Методи програмування PIC та AVR мікроконтролерів

3.4 Виконання команди

На рис.3.2. показано зіставлення кількості необхідних тактових імпульсів осцилятора для виконання двох послідовних команд процесорами 68НС05, 80С51, а також сімействами мікроконтролерів PIC та AYR.

Рис.3.2. Порівняння часу виконання команд різними процесами

У запам'ятовуючих пристроях, відповідних класичної концепції фон Неймана, дані і команди зберігаються в одній пам'яті. На противагу цьому, пам'ять по Гарвардській архітектурі, використовуваної в мікроконтролерах АVR складається з декількох компонентів. В даному випадку розділені пам'ять команд і пам'ять даних, тобто, звернення до команд здійснюється незалежно від доступу до даних [14,98].

У мікроконтролерах AVR окремі сегменти пам'яті влаштовані по-іншому також і фізично.

* Пам'ять програм реалізована на основі програмованої і електрично зтирається флеш-технології. У всіх мікроконтролерах AVR пам'ять 16 - розрядна (двухбайтовая), і завжди знаходиться "на кристалі". Розширення пам'яті програм за допомогою блоків EPROM або флеш неможливо.

* Внутрішня пам'ять для енергозалежних даних (тобто, даних, які будуть втрачені після відключення робочої напруги), являє собою статичну пам'ять RAM (SRAM). Перевага цього полягає:

* в тому, що відпадає всяка потреба у внутрішній регенерації як у випадку з деякими іншими процесорами, які використовують динамічну пам'ять. З цієї причини мікроконтролери AVR можуть працювати з тактами аж до 0 Гц. На додаток до цього, деякі мікроконтролери AVR для збільшення обсягу оброблюваних даних можуть працювати з підключеною зовнішньою пам'яттю SRAM. Для цього, однак, доводиться жертвувати дорогоцінними контактами введення / виводу портів А і С.

* Для даних, які повинні зберегтися після відключення робочої напруги, в розпорядженні є мікросхема EEPROM (Electrically EPROM - електрично стирані ППЗУ). В пам'ять EEPROM можна записувати дані під час нормального виконання програми. Для області EEPROM також немає обов'язкової необхідності в програмуючих пристроїв[6,258].

3.5 Область вводу / виводу

У мікроконтролерах AVR область введення / ведення від $ 20 до $ 5F. У мікроконтролерах AVR функції вводу / виводу для взаємодії зі зовнішнім світом застосовні не тільки для портів (від А до D), але також і для всіх регістрів стану і управління таких "вбудованих в кристал" периферійних функцій як таймер, пристрій UART, сторожовий таймер, доступ на запис і читання до пам'яті EEPROM, інтерфейс SPI і т.д.

3.6 Переривання і підпрограми

Техніка підпрограм і переривань у мікроконтролерах AVR може бути застосована звичайним чином. Перехід до частин програми, які в процесі її виконання обробляються багаторазово або повинні міститися окремо по причині структурування, здійснюється за допомогою команди call. Це - команда переходу, яка поміщає в стек наступну команду нормального виконання програми в якості адреси повернення. Після виконання підпрограми адресу вилучають із стека за допомогою команди ret, і програма продовжується.

Стек для адрес повернення перебуває в пам'яті SRAM. Виняток становить тільки мікроконтролер AT90S1200, який застосовує для цієї мети апаратний стек за принципом LIFO (Last In, First Out - "останнім увійшов, першим вийшов").

У прикладі на рис. 3.3 показник стека ініціалізується, починаючи з мітки Start, після чого слід мітка Саll1 першого виклику підпрограми UPI. В якості адреси повернення в стек міститься адреса наступної команди, тобто, $ 78А. Сама підпрограма UP1 в представленому прикладі не виконує ніяких дій, і відбувається негайне повернення до головної програми. Для цього зі стека витягується адресу, і виконання програми продовжується з команди Са112. З мітки Cal12 відбувається повторний виклик підпрограми UP1. У цьому випадку в стек міститься адреса повернення $ 78D.

