🗊Презентация Микроконтроллеры ATMEL AVR

Организация ядра AVR-контроллеров. Организация ядра AVR-контроллеров. Фирма Atmel Corp. (США), основанная в 1984 г. является одной из ведущих корпораций в области микроэлектроники таких направлений, как микроконтроллеры, производство энергонезависимых схем памяти, микросхем программируемой логики. Микроконтроллеры ATMEL AVR (Advanced Virtual RISC)являются достаточно мощными, низкопотребляющими и гибкими устройствами, что в совокупности с низкой стоимостью определило их широкое распространение на мировом и российском рынках. В настоящее время AVR-контроллеры используются практически во всех областях производства: от Smart Card для персональных компьютеров до спутниковых навигационных систем. Различают следующие группы AVR-контроллеров: Mega AVR (префикс ATmegaXXX); Classic AVR (префикс AT90SXXX ); Tiny AVR ( префикс ATtinyXXX); AVR для Smart Cards ( префикс AT90SCC). Mega AVR имеют наибольшие объемы памяти, наибольшее количество выводов и наиболее полный набор периферийных узлов. Classic AVR –микроконтроллеры с различным сочетанием периферийных узлов, имеет разные объемы встроенной памяти и количество выводов. Tiny AVR – дешевые кристаллы в 8 -выводных корпусах, способные работать от источника пониженного напряжения. AVR для Smart Cards – группа специализированных кристаллов, предназначенных для работы в составе периферийных и сетевых адаптеров.

Организация ядра AVR-контроллеров. Организация ядра AVR-контроллеров. Микроконтроллер AVR содержит: быстрый RISC-процессор, два типа энергонезависимой памяти (Flash-память программ и память данных EEPROM), оперативную память RAM, порты ввода/вывода и различные периферийные интерфейсные схемы. Основой микроконтроллеров AVR является 8-битное микропроцессорное ядро или центральное процессорное устройство (ЦПУ), построенное на принципах RISC-архитектуры. Основой этого блока служит арифметико-логическое устройство (АЛУ). По системному тактовому сигналу из памяти программ в соответствии с содержимым счетчика команд (Program Counter - PC) выбирается очередная команда и выполняется АЛУ. Во время выбора команды из памяти программ происходит выполнение предыдущей выбранной команды, что и позволяет достичь быстродействия 1 MIPS на 1 МГц.

Организация ядра AVR-контроллеров. Организация ядра AVR-контроллеров. АЛУ подключено к регистрам общего назначения РОН . Регистров общего назначения всего 32, они имеют байтовый формат, то есть каждый из них состоит из восьми бит. РОН находятся в начале адресного пространства оперативной памяти, но физически не являются ее частью. Поэтому к ним можно обращаться двумя способами (как к регистрам и как к памяти). Такое решение является особенностью AVR и повышает эффективность работы и производительность микроконтроллера. Отличие между регистрами и оперативной памятью состоит в том, что с регистрами можно производить любые операции (арифметические, логические, битовые), а в оперативную память можно лишь записывать данные из регистров. В микроконтроллерах AVR реализована Гарвардская архитектура, в соответствии с которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но и шины доступа к ним. Каждая из областей памяти данных (оперативная память и EEPROM) также расположена в своем адресном пространстве.

Организация ядра AVR-контроллеров. Организация ядра AVR-контроллеров. Память программ (Flash ROM или Flash ПЗУ) Память программ предназначена для хранения последовательности команд, управляющих функционированием микроконтроллера, и имеет 16-ти битную организацию. Все AVR имеют Flash-память программ, которая может быть различного размера - от 1 до 256 КБайт. Ее главное достоинство в том, что она построена на принципе электрической перепрограммируемости, т. е. допускает многократное стирание и запись информации. Программа заносится во Flash-память AVR как с помощью обычного программатора, так и с помощью SPI-интерфейса, в том числе

