1 3Mikroprocesorov technika a embedded syst my

Mikroprocesorov´ a technika a embedded syst´ emy Pˇrednáˇsky (ver. 2011-12-16)

doc. Ing. Tom´ aˇ s Fr´ yza, Ph.D.

´ USTAV RADIOELEKTRONIKY

Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı VUT v Brnˇe

1

Obsah 1 Blokov´ a struktura mikrokontrol´ er˚ u 1.1 Popis a pouˇzit´ı mikrokontroléru, mikroprocesoru a mikropoˇc´ıtaˇce 1.2 Architektura mikropoˇc´ıtaˇc˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Procesory CISC a RISC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ ıdic´ı jednotka mikrokontroléru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 R´

. . . .

7 7 9 12 13

. . . . . . .

15 15 17 17 18 21 22 23

. . . .

25 25 25 30 32

4 Vnitˇ rn´ı struktura z´ akladn´ıch perif´ eri´ı 4.1 Vstupnˇe/v´ ystupn´ı port . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ 4.2 Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Watchdog ˇcasovaˇc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34 34 38 39

5 Komunikace zaˇ r´ızen´ı po sbˇ ernici 5.1 Sériov´ y a paraleln´ı pˇrenos dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Obvody s tˇr´ı-stavov´ ym v´ ystupem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Pˇresun dat po sbˇernici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40 40 41 42

6 Programov´ an´ı mikrokontrol´ er˚ u pomoc´ı vyˇ sˇ s´ıch jazyk˚ u 6.1 Pˇreklad aplikace z jazyka C . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Programov´ an´ı v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Specifika pˇrekladaˇce GCC-AVR a knihovny AVR Libc . . 6.4 Kombinace jazyka symbolick´ ych adres a C . . . . . . . . .

. . . .

45 45 47 48 51

7 Ovl´ ad´ an´ı zobrazovac´ıch zaˇ r´ızen´ı 7.1 Pˇr´ımé propojen´ı s MCU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Znakové LCD displeje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53 53 53

8 Zpracov´ an´ı analogov´ ych sign´ al˚ u 8.1 A/D pˇrevodn´ık . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Analogov´ y kompar´ ator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57 57 59

ˇ ızen´ı s´ 9 R´ eriov´ e komunikace 9.1 Synchronn´ı a asynchronn´ı komunikace . . . . . . 9.2 Jednotka UART . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Sériové rozhran´ı RS-232 . . . . . . . . . . . . . . 9.4 Sériov´ a komunikace prostˇrednictv´ım sbˇernice I2C

61 61 62 64 65

2 Instrukˇ cn´ı soubor mikrokontrol´ er˚ u 2.1 Form´ aty instrukc´ı . . . . . . . . . . . . . 2.2 Program´ atorsk´ y model . . . . . . . . . . ’ 2.2.1 Pamˇet ov´ y prostor AVR . . . . . 2.2.2 Pˇr´ıznakové bity . . . . . . . . . . 2.2.3 Direktivy pˇrekladaˇce . . . . . . . 2.2.4 Typy instrukc´ı . . . . . . . . . . 2.3 Proces dek´ odov´ an´ı a vykon´ an´ı instrukc´ı 3 Programov´ an´ı mikrokontrol´ er˚ u 3.1 Typy adresov´ an´ı . . . . . . . . . . . . . 3.2 Vˇetven´ı programu . . . . . . . . . . . . 3.3 Obsluha pˇreruˇsen´ı . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı .

. . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

2

Mikroprocesorová technika a embedded systémy

´ 10 Uvod do sign´ alov´ ych procesor˚ u 10.1 Paraleln´ı zpracov´ an´ı instrukc´ı a dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Architektura sign´ alov´ ych procesor˚ u typu VLIW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Zp˚ usoby adresov´ an´ı operand˚ u u signálov´ ych procesor˚ u . . . . . . . . . . . . . . .

68 68 68 71

11 Programov´ an´ı sign´ alov´ ych procesor˚ u

73

Literatura

76

A Uk´ azky program˚ u pro AVR v jazyce A.1 Práce s registry, aritmetické operace A.2 Ovl´ ad´ an´ı vstupnˇe/v´ ystupn´ıho portu A.3 Podm´ınˇené vˇetven´ı programu . . . . A.4 Vol´ an´ı podprogramu . . . . . . . . . A.5 Obsluha pˇreruˇsen´ı . . . . . . . . . . ˇ A.6 Casovaˇ c watchdog . . . . . . . . . .

symbolick´ ych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B Uk´ azky program˚ u pro AVR v jazyce C B.1 Ovl´ ad´ an´ı vstupnˇe/v´ ystupn´ıho portu . . . B.2 Podm´ınˇené vˇetven´ı programu . . . . . . . B.3 Vol´ an´ı funkce . . . . . . . . . . . . . . . . B.4 Obsluha pˇreruˇsen´ı . . . . . . . . . . . . . ˇ B.5 Casovaˇ c watchdog . . . . . . . . . . . . . B.6 Vol´ an´ı funkce v JSA z aplikace v jazyce C B.7 A/D pˇrevodn´ık . . . . . . . . . . . . . . . C Znakov´ a sada LCD displeje

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

adres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

80 80 80 81 82 82 83

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

86 86 86 87 87 89 89 90

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

93


3

Seznam obr´ azk˚ u 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3 3.4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 6.1 6.2 6.3 6.4 7.1 7.2 7.3 8.1 8.2 8.3 8.4 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11

Prvn´ı mikroprocesor Intel 4004 z roku 1971 . . . . . . . . . . . . . . . . . Mikropoˇc´ıtaˇc Altair 8800 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mikrokontrolér TMS1000 firmy Texas Instruments . . . . . . . . . . . . . Uk´ azka embedded aplikac´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principi´ aln´ı struktura mikropoˇc´ıtaˇce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zjednoduˇsen´ a blokov´ a struktura AVR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ ızen´ı operac´ı ˇcten´ı/z´ R´ apis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oddˇelené adresov´ an´ı pamˇeti a I/O jednotky . . . . . . . . . . . . . . . . . Pˇreklad zdrojového k´ odu z jazyka symbolick´ ych adres do strojového kódu Symboly pouˇz´ıvané ve v´ yvojov´ ych diagramech . . . . . . . . . . . . . . . . Pamˇet’ov´ y prostor mikrokontroléru ATmega16 . . . . . . . . . . . . . . . . Struktura stavového registru AVR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struktura programového ˇc´ıtaˇce mikrokontroléru ATmega16 . . . . . . . . Struktura ukazatele na z´ asobn´ık mikrokontroléru ATmega16 . . . . . . . . Zdroje extern´ıho pˇreruˇsen´ı u mikrokontroléru ATmega16 . . . . . . . . . . Struktura kontroln´ıch registr˚ u pro extern´ı pˇreruˇsen´ı . . . . . . . . . . . . Struktura smˇerového registru DDRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funkˇcn´ı schéma jednoho I/O pinu mikrokontroléru AVR . . . . . . . . . . Pˇripojen´ı z´ akladn´ıch extern´ıch periféri´ı k mikrokontroléru . . . . . . . . . Blokové schéma ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce mikrokontroléru ATmega16 . . . . . . . . Princip generov´ an´ı PWM signálu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pˇrenos dat mezi registry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pˇripojen´ı tˇr´ı sign´ al˚ u na sbˇernici pomoc´ı tˇr´ı-stavového bufferu 74HC125 . . Komunikace mezi zaˇr´ızen´ımi po datové sbˇernici . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Casov´ e pr˚ ubˇehy ˇr´ıdic´ıch a datov´ ych signál˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . Zjednoduˇsené zn´ azornˇen´ı datové sbˇernice ve schématu . . . . . . . . . . . Propojen´ı I/O pin˚ u uvnitˇr integrovaného obvodu . . . . . . . . . . . . . . Postup pˇrekladu aplikace v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zjednoduˇsen´ y pˇreklad zdrojového kódu z jazyka C pro MCU . . . . . . . Anatomie programu v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pˇred´ av´ an´ı parametr˚ u/v´ ystupn´ı hodnoty mezi kódem v jazyce C a JSA . . Pˇr´ıklad zapojen´ı 7segmentového displeje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datové a ˇr´ıdic´ı sign´ aly LCD displeje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Z´ apis instrukce do LCD displeje prostˇrednictv´ım 8 a 4bitové komunikace . Blokové schéma intern´ıho A/D pˇrevodn´ıku mikrokontroléru ATmega16 . . Doba pˇrevodu prvn´ıho vzorku A/D pˇrevodn´ıku . . . . . . . . . . . . . . . Doba pˇrevodu druhého a n´ asleduj´ıc´ıch vzork˚ u A/D pˇrevodn´ıku . . . . . . Blokové schéma analogového komparátoru mikrokontroléru ATmega16 . . Struktura asynchronn´ıho r´ amce pro mód 7E2 . . . . . . . . . . . . . . . . Princip paralelnˇe/sériového pˇrevodn´ıku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vnitˇrn´ı struktura jednotky UART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proces vys´ıl´ an´ı dat pomoc´ı jednotky UART . . . . . . . . . . . . . . . . . Proces pˇr´ıjmu dat pomoc´ı jednotky UART . . . . . . . . . . . . . . . . . . Synchronizace pˇrij´ımaˇce UART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Napˇet’ové u ´rovnˇe asynchronn´ıho rámce u RS-232 a TTL . . . . . . . . . . Pouˇzit´ı obvodu MAX232 pro komunikaci mezi UART a RS-232 . . . . . . Pˇripojen´ı zaˇr´ızen´ı na sbˇernici I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Casov´ an´ı pˇrenosu bit˚ u na sbˇernici I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struktura adresn´ıho paketu na sbˇernici I2C . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 8 8 9 10 11 14 14 15 16 18 19 26 29 32 33 34 35 37 38 39 40 41 42 43 44 44 45 46 48 52 53 54 55 58 59 59 60 61 62 62 63 63 64 64 65 65 66 66

4


9.12 9.13 10.1 10.2 B.1 B.2 C.1

Kombinace adresn´ıho a datového paketu na sbˇernici I2C . . . . . . . . Komunikace po sbˇernici I2C s expandérem portu PCF8574 . . . . . . Sériové a paraleln´ı zpracov´ an´ı dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jádro sign´ alového procesoru s plovouc´ı ˇrádovou ˇcárkou TMS320C6713 Pˇred´ av´ an´ı vstupn´ıch parametr˚ u z jazyka C pro AVR . . . . . . . . . . Obsluha pˇreruˇsen´ı po dokonˇcen´ı A/D pˇrevodu . . . . . . . . . . . . . . Znakov´ a sada LCD displeje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

66 67 69 70 91 91 93


5

Seznam tabulek 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3.1 3.2 4.1 6.1 7.1 7.2 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 11.1

Statistick´ a ˇcetnost typ˚ u instrukc´ı v programech . . . . . . . . Srovn´ an´ı testovac´ıch aplikac´ı mikrokontrolér˚ u . . . . . . . . . ˇ R´ızen´ı oddˇeleného adresov´ an´ı pamˇeti a I/O jednotky . . . . . Pˇr´ıklady instrukc´ı mikrokontroléru typu RISC . . . . . . . . . Vybrané kontroln´ı registry AVR . . . . . . . . . . . . . . . . . Direktivy pˇrekladaˇce AVR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vybrané aritmetické a logické instrukce AVR . . . . . . . . . Vybrané pseudoinstrukce AVR . . . . . . . . . . . . . . . . . Pˇrehled vektor˚ u pˇreruˇsen´ı pro mikrokontrolér ATmega16 . . . Vektory pˇreruˇsen´ı mikrokontroléru ATmega11 . . . . . . . . . Nastaven´ı funkce I/O pinu mikrokontroléru . . . . . . . . . . Parametry makra obsluhy pˇreruˇsen´ı pro ATmega16 . . . . . . Vybrané pˇr´ıkazy pro komunikaci s LCD displejem . . . . . . . Soupis vybran´ ych funkc´ı z knihovny pro LCD . . . . . . . . . Vybrané algoritmy ˇc´ıslicového zpracován´ı signál˚ u . . . . . . . Vyuˇzit´ı funkˇcn´ıch jednotek signálového procesoru . . . . . . . Zmˇena hodnot ukazatel˚ u pˇri nepˇr´ımém adresován´ı . . . . . . Pˇr´ıklad nepˇr´ımého adresov´ an´ı operand˚ u – instrukce LDW . . . Pˇr´ıklad nepˇr´ımého adresov´ an´ı operand˚ u – instrukce STB . . . Srovn´ an´ı poˇcetn´ı n´ aroˇcnosti 8bodového souˇctu souˇcin˚ u (SoP)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12 13 14 17 18 21 23 23 31 31 34 51 54 55 68 70 71 71 72 74

6


Seznam zdrojov´ ych k´ od˚ u 2.1 Funkce podporované asemblerem AVR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Ukázka pˇrekladu 1 a 2bytov´ ych instrukc´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Ukázka pˇrekladu 3bytové instrukce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Pˇr´ıznakové bity AVR – pˇrenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Pˇr´ıznakové bity AVR – nula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Pˇr´ıznakové bity AVR – z´ aporná hodnota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Pˇr´ıznakové bity AVR – pˇreteˇcen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 Pˇr´ıznakové bity AVR – poloviˇcn´ı pˇrenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9 Pˇr´ıznakové bity AVR – u ´loˇzn´ y bit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10 Pˇr´ıznakové bity AVR – pˇreruˇsen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.11 V´ ypoˇcet souˇctu komplexn´ıch ˇc´ısel – makro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12 V´ ypoˇcet souˇctu komplexn´ıch ˇc´ısel – pˇreloˇzené makro . . . . . . . . . . . . 3.1 Relativn´ı adresov´ an´ı nepodm´ınˇeného skoku . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Rekurzivn´ı vol´ an´ı dvou podprogram˚ u. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Definice z´ asobn´ıku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Zápis do kontroln´ıch registr˚ u pomoc´ı LDI a OUT v JSA . . . . . . . . . . . 4.2 Zápis do kontroln´ıch registr˚ u pomoc´ı SBI a CBI v JSA . . . . . . . . . . . 4.3 Zápis do kontroln´ıch registr˚ u v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Ukázka zdrojového k´ odu v jazyce C a JSA pro AVR . . . . . . . . . . . . 6.2 Pˇreklad uk´ azkové aplikace do strojového kódu . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Zápis testované aplikace ve formátu Intel HEX . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Aplikace pro obsluhu kl´ avesnice v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Plnˇen´ı kontroln´ıch registr˚ u. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 Testov´ an´ı hodnoty jednoho bitu v kontroln´ıch registrech . . . . . . . . . . 6.7 Cyklus s testov´ an´ım hodnoty jednoho bitu v kontroln´ıch registrech . . . . 6.8 Aplikace s pˇreruˇsen´ım v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9 Vkl´ ad´ an´ı instrukc´ı do v´ ysledného kódu prostˇrednictv´ım funkce asm() . . . 7.1 Pouˇzit´ı knihovny pro znakov´ y LCD displej . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 Syntaxe zdrojového k´ odu DSP v jazyce symbolick´ ych adres . . . . . . . . 11.1 Aplikace pro DSP v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Vybrané speci´ aln´ı funkce pˇrekladaˇce intrinsic . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Kombinace zdrojov´ ych k´ od˚ u – soubor f1.c . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4 Kombinace zdrojov´ ych k´ od˚ u – soubor f2.asm . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5 Kombinace zdrojov´ ych k´ od˚ u – soubor f2.sa . . . . . . . . . . . . . . . . . A.1 Ukázka zdrojového k´ odu pro AVR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2 Bin´ arn´ı ˇc´ıtaˇc v jazyce symbolick´ ych adres . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.3 Podm´ınˇené vˇetven´ı programu v JSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.4 Vol´ an´ı podprogramu v JSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.5 Obsluha pˇreruˇsen´ı v JSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.6 Vyuˇzit´ı ochranného ˇcasovaˇce watchdog v JSA . . . . . . . . . . . . . . . . B.1 Bin´ arn´ı ˇc´ıtaˇc v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.2 Podm´ınˇené vˇetven´ı programu v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.3 Vol´ an´ı funkce v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.4 Pˇreruˇsen´ı mikrokontroléru v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.5 Vyuˇzit´ı ochranného ˇcasovaˇce watchdog v jazyce C . . . . . . . . . . . . . B.6 Kombinace zdrojov´ ych k´ od˚ u v jazyce C a v JSA pro AVR – soubor f1.c . B.7 Kombinace zdrojov´ ych k´ od˚ u v jazyce C a v JSA pro AVR – soubor f2.s . B.8 A/D pˇrevod pomoc´ı intern´ıho pˇrevodn´ıku AVR . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15 16 16 19 19 20 20 20 20 21 22 22 27 28 28 36 36 36 46 47 47 49 50 50 50 51 52 56 70 73 73 74 74 75 80 81 82 83 84 85 86 87 88 88 89 90 90 92


1 1.1

7

Blokov´ a struktura mikrokontrol´ er˚ u Popis a pouˇ zit´ı mikrokontrol´ eru, mikroprocesoru a mikropoˇ c´ıtaˇ ce

Mikroprocesorov´ a technika se zab´ yv´ a návrhem, testován´ım a realizac´ı ˇc´ıslicov´ ych aplikac´ı, které jsou ˇr´ızeny centr´ aln´ı ˇr´ıdic´ı jednotkou. Mikroprocesor (MPU – Microprocessor Unit) je centr´ aln´ı ˇr´ıdic´ı jednotka (CPU – Central Processing Unit) na samostatném ˇcipu. Prvn´ı mikroprocesor vyvinula firma Intel v roce 1971 (konkrétnˇe 15. listopadu 1971) pod oznaˇcen´ım 4004 (viz obr´ azek 1.1) [Int71]. Tento mikroprocesor obsahoval 2 300 tranzistor˚ u, pouˇzita byla technologie 10 µm, byl 4bitov´ y s Harvardskou architekturou (tj. mˇel oddˇelen´ y pamˇet’ov´ y prostor pro program, kter´ y vykonával a data, která zpracovával) v 16pinovém pouzdˇre a byl ˇr´ızen hodinov´ ym sign´ alem s frekvenc´ı 740 kHz. Pro srovnán´ı, procesor Intel Core i7 3960X (Sandy Bridge-E) je 64bitov´ y, obsahuje 6 jader (nav´ıc 2 jádra jsou vypnutá), obsahuje 2,27 miliardy tranzistor˚ u s technologi´ı 32 nm a ˇr´ıdic´ı frekvence jádra je 3,3 GHz. Intel 4004 d´ ale obsahoval jedinou multiplexovanou 4bitovou sbˇernici pro pˇrenos 12bitové adresy (tj. maxim´ aln´ı adresn´ı prostor byl 4 kB) ve tˇrech kroc´ıch. Instrukˇcn´ı sada obsahovala pouze 46 instrukc´ı (z toho 41 bylo 8bitov´ ych a 5 bylo 16bitov´ ych). Pro rychl´ y pˇr´ıstup k dat˚ um sloˇzilo 16 4bitov´ ych registr˚ u. Tento mikroprocesor byl p˚ uvodnˇe urˇcen pro ˇr´ızen´ı kalkulaˇcek. (Pˇekn´ y emul´ ator tohoto mikroprocesoru lze nalézt na internetu [Int01].)

(a)

(b)

Obr´ azek 1.1: Prvn´ı mikroprocesor Intel 4004 z roku 1971: (a) pouzdro, (b) bloková struktura. Doplnˇen´ım mikroprocesoru o podp˚ urné obvody, tj. vstupnˇe/v´ ystupn´ı periferie a pamˇet’(i) (pro program i data) vznikne mikropoˇc´ıtaˇc. Mikropoˇc´ıtaˇc je obecnˇe urˇcen pro zpracován´ı dat a ˇr´ızen´ı jednoduch´ ych proces˚ u. Prvn´ı mikropoˇc´ıtaˇce vznikaly v polovinˇe 70t´ ych let (logicky bezprostˇrednˇe po vzniku mikroprocesor˚ u), zpravidla bez klávesnice a displeje. Velikost pamˇet’ového prostoru byla typicky 4 aˇz 16 kB. Jedn´ım z prvn´ıch mikropoˇc´ıtaˇc˚ u byl Altair 8800 z roku 1975, obsahuj´ıc´ı 8bitov´ y mikroprocesor Intel 8080A, ˇr´ıdic´ı hodinov´ y signál mˇel frekvenci 2 MHz, velikost pamˇeti RAM byla v rozmez´ı 256 B aˇz 64 kB a instrukˇcn´ı soubor obsahoval 78 instrukc´ı. Obsah pamˇeti se zapisoval a ˇcetl pomoc´ı pˇrep´ınaˇc˚ u a LED diod. Pˇrep´ınaˇci se nastavila poˇzadovan´ a

8


adresa a LED diody signalizovaly obsah vybrané pamˇet’ové buˇ nky. Ukázka mikropoˇc´ıtaˇce Altair 8800 je zobrazena na obr´ azku 1.2.

(a)

(b)

Obr´ azek 1.2: Jeden z prvn´ıch mikropoˇc´ıtaˇc˚ u: (a) Altair 8800, (b) Altair 8800 v seriálu IT Crowd [Itc11]. Mikrokontrolér (MCU – Microcomputer Unit) vznikne sdruˇzen´ım vˇsech ˇcást´ı mikropoˇc´ıtaˇce (ˇr´ıd´ıc´ı jednotka, pamˇeti RAM, ROM, vstupy/v´ ystupy, ˇcasovaˇc/ˇc´ıtaˇc, a jiné periférie) na jedin´ y ˇcip (souˇc´ astku). Mikrokontroléry se vyznaˇcuj´ı n´ızk´ ymi poˇrizovac´ımi náklady a spotˇrebou, a pˇredevˇs´ım dostateˇcnou hardwarovou v´ ybavou pro ˇr´ızen´ı jednoduch´ ych aplikac´ı. Struktura a funkce mikrokontrolér˚ u se do souˇcasnosti pˇr´ıliˇs nezmˇenila. Základn´ı dˇelen´ı mikrokontrolér˚ u je podle ˇs´ıˇrky registr˚ u a sbˇernice na 8bitové, 16bitové, pˇr´ıp. 32bitové. Prvn´ı mikrokontroléry vytvoˇrila v roce 1974 firma Texas Instruments pod oznaˇcen´ım TMS1000. Tento mikrokontrolér obsahoval 28pinové pouzdro, hodinov´ y signál o frekvenci 400 kHz, 4bitovou sbˇernici, velikost pamˇeti typu RAM 32 B a ROM 1 kB. Dále obsahoval intern´ı oscilátor pro ˇr´ızen´ı svého bˇehu, 4 vstupn´ı piny, 11 v´ ystupn´ıch pin˚ u a 8bitov´ y v´ ystupn´ı paraleln´ı port. Fotografie tohoto mikrokontroléru je zobrazena na obrázku 1.3.

Obr´ azek 1.3: Prvn´ı mikrokontrolér TMS1000 firmy Texas Instruments. V souˇcasné dobˇe existuje velké mnoˇzstv´ı v´ yrobc˚ u a dodávan´ ych ˇrad mikrokontrolér˚ u. Bˇeˇzné ˇrady 8bitov´ ych mikrokontrolér˚ u jsou 8048, 8051 (firmy Intel), 68HCS08, (Freescale), Z8 (Zilog), PIC (Microchip), H8 (Hitachi), ˇci AVR (Atmel). Modern´ı mikrokontroléry mohou obsahovat velké mnoˇzstv´ı periféri´ı (GPIO – General Purpose Input/Output, ˇcasovaˇc/ˇc´ıtaˇc, A/D pˇrevodn´ık, analogov´ y kompar´ ator, sériové sbˇernice I2C, USB, CAN, . . .). Jejich primárn´ı urˇcen´ı je vˇsak totoˇzné: ˇr´ızen´ı proces˚ u, blok˚ u, a vzájemné komunikace v tzv. embedded zaˇr´ızen´ıch. Na obrázku 1.4 jsou uvedeny nˇekteré ze zaˇr´ızen´ı, které vyvinuli studenti bakaláˇrského a magisterského studia v r´ amci ˇreˇsen´ı sv´ ych bakaláˇrsk´ ych a diplomov´ ych prac´ı v akademickém roce ´ 2010/11 na Ustavu radioelektroniky, FEKT VUT v Brnˇe. Inspiraci v dalˇs´ıch aplikac´ıch lze nalézt napˇr. v [Fed01] a [Fry01]. Libovolnou ˇr´ıdic´ı aplikaci lze zpravidla vyˇreˇsit nˇekolika zp˚ usoby. Vˇzdy záleˇz´ı na sloˇzitosti,


(a)

(b)

9

(c)

Obr´ azek 1.4: Uk´ azka embedded aplikac´ı: (a) Reklamn´ı LED RGB trubice s ovládac´ı jednotkou (Marek Frelich), (b) Realizace digit´ aln´ıho osciloskopu (Tomáˇs Kulig), (c) Aplikace kapacitn´ıch sn´ımaˇc˚ u v technické praxi (Luk´ aˇs Michal´ık).

na dosaˇziteln´ ych parametrech (rychlost, pˇresnost, . . .), nákladech (finance, ˇcas), rozmˇerech, poˇzadované variabilitˇe, atd. Kromˇe v´ yvoje embedded zaˇr´ızen´ı obecnˇe existuj´ı tyto základn´ı moˇznosti jak poˇzadovanou aplikaci vytvoˇrit: realizace pomoc´ı existuj´ıc´ı logické souˇcástky s danou funkc´ı, dále pouˇzit´ı jednotliv´ ych logick´ ych ˇclen˚ u (AND, OR, XOR), realizace obvody PROM, multiplexorem, programovateln´ ymi logick´ ymi obvody (PAL, PLD, CPLD, FPGA), ˇci pomoc´ı specifick´ ych obvod˚ u ASIC (Application Specific Integrated Circuit). V tomto pˇredmˇetu je pozornost vˇenována v´ yhradnˇe aplikac´ım s mikrokontroléry, pˇr´ıp. se signálov´ ymi procesory. Aplikace s mikrokontroléry maj´ı srovnatelné rozmˇery s PLD, ale obecnˇe vykazuj´ı niˇzˇs´ı spotˇrebu i rychlost zpracován´ı. Niˇzˇs´ı rychlost je zp˚ usobena sekvenˇcn´ı podstatou vykonávaného programu. Aplikace s mikrokontroléry obecnˇe obsahuje ménˇe souˇcástek v systému, coˇz zp˚ usob´ı niˇzˇs´ı n´ aklady na v´ yrobu ploˇsn´ ych spoj˚ u, ale i vˇetˇs´ı spolehlivost v d˚ usledku menˇs´ıho poˇctu propojen´ı. Rovnˇeˇz v´ yvoj a testován´ı nov´ ych aplikac´ı je jednoduch´ y – obmˇenit funkci celého zaˇr´ızen´ı lze pouh´ ym pˇreprogramov´ an´ım obsluˇzného softwaru bez nutnosti zásahu do hardwaru.

1.2

Architektura mikropoˇ c´ıtaˇ c˚ u

Mikropoˇc´ıtaˇce lze dˇelit podle celé ˇrady kritéri´ı. Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı je vˇsak jejich architektura. Prvn´ı dˇelen´ı mikropoˇc´ıtaˇc˚ u iniciovala americká vláda jiˇz v 70. letech, kdy poˇzádala Princetonskou a Harvardskou univerzitu, aby navrhly architekturu vhodnou pro potˇreby armády (konkrétnˇe dˇelostˇrelectva). Vznikly tak dvˇe z´ akladn´ı koncepce: Von Neumannova a Harvardská. Von Neumannova architektura (naz´ yvaná podle vedouc´ıho v´ yzkumného t´ ymu na Princetonské univerzitˇe, John von Neumanna) popisuje, jak má jak´ ykoliv ˇc´ıslicov´ y systém pracovat a z jak´ ych hlavn´ıch ˇc´ ast´ı by se mˇel skládat. Zásadn´ı myˇslenka Von Neumannovy architektury je pouˇzit´ı pouze jediného typu pamˇeti a to pro kontroln´ı program (instrukce) i pro data (promˇenné, . . .) – oboj´ı je ”jedno a totéˇz”! Von Neumannovu architekturu vyuˇz´ıvaj´ı dneska napˇr. poˇc´ıtaˇce typu PC. John von Neumann pˇri popisu ˇc´ıslicov´ ych systém˚ u definoval následuj´ıc´ı postul´ aty, pravidla: • libovoln´ y program je vykon´ av´ an sekvenˇcnˇe, tj. instrukce se provádˇej´ı tak, jak jdou za sebou – ”aˇz na nˇe dojde ˇrada”, • zmˇenu poˇrad´ı vykon´ av´ an´ı instrukc´ı lze provést jen podm´ınˇen´ ym skokem, nepodm´ınˇen´ ym skokem, ˇci vol´ an´ım podprogramu, pˇr´ıp. pˇreruˇsen´ım, • vnitˇrn´ı architektura je nez´ avisl´ a na ˇreˇsené u ´loze. Veˇskeré zmˇeny maj´ı b´ yt ˇreˇseny softwarovˇe, tzn. poˇc´ıtaˇc je ˇr´ızen obsahem pamˇeti (p˚ uvodn´ı pˇrednost v univerzálnosti architektury

10


je ve svém d˚ usledku nev´ yhodn´ a – systém totiˇz dokáˇze zpracovat libovoln´ y problém, ale neefektivnˇe), • neexistuje princip paralelismu, • pamˇet’ je rozdˇelena na stejnˇe velké buˇ nky, jejichˇz poˇradová ˇc´ısla se vyuˇz´ıvaj´ı jako identifikaˇcn´ı adresy. Dle von Neumanna kaˇzd´ y mikropoˇc´ıtaˇc obsahuje 3 základn´ı ˇcásti: centráln´ı ˇr´ıdic´ı jednotku CPU, dále pamˇeti pro obsluˇzn´ y program, pˇr´ıp. data a vstupnˇe/v´ ystupn´ı jednotku pro komunikaci s extern´ımi zaˇr´ızen´ımi (viz obr´ azek 1.5).

vst./v´ yst. jednotka

aritmeticko logick´ a jed.

pamˇet’ data/prog. ˇr´ıizen´ı

ˇr´ıdic´ı jednotka

data

centr´ aln´ı ˇr´ıdic´ı jednotka (a)

(b)

Obr´ azek 1.5: (a) Principi´ aln´ı struktura mikropoˇc´ıtaˇce dle von Neumanna, (b) John von Neumann (* 28. prosince 1903, † 8. u ńora 1957). CPU pˇredstavuje ˇr´ıdic´ı mozek celého systému (je jeho nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı ˇcást´ı) a obsahuje aritmetricko/logickou jednotku a samotnou ˇr´ıdic´ı jednotku. CPU kombinuje ˇc´ıslicové obvody, generuj´ıc´ı vˇsechny potˇrebné ˇr´ıdic´ı sign´ aly pro v´ ykon instrukc´ı s bloky pro v´ ykon volan´ ych instrukc´ı (napˇr. pro instrukci ADD R16, R18 ˇr´ıd´ı volbu operand˚ u a typ operace – v tomto pˇr´ıpadˇe sˇc´ıtán´ı dvou registr˚ u s oznaˇcen´ım R16 a R18). Aritmeticko/logická jednotka (ALU – Arithmetic/Logic Unit) provád´ı aritmetické a logické operace s daty, která jsou reprezentována jedn´ım nebo dvˇema binárn´ımi ˇc´ısly. Tyto operace z´ avis´ı na sloˇzitosti mikropoˇc´ıtaˇc˚ u a na jejich instrukˇcn´ı sadˇe, proto vˇsechny ALU jednotky nejsou schopny vykonávat stejné operace. Mezi základn´ı operace, které jsou implementov´ any do kaˇzdé ALU patˇr´ı pochopitelnˇe sˇc´ıtán´ı, odˇc´ıtán´ı, bitov´ y posun (shift), logické operace (AND, OR, . . .). Mezi rozˇsiˇruj´ıc´ı operace lze zaˇradit napˇr. násoben´ı, dˇelen´ı, odmocninu, v´ ypoˇcet exponenci´ aln´ı funkce, atd. Poˇcetnˇe nároˇcnˇejˇs´ı instrukce lze ovˇsem ”poskládat” ze st´ avaj´ıc´ıch instrukc´ı (napˇr.: postupné násoben´ı bit po bitu). Nˇekteré operace, jako jsou hodnoty goniometrick´ ych funkc´ı, se provád´ı pouh´ ym v´ yˇctem z tabulky (LUT – Look up Table). Kaˇzdá ALU jednotka vrac´ı dva typy v´ ysledk˚ u: jednak aritmetickou nebo logickou hodnotu, ale také identifikuje charakter této hodnoty pomoc´ı tzv. pˇr´ıznakov´ ych bit˚ u (Flag bits). Také tyto bity jsou odliˇsné pro jednotliv´ a j´ adra procesor˚ u. Mezi bˇeˇzné vˇsak patˇr´ı: pˇrenos (Carry), poloviˇcn´ı pˇrenos (Half carry), pˇreteˇcen´ı (Overflow), nulov´ y v´ ysledek (Zero), záporn´ y v´ ysledek (Negative), paritn´ı bit (Parity), aj. Detailnˇe o pˇr´ıznakov´ ym bitech je pojednáno v kapitole 2. Harvardsk´ a architektura chronologicky navazuje na architekturu Von Neumannovu a dopln ˇuje nˇekteré jej´ı funkce. Z´ asadn´ı rozd´ıl je v oddˇelené ˇcásti pamˇeti pro program a data – program tak nem˚ uˇze pˇrepsat s´ am sebe. Nav´ıc lze pouˇz´ıt pamˇeti odliˇsn´ ych technologi´ı (EEPROM, Flash, . . .), pˇr´ıp. nˇekolik datov´ ych sbˇernic pro souˇcasn´ y pˇrenos instrukc´ı, ˇci dat. Nev´ yhodou ovˇsem je


11

program. pamˇet’

datov´ a pamˇet’

program. ˇc´ıtaˇc

kontroln´ı registry

ukazatel na z´ asobn´ık

R0

instrukˇcn´ı dekodér

R1

adresn´ı sbˇernice, 16 bit˚ u

instrukˇcn´ı registr

ˇr´ıdic´ı sign´ aly

datov´ a sbˇernice, 8 bit˚ u

nemoˇznost vyuˇzit´ı neobsazené ˇc´ asti datové pamˇeti pro uloˇzen´ı programu a naopak. Sekvenˇcn´ı vykonáván´ı instrukc´ı bylo Harvardskou architekturou zachováno, tzn. paraleln´ı zpracován´ı lze provádˇet pouze na u ´rovni operaˇcn´ıho systému. Zástupcem Harvardské architektury je napˇr. mikrokontrolér AVR, jehoˇz zjednoduˇsená bloková struktura je zobrazena na obrázku 1.6.