Рис 3.3 Два виклику підпрограми

У правій частині рис. 3.3 показаний фрагмент статичної пам'яті БІАМ, відведеної для стека. Зазначено вміст стека перед виконанням першого і після виконання першого і другого викликів. У правій частині рис. 3.3 показаний фрагмент статичної пам'яті БІАМ, відведеної для стека. Зазначено вміст стека перед виконанням першого і після виконання першого і другого викликів. Підпрограми також можуть бути вкладеними (тобто, з підпрограми можна викликати іншу програму) [4,147].

Особливою формою підпрограм є підпрограми обробки переривань, за допомогою яких реалізовані заздалегідь не заплановані звернення з програм. Іншими словами, програма, що виконується асинхронно по відношенню до події, зухвалому переривання. Тут, наприклад, мова може йти про роботу таймера, прийомі байта через прийомопередавач і АVR або запиті на переривання від зовнішнього пристрою.

Залежно від побудови мікроконтролера, у розпорядженні базової серії АVR є до 12 векторів переривання (адрес входу).

Периферійні функції.

З точки зору апаратної частини, у мікроконтролерах АVR реалізовано безліч периферійних функцій. Так, наприклад, АТ9088515 володіє наступними особливостями:

· 32 програмувальні лінії введення /виведення;

· програмований пристрій;

· синхронний інтерфейс SPI;

· 8-розрядний таймер / лічильник;

· 16-розрядний таймер / лічильник з функціями порівняння та захоплення та можливістю реалізації двох виходів ШИМ (широтно-імпульсний модулятор);

· "Інтегрований сторожовий таймер;

· аналоговий компаратор.

3.7 Блок-схема мікроконтролерів AT90S1200 і AT90S8515

Архітектура сімейства мікроконтролерів AVR показана на прикладі її найбільш простого в даний час представника AT90S1200 (рис. 3.4) і самого продуктивного мікроконтролера AT90S8515 (рис. 3.5).

Два інших представники сімейства - мікроконтролери AT90S2313 і AT90S4414 - оптимізовані з точки зору розміру елементів і / або ціни і надають у розпорядження ту ж кількість функцій і модулів, що і мікроконтроллер AT90S8515.

3.8 Конструктивне виконання корпусів і розташування виводів

Розташування висновків чотирьох представників базової серії мікроконтролерів AVR показано на рис. 3.6 і рис. 3.7. Розглянемо призначення висновків докладніше.

VCC

Підведення напруги живлення

GND

заземлення

Port А (РА0. .. РА7)

Порт А являє собою двонаправлений порт вводу / виводу з пропускною здатністю 8 біт. Буфер виводу порту А в режимі прийому даних у стані приймати струм силою до 20 мА і, завдяки цьому, безпосередньо живити, наприклад, світлодіоди. Кожен висновок порту може бути налаштований індивідуально як вхід або вихід, а при виконанні функції введення до нього, при бажанні, можна підключати підтягує опір[10,123].

В якості особливої функції через порт А працює демультіплексірованная шина передачі даних і адрес, якщо до мікроконтролера AVR повинна бути підключена зовнішня пам'ять RAM.

Port В (РВ0. .. РВ7)

Порт В являє собою двонаправлений порт вводу / виводу (I / O) з пропускною здатністю 8 біт. Буфер виводу порту В у режимі прийому даних у стані приймати струм силою до 20 мА і, завдяки цьому, безпосередньо живити, наприклад, світлодіоди. Кожен висновок порту може бути налаштований індивідуально як вхід або вихід, а при виконанні функції введення до нього, при бажанні, можна підключати підтягує опір.

Альтернативно, через порт В можуть виконуватися також різні спеціальні функції (таймер, підключення входів аналогового компаратора, інтерфейс 8Р1).

Рис.3.4 Блок-схема мікроконтролерів AT90S1200

Рис. 3.5 Блок-схема мікроконтролерів AT90S8515

Рис. 3.6 Розміщення виводів мікроконтролерів

Рис.3.7 Конструктивне виконання корпусів і розташування виводів і AT90S4414 і AT90S8515

Port С (РС0. .. РС7)

Порт С являє собою двонаправлений порт вводу / виводу (I / O) з пропускною здатністю 8 біт. Буфер виводу порту С в режимі прийому даних у стані приймати струм силою до 20 мА і, завдяки цьому, безпосередньо живити, наприклад, світлодіоди. Кожен висновок порту може бути налаштований індивідуально як вхід або вихід, а при виконанні функції введення до нього, при бажанні, можна підключати опір.