Организация ядра AVR-контроллеров. Организация ядра AVR-контроллеров.    Память данных    Память данных разделена на три части: регистровая память, оперативная память (ОЗУ - оперативное запоминающее устройство или RAM) и энергонезависимая память (ЭСППЗУ или EEPROM).       Регистровая память (РОН и РВВ)    Регистровая память включает 32 регистра общего назначения (РОН или GPR), объединенных в файл, и служебные регистры ввода/вывода (РВВ). И те и другие расположены в адресном пространстве ОЗУ, но не являются его частью . В области регистров ввода/вывода расположены различные     

Организация ядра AVR-контроллеров. Организация ядра AVR-контроллеров.     Оперативная память (ОЗУ или RAM) Внутренняя оперативная статическая память Static RAM (SRAM) имеет байтовый формат и используется для оперативного хранения данных. Размер оперативной памяти может варьироваться у различных чипов от 64 Байт до 4 КБайт. Число циклов чтения и записи в RAM не ограничено, но при отключении питающего напряжения вся информация теряется.

   Периферия. Порты ввода/вывода (I/O)    Периферия. Порты ввода/вывода (I/O) Порты ввода/вывода AVR имеют число независимых линий "вход/выход" от 3 до 53. Каждая линия порта может быть запрограммирована на вход или на выход. Мощные выходные драйверы обеспечивают токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении 40 мА, что позволяет непосредственно подключать к микроконтроллеру светодиоды

   Периферия. Порты ввода/вывода (I/O)    Периферия. Порты ввода/вывода (I/O) Pxn – имя ножки порта микроконтроллера, где x буква порта (A, B, C или D), n номер разряда порта (7… 0). Cpin — паразитная емкость порта. VCC — напряжение питания. Rpu — отключаемый нагрузочный верхний резистор (pull-up). Каждый порт микроконтроллера AVR (обычно имеют имена A, B и иногда C или даже D) имеет 8 разрядов, каждый из которых привязан к определенной ножке корпуса. Каждый порт имеет три специальных

   Периферия. Прерывания (INTERRUPTS)    Периферия. Прерывания (INTERRUPTS) Система прерываний - одна из важнейших частей микроконтроллера. Все микроконтроллеры AVR имеют многоуровневую систему прерываний. Для каждого такого события разрабатывается отдельная программа, которую называют подпрограммой обработки запроса на прерывание (для краткости - подпрограммой прерывания), и размещается в памяти программ. При возникновении события, вызывающего прерывание, микроконтроллер сохраняет содержимое счетчика команд, прерывает выполнение

   Периферия. Таймеры/счетчики (TIMER/COUNTERS)    Периферия. Таймеры/счетчики (TIMER/COUNTERS) Микроконтроллеры AVR имеют в своем составе от 1 до 4 таймеров/счетчиков с разрядностью 8 или 16 бит, которые могут работать и как таймеры от внутреннего источника тактовой частоты, и как счетчики внешних событий. Их можно использовать для точного формирования временных интервалов, подсчета импульсов на выводах микроконтроллера, формирования последовательности импульсов, тактирования приемопередатчика последовательного канала связи. В режиме ШИМ (PWM) таймер/счетчик может представлять собой широтно-

   Периферия. Таймеры/счетчики (TIMER/COUNTERS)    Периферия. Таймеры/счетчики (TIMER/COUNTERS) Для получения различных аналоговых величин изменяется ширина импульса. При достаточно быстрой смене периодов включения-выключения можно подавать постоянный сигнал между 0 и 5 В на светодиод, тем самым управляя яркостью его свечения. На графике зеленые линии отмечают постоянные временные периоды. Длительность периода обратно пропорциональна частоте ШИМ.

   Периферия. Сторожевой таймер (WDT)    Периферия. Сторожевой таймер (WDT) Сторожевой таймер (WatchDog Timer) предназначен для предотвращения катастрофических последствий от случайных сбоев программы. Он имеет свой собственный RC-генератор, работающий на частоте 1 МГц. Как и для основного внутреннего RC-генератора, значение 1 МГц является приближенным и зависит прежде всего от величины напряжения питания микроконтроллера и от температуры.