R31

ALU

stavov´ y registr

Obr´ azek 1.6: Zjednoduˇsen´ a blokov´ a struktura mikrokontroléru AVR s Harvardskou architekturou. Jádro tohoto mikrokontroléru obsahuje oddˇelen´ y pamˇet’ov´ y prostor pro program a data, d´ ale aritmeticko-logickou jednotku a stavov´ y registr, soubor pracovn´ıch a kontroln´ıch registr˚ u, vˇcetnˇe ukazatele na program (programov´ y ˇc´ıtaˇc) a na zásobn´ık. Tyto ukazatele jsou nezbytné pro funkci jakéhokoliv procesoru a budou pops´ any v následuj´ıc´ıch kapitolách. Informace jsou v mikroprocesorov´ ych systémech ˇs´ıˇreny prostˇrednictv´ım 3 soustav. Jedn´ a se o adresn´ı sbˇernici (Address bus), po které se nejˇcastˇeji pˇrenáˇs´ı pozice v pamˇeti odkud/kam se má ˇc´ıst/zapisovat. Sbˇernice je tvoˇrena paraleln´ı skupinou vodiˇc˚ u, jejichˇz poˇcet koresponduje ’ s celkovou pamˇet ovou kapacitou (v pˇr´ıpadˇe multiplexován´ı adresy toto neplat´ı). Obsahuje-li adresn´ı sbˇernice 16 bit˚ u, je moˇzné takto adresovat pamˇet’ov´ y prostor s maximálnˇe 216 buˇ nkami. Dále je v kaˇzdém systému obsaˇzena tzv. datová sbˇernice (Data bus), pˇrenáˇsej´ıc´ı instrukce nebo ˇıˇrka sbˇernice data mezi d´ılˇc´ımi bloky systému (typicky mezi jádrem procesoru a pamˇet’mi). S´ (poˇcet vodiˇc˚ u) koresponduje se ˇs´ıˇrkou ALU jednotky a s oznaˇcen´ım procesoru (8bitov´ y, 16bitov´ y, . . .). Mikrokontrolér z obr´ azku 1.6 je tedy 8bitov´ y. Veˇskeré ˇr´ıdic´ı povely jsou pˇren´ aˇseny prostˇrednictv´ım vodiˇc˚ u, které tvoˇr´ı ˇr´ıdic´ı sbˇernici (Conˇıˇrka této sbˇernice nen´ı typická a liˇs´ı se pro kaˇzd´ ˇ ıdic´ı signály mohou trol bus). S´ y procesor. R´ b´ yt z pohledu mikroprocesoru ch´ ap´ any jako vstupn´ı, jiné jako v´ ystupn´ı, pˇr´ıp. obousmˇerné. Mezi základn´ı ˇr´ıdic´ı sign´ aly patˇr´ı napˇr. R/W (Read/Write – ˇcten´ı/zápis), IRQ (Interrupt Request – poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı chodu procesoru), OE (Output Enable – povolen´ı v´ ystupu/vyslán´ı dat), a ˇrada dalˇs´ıch. Do souˇcasnosti bylo vyvinuty dalˇs´ı architektury. Zmiˇ nme vˇsak pouze jedinou: procesory s tzv. velmi dlouh´ ym instrukˇcn´ım slovem (VLIW – Very Long Instruction Word). Jádro tˇechto procesor˚ u obsahuje nˇekolik funkˇcn´ıch jednotek se specifick´ ymi funkcemi (násoben´ı, binárn´ı operace, pˇr´ıstup do pamˇeti, . . .), které mohou pracovat nezávisle na sobˇe a kaˇzdá je ˇr´ızena jednou

12


krátkou instrukc´ı. Dohromady pak tyto d´ılˇc´ı instrukce tvoˇr´ı dlouhé instrukˇcn´ı slovo (paket). Program je tak vykon´ av´ an paralelnˇe, coˇz v´ yraznˇe zvyˇsuje poˇcetn´ı v´ ykon procesoru. Zástupcem VLIW architektury je sign´ alov´ y procesor ˇrady TMS320C6000 (firmy Texas Instruments), kter´ y obsahuje osmici funkˇcn´ıch jednotek (napˇr. TMS320C6713, TMS320C6414, . . .), pˇr´ıp. signálové procesory s nˇekolika j´ adry: TMS320C6474-1200 (3 jádra), které dosahuj´ı extrémn´ıho poˇcetn´ıho aˇz 28 800 mili´ on˚ u instrukc´ı za sekundu (MIPS – Milion Instructions Per Second). Detailn´ı struktura a funkce tˇechto procesor˚ u bude popsána pozdˇeji.

1.3

Procesory CISC a RISC

Dosavadn´ı dˇelen´ı procesor˚ u bylo v´ yluˇcnˇe podle hardwaru. Existuje i jiné dˇelen´ı procesor˚ u a to z pohledu instrukˇcn´ı sady: (a) CISC (Complex Instruction Set Computer – poˇc´ıtaˇc s komplexn´ım souborem instrukc´ı) a (b) RISC (Reduced Instruction Set Computer – poˇc´ıtaˇc s redukovan´ ym souborem instrukc´ı). V praxi neexistuj´ı ”ryz´ı” procesory CISC nebo RICS, vˇzdy se jedná o kompromis. CICS procesory se vyznaˇcuj´ı velk´ ym mnoˇzstv´ım instrukc´ı, které s mal´ ymi obmˇenami vykonávaj´ı ty samé operace (napˇr. pomoc´ı pˇr´ımého adresován´ı, indexového adresován´ı, apod.). Kaˇzdá instrukce vˇsak rozˇsiˇruje ˇradiˇc procesoru – procesor totiˇz mus´ı ”rozpoznat” vˇsechny instrukce z instrukˇcn´ı sady a t´ım je ne´ umˇernˇe zvyˇsována hardwarová sloˇzitost ˇr´ıdic´ı jednotky. V tabulce 1.1 je zobrazen v´ ysledek statistického pr˚ uzkumu ˇcetnosti jednotliv´ ych typ˚ u operac´ı ve zdrojov´ ych k´ odech. Tabulka 1.1: Statistick´ a ˇcetnost jednotliv´ ych typ˚ u instrukc´ı v programech. Operace

ˇ Cetnost

Naˇc´ıtán´ı z pamˇeti.

27,3 %

Podm´ınˇen´ y skok.

13,7 %

Zápis do pamˇeti.

9,8 % P 50,8 %

Porovnáván´ı hodnot.

6,2 %

Naˇcten´ı adresy.

6,1 %

Odˇc´ıtán´ı.

4,5 %

Vloˇzen´ı znaku.

4,1 %

Sˇc´ıtán´ı.

3,7 % P 75,4 %

Z tabulky je patrné, ˇze polovina bˇeˇzn´ ych zdrojov´ ych kód˚ u obsahuje pouze tˇri opakuj´ıc´ı se operace: naˇc´ıt´ an´ı a ukl´ ad´ an´ı dat z/do pamˇeti a podm´ınˇené vˇetven´ı programu. Neudrˇziteln´ y nár˚ ust sloˇzitosti CISC procesor˚ u vedl na konci 70t´ ych let k v´ yvoji zjednoduˇsené struktury RISC. Statistick´ y v´ yzkum mˇel za u ´kol nalézt optimáln´ı instrukˇcn´ı soubor pro tyto procesory. Kromˇe malého poˇctu instrukc´ı se procesory RISC vyznaˇcuj´ı také niˇzˇs´ım poˇctem zp˚ usob˚ u adresován´ı, dále pouˇz´ıvaj´ı zˇretˇezené zpracov´ an´ı instrukc´ı, jejich instrukce maj´ı pevnou délku (u AVR je to 16 bit˚ u) a pˇredevˇs´ım jednotn´ y form´ at, coˇz urychluje jejich dekódován´ı. Také pouˇz´ıvaj´ı vˇetˇs´ı poˇcet rovnocenn´ ych registr˚ u (u AVR je to 32 registr˚ u, oznaˇcovan´ ych R0, R1, . . ., R31) na rozd´ıl od tzv. Akumul´ atoru (pˇr´ıp. stˇradaˇce) u CISC, kter´ y musel obsahovat jeden operand k vˇetˇsinˇe instrukc´ı. V´ ysledn´ y program pro procesory RISC je zpravidla delˇs´ı z d˚ uvodu vˇetˇs´ıho poˇctu instrukc´ı s konstantn´ım poˇctem bit˚ u, ale doba vykonán´ı programu m˚ uˇze b´ yt kratˇs´ı, protoˇze vˇetˇsina instrukc´ı se vykon´ a v jediném hodinové taktu. D˚ usledek vlastnost´ı instrukc´ı procesor˚ u RISC je zobrazen v tabulce 1.2. Pro dva rozd´ılné mikrokontroléry Intel 8085 (70. léta, CISC) a ATmega16 (souˇcasnost, RISC) byly naprogramovány


13

Tabulka 1.2: Srovn´ an´ı testovac´ıch aplikac´ı mikrokontrolér˚ u Intel 8085 a ATmega16. Funkce/aplikace Zpoˇzdˇen´ı (delay) – velikost Zpoˇzdˇen´ı (delay) –

rychlost1

Stopky – velikost 1 Poˇ cet

Intel 8085

ATmega16

6B

8B

10,5 ms

2 ms

60 B

opakov´ an´ı funkce: 1 000×, fCP U

92 B (jazyk ASM) 3,5 kB (jazyk C) = 2 MHz.

rutiny realizuj´ıc´ı zpoˇzdˇen´ı. Je patrné, ˇze tato jednoduchá funkce zab´ırá v´ıce m´ısta v programové pamˇeti modern´ıho mikrokontroléru, nicménˇe jej´ı v´ ykon je na druhou stranu rychlejˇs´ı. Pro srovnán´ı je také uvedena velikost aplikace realizuj´ıc´ı stopky. Pˇredevˇs´ım pro zdrojov´ y kód v ja’ zyce C (bez pouˇzit´ı optimalizaˇcn´ıch nástroj˚ u) je vˇetˇs´ı pamˇet ová nároˇcnost programu ATmega16 zˇretelná [Fed08]. V následuj´ıc´ım textu je naznaˇcen formát vybran´ ych instrukc´ı mikrokontroléru AVR; z nˇej je patrná jednotn´ a struktura typick´ a pro vˇsechny procesory RISC. Ukázka form´ atu instrukce ADD Rd, Rr (operace souˇctu: Rd = Rd + Rr) • 0000 11rd dddd rrrr kde d ∈ {0; 31} – identifik´ ator registru (1. operand a následnˇe i v´ ysledek) a r ∈ {0; 31} – identifik´ ator 2. operandu Ukázka form´ atu instrukce SUB Rd, Rr (operace rozd´ılu: Rd = Rd − Rr) • 0001 10rd dddd rrrr kde d ∈ {0; 31} – identifik´ ator registru (1. operand následnˇe i v´ ysledek) a r ∈ {0; 31} – identifik´ ator 2. operandu

1.4

ˇ ıdic´ı jednotka mikrokontrol´ R´ eru

ˇ ıdic´ı jednotka mikrokontroléru obsahuje logické a ˇcasovac´ı obvody, generuj´ıc´ı signály potˇrebné R´ pro v´ ykon kaˇzdé instrukce v programu. V´ ykon libovolného programu má následuj´ıc´ı etapy: (a) ”vyzvednut´ı” instrukce, kter´ a se má vykonat z programové pamˇeti (anglicky: Fetch), zapsán´ım adresy na adresn´ı sbˇernici a vygenerován´ı ˇr´ıdic´ıho signálu na ˇr´ıd´ıc´ı sbˇernici pro ˇcten´ı; instrukce z odpov´ıdaj´ıc´ı adresy se pomoc´ı datové sbˇernice poˇsle zpˇet do ˇr´ıdic´ı jednotky (konkrétnˇe do instrukˇcn´ıho registru, viz obrázek 1.6), (b) kde je instrukce (v binárn´ım k´ odu) dekódována (anglicky: Decode) a podle typu instrukce generuje ˇr´ıd´ıc´ı jednotka pˇr´ısluˇsné ˇr´ıdic´ı signály pro vykon´ an´ı (anglicky: Execute) dané instrukce (c). Funkce ˇr´ıdic´ı jednotky pro v´ ykon programu tedy jsou: vyzvednut´ı, dek´ odován´ı a vykonán´ı instrukc´ı. Mezi hlavn´ı operace ˇr´ıdic´ı jednotky patˇr´ı ˇr´ızen´ı operac´ı ˇcten´ı a zápis. Tyto procesy jsou ˇr´ızeny vˇzdy dvˇema sign´ aly. Nicménˇe existuj´ı dvˇe typické koncepce: • Intel zavedl pouˇzit´ı sign´ al˚ u s oznaˇcen´ım RD – read, W R – write (vyuˇz´ıvaj´ı také mikrokontroléry AVR), kdy vysok´ au ´roveˇ n definuje proces, jak ukazuje obrázek 1.7. V horn´ı ˇc´ asti obrázku doch´ az´ı k z´ apisu dat z datové pamˇeti na poˇzadovanou adresu a v doln´ı ˇcásti pak doch´ az´ı ke ˇcten´ı datového slova z pamˇeti a k jeho um´ıstˇen´ı na datovou sbˇernici. • Druh´ y zp˚ usob pouˇz´ıv´ a napˇr. Freescale, nebo ˇradiˇce LCD displeje: R/W – u ´roveˇ n definuje smˇer komunikace, E – aktivn´ı hrana ˇr´ıd´ı start komunikaˇcn´ıho procesu.

14


ˇ Obr´ azek 1.7: Casov´ e pr˚ ubˇehy ˇr´ızen´ı operac´ı ˇcten´ı/zápis z/do pamˇeti [Atm16].

Dalˇs´ı vybranou uk´ azkou pouˇzit´ı ˇr´ıdic´ı sbˇernice je pˇr´ıklad adresován´ı vstupnˇe/v´ ystupn´ı (I/O) jednotky. Mnoho mikrokontrolér˚ u komunikuje jak s pamˇet´ı, tak i s I/O obvody shodn´ ym zp˚ usobem – tzv. pamˇet’ov´ ym mapov´ an´ım I/O, kdy jsou pouˇzity shodné signály pro smˇer pˇrenosu (RD, W R). Tento zp˚ usob d´ ale obsahuje spoleˇcn´ y pamˇet’ov´ y prostor (moˇzné adresy jsou rozdˇeleny ’ mezi pamˇet ovou ˇc´ ast a vstupnˇe/v´ ystupn´ı obvody) a mohou tak b´ yt pouˇzity shodné instrukce pro komunikaci s pamˇet´ı. Druh´ ym zp˚ usobem je pouˇzit´ı samostatné I/O jednotky; z ˇcehoˇz vypl´ yv´ a nutnost rozˇs´ıˇren´ı ˇr´ıdic´ıch sign´ al˚ u na tˇri: RD, W R a IO/M . Pˇr´ıklad tohoto zp˚ usobu adresován´ı je ukázán v tabulce 1.3 a na obr´ azku 1.8. Byl zde pouˇzit princip ˇcten´ı a zápisu z mikrokontroléru Intel 8085, jehoˇz pamˇet’ov´ y prostor je 16bitov´ y a I/O prostor 8bitov´ y. ˇ ızen´ı oddˇeleného adresován´ı pamˇeti a I/O jednotky u mikrokontroléru Intel Tabulka 1.3: R´ 8085. Operace ˇ Cten´ ı z pamˇeti.

RD

WR

IO/M

Adresa

0

1

0

A0–A15

Zápis do pamˇeti. ˇ Cten´ ı z I/O obvodu.

1

0

0

A0–A15

0

1

1

A0–A7

Zápis do I/O obvodu.

1

0

1

A0–A7

CPU

vst./výst. jednotka

datov´ a sbˇernice

pamˇet’ data/prog. adresn´ı sbˇernice

RD WR IO/M

Obr´ azek 1.8: Oddˇelené adresov´ an´ı pamˇeti a I/O jednotky u mikrokontroléru Intel 8085.


2

15

Instrukˇ cn´ı soubor mikrokontrol´ er˚ u

ˇ ıdic´ı program mikrokontrolér˚ R´ u je od Von Neumannovy architektury tvoˇren posloupnost´ı instrukc´ı v podobˇe strojového jazyka. Tato posloupnost je uloˇzena v programové pamˇeti v bin´ arn´ı podobˇe. Pˇrestoˇze ˇr´ıdic´ı jednotka MCU je schopna rozeznávat software v´ yhradnˇe v této formˇe, v´ yvoj aplikac´ı pˇr´ımo ve strojovém jazyce se neprovád´ı. Takto sestaven´ y kód je totiˇz znaˇcnˇe nepˇrehledn´ y a velmi n´ aroˇcn´ y na schopnosti programátora. Existuj´ı dva základn´ı zp˚ usoby v´ yvoje aplikac´ı pro MCU: prostˇrednictv´ım tzv. jazyka symbolick´ ych adres (JSA, assembly language) a s pomoc´ı vyˇsˇs´ıch programovac´ıch jazyk˚ u, pˇredevˇs´ım jazyka C. V této kapitole je pozornost vˇenována prvn´ımu zp˚ usobu. Jazyk symbolick´ ych adres vyuˇz´ıvá jednotlivé instrukce z instrukˇcn´ı sady pˇr´ısluˇsného MCU. Takto sestaven´ y k´ od (textov´ y soubor, nejˇcastˇeji s koncovkou *.asm) je následnˇe pˇreloˇzen pomoc´ı znám´ ych a nemˇenn´ ych pravidel do strojového jazyka (viz obrázek 2.1). Pˇreklad je tedy jednoznaˇcn´ y a prov´ ad´ı ho proces, kter´ y se naz´ yvá assembler a je souˇcást´ı v´ yvojov´ ych nástroj˚ u. Kaˇzd´ y typ mikrokontroléru pˇritom obsahuje odliˇsnou instrukˇcn´ı sadu, která se liˇs´ı nejen poˇctem instrukc´ı, ale pˇredevˇs´ım pouˇzitou syntax´ı. zdrojov´ y k´ od (.asm)

pˇreklad (asembler)

strojov´ y k´ od (.hex)

Obr´ azek 2.1: Pˇreklad zdrojového k´ odu z jazyka symbolick´ ych adres do strojového kódu. Pˇrekladaˇc pro mikrokontroléry AVR (AVR assembler) umoˇzn ˇuje programátor˚ um zad´ avat ˇc´ıselné hodnot ve tˇrech soustav´ ach: des´ıtková soustava, hexadecimáln´ı a binárn´ı. Zvolená soustava se pak identifikuje prostˇrednictv´ım prefixu 0x, pˇr´ıp. $ pro hexadecimáln´ı a 0b pro bin´ arn´ı soustavu. Zadané hodnoty jsou ch´ apány od nejménˇe v´ yznamn´ ych bit˚ u. Tj. zápis 0b1100 reprezentuje 8mi bitovou hodnotu 0b0000 1100 a hodnota 0xA reprezentuje zápis 0x0A. AVR assembler rovnˇeˇz dovoluje pouˇzit´ı nˇekter´ ych funkc´ı; viz kód 2.1. Zdrojov´ y k´ od 2.1: Funkce podporované asemblerem AVR. LOW ( HIGH( LWRD( HWRD(

1 2 3 4

16 bit_hodnota 16 bit_hodnota 32 bit_hodnota 32 bit_hodnota

) ) ) )

; ; ; ;

v r a c´ı v r a c´ı v r a c´ı v r a c´ı

n i ˇz ˇs´ı v yˇs ˇs´ı n i ˇz ˇs´ı v yˇs ˇs´ı

byte z 16 b i t o v é hodnoty byte z 16 b i t o v é hodnoty s l o v o z 32 b i t o v é hodnoty s l o v o z 32 b i t o v é hodnoty

Pˇri programov´ an´ı je vhodné vytv´ aˇret zdrojov´ y kód, kter´ y bude srozumiteln´ y nejen pro autora kódu, ale i pro vˇsechny ostatn´ı programátory. Proto je nutné dodrˇzovat nˇekterá zaˇzitá pravidla, mezi která patˇr´ı také grafick´ a str´ anka zdrojového kódu. Pro pˇrehlednost vˇetven´ı programu je nutné vˇsechny instrukce odsadit od levého okraje. Naopak návˇeˇst´ı, která reprezentuj´ı m´ısta v pamˇeti vˇetveného k´ odu ponech´ av´ ame bez odsazen´ı. Na jeden ˇrádek se p´ıˇse jen jedna instrukce a je vhodné pouˇz´ıvat koment´ aˇre. Nav´ıc, v´ yvoj kaˇzdé aplikace by mˇel zapoˇc´ıt pˇrehlednou grafickou reprezentac´ı jej´ı funkce. K tomu u ´ˇcelu se vyuˇz´ıvaj´ı v´ yvojové diagramy (flowcharts) s ustálen´ ymi tvary objekt˚ u pro dané operace. Uk´ azka pouˇz´ıvan´ ych tvar˚ u je zobrazena na obrázku 2.2.

2.1

Form´ aty instrukc´ı

V mikroprocesorové technice obsahuj´ı instrukce dvoj´ı informaci: (1) jaká operace má b´ yt vykonána (tzv. operaˇcn´ı k´ od – op code) a (2) adresu operand˚ u, se kter´ ymi se má pracovat. Základn´ı formáty instrukc´ı jsou 1, 2 a 3bytové. Odliˇsnou strukturu maj´ı instrukce RISC procesor˚ u. Vˇsechny tyto form´ aty jsou pops´ any v následuj´ıc´ım textu.

16


zaˇca ´tek / konec (pod)programu

zpracov´ an´ı dat

vol´ an´ı podprogramu

vstup / v´ ystup dat

smˇer v´ ykonu (pod)programu

podm´ınka + −

Obr´ azek 2.2: Symboly pouˇz´ıvané pro grafické ztvárnˇen´ı funkce aplikace nebo jej´ı ˇcásti prostˇrednictv´ım v´ yvojov´ ych diagram˚ u.

1bytov´ e, 2bytov´ e instrukce Jednobytové instrukce informuj´ı pouze o op kódu (tj. o typu operace) a nepouˇz´ıvaj´ı ˇzádné operandy vyjma registr˚ u. Pomoc´ı tˇechto instrukc´ı tedy nen´ı moˇzné pˇristupovat k pozic´ım v pamˇeti. Dvoubytové instrukce obsahuj´ı 8bitov´ y op kód a 8bitovou adresu operandu, nebo pˇr´ımo zadanou hodnotu dat. Poˇrad´ı uloˇzen´ı tˇechto dvou byt˚ u v pamˇeti je vˇzdy: (1) op kód a (2) adresa operand˚ u. Pˇr´ıkladem 1 a 2bytov´ ych instrukc´ı jsou tˇreba instrukce mikrokontroléru Intel 8051: ADD A, Rr (souˇcet obsahu akumul´ atoru, coˇz je speciáln´ı pracovn´ı registr s oznaˇcen´ım A, s obsahem 8bitového registru Rr, kde r=0, 1, . . ., 7); strojov´ y kód: 0010 1rrr, ˇci instrukce pro kop´ırován´ı dat MOV A, direct (pˇresun obsah pamˇeti z adresy direct do akumulátoru); strojov´ y kód: 1110 0101 8bitov´ a adresa. V ukázce 2.2 jsou uvedeni tito z´ astupci 1 a 2bytov´ ych instrukc´ı mikrokontroléru Intel 8051, spoleˇcnˇe s konkrétn´ım u ´sekem k´ odu, kter´ y je uloˇzen v programové pamˇeti. Zdrojov´ y k´ od 2.2: Uk´ azka pˇrekladu 1 a 2bytov´ ych instrukc´ı mikrokontroléru Intel 8085. 1 2

MOV ADD

A , 3B A , R2

; ; ; ; ;

3 4 5

A = 0x3B A = A + R2 E5 (MOV) 3B (MOV) 2A (ADD)

3bytov´ e instrukce Tˇr´ıbytové instrukce obsahuj´ı 8bitov´ y op kód a 16bitovou adresu operandu, pˇriˇcemˇz poˇrad´ı ukládan´ ych byt˚ u je vˇzdy n´ asleduj´ıc´ı: (1) op kód, (2) niˇzˇs´ı byte adresy a (3) vyˇsˇs´ı byte adresy. Pˇr´ıkladem takovéto instrukce je napˇr. JMP adresa mikrokontroléru Intel 8085, která realizuje nepodm´ınˇen´ y skok na zadanou adresu. Strojov´ y kód instrukce je 1100 0011 16bitov´ a adresa. Ukázka zdrojového k´ odu s pˇrekladem 2.3 obsahuje pˇreloˇzenou instrukci JMP se skokem na adresu 0x201F. Zdrojov´ y k´ od 2.3: Uk´ azka pˇrekladu 3bytové instrukce mikrokontroléru Intel 8085. 1 2 3 4

JMP

201 F

; ; ; ;

skok C3 1F 20

na a d r e s u 0 x201F (JMP) ( n i ˇz ˇs´ı byte a d r e s y ) ( v yˇs ˇs´ı byte a d r e s y )


17

Instrukce RISC procesor˚ u Mikroprocesory s architekturou typu RISC (redukovaná instrukˇcn´ı sada) se vyznaˇcuj´ı konstantn´ı délkou vˇsech instrukc´ı a specifick´ ym formátem uspoˇrádán´ı operaˇcn´ıho kódu a operand˚ u. To umoˇzn ˇuje rychlejˇs´ı dek´ odov´ an´ı instrukc´ı a t´ım i zv´ yˇsen´ı poˇcetn´ıho v´ ykonu programu. Pˇr´ıklady instrukc´ı RISC mikrokontroléru (AVR), doplnˇené strojov´ ymi kódy, ze kter´ ych vypl´ yvá snadnost dekódován´ı, jsou zn´ azornˇeny v tabulce 2.1. Tabulka 2.1: Pˇr´ıklady instrukc´ı 8bitového mikrokontroléru typu RISC (AVR). Instrukce

Strojov´ y k´ od

Popis instrukce

ADD Rd, Rr

0000 11rd dddd rrrr

Souˇcet hodnot registr˚ u Rd a Rr; v´ ysledek do Rd.

INC Rd

1001 010d dddd 0011

Inkrementace obsahu registru Rd, kde d=0, 1, . . ., 31.

LDI Rd, K

1110 KKKK dddd KKKK

Naplnˇen´ı registru Rd 8bitovou konstantou K, kde d=16, 17, . . ., 31 a K=0, 1, . . ., 255.

RET

1001 0101 0000 1000

Návrat z podprogramu.

Jak je zˇrejmé, strojov´ y k´ od instrukce pro inkrementaci obsahuje adresu jednoho operandu (registru Rd). Index pracovn´ıho registru, jehoˇz obsah se má zv´ yˇsit o jedniˇcku je v binárn´ı podobˇe zapsán pˇr´ımo v tˇele instrukce – pˇet bit˚ u oznaˇcen´ ych p´ısmenem d. Podobn´ ym zp˚ usobem je do instrukce ADD vˇclenˇena informace o indexu destinaˇcn´ıho (Rd) a zdrojového registru (Rr). V tomto pˇr´ıpadˇe je 5bitov´ a identifikaˇcn´ı hodnota registru Rr rozdˇelena na dvˇe ˇcásti: niˇzˇs´ı ˇctveˇrice bit˚ u je uloˇzena na pozic´ıch 3 aˇz 0, nejvyˇsˇs´ı bit pak na pozici 9. Pozor, nezamˇen ˇovat indexy pracovn´ıch registr˚ u s hodnotami, které registry obsahuj´ı!

2.2

Program´ atorsk´ y model

Definice 1 (Program´ atorsk´ y model) Program´ atorský model mikrokontroléru (nebo také softwarový pohled na MCU) obsahuje popis pamˇet’ového prostoru MCU, soubor registr˚ u, jejich n´ azvy, adresy a funkce, které m˚ uˇze program´ ator vyuˇz´ıvat. D´ ale zahrnuje veˇskeré prostˇredky, které program´ ator m˚ uˇze k vývoji aplikac´ı pouˇz´ıt (instrukce, direktivy). 2.2.1

Pamˇ et’ov´ y prostor AVR

Pamˇet’ov´ y prostor mikrokontrolér˚ u AVR obsahuje oddˇelenou pamˇet’ pro program a data (Harvardsk´ a architektura), d´ ale umoˇzn ˇuje mapovat jak vnitˇrn´ı, tak i vnˇejˇs´ı adresn´ı prostor. Pˇrehledné zn´ azornˇen´ı vˇsech typ˚ u pamˇet´ı, které obsahuje mikrokontrolér ATmega16 je uveden na obrázku 2.3. Pro uloˇzen´ı programu je pouˇzita pamˇet’ typu Flash se ˇs´ıˇrkou buˇ nky 16 bit˚ u. Na kaˇzdou adresovatelnou pozici je tak moˇzné uloˇzit strojov´ y kód právˇe jedné instrukce. Kapacita této pamˇeti je pro mikrokontrolér ATmega16 8k×16, tj. obsahuje 8k = 8 192 adresovateln´ ych pozic. Datová pamˇet’ je tvoˇrena technologi´ı SRAM s kapacitou 1k×8. (1 024 adresovateln´ ych pozic se ˇs´ıˇrkou 8 bit˚ u.) Tato oblast obsahuje tˇricet dva 8bitov´ ych registr˚ u pro obecné pouˇzit´ı (anglicky: General Purpose Registers; oznaˇcované R0 aˇz R31; adresy 0x0000 aˇz 0x0020), následnˇe ˇsedes´ at ˇctyˇri kontroln´ıch registr˚ u. Tyto registry slouˇz´ı k ˇr´ızen´ı jednotliv´ ych periféri´ı i samotného j´ adra mikrokontroléru. Pˇredstavuj´ı nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı registry pro programátora a pro mikrokontrolér ATmega16 jsou namapov´ any na adres´ ach 0x0020 aˇz 0x005F. Nˇekteré kontroln´ı registry ATmega16 jsou uvedeny v tabulce 2.2. K tˇemto registr˚ um se nejˇcastˇeji pˇristupuje pomoc´ı instrukc´ı IN a OUT (viz zdrojov´ y k´ od 4.1). Za kontroln´ımi registry je pamˇet’ov´ y prostor pro libovolné pouˇzit´ı.

18


Programov´ a pamˇet’ Flash 15

Datov´ a pamˇet’ SRAM

0

Aplikaˇ cn´ı ˇ ca ´st

7 0x0000

Datov´ a pamˇet’ EEPROM

0

7

0

pracovn´ı registry

0x0000 0x001F

0x000


0x0020 0x005F

0x1FF 512×8

0x0060 Bootovac´ı ˇ c´ ast 0x1FFF 8k×16

z´ asobn´ık

0x045F

1k×8

Obr´ azek 2.3: Pamˇet’ov´ y prostor mikrokontroléru ATmega16.

V aplikac´ıch s podprogramy, ˇci pˇreruˇsen´ımi b´ yvá ˇcást vyˇclenˇena pro tzv. zásobn´ık, kter´ y slouˇz´ı k doˇcasnému uloˇzen´ı n´ avratov´ ych adres. Tabulka 2.2: Vybrané kontroln´ı registry mikrokontrolér˚ u AVR. Adresa

Registr

Funkce registru

... 0x39

PINA

Vstupn´ı registr portu A.

0x3A

DDRA

Smˇerov´ y registr portu A.

0x3B

PORTA

Datov´ y registr portu A.

TCNT0

Obsah 8bitového ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce 0.