В якості особливої функції через порт С виводиться старший байт адресної шини, якщо до мікроконтролера AVR повинна бути підключена зовнішня пам'ять RAM.

Port D (PDO. .. PD7)

Порт D являє собою двонаправлений поріг введення / виведення з пропускною здатністю 8 біт. Буфер виводу порту D в режимі прийому даних у стані прийому струм силою до 20 мА І, завдякі цьому, безпосередньо живить, наприклад, світлодіоді. Коженов висновок порту може бути налаштований індівідуально Як вхід або вихід, а при виконанні функції введення до нього, при бажанні, можна підключати опір[15,148].

Альтернативно, через порт D можуть виконуватися також різні додаткові функції (наприклад, надходження запитів на переривання, передача вихідних даних таймера, інтерфейс з пристроєм UART).

RESET

Висновок для подачі сигналу скидання. Рівень балка 0 на цьому виводі на протязі мінімум двох циклів системного такту Ф при активному осцилляторі переводить мікроконтроллер в початковий стан.

ICP

Висновок функції "Захоплення" (Capture) інтегрованого таймера / лічильника Т / С 1.

ОС1В

Висновок функції "Порівняння" (Compare) інтегрованого таймера / лічильника Т/С1.

ALE

Висновок для подачі імпульсу при записі молодшого адресного байта з демультиплексованої шини даних / адреси через порт А в зовнішній фіксуючий регістр, коли до мікроконтролера AVR підключена зовнішня пам'ять RAM (див. рис. 3.6, рис. 3.7 і рис. 3.8). Байт даних передається на другому кроці звертання до пам'яті RAM через порт А.

XTAL1

Вхід інтегрованого осциллятора для вироблення такту системної синхронізації Ф і, рівним чином, вхід для зовнішнього тактового сигналу, якщо внутрішній осцилятор не застосовується[13,165].

XTAL2

Вихід інтегрованого осциллятора для вироблення такту системної синхронізації Ф.

3.9 Програмування для AVR на мові високого рівня Сi++

У зв'язку з тим, що мікроконтролери AVR були повністю новою розробкою, і відпала необхідність враховувати сумісність із якими-небудь попередниками, з'явилася можливість скористатися найсучаснішими досягненнями. Так, наприклад, із самого початку в проектування і розробку структур мікроконтролерів AVR були залучені фахівці високого рівня - перш за все, на мові програмування Сi++. У результаті була отримана архітектура процесора, спеціально розрахована на складання програм на мові Сi++.

Нижче на прикладі двох коротких фрагментів програм показано, як ефективно елементи мови Сi++ можуть бути перетворені в коди асемблера для мікроконтролерів AVR.

У першому прикладі показана типова операція з покажчиком в тому вигляді, в якому вона дуже часто зустрічається в мові програмування Сi++.

У другому прикладі ni і п2 - цілі числа типу Long Integer, тобто, обидва мають довжину 4 байти. ПЗ - це цілочисельна змінна довжиною 2 байти. Значення ni, п2 і ПЗ визначені усередині підпрограми як локальні змінні.

У коді, створеному на асемблері, число ni розміщується в регістрах г 3-г 0, п2 - в регістрах г 7 - г 4, а ПЗ - в регістрах г 17-р 16.

Крім того, у другому прикладі показано, що відсутні в наборі AVR-команд команди addi (add immediate - "додати безпосереднє значення") і ici (add immediate with carry - "додати безпосереднє значення з урахуванням перенесення") для обчислення виразу ПЗ 5 можуть бути замінені відніманням другого компонента з 5[11,254].

4. Стендові випробування для порівняння мікроконтролерів AVR з головними конкурентами

Те, що застосування мови високого рівня С при складанні програм для AVR дає в результаті надзвичайно стислий код на асемблері (а значить, і машинний код), доводять також і стендові випробування базової серії мікроконтролерів AVR. При цьому результати зіставлялися з головними конкурентами (80С51, 68НС11, 80196 ...), а критерієм для оцінки був обсяг коду, згенерованого для виконання однієї і тієї ж задачі різними процесорами. Дані по порівняльним випробуванням мікроконтролерів сімейства AVR з поширеними на ринку 8 - і 16-розрядними мікроконтролера, надані компанією Atmel. Під час випробувань вирішувалися дев'ять поширених практичних завдань з різних областей застосування процесорів. Для отримання порівнянних результатів випробувань, програма для всіх процесорів була написана на мові високого рівня С.