   Периферия. Аналоговый компаратор (AC)    Периферия. Аналоговый компаратор (AC) Аналоговый компаратор (Analog Comparator) сравнивает напряжения на двух выводах (пинах) микроконтроллера. Результатом сравнения будет логическое значение, которое может быть прочитано из программы. Выход аналогового компаратора можно включить на прерывание от аналогового компаратора. Пользователь может установить срабатывание прерывания по нарастающему или спадающему фронту или по переключению.

   Периферия. Аналоговый компаратор (AC)    Периферия. Аналоговый компаратор (AC) ACI (Analog Comparator Interrupt Flag) - флаг прерывания.. Если прерывания компаратора разрешены, то вызывается обработчик. ACIE (Analog Comparator Interrupt Enable) - разрешение прерываний компаратора. компаратор генерирует запрос на прерывание при изменении состояния его выхода. ACIC (Analog Comparator Input Capture Enable) - подключает выход компаратора к схеме захвата таймера Т1. 1 - выход компаратора подключен к схеме захвата, 0 - не подключен.

   Периферия. Аналого-цифровой преобразователь (A/D CONVERTER)    Периферия. Аналого-цифровой преобразователь (A/D CONVERTER) Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) служит для получения числового значения напряжения, поданного на его вход. Схема аналого-цифрового преобразователя АЦП содержит 8-канальный аналоговый мультиплексор входных сигналов, регистр выбора входного сигнала ADMUX, 10-разрядный цифроаналоговый преобразователь (конвертер), 8-разрядный регистр управления и состояния ADCSR, 16-разрядный регистр данных, схему формирования

   Периферия. Универсальный последовательный приемопередатчик (UART или USART)    Периферия. Универсальный последовательный приемопередатчик (UART или USART) Универсальный асинхронный или универсальный синхронно/асинхронный приемопередатчик (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter - UART или USART) - удобный и простой последовательный интерфейс для организации информационного канала обмена микроконтроллера с внешним миром. Способен работать в дуплексном режиме (одновременная передача и прием данных). Он поддерживает протокол стандарта RS-232, что обеспечивает возможность организации связи с персональным компьютером.

   Периферия. Универсальный последовательный приемопередатчик (UART или USART)    Периферия. Универсальный последовательный приемопередатчик (UART или USART) Управление приемопередатчиком осуществляется посредством двух регистров: регистра статуса USR и регистра управления UCR. Регистр статуса USR доступен только по чтению и обеспечивает информацию о состоянии UART. Регистр управления UCR предназначен для задания режимов работы UART и доступен как по чтению, так и по записи.

   Периферия. Последовательный периферийный интерфейс SPI    Периферия. Последовательный периферийный интерфейс SPI Последовательный периферийный трехпроводный интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface) предназначен для организации обмена данными между двумя устройствами. С его помощью может осуществляться обмен данными между микроконтроллером и различными устройствами, такими, как цифровые потенциометры, ЦАП/АЦП,

   Периферия. Последовательный периферийный интерфейс SPI    Периферия. Последовательный периферийный интерфейс SPI В микроконтроллерах АТх8515, например, для сигналов интерфейса SPI выделены четыре линии порта РВ: РВ5 – MOSI, РВ6 – MISO, PB7-SCK, PB4-;SS. Вывод PB1(SCK) является выходом тактового сигнала ведущего микроконтроллера и входом тактового сигнала ведомого. По записи ведущим CPU данных в SPI регистр

   Периферия. Двухпроводной последовательный интерфейс    Периферия. Двухпроводной последовательный интерфейс Двухпроводной последовательный интерфейс TWI (Two-wire Serial Interface) является полным аналогом базовой версии интерфейса I2C (двухпроводная двунаправленная шина) фирмы Philips. Этот интерфейс позволяет объединить вместе до 128 различных устройств с помощью двунаправленной шины, состоящей из линии тактового сигнала (SCL) и линии данных (SDA).