... 0x52 ... 0x5B

GICR

ˇ ıdic´ı registr pˇreruˇsen´ı. R´

0x5C

OCR0

Komparaˇcn´ı registr ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce 0.

0x5D

SPL

Ukazatel na z´ asobn´ık (niˇzˇs´ı byte).

0x5E

SPH

Ukazatel na z´ asobn´ık (vyˇsˇs´ı byte).

0x5F

SREG

Stavov´ y registr.

Posledn´ım adresovateln´ ym prostorem je pamˇet’ typu EEPROM s kapacitou 512×8. EEPROM je charakteristick´ a delˇs´ı dobou pˇr´ıstupu neˇz SRAM, ale nemaˇze sv˚ uj obsah po odpojen´ı napájen´ı. Vyuˇzit´ım tak ˇcasto b´ yv´ a z´ aloha nastaven´ı pˇr´ıstroje, tabulky hodnot, apod. 2.2.2

Pˇ r´ıznakov´ e bity

Pˇr´ıznakové bity (anglicky: Flags) informuj´ı o typick´ ych v´ ysledc´ıch posledn´ı aritmetické, logické, pˇr´ıp. bitové operace. Jsou nastavovány/nulovány aritmeticko-logickou jednotkou (ALU), nebo prostˇrednictv´ım datové sbˇernice a lze je s u ´spˇechem vyuˇz´ıt napˇr. k ˇr´ızen´ı bˇehu programu (nejˇcastˇeji k jeho vˇetven´ı). Pˇr´ıznakové bity jsou uloˇzeny ve stavovém registru, jehoˇz struktura (i název) se liˇs´ı podle v´ yrobce MCU. Mikrokontroléry typu AVR obsahuj´ı SREG – Status Register (viz obr´ azek 2.4); klony Intel 8051 zase PSW – Program Status Word; firma Freescale pouˇz´ıvá oznaˇcen´ı CCR – Code Condition Register, atd. Stavov´ y registr mikrokontrolér˚ u AVR obsahuje následuj´ıc´ı pˇr´ıznakové bity: pˇrenos, nula, záporné ˇc´ıslo, pˇreteˇcen´ı, znaménkov´ y bit, poloviˇcn´ı pˇrenos, u ´loˇzn´ y bit a globáln´ı povolen´ı vˇsech

5

4

3

2

1

0

I

T

H

S

V

N

Z

C





R0

instrukˇcn´ı registr instrukˇcn´ı dekodér

R1


6

19

program. pamˇet’


7



R31

ALU

stavov´ y registr

SREG (b)

(a)

Obr´ azek 2.4: (a) Struktura a (b) pozice stavového registru AVR.

pˇreruˇsen´ı. C (Carry Flag) Pˇr´ıznak pˇrenosu po posledn´ı aritmetické operaci nebo po bitovém posuvu. Zdrojov´ y k´ od 2.4: Pˇr´ıznakové bity AVR – pˇrenos. 1 2 3

LDI LDI ADD

R16 , 225 R17 , 50 R16 , R17

; R16 = 225 ; R17 = 50 ; R16 = 225 + 50 = 1 9 , C = 1

Z (Zero Flag) Pˇr´ıznak nulového v´ ysledku aritmetické nebo logické operace, pˇr´ıp. bitového posuvu. Zdrojov´ y k´ od 2.5: Pˇr´ıznakové bity AVR – nula. 1 2

LDI R16 , 225 SUBI R16 , 225

; R16 = 225 ; R16 = R16 − 225 = 0 , Z = 1

Pozn.: Nulov´ y pˇr´ıznakov´ y bit je roven 1, pokud je v´ ysledek ROVEN nule, v opaˇcném pˇr´ıpadˇe je roven 0. Nejˇcastˇeji je pouˇz´ıv´ an pro realizaci cykl˚ u s koneˇcn´ ym poˇctem opakován´ı. N (Negative Flag) Pˇr´ıznak záporného v´ ysledku se nastav´ı, pokud je nejv´ yznamnˇejˇs´ı bit (MSB) poˇcetn´ı operace roven 1.

20


Zdrojov´ y k´ od 2.6: Pˇr´ıznakové bity AVR – záporná hodnota. 1 2

LDI LSL

R16 , 0 b01100000 R16

3

; R16 = 192 ( dek ) ; bitovy ´ posun d o l e v a ( l o g i c a l s h i f t ; R16 = 0 b1100 0 0 0 0 , N = 1

left )

V (Overflow Flag) Pˇr´ıznak pˇreteˇcen´ı (chybn´ y v´ ysledek) pˇri poˇc´ıtán´ı se znaménkov´ ymi ˇc´ısly (viz dvojkov´ y doplnˇek). Vyjadˇruj´ı-li hodnoty neznaménkov´ a ˇc´ısla, tento bit nemá smysl vyuˇz´ıvat. Zdrojov´ y k´ od 2.7: Pˇr´ıznakové bity AVR – pˇreteˇcen´ı. 1 2 3

LDI LDI ADD

R16 , 0 b11000000 R17 , 0 b10000000 R16 , R17

4

; ; ; ;

R16 R17 R16 V =

= −64 ( dek ) = −128 ( dek ) = 0 b0100 0000 = 64 1

S (Sign Flag) Pˇr´ıznak informuje, zda je v´ ysledek znaménkové ˇc´ıslo. Dopoˇc´ıtává se z hodnot pˇr´ıznak˚ u záporného ˇc´ısla a pˇreteˇcen´ı: N ⊕ V, kde ⊕ pˇredstavuje exkluzivn´ı souˇcet. H (Half Carry Flag) Pˇr´ıznak tzv. pomocného nebo poloviˇcn´ıho pˇrenosu z niˇzˇs´ıho niblu do vyˇsˇs´ıho (vyuˇz´ıvá se pro BCD aritmetiku). Zdrojov´ y k´ od 2.8: Pˇr´ıznakové bity AVR – poloviˇcn´ı pˇrenos. 1 2

LDI LSL

R16 , 0 b00001000 R16

3

; R16 = 8 ( dek ) ; bitovy ´ posun d o l e v a ; R16 = 0 b0001 0 0 0 0 , H = 1

T (Transfer Bit) ´ zn´ Uloˇ y bit, vyuˇz´ıv´ an instrukcemi BST Rd, b a BLD Rd, b pro pˇresun jednoho bitu z/do registru Rd (d=0, 1, . . ., 31; b=0, 1, . . ., 7). Zdrojov´ y k´ od 2.9: Pˇr´ıznakové bity AVR – u ´loˇzn´ y bit. 1

LDI

R16 , 0 b01100100

BST

R16 , 2

BLD

R16 , 7

2 3 4 5 6

; ; ; ; ; ;

R16 = 100 ( dek ) B i t S t o r e from B i t . . . pˇr e s u n b i t u ˇc . 2 do T v r e g i s t r u SREG B i t Load from T Flag . . . pˇr e s u n T b i t u na p o z i c i 7 v r e g i s t r u R16 R16 = 0 b1110 0100


21

I (Global Interrupt Enable) Globáln´ı povolen´ı vˇsech pˇreruˇsen´ı. Tento bit mus´ı b´ yt nastaven u aplikac´ı vyuˇz´ıvaj´ıc´ı libovolné pˇreruˇsen´ı. Zdrojov´ y k´ od 2.10: Pˇr´ıznakové bity AVR – pˇreruˇsen´ı. 1 2

SEI CLI

2.2.3

; p o v o l e n´ı vˇs e c h pˇr e r uˇs e n´ı , I = 1 ; zaka ´ z a n´ı vˇs e c h pˇr e r uˇs e n´ı , I = 0

Direktivy pˇ rekladaˇ ce

Direktivy pˇrekladaˇce nejsou pˇrekl´ ad´ any do strojového kódu, pouze informuj´ı pˇrekladaˇc JSA jak vytvoˇrit v´ ysledn´ y strojov´ y k´ od. Mezi nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı direktivy patˇr´ı: urˇcen´ı typu pamˇeti pro uloˇzen´ı kódu (.cseg, .dseg, .eseg), dále definován´ı maker (.macro, .endmacro), specifikov´ an´ı konkrétn´ı adresy, od které m´ a b´ yt k´ od uloˇzen (.org) ˇci vkládan´ı textov´ ych soubor˚ u do zdrojového kódu (.include). Pro pˇrehlednˇejˇs´ı a efektivnˇejˇs´ı programován´ı lze vyuˇz´ıt direktivy .def real = R16 pro pˇrejmenov´ an´ı registru, nebo definovat hodnotu konstanty .equ value = 32. V tomto pˇr´ıpadˇe pˇrekladaˇc nahrad´ı pˇred samotn´ ym pˇrevodem instrukc´ı do strojového jazyka veˇskeré ˇretˇezce real n´ azvem registru R16 a hodnoty value ˇc´ıslem 32. Návˇeˇst´ı lze snadno identifikovat teˇckou pˇred samotn´ ym pˇr´ıkazem. Kompletn´ı seznam direktiv pˇrekladaˇce pro mikrokontroléry AVR je uveden v tabulce 2.3. Ukázky pouˇzit´ı jsou pak patrné ze zdrojov´ ych k´ od˚ u v pˇr´ıloze A. Tabulka 2.3: Direktivy pˇrekladaˇce mikrokontrolér˚ u AVR. Direktiva

V´ yznam

Direktiva

V´ yznam

.byte

Alokace byt˚ u v SRAM.

.eseg

EEPROM segment.

.cseg

Flash segment.

.exit

Opuˇstˇen´ı zdrojového souboru.

.db

Alokace 8bitové hodnoty.

.include

Vloˇzen´ı zdrojového souboru.

.def

Pˇrejmenov´ an´ı registru.

.list

Zapnut´ı generován´ı listfile.

.device

Definov´ an´ı typu MCU.

.listmac

Zapnut´ı generován´ı info o makru.

.dseg

Segment SRAM.

.macro

Zaˇcátek definice makra.

.dw

Alokace 16bitové hodnoty.

.nolist

Vypnut´ı generován´ı do listfile.

.endmacro

Konec definice makra.

.org

Oznaˇcen´ı konkrétn´ı adresy.

.equ

Definice v´ yrazu/konstanty.

.set

Definice v´ yrazu.

V následuj´ıc´ım textu je pˇredstaveno vyuˇzit´ı direktiv pro implementaci maker. Makra se pouˇz´ıvaj´ı pro ˇcasto se opakuj´ıc´ı u ´seky programu. Pokud pˇrekladaˇc JSA naraz´ı v programu na název makra, vloˇz´ı m´ısto nˇej k´ od definovan´ y mezi direktivou .macro a .endmacro. Jak bude popsáno pozdˇeji, rozd´ıl mezi makrem a podprogramem je v tom, ˇze makro se vloˇz´ı pˇr´ımo do kódu a jeho k´ od se pˇrekl´ ad´ a a vkl´ ad´ a pˇri kaˇzdém uˇzit´ı makra; podprogram se pˇreloˇz´ı jen jednou a skáˇce se na nˇej. Kaˇzdé makro m˚ uˇze m´ıt aˇz 10 vstupn´ıch parametr˚ u, pˇriˇcemˇz v samotném tˇele makra jsou tyto hodnoty symbolicky oznaˇcov´ any @0 (prvn´ı operand) aˇz @9 (desát´ y operand). Necht’ je makro pro v´ ypoˇcet souˇctu komplexn´ıch ˇc´ısel definováno zp˚ usobem dle v´ ypisu 2.11. Pˇri vol´ an´ı makra KOMPLEXSUM R16, R17, R18, R19 se pˇredpokládá, ˇze prvn´ı dvojice registr˚ u obsahuje re´ alnou (R16) a imaginárn´ı (R17) ˇcást prvn´ıho komplexn´ıho ˇc´ısla. Registry R18

22


Zdrojov´ y k´ od 2.11: V´ ypoˇcet souˇctu komplexn´ıch ˇc´ısel – makro. 1 2 3 4 5

.include <m16def.inc> .macro KOMPLEXSUM ADD @0 , @2 ADD @1 , @3 .endmacro

; ; ; ; ;

d e f i n i ˇc n´ı s o u b o r m i k r o k o n t r o lé r u ATmega16 z aˇc a ´ t e k makra s n´ a zvem KOMPLEXSUM s o uˇc e t 1 . a 3 . operandu , t j . r e a ´lny ´ c h ˇc a ´ s t´ı s o uˇc e t 2 . a 4 . operandu , t j . i m a g i n a ´ r n´ıc h ˇc ´ a s t´ı konec makra

6 7 8 9 10

reset : ; h l a v n´ı f u n k c e programu ... KOMPLEXSUM R16 , R17 , R18 , R19 ; pˇr e k l a d aˇc v l o ˇz´ı t ˇe l o makra ...

a R19 pak obsahuj´ı re´ alnou a imagin´ arn´ı ˇcást druhého komplexn´ıho ˇc´ısla. Pˇri pˇredzpracován´ı zdrojového k´ odu bude makro nahrazeno následuj´ıc´ı posloupnost´ı instrukc´ı a pˇreloˇzeno do strojového kódu mikrokontroléru. Zdrojov´ y k´ od 2.12: V´ ypoˇcet souˇctu komplexn´ıch ˇc´ısel – pˇreloˇzené makro. 1 2

ADD ADD

R16 , R18 R17 , R19

V´ ysledek souˇctu komplexn´ıch ˇc´ısel je tak uloˇzen v registru R16 (reálná ˇcást) a v registru R17 (imaginárn´ı ˇc´ ast). 2.2.4

Typy instrukc´ı

Obecnˇe lze instrukce libovolného mikrokontroléru ˇci ˇc´ıslicového systému rozdˇelit dle jejich typu na: • aritmetické operace (souˇcet, rozd´ıl, inkrementace, . . .), • logické operace (AND, XOR, . . .), • skokové operace (nepodm´ınˇené, podm´ınˇené vˇetven´ı programu), • pˇresun dat (pˇresun mezi registry, ˇcten´ı z pamˇeti, . . .), • bitové operace (nastaven´ı/nulov´ an´ı jednotliv´ ych bit˚ u, zámˇena nibl˚ u, . . .), • ˇr´ıdic´ı instrukce (ˇz´ adn´ a operace NOP, reˇzimy sn´ıˇzené spotˇreby, watchdog reset, . . .). Pro AVR (ATmega16) existuje 131 instrukc´ı, ale nˇekteré se liˇs´ı jen nepatrnˇe. Niˇzˇs´ı ˇrady mikrokontrolér˚ u AVR nemus´ı obsahovat vˇsechny instrukce. D˚ uleˇzitá vlastnost kaˇzdé instrukce je zda mˇen´ı ˇci nemˇen´ı pˇr´ıznakové bity a vlastn´ı doba v´ ykonu instrukce. Tyto informace lze vyˇc´ıst z manuálu instrukˇcn´ı sady [Atm02]. Ukázka aritmeticko/logick´ ych instrukc´ı mikrokontrolér˚ u AVR, vˇcetnˇe ovlinˇ novan´ ych pˇr´ıznakov´ ych bit˚ u a poˇct˚ u instrukˇcn´ıch cykl˚ u je znázornˇena v tabulce 2.4. Prvnˇe uveden´ y operand za instrukc´ı souˇcasnˇe udává do jakého registru bude v´ ysledek operace uloˇzen. V literatuˇre se setk´ av´ ame také s pojmem pseudoinstrukce. Popis tˇechto instrukc´ı sice nalezneme v manu´ alech instrukˇcn´ıch sad, ale o samostatné instrukce se nejedná – nemaj´ı vlastn´ı (jedineˇcn´ y) operaˇcn´ı k´ od, podle kterého by je instrukˇcn´ı dekodér ˇr´ıdic´ı jednotky identifikoval. Pseudoinstrukce pˇredstavuj´ı vhodné oznaˇcen´ı jedné nebo i v´ıce jiˇz existuj´ıc´ıch instrukc´ı. D˚ uvodem zaveden´ı této kategorie instrukc´ı je v´ ystiˇznˇejˇs´ı pojmenován´ı operace, které pˇredstavuj´ı,


23

Tabulka 2.4: Vybrané aritmetické a logické instrukce AVR. Instrukce

Popis

Funkce

Pˇ r´ıznaky

Cykly

ADD

Rd, Rr

Souˇcet bez pˇrenosu.

Rd=Rd+Rr

Z,C,N,V,H

1

ADC

Rd, Rr

Souˇcet s pˇrenosem.

Rd=Rd+Rr+C

Z,C,N,V,H

1

SUB

Rd, Rr

Rozd´ıl dvou registr˚ u.

Rd=Rd-Rr

Z,C,N,V,H

1

AND

Rd, Rr

Logick´ y souˇcin.

Rd=Rd and Rr

Z,N,V

1

OR

Rd, Rr

Logick´ y souˇcet.

Rd=Rd or Rr

Z,N,V

1

EOR

Rd, Rr

Exkluzivn´ı souˇcet.

Rd=Rd xor Rr

Z,N,V

1

COM

Rd

Jednotkov´ y doplnˇek.

Rd=$FF-Rd

Z,C,N,V

1

NEG

Rd

Dvojkov´ y doplnˇek.

Rd=$00-Rd

Z,C,N,V,H

1

SBR

Rd, K

Nastaven´ı bitu v kontrol. reg.

Rd=Rd or K

Z,N,V

1

CBR

Rd, K

Nulov´ an´ı bitu v kontrol. reg.

Rd=Rd and ($FF-K)

Z,N,V

1

INC

Rd

Inkrementace pracov. registru.

Rd=Rd+1

Z,N,V

1

DEC

Rd

Dekrementace pracov. registru.

Rd=Rd-1

Z,N,V

1

TST

Rd

Test nuly nebo z´ aporné hod.

Rd=Rd and Rd

Z,N,V

1

CLR

Rd

Vynulov´ an´ı pracovn´ıho registru.

Rd=Rd xor Rd

Z,N,V

1

SER

Rd

Nastaven´ı pracovn´ıho registru.

Rd=$FF

ˇzádn´ y

1

MUL

Rd, Rr

N´ asoben´ı neznaménkov´ ych hod.

R1:0=RdxRr

Z,C

2

N´ asoben´ı znaménkov´ ych hodnot.

R1:0=RdxRr

Z,C

2

MULS Rd, Rr ...

coˇz pˇrisp´ıv´ a ke srozumitelnosti zdrojového kódu. Vybrané pseudoinstrukce AVR jsou uvedeny v tabulce 2.5. Z operaˇcn´ıch k´ od˚ u je tak napˇr. zˇrejmé, ˇze bitov´ y posun doleva je ve skuteˇcnosti realizován souˇctem dvou stejn´ ych hodnot. Tabulka 2.5: Vybrané pseudoinstrukce AVR. Instrukce

Popis

Funkce

ADD

Rd, Rr

Souˇcet hodnot bez pˇrenosu.

Rd=Rd+Rr

0000 11rd dddd rrrr

LSL

Rd

Bitov´ y posun doleva.

Rd=Rd+Rd

0000 11dd dddd dddd

LDI

Rd, K

Naplnˇen´ı registru hodnotou.

Rd=K

1110 KKKK dddd KKKK

Nastaven´ı celého registru.

Rd=$FF

1110 1111 dddd 1111

SER

Operaˇ cn´ı k´ od

AND

Rd, Rr

Logick´ y souˇcin.

Rd=Rd·Rr

0010 00rd dddd rrrr

TST

Rd

Testov´ an´ı nul./z´ aporné hodn.

Rd=Rd·Rd

0010 00dd dddd dddd

2.3

Proces dek´ odov´ an´ı a vykon´ an´ı instrukc´ı

Proces dek´ odov´ an´ı a vykon´ an´ı instrukc´ı, tj. bˇeh libovolného programu je ovládán ˇr´ıdic´ı jednotkou a je vˇzdy prov´ adˇen v nˇekolika kroc´ıch: (1) Naˇcten´ı (anglicky: Fetch) op k´ odu instrukce: – ˇr´ıdic´ı jednotka generuje signál, kter´ y um´ıst´ı obsah 16bitového, programového ˇc´ıtaˇce

24


(PC – Program Counter) na adresn´ı sbˇernici. (Programov´ y ˇc´ıtaˇc obsahuje adresu vykon´ avané instrukce, viz vˇetven´ı programu), – ˇr´ıdic´ı jednotka generuje signál R/W =1 pro ˇcten´ı z pamˇeti; ˇctená instrukce se tak zap´ıˇse z pˇr´ısluˇsné pozice programové pamˇeti na datovou sbˇernici, – ˇr´ıdic´ı jednotka generuje signál pro naˇcten´ı obsahu datové sbˇernice do instrukˇcn´ıho registru (IR – Instruction Register). (2) Inkrementace obsahu PC: – obsah programového ˇc´ıtaˇce je zvˇetˇsen o jedniˇcku, takˇze obsahuje adresu následuj´ıc´ı instrukce, pˇr´ıp. adresy operandu v programové pamˇeti. (3) Dekódov´ an´ı operaˇcn´ıho k´ odu instrukce: – obsah instrukˇcn´ıho registru je pˇresunut do instrukˇcn´ıho dekodéru ˇr´ıdic´ı jednotky, kde je identifikov´ ana instrukce, – pokud instrukce vyˇzaduje operandy, jsou naˇcteny (krok 1) do datového registru. (4) Vykon´ an´ı instrukce: – ˇr´ıdic´ı jednotka generuje signály nutné pro vykonán´ı pˇr´ısluˇsné instrukce.


3

25

Programov´ an´ı mikrokontrol´ er˚ u

3.1

Typy adresov´ an´ı

Proces adresov´ an´ı zpˇr´ıstupˇ nuje data z programové a datové pamˇeti, pˇr´ıp. ze I/O jednotky. Mluv´ıme o pˇr´ımém adresov´ an´ı, kdyˇz adresa operandu je souˇcást´ı instrukce. Pˇr´ımo lze adresovat pracovn´ı registry, kontroln´ı registry, datovou i programovou pamˇet’. Druh´ ym zp˚ usobem adresován´ı je nepˇr´ımé adresov´ an´ı, kdy adresa operandu nen´ı souˇcást´ı instrukce – adresa je uloˇzena v nˇekterém z ukazatel˚ u. Vyuˇz´ıv´ a se k opakovanému pˇr´ıstupu k jedné nebo k posloupnosti nˇekolika pamˇet’ov´ ych bunˇek. Mikroprocesorové systémy umoˇzn ˇuj´ı celou ˇradu zp˚ usob˚ u adresován´ı operand˚ u. Základn´ı zp˚ usoby jsou: • registrové adresov´ an´ı: zdrojem informace (operand) je registr(y). Napˇr.: MOV Rd, Rr, • pˇr´ımé adresov´ an´ı: operandy jsou pˇr´ımo urˇceny konkrétn´ı adresou. Napˇr.: CALL k, • nepˇr´ımé adresov´ an´ı: adresa operandu je uloˇzena v tzv. ukazateli, napˇr. registrov´ y pár X, Y nebo Z (X – R26:R27; Y – R28:R29; Z – R30:R31). Napˇr.: IJMP, nebo ST X, Rr, • bezprostˇredn´ı adresov´ an´ı: hodnota operandu je pˇr´ımo obsaˇzena v instrukci. Napˇr.: LDI Rd, K.

3.2

Vˇ etven´ı programu

Programov´ yˇ c´ıtaˇ c Podle Von Neumannovy koncepce procesoru jsou instrukce vykonávány sekvenˇcnˇe, tj. tak jak jsou uloˇzeny v programové pamˇeti. Adresu instrukce, která se právˇe vykonává specifikuje programov´ y ˇc´ıtaˇc (PC – Program Counter), jehoˇz hodnota je pˇri startu aplikace vynulována a ukazuje tak na prvn´ı pozici v programové pamˇeti. Dále je hodnota tohoto ukazatele zpravidla pouze inkrementov´ ana. Existuj´ı vˇsak ˇctyˇri zp˚ usoby jak mˇenit hodnotu PC skokovˇe: (a) podm´ınˇen´ y skok, (b) nepodm´ınˇen´ y skok, (c) vol´ an´ı podprogramu, nebo (d) obsluha pˇreruˇsen´ı. Programov´ y ˇc´ıtaˇc je u ATmega16 tvoˇren 13bitovou hodnotou, reprezentovanou registrov´ ym párem PCH a PCL (Program Counter High a Low, viz obrázek 3.1), ke kterému nelze pˇr´ımo pˇristupovat a mˇenit jeho hodnotu. Poˇcet bit˚ u (adresovateln´ y prostor) samozˇrejmˇe koresponduje s velikost´ı programové pamˇeti – pro ATmega16 lze adresovat celkem 213 = 8 k = 8 192 slov (instrukc´ı). Podm´ınˇ en´ y skok Podm´ınˇen´ y skok je reakc´ı na podm´ınku, jej´ıˇz v´ ysledek m˚ uˇze b´ yt bud’ pravdiv´ y (TRUE) nebo nepravdiv´ y (FALSE), podle které dojde nebo nedojde ke skokové zmˇenˇe programového ˇc´ıtaˇce. Jazyk symbolick´ ych adres zpravidla umoˇzn ˇuje vyuˇzit´ı jen jednoduch´ ych podm´ınek; sloˇzitˇejˇs´ı konstrukce je nutné naprogramovat postupn´ ym vnoˇren´ım. JSA mikrokontroléru AVR obsahuje dvˇe kategorie instrukc´ı pro podm´ınˇen´ y skok. Prvn´ı zahrnuje instrukce, které vyhodnot´ı argument podm´ınky a v pˇr´ıpadˇe jej´ıho splnˇen´ı pˇreskoˇc´ı jedinou následuj´ıc´ı instrukci! V manu´ alu instrukˇcn´ı sady lze tyto instrukce identifikovat anglick´ ym oznaˇcen´ım skip if . . . Viz zdrojov´ y k´ od A.3 na stranˇe 82. Nˇekteré pˇr´ıklady tohoto druhu instrukc´ı jsou: • CPSE Rd, Rr – pˇreskoˇc, je-li Rd=Rr (ComPare, Skip if Equal), • SBIC P, b – pˇreskoˇc, je-li bit ”b” v kontroln´ım registru ”P” nulov´ y (Skip if Bit Is Cleared),


13

12

11

10

9

8

−

−

−

PC12 PC11 PC10 PC9

PC8

PCH

PC7

PC6

PC5

PC4

PC3

PC2

PC1

PC0

PCL

7

6

5

4

3

2

1

0





R0


(a)

R1


14

program. pamˇet’


15


26

R31

ALU

stavov´ y registr

(b)

Obr´ azek 3.1: (a) Struktura a (b) pozice programového ˇc´ıtaˇce AVR. • SBIS P, b – pˇreskoˇc, je-li bit ”b” v kontroln´ım registru ”P” nastaven (Skip if Bit Is Set). Druhou kategori´ı instrukc´ı podm´ınˇeného skoku je skok na libovolné návˇeˇst´ı; anglicky oznaˇcované jako branch if . . . Houfnˇe se k tomu vyuˇz´ıvaj´ı pˇr´ıznakové bity ze stavového registru. K testován´ı hodnoty kaˇzdého pˇr´ıznaku existuje v instrukˇcn´ı sadˇe dvojice instrukc´ı. Vybrané pˇr´ıklady: • BREQ k – skoˇc na n´ avˇeˇst´ı ”k”, je-li nulov´ y pˇr´ıznak Z=1 (BRench if EQual); jak napov´ıd´ a anglick´ y n´ azev instrukce, k vˇetven´ı dojde také v pˇr´ıpadˇe, ˇze plat´ı rovnost registr˚ u Rd a Rr u instrukce CP, CPI, SUB nebo SUBI. Podm´ınkou je bezprostˇredn´ı posloupnost nˇekteré z uveden´ ych instrukc´ı a BREQ. • BRNE k – skoˇc na ”k”, je-li Z=0 (BRench if Not Equal); vhodné pro konstrukci cykl˚ u, kdy testujeme, zda sumaˇcn´ı index jiˇz doˇc´ıtal do nuly, • BRVS k – skoˇc na ”k”, je-li V=1 (BRench if V is Set), V oznaˇcuje pˇr´ıznakov´ y bit overflow, tj. pˇreteˇcen´ı, • BRVC k – skoˇc na ”k”, je-li V=0 (BRench if V is Cleared), • BRIE k – skoˇc na ”k”, je-li I=1 (BRench if I is Enable), I–interrupt, • BRID k – skoˇc na ”k”, je-li I=0 (BRench if I is Disable). Doba trv´ an´ı tˇechto instrukc´ı je z´ avislá zda je, ˇci nen´ı podm´ınka vˇetven´ı splnˇena. V pˇr´ıpadˇe, ˇze podm´ınka pro skok nen´ı pravdiv´ a, doba v´ ykonu instrukc´ı je jeden strojov´ y cyklus (jedna perioda hodinového sign´ alu). V opaˇcném pˇr´ıpadˇe trvá v´ ykon instrukce delˇs´ı doby – typicky dva cykly.