Для трансляції коду майже у всіх випадках був застосований компілятор фірми 1AR Systems Ltd (на момент проведення випробувань компілятора цієї фірми не існувало тільки для процесора ARM7/ARM Thumb). Завдяки цьому, результати випробувань залежали не від можливостей оптимізації різних виготовлювачів компіляторів, а в значній мірі від архітектурних відмінностей процесорів. Тим часом вже з'явилися більш нові варіанти деяких компіляторів, внаслідок чого представлені тут результати могли б виглядати ще краще. Це відноситься також і до компілятору AVR-С, який є відносно "молодим" і з появою кожної нової версії помітно поліпшується в плані створення результуючого коду.

Само собою зрозуміло, стендові випробування цього виду можна назвати об'єктивними тільки умовно, і тому їх наочність обмежена, оскільки кожен процесор має свої особливі сильні і слабкі сторони.

Ефективність коду мікроконтролера сильно залежить від постановки задачі - немає ніяких універсальних "кращих мікроконтролерів" для всіх випадків застосування.

За допомогою стендових випробувань (як і з допомогою статистики) можна довести майже все, що завгодно, оскільки кожний мікроконтролер має свої "сильні сторони", і якщо його сконструювати для особливих випадків реалізації цих специфічних сильних сторін, то він може стати "ефективним з точки зору коду ".

Таким чином, на підставі цього зіставлення я не буду оголошувати мікроконтролери AVR найкращими з наявних на ринку. Мета даних випробувань - показати, що архітектура окремих представників сімейства AVR найвищою мірою оптимізована з точки зору обсягу програмного коду.

5. Результати

У семи з дев'яти тестів мікроконтролер АVR був серед трьох кращих і, як показує загальна оцінка, він різко відрізняється в кращу сторону від всіх протестованих контролерів.

На рис. 4.1 представлені результати окремих тестів, підсумовані і нормалізовані на основі результатів мікроконтролера AVR. Наприклад, для ARM7 обсяг коду вийшов в середньому в півтора рази більше, ніж для AVR.

Рис.4.1 Сумарний результат

Провідним виробником З-компіляторів можна вважати компанію IAR Systems Ltd. За їх прекрасні "ноу-хау" в області компіляторів дійсно варто заплатити високу ціну. На ринку вже існують набагато більш дешеві С-компілятори SmallC AVR (природно, при обмеженій продуктивності), вартість яких нижче 50 доларів США.

Також для розв'язання задач діагностування можна використати мікроконтролер . Є два основних типи : PIC-контролери і мікроконтролери AVR. Але мікроконтролери AVR мають ряд переваг в порівнянні з PIC. Перш за все , мікроконтролери AVR мають досконалішу архітектуру і можуть виконувати команди в кожному такті ( відміну від PIC, яким для виконання команди потрібно чотири такти ). Тому при тій же тактовій частоті мікроконтролери AVR працюють в 4 рази швидше . Крім того , вони мають 32 робочих регістра ( відміну від одного єдиного ,наявного в PIC) і майже в 3 рази більше команд. Завдяки цьому програми для AVR практично завжди будуть коротші за аналогічні програми для PIC. Всі мікроконтролери AVR мають FLASH-пам'яті програм , що дозволяє здійснювати їх багатократне перепрограмування.

Висновок

Отже, серед численних технічних пристроїв особливе місце займають так звані мікроконтролери, які дуже поширені в наш час. Мікроконтролери можна зустріти у величезній кількості сучасних промислових та побутових приладів: верстатах, автомобілях, телефонах, телевізорах, холодильниках, пральних машинах ... і навіть кавоварках. Основною особливістю сучасного етапу розвитку мікропроцесорних систем (МПС) є завершення переходу від систем, виконаних на основі декількох великих ІС, до однокристальних мікроконтролерів (МК), які поєднують в одному кристалі всі основні елементи МШС: центральний процесор (ЦП), постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗП), оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП), порти вводу/виводи, таймери.