   Периферия. Двухпроводной последовательный интерфейс    Периферия. Двухпроводной последовательный интерфейс Младший бит TWGCE регистра TWAR разрешает распознавание общих вызовов (обращений с адресом $00). Если разряд TWGCE = О, распознавание общих вызовов запрещено.

   Периферия. Двухпроводной последовательный интерфейс    Периферия. Двухпроводной последовательный интерфейс TWEA – бит разрешения подтверждения. При установке бита в 1 устройство формирует сигнал подтверждения, когда это необходимо; TWIE и TWINT – флаги разрешения и прерывания от модуля TWI. Запрос прерывания генерируется, если TWINT = 1 и TWIE = = 1. Сброс флага TWINT может быть осуществлен только при записи в него логической 1;

Применение микроконтроллеров ATMEL AVR (Atmega 328) на примере Arduino UNO Применение микроконтроллеров ATMEL AVR (Atmega 328) на примере Arduino UNO Arduino UNO R3 выполнен на микроконтроллере ATmega328. У него: • 14 цифровых портов входа-выхода ( 6 из них поддерживают режим ШИМ модуляции); • 6 аналоговых входов; • частота тактирования 16 МГц; • USB порт; • разъем питания;

Применение микроконтроллеров ATMEL AVR (Atmega 328) на примере Arduino UNO Применение микроконтроллеров ATMEL AVR (Atmega 328) на примере Arduino UNO

Программирование. Программирование. Контроллер может программироваться из интегрированной среды программного обеспечения Ардуино (IDE). Программирование происходит под управлением резидентного загрузчика по протоколу STK500. Аппаратный программатор при этом не требуется. Микроконтроллер можно запрограммировать через разъем для внутрисхемного программатора ICSP, не используя, загрузчик. Исходный код программы-загрузчика находится в свободном доступе. Отличие от других контроллеров Ардуино. Arduino UNO R3, в отличие от предыдущих версий, не использует для подключения к компьютеру мост USB-UART FTDI. Эту функцию в нем выполняет микросхема CH340G. Память. У микроконтроллера три типа памяти: • 32 кБ флэш (FLASH); • 2 кБ оперативной памяти (SRAM); • 1 кБ энергонезависимой памяти (EEPROM).

Система питания. Система питания. Плата UNO может получать питание от USB порта или от внешнего источника. Источник питания выбирается автоматически. Адаптер подключается через разъем диаметром 2,1 мм (центральный контакт – положительный). Батарея подключается к контактам GND и Vin разъема POWER. Напряжение внешнего источника питания может быть в диапазоне 6 – 20 В. Нежелательно повышать напряжение питания более 12 В, т.к. может перегреется стабилизатор и выйти из строя. Т.е. рекомендуемый диапазон напряжения питания 7 – 12 В. Для подключения питания могут быть использованы следующие выводы. Vin Питание платы от внешнего источника питания. Не связано с питанием 5 В от USB или выходами других стабилизаторов. Через этот контакт можно получать питание для своего устройства, если плата питается от адаптера. 5 V Выход стабилизатора напряжения платы. На нем напряжение 5 В при любом способе питания. Питать плату через этот вывод не рекомендуется, т.к. не используется стабилизатор, что может привести к выходу микроконтроллера из строя. 3 V 3 Напряжение 3,3 В от стабилизатора напряжения на плате. Предельно допустимый ток потребления от этого вывода 50 мА. GND Общий провод. IOREF На выводе информация о рабочем напряжении платы. Плата расширения может считать значение сигнала и переключиться на режим питания 5 В или 3,3 В.