27

Nepodm´ınˇ en´ y skok Instrukce pro nepodm´ınˇen´ y skok maj´ı za u ´kol pˇr´ımou zmˇenu hodnoty v programovém ˇc´ıtaˇci a t´ım zajistit skok v programu. Nen´ı tedy uvaˇzována ˇzádná podm´ınka. Existuj´ı tˇri typy instrukc´ı pro nepodm´ınˇen´ y skok u instrukˇcn´ı sadu AVR: (a) relativn´ı skok, (b) nepˇr´ımo adresovan´ y skok a (c) skok s pˇr´ım´ ym adresov´ an´ım. Instrukce pro nepˇr´ım´ y skok (Indirect Jump) IJMP neobsahuje ˇzádn´ y operand. Adresa pro skok je automaticky brána z registrového páru ”Z”. Pracovn´ı registry R30 a R31 se tak st´ avaj´ı zdrojem adresy. Rozd´ıl mezi relativn´ım skokem a pˇr´ım´ ym skokem je ve zp˚ usobu pouˇzit´ı adresy skoku. Prvn´ı zp˚ usob (Relative Jump) ch´ ape adresu jako offset k aktuáln´ı hodnotˇe programového ˇc´ıtaˇce. Jej´ı rozsah je tedy omezen (−2K ≤ k ≥ 2K – 16bitová adresa) a pro velké rozsahy programové pamˇeti nelze instrukci RJMP k pouˇz´ıt. Pˇr´ım´ y skok (Direct Jump), vyuˇz´ıvaj´ıc´ı instrukci JMP k nemá ˇzádn´ a omezen´ı a umoˇzn ˇuje adresovat pozici v rozsahu 0 ≤ k ≥ 4 M (22bitová adresa). Druh´ y rozd´ıl pˇrirozenˇe plyne z bitové ˇs´ıˇrky adresy: instrukce RJMP k je 16bitová, zat´ımco instrukce JMP k zab´ır´ a dvoujn´ asobnou oblast v programové pamˇeti – je tedy 32bitová. Takto ˇsirok´ ych instrukc´ı je v instrukˇcn´ı sadˇe AVR jen nˇekolik. Doba v´ ykonu relativn´ıho skoku je kratˇs´ı (2 cykly) neˇz u pˇr´ımého adresov´ an´ı 22bitovou adresou (3 cykly). U relativn´ıho skoku je moˇzné, m´ısto návˇeˇst´ı, vyuˇz´ıt také aktu´ aln´ı hodnoty programového ˇc´ıtaˇce. Ukázka 3.1 pˇredstavuje dvˇe moˇznosti, jak naprogramovat cyklus. Prvn´ı z nich vyuˇz´ıvá návˇeˇst´ı jako identifikátor adresy, druh´ y pak pˇr´ımo specifikuje o kolik pozic se má sn´ıˇzit ukazatel PC. Zdrojov´ y k´ od 3.1: Relativn´ı adresován´ı nepodm´ınˇeného skoku. 1 2 3 4 5

... delay : NOP DEC temp BRNE loop

; ; ; ;

p r v n´ı zp˚ u sob c y k l u ˇz a ´ dn´ a o p e r a c e ; s p o tˇr e b o v a ´ n´ı j ed no h o t a k t u p r o c e s o r u temp−− j e − l i temp != 0 s k oˇc na d e l a y

; ; ; ;

druh´ y zp˚ u sob c y k l u ˇz a ´ dn´ a o p e r a c e ; s p o tˇr e b o v a ´ n´ı j ed no h o t a k t u p r o c e s o r u temp−− j e − l i temp != 0 s n i ˇz PC o dva , t j . v r a t’ s e na i n s t r u k c i NOP

6 7 8 9 10

... NOP DEC temp BRNE PC−2

Vol´ an´ı podprogramu, z´ asobn´ık Podprogram (anglicky: Subroutine) je obecnˇe ˇcást kódu, která se ˇcasto opakuje. Do strojového jazyka se pˇreloˇz´ı jen jednou a spouˇst´ı se zapsán´ım adresy prvn´ı instrukce do programového ˇc´ıtaˇce, tj. ”sk´ aˇce” se na nˇej. Po vykonán´ı se program automaticky vrac´ı na m´ısto, odkud byl podprogram vol´ an. V JSA mikrokontrolér˚ u AVR existuj´ı tˇri instrukce pro volán´ı podprogramu, jejichˇz rozd´ıl je obdobn´ y jako u nepodm´ınˇen´ ych skok˚ u (viz v´ yˇse): RCALL k (Relative Subroutine Call), ICALL (Indirect Call), CALL k (Direct Subroutine Call). Ukázka zdrojového k´ odu obsahuj´ıc´ı vnoˇrené (postupné) volán´ı dvou podprogram˚ u je znázornˇena na v´ ypise 3.2. Jedn´ a se o ˇcást funkce pro komunikaci se znakov´ ym LCD displejem. Hodnoty PC naznaˇcuj´ı bˇeh programu. V prvn´ım sloupci jsou uvedeny ukázkové adresy, na kter´ ych jsou jednotlivé instrukce uloˇzeny. Návrat z podprogramu a plynulé pokraˇcován´ı v´ ykonu kódu je zajiˇstˇen pomoc´ı uloˇzené tzv. návratové adresy (anglicky: Return Address). Návratová adresa je adresa instrukce následuj´ıc´ı po instrukci volaj´ıc´ı podprogram a mus´ı b´ yt uloˇzena jeˇstˇe pˇred skokem do podprogramu do ’ vyˇclenˇeného pamˇet ového prostoru datové pamˇeti. Ten se naz´ yvá zásobn´ık (anglicky: Stack). Ukládán´ı automaticky zajiˇst’uje ˇr´ıdic´ı jednotka, proto se o tuto reˇzii nemus´ı programátor starat. Návratová adresa m˚ uˇze b´ yt PC+1, nebo PC+2, v závislosti na pouˇzité instrukci skoku RCALL

28


Zdrojov´ y k´ od 3.2: Rekurzivn´ı vol´ an´ı dvou podprogram˚ u. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

... lcd_command : 0 x1D MOV 0 x1E SWAP 0 x1F ANDI 0 x20 OUT 0 x21 RCALL 0 x22 ANDI 0 x23 OUT ... lcd_enable 0 x48 SBI 0 x49 RCALL 0 x4A CBI 0 x4B RET ... delay5us : 0 x61 LDI 0 x62 DEC 0 x63 BRNE 0 x64 RET

; PC = . . . 1D, 1E , 1F , 2 0 , 21 SKOK 4 8 , 49 SKOK ; = 6 1 , 6 2 , 63 ( c y k l u s 3x ) 6 2 , 6 3 , 6 2 , 6 3 , ´ ´ ; = 64 NAVRAT 4A, 4B NAVRAT 22 , 23 , . . .

temp2 , temp1 temp1 temp1 , 0 x0F PORTD , temp1 lcd_enable temp2 , 0 x0F PORTD , temp2

; SKOK, n a ´vratova ´ a d r e s a : 0 x0022

PORTD , 5 delay5us PORTD , 5

; SKOK, n a ´vratova ´ a d r e s a : 0x004A ´ ; NAVRAT

temp1 , 0 x03 temp1 PC−1 ´ ; NAVRAT

nebo CALL. N´ avrat z podprogramu (tj. vyzvednut´ı návratové adresy ze zásobn´ıku a jej´ı zapsán´ı ’ do PC) zajiˇst uje instrukce RET (subroutine RETurn). Zásobn´ık je ˇc´ ast pamˇeti SRAM (m˚ uˇze téˇz slouˇzit k zálohován´ı obsahu pracovn´ıch registr˚ u) a ˇs´ıˇrka kaˇzdého pamˇet’ového slova je tak 8 bit˚ u. Mikrokontroléry, které nemaj´ı intern´ı pamˇet’ RAM, obsahuj´ı hardwarov´ y z´ asobn´ık s omezenou velikost´ı (napˇr. tˇri pozice u ATtiny11). Zapisovat/ˇc´ıst lze do/ze z´ asobn´ıku pouze do/z jediné pozice. Tu udává tzv. ukazatel na zásobn´ık (SP – Stack Pointer), kter´ y vˇzdy obsahuje adresu vrcholu zásobn´ıku. Ukazatel ATmega16 je 16bitov´ a hodnota uloˇzen´ a v registrovém p´ aru SPH:SPL (viz obrázek 3.2) a rovnˇeˇz patˇr´ı mezi kontroln´ı registry. Aby bylo moˇzné korektnˇe se z´ asobn´ıkem pracovat (tzn. aby bylo moˇzné pouˇz´ıvat podprogramy), mus´ı b´ yt hodnota ukazatele na zásobn´ık inicializována. Této operaci se ˇr´ıká definice zásobn´ıku a prov´ ad´ı se jedenkr´ at a to hned na zaˇcátku hlavn´ıho programu. Ukazatel se pˇri definován´ı napln´ı adresou posledn´ı pamˇet’ové buˇ nky pamˇet’ového segmentu urˇceného pro zásobn´ık (zásobn´ık se z d˚ uvodu eliminace nechtˇeného pˇrepsán´ı dat um´ıst’uje na konec pamˇeti RAM). Ukázka definice z´ asobn´ıku je zobrazena pomoc´ı následuj´ıc´ıho zdrojového kódu. (Konstanta RAMEND obsahuje adresu posledn´ı buˇ nky pamˇeti SRAM a je definována v souboru *.inc.) Zdrojov´ y k´ od 3.3: Definice z´ asobn´ıku. 1 2 3 4 5

stack_definition : LDI R16 , LOW ( RAMEND ) OUT SPL , R16 LDI R16 , HIGH ( RAMEND ) OUT SPH , R16

; ; ; ; ;

d e f i n i c e za ´ s o b n´ık u na konec pamˇe ti SRAM do R16 u l oˇz n i ˇz ˇs´ı byte p o s l e d n´ı a d r e s y v SRAM SPL ( n i ˇz ˇs´ı byte Stack P o i n t e r u ) = R16 R16 = v yˇs ˇs´ı byte p o s l e d n´ı a d r e s y v SRAM SPH ( v yˇs ˇs´ı byte Stack P o i n t e r u ) = R16

Zásobn´ık funguje jako LIFO systém (Last In First Out – posledn´ı zapsán, prvn´ı ˇcten) a vzhledem k ˇs´ıˇrce n´ avratové adresy a slov v datové pamˇeti (zásobn´ıku) je proces ukládán´ı adresy rozdˇelen do 4 f´ az´ı: (1) uloˇzen´ı niˇzˇs´ıho bytu adresy na pozici adresovanou SP,


12

11

10

9

8

SP15 SP14 SP13 SP12 SP11 SP10 SP9

SP8

SPH

SP7

SP6

SP5

SP4

SP3

SP2

SP1

SP0

SPL

7

6

5

4

3

2

1

0




R0


(a)

R1


13



14

program. pamˇet’


15

29

R31

ALU

stavov´ y registr

(b)

Obr´ azek 3.2: (a) Struktura a (b) pozice ukazatele na zásobn´ık AVR.

(2) SP = SP − 1 (SP tak obsahuje adresu volného bytu, kam je moˇzné dále zapisovat), (3) uloˇzen´ı vyˇsˇs´ıho bytu adresy na pozici adresovanou SP, (4) SP = SP − 1 (po ukonˇcen´ı procesu tedy SP vˇzdy obsahuje adresu prvn´ıho volného bytu v zásobn´ıku). Je patrné, proˇc se z´ asobn´ık definuje aˇz na samotn´ y konec datové pamˇeti – pˇri ukládán´ı se totiˇz hodnota SP sniˇzuje, tj. z´ asobn´ık se pln´ı smˇerem k niˇzˇs´ım adresám, resp. ke kontroln´ım a pracovn´ım registr˚ um (viz obr´ azek 2.3). V pˇr´ıpadˇe zacyklen´ı programu a rekurzivn´ıho volán´ı st´ ale nov´ ych podprogram˚ u tak m˚ uˇze z´ asobn´ık zasáhnout i do oblast´ı tˇechto ˇr´ıdic´ıch, pˇr´ıp. pracovn´ıch registr˚ u. V této oblasti vˇsak nem´ a zásobn´ık právo zápisu (ovˇsem ani ˇcten´ı), coˇz v d˚ usledku zp˚ usob´ı ztr´ atu jeho funkce. Dojde-li ke ˇcten´ı návratové adresy v situaci, kdy SP je v rozsahu 0 aˇz 0x60 (tj. v oblasti pracovn´ıch a kontroln´ıch registr˚ u), chod programu je pˇreruˇsen resetem. Proces ˇcten´ı n´ avratové adresy ze zásobn´ıku je obdobn´ y: (1) SP = SP + 1 (ukazatel tak obsahuje adresu posledn´ıho bytu uloˇzeného v zásobn´ıku), (2) adresovan´ y vyˇsˇs´ı byte n´ avratové adresy je pˇresunut do PC (nutnost maskován´ı 3 nejv´ yznamnˇejˇs´ıch bit˚ u, protoˇze PC je u ATmega16 pouze 13bitov´ y), (3) SP = SP + 1 (ukazatel adresuje pˇredposledn´ı uloˇzené slovo), (4) adresovan´ y niˇzˇs´ı byte n´ avratové adresy je pˇresunut do PC. Po vykon´ an´ı ˇcten´ı adresy, uloˇzené adresy ve stacku z˚ ustávaj´ı, ale pˇri následném volán´ı podprogramu se pˇrep´ıˇs´ı nov´ ymi daty. Kromˇe z´ alohy n´ avratové adresy pˇri volán´ı podprogramu, nebo pˇreruˇsen´ı, lze zásobn´ık vyuˇz´ıt také jako doˇcasné odkladiˇstˇe obsahu pracovn´ıch registr˚ u. Toho se nejˇcastˇeji vyuˇz´ıvá na zaˇc´ atku podprogramu, kdy si potˇrebné registry zazálohujeme a pˇred koncem podprogramu hodnoty znovu ze zásobn´ıku naˇcteme. Z pochopiteln´ ych d˚ uvod˚ u jsou fáze ukládán´ı hodnot libovolného registru (pomoc´ı instrukce PUSH Rr) pouze dvˇe:

30


(1) uloˇzen´ı obsahu registru Rr na adresu definovanou SP, (2) SP = SP − 1. Obdobnˇe i f´ aze naˇcten´ı 8bitové hodnoty ze zásobn´ıku do destinaˇcn´ıho registru pomoc´ı instrukce POP Rd: (1) SP = SP + 1, (2) naˇcten´ı slova z adresy SP do registru Rd.

3.3

Obsluha pˇ reruˇ sen´ı

Bˇeh programu (hodnota PC) je také ovlivniteln´ y pomoc´ı tzv. pˇreruˇsen´ı (anglicky: Interrupt). V pˇr´ıpadˇe, ˇze mikroprocesor obdrˇz´ı ˇza´dost o obsluhu povoleného pˇreruˇsen´ı, mus´ı pˇreruˇsit vykonávanou ˇcinnost (hlavn´ı program) a spustit obsluˇzn´ y program, kter´ y je urˇcen v´ yhradnˇe pro dan´ y zdroj pˇreruˇsen´ı. Kaˇzd´ y mikrokontrolér obsahuje sadu moˇzn´ ych pˇreruˇsen´ı intern´ıch i extern´ıch; pˇriˇcemˇz zdroje pˇreruˇsen´ı z´ avis´ı na hardwarovém vybaven´ı konkrétn´ıho MCU. Obsluha kaˇzdého pˇreruˇsen´ı je ovl´ ad´ ana tzv. vektorem pˇreruˇsen´ı v programové pamˇeti; jedná se o adresu, od které se zaˇcne vykon´ avat konkrétn´ı obsluha. Kaˇzdé pˇreruˇsen´ı má sv˚ uj povolovac´ı bit; nav´ıc existuje jeden glob´ aln´ı povolovac´ı bit (u AVR je to bit I ve stavovém registru). Jednotlivá pˇreruˇsen´ı maj´ı r˚ uznou prioritu; niˇzˇs´ı hodnota vektoru pˇreruˇsen´ı adresa znamená vyˇsˇs´ı priorita a naopak. Seznam moˇzn´ ych zdroj˚ u pˇreruˇsen´ı mikrokontroléru ATmega16 je zobrazen v tabulce 3.1 a pro mikrokontrolér ATtiny11 v tabulce 3.2. U ATmega16 je mezi jednotliv´ ymi vektory pˇreruˇsen´ı voln´ ych 32 bit˚ u (tj. dvˇe pamˇet’ové pozice); u ATtiny11 jen 16 bit˚ u. Do oblasti vektor˚ u pˇreruˇsen´ı se tak vkládá pouze nepodm´ınˇen´ y skok na samotnou obsluhu, kter´ a je uloˇzena kdekoliv v programové pamˇeti. (ATtiny11 má menˇs´ı pamˇet’ov´ y rozsah, proto zde nen´ı potˇreba instrukce JMP – instrukˇcn´ı sada obsahuje v´ yhradnˇe 16bitovou instrukci RJMP.) Pozn.: ATtiny11 neobsahuje datovou pamˇet’ SRAM, proto nen´ı moˇzné definovat softwarov´ y zásobn´ık pro uloˇzen´ı n´ avratov´ ych adres. Obsahuje ale hardwarov´ y zásobn´ık, schopn´ y uchovat maximálnˇe 3 adresy. Jednotlivé f´ aze obsluhy libovolného pˇreruˇsen´ı jsou následuj´ıc´ı: (1) dokonˇc´ı se v´ ykon pr´ avˇe vykon´ avané instrukce, (2) zakáˇze se obsluha pˇr´ıpadn´ ych n´ asleduj´ıc´ıch pˇreruˇsen´ı, ´ ÍCÍ instrukce v programové pamˇeti (proto mus´ı (3) do zásobn´ıku se uloˇz´ı adresa NASLEDUJ b´ yt definov´ an z´ asobn´ık), (4) podle zdroje pˇreruˇsen´ı se do PC naˇcte vektor pˇreruˇsen´ı (napˇr.: PC=0x0002 pro INT0 u ATmega16, viz tabulka 3.1), (5) vykoná se obsluha pˇreruˇsen´ı, tj. konkrétn´ı posloupnost instrukc´ı, (6) obsluha pˇreruˇsen´ı se ukonˇc´ı instrukc´ı RETI (RETurn Interrupt); analogie s ukonˇcen´ım podprogramu, (7) povol´ı se obsluha dalˇs´ıch pˇreruˇsen´ı, (8) do PC se naˇcte uloˇzen´ a n´ avratov´ a adresa ze zásobn´ıku, (9) pokraˇcuje se ve v´ ykonu hlavn´ıho programu od m´ısta, kde byl pˇreruˇsen.


31

Tabulka 3.1: Pˇrehled vektor˚ u pˇreruˇsen´ı pro mikrokontrolér ATmega16. ˇ C.

Adresa

Zdroj pˇ reruˇ sen´ı

Popis pˇ reruˇ sen´ı

1

0x0000

RESET

Extern´ı reset, pˇripojen´ı napájen´ı, . . .

2

0x0002

INT0

Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 0.

3

0x0004

INT1

4

0x0006

TIMER2 COMP

Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 1. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 2 – shoda komparace.

5

0x0008

TIMER2 OVF

6

0x000A

TIMER1 CAPT

7

0x000C

TIMER1 COMPA

8

0x000E

TIMER1 COMPB

9

0x0010

TIMER1 OVF

ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 2 – pˇreteˇcen´ı. ˇ Casovaˇc/ˇc´ıtaˇc 1 – zachycen´ı. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 1 – shoda s komparátorem A. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 1 – shoda s komparátorem B. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 1 – pˇreteˇcen´ı.

10

0x0012

TIMER0 OVF

ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 0 – pˇreteˇcen´ı.

11

0x0014

SPI, STC

Dokonˇcen´ı sériového pˇrenosu SPI.

12

0x0016

USART, RXC

USART – kompletn´ı pˇr´ıjem dat.

13

0x0018

USART, UDRE

USART – prázdn´ y datov´ y registr.

14

0x001A

USART, TXC

USART – kompletn´ı vyslán´ı dat.

15

0x001C

ADC

ADC – dokonˇcen´ı A/D pˇrevodu.

16

0x001E

EE RDY

EEPROM – komunikace pˇripravena.

17

0x0020

ANA COMP

Zmˇena v´ ystupu analogového komparátoru.

18

0x0022

TWI

Událost na sériové sbˇernici I2C.

19

0x0024

INT2

20

0x0026

TIMER0 COMP


21

0x0028

SPM RDY

Uloˇzen´ı do programové pamˇeti pˇripraveno.

Tabulka 3.2: Vektory pˇreruˇsen´ı mikrokontroléru ATmega11. ˇ C.

Adresa

1

0x000

RESET

Extern´ı reset, pˇripojen´ı napájen´ı.

2

0x001

INT0


3

0x002

I/O piny

4

0x003

TIMER0 OVF

Zmˇena stavu I/O pinu. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 0 – pˇreteˇcen´ı

5

0x004

ANA COMP


Zdroj pˇ reruˇ sen´ı Popis pˇ reruˇ sen´ı

Obecnˇe plat´ı pro vˇsechny zdroje pˇreruˇsen´ı, ˇze jejich poˇzadavek se obslouˇz´ı, pakliˇze jsou splnˇeny dvˇe podm´ınky: konkrétn´ı zdroj pˇreruˇsen´ı je povolen a souˇcasnˇe jsou globálnˇe povolena vˇsechna pˇreruˇsen´ı. Kaˇzd´ y zdroj pˇreruˇsen´ı se nastavuje prostˇrednictv´ım sv´ ych kontroln´ıch registr˚ u; glob´ aln´ı povolen´ı pˇreruˇsen´ı je (u AVR) zajiˇstˇeno pˇr´ıznakov´ ym bitem I ve stavovém registru SREG. K nastaven´ı tohoto bitu slouˇz´ı instrukce SEI; k nulován´ı – a souˇcasnˇe k zakáz´ an´ı vˇsech pˇreruˇsen´ı – slouˇz´ı instrukce CLI. Jako pˇr´ıklad nastaven´ı pˇreruˇsen´ı je v následuj´ıc´ım textu popsán extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı.

32

3.3.1


Extern´ı poˇ zadavek na pˇ reruˇ sen´ı

Zdrojem extern´ıho poˇzadavku na pˇreruˇsen´ı (anglicky: External Interrupt) je zmˇena hodnoty vstupn´ıho sign´ alu nˇekterého z vyˇclenˇen´ ych pin˚ u mikrokontroléru. Pro ATmega16 jsou tyto zdroje 3 – oznaˇcované jako INT 0, INT 1 a INT 2. Zdroje pˇreruˇsen´ı (napˇr. signál z tlaˇc´ıtka) mus´ı b´ yt pˇrivedeny na konkrétn´ı piny: PD2, PD3 (port D) a PB2 (port B) jak naznaˇcuje obrázek 3.3.

Obr´ azek 3.3: Zdroje extern´ıho pˇreruˇsen´ı u mikrokontroléru ATmega16: INT 0, INT 1 a INT 2. Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı lze generovat pˇri (a) n´ızké u ´rovn´ı signálu, (b) libovolné zmˇenˇe hodnoty sign´ alu, tj. jak pˇrechod I → O, tak i O → I, dále pˇri (c) sestupné ˇci (d) vzestupné hranˇe vstupn´ıho sign´ alu. Volbu lze nastavit v kontroln´ım registru MCUCR (MCU Control Register) pomoc´ı dvojic bit˚ u ISC01:0 (pro INT 0), ˇci ISC11:0 (pro pˇreruˇsen´ı INT 1). Povolit extern´ı pˇreruˇsen´ı umoˇzn ˇuj´ı program´ ator˚ um bity INT2, INT1 a INT0 v registru GICR (General Interrupt Control Register). Samotn´ y poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı je pro CPU signalizován pˇr´ıznakov´ ym bitem v registru GIFR (General Interrupt Flag Register); viz obrázek 3.4. Nastaven´ı tˇechto pˇr´ıznakov´ ych bit˚ u je provádˇeno automaticky a pˇredstavuje samotn´ y poˇzadavek periférie na pˇreruˇsen´ı chodu mikrokontroléru. Detailn´ı popis vˇsech zdroj˚ u pˇreruˇsen´ı vˇcetnˇe pˇr´ısluˇsn´ ych kontroln´ıch registr˚ u je vˇzdy pops´ ano v katalogovém listˇe mikrokontroléru (napˇr. [Atm16]). Ukázka aplikace s pˇreruˇsen´ım v JSA je uvedena v pˇr´ıloze A.5 na stranˇe 82.


7

6

5

4

3

2

1

0

INT1

INT0

INT2

−

−

−

IVSEL

IVCE

33

GICR

(a) 7

6

5

4

3

2

1

0

SM2

SE

SM1

SM0

ISC11

ISC10

ISC01

ISC00

MCUCR

(b) 7

6

5

INTF1 INTF0 INTF2

4

3

2

1

0

−

−

−

−

−

GIFR

(c)

Obr´ azek 3.4: Struktura kontroln´ıch registr˚ u pro extern´ı pˇreruˇsen´ı: (a) GICR, (b) MCUCR a (c) GIFR.

34


4

Vnitˇ rn´ı struktura z´ akladn´ıch perif´ eri´ı

V této kapitole jsou pˇredstaveny nˇekteré ze základn´ıch intern´ıch periféri´ı, bˇeˇznˇe se vyskytuj´ıc´ı v MCU. Pˇredevˇs´ım se jedn´ a o vstupnˇe/v´ ystupn´ı (paraleln´ı) porty mikrokontrolér˚ u a ˇcasovaˇc/ˇc´ıtaˇc.

4.1

Vstupnˇ e/v´ ystupn´ı port

Vstupnˇe/v´ ystupn´ı (I/O) port obsahuje piny, které zajiˇst’uj´ı komunikaci s extern´ımi obvody a zaˇr´ızen´ımi a pˇredstavuj´ı nejvˇsestrannˇejˇs´ı zaˇr´ızen´ı vˇsech mikrokontrolér˚ u. Porty obsahuj´ı jednotlivé I/O piny, pˇriˇcemˇz nejˇcastˇeji port obsahuje právˇe osm pin˚ u. Celkov´ y poˇcet pin˚ u v pouzdˇre MCU je odliˇsn´ y a specifikuje pouˇzit´ı daného obvodu. Napˇr. mikrokontrolér s oznaˇcen´ım RS08KA firmy Freescale obsahuje pouze 4 I/O piny, ATtiny12 (Atmel) jich má k dispozici 6, ATmega16 disponuje 32 I/O piny a ATmega103 jich má dokonce 48. U mikrokontrolér˚ u AVR jsou ke kaˇzdému obousmˇernému I/O portu asociovány tˇri kontroln´ı registry, prostˇrednictv´ım kter´ ych jsou jednotlivé porty ˇci piny softwarovˇe ovládány: DDRn (Data Direction Registr) urˇcuje smˇer toku dat, zápisem hodnoty 0 na pˇr´ısluˇsnou pozici tohoto registru konfigurujeme I/O pin jako vstupn´ı, zápisem hodnoty 1 jako v´ ystupn´ı. PORTn je datov´ ym registrem portu a odpov´ıdá hodnotˇe zapsané do vyrovnávac´ıho registru portu, tedy hodnotˇe kterou zapisujeme na pˇr´ısluˇsn´ y pin (v´ yvod) brány. PINn (Pins Input) je urˇcen pro ˇcten´ı a odpov´ıdá hodnotˇe pˇreˇctené (synchronizované) z pˇr´ısluˇsného pinu (log. u ´roveˇ n signálu pˇrivedená z vnˇejˇs´ıch obvod˚ u na tento pin). Smˇerov´ y registr DDRxn (x=A,B,C,D; n=0,1,. . .,7) obsahuje hodnotu ”0” na tˇech pozic´ıch portu, které pln´ı funkci vstupn´ıch pin˚ u. Na druhou stranu, bity které jsou rovny ”1” identifikuj´ı v´ ystupn´ı piny daného portu. Funkci pin˚ u lze tedy nastavovat jednotlivˇe bez ohledu na ostatn´ı piny. Struktura smˇerového registru pro port C je zobrazena na obrázku 4.1. 7

6

5

4

3

2

1

0

DDC7

DDC6

DDC5

DDC4

DDC3

DDC2

DDC1

DDC0

DDRC

Obr´ azek 4.1: Struktura smˇerového registru DDRC (Port C Data Direction Register). Hodnota bitu ve v´ ystupn´ım registru PORTxn – v pˇr´ıpadˇe definovaného v´ ystupn´ıho pinu – udává pˇr´ımo logickou u ´roveˇ n na pinu. Hodnota 1 nastav´ı v´ ystupn´ı pin na vysokou u ´roveˇ n, a obrácenˇe. V pˇr´ıpadˇe, ˇze pin je definován jako vstupn´ı, aktivuje/deaktivuje hodnota bitu v registru PORTxn intern´ı pull-up rezistor, jak naznaˇcuje tabulka 4.1. Tabulka 4.1: Nastaven´ı funkce I/O pinu mikrokontroléru. DDRxn

PORTxn

I/O

Popis funkce

0

0

Vstupn´ı

Vysoká impedance.

0

1

Vstupn´ı

Aktivace pull-up rezistoru.

1

0

V´ ystupn´ı N´ızká u ´roveˇ n.

1

1

V´ ystupn´ı Vysoká u ´roveˇ n.

Vstupn´ı I/O registr PINxn obsahuje hodnoty 0 nebo 1, které koresponduj´ı s u ´rovn´ı signálu na vstupu. Rovnˇeˇz se do tohoto registru kop´ıruj´ı data zapsaná do v´ ystupn´ıho registru PORTxn, coˇz vypl´ yvá také z funkˇcn´ıho zapojen´ı jednoho I/O pinu mikrokontroléru AVR – viz obrázek 4.2.


35

Pouˇzité ˇr´ıdic´ı sign´ aly: DDA0

D Q

WriteDA − z´ apis do registru DDRA

WriteDA

ReadDA − ˇcten´ı obsahu registru DDRA WriteRA − z´ apis do registru PORTA

ReadDA

ReadRA − ˇcten´ı obsahu registru PORTA ReadPA − ˇcten´ı obsahu registru PINA PA0 PORTA0

D Q

WriteRA

ˇr´ıdic´ı sbˇernice

datov´ a sbˇernice

ReadRA

ReadPA Q D

PINA0 clkI/O

Obr´ azek 4.2: Funkˇcn´ı schéma I/O pinu ˇc. 0 na portu A mikrokontroléru AVR (nen´ı zakreslen pull-up, pˇrepˇet’ov´ a ochrana, alternativn´ı funkce, ani synchronizace vstupu).

Kaˇzd´ y pin obsahuje pˇrepˇet’ovou ochranu (omezuj´ıc´ı diody) a moˇznost pˇripojen´ı intern´ıho pull-up rezistoru. Vˇetˇsina I/O pin˚ u umoˇzn ˇuje kromˇe klasické I/O komunikace také alternativn´ı funkci. Konkrétn´ı piny jsou tak vyuˇz´ıvány intern´ımi perifériemi MCU jako jsou A/D pˇrevodn´ık, sériové komunikace SPI, I2C, ˇci JTAG. Oznaˇcen´ı signál˚ u pˇr´ısluˇsn´ ych alternativn´ıch funkc´ı pin˚ u lze vyˇc´ıst také ze schématické znaˇcky mikrokontroléru – viz napˇr. obrázek 3.3. Konkrétn´ı propojen´ı pin˚ u a intern´ıch periféri´ı nen´ı moˇzné mˇenit. Pr´ ace s kontroln´ımi registry Z pohledu program´ atora existuj´ı v jazyce symbolick´ ych adres dva základn´ı zp˚ usoby specifikov´ an´ı hodnot jednotliv´ ych kontroln´ıch registr˚ u. Prvn´ı z nich vyuˇz´ıvá kombinace instrukce pro naplnˇen´ı pracovn´ıho registru LDI a n´ asledné pˇrekop´ırován´ı této hodnoty do kontroln´ıho registru pomoc´ı OUT. Lze pˇritom pˇrepisovat vˇsech osm bit˚ u v kontroln´ım registru, coˇz v mnoha pˇr´ıpadech nen´ı ˇzádouc´ı. Efektivnˇejˇs´ı zp˚ usob je kombinace bitového posunu a logického souˇctu. Takto budou zmˇenˇeny pouze bity, jejichˇz index pouˇzijeme pˇri bitovém posuvu. Programová ukázka obou zp˚ usob˚ u je zn´ azornˇena ve v´ ypise 4.1. Druh´ y zp˚ usob ovlivˇ nov´ an´ı obsahu kontroln´ıch registr˚ u, pouˇz´ıvan´ y v jazyce symbolick´ ych adres, je zaloˇzen na instrukc´ıch SBI (Set Bit in I/O Register) pro nastaven´ı jednoho bitu a CBI (Clear Bit in I/O Register) pro nulov´ an´ı jednoho bitu. Obˇe instrukce maj´ı dva operandy, z nichˇz prvn´ı je identifik´ ator kontroln´ıho registru a druh´ y je index konkrétn´ıho bitu z intervalu 0 aˇz 7. Pˇr´ıklad je uveden ve v´ ypise 4.2. V jazyce C je zp˚ usob ovlivnˇen´ı obsahu kontroln´ıch registr˚ u obdobn´ y. Opˇet je lepˇs´ı upˇrednostˇ novat zp˚ usob s bitov´ ym posuvem a logick´ ym souˇctem, jak naznaˇcuje v´ ypis 4.3.

36


Zdrojov´ y k´ od 4.1: Z´ apis do kontroln´ıch registr˚ u pomoc´ı LDI a OUT v JSA. 1 2 3 4 5 6 7

.include ... LDI OUT ... LDI OUT

8 9 10 11 12 13

... OUT

<m16def.inc>

; d e f i n i ˇc n´ı s o u b o r m i k r o k o n t r o lé r u ATmega16

R16 , 0 b00011000 DDRB , R16

; R16 <− 24 ; definova ´ n´ı v y ´ s t u p n´ıc h pin˚ u PB4 a PB3

R16 , (1<
; n a s t a v e n´ı v y ´ s t u p n´ıc h hodnot p o r t u B

Zdrojov´ y k´ od 4.2: Z´ apis do kontroln´ıch registr˚ u pomoc´ı SBI a CBI v JSA. 1 2 3 4 5 6

... SBI SBI CBI ... IN

DDRB , 0 x03 DDRB , 4 DDRB , 3

; definova ´ n´ı v y ´ s t u p n´ıh o pinu PB3 ; definov´ a n´ı v y ´ s t u p n´ıh o pinu PB4 ; definov´ a n´ı v s t u p n´ıh o pinu PB3

R16 , PINB

; n a ˇc t e n´ı hodnot v s t u p n´ıh o p o r t u B

Zdrojov´ y k´ od 4.3: Z´ apis do kontroln´ıch registr˚ u v jazyce C. 1 2 3 4

#include // h l a v iˇc k o v y ´ s o u b o r m i k r o k o n t r o lé r u ... // d e f i n o v a ´ n´ı v y ´ s t u p n´ıc h pin˚ u PB4 a PB3 DDRB = 0 b00011000 ;

5 6 7 8 9 10

// j i n y ´ zp˚ u sob d e f i n o v a ´ n´ı v y ´ s t u p n´ıc h pin˚ u PB4 a PB3 DDRB |= (1<
11 12 13

// n a ˇc t e n´ı v s t u p n´ıc h hodnot z p o r t u B do promˇe nné temp temp = PINB ;

Pˇ ripojen´ı extern´ıch perif´ eri´ı I/O piny mikrokontrolér˚ u slouˇz´ı k pˇripojen´ı libovoln´ ych extern´ıch periféri´ı (napˇr. tlaˇc´ıtko, LED, klávesnice, . . .). Obecnˇe lze toto pˇripojen´ı realizovat tˇremi zp˚ usoby: (1) pˇr´ımé pˇripojen´ı – jeden I/O pin je vyuˇzit k pˇripojen´ı jednoduchého zaˇr´ızen´ı (tlaˇc´ıtko, LED, . . .), (2) maticové uspoˇr´ ad´ an´ı – nˇekolik jednoduch´ ych zaˇr´ızen´ı je uspoˇrádáno do matice, coˇz sniˇzuje poˇcet potˇrebn´ ych I/O pin˚ u (maticová klávesnice), (3) pomoc´ı pomocn´ ych obvod˚ u/ˇradiˇc˚ u, které pracuj´ı nezávisle na ˇr´ıdic´ım mikrokontroléru. Komunikace s tˇemito ˇradiˇci prob´ıhá zpravidla sériovou cestou. U vstupn´ıch zaˇr´ızen´ı m˚ uˇze b´ yt vyuˇzito pˇreruˇsen´ı, kdy v pˇr´ıpadˇe události generuje periférie poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı, které zajist´ı naˇcten´ı/vysl´ an´ı potˇrebn´ ych dat.


