Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Микропроцессорные системы. Применение микроконтроллеров семейства AVR для управления внешними устройствами

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 92 3 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

3. Архитектура микроконтроллера ATMega169

Микроконтроллер ATMega169 (рис. 3) имеет стандартную архитектуру микроконтроллеров серии AVR, выпускаемых фирмой Atmel.

Рис. 3. Архитектура микроконтроллера ATMega169

В настоящем издании приводится ознакомительное описание ар-

хитектуры микроконтроллера семейства AVR. Более подробное описа-

ние можно получить в специальной литературе [1–3]. Микроконтроллеры семейства AVR имеют расширенную гарвард-

скую архитектуру. Это означает, что программа и данные находятся в разных адресных пространствах. Память программ доступна только для чтения специальными машинными командами. Память данных (ОЗУ)

доступна как для чтения, так и для записи. Абсолютное большинство команд процессора работает с регистрами или памятью данных. Систе-

ма команд ядра AVR близка идеологии RISC. Процессор AVR имеет 32 8-битных регистра общего назначения

(РОН или General purpose registers), объединенных в регистровый файл.

Регистры обозначаются как R0-R31. В отличие от «идеального» RISCядра, регистры не равноправны (рис. 4).

Рис. 4. Карта регистров микроконтроллеров серии AVR

Некоторые команды (ANDI/CBR, ORI/SBR, CPI, LDI, LDS, STS, SUBI, SBCI, SER и MULS) работают только с регистрами R16…R31. Четыре последние пары регистров (R24-R31) могут использоваться попарно для операций с 16-битными числами. В командах, работающих с 16-битными операндами, четные регистры (R24, R26, R28, R30) хранят младшие 8 бит 16-битного числа, а нечетные регистры (R25, R27, R29, R31) хранят старшие 8 бит 16-битного числа. Последние три пары регистров (R26:R27, R28:R29 и R30:R31)

имеют специальные обозначения X, Y и Z. Регистр X представлен парой РОН R26:R27, Y – парой РОН R28:R29 и Z – парой РОН R30:R31. Ко-

манды, увеличивающие и уменьшающие 16-битное значение с непо-

средственным операндом (ADIW, SBIW), работают только с одной из пар R25:R24, R27:R26 (X), R29:R28 (Y), или R31:R30 (Z). Команда копирования пары регистров работает только с соседними регистрами,

начинающимися с нечетного (R1:R0, R3:R2, …, R31:R30). Результат команды умножения всегда помещается в R1:R0. Также

только эта пара используется в качестве операндов для команды само-

программирования. Адресное пространство памяти программ (ОЗУ, Data memory или

SRAM) содержит несколько разделов (рис. 5). Первые 0x100 байт адрес-

ного пространства памяти данных занимают РОН и регистры ввода-

вывода. Эти адреса не могут использоваться для хранения произволь-

ных данных.

Рис. 5. Карта памяти программ (ОЗУ) микроконтроллера AVR

В адресном пространстве памяти данных по адресам 0x0000 – 0x001F расположены 32 РОН R0-R31. Иными словами, к РОН возможно

обращение двумя способами – как непосредственно к регистрам, так и как к ячейкам ОЗУ с адресами 0x0000 – 0x001F. Регистру R0 соответствует ячейка ОЗУ с адресом 0x0000, а регистру R31 – ячейка ОЗУ с ад-

ресом 0x001F. В адресном пространстве памяти данных по адресам 0x0020 – 0x005F расположены 64 порта ввода-вывода (I/O Registers), к которым

возможно обращение с помощью специальных команд работы с портами

ввода-вывода. К портам ввода-вывода также возможно обращение двумя способами (рис. 6) – как к портам ввода-вывода с адресами 0x00-0x3F (только в специальных командах работы с портами ввода-

вывода), так и как к ячейкам памяти с адресами 0x0020 – 0x005F с по-

мощью команд работы с памятью. Порту ввода-вывода 0x00 соответствует ячейка памяти с адресом 0x0020, а порту ввода-вывода 0x3F соответствует ячейка памяти с адресом 0x005F.

Рис. 6. Соответствие адресов пространства порта ввода-вывода

и пространства памяти данных

В адресном пространстве памяти данных по адресам 0x0060 – 0x00FF расположены 160 расширенных портов ввода-вывода (I/O

Registers), к которым возможно обращение только как к ячейкам памяти.