Входы и выходы. Входы и выходы. Каждый из 14 цифровых выводов может быть использован в качестве выхода или входа. Уровень напряжения на выводах 5 В. Рекомендовано вытекающий и втекающий ток каждого вывода ограничивать на уровне 20 мА. Предельно допустимое значение этого параметра составляет 40 мА. Каждый вывод имеет внутренний подтягивающий резистор сопротивлением 20-50 кОм. Резистор может быть отключен программно. Некоторые выводы могут выполнять дополнительные функции. Последовательный интерфейс: выводы 0 (Rx) и 1 (Tx). Используются для приема (Rx) и передачи (Tx) последовательных данных логических уровней TTL. Эти выводы подключены к выводам передачи данных микросхемы CH340G, используемой в качестве моста USB-UART. Внешние прерывания: выводы 2 и 3. Эти выводы могут быть использованы как входы внешних прерываний. Программно могут быть установлены на прерывание по низкому уровню, положительному или отрицательному фронту, или на изменение уровня сигнала. ШИМ: выводы 3, 5, 6, 9, 10, 11. Могут работать в режиме ШИМ модуляции с разрешением 8 разрядов.

Входы и выходы. Входы и выходы. Некоторые выводы могут выполнять дополнительные функции. Последовательный интерфейс SPI: выводы 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK). Светодиод: вывод 13. Светодиод, подключенный к выводу 13. Светится при высоком уровне сигнала на выводе. Интерфейс TWI: вывод A4 или SDA и A5 или SCL. Коммуникационный интерфейс TWI. У платы Arduino UNO есть 6 аналоговых входов, обозначенных A0-A5. Разрешающая способность аналогового цифрового преобразования 10 разрядов. По умолчанию, входное напряжение измеряется относительно земли в диапазоне 0-5 В, но может быть изменено с помощью вывода AREF и программных установок. Еще 2 вывода платы имеют функции: AREF. Опорное напряжение АЦП микроконтроллера. RESET. Низкий уровень на этом выводе вызывает сброс микроконтроллера.

Коммуникационные интерфейсы. Коммуникационные интерфейсы. Модуль Arduino UNO имеет средства для связи с компьютером, с другой платой UNO или с другими микроконтроллерами. Для этого на плате существует интерфейс UART с логическими уровнями TTL (5 В), связанный с выводами 0 (RX) и 1(TX). Микросхема CH340G на плате связывает UART интерфейс с USB портом компьютера. При подключении к порту компьютера, появляется виртуальный COM порт, через который программы компьютера работают с Ардуино. Прошивка микросхемы CH340G использует стандартные драйверы USB-COM и установка дополнительных драйверов не требуется. Для операционной системы Windows необходим соответствующий .inf файл. В интегрированную среду программного обеспечения Ардуино (IDE) включен монитор обмена по последовательному интерфейсу, который позволяет посылать и получать с платы простые текстовые данные. На плате есть светодиоды RX и TX, которые индицируют состояние соответствующих сигналов для связи через USB (но не для последовательного интерфейса на выводах 0 и 1). Микроконтроллер ATmega328 также поддерживает коммуникационные интерфейсы I2C (TWI) и SPI.

Автоматический (программный) сброс. Автоматический (программный) сброс. Для того, чтобы не приходилось каждый раз перед загрузкой программы нажимать кнопку сброс, на плате UNO реализована аппаратная функция сброса, инициируемая с подключенного компьютера. Один из сигналов управления потоком данных (DTR) микросхемы CH340G подключен к выводу сброса микроконтроллера ATmega328 через конденсатор емкостью 0,1 мкФ. Когда сигнал DTR переходит в низкое состояние, формируется импульс сброса микроконтроллера. Это решение позволяет загружать программу одним нажатием кнопки из интегрированной среды программирования Arduino (IDE). На модуле UNO существует дорожка, которую можно перерезать для отключения функции автоматического сброса. Дорожка маркирована надписью ”RESET-EN”. Автоматический сброс также можно запретить, подключив резистор сопротивлением 110 Ом между линией питания 5 В и выводом RESET.