(a)

(b)

37

(c)

Obr´ azek 4.3: Pˇripojen´ı z´ akladn´ıch extern´ıch periféri´ı k mikrokontroléru: (a) LED diody, (b) tlaˇc´ıtka, (c) maticov´ a kl´ avesnice. Pˇripojen´ı a pˇredevˇs´ım softwarov´ a obsluha maticové klávesnice 4 × 4, viz obrázek 4.3 (c), je popsána v n´ asleduj´ıc´ım textu. V pˇr´ıpadˇe pˇr´ımého pˇripojen´ı, by bylo potˇreba celkem 16 vstupn´ıch pin˚ u mikrokontroléru. Zapojen´ım do matice, kdy jsou tlaˇc´ıtka v kaˇzdém ˇrádku a sloupci ˇ ri z pin˚ pˇripojena na jedin´ y pin, staˇc´ı jen 8 pin˚ u, tj. jeden I/O port. Ctyˇ u mus´ı b´ yt definov´ any jako v´ ystupn´ı – tvoˇr´ı sloupce matice (napˇr. piny PB7–PB4) a ˇctyˇri piny jsou deklarovány jako vstupn´ı a tvoˇr´ı ˇr´ adky matice (napˇr. PB3–PB0). Zjiˇstˇen´ı stisknuté klávesy se provád´ı tzv. skenován´ım kl´ avesnice, kdy jsou ve ˇctyˇrech kroc´ıch vyslány hodnoty na v´ ystupn´ı piny: (1) PB7:4 = 0b1110, (2) PB7:4 = 0b1101, (3) PB7:4 = 0b1011, (4) PB7:4 = 0b0111. Po kaˇzdém z uveden´ ych krok˚ u se také skenuj´ı vstupn´ı 4 piny. Pokud je nˇekter´ y roven 0, je zˇrejmé, ˇze bylo stisknuto tlaˇc´ıtko z pˇr´ısluˇsného ˇrádku a ze sloupce, kter´ y aktuálnˇe obsahuje hodnotu 0. Pˇri sepnut´ı kaˇzdého mechanického tlaˇc´ıtka docház´ı k zákmit˚ um, které tvoˇr´ı nechtˇené impulsy zp˚ usobuj´ıc´ı nekorektn´ı v´ ykon programu. Tyto zákmity je nutné vˇzdy oˇsetˇrit! Zp˚ usob˚ u softwarového oˇsetˇren´ı je nˇekolik. Z´ akladn´ı zp˚ usob nejprve volá funkci pro krátké zpoˇzdˇen´ı a to pˇri stisku i pˇri uvolnˇen´ı tlaˇc´ıtka. Vhodnˇe zvolenou dobou zpoˇzdˇen´ı je pˇreklenut pˇrechodov´ y jev na kontaktech. Doba zpoˇzdˇen´ı je z´ avisl´ a na proveden´ı a opotˇreben´ı kontakt˚ u a je nutné ji vyzkouˇset experiment´ alnˇe. Pro n´ızko napˇet’ové aplikace rámcovˇe postaˇcuje doba v des´ıtkách milisekund. Po stisku se testuje, zda jiˇz bylo tlaˇc´ıtko uvolnˇeno, teprve pak se pokraˇcuje ve v´ ykonu pro’ gramu. V r´ amci prvn´ı zpoˇzd ovac´ı smyˇcky (tj. pˇri sepnut´ı) je moˇzné realizovat napˇr. ”p´ıpnut´ı reproduktoru”, které je reprezentov´ ano vys´ılán´ım obdéln´ıkového signálu na reproduktor o zvolené frekvenci. Generuje-li tlaˇc´ıtko extern´ı zdroj pˇreruˇsen´ı, nen´ı nutné v rámci oˇsetˇren´ı testovat jeho stav. Bˇeˇznou prax´ı je také vynulovat pˇr´ısluˇsn´ y pˇr´ıznakov´ y bit extern´ıho pˇreruˇsen´ı pˇred ukonˇcen´ım obsluˇzné funkce (viz registr GIFR). Tento bit se nuluje automaticky, nicménˇe pokud nechtˇené z´ akmity na tlaˇc´ıtku vyvolaj´ı dalˇs´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı v dobˇe, kdy je prvn´ı teprve vykonáván, ruˇcn´ım nenulov´ an´ım pˇr´ıznakového bitu neodstran´ıme dvoj´ı vykonán´ı této obsluhy.

38

4.2


ˇ Casovaˇ c/ˇ c´ıtaˇ c

Mezi bˇeˇznou souˇc´ ast kaˇzdého mikrokontroléru patˇr´ı periférie, která umoˇzn ˇuje odeˇc´ıtat ˇcas (ˇcasovaˇc, anglicky: Timer), pˇr´ıp. naˇc´ıtat vstupn´ı pulsy (ˇc´ıtaˇc, anglicky: Counter). Pˇrestoˇze tato periférie m˚ uˇze zast´ avat obˇe funkce, jej´ı vnitˇrn´ı struktura je nemˇenná. Jednotku oznaˇcovanou jako ˇcasovaˇc/ˇc´ıtaˇc tak lze vyuˇz´ıt k realizaci jednoduch´ ych aplikac´ı, jako je odmˇeˇrován´ı krátk´ ych ˇcasov´ ych interval˚ u, periodické spouˇstˇen´ı zvolené funkce, konstrukce jednoduch´ ych frekvenˇcn´ıch ˇc´ıtaˇc˚ u, apod. Vnitˇrn´ı struktura ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce mikrokontroléru ATmega16 je zobrazena na obrázku 4.4.

Obr´ azek 4.4: Blokové schéma ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce mikrokontroléru ATmega16 (oznaˇcen´ı ”n” udáv´ a ˇc´ıslo ˇcasovaˇce; pˇrevzato z [Atm16]). Podstatou jednotky je(jsou) registr(y), jehoˇz obsah se inkrementuje pomoc´ı hodinového signálu clkT n . Tento sign´ al m˚ uˇze b´ yt odvozen od signálu jádra MCU, nebo je tvoˇren extern´ım, periodick´ ym sign´ alem, pˇriveden´ ym na pin Tn. Lze nastavit zda má jednotka reagovat na nástupnou nebo sestupnou hranu tohoto sign´ alu. Datov´ y registr TCNTn (Timer/Counter Register) m˚ uˇze b´ yt 8 i 16bitov´ y. Jednotka inkrementuje (dekrementuje) hodnotu tohoto datového registru kaˇzdou periodu hodinového sign´ alu. Frekvence hodinového signálu jádra mikrokontroléru lze sn´ıˇzit zaˇrazen´ım pˇreddˇeliˇcky s pˇredem definovanou hodnotou. Doba pˇreteˇcen´ı datového registru se pak prodlouˇz´ı o n´ asobek hodnoty pˇreddˇeliˇcky. Oznaˇcen´ı bottom a top v obrázku reprezentuje minimáln´ı a maxim´ aln´ı hodnotu datového registru, tj. pro 8bitov´ y ˇcasovaˇc: 0 a 255. Uvaˇzujme nyn´ı jen 8bitov´ y ˇcasovaˇc/ˇc´ıtaˇc mikrokontroléru ATmega16 s oznaˇcen´ım ”0”. Kromˇe datového registru TCNT0 (Timer/Counter Register), lze k této jednotce pˇristupovat také prostˇrednictv´ım komparaˇcn´ıho registru OCR0 (Output Compare Register), kter´ y obsahuje hodnotu pro neust´ alé porovn´ av´ an´ı s datov´ ym registrem, a pˇredevˇs´ım prostˇrednictv´ım ˇr´ıdic´ıho registru TCCR0 (Timer/Counter Control Register) – napˇr. pro nastaven´ı hodnoty pˇreddˇeliˇcky. Jednotka generuje dvoj´ı typ pˇreruˇsen´ı: pˇri pˇreteˇcen´ı hodnoty datového registru, nebo pˇri rovnosti hodnot datového a komparaˇcn´ıho registru. Událost pˇreteˇcen´ı je obecnˇe signalizována jádru MCU prostˇrednictv´ım sign´ alu TOV0 (Timer Overflow), kter´ y je identifikován jako bit v kontroln´ım registru. Událost komparace pak sign´ alem OC0 (viz obrázek 4.4). Komparace hodnot lze vyuˇz´ıt ke snadnému generov´ an´ı PWM (Pulse Width Modulation) signálu na v´ ystupn´ım pinu OC0, jak


39

naznaˇcuje obr´ azek 4.5. Dobu pˇreteˇcen´ı tOV F lze vyjádˇrit vztahem tOV F =

1 fCP U

· N · (2n − init),

(4.1)

kde fCP U je frekvence hodinového signálu jádra MCU, N je hodnota zvolené pˇreddˇeliˇcky, n je poˇcet bit˚ u v datovém registru ˇcasovaˇce a init oznaˇcuje poˇcáteˇcn´ı hodnotu tohoto registru. Uvaˇzujme frekvenci hodinového signálu fCP U = 16 MHz a 16bitov´ y ˇcasovaˇc. S vyuˇzit´ım minimáln´ı a maxim´ aln´ı hodnoty pˇreddˇeliˇcky m˚ uˇzeme nastavit ˇcasové intervaly, ve kter´ ych bude docházet k generov´ an´ı pˇreruˇsen´ı na 4,1 ms nebo 4,2 s. Bliˇzˇs´ı informace o vyuˇzit´ı jednotky pro odmˇeˇrován´ı ˇcasu a generov´ an´ı sign´ alu s promˇennou stˇr´ıdou, lze nalézt v poˇc´ıtaˇcov´ ych cviˇcen´ıch pˇredmˇetu. 255 OCR0

OCR0

TCNT0 0

OC0 (PB3) tOV F

tOV F

tOV F

tOV F

Obr´ azek 4.5: Princip generov´ an´ı PWM signálu pomoc´ı zmˇeny hodnoty komparaˇcn´ıho registru 8bitového ˇcasovaˇce.

4.3

Watchdog ˇ casovaˇ c

Obdobou intern´ıho ˇcasovaˇce je obvod oznaˇcovan´ y jako watchdog. Jedná se o ”bezpeˇcnostn´ı ˇcasovaˇc”, jehoˇz v´ yznam je vyvolat reset (a t´ım i znovu-nastartován´ı) mikrokontroléru v pˇr´ıpadˇe, ˇze se procesor ”ztrat´ı”, pˇr´ıp. nevykonává program, kter´ y by mˇel. Watchdog je nezávisl´ y ˇcasovaˇc s oddˇelen´ ym hodinov´ ym systémem (nicménˇe frekvence je závislá na napájec´ım napˇet´ı; pˇri VCC = 5 V ⇔ fW DT = 1 MHz). Frekvenci hodinového signálu je opˇet moˇzné sn´ıˇzit pomoc´ı pˇreddˇeliˇcky. V d˚ usledku tak lze zajistit pˇreteˇcen´ı watchdogu od 16 ms do 2,1 s. Watchdog vych´ az´ı z filozofie, ˇze bˇeˇzn´ y v´ ykon programu v mikroprocesorové technice obsahuje nekoneˇcnou smyˇcku, ve které prov´ ad´ı soustavné naˇc´ıt´ an´ı vstupn´ıch dat pomoc´ı tzv. pollingu (opakované dotazov´ an´ı periférie, opak pˇreruˇsen´ı), nebo pˇreruˇsen´ı. Um´ıst´ıme-li do této smyˇcky pˇr´ıkaz, kter´ y nuluje stav ˇcasovaˇce watchdogu, k jeho pˇreteˇcen´ı nem˚ uˇze doj´ıt (samozˇrejmˇe, byla-li zvolena dostateˇcnˇe velk´ a pˇreddˇeliˇcka). V pˇr´ıpadˇe, ˇze se vinou chybného programován´ı, pˇr´ıp. nedokonalého hardwarového návrhu, chod programu zacykl´ı mimo nekoneˇcnou smyˇcku (a t´ım také mimo pˇr´ıkaz pro nulov´ an´ı stavu watchdogu), dojde k pˇreteˇcen´ı ˇcasovaˇce watchdogu. Toto pˇreteˇcen´ı zp˚ usob´ı reset celého systému, tj. k znovu zah´ ajen´ı v´ ykonu programu od prvn´ı adresy, ale také k defaultn´ımu nastaven´ı vˇsech intern´ıch periféri´ı a I/O pin˚ u. Watchdog m˚ uˇze odstranit d˚ usledek nenadálé události, která nebyla oˇsetˇrena softwarovˇe nebo hardwarovˇe. Je-li vˇsak tato událost trvalá, reset systému dlouhodobˇe nepom˚ uˇze a nezb´ yv´ a, neˇz chybu odhalit a opravit. Ukázka pouˇzit´ı watchdogu pro mikrokontrolér AVR je pro jazyk symbolick´ ych adres uvedena v pˇr´ıloze A.6, respektive v pˇr´ıloze B.5 pro jazyk C.

40

5 5.1


Komunikace zaˇ r´ızen´ı po sbˇ ernici S´ eriov´ y a paraleln´ı pˇ renos dat

Existuj´ı dva zp˚ usoby pˇresunu dat mezi pamˇet’ov´ ymi pozicemi: paraleln´ı a sériov´ y. Princip tˇechto pˇrenos˚ u je pro 3bitové registry zobrazen na obrázku 5.1. V prvn´ım pˇr´ıpadˇe jsou registry tvoˇreny 0 trojic´ı klopn´ ych obvod˚ u typu D, ˇr´ızen´ ych hranou s charakteristickou rovnic´ı q = d. Ve druhém 0 pˇr´ıpadˇe jsou posuvné (shift) registry tvoˇreny klopn´ ymi obvody typu JK (q = j · q + k · q).

(a)

(b)

Obr´ azek 5.1: Pˇrenos dat mezi registry: (a) paraleln´ı pˇrenos dat, (b) sériov´ y pˇrenos dat. Symbolicky lze zapsat libovoln´ y pˇresun dat z registru X do registru Y takto: [X]→[Y] (pˇresun obsahu registru X do registru Y). Pˇri paraleln´ım pˇrenosu zp˚ usob´ı hodinov´ y impulz, aplikov´ an na vstupy CLK, pˇresun dat z v´ ystup˚ u X2 , X1 , X0 (vstupy DY ) na v´ ystupy Y2 , Y1 , Y0 . Jedná se o paraleln´ı pˇresun, protoˇze cel´ y obsah registru X se pˇrekop´ıruje do Y najednou (pomoc´ı jedné hrany ˇr´ıdic´ıho hodinového sign´ alu). Pˇri sériovém pˇrenosu dat, zp˚ usob´ı aktivn´ı hrana signálu CLK pˇrekop´ırován´ı hodnot vstupn´ıch sign´ al˚ u vˇsech klopn´ ych obvod˚ u na jejich v´ ystupy (tj. dle obrázku 5.1 (b) na vstupy následuj´ıc´ıch klopn´ ych obvod˚ u vpravo). Hodnota z posledn´ıho klopného obvodu je ztracena. Do prvn´ıho klopného obvodu se uloˇz´ı stav sériového vstupu S. Sériov´ y pˇrenos mezi registry vyˇzaduje v´ıce ˇcasu (pˇrenos jednoho bitu vyˇzaduje jeden impulz hodinového signálu), ale také ménˇe propojovac´ıch vodiˇc˚ u. Pˇ r´ıklad 5.1 Popiˇste sériový pˇrenos dat mezi dvojic´ı 3bitových registr˚ u [X]→[Y]. Necht’ jsou poˇc´ ateˇcn´ı hodnoty registr˚ u [X]=101, [Y]=011 a hodnota sériového vstupu z˚ ust´ av´ a bˇehem celého pˇrenosu nemˇenn´ a S = 0. ˇ sen´ı 5.1 Dle propojen´ı obou registr˚ Reˇ u z obr´ azku 5.1 (b) a poˇc´ ateˇcn´ıch hodnot registr˚ u, se budou hodnoty bit˚ u pˇresouvat zleva doprava s kaˇzdým impulzem hodinového sign´ alu. 1. impulz: sériový vstup S se pˇrekop´ıruje na výstup prvn´ıho klopného obvodu X2 . P˚ uvodn´ı obsah registru X se posune o jednu pozici doprava, tj. jeho nejménˇe významný bit je na pozici nejvýznamnˇejˇs´ıho bitu registru Y. Nejménˇe významný bit registru Y je ztracen: [X]=010, [Y]=101,


41

2. impulz: [X]=001, [Y]=010, 3. impulz: [X]=000, [Y]=101. Pˇrenos dat z registru X je dokonˇcen. P˚ uvodn´ı obsah destinaˇcn´ıho registru Y je ztracen a vlivem naˇc´ıt´ an´ı hodnoty sériového vstupu S je obsah zdrojového registru X vynulov´ an.

5.2

Obvody s tˇ r´ı-stavov´ ym v´ ystupem

Typická komunikace uvnitˇr mikrokontroléru, ale i mezi mikrokontrolérem a zaˇr´ızen´ımi prob´ıh´ a po paraleln´ım veden´ı, tj. po sbˇernici (u 8bitov´ ych systém˚ u tvoˇrena zpravidla 8 vodiˇci). Vˇsechna zaˇr´ızen´ı obsahuj´ı vstupnˇe/v´ ystupn´ı port(y), pomoc´ı nˇehoˇz jsou pˇripojena na tuto skupinu vodiˇc˚ u. Aby byly eliminov´ any kolize na sbˇernici, kdy nˇekolik zaˇr´ızen´ı vys´ılá souˇcasnˇe (takov´ y stav na sbˇernici je d´ an kombinac´ı v´ıce signál˚ u a data jsou ”neˇcitelná”) se pouˇz´ıvaj´ı systémy s tˇr´ıstavov´ ymi v´ ystupy (Three State Output), pˇr´ıp. oddˇelovac´ı buffery s tˇr´ıstavov´ ym v´ ystupem. V´ ystupy tak obsahuj´ı kromˇe stavu HIGH a LOW také stav vysoké impedance Z. Tˇr´ı-stavov´ y v´ ystup je ˇr´ızen povolovac´ım vstupem (Enable, Output Enable, pˇr´ıp. Gate), kter´ y zajist´ı aktivaci vˇzdy jen jednoho zaˇr´ızen´ı. V´ ystupy ostatn´ıch z˚ ustávaj´ı ve stavu vysoké impedance a neovlivˇ nuj´ı stav sbˇernice. Souˇc´ astky, které obsahuj´ı tˇr´ı-stavov´ y v´ ystup maj´ı ve své schématické ˇ ızen´ı tˇechto obvod˚ znaˇcce mal´ y troj´ uheln´ıˇcek. R´ u m˚ uˇze b´ yt dle v´ yrobce odliˇsné: jak n´ızkou u ´rovn´ı kontroln´ıho vstupu Enable, tak i u ´rovn´ı vysokou. Rovnˇeˇz v´ ystup m˚ uˇze b´ yt v pˇr´ımém, nebo v invertovaném tvaru. Tˇr´ı-stavové obvody jsou obsaˇzeny v klopn´ ych obvodech, registrech, pamˇet’ov´ ych souˇc´ astk´ ach, a témˇeˇr ve vˇsech mikrokontrolérech a bˇeˇznˇe se pouˇz´ıvaj´ı k pˇripojen´ı nˇekolika zaˇr´ızen´ı/sign´ al˚ u ke sbˇernici. Pˇr´ıklad takového pˇripojen´ı je zobrazen na obrázku 5.2.

OE A A

YA

OE B B

YB

OE C YC

OE D YD

DB0

D ˇr´ıdic´ı sbˇernice

intern´ı datov´ a sbˇernice

C

Obr´ azek 5.2: Pˇripojen´ı tˇr´ı sign´ al˚ u na sbˇernici pomoc´ı tˇr´ı-stavového budiˇce sbˇernice 74HC125. Obvod 74HC125 obsahuje celkem 4 tˇr´ı-stavové budiˇce, aktivn´ı u ´roveˇ n ˇr´ıdic´ıch vstup˚ u je zde ˇ ıdic´ı n´ızká. Pˇr´ıklad popisuje pˇripojen´ı tˇr´ı signál˚ u, oznaˇcen´ ych A, B, C a D k datové sbˇernici. R´ signály jsou oznaˇceny OE A (pro signál A) aˇz OE D . Je-li OE A = 0 a souˇcasnˇe OE B = OE C = OE D = 1 na datové sbˇernici je napˇet’ov´ y ekvivalent vstupu A. V situaci, kdy vˇsechny ˇr´ıdic´ı signály jsou neaktivn´ı, tj. OE A = OE B = OE C = OE D = 1 jsou vˇsechny v´ ystupy ve stavu

42


vysoké impedance. V´ ystupy se tak chovaj´ı jako by byly fyzicky odpojeny od datové sbˇernice. ˇ ıdic´ı V pˇr´ıpadˇe aktivace v´ıce budiˇc˚ u souˇcasnˇe dojde ke kolizi na sbˇernici, coˇz je neˇzádouc´ı. R´ signály OE mus´ı zajistit, aby k takov´ ymto koliz´ım nedocházelo.

5.3

Pˇ resun dat po sbˇ ernici

Princip ˇr´ızen´ı komunikace mezi zaˇr´ızen´ımi po sbˇernici je pˇredstaven s pomoc´ı následuj´ıc´ıho pˇr´ıkladu. Ke 4bitové datové sbˇernici (paraleln´ı vodiˇce oznaˇcené DB3–DB0) jsou pˇripojena tˇri zaˇr´ızen´ı, tvoˇren´ a 4bitov´ ymi registry 74174 (ˇctveˇrice 3stavov´ ych klopn´ ych obvod˚ u typu D) – viz obrázek 5.3.

Obr´ azek 5.3: Komunikace mezi zaˇr´ızen´ımi (4bitové registry 74173) po datové sbˇernici. Registry, kromˇe vstupn´ıch a v´ ystupn´ıch datov´ ych signál˚ u, obsahuj´ı také tˇri ˇr´ıdic´ı signály: oznaˇcené IE (Input Enable), OE (Output Enable) a CLK (Clock). N´ızká u ´roveˇ n prvn´ıho z nich aktivuje vstupn´ı obvody (tj. naˇcten´ı 4bitového slova do registru), druh´ y aktivuje v´ ystupn´ı obvody (tj. zap´ıˇse obsah registru na datovou sbˇernici – aktivn´ı u ´roveˇ n je dle oznaˇcen´ı opˇet n´ızká) a tˇret´ı reprezentuje hodinov´ y sign´ al, kter´ y synchronizuje veˇskeré pˇrenosy. Tento signál je spoleˇcn´ y pro vˇsechny registry. Pˇ r´ıklad 5.2 Zajistˇete pˇrenos dat z registru B do registru A, tj [B]→[A] v zapojen´ı dle obr´ azku 5.3. Necht’ obsah registru B je 0b1100. ˇ sen´ı 5.2 Pro výstupy vˇsech registr˚ Reˇ u mus´ı platit, ˇze pouze registr B m´ a aktivov´ any výstupn´ı obvody, tj. OE A = 1, OE B = 0 a OE C = 1. Obsah registru B je t´ım zaps´ an na datovou sbˇernici. Pro vstupy registr˚ u mus´ı být n´ aslednˇe splnˇeno, ˇze pouze registr A m´ a aktivov´ any vstupn´ı obvody, tj. IE A = 0, IE B = 1 a IE C = 1. N´ asledn´ a aktivn´ı hrana hodinového sign´ alu zajist´ı pˇrenos (pˇreˇcten´ı) dat ze sbˇernice do klopných obvod˚ u registru A, jak zobrazuje obr´ azek 5.4 (a). Platn´ a data jsou v registru A pˇrenesena v ˇcasovém intervalu t1 − t2 . Neplatn´ a data jsou na sbˇernici pˇr´ıtomna v intervalech t1 −t0 a t3 −t2 . V ostatn´ıch okamˇzic´ıch je datov´ a sbˇernice ve stavu vysoké impedance. Libovolný pˇrenos dat je tedy zajiˇstˇen generov´ an´ım korektn´ı posloupnost´ı ˇr´ıdic´ıch sign´ al˚ u.


43

OE B IE A CLK 1

DB3

OE B 1

DB2

IE A 0

DB1

CLK 0

DB0

0b1100

DB3 : 0 t0

(a)

t1

t2

t3

t0

t1

t2 t3

(b)

ˇ Obr´ azek 5.4: (a) Casov´ e pr˚ ubˇehy ˇr´ıdic´ıch a datov´ ych signál˚ u pˇri pˇrenosu dat, (b) zjednoduˇsené ˇcasové pr˚ ubˇehy na sbˇernici. V ˇc´ıslicov´ ych (a mikroprocesorov´ ych) systémech se bˇeˇznˇe pouˇz´ıvá vˇetˇs´ı poˇcet registr˚ u neˇz 3. Obecnˇe lze na sbˇernici pˇripojit libovoln´ y poˇcet registr˚ u. Souˇcasnˇe se t´ım ale zvyˇsuje poˇcet ˇr´ıdic´ıch sign´ al˚ u OE, IE a vstupnˇe/v´ ystupn´ıch vodiˇc˚ u. Poˇcet zaˇr´ızen´ı, pˇripojen´ ych na sbˇernici je rozd´ıln´ y pˇr´ıpad od pˇr´ıpadu. Z´ avis´ı na velikosti pamˇeti systému a na poˇctu vstupn´ıch a v´ ystupn´ıch zaˇr´ızen´ıch, kter´ a mus´ı s CPU komunikovat po sbˇernici. Pro vˇsechna ale plat´ı, ˇze mus´ı b´ yt ke ˇ sbˇernici pˇripojena pˇres 3stavové buffery. Rada zaˇr´ızen´ı tyto buffery jiˇz obsahuj´ı pˇr´ımo na ˇcipu, napˇr. registry 74173 (viz v´ yˇse). Ostatn´ı zaˇr´ızen´ı mohou b´ yt ke sbˇernici pˇripojena pˇres tzv. ˇradiˇc sbˇernice (Bus Driver). ˇ c sbˇernice obsahuje 3stavov´ Radiˇ y v´ ystup s velmi n´ızkou v´ ystupn´ı impedanc´ı, coˇz zp˚ usobuje ˇ c rychlé nab´ıjen´ı a vyb´ıjen´ı celkové kapacitn´ı reaktance sbˇernice, tj. krátké doby pˇrechodu. (Radiˇ sbˇernice tedy nezhorˇsuje doby pˇrechodu.) Kapacitn´ı odpor je tvoˇren kumulac´ı parazitn´ıch kapacitanc´ı vˇsech vstup˚ u a v´ ystup˚ u, pˇripojen´ ych ke sbˇernici. Pˇr´ıkladem takového ˇradiˇce sbˇernice je napˇr. 8bitov´ y 74HC541. Obdobnˇe jako u 4bitové sbˇernice, funguje také komunikace prostˇrednictv´ım 8bitové, 16biˇıˇrka sbˇernice (poˇcet vodiˇc˚ tové, ˇci v´ıcebitové komunikace. S´ u) je dána ˇs´ıˇrkou datového slova, pˇrenáˇseného v systému. 8bitové slovo ⇒ 8 vodiˇc˚ u, 16bitové slovo ⇒ 16 vodiˇc˚ u, . . . Nˇekteré systémy obsahuj´ı kombinac´ı nˇekolika r˚ uznˇe-ˇsirok´ ych sbˇernic. ˇ Casov´ e pr˚ ubˇehy jednotliv´ ych signál˚ u na sbˇernici lze z d˚ uvodu pˇrehlednosti zápisu sdruˇzit do jediného pr˚ ubˇehu – v´ yhodné u v´ıcebitov´ ych systém˚ u. Na obrázku 5.4 (b) jsou tak znázornˇeny ˇcasové pr˚ ubˇehy sign´ al˚ u z pˇr´ıkladu 5.2. (Jsou zakresleny pouze ˇr´ıdic´ı signály, které jsou bˇehem pˇrenosu v aktivn´ı u ´rovni.) Rovnˇeˇz ve schématech se, z d˚ uvodu pˇripojen´ı velkého mnoˇzstv´ı zaˇr´ızen´ı ke sbˇernici, pouˇz´ıv´ a ’ znázornˇen´ı vodiˇc˚ u bud pomoc´ı ˇsirok´ ych ˇsipek – viz obrázek 5.5 (a) (ˇc´ıslo v hranat´ ych závork´ ach [·] pˇredstavuje ˇs´ıˇrku registr˚ u/poˇcet pˇripojen´ ych vodiˇc˚ u), nebo pomoc´ı jediného vodiˇce (fyzicky nespojeno) s indikovanou ˇs´ıˇrkou, tj s poˇctem bit˚ u – obrázek 5.5 (b). Z obrázk˚ u rovnˇeˇz plyne, ˇze uvaˇzovan´ y obvod (registr 74173) má vstupy i v´ ystupy napojené na shodn´ y vodiˇc datové sbˇernice, napˇr. vstupn´ı signál DC0 je propojen s v´ ystupem OC0 pˇres vodiˇc DB0 (to neplat´ı pˇri pouˇzit´ı ˇradiˇce sbˇernice). Z d˚ uvodu sn´ıˇzen´ı poˇctu pin˚ u souˇcástek, bylo

44


Obr´ azek 5.5: Zjednoduˇsené zn´ azornˇen´ı datové sbˇernice ve schématu.

vyvinuto uspoˇr´ ad´ an´ı s propojen´ım vstup˚ u a v´ ystup˚ u uvnitˇr integrovan´ ych obvod˚ u. Kaˇzd´ y pin (I0 /O0 aˇz In /On ) tak m˚ uˇze pracovat jako vstupn´ı nebo v´ ystupn´ı v závislosti na ˇr´ıdic´ıch signálech (viz obrázek 5.6). Proto jsou piny I/O naz´ yvány jako obousmˇerné datové linky.

Obr´ azek 5.6: Propojen´ı I/O pin˚ u uvnitˇr integrovaného obvodu.


6 6.1

45

Programov´ an´ı mikrokontrol´ er˚ u pomoc´ı vyˇ sˇ s´ıch jazyk˚ u Pˇ reklad aplikace z jazyka C

Podstatou programov´ an´ı v jazyce C je vyuˇzit´ı program˚ u ke konverzi zdrojov´ ych soubor˚ u na spustitelné, které obsahuj´ı strojov´ y kód aplikace pro c´ılov´ y procesor. Aplikace v jazyce C m˚ uˇze obsahovat ”libovoln´ y” poˇcet zdrojov´ ych soubor˚ u. Proces implementace se skládá ze tˇr´ı krok˚ u: pˇredzpracov´ an´ı (preprocessor), pˇrekladu (compiler) a linkován´ı (linker); viz obrázek 6.1 (jsou ´ uvedeny pˇrep´ınaˇce pro pˇrevod k´ odu pomoc´ı pˇrekladaˇce GCC). Ukolem preprocesoru je zpracovat direktivy pˇrekladaˇce, tj. jen ty ˇrádky které v jazyce C zaˇc´ınaj´ı znakem #. Kompilátor m´ a za u ´kol konvertovat zdrojové k´ ody do pˇrechodného kódu (tzv. objektov´ y soubor). Objektové ´ soubory obsahuj´ı pˇreloˇzen´ y zdrojov´ y kód, nen´ı to vˇsak kompletn´ı program. Ukolem linkeru je pak kombinovat vˇsechny potˇrebné objektové soubory a vytváˇret spustiteln´ y kód. Pˇri v´ yvoji nové aplikace tak nen´ı vˇzdy nutné kompilovat vˇsechny zdrojové soubory, ale jen ty ve kter´ ych doˇslo ke zmˇenˇe. Kromˇe pˇreloˇzen´ ych ˇc´ ast´ı pouˇzit´ ych knihoven (pouze ty rutiny, které kód vyuˇz´ıvá) linker vkládá do v´ ysledného programu také start-up kód, kter´ y funguje jako meziˇclánek mezi programem a pouˇzit´ ym operaˇcn´ım systémem. Jeden objektov´ y soubor na stejném hardwaru (napˇr. PC) nejde spustit stejnˇe v systémech Linux i Windows. textov´ y editor

zdrojov´ y soubor 1

···

zdrojov´ y soubor i

···

zdrojov´ y soubor N

pˇredzprac.

pˇredzprac.

pˇredzprac.

gcc -E

gcc -E

gcc -E

kompilace

kompilace

kompilace

gcc -c

gcc -c

gcc -c

objektov´ y soubor 1

···

objektov´ y soubor i

linkov´ an´ı gcc -o

···

objektov´ y soubor N

knihovna knihovna knihovna

spustiteln´ y soubor

Obr´ azek 6.1: Postup pˇrekladu aplikace v jazyce C. Pˇri v´ yvoji aplikac´ı pro 8bitové mikrokontroléry AVR je nutné zdrojov´ y kód z jazyka C pˇrevést nejprve do jazyka symbolick´ ych adres a následnˇe vytvoˇrit spustiteln´ y kód – v tomto pˇr´ıpadˇe je reprezentov´ an souborem *.hex ve strojovém jazyce, jak naznaˇcuje obrázek 6.2. Vlastnosti pˇrekladaˇce lze prezentovat na jednoduché ukázce. Ve v´ ypise 6.1 je v levé ˇc´ asti uveden zdrojov´ y k´ od v jazyce C, kter´ y pˇredstavuje jednoduch´ y 8bitov´ y binárn´ı ˇc´ıtaˇc s v´ ystupem na port B (bez vloˇzeného zpoˇzdˇen´ı). V prostˇredn´ı ˇc´ asti v´ ypisu je zobrazen odpov´ıdaj´ıc´ı pˇreloˇzen´ y kód v jazyce symbolick´ ych

46


zdrojov´ y k´ od (.c, .h)

pˇrekladaˇc (kompil´ ator)

zdrojov´ y k´ od (.asm)

pˇreklad (asembler)

strojov´ y k´ od (.hex)

Obr´ azek 6.2: Zjednoduˇsen´ y pˇreklad zdrojového kódu z jazyka C pro MCU.