В даній роботі ми розглянули що таке мікроконтролер,структуру та їх класифікацію. Метою даної роботи є розглянути будову,принцип дії та класифікацію найпоширеніших мікроконтролерів PIC та AVR. Розглянути принцип роботи та різні методи програмування мікроконтролерів PIC та AVR, найбільш поширених у використанні. Порівняли швидкодію роботи різних типів мікроконтролерів, результати яких було побудовані у вигляді графіка. Було проведено дев'ять тестів, з яких було визначено трійку кращих мікроконтролерів. AVR мікроконтролер у семи з дев'яти тестів по результатам увійшов у трійку кращих. Але мікроконтролери AVR мають ряд переваг в порівнянні з PIC. Перш за все, мікроконтролери AVR мають досконалішу архітектуру і можуть виконувати команди в кожному такті ( відміну від PIC, яким для виконання команди потрібно чотири такти ). Тому при тій же тактовій частоті мікроконтролери AVR працюють в 4 рази швидше. Це показано на рис.4.2.

Роблячи висновок з даної роботи, можна сказати що розглянуті два типи мікроконтролери мають свої переваги та недоліки,але визначити кращого з них не можливо.

Вони використовуються для керування електронними пристроями. По суті, це -- однокристальний комп'ютер, здатний виконувати прості завдання. Використання однієї мікросхеми значно знижує розміри, енергоспоживання і вартість пристроїв, побудованих на базі мікроконтролерів.

Використана література

1. Бродин В.Б., Калінін А.В. Системи на мікроконтролерах і БІС програмованої логіки. Бродин В.Б., Калінін А.В. - М .: ЕКОМ, 2002. - ISBN 5-7163-0089-8

2. Жан М. Раба, Ананта Чандракасан, Борівож Николич. Цифрові інтегральні схеми. Методологія проектування = Digital Integrated Circuits. - 2-е изд. Жан М. Раба, Ананта Чандракасан, Борівож Николич. - М .: Вільямс, 2007. - ISBN 0-13-090996-3

3. Мікушіних А. Цікаво про мікроконтролерах. Мікушіних А. - М .: БХВ-Петербург, 2006. - ISBN 5-94157-571-8

4. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основи мікропроцесорної техніки. Курс лекцій. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. - М .: Інтернет-університет інформаційних технологій, 2003. - ISBN 5-7163-0089-8

5. Фрунзе А.В. Мікроконтролери? Це ж просто!. Фрунзе А.В. - М .: ТОВ "ВД СКІМ", 2002. - Т. 1. - ISBN 5-94929-002-X

6. Фрунзе А.В. Мікроконтролери? Це ж просто!. Фрунзе А.В - М .: ТОВ "ВД СКІМ", 2002. - Т. 2. - ISBN 5-94929-003-8

7. Фрунзе А.В. Мікроконтролери? Це ж просто!. Фрунзе А.В - М .: ТОВ "ВД СКІМ", 2003. - Т. 3. - ISBN 5-94929-003-7

8. Редькин П.П. Микроконтроллеры Atmel архетиктуры AVR32 семейства AT32UC3. Руководство пользователя Техносфера. Редькин П.П. -М: ТОВ "ВД СКІМ", 2010, 784 с.

9. Белов А.В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах AVR

Наука и техника. Белов А.В. -М: ТОВ "ВД СКІМ", 2008, 544 с

10. Мортон Д. Микроконтроллеры AVR. Мортон Д. Вводный курс Додэка - XXI, 2006,528 c.

11. Трамперт В. AVR- RISC микроконтроллеры. Трамперт В. М: МК-Пресс, 2006,523 c.

12. Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR микроконтроллеров Додэка. Трамперт В. - XXI, 2006,365 c.

13. Кениг М. Полное руководство по PIC микроконтроллерам МК. Кениг М. - Пресс, 2007,489 c.

14. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega Додэка. Евстифеев А.В. - XX, 2007,547 c.

15. Заец Н.И. Радиолюбительские конструкции на PIC. - микроконтроллерах. Заец Н.И. -М: Книга 4 МК-Пресс, 2008,456 c.

16. Кравченко А.В. 10 практических устройств на AVR-микроконтроллерах. Кравченко А.В. - М: Книга 2 МК-Пресс, 2009, 320 с.

Размещено на Allbest.ru