Специальные команды работы с портами ввода-вывода не поддерживают обращение к расширенным портам. Порты ввода-вывода служат для управления внешними (по отно-

шению к ядру микроконтроллера) устройствами – таймерами, контроллерами прерываний, контроллерами интерфейсов UART, SPI, линиями

ввода-вывода и так далее. В адресном пространстве памяти данных по адресам 0x0100 –

0x04FF расположена память данных объемом 1 Кбайт (1024 байта). Эта память используется программистом по своему усмотрению для хране-

ния произвольных данных. Память программ (Program FLASH) имеет объем 16 Кбайт (16 384 байта), или 8 16-битных слов. Каждая команда AVR занимает одно или два 16-битных слова (два или четыре байта).

Первые 92 байта (46 слов) памяти программ с адресами 0x0000 –

0x005B заняты векторами прерываний (табл. 2). В остальной области –

0x005C-0x3FFF расположена программа и данные, доступные только для чтения специальными командами чтения из памяти программ.

Таблица 2

Список векторов прерываний ATMega169

Номер

вектора

Адрес памяти про-

грамм (в байтах)

Источник

преры-

вания

Описание

0x0000

RESET

Рестарт процессора по сигналу Reset

или WatchDog-таймеру

0x0004

INT0

Прерывание от внешнего сигнала

0x0008

PCINT0

Прерывание по изменению состоя-

ния линии

0x000С

PCINT1

Прерывание по изменению состоя-

ния линии

0x0010

TIMER2

COMP

Прерывание по совпадению таймера 2

0x0014

TIMER2

OVF

Прерывание по переполнению таймера 2

0x0018

TIMER1

CAPT

Прерывание по захвату таймера 1

0x001С

TIMER1

COMPA

Прерывание по совпадению с реги-

стром А таймера 1

0x0020

TIMER1

COMPB

Прерывание по совпадению с реги-

стром B таймера 1

0x0024

TIMER1

OVF

Прерывание по переполнению таймера 1

0x0028

TIMER0

COMP

Прерывание по совпадению таймера 0

0x002С

TIMER0

OVF

Прерывание по переполнению таймера 0

0x0030

SPI, STC

Прерывание по завершению обмена

SPI

0x0034

USART,

Прерывание по приему байта UART

0x0038

USART,

UDRE

Прерывание по флагу «регистр пе-

редачи данных пуст» UART

0x003С

USART,

Прерывание по окончанию передачи

байта UART

0x0040

USI

START

Прерывание по началу обмена, ин-

терфейс USI

0x0044

USI

OVERFL

Прерывание по переполнению, ин-

терфейс USI

0x0048

ANALOG

COMP

Прерывание по событию от анало-

гового компаратора

0x004С

ADC

Прерывание от АЦП, аналого-

цифровое преобразование заверше-

но

0x0050

READY

Прерывание по готовности энерго-

независимой памяти EEPROM

0x0054

SPM

READY

Прерывание по готовности к записи

в память программ

0x0058

LCD

Прерывание по началу фрейма

ЖКИ-дисплея

4. Порты ввода-вывода общего назначения

Порты ввода-вывода общего назначения (GPIO) (не путать с портами ввода-вывода или регистрами ввода-вывода ядра микроконтролле-

ра!) представляют собой набор электрических линий, состояние каждой

из которых может быть программно установлено или прочитано. Порты ввода-вывода (Input-Output Ports) – схемотехническое ре-

шение, позволяющее общаться ядру микропроцессора с «внешним миром». Порты ввода (Input Ports) позволяют считывать состояния внешних устройств. Порты вывода (Output Ports) позволяют выводить комби-

нации электрических сигналов на внешние устройства. Рассмотрим общий принцип действия порта ввода-вывода в режиме вывода, рис. 7.

Рис. 7. Упрощенная схема порта вывода

В нашем примере порт вывода имеет 4 линии вывода O0-O3. В общем случае порт вывода представляет собой регистр-защелку, способный хранить несколько бит данных. Линии O0-O3 в нашем примере – это электрические линии, выведенные во «внешний мир». По команде ядра процессора выставляются следующие сигналы:

 адрес порта вывода выставляется на шину адреса (ША). По адре-

су дешифратор адресов выставляет сигнал разрешения записи в регистрзащелку (в нашем примере сигнал CS0);

 на шину данных (ШД) выставляются данные, которые записыва-

ются в порт (т. е. в регистр-защелку);

 на линию WRP – сигнал записи, по которому данные с ШД запи-

сываются в регистр-защелку и появляются на выходных линиях O0-03. В результате выполнения указанных действий линии O0-03 уста-

навливаются в состояние, определяемое программой, и находятся в этом

состоянии до следующей записи в порт вывода.