Zdrojov´ y k´ od 6.1: Uk´ azka zdrojového kódu v jazyce C a JSA pro AVR. 1 2 3 4 5

... DDRB = 0 xFF ;

6 7

temp = 0 x03 ;

8 9 10 11 12

PORTB = temp ; while ( 1 ) PORTB−− ;

LDI LDI OUT OUT SER OUT LDI STS OUT IN SUBI RJMP

R28 , 0 x5F R29 , 0 x04 0 x3E , R29 0 x3D , R28 R24 0 x17 , R24 R24 , 0 x03 0 x0060 , R24 0 x18 , R24 R24 , 0 x18 R24 , 0 x01 PC−0x0003

// // // //

(!) (!) (!) (!) SER OUT LDI

R24 0 x17 , R24 R24 , 0 x03

OUT

0 x18 , R24

// ( ! ) // ( ! ) DEC R24 RJMP PC−0x0002

adres (pˇreklad pomoc´ı GCC, bez optimalizac´ı). V kódu jsou patrné jednak instrukce, které bezprostˇrednˇe souvis´ı s pˇr´ıkazy v jazyce C – napˇr. kombinace instrukc´ı LDI a OUT pro plnˇen´ı kontroln´ıch registr˚ u – tak i instrukce, které byly do kódu vloˇzeny pˇrekladaˇcem a nemaj´ı v tomto konkrétn´ım pˇr´ıkladˇe praktick´ y v´ yznam. Je to pˇredevˇs´ım definice zásobn´ıku na ˇrádc´ıch 1 aˇz 4, dále zálohován´ı hodnoty registru R24 do datové pamˇeti instrukc´ı STS; ˇrádek 8; STS k, Rr realizuje pˇr´ımé uloˇzen´ı hodnoty registru do datové pamˇeti SRAM Store Direct to Data Space, kde 0 ≤ r ≤ 31, 0 ≤ k ≤ 65 535. Nadbyteˇcné je zde také opakované naˇc´ıtán´ı aktuáln´ı hodnoty portu B do pracovn´ıho registru R24 na ˇr´ adku 10. Lze spoˇc´ıtat, ˇze vytvoˇren´ yu ´sek kódu zab´ırá právˇe 26 byt˚ u programové pamˇeti. Na pravé stranˇe v´ ypisu 6.1 je zobrazen ruˇcnˇe optimalizovan´ y kód, kter´ y vykonává totoˇznou aplikaci. Jeho velikost je vˇsak jen 12 byt˚ u a kaˇzd´ y pr˚ uchod nekoneˇcnou smyˇckou je o jeden takt procesoru rychlejˇs´ı. Ruˇcnˇe optimalizovan´ y kód je uveden jen pro ilustraci; dále budeme pracovat s pˇreloˇzen´ ym k´ odem pomoc´ı GCC. Takto vytvoˇren´ y kód je assemblerem následnˇe pˇreloˇzen do strojového k´ odu mikrokontroléru AVR (viz v´ ypis 6.2). Tento pˇreklad je jiˇz jednoznaˇcn´ y, na rozd´ıl od pˇrekladu z jazyka C, kdy poˇcet instrukc´ı jeˇstˇe souvis´ı s vlastnostmi a efektivitou pˇrekladaˇce. V´ ysledná aplikace ve strojovém k´ odu je uloˇzena do textového souboru s koncovkou .hex. Form´ at ˇ ast souboru pro ukázkovou aplikaci je zobrazena ve tohoto souboru je nejˇcastˇeji Intel HEX. C´ v´ ypise 6.3; jsou zde zobrazeny pouze instrukce od adresy 0x0048. V´ yznam jednotliv´ ych byt˚ u form´ atu Intel HEX jsou následuj´ıc´ı: : Symbol identifikuj´ıc´ı zaˇc´ atek ˇr´ adku. 10 Poˇcet datov´ ych byt˚ u v jednom ˇr´ adku. Hodnota je uvádˇena v hexadecimáln´ı soustavˇe. Poˇcet byt˚ u je tedy 16. 0090 Adresa v programové pamˇeti pro uloˇzen´ı prvn´ıho datového bytu. Hodnota je opˇet uvádˇena v hexadecim´ aln´ı soustavˇe a ud´ av´ a adresu BYTU a nikoliv adresové pozice v programové pamˇeti, kter´ a obsahuje 2 byty, tj. 0x48 · 2 = 0x90. 00 Typ k´ odu; hodnota 00 aˇz 05. U mikrokontroléru AVR odpov´ıdá identifikátoru 64 kB ’ pamˇet ové str´ anky. ... Strojov´ y k´ od jednotliv´ ych instrukc´ı v poˇrad´ı little endian, tj. LSB byte uloˇzen dˇr´ıve neˇz MSB.


47

Zdrojov´ y k´ od 6.2: Pˇreklad uk´ azkové aplikace do strojového kódu mikrokontroléru AVR. 1 2

; ;

Adresa S t r o j . kod Instrukce Popis funkce ====================================================================== 0 x0047 E5CF LDI R28 , 0 x5F ; l o a d immediate 0 x0048 E0D4 LDI R29 , 0 x04 ; l o a d immediate 0 x0049 BFDE OUT 0 x3E , R29 ; out t o I /O l o c a t i o n 0 x004A BFCD OUT 0 x3D , R28 ; out t o I /O l o c a t i o n 0 x004B EF8F SER R24 ; set register 0 X004C BB87 OUT 0 x17 , R24 ; out t o I /O l o c a t i o n 0 x004D E083 LDI R24 , 0 x03 ; l o a d immediate 0 x004E 93800060 STS 0 x0060 , R24 ; s t o r e d i r e c t t o data s p a c e 0 x0050 BB88 OUT 0 x18 , R24 ; out t o I /O l o c a t i o n 0 x0051 B388 IN R24 , 0 x18 ; i n from I /O l o c a t i o n 0 x0052 5081 SUBI R24 , 0 x01 ; s u b t r a c t immediate 0 x0053 CFFC RJMP PC−0x0003 ; r e l a t i v e jump

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Zdrojov´ y k´ od 6.3: Z´ apis testované aplikace ve formátu Intel HEX. :10 :08

1 2

0090 00 A0

00 00

D4E0 DEBF CDBF 8 FEF 87 BB 83 E0 8093 6000 88 BB 88 B3 8150 FCCF 3E

ED

ED Kontroln´ı souˇcet jednoho ˇr´ adku bez symbolu ”:”. Jednotlivé byty se seˇctou; z v´ ysledku se pouˇzije jen LSB a k nˇemu se dopoˇc´ıtá dvojkov´ y doplnˇek. Pro prvn´ı ˇrádek ve v´ ypise 6.3 tedy plat´ı: 10 + 00 + 90 + 00 + D4 + E0 + DE + BF + CD + BF + 8F + EF + 87 + BB + 83 + E0 + 80 + 93 + 60 + 00 = B13. Dvojkov´ y doplnˇek k hodnotˇe $13 (0001 0011) je $ED (1110 1101).

6.2

Programov´ an´ı v jazyce C

Programovac´ı jazyk C vytvoˇrili Dennis MacAlistair Ritchie (* 9. záˇr´ı 1941, † 12. ˇr´ıjna 2011) a Brian W. Kernighan (* 1942). Jiˇz v roce 1978 vydali svou uˇcebnici tohoto jazyka s názvem The C Programming Language [Ker78]. Programovac´ı jazyk C byl poprvé standardizován americkou spoleˇcnost´ı ANSI (American National Standards Institute) v 80. letech 20. stolet´ı. Pˇrestoˇze byl tento standard následnˇe pˇrevzat také mezin´ arodn´ı spoleˇcnost´ı ISO (International Organization for Standardization), je stále pouˇz´ıv´ an n´ azev jazyka ANSI C. V souˇcasné dobˇe (podzim 2011) je platná verze z roku 1999 s oznaˇcen´ım ISO/IEC 9899:1999 [Ans99], doplnˇená jiˇz tˇret´ı korekc´ı z roku 2007 (ISO/IEC 9899:1999 Cor. 3:2007(E)). Pracovn´ı skupina WG14, která pˇripravuje standardizaci jazyka C, vˇsak dokonˇcuje nov´ y standard s oznaˇcen´ım ISO/IEC 9899:201x [Ans1x]. Aplikace se skl´ adaj´ı z tzv. modul˚ u, které jsou tvoˇreny kombinac´ı textov´ ych soubor˚ u obsahuj´ıc´ı kód (koncovka *.c) a deklarace (hlaviˇckové soubory; koncovka *.h). Typická struktura zdrojového kódu v jazyce C, tak jak ji definuj´ı standardy je zobrazena na obrázku 6.3. Kód tedy obsahuje ˇcást, kterou zpracov´ av´ a preprocesor, deklaraˇcn´ı ˇcást a zdrojovou ˇcást. Zdrojov´ y kód se skl´ ad´ a v´ yhradnˇe z funkc´ı (obdoba podprogram˚ u v JSA). Kaˇzdá funkce je specifikována sv´ ym názvem, kter´ y se skl´ ad´ a ze znak˚ u anglické abecedy, ˇc´ıslic a podtrˇz´ıtka. Funkce m˚ uˇze obsahovat libovolné parametry (vstupn´ı promˇenné), a m˚ uˇze také vracet hodnotu libovolného typu. Nemá-li funkce vstupn´ı parametry, pˇr´ıp. v´ yslednou hodnotu, uˇz´ıvá se k tomu oznaˇcen´ı void. Tˇelo celé funkce je ohraniˇceno p´ arem sloˇzen´ ych z´ avorek. Kaˇzdá aplikace mus´ı obsahovat hlavn´ı funkci s názvem main(), kter´ a se spouˇst´ı jako prvn´ı. Tato funkce vrac´ı hodnotu typu int a zpravidla nemá ˇzádn´ y vstupn´ı parametr. Standard jazyka C také definuje tzv. prototypy funkce. Ty popisuj´ı jednak název funkce, d´ ale poˇcet a typy vstupn´ıch argument˚ u a typ návratové hodnoty dané funkce.

48


Kaˇzdá funkce (kromˇe main()) mus´ı m´ıt takto uveden´ y prototyp. Typick´ a struktura programu v C #include

int main( void ){ return( 0 ) ;

instrukce pro preprocessor vˇzdy prvn´ı volan´ a funkce pˇr´ıkazy/povely

}

funkce a(){ }

– – – – –

deklarace pˇriˇrazen´ı vol´ an´ı funkc´ı podm´ınky ...

pˇr´ıkazy/povely

funkce b(){ }

pˇr´ıkazy/povely

Obr´ azek 6.3: Anatomie programu v jazyce C. Dobrou program´ atorskou prax´ı je dodrˇzován´ı poˇrad´ı, ve kterém jsou jednotlivé ˇcásti v textu uvedeny. Zdrojov´ y k´ od by tak mˇel vˇzdy zaˇc´ınat direktivami pro pˇrekladaˇc (napˇr. vkládán´ı pomocn´ ych knihoven), d´ ale uveden´ım prototyp˚ u funkc´ı (ˇcasto se vkládá do oddˇelen´ ych textov´ ych soubor˚ u s koncovkou *.h – hlaviˇckové soubory) a deklarac´ı globáln´ıch promˇenn´ ych. Ukázka struktury zdrojového k´ odu v jazyce C pro mikrokontrolér AVR je uvedena ve v´ ypise 6.4. Z uvedeného zdrojového k´ odu jsou také patrné základn´ı znaky dobrého programátora, tj. ˇcitelnost kódu. Ta se vyznaˇcuje pouˇz´ıván´ım smyslupln´ ych názv˚ u promˇenn´ ych a funkc´ı, psan´ı v´ ystiˇzn´ ych koment´ aˇr˚ u, pouˇz´ıv´ an´ı pr´ azdn´ ych ˇrádk˚ u pro oddˇelen´ı deklaraˇcn´ı a v´ ykonné ˇcásti funkce a pˇredevˇs´ım pouˇzit´ı jednoho pˇr´ıkazu na jeden ˇrádek. Pˇrestoˇze jazyk C je deklarov´ an jako free-form form´ at, dodrˇzov´ an´ı zm´ınˇen´ ych pravidel v´ yraznˇe pomáhá ˇcitelnosti zdrojov´ ych ˇ kód˚ u. Pod´ıl´ı-li se na tvorbˇe aplikace v´ıce autor˚ u, je pˇrehlednost kódu absolutn´ı nutnost´ı. Rada v´ yvojov´ ych firem také definuje kostry sv´ ych zdrojov´ ych kód˚ u – tzv. framework. Ty obsahuj´ı nejen pevnˇe definované vstupy a v´ ystupy jednotliv´ ych modul˚ u (bezproblémové propojen´ı jednotliv´ ych ˇcást´ı), ale zpravidla také pˇr´ıdavné informace, které jsou následnˇe vyuˇz´ıvány ke tvorbˇe textové dokumentace pomoc´ı nˇekterého z nástroj˚ u pro správu softwar˚ u. Nejznámˇejˇs´ım je patrnˇe bal´ık nástroj˚ u doxygen, podporuj´ıc´ı pˇres des´ıtku programovac´ıch jazyk˚ u [Dox11].

6.3

Specifika pˇ rekladaˇ ce GCC-AVR a knihovny AVR Libc

Jak bylo uvedeno, strojov´ y k´ od aplikace závis´ı na zvoleném pˇrekladaˇci, pˇr´ıp. v´ yvojovém prostˇred´ı, kter´ a dané pˇrekladaˇce podporuj´ı. K v´ yvoji aplikac´ı v jazyce C pro 8bitové mikrokontroléry existuje cel´ a ˇrada n´ astroj˚ u. Navz´ ajem se liˇs´ı m´ırou optimalizace v´ ysledného kódu, rychlost´ı pˇrekladu a cenou. Jedn´ım z rozˇs´ıˇren´ ych pˇrekladaˇc˚ u je GCC (GNU Compiler Collection) [Gcc09]. Jak název napov´ıd´ a, jedn´ a se o soubor pˇrekládac´ıch nástroj˚ u projektu GNU, kter´ y sdruˇzuje tzv. svobodn´ y software. Dopln´ıme-li pˇrekladaˇc GCC knihovnou, popisuj´ıc´ı strukturu a funkci mikrokontrolér˚ u AVR, m˚ uˇzeme tento voln´ y n´ astroj vyuˇz´ıt také k v´ yvoji aplikac´ı pro AVR. Pro operaˇcn´ı systém Windows je tato kombinace dostupn´ a prostˇrednictv´ım open source projektu s názvem WinAVR [Win08]. Tento n´ astroj kromˇe pˇrekladaˇce obsahuje také programátor, lad´ıc´ı nástroje a dalˇs´ı funkce. Po nainstalov´ an´ı je vˇse dostupné pˇr´ımo z v´ yvojového prostˇred´ı AVR Studio. V prostˇred´ı Linux je moˇzné vyuˇz´ıt nástroje avra pro pˇreklad aplikac´ı z jazyka symbolick´ ych


49

Zdrojov´ y k´ od 6.4: Aplikace pro obsluhu klávesnice v jazyce C. 1 2

/∗ H l a v iˇc k o vé soubory ∗/ #include

// h l a v iˇc k o v y ´ s o u b o r m i k r o k o n t r o lé r u

/∗ Prototypy f u n k c´ı ∗/ void setup ( void ) ; i n t key_pressed ( void ) ;

// p r o t o t y p f u n k c e s e t u p // p r o t o t y p f u n k c e k e y p r e s s e d

/∗ G l o b a ´ l n´ı promˇe nné ∗/ char temp = 0 ;

// d e k l a r a c e 8 b i t o v é promˇe nné temp

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

/∗ H l a v n´ı f u n k c e ∗/ i n t main ( void ) { setup ( ) ; for ( ; ; ) { i f ( key_pressed ( ) ) { ... } } return ( 1 ) ; }

// v o l ´ a n´ı f u n k c e s e t u p // nekoneˇc n´ a smyˇcka // t ˇe l o podm´ınky

// v y ´ s t u p n´ı hodnota f u n k c e = 1

24 25 26 27 28 29

/∗ Funkce pro n a s t a v e n´ı k o n t r o l n´ıc h r e g i s t r˚ u ∗/ void setup ( void ) { // n a s t a v e n´ı I /O p o r t˚ u ... // t ˇe l o f u n k c e }

30 31 32 33 34 35 36 37

/∗ Funkce pro z j i ˇs t ˇe n´ı s t i s k n u t é h o i n t key_pressed ( void ) { // char key ; // ... // return ( key ) ; // }

t l a ˇc´ı t k a ∗/ v r a c´ı k´ o d s t i s k n u t é h o t l a ˇc´ı t k a deklarace loka ´ l n´ı promˇe nné t ˇe l o f u n k c e na ´vratova ´ hodnota f u n k c e

adres, bal´ıˇcky gcc-avr a binutils-avr pro pˇreklad aplikac´ı z jazyka C, dále avr-libc s knihovnami pro AVR a napˇr. avrdude pro naprogramován´ı c´ılového mikrokontroléru. Pˇri v´ yuce pˇredmˇetu Mikroprocesorová technika a embedded systémy je v laboratoˇri pouˇz´ıv´ an voln´ y pˇrekladaˇc GCC (GNU Compiler Collection), uzp˚ usoben´ y pro aplikace s AVR (gcc-avr) a volné prostˇred´ı AVR Studio. V nˇem je konkrétn´ı typ mikrokontroléru (napˇr. ATmega16) definován jiˇz pˇri vytvoˇren´ı projektu a pˇrekladaˇci je pˇredán jako parametr. Do kódu se tak vkládá vˇzdy stejn´ y hlaviˇckov´ y soubor io.h, kter´ y následnˇe odkáˇze na konkrétn´ı definiˇcn´ı sou´ bor. V tˇechto souborech jsou jména kontroln´ıch registr˚ u definovány VELKYMI p´ısmeny (pozor, jazyk C je case sensitive), proto mus´ı b´ yt tato podm´ınka zachována také pˇri tvorbˇe zdrojov´ ych kód˚ u. V n´ asleduj´ıc´ım textu jsou uvedeny základn´ı pravidla, pˇr´ıp. specifika pro pˇrekladaˇc gcc-avr: plnˇen´ı kontroln´ıch registr˚ u (kód 6.5), testován´ı jednotliv´ ych bit˚ u kontroln´ıch registr˚ u (kódy 6.6 a 6.7) a pˇredevˇs´ım vyuˇzit´ı pˇreruˇsen´ı. Kaˇzd´ y pˇrekladaˇc pro 8bitové mikrokontroléry doplˇ nuje standard C o vlastn´ı zp˚ usob definován´ı obsluhy pˇreruˇsen´ı. Pro vyuˇzit´ı pˇreruˇsen´ı v jazyce C (a pˇrekladaˇce gcc-avr) je nutné vloˇzit do zdrojového k´ odu hlaviˇckov´ y soubor interrupt.h. Nen´ı ovˇsem nutné definovat zásobn´ık, protoˇze to udˇel´ a pˇrekladaˇc automaticky. Rovnˇeˇz nen´ı nutné znát konkrétn´ı adresy vektor˚ u

50


Zdrojov´ y k´ od 6.5: Plnˇen´ı kontroln´ıch registr˚ u. 1 2 3 4

#include // h l a v iˇc k o v y ´ s o u b o r m i k r o k o n t r o lé r u ... // smˇe rov´ y r e g i s t r portu B: polovina vy ´ s t u p n´ı , p o l o v i n a v s t u p n´ı DDRD = 0 xF0 ;

5

// n a s t a v e n´ı pˇr e d d ˇe l i ˇc k y 1024 pro ˇc a s o v aˇc 0 TCCR0 |= ( 1<
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

}

Zdrojov´ y k´ od 6.6: Testov´ an´ı hodnoty jednoho bitu v kontroln´ıch registrech. 1 2 3 4 5

// j e − l i b i t ”b” v r e g i s t r u ” r e g ” roven 1 , v y k o n e j n ´ a s l e d u j´ı c´ı k´ od // r e g − l i b o v o l n y ´ ˇr ´ı d i c´ı r e g i s t r i f ( bit_is_set ( reg , b ) ) { ... }

6 7 8 9 10 11

// j e − l i b i t ”b” v r e g i s t r u ” r e g ” roven 0 , v y k o n e j n ´ a s l e d u j´ı c´ı k´ od // r e g − l i b o v o l n y ´ ˇr ´ı d i c´ı r e g i s t r i f ( bit_is_clear ( reg , b ) ) { ... }

Zdrojov´ y k´ od 6.7: Cyklus s testov´ an´ım hodnoty jednoho bitu v kontroln´ıch registrech. 1 2 3 4 5

// opakuj , pokud j e b i t ”b” v r e g i s t r u ” r e g ” roven 1 // r e g − l i b o v o l n y ´ ˇr ´ı d i c´ı r e g i s t r loop_until_bit_is_set ( reg , b ) { ... }

6 7 8 9 10 11

// opakuj , pokud j e b i t ”b” v r e g i s t r u ” r e g ” roven 0 // r e g − l i b o v o l n y ´ ˇr ´ı d i c´ı r e g i s t r loop_until_bit_is_clear ( reg , b ) { ... }

pˇreruˇsen´ı. Obsluhy pˇreruˇsen´ı pˇredstavuj´ı vˇzdy makra s názvem ISR (anglicky: Interrupt Service Routine) se vstupn´ım parametrem, kter´ y identifikuje zdroj pˇreruˇsen´ı. Zdroje pˇreruˇsen´ı pro mikrokontrolér ATmega16 jsou uvedeny v tabulce 6.1. Globáln´ı povolen´ı pˇreruˇsen´ı je pro pˇrekladaˇc gcc-avr definov´ ano funkc´ı sei(). Uk´ azka aplikace, vyuˇz´ıvaj´ıc´ı dvoj´ıho pˇreruˇsen´ı: extern´ı zdroj pˇreruˇsen´ı a pˇreruˇsen´ı po dokonˇcen´ı A/D pˇrevodu, je uvedena ve v´ ypise 6.8.


51

Zdrojov´ y k´ od 6.8: Aplikace s pˇreruˇsen´ım v jazyce C. 1 2

#include #include

// h l a v iˇc k o v y ´ s o u b o r m i k r o k o n t r o lé r u // h l a v iˇc k o v y ´ s o u b o r pro pˇr e r uˇs e n´ı

ISR ( INT0_vect ) { ... }

// o b s l u h a e x t e r n´ıh o pˇr e r uˇs e n i INT0 ; v i z t a b u l k a 6.1 // k´ o d o b s l u h y pˇr e r uˇs e n´ı

ISR ( ADC_vect ) { ... }

// o b s l u h a pˇr e r uˇs e n´ı A/D pˇr e v o d n´ık u ; v i z t a b u l k a 6.1 // k´ o d o b s l u h y pˇr e r uˇs e n´ı

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

i n t main ( void ) { ... sei ( ) ; ... }

// k´ o d h l a v n´ı f u n k c e // g l o b a ´ l n´ı p o v o l e n´ı pˇr e r uˇs e n´ı

Tabulka 6.1: Parametry makra obsluhy pˇreruˇsen´ı ISR() pro ATmega16. ˇ C.

Adresa

1

0x0000

2

0x0002

INT0 vect


3

0x0004

INT1 vect

4

0x0006

TIMER2 COMP vect


5

0x0008

TIMER2 OVF vect

6

0x000A

TIMER1 CAPT vect

7

0x000C

TIMER1 COMPA vect

8

0x000E

TIMER1 COMPB vect

9

0x0010

TIMER1 OVF vect

ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 2 – pˇreteˇcen´ı. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 1 – zachycen´ı. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 1 – shoda s komparátorem A. ˇ Casovaˇc/ˇc´ıtaˇc 1 – shoda s komparátorem B. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 1 – pˇreteˇcen´ı.

10

0x0012

TIMER0 OVF vect

ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 0 – pˇreteˇcen´ı.

11

0x0014

SPI STC vect

Dokonˇcen´ı sériového pˇrenosu SPI.

12

0x0016

USART RXC vect

USART – kompletn´ı pˇr´ıjem dat.

13

0x0018

USART UDRE vect

USART – prázdn´ y datov´ y registr.

14

0x001A

USART TXC vect

USART – kompletn´ı vyslán´ı dat.

15

0x001C

ADC vect

ADC – dokonˇcen´ı A/D pˇrevodu.

16

0x001E

EE RDY vect

EEPROM – komunikace pˇripravena.

17

0x0020

ANA COMP vect


18

0x0022

TWI vect

Událost na sériové sbˇernici I2C.

19

0x0024

INT2 vect

20

0x0026

TIMER0 COMP vect


21

0x0028

SPM RDY vect

Uloˇzen´ı do programové pamˇeti pˇripraveno.

6.4

Parametr v C (GCC)

Popis pˇ reruˇ sen´ı Extern´ı reset, pˇripojen´ı napájen´ı, . . .

Kombinace jazyka symbolick´ ych adres a C

Programov´ an´ı ve vyˇsˇs´ım jazyce je obecnˇe pohodlnˇejˇs´ı, rychlejˇs´ı a kód je snáze pˇrenositeln´ y mezi platformami. Ovˇsem také zpravidla zab´ırá v´ıce m´ısta v pamˇeti, proto je i jeho v´ ykon pomalejˇs´ı.

52


Pracovn´ı registry 7

0

R8 R9

R22 R23 v´ yst hodnota

{

R24 R25

} } }

vst param 8

vst param 1

vst param 0

Obr´ azek 6.4: Pˇred´ av´ an´ı parametr˚ u/v´ ystupn´ı hodnoty mezi kódem v jazyce C a JSA pro mikrokontrolér AVR. Bˇeˇznou prax´ı je tvorba aplikace v jazyce C (plat´ı bezezbytku u v´ıce-bitov´ ych procesor˚ u), pouze exponované ˇc´ asti programu, kde je nutné m´ıt pˇrehled o poˇctu instrukc´ı, rychlosti v´ ykonu, ˇci konkrétn´ı funkci se tvoˇr´ı v JSA. Proto existuj´ı zp˚ usoby jak zdrojové kódy kombinovat. Pro jednoduché vkl´ ad´ an´ı instrukc´ı do zdrojového kódu je moˇzné pouˇz´ıt funkci asm() pˇrekladaˇce gcc-avr. Tato funkce m´ a jeden vstupn´ı parametr, kter´ y pˇredstavuje ˇretˇezec instrukc´ı, oddˇelen´ ych \n. Pˇr´ıklad tohoto principu, spoleˇcnˇe s pˇreloˇzen´ ym kódem je uveden ve v´ ypisu kódu 6.9. Zdrojov´ y k´ od 6.9: Vkl´ ad´ an´ı instrukc´ı do v´ ysledného kódu prostˇrednictv´ım funkce asm(). 1 2 3 4 5 6 7

asm ( ”LDI R16 , 255\ n DEC R16\n BRNE PC−1\n” ) ; asm ( ” SEI ” ) ; // pˇr i k o m p i l a c i z d r o j o vé h o k´ o du s e v l o ˇz´ı n a ´ s l e d u j´ı c´ı i n s t r u k c e : // LDI R16 , 255 // DEC R16 // BRNE PC−1 // SEI

Situace je komplikovanˇejˇs´ı, je-li nutné pˇredávat parametry/hodnoty promˇenn´ ych mezi jazykem C a niˇzˇs´ım jazykem symbolick´ ych adres. Typicky se pˇredávaj´ı parametry z jazyka C do podprogramu v JSA, kter´ y je zpracuje a následnˇe vrac´ı jedinou hodnotu zpˇet do jazyka C. Pˇredáván´ı parametr˚ u mezi funkcemi v JSA a hlavn´ı aplikac´ı v C je moˇzné pomoc´ı pˇredem urˇcen´ ych registr˚ u. Pˇrekop´ırov´ an´ı hodnot parametr˚ u/návratové hodnoty do/z registr˚ u zajiˇst’uje pˇrekladaˇc. Je moˇzné tak pouˇz´ıt aˇz devˇet vstupn´ıch parametr˚ u funkce, kde prvn´ı vstupn´ı parametr je vˇzdy v registrovém p´ aru R25:R24, druh´ y vstupn´ı parametr v registrech R23:R22, atd. Posledn´ı vstupn´ı parametr (dev´ at´ y) je uloˇzen v registrech R9:R8. Návratovou hodnotu funkce mus´ı programátor pˇred ukonˇcen´ım rutiny uloˇzit do registrového páru R25:R24, jak ukazuje obrázek 6.4. Pokud je promˇenn´ a, jej´ıˇz hodnota se pˇredává, deklarována jako 8bitová, jsou vyuˇzity vˇzdy jen niˇzˇs´ı registry uveden´ ych p´ ar˚ u. Jednoduchá aplikace kombinuj´ıc´ı funkce v jazyce C i v jazyce symbolick´ ych adres je pops´ ana v pˇr´ıloze B.6.


7

53

Ovl´ ad´ an´ı zobrazovac´ıch zaˇ r´ızen´ı

7.1

Pˇ r´ım´ e propojen´ı s MCU

Základn´ım zobrazovac´ım zaˇr´ızen´ı embedded systém˚ u jsou LED diody, pˇr´ıp. 7segmentov´ y LED displej. Pˇr´ımé propojen´ı LED diod k I/O port˚ um mikrokontrolér˚ u a jejich ovládán´ı bylo pops´ ano v kapitole 4.1. Kombinac´ı vˇetˇs´ıho poˇctu LED diod do panelu, pásku, ˇci do symbol˚ u, mohou vzniknout LED panely, ˇci 7segmentové displeje. Uvaˇzujeme-li takov´ yto displej pro jedin´ y symbol s binárn´ı teˇckou, je k pˇr´ımému propojen´ı s I/O portem mikrokontroléru potˇreba vyˇclenit pr´ avˇe 8 pin˚ u (1×7 segment˚ u + 1 teˇcka). Velmi ˇcasto se takového symboly sdruˇzuj´ı do vˇetˇs´ıch displej˚ u. Pˇr´ımé propojen´ı vˇsech aktivn´ıch prvk˚ u displeje s ˇr´ıdic´ım obvodem by bylo neefektivn´ı. Bˇeˇznˇe se odpov´ıdaj´ıc´ı sv´ıtic´ı segmenty vˇsech symbol˚ u (u displeje se spoleˇcnou anodou – common anode – jsou to katody, u displeje se spoleˇcnou katodou – common cathode – jsou to anody) pˇripojuj´ı na identické ˇr´ıdic´ı piny procesoru (pˇr´ıp. jiného ˇr´ıdic´ıho obvodu). Pro odliˇsen´ı jednotliv´ ych symbol˚ u zobrazovaného ˇretˇezce jsou spoleˇcné v´ yvody segment˚ u postupnˇe sp´ınány tak, ˇze v daném okamˇziku je pˇripojen k nap´ ajec´ımu napˇet´ı vˇzdy jen jeden symbol. Na obrázku 7.1 jsou sp´ınac´ı prvky pˇripojeny na piny PC7 aˇz PC2 (celkem tedy 6 symbol˚ u), zat´ımco jednotlivé sv´ıtic´ı segmenty jsou pˇripojeny k portu A. Pro n symbol˚ u tedy vyuˇzijeme 8+n v´ ystupn´ıch pin˚ u procesoru. Rychlost sp´ın´ an´ı tranzistor˚ u je v ˇr´ adech des´ıtek milisekund. Pouˇzijeme-li analogii z televizn´ı techniky, sn´ımkové frekvenci 50 Hz odpov´ıdá doba pˇrep´ınán´ı 20 ms, sn´ımkové frekvenci 25 Hz je doba trván´ı jednoho sn´ımku 40 ms.

PC7

PC2

PA3

PA3

PA4 A1

PA2

PA4 A1

PA2

PA7

PA5

PA7

PA5

A6

A6

PA0

PA0

Obr´ azek 7.1: Zapojen´ı 7segmentového displeje v laboratoˇri Mikroprocesorové techniky; 6 symbol˚ u.

