру Atmega. Компания придерживается следующей схемы именования микроконтроллера на примере Atmega48PA-AU. Название состоит из пяти частей:

серия (в примере: «Atmega»);

число во второй степени (в примере: 4), указывающее размер флэш-памяти в килобайтах (Кб);

еще одно числовое обозначение размером до трех цифр (в примере: 8), которое определяет дополнительные функции и количество портов ввода / вывода;

буквенное обозначение размером до двух букв (в примере: PA), обозначающее версию микроконтроллера и энергосберегающую архитектуру;

дефис и еще две буквы, обозначающие дизайн (в примере: AU) (рис. П1.1).

Нумерация модулей Attiny гораздо более запутанная, чем в серии Atmega. Как и в случае с Atmega, первая цифра указывает размер флэш-памяти.

49