Рис. 8. Порт ввода-вывода в режиме ввода

Порт ввода устроен подобно порту вывода (рис. 8). В нашем примере порт ввода имеет 4 линии ввода I0-I3. В общем случае порт ввода

представляет собой буфер с тремя состояниями, который передает со-

стояние внешних линий на шину данных. Линии I0-I3 в нашем примере – это электрические линии, выведенные во «внешний мир». По команде ядра процессора выставляются следующие сигналы:

 адрес порта вывода выставляется на шину адреса (ША). По адре-

су дешифратор адресов выставляет сигнал разрешения записи в регистрзащелку (в нашем примере сигнал CS0);

 на линию RDP выставляется сигнал чтения, по которому данные

с линий I0-I3 выставляются на ШД;

 на шину данных (ШД) выставляются данные с линий I0-I3, отку-

да эти данные считываются ядром микроконтроллера. В результате выполнения указанных действий ядро микроконтроллера считывает данные с внешних линий ввода I0-I3.

Микроконтроллер семейства AVR имеет несколько регистров для управления портами ввода-вывода общего назначения (GPIO) – регистр

ввода (PIN), регистр вывода (PORT) и регистр управления направлением

порта (DDR). Регистры каждого порта ввода-вывода доступны как в адресном пространстве портов ввода-вывода, так и в адресном простран-

стве памяти данных. Обозначаются регистры каждого порта следующим образом: для порта A – PINA, PORTA, DDRA; для порта B – PINB,

PORTB, DDRB и т. д. Каждый из регистров имеет размер 8 бит. Иными

словами, одним выводом в регистр можно управлять сразу восемью ли-

ниями ввода-вывода.

Рис. 9. Упрощенная схема одной линии порта ввода-вывода

микроконтроллера семейства AVR

Основным отличием портов микроконтроллеров семейства AVR от показанных примеров является то, что каждая линия порта AVR может использоваться как для ввода, так и для вывода данных. Направление передачи данных определяется содержимым регистра DDR соответ-

ствующего порта. Упрощенная схема одной линии порта ввода-вывода

микроконтроллера семейства AVR показана на рис. 9. Заметим, что мно-

гие линии портов ввода-вывода микроконтроллеров семейства AVR мо-

гут выполнять несколько функций. Какая из функций выполняется линией того или иного порта – выбирается программным способом, путем записи необходимой конфигурации в соответствующие регистры управ-

ления периферийными устройствами.

Состояние линии определяется тремя сигналами: DDRx, PORTx и

PINx. Сигнал PINx управляет ключом К, который электрически подключает и отключает выход регистра защелки PORTx к выходной линии Pxy.

Индекс x – обозначает номер порта, а индекс y – номер линии порта. Если сигнал DDRxy имеет значение 0, то выход регистра защелки

PORTxy отключен от выходной лини Pxy и значение, записанное в регистр PORTx, не влияет на состояние выходной лини Pxy. Другими сло-

вами, порт работает только в режиме ввода. Если сигнал DDRxy имеет значение 1, то выход регистра защелки

PORTx подключен к выходной лини Pxy и значение, записанное в регистр PORTx выводится на выходную линию Pxy. Значит, порт работает

только в режиме вывода. Обратите внимание, что считывать состояние линии данных из ре-

гистра PINxy можно всегда – вне зависимости от режима работы порта. Следовательно, порт всегда можно использовать для считывания реаль-

ного состояния линии. Рассмотрим типичные задачи, решаемые при управлении внешними устройствами с помощью портов ввода-вывода общего назначения применительно к микроконтроллерам семейства AVR.

4.1. Пример настройки порта ввода-вывода

Рассмотрим пример настройки порта ввода-вывода D. Предполо-

жим, что необходимо линии 0–3 порта D настроить на ввод данных,

а линии 4–7 на вывод данных. Представим направление передачи данных линий порта D, как показано на рис. 10.

Рис. 10. Направление передачи данных линий порта D (DDRD)

Из показанного видно, что биты 0, 1, 2, 3-го регистра DDRD

должны быть установлены в состояние 0 (ввод данных), а линии 4, 5, 6,

7 – в состояние 1 (вывод данных). Значение, которое должно быть записано в регистр DDRD, в дво-

ичном виде, представлено как 0b11110000; в шестнадцатеричном виде –

это число 0xF0.

<<< < Предыдущая 12 / 92 3 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]