7.2

Znakov´ e LCD displeje

Univerzáln´ım a nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ım zobrazovac´ım zaˇr´ızen´ım v embedded aplikac´ıch je LCD znakov´ y displej. Vˇetˇsina znakov´ ych LCD displej˚ u obsahuje ˇr´ıdic´ı obvod HD44780 firmy Hitachi (pˇr´ıp. jeho derivát), prostˇrednictv´ım kterého je moˇzné s displejem komunikovat. Tento ”ˇradiˇc” obsahuje jak znakovou sadu i instrukce pro ovládán´ı. Komunikace prob´ıhá pomoc´ı 8 datov´ ych sign´ al˚ u (DB7 − DB0) a je ˇr´ızena 3 ˇr´ıdic´ımi signály (RS, R/W a E). Kaˇzd´ y z ˇr´ıdic´ıch signál˚ u má sv˚ uj konkrétn´ı v´ yznam. Sign´ al RS identifikuje, zda se po datové sbˇernici pˇrenáˇs´ı instrukce nebo data, která se maj´ı na displeji zobrazit. Plat´ı-li v okamˇziku vzorkován´ı, ˇze RS = 0, pak je pˇrenáˇsena instrukce pro ˇr´ıdic´ı obvod (napˇr. pro smazán´ı obsahu displeje, ˇci pro inicializaci komunikace; seznam nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ıch instrukc´ı je uveden v tabulce 7.1). Je-li RS = 1, pak hodnoty datov´ ych signál˚ u odpov´ıdaj´ı symbolu, kter´ y se má zobrazit na aktuáln´ı pozici kurzoru, nebo uloˇzit do pamˇeti displeje. Druh´ y ˇr´ıdic´ı sign´ al R/W je roven 0 v okamˇziku, kdy chceme pˇrenáˇset instrukce/data do y, tj. z displeje ˇcteme data do mikrokontroléru. displeje a pro R/W = 1 je pˇrenos dat opaˇcn´ Vzhledem k tomu, ˇze LCD displej je primárnˇe urˇcen k zobrazován´ı dat a u ´daj˚ u, b´ yvá tento

54


Tabulka 7.1: Vybrané pˇr´ıkazy HD44780 pro komunikaci s LCD displejem. RS

R/W

DB7 : DB0

Popis instrukce

0

0

0000 0001

Smaz´ an´ı displeje.

0

0

0000 001x

N´ avrat kurzoru na pozici (0,0).

0

0

0000 01IS

Nastaven´ı posuvu kurzoru. I: inkrementace pozice kurzoru. S: posuv displeje.

0

0

0000 1DCB

Zapnut´ı displeje/kurzoru. D: zapnut´ı displeje. C: zobrazen´ı kurzoru. B: blikán´ı kurzoru.

0

0

001L NFxx

Nastaven´ı rozliˇsen´ı. L=1(0): nastaven´ı 8(4)bitové komunikace. N=1(0): dva(jeden) ˇrádky displeje. F=1(0): velikost fontu 5×10(5×7).

0

0

01 cgram

Nastaven´ı adresy cgram v CGRAM segmentu.

1

0

data

1

1

data

Z´ apis dat do pamˇeti CGRAM. Zobrazen´ı znaku z adresy data. ˇ Cten´ ı dat z pamˇeti CGRAM. ˇ Cten´ı dat z adresy data.

signál v nˇekter´ ych aplikac´ıch trvale pˇripojen na u ´roveˇ n log. 0 (zem). Uˇsetˇr´ı se tak jeden ze signál˚ u pro komunikaci s displejem. Posledn´ım ˇr´ıdic´ım sign´ alem je povolovac´ı signál E (Enable), kter´ y synchronizuje celou komunikaci. Sestupn´ a hrana kladného pulzu tohoto signálu urˇcuje okamˇziky vzorkován´ı, tj. ˇcten´ı stav˚ u datové sbˇernice i zb´ yvaj´ıc´ıch ˇr´ıdic´ıch signál˚ u. Pro spolehlivou komunikaci pˇritom plat´ı podm´ınka, ˇze vˇsechny stavy mus´ı b´ yt ustáleny jiˇz pˇred nástupnou hranou signálu E. Minimáln´ı doba trván´ı kladného pulzu je typicky tˇri takty hodinového signálu ˇr´ıdic´ıho mikrokontroléru. Ten jedin´ y také m˚ uˇze ovl´ adat sign´ aly na ˇr´ıdic´ı sbˇernici LCD displeje. Existuj´ı dva z´ akladn´ı zp˚ usoby datové komunikace mezi LCD a mikrokontrolérem. Prvn´ı vyuˇz´ıvá pln´ y poˇcet datov´ ych pin˚ u (oznaˇcován jako 8bitová komunikace), druh´ y zp˚ usob pak vyˇzaduje poloviˇcn´ı poˇcet datov´ ych vodiˇc˚ u (4bitová komunikace). V tomto pˇr´ıpadˇe se u LCD vyuˇz´ıvá jen horn´ı polovina datov´ ych pin˚ u DB7 aˇz DB4 a pˇrenos dat (která jsou vˇzdy 8bitov´ a) se provád´ı v ˇcasovém multiplexu: nejprve se vyˇsle horn´ı nibl, následnˇe doln´ı. Obˇe poloviny jsou ˇr´ızeny samostatn´ ym pulzem ˇr´ıdic´ıho signálu E. Tento zp˚ usob propojen´ı je vyuˇzit také na v´ yvojové desce pro poˇc´ıtaˇcov´ a cviˇcen´ı pˇredmˇetu Mikroprocesorová technika a embedded systémy (viz obr´ azek 7.2). V´ ybˇer typu komunikace se provád´ı pˇri inicializaci LCD displeje (viz tabulka 7.1). Uk´ azka ˇcasov´ ych pr˚ ubˇeh˚ u na vˇsech vodiˇc´ıch pˇri pˇrenosu instrukce 0xF0 do LCD je zobrazena na obr´ azku 7.3.

Obr´ azek 7.2: Datové a ˇr´ıdic´ı sign´ aly LCD displeje pˇri 4bitové komunikaci.


RS

55

RS

R/W

R/W 0xF0

0xF

D7 : 0

D7 : 4

E

E

(a)

0x0

(b)

Obr´ azek 7.3: Z´ apis instrukce 0xF0 do LCD displeje prostˇrednictv´ım: (a) 8bitové a (b) 4bitové komunikace. V´ yhodou LCD displej˚ u s obvodem HD44780 je také pˇr´ıtomnost znakové sady ve vnitˇrn´ı pamˇeti ˇradiˇce, tj. program´ ator nemus´ı specifikovat jaké pixely maj´ı b´ yt sepnuty, chce-li napˇr´ıklad zobrazit znak A. Veˇskeré znaky jsou zobrazovány jako matice 5×8 obrazov´ ych bod˚ u (vˇetˇsina znak˚ u je menˇs´ıch). Kromˇe dostupn´ ych znak˚ u (viz obrázek C.1 v pˇr´ıloze C) je moˇzné definovat aˇz 8 uˇzivatelsk´ ych znak˚ u v pamˇet’ovém segmentu s oznaˇcen´ım CGRAM (Character Generator RAM). Kapacita tohoto segmentu je 64×8 a je namapován na poˇcátek celé znakové sady. Postup vytvoˇren´ı a pouˇzit´ı vlastn´ıch symbol˚ u je popsán v poˇc´ıtaˇcov´ ych cviˇcen´ıch pˇredmˇetu. Dle v´ yˇse popsaného zp˚ usobu lze naprogramovat komunikaci mezi LCD a mikrokontrolérem v libovolném programovac´ım jazyce. Zˇrejmou v´ yhodou vyˇsˇs´ıch jazyk˚ u je vˇetˇs´ı dostupnost jiˇz hotov´ ych knihoven pro jednotlivé periférie. Pro mikrokontroléry AVR tak lze pouˇz´ıt napˇr. knihovnu od Petera Fleuryho [Fle06]. Ta obsahuje zdrojov´ y soubor *.c a hlaviˇckov´ y soubor *.h, které staˇc´ı pˇridat do projektu. Pro práci s displejem pak staˇc´ı volat funkce s pˇr´ıpadn´ ym parametrem. Soupis nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ıch funkc´ı z knihovny LCD je uveden v tabulce 7.2. Kostra aplikace zobrazuj´ıc´ı statick´ y text je uvedena ve v´ ypise 7.1. Tabulka 7.2: Soupis vybran´ ych funkc´ı z knihovny pro LCD. N´ azev funkce

Popis funkce

lcd init() ;

Inicializace LCD displeje.

lcd clrscr() ;

Smaz´ an´ı obsahu LCD displeje.

lcd gotoxy( 0, 2 ) ;

Pˇresun kurzoru na pozici (0, 2), tj. 1. sloupec, 3. ˇrádek.

lcd putc( ’A’ ) ;

Zobrazen´ı znaku A.

lcd puts( "BMPT" ) ;

Zobrazen´ı ˇretˇezce znak˚ u BMPT.

lcd command( 0x40 ) ;

Z´ apis 1bytové instrukce 0x40 do LCD displeje.

lcd data( 0x0A ) ;

Z´ apis 1bytov´ ych dat 0x0A do LCD displeje.

56


Zdrojov´ y k´ od 7.1: Pouˇzit´ı knihovny v jazyce C pro komunikaci se znakov´ ym LCD displejem. 1 2

#include #include ” l c d h . h”

// h l a v iˇc k o v y ´ s o u b o r m i k r o k o n t r o lé r u // knihovna pro LCD

i n t main ( void ) {

// h l a v n´ı f u n k c e a p l i k a c e

3 4 5 6 7 8 9

lcd_init ( ) ; lcd_clrscr ( ) ; lcd_gotoxy ( 4 , 1 ) ; lcd_puts ( ” H e l l o LCD” ) ;

// // // //

i n i c i a l i z a c e komunikace s d i s p l e j e m smaz´ a n´ı obsahu d i s p l e j e pˇr e s u n k u r z o r u na p o z i c i 5 . s l o u p c e a 2 . ˇra ´ dku t i s k ˇr e t ˇe z c e na d i s p l e j i

while ( 1 ) ; return ( 1 ) ;

// nekoneˇc n´ a smyˇcka // v y ´ s t u p n´ı hodnota f u n k c e = 1

10 11 12 13

}


8 8.1

57

Zpracov´ an´ı analogov´ ych sign´ al˚ u A/D pˇ revodn´ık

MCU umoˇzn ˇuje zpracov´ avat vstupn´ı analogové signály pomoc´ı intern´ıho A/D pˇrevodn´ıku a analogového kompar´ atoru. A/D pˇrevodn´ık (Analog to Digital Converter) pˇrevád´ı velikost analogového vstupn´ıho napˇet´ı na nbitovou digitáln´ı hodnotu. Mikrokontrolér ATmega16 obsahuje 8kanálov´ y (piny PA0 aˇz PA7), 10bitov´ y pˇrevodn´ık. Pˇrevedená binárn´ı hodnota je uloˇzena v registrovém p´ aru ADCH:L (ADC Data Register) ve formˇe dvojkového doplˇ nku a to z toho d˚ uvodu, ˇze pˇrevádˇen´ a napˇet´ı mohou b´ yt jak kladná, tak i záporná. D˚ uvodem je fakt, ˇze vstupn´ı u ´roveˇ n je brána bud’ v˚ uˇci zemi, nebo lze pˇrevádˇet diferenˇcn´ı hodnotu dvou vstupn´ıch kanál˚ u a to vˇcetnˇe nastavitelného zes´ılen´ı – pr´ avˇe v tomto pˇr´ıpadˇe m˚ uˇze b´ yt rozd´ıl dvou analogov´ ych hodnot záporn´ y. Minim´ aln´ı pˇrev´ adˇen´ a hodnota v˚ uˇci zemi je 0 V a maximáln´ı hodnota je dána hodnotou referenˇcn´ıho napˇet´ı VREF . Z d˚ uvodu niˇzˇs´ıho odbˇeru je A/D pˇrevodn´ık v MCU vypnut. Pro pouˇzit´ı je tedy nutné ho povolit. A/D pˇrevodn´ık m˚ uˇze pracovat v nˇekolika reˇzimech: (a) jednoduch´ y pˇrevod (Single Conversion), kdy se pˇrevede hodnota jediného vzorku, poté je pˇrevod zastaven, (b) voln´ y bˇeh (Free Running), kdy je pˇrevod prov´ adˇen neustále (jeden je ukonˇcen, druh´ y spuˇstˇen) a (c) automatické spouˇstˇen´ı (Auto Triggering). Pˇri tomto reˇzimu zahajuje A/D pˇrevod speciáln´ı událost (napˇr. extern´ı pˇreruˇsen´ı, zmˇena hodnoty komparátoru, pˇreteˇcen´ı ˇcasovaˇce, komparace ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce, . . .). Pˇrevod je v tomto pˇr´ıpadˇe zah´ ajen nábˇeˇznou hranou vybraného signálu; pokud pˇrijde nov´ a nábˇeˇzná hrana a pˇredchoz´ı pˇrevod jeˇstˇe nen´ı dokonˇcen, pak je ignorována. (Umoˇzn ˇuje zahájen´ı pˇrevodu v konstantn´ıch intervalech.) Po dokonˇcen´ı A/D pˇrevodu je v´ ysledek zapsán do datov´ ych registr˚ u A/D pˇrevodn´ıku, tj. do ADCH:L a souˇcasnˇe je moˇzné generovat pˇreruˇsen´ı (pro ATmega16 – vektor 0x01C). Blokové schéma intern´ıho A/D pˇrevodn´ıku ATmega16 je zobrazeno na obrázku 8.1. Intern´ı A/D pˇrevodn´ık potˇrebuje pro 10bitov´ y pˇrevod hodinov´ y signál o frekvenci fADC ˇ ıdic´ı frekvence m˚ od 50 kHz do 200 kHz. R´ uˇze b´ yt i vˇetˇs´ı, pokud je postaˇcuj´ıc´ı niˇzˇs´ı rozliˇsen´ı neˇz 10bitové. Tento hodinov´ y sign´ al je odvozen od ˇr´ıd´ıc´ıho signálu jádra mikrokontroléru fCP U s pouˇzit´ım pˇreddˇeliˇcky o definovan´ ych hodnotách 2, 4, 8, 16, 32, 64 a 128. Doba dokonˇcen´ı A/D pˇrevodu z´ avis´ı na zvoleném reˇzimu, pˇriˇcemˇz pˇrevod prvn´ı hodnoty trvá déle neˇz vˇsechny následuj´ıc´ı – je nutné provést inicializaci vnitˇrn´ıch obvod˚ u jednotky. Celková doba pˇrevodu se skládá z doby navzorkov´ an´ı analogového signálu a samotného pˇrevodu, vˇcetnˇe uloˇzen´ı do datov´ ych registr˚ u. Navzorkov´ an´ı prvn´ıho vzorku vstupn´ıho signálu (sample & hold) trvá pr´ avˇe 13,5 A/D cykl˚ u a n´ asledn´ y pˇrevod potˇrebuje dalˇs´ıch 11,5 takt˚ u. Dokonˇcen´ı prvn´ıho pˇrevodu vˇcetnˇe inicializace analogov´ ych obvod˚ u tak trvá 25 hodinov´ ych cykl˚ u A/D pˇrevodn´ıku, jak naznaˇcuje obr´ azek 8.2. Navzorkov´ an´ı vˇsech n´ asleduj´ıc´ıch vzork˚ u trvá uˇz jen 1,5 cykl˚ u, tj. cel´ y proces konverze hodnoty na bin´ arn´ı ˇc´ıslo trv´ a pr´ avˇe 13 cykl˚ u, jak naznaˇcuje obrázek 8.3. Uvaˇzujeme-li doporuˇcen´ y rozsah frekvenc´ı fADC , vypl´ yv´ a n´ am ˇze maximáln´ı vzorkovac´ı frekvence jednoho kanálu je 3,8 kS/s (fADCmin = 50 kHz) a 15,3 kS/s pˇri maximáln´ı frekvenci fADCmax = 200 kHz. Pˇri respektován´ı pomˇeru mezi vzorkovac´ı a maximáln´ı pouˇzitou frekvenc´ı vstupn´ıho analogového sign´ alu zjist´ıme, ˇze intern´ı A/D pˇrevodn´ık mikrokontroléru ATmega16 lze s u ´spˇechem pouˇz´ıt pro pˇrevod ˇreˇcového sign´ alu, pˇr´ıp. frekvenˇcnˇe omezeného signálu hudebn´ıho. Z vnitˇrn´ıho uspoˇr´ ad´ an´ı A/D pˇrevodn´ıku (obrázek 8.1) plyne, ˇze v´ ybˇer kanálu, jehoˇz analogov´ y sign´ al se bude pˇrev´ adˇet, zprostˇredkuje kontroln´ı registr ADMUX (ADC Multiplexer Selection Register). (Tento registr také specifikuje referenˇcn´ı napˇet´ı pˇrevodn´ıku.) Chceme-li vyuˇz´ıvat intern´ı A/D pˇrevodn´ık k pˇrevodu signál˚ u z v´ıce odliˇsn´ ych zdroj˚ u/vodiˇc˚ u, je nutné pomoc´ı tohoto registru postupnˇe dané kanály pˇrep´ınat/stˇr´ıdat. Necht’ aplikace obsahuje tˇr´ıos´ y akcelerometr s analogov´ ym v´ ystupem; napˇr. MMA7361 firmy Freescale. Tento integrovan´ y obvod umoˇzn ˇuje vyhodnocovat zrychlen´ı (vˇcetnˇe gravitaˇcn´ıho)

58


Figure 98. Analog to Digital Converter Block Schematic ADC CONVERSION COMPLETE IRQ

INTERRUPT FLAGS ADTS[2:0]

0

TRIGGER SELECT

ADC[9:0]

ADC DATA REGISTER (ADCH/ADCL) ADPS0

ADPS1

ADIF

ADPS2

ADEN

ADSC

ADATE

MUX1

15

ADC CTRL. & STATUS REGISTER (ADCSRA) MUX0

MUX3

MUX2

MUX4

ADLAR

REFS1

REFS0

ADC MULTIPLEXER SELECT (ADMUX)

ADIE

ADIF

8-BIT DATA BUS

AVCC

PRESCALER START

GAIN SELECTION

CHANNEL SELECTION

MUX DECODER

CONVERSION LOGIC

INTERNAL 2.56V REFERENCE

SAMPLE & HOLD COMPARATOR

AREF

10-BIT DAC

+

GND

BANDGAP REFERENCE ADC7

SINGLE ENDED / DIFFERENTIAL SELECTION ADC6 ADC5

ADC MULTIPLEXER OUTPUT

POS. INPUT MUX

ADC4 ADC3 +

ADC2

GAIN AMPLIFIER

ADC1 ADC0

NEG. INPUT MUX

The ADC converts an analog input voltage to a 10-bit digital value through successive Obr´ azek 8.1: Blokové schéma intern´ıho A/D pˇrevodn´ıku mikrokontroléru ATmega16 (pˇrevzato approximation. The minimum value represents GND and the maximum value represents zthe [Atm16]). voltage on the AREF pin minus 1 LSB. Optionally, AVCC or an internal 2.56V reference voltage may be connected to the AREF pin by writing to the REFSn bits in the ADMUX Register. The internal voltage reference may thus be decoupled by an external capacitor at the AREF pin to improve noise immunity.

ve tˇrech, na sobˇe kolm´ ych smˇerech. Velikost napˇet´ı na jednotliv´ ych v´ ystupech koresponduje The analog input channel and differential gain are selected by writing to the MUX bits in s ADMUX. velikost´ ı zrychlen´ ı v dan´ e m smˇ e ru. Chceme-li tyto hodnoty vyhodnocovat v mikrokontroléru Any of the ADC input pins, as well as GND and a fixed bandgap voltage reference, can be selected singlepˇ ended inputs thenutn´ ADC. eA selection input pins pomoc´ ı intern´ ıho as A/D revodn´ ıku,toje provádˇeoft ADC vzorkov´ an´ı tˇr´ı kanál˚ u v ˇcasovém mulcan be selected as positive and negative inputs to the differential gain amplifier. tiplexu. Nejprve se v registru ADMUX nastav´ı prvn´ı kanál (napˇr. v ose x), spust´ı se A/D pˇrevod are selected, differential gainStatus stage amplifies the voltage (vIf differential registru channels ADCSRA – ADCtheControl and Register A) podif-jehoˇz dokonˇcen´ı se spust´ı obference between the selected input channel pair by the selected gain factor. This sluha pˇreruˇsen´ı. V této obsluze je moˇzné pˇrevedenou hodnotu dále zpracovávat, pˇredevˇs´ım je ale nutné zamˇenit vstupn´ı kan´ al (pomoc´ı ADMUX), zahájit pˇrevod, atd. Zdrojov´ y kód takovéto aplikace je uveden v pˇr´ıloze B.7. Tmega16(L) Jak jiˇz bylo uvedeno, nbitov´ y jednoduch´ y A/D pˇrevod konvertuje vstupn´ı napˇet´ı lineálnˇe 2466M–AVR–04/06 mezi GN D a VREF v 2n kroc´ıch (tj. vyuˇz´ıvá hladiny 0 aˇz 2n −1). Mezi pˇrevedenou hodnotou a vstupn´ım napˇet´ım plat´ı pro jednoduch´ y pˇrevod následuj´ıc´ı vztah: ADCH:L =

VIN · (2n − 1), VREF

(8.1)

kde VIN pˇredstavuje pˇrev´ adˇenou hodnotu napˇet´ı na zvoleném vstupn´ım pinu a VREF je zvolené referenˇcn´ı napˇet´ı. Pro diferenˇcn´ı pˇrevod plat´ı vztah: ADCH:L =

VP OS − VN EG · (2n−1 − 1) · GAIN, VREF

(8.2)

source signal. Three additional CPU clock cycles are used for synchronization logic. When using Differential mode, along with Auto triggering from a source other than the ADC Conversion Complete, each conversion will require 25 ADC clocks. This is because the ADC must be disabled and re-enabled after every conversion. In Free Running mode, a new conversion will be started immediately after the conver-

Fakulta elektrotechniky a komunikaˇ cn´ıch technologi´ ı VUT vtimes, Brnˇesee sion completes, while ADSC remains high. For a summary of conversion

59

Table 81. Figure 101. ADC Timing Diagram, First Conversion (Single Conversion Mode) Next Conversion

First Conversion

Cycle Number

1

2

12

13

14

16

15

17

18

19

20

21

22

23

24

25

1

2

3

ADC Clock ADEN ADSC ADIF ADCH

MSB of Result

ADCL

LSB of Result

MUX and REFS Update

Conversion Complete

Sample & Hold

MUX and REFS Update

Obr´ azek 8.2: Doba pˇrevodu prvn´ıho vzorku A/D pˇrevodn´ıku (pˇrevzato z [Atm16]). Figure 102. ADC Timing Diagram, Single Conversion One Conversion

Cycle Number

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Next Conversion 10

11

12

13

1

2

3

ADC Clock ADSC ADIF

4/06

ADCH

MSB of Result

ADCL

LSB of Result Sample & Hold MUX and REFS Update

Conversion Complete

209

MUX and REFS Update

Figure 103. ADC Timing Diagram, Auto Triggered Conversion

Obr´ azek 8.3: Doba pˇrevodu Onedruh´ eho a následuj´ıc´ıch vzork˚ u A/D pˇrevodn´ıku (pˇrevzato Conversion Next Conversion z Cycle [Atm16]). 2 3 4 5 6 7 8 1 10 11 12 13 9 1 2 Number ADC Clock Trigger Source kde VP OS je napˇet´ı na neinvertuj´ıc´ım vstupn´ım pinu, VN EG je napˇet´ı na invertuj´ıc´ım vstupn´ım ADATE pinu (viz blokové schéma A/D pˇrevodn´ıku na obrázku 8.1) a GAIN pˇredstavuje zvolené zes´ılen´ı ADIF (1, 10, 200×). V´ ysledek je reprezentován ve dvojkov´ em doplˇ nku, tj. pro 10bitové vyjádˇren´ı se ADCH MSB of Result jedn´ a o hodnoty od −512 do +511. ADCL LSB of Result Referenˇcn´ı napˇet´ı, Sample kter´ e figuruje ve vztaz´ıch (8.1) a (8.2) lze vybrat z následuj´ıc´ıch moˇznost´ı: Prescaler & Hold Conversion Prescaler Reset Complete (a) hodnota napˇ e t´ ı na pinu mikrokontrol´ e ru AREF, (b) u ´roveˇ n napájec´ıho napˇet´ı na pinu Reset MUX and REFS Update AVCC, nebo (c) vnitˇrn´ı zdroj reference o hodnotˇe 2,56 V. V´ ybˇer se provád´ı prostˇrednictv´ım bit˚ u REFS1:0 v kontroln´ ADMUX. Podrobnˇeji o intern´ım A/D pˇrevodn´ıku mikroFigure 104. ADC Timing Diagram,ım Freeregistru Running Conversion Conversion Conversion kontroléru ATmega16Onelze zjistit vNextkatalogov´ em listu [Atm16].

Cycle Number

8.2

11

12

13

1

2

3

4

Analogov´ y kompar´ ator ADC Clock

Dalˇs´ı moˇznost´ ı jak snadno zpˇr´ıstupnit analogové signály pro mikrokontroléry je analogov´ y komADSC parátor (Analog Comparator). Stejnˇ e jako A/D pˇ r evodn´ ık, je i kompar´ a tor bˇ e ˇ z nou perif´ eri´ı ADIF vˇetˇsiny 8bitov´ ych mikrokontrolér˚ u. Funkce komparátoru je porovnávat analogovou hodnotu na MSB of Result neinvertovanéADCH m vstupu AIN0 s hodnotou na vstupu invertovaném AIN1 (u ATmega16 jsou of Result to piny piny ADCL PB2 a PB3). PokudLSBplat´ ı, ˇze u ´roveˇ n napˇet´ı AIN0 > AIN1, v´ ystup komparátoru ACO = 1 (Analog Comparator Output). (Synchronizace v´ ystupu komparátoru a ACO bitu trv´ a Sample & Hold Conversion MUX and r REFS Complete u AVR 1 aˇz 2 takty j´ adra MCU.) Samozˇ ejmost´ı je generován´ı pˇreruˇsen´ı pˇri pˇreklopen´ı komUpdate parátoru z 1→0, z 0→1, nebo pˇri libovolné zmˇenˇe v´ ystupn´ı hodnoty komparátoru. Vnitˇrn´ı uspoˇrádán´ı analogového kompar´ atoru mikrokontroléru ATmega16 je zobrazeno na obrázku 8.4. Z obrázku je patrné, ˇze analogov´ y komparátor umoˇzn ˇuje kromˇe porovnáván´ı dvou vstupn´ıch signál˚ u z pin˚ u PB2 (AIN0) a PB3 (AIN1), pˇripojen´ı také jin´ ych signál˚ u (hodnot). Pro neinverATmega16(L) 2466M–AVR–04/06

omparator

The Analog Comparator compares the input values on the positive pin AIN0 and negative pin AIN1. When the voltage on the positive pin AIN0 is higher than the voltage on the negative pin AIN1, the Analog Comparator Output, ACO, is set. The comparator’s output can be set to trigger the Timer/Counter1 Input Capture function. In addition, the comparator can trigger a separate interrupt, exclusive to the Analog Comparator. The 60 can select Interrupt triggering on comparator output rise, fall or toggle. Mikroprocesorov´ a user A block diagram of the comparator and its surrounding logic is shown in Figure 97.

technika a embedded systémy

Figure 97. Analog Comparator Block Diagram(2) BANDGAP REFERENCE ACBG

ACME ADEN ADC MULTIPLEXER OUTPUT (1)

Notes:

See Table 80 on page 204. Obr´ a1. zek 8.4: Blokové schéma analogového komparátoru mikrokontroléru ATmega16 (pˇrevzato 2. Refer to Figure 1 on page 2 and Table 25 on page 58 for Analog Comparator pin z [Atm16]). placement.

ion IO Register – Bit

7

6

5

4

3

2

1

0

ADTS2 jeADTS1 ADTS0 – ACME PSR2 PSR10 SFIOR tovan´ y vstup to vnitˇ rn´ı zdroj napˇ et’ovéPUDu ´rovnˇ e o velikosti 1,23 V a pro invertovan´ y vstup lze Read/Write R/W R/W R/W R R/W R/W R/W R/W pˇ r ipojit libovoln´ y vstupn´ ı kan´ a l A/D pˇ r evodn´ ıku, tj. sign´ a ly z pin˚ u PA7:0 (ADC7:0). (Konkr´ etn´ı Initial Value 0 0 0 0 0 0 0 0 vstup nastavuje multiplexer A/D pˇrevodn´ıku.) • BitZ 3 –hlediska ACME: Analog Comparator programov´ an´ı Multiplexer jsou d˚ uleˇzEnable ité kontroln´ı registry, prostˇrednictv´ım kter´ ych lze periférii When this bitADSR is written one and the ADC is switched off (ADEN in ADCSRA is ovládat: – logic Analog Comparator Control and Status Register (napˇr. zapnut´ı periférie, pozero), the ADC multiplexer selects the negative input to the Analog Comparator. When volen´ reruˇslogic en´ı,zero, . . .), pˇr´ıp. SFIOR – negative Specialinput Function IO Register. Detaily o pouˇzit´ı analogového this bit isı pˇ written AIN1 is applied to the of the Analog Comparator. For a a detailed description this bit, seee “Analog Comparator Input” on kompar´ toru jsou opˇetofdostupn´ v katalogov´ em Multiplexed listu [Atm16].

page 204.

Tmega16(L) 2466M–AVR–04/06


9 9.1

61

ˇ ızen´ı s´ R´ eriov´ e komunikace Synchronn´ı a asynchronn´ı komunikace

Sériová komunikace umoˇzn ˇuje pˇrenos dat po jednom, pˇr´ıp. po nˇekolika málo vodiˇc´ıch v ˇcasovém multiplexu. V sériové komunikaci mezi mikrokontrolérem a I/O zaˇr´ızen´ım se pouˇz´ıvaj´ı dva typy pˇrenos˚ u: asynchronn´ı a synchronn´ı. Pˇri asynchronn´ı komunikaci m˚ uˇze vys´ılaˇc pos´ılat data v libovolném okamˇziku s libovolnˇe dlouhou pauzou mezi vyslan´ ymi daty (tj. doba, kdy vys´ılaˇc nevys´ılá nen´ı pˇredem zn´ ama). D´ ale plat´ı, ˇze hodinov´ y signál pˇrij´ımaˇce nen´ı pˇrenáˇsen spoleˇcnˇe s daty smˇerem k pˇrij´ımaˇci. U synchronn´ı komunikace vys´ılaˇc nepˇretrˇzitˇe vys´ılá data, která jsou obvykle pos´ıl´ ana ve skupin´ ach (bloc´ıch). Takovéto bloky jsou oddˇeleny synchronizaˇcn´ımi symboly, které slouˇz´ı k synchronizaci pˇrij´ımaˇce a t´ım ke správné interpretaci vyslan´ ych dat. V situaci, kdy vys´ılaˇc nem´ a k dispozici ˇz´ adn´ a data jsou vys´ılány jen synchronizaˇcn´ı symboly. Vˇetˇsina sériov´ ych pˇrenos˚ u dat prob´ıhá v mikroprocesorové technice asynchronnˇe, kdy je datov´ y signál rozdˇelen na ˇcasové intervaly pro jednotlivé bity (TB – bit time). V tˇechto intervalech je signál ust´ alen v hodnotˇe log. 1 nebo log. 0 a ke zmˇenˇe stavu m˚ uˇze doj´ıt pouze na zaˇcátku nebo na konci ˇcasového intervalu TB . Pˇri asynchronn´ı komunikaci mezi dvˇema zaˇr´ızen´ımi je struktura pˇrenáˇseného sign´ alu pevnˇe d´ ana, tj. tvoˇr´ı rámec, kter´ y se skládá ze start bitu, 5 aˇz 9 datov´ ych bit˚ u (v poˇrad´ı od LSB k MSB), volitelného paritn´ıho bit a stop bitu(˚ u). Stav sériové linky je v klidovém stavu ve vysoké u ´rovni. Start bit je tak vˇzdy reprezentov´ an stavem log. 0, voliteln´ y paritn´ı bit pˇredstavuje snadnou detekci jednoho chybného bitu. Pouˇz´ıv´ a se jak lich´ a (PO , Odd), tak i sud´ a (PE , Even) parita, která doplˇ nuje datové slovo na lich´ y/sud´ y poˇcet bit˚ u s hodnotou 1; paritu lze vypoˇc´ıst dle rovnic (9.1). PO = dM SB ⊕ . . . ⊕ dLSB ⊕ 1 a PE = dM SB ⊕ . . . ⊕ dLSB ⊕ 0,

(9.1)

kde dM SB pˇredstavuje hodnotu nejv´ yznamnˇejˇs´ıho bitu, dLSB hodnotu nejménˇe v´ yznamného bitu a operace ⊕ reprezentuje exkluzivn´ı souˇcet (modulo 2). Stop bit je vˇzdy ve stavu log. 1 a nejˇcastˇeji se pouˇz´ıvá jeden nebo dva, v´ yjimeˇcnˇe vˇsak i 1,5 bitu, kdy je doba trv´ an´ı stop bitu 1,5·TB . Mód komunikace se ˇcasto udává symbolicky, napˇr. 7E2 (7 datov´ ych bit˚ u, sud´ a parita, 2 stop bity), 8N1 (8 datov´ ych bit˚ u, bez parity, 1 stop bit), apod. Pˇr´ıklad ˇcasového pr˚ ubˇehu asynchronn´ıho rámce s módem 7E2 pro pˇrenos datového slova 0x4B je zobrazen na obr´ azku 9.1.

0

1

1

neˇcinn´ y stav start LSB

0

1

0

0

1

0

1

MSB parita stop

1 stop neˇcinn´ y stav

TB

Obr´ azek 9.1: Struktura asynchronn´ıho rámce pro mód 7E2 a pˇrenos datového slova 0x4B. M´ıra pˇrenosu dat je charakterizována (a) symbolovou rychlost´ı, která identifikuje jak ˇcasto m˚ uˇze doch´ azet ke zmˇenˇe datového signálu pˇri sériové komunikaci SR = Cas mezi1 prechody [Bd] a (b) bitovou rychlost´ı, kter´ a ud´ av´ a frekvenci s jakou jsou pˇrenáˇseny jednotlivé bity BR = 1 ı sériové komunikace je symbolová rychlost ˇc´ıselnˇe rovna bitové rychlosti TB [bit/s]. U asynchronn´ (jsou ale vyj´ adˇreny v odliˇsn´ ych jednotkách).

62


Obr´ azek 9.2: Princip paralelnˇe/sériového pˇrevodn´ıku.

Obr´ azek 9.3: Vnitˇrn´ı struktura jednotky UART.

9.2

Jednotka UART

Aritmeticko/logické jednotky mikroprocesor˚ u pracuj´ı vˇzdy s operandy s koneˇcn´ ym poˇctem bit˚ u. S t´ım souvis´ı také ˇs´ıˇrka datové sbˇernice. Chceme-li tedy taková data vys´ılat ˇci pˇrij´ımat sériovou podobou, mus´ı ˇc´ıslicov´ y systém obsahovat pˇrevodn´ık s paralelnˇe sériovou a sériovˇe paraleln´ı ´ funkc´ı. Ukolem takového pˇrevodn´ıku je (a) naˇc´ıst nbitová paraleln´ı data z datové sbˇernice mikrokontroléru, pˇrevést je na sériové slovo a poslat do sériového zaˇr´ızen´ı a (b) naˇc´ıst sériová data ze sériového I/O zaˇr´ızen´ı, konvertovat je na nbitová a pˇrenést do mikrokontroléru pomoc´ı datové sbˇernice, jak naznaˇcuje obr´ azek 9.2. Takov´ yto pˇrevod lze provádˇet pomoc´ı zaˇr´ızen´ı zvané Univerzáln´ı asynchronn´ı pˇrij´ımaˇc/vys´ılaˇc (UART – Universal Asynchronous Receiver Transmitter) – viz obrázek 9.3. Z obrázku je patrné, ˇze vˇsechna UART zaˇr´ızen´ı obsahuj´ı následuj´ıc´ı základn´ı ˇcásti: (a) sériov´ y pˇrij´ımaˇc dat (Rx), kter´ y pˇrev´ ad´ı pˇrijatá sériová data do paraleln´ı reprezentace a ukládá je v pˇrij´ımac´ım datovém registru RxDR pro následn´ y pˇrenos do mikrokontroléru; (b) sériov´ y vys´ılaˇc (Tx), jehoˇz u ´kolem je pˇrij´ımat paraleln´ı datová slova z vys´ılac´ıho datového registru TxDR, pˇrevést je do sériové podoby k n´ aslednému pˇrenosu; (c) obousmˇern´ y buffer datové sbˇernice, kter´ y zprostˇredkov´ av´ a pˇrenos paraleln´ıch dat od MCU do TxDR a od RxDR do mikrokontroléru prostˇrednictv´ım datové sbˇernice a (d) odvozené hodinové signály RxCLK a TxCLK pro ˇcasován´ı pˇrij´ımac´ı a vys´ılac´ı ˇc´ asti jednotky. Proces vys´ıl´ an´ı dat pomoc´ı UART je následuj´ıc´ı. Paraleln´ı data jsou poslána do vys´ılac´ıho datového registru TxDR, kde ˇr´ıdic´ı logika vys´ılaˇce Tx dopln´ı tato data start bitem, pˇr´ıpadn´ ym paritn´ım bitem a poˇzadovan´ ym poˇctem stop bit˚ u. Cel´ y rámec je následnˇe um´ıstˇen do posuvného vys´ılac´ıho registru. Ten je vys´ıl´ an zvolenou symbolovou rychlost´ı, která je ˇr´ızena hodinov´ ym signálem TxCLK. T´ım je vytvoˇren datov´ y v´ ystup TxDATA (viz obrázek 9.4).


63

Obr´ azek 9.4: Proces vys´ıl´ an´ı dat pomoc´ı jednotky UART.

Obr´ azek 9.5: Proces pˇr´ıjmu dat pomoc´ı jednotky UART.

Proces pˇr´ıjmu dat pomoc´ı jednotky UART je obdobn´ y. Pˇr´ıjem sériov´ ych dat je zah´ ajen zmˇenou stavu na lince RxDATA. Start bit je vˇzdy reprezentován pˇrechodem ze stavu log. 1 do stavu log. 0. N´ asleduj´ıc´ı bitové hodnoty jsou postupnˇe uloˇzeny v posuvném registru, pˇriˇcemˇz rychlost posuvu je definov´ ana hodinov´ ym signálem RxCLK (viz n´ıˇze). Po naˇcten´ı celého slova jsou datové bity paralelnˇe pˇresunuty do datového registru RxDR, kter´ y m˚ uˇze b´ yt naˇcten do MCU, jak napov´ıd´ a obr´ azek 9.5. Jak bylo uvedeno v u ´vodu této kapitoly, podstatou asynchronn´ıho pˇrenosu je absence synchronizaˇcn´ıch znaˇcek (pˇr´ıp. sign´ al˚ u) v pˇrenáˇseném datovém toku. Korektn´ı okamˇziky vzorkov´ an´ı na pˇrij´ımac´ı lince, mus´ı jednotka UART zjiˇst’ovat odliˇsnˇe. Pro usnadnˇen´ı synchronizace pˇrij´ımaˇce sériov´ ych dat, pouˇz´ıv´ a UART pomocn´ y hodinov´ y signál RxCLK s podstatnˇe vyˇsˇs´ı frekvenc´ı neˇz je symbolov´ a rychlost datového toku (zpravidla je jeho frekvence 16× vyˇsˇs´ı). Po prvn´ı sestupné hranˇe pˇrijatého sign´ alu, Rx ˇcek´ a pr´ avˇe 8 period hodinového signálu RxCLK. Následnˇe je testov´ an stav na vstupn´ı lince, zda je st´ ale ve stavu log. 0, tj. ˇze se nejedná o faleˇsn´ y start (zp˚ usoben´ y krátk´ ym parazitn´ım impulzem). Pakliˇze je tato podm´ınka splnˇena, vstupn´ı signál je dále vzorkován kaˇzd´ ych 16 period hodinového signálu RxCLK, tj. pˇresnˇe uprostˇred doby trván´ı bitové periody. Navzorkované hodnoty jsou pˇresunuty do posuvného registru pˇrij´ımaˇce, jehoˇz pˇresun je ˇr´ızen nábˇeˇznou hranou hodinové sign´ alu pˇrij´ımaˇce odvozeného od RxCLK (dˇeliˇcka kmitoˇctu 16). Intern´ı logika pˇrij´ımaˇce nakonec kontroluje poˇcet stop bit˚ u v pˇrijatém rámci. Pokud poˇcet stop bit˚ u nesouhlas´ı se zvolenou strukturou, je UART jednotkou signalizována chyba rámce (Framing Error Flag). D´ ale obvod UART vypoˇcte pˇr´ıpadnou paritu pˇrijatého datového slova, kter´ a je porovnána s hodnotou pˇrijatou. Také tato kontrola m˚ uˇze generovat informaci o chybˇe, tentokr´ at v podobˇe Parity Error Flag. Jsou-li pˇrijaté bity pˇresunuty do datového registru pˇrij´ımaˇce RxDR, je moˇzné pˇrij´ımat dalˇs´ı data do vstupn´ıho posuvného registru. Tato data jiˇz ale nejsou pˇresunuta do RxDR, pokud jeho p˚ uvodn´ı obsah nebyl pˇrenesen do MCU. Pokud pˇrij´ımaˇc v tomto okamˇziku zachyt´ı dalˇs´ı r´ amec, je obsah v posuvném registru pˇrepsán (tj. dojde ke ztrátˇe 2. datového slova). To je následnˇe signalizov´ ano pˇr´ıznakem ztráty dat (OverRun Error Flag). Vˇsechny jmenované chyby jsou signalizov´ any pˇr´ısluˇsn´ ymi pˇr´ıznakov´ ymi bity v ˇr´ıdic´ıch registrech jednotky UART.

64


Obr´ azek 9.6: Synchronizace pˇrij´ımaˇce UART (pˇrevzato z [Toc03]).

Obr´ azek 9.7: Napˇet’ové u ´rovnˇe asynchronn´ıho rámce u RS-232 a TTL.

Princip ˇcasové synchronizace pˇrij´ımaˇce vycház´ı z pˇredpokladu, ˇze jak struktura datového rámce, tak i symbolov´ a rychlost je totoˇzná s vys´ılaˇcem a je pˇredem známa. Popsan´ y princip synchronizace pˇrij´ımaˇce je graficky zn´ azornˇen na obrázku 9.6.

9.3

S´ eriov´ e rozhran´ı RS-232

Rozˇs´ıˇrenou aplikac´ı UART je sériov´ a komunikace pomoc´ı rozhran´ı RS-232 (sériov´ y COM port poˇc´ıtaˇce). Na rozd´ıl od UART, obsahuje RS-232 bipolárn´ı, inverzn´ı reprezentaci logick´ ych u ´rovn´ı. To znamená, ˇze log. 1 je reprezentov´ ana záporn´ ym napˇet´ım menˇs´ım neˇz −3 V a log. 0 je reprezentována kladn´ ym napˇet´ım vˇetˇs´ım neˇz +3 V. V poˇc´ıtaˇcové technice se pro RS-232 vyuˇz´ıv´ a u ´rovn´ı ±12 V z d˚ uvodu vyˇsˇs´ı odolnost proti ruˇsen´ı. Napˇet’ové pásmo kolem 0 V je zakázáno, ˇ tj. v pˇr´ıpadˇe pˇreruˇsen´ı vodiˇce, lze tuto chybu snadno odhalit. Casov´ e pr˚ ubˇehy obou zp˚ usob˚ u asynchronn´ı komunikace (UART i RS-232) v módu 8N1 jsou znázornˇeny na obrázku 9.7. Odliˇsné napˇet’ové u ´rovnˇe UART a RS-232 vyluˇcuj´ı pˇr´ımé propojen´ı obou rozhran´ı. Proto se ˇcasto pouˇz´ıvaj´ı integrované pˇrevodn´ıky jako napˇr. MAX232 (firmy Maxim, obrázek 9.8), kter´ y konvertuje TTL u ´rovnˇe na +3,15 V pro log. 0 a log. 1 na −3,15 V, dále lze pouˇz´ıt ADM232 (Analog Devices), ˇci jiné.

Fakulta elektrotechniky a komunikaˇ cn´ıch technologi´ı VUT v Brnˇe +5V-Powered, Multichannel RS-232

65

Drivers/Receivers MAX220–MAX249

+5V INPUT

C3

TOP VIEW C5 C1+ 1

1

16 VCC

V+ 2

C1

15 GND

C1- 3

14 T1OUT

MAX220 MAX232 MAX232A

C2+ 4 C2- 5

11 T1IN

T2OUT 7

10 T2IN 9

TTL/CMOS INPUTS

R2OUT

DIP/SO CAPACITANCE (µF) DEVICE C1 C2 C3 C4 MAX220 4.7 4.7 10 10 MAX232 1.0 1.0 1.0 1.0 MAX232A 0.1 0.1 0.1 0.1

6

V-

-10V C4

T1OUT 14

+5V

RS-232 OUTPUTS

400kΩ 10 T2IN

T2OUT 7

12 R1OUT

R1IN 13

TTL/CMOS OUTPUTS

C5 4.7 1.0 0.1

V+ 2 +10V

3 C14 C2+ +10V TO -10V 5 C2- VOLTAGE INVERTER +5V 400kΩ 11 T1IN

12 R1OUT

V- 6

R2IN 8

C2

13 R1IN

16 VCC +5V TO +10V VOLTAGE DOUBLER

C1+

RS-232 INPUTS

5kΩ R2IN 8

9 R2OUT

5kΩ GND 15

Figure 5. MAX220/MAX232/MAX232A Pin Configuration and Typical Operating Circuit

Obr´ azek 9.8: Pouˇzit´ı obvodu MAX232 pro komunikaci mezi UART a RS-232. +5V INPUT C3 ALL CAPACITORS = 0.1µF

TOP VIEW C5

9.4 (N.C.) EN 1 C1+ 2 V+ 3 C1- 4 C2+ 5 C2- 6 V- 7 T2OUT 8 R2IN 9

17 VCC 3 +10V C1+ +5V TO +10V V+ 4 C1- VOLTAGE DOUBLER 5 C2+ 7 -10V +10V TO -10V V6 C2C4 VOLTAGE INVERTER 2

S´ eriov´ a komunikace prostˇ rednictv´ım sbˇ ernice I2C (N.C.) EN 1

18 SHDN

C1

20 SHDN

C1+ 2

19 VCC

C2 Sbˇernice I2C (Inter-Integrated Circuit) byla vyvinuta firmou Philips Semiconductor pro komuV+ 3 18 GND 17 V +5V 4 ılˇ 17 T1 uvnitˇ 16 GND nikaci meziC1- d´ c´ımi bloky r jednoho zaˇ r´ızen´ı. Firma Atmel naz´ yvá ten sam´ y postup jako (EXCEPT MAX220) 400kΩ MAX222 C2+ 5 16 N.C. 15 T1 T1OUT 15 T1IN 12 MAX242 TWI14 R1(Two-wire Serial15 Interface) – jedn´ a se vˇsak o totoˇznou komunikaci! Komunikaˇcn´ı protoMAX222 C2- 6 +5V R1 TTL/CMOS RS-232 MAX242 (EXCEPT MAX220) 400kΩ kol sbˇ erniceV- I2C umoˇz14n ˇuje propojen´ ı aˇ z 128T2 zaˇ r´ızen´ ı dvou obousmˇern´ ych vodiˇc˚ u: daINPUTS OUTPUTSı pomoc´ R1 7 13 R1 11 T2IN OUT 8 T2 13 N.C. 8 12 T1 tov´ y kanálR2SDA (Synchronous Data) a hodinov´ y signál SCL (Synchronous Clock). Kaˇzd´ y vodiˇc 11 T2 12 T1 9 13 R1OUT R1IN 14 sbˇernice obsahuje pull-up y zajist´ ı vysokou u ´roveˇ n signálu v klidovém stavu. R2 10 R2 11 T2 rezistor, kter´ 10 CC

OUT

OUT IN

IN

OUT

OUT

IN

IN

OUT

DIP/SO

OUT

IN

IN

OUT

IN

TTL/CMOS OUTPUTS

SSOP

R2IN 9

1 (N.C.) EN ( ) ARE FOR MAX222 ONLY. PIN NUMBERS IN TYPICAL OPERATING CIRCUIT ARE FOR DIP/SO PACKAGES ONLY.

RS-232 INPUTS

5kΩ 10 R2OUT

5kΩ SHDN

GND

18

16

Figure 6. MAX222/MAX242 Pin Configurations and Typical Operating Circuit ______________________________________________________________________________________

17

Obr´ azek 9.9: Pˇripojen´ı zaˇr´ızen´ı na sbˇernici I2C. Vzhledem k tomu, ˇze se jedn´ a o sbˇernici, mus´ı m´ıt vˇsechna pˇripojená zaˇr´ızen´ı individuáln´ı 7bitovou adresu (jiˇz od v´ yrobce) a implementovan´ y mechanizmus komunikace pomoc´ı I2C sbˇernice. Komunikaˇcn´ı protokol I2C rozliˇsuje dvoj´ı typ zaˇr´ızen´ı: (a) Master zaˇr´ızen´ı, které zahajuje a ukonˇcuje komunikaci na sbˇernici, generuje hodinov´ y signál SCL, a vys´ılá vˇsechny poˇzadavky a (b) Slave podˇr´ızené zaˇr´ızen´ı, ˇr´ızené hodinov´ ym signálem a vˇzdy adresované Masterem. Poˇcet pˇripojen´ ych zaˇr´ızen´ı je limitov´ an pouze celkovou kapacitou sbˇernice (typ. 400 pF), nebo 7bitovou adresou podˇr´ızen´ ych obvod˚ u. Komunikace je zahájena startovac´ı událost´ı (Start Condition) a ukonˇcena ukonˇcovac´ı ud´ alost´ı (Stop Condition). Pˇrenos kaˇzdého bitu je ˇr´ızen jedn´ım pulsem hodinového signálu SCL, pˇriˇcemˇz plat´ı ˇze u ´roveˇ n datové linky SDA mus´ı b´ yt konstantn´ı v okamˇziku vysoké u ´rovnˇe hodinového signálu. Jedinou v´ yjimkou je pr´ avˇe generov´ an´ı startovac´ı a ukonˇcovac´ı události, kdy Start i Stop je signalizov´ an zmˇenou stavu datové linky SDA bˇehem doby, kdy je hodinov´ y signál SCL na vysoké u ´rovni (viz obrázek 9.10). Komunikaˇcn´ı protokol I2C definuje dvoj´ı typ rámc˚ u: adresn´ı a datov´ y. Vˇsechny adresn´ı pakety jsou 9bitové a obsahuj´ı 7bitovou adresu podˇr´ızeného zaˇr´ızen´ı, dále jeden R/W ˇr´ıdic´ı bit (R/W = 1: ˇcten´ı) a potvrzovac´ı bit (ACK – Acknowledge bit). Ten vys´ılá zaˇr´ızeni Slave v pˇr´ıpadˇe, ˇze rozpoznalo svou adresu – nuluje stav signálu SDA bˇehem 9. hodinového cyklu

66


ˇ Obr´ azek 9.10: Casov´ an´ı pˇrenosu bit˚ u na sbˇernici I2C, startovac´ı a ukonˇcovac´ı události. SCL. Pokud je Slave zanepr´ azdnˇen, z˚ ustane signál SDA = 1 (coˇz je identifikováno jako NACK – Not Acknowledge) a Master n´ aslednˇe ukonˇc´ı komunikaci událost´ı Stop. Adresn´ı pakety se schématicky oznaˇcuj´ı jako SLA+R v pˇr´ıpadˇe následného ˇcten´ı a SLA+W, pokud je následnˇe vyˇzadov´ an z´ apis dat do Slave zaˇr´ızen´ı. Nejv´ yznamnˇejˇs´ı adresn´ı bit (MSB) je odeslán jako prvn´ı (na rozd´ıl od UART). Adresa zaˇr´ızen´ı je vˇzdy implementována jiˇz v´ yrobcem (viz katalogové listy) a mus´ı b´ yt r˚ uzn´ a od 0. Adresa 0b000 0000 je vyhrazena pro vˇseobecné adresován´ı, kdy vˇsechny obvody Slave nastav´ı SDA = 0 v potvrzovac´ım ACK cyklu, tj. následuj´ıc´ı ˇ ast adresy je moˇzné specifikovat také pomoc´ı datov´ y paket bude pˇrijat vˇsemi obvody Slave. C´ u ´rovnˇe signál˚ u na nˇekolika extern´ıch pinech souˇcástky.

Obr´ azek 9.11: Struktura adresn´ıho paketu na sbˇernici I2C. Vˇsechny datové pakety pˇren´ aˇsené po sbˇernici I2C jsou 9bitové a obsahuj´ı 1bytová data a jeden potvrzovac´ı bit ACK od Slave zaˇr´ızen´ı bˇehem 9. SCL cyklu (shodné s adresn´ım paketem). Pokud je SDA = 1, Slave signalizuje NACK (Non Acknowledge). Nejv´ yznamnˇejˇs´ı datov´ y bit (MSB) je opˇet vysl´ an jako prvn´ı. Typická komunikace na sbˇernici I2C zaˇc´ıná startovac´ı událost´ı, následuje adresován´ı obvodu Slave SLA+R/W, jeden nebo v´ıce datov´ ych paket˚ u a ukonˇcen´ı komunikace, jak naznaˇcuje obrázek 9.12.

Obr´ azek 9.12: Kombinace adresn´ıho a datového paketu na sbˇernici I2C.

Pˇ r´ıklad 9.1 Analyzujte veˇskerou komunikace na sbˇernici I2C mezi mikrokontrolérem ATmega16 a expandérem portu PCF8574 firmy Philips. Kdo v kaˇzdém okamˇziku na sbˇernici vys´ıl´ a? ˇ sen´ı 9.1 Komunikaci zah´ Reˇ aj´ı nadˇr´ızený odvod (v tomto pˇr´ıpadˇe MCU) startovac´ı ud´ alost´ı na datové lince SDA a generov´ an´ım hodinového sign´ alu na lince SCL. N´ asleduje vysl´ an´ı adresy obvodu masterem – 0b010 0000 s poˇzadavkem na z´ apis (8. perioda sign´ alu SCL). N´ızkou u ´rovn´ı


67

v dobˇe trv´ an´ı 9. periody je zajiˇstˇeno, ˇze podˇr´ızený obvod pˇrijal svou adresu. Bezprostˇrednˇe poté zap´ıˇse nadˇr´ızený obvod jeden datový bajt, který je opˇet podˇr´ızeným obvodem pˇrijat (ACK). Komunikace je poté nadˇr´ızeným obvodem ukonˇcena. Konkrétn´ı stavy na sbˇernici jsou patrné na obr´ azku 9.13.

Obr´ azek 9.13: Komunikace po sbˇernici I2C s expandérem portu PCF8574. Komunikace mezi zaˇr´ızen´ım Master a Slave m˚ uˇze prob´ıhat ve 4 základn´ıch módech: • MT (Master Transmitter) – Master vys´ılá, • MR (Master Receiver) – Master pˇrij´ımá, • ST (Slave Transmitter) – Slave vys´ılá, • SR (Slave Receiver) – Slave pˇrij´ımá a v mnoha pˇr´ıpadech, mus´ı b´ yt m´ ody kombinovány. Uvaˇzujme napˇr. ˇcten´ı dat ze sériové pamˇeti EEPROM. Master mus´ı v takovém pˇr´ıpadˇe zahájit komunikaci, poté adresovat pamˇet’ovou souˇcástku adresou SLA+W a v datovém paketu vyslat adresu konkrétn´ıho pamˇet’ového slova, od kterého bude ˇcten´ı prob´ıhat (a0 ). Nyn´ı je nutné opˇet adresovat souˇcástku, ale tentokr´ at v módu pro ˇcten´ı. To lze udˇelat v´ yhradnˇe po startovac´ı události. Komunikace tak mus´ı b´ yt ukonˇcena, n´ aslednˇe znovu nav´ az´ ana (Repeated Start), aby mohl b´ yt vyslán adresn´ı paket SLA+R. V n´ asleduj´ıc´ıch datov´ ych paketech podˇr´ızen´ y obvod vys´ılá obsah bunˇek a0 , a1 , ... dokud master neukonˇc´ı komunikaci událost´ı stop. Mezi nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı obvody komunikuj´ıc´ı prostˇrednictv´ım I2C sbˇernice jsou expandéry portu (napˇr. PCF8574), d´ ale AD/DA pˇrevodn´ıky (napˇr. PCF8591), obvody reálného ˇcasu (napˇr. PCF8563TD), teplotn´ı ˇcidla, audio procesory, digitáln´ı potenciometry, aj.

68

10


´ Uvod do sign´ alov´ ych procesor˚ u

Definice 2 Sign´ alový procesor (DSP – Digital Signal Processor) je mikroprocesor, pˇr´ıp. mikroprocesorový systém uzp˚ usobený pro efektivn´ı realizaci algoritm˚ u ˇc´ıslicového zpracov´ an´ı sign´ al˚ u v re´ alném ˇcase. To vˇse s nejmenˇs´ımi vynaloˇzenými n´ aklady. Nejˇcastˇejˇs´ı algoritmy ˇc´ıslicového zpracován´ı dat jsou uvedeny v tabulce 10.1, ze které je patrné, ˇze DSP jsou optimalizov´ any pro efektivn´ı v´ ypoˇcet matematick´ ych operac´ı souˇctu a souˇcinu. Tabulka 10.1: Vybrané algoritmy ˇc´ıslicového zpracován´ı signál˚ u. Typ algoritmu

Zp˚ usob v´ ypoˇ ctu

Konvoluce sign´ al˚ u.

y(l) =

ˇ ıslicová filtrace (FIR). C´ ˇ ıslicová filtrace (IIR). C´ Diskrétn´ı Fourierova transformace. Diskrétn´ı kosinov´ a transformace.

y(l) = y(l) =

N X i=0 M X i=0 M X

x(i) · h(l − i) a(i) · x(l − i) a(i) · x(l − i) +

i=0 N −1 X

X(l) = X(l) =

i=0 N −1 X

N X

b(i) · y(l − i)

i=1

x(i) · WNli li x(i) · CN

i=0

V´ yvoj DSP spˇeje k paraleln´ım systém˚ um, kdy je vykonávaná u ´loha rozdˇelena do d´ılˇc´ıch celk˚ u a ty jsou zpracov´ any souˇcasnˇe nˇekolika funkˇcn´ımi jednotkami, nebo cel´ ymi procesorov´ ymi jádry.

10.1

Paraleln´ı zpracov´ an´ı instrukc´ı a dat

Paraleln´ı systémy lze dˇelit podle mnoˇzstv´ı paralelnˇe zpracovan´ ych instrukc´ı a dat [Fly66]. Dle poˇctu proces˚ u (instrukc´ı), které jsou ˇreˇseny souˇcasnˇe dˇel´ıme systémy na Single Instruction Stream (SI) – vykon´ av´ an jen jeden proces, ˇci instrukce a na Multiple Instruction Stream (MI), kdy vnitˇrn´ı struktura mikroprocesorového systému umoˇzn ˇuje v´ ykon nˇekolika odliˇsn´ ych instrukc´ı. Obdobnˇe lze dˇelit systémy dle poˇctu zpracovávan´ ych datov´ ych tok˚ u na Single Data Stream (SD) – vˇsechna data, se kter´ ymi procesor v daném okamˇziku pracuje pˇredstavuj´ı právˇe jeden zpracovávan´ y datov´ y tok a na Multiple Data Stream (MD) – data, která jsou aktuálnˇe zpracovávána pˇredstavuj´ı nˇekolik nez´ avisl´ ych datov´ ych tok˚ u. Paraleln´ı zpracov´ an´ı instrukc´ı je umoˇznˇeno vnitˇrn´ı strukturou procesoru, kter´ y obsahuje nˇekolik nezávisl´ ych funkˇcn´ıch jednotek, pˇr´ıp. cel´ ych jader, kdy kaˇzdá jednotka má obvykle odliˇsnou funkci. Pˇri paraleln´ım zpracován´ı dat se tatáˇz instrukce (operace) provád´ı se souborem nezávisl´ ych dat. Ta mohou b´ yt tvoˇrena napˇr. ˇsirok´ ymi registry (32 bit˚ u), pˇriˇcemˇz datová slova jsou pouze 8bitov´ a. Jedinou operac´ı (napˇr. souˇcet dvou 32bitov´ ych registr˚ u) je tak ale realizov´ an souˇcet hned 4 dvojic odliˇsn´ ych operand˚ u jak naznaˇcuje obrázek 10.1.

10.2

Architektura sign´ alov´ ych procesor˚ u typu VLIW

V této kapitole jsou pˇredstaveny signálové procesory firmy Texas Instruments (pouˇz´ıvané v poˇc´ıtaˇcov´ ych cviˇcen´ıch pˇredmˇetu) s architekturou VLIW.


31

0

31

16 15

0

69

31

24 23

16 15

×

×

×

=

=

=

(a)

(b)

(c)

8 7

0

Obr´ azek 10.1: Sériové (a) a paraleln´ı zpracován´ı dat (b, c).

TI uvedl prvn´ı generaci DSP s oznaˇcen´ım TMS32010 v roce 1982, dalˇs´ı (TMS320C25) v roce 1986, a TMS320C50 v 1991. Tyto 16bitové procesory pracuj´ı s pevnou ˇrádovou ˇcárkou (Fixedpoint) a jsou k´ odovˇe kompatibiln´ı. Procesory C1x, C2x a C5x jsou zaloˇzeny na modifikované Harvard architektuˇre s oddˇelen´ ym pamˇet’ov´ ym prostorem pro data a instrukce. Prvn´ım DSP s plovouc´ı ˇr´ adovou ˇc´ arkou (Floating-point) byl TMS320C30, kter´ y byl pˇredstaven na konci 80t´ ych let. Prvn´ı z´ astupce rodiny C6x s pevnou ˇrádovou ˇcárkou, tj. DSP TMS320C6201 byl zaveden v roce 1997. Na rozd´ıl od pˇredeˇsl´ ych fixed-point procesor˚ u (tj. C1x, C2x a C5x) byl C62x zaloˇzen na tzv. VLIW architektuˇre (stále pouˇz´ıvan´ y oddˇelen´ y prostor pro data a instrukce, jako u Harvard architektury) – Very Long Instruction Word, tj. s velmi dlouh´ ym instrukˇcn´ım slovem. Posledn´ı ˇrada DSP m´ a oznaˇcen´ı TMS320C6000 (32bitové DSP) a obsahuje 3 rodiny procesor˚ u: procesory s plovouc´ı ˇr´ adovou ˇcárkou maj´ı oznaˇcen´ı C67xx, s pevnou ˇrádovou ˇcárkou pak maj´ı oznaˇcen´ı C62xx a C64xx. Prvn´ı procesor z této ˇrady byl TMS320C6202, vyuˇz´ıvaj´ıc´ı pouze paraleln´ıho zpracov´ an´ı instrukc´ı. Aˇz C64xx byl doplnˇen paraleln´ım zpracován´ım dat; pˇriˇcemˇz procesory C62xx jsou kompatibiln´ı jak s C64xx, tak i C67xx (program urˇcen´ y pro C62xx na nich funguje; opaˇcnˇe to neplat´ı). Pozn.: od ˇr´ıjna 2009 firma vyráb´ı také v´ıce-jádrové signálové procesory. Vˇsichni z´ astupci rodiny DSP TMS320C6000 maj´ı v podstatˇe stejnou CPU, také naz´ yvanou jádro DSP. CPU obsahuje architekturu velmi dlouhého instrukˇcn´ıho slova, kterou TI naz´ yvaj´ı VelociTI a CPU vˇzdy naˇc´ıt´ a aˇz osm 32bitov´ ych instrukc´ı najednou – CPU obsahuje 256bitovou sbˇernici pro intern´ı programovou pamˇet’. Kaˇzdá skupina takov´ ych instrukc´ı se naz´ yvá instrukˇcn´ı paket. CPU obsahuje osm funkˇcn´ıch jednotek (oznaˇcen´ı .L – aritmetické operace, .S – bitové operace, .D – ˇr´ızen´ı pˇr´ıstupu do pamˇeti a .M – hardwarová násobiˇcka), 2 registrové soubory (A0–Ax, B0–Bx), a dvˇe datové cesty (oznaˇcen´ı A a B) jak naznaˇcuje obrázek 10.2. Kromˇe své primárn´ı funkce, jsou nˇekteré funkˇcn´ı jednotky schopny provádˇet také aritmeticko-logické operace (viz tabulka 10.2). Souˇcasnˇe ale plat´ı, ˇze vˇsechny jednotky nemus´ı b´ yt bˇehem v´ ykonu programu plnˇe vyt´ıˇzeny, tj. instrukˇcn´ı paket obsahuje promˇenn´ y poˇcet 32bitov´ ych instrukc´ı, ˇc´ımˇz jsou procesory TI odliˇsné od jin´ ych VLIW architektur. Hodnoty, uloˇzené v pracovn´ıch registrech obou sad (A i B) mohou pˇredstavovat jednak 32bitová data, ale také 40bitov´ a data, ˇci ukazatele na operandy. 40bitová data jsou vˇzdy uloˇzena v registrovém p´ aru (64 bit˚ u). 32 LSB jsou uloˇzeny v sudém registru, zb´ yvaj´ıc´ıch 8 bit˚ u je pak uloˇzeno ve vyˇsˇs´ım (lichém) registru. Tyto registrové páry jsou také vyuˇzity pro uloˇzen´ı hodnot floating-point Double Precision. Nˇekteré pracovn´ı registry mohou b´ yt nav´ıc vyuˇzity pro podm´ınˇené vˇetven´ı programu (viz napˇr. ukázka programu 10.1), kdy se testuje zda hodnota v registru je/nen´ı nulov´ a. Tyto registry jsou A1, A2, B0, B1 a B2. Funkce sign´ alov´ ych procesor˚ u je charakterizována trojic´ı ˇcasov´ ych interval˚ u: hodinov´ y cyklus, strojov´ y a instrukˇcn´ı cyklus. Hodinov´ y cyklus (takt) je doba periody hodinového sign´ alu

70


Obr´ azek 10.2: J´ adro sign´ alového procesoru s plovouc´ı ˇrádovou ˇcárkou TMS320C6713.

Tabulka 10.2: Vyuˇzit´ı funkˇcn´ıch jednotek podle typu operace pro signálov´ y procesor s pevnou ˇrádovou ˇcárkou C64xx. Typ operace

.L

.S

.D

32bitové aritmetické operace.

•

•

•

Dvˇe 16bitové nebo ˇctyˇri 8bitové aritmetické operace.

•

•

40bitové aritmetické operace.

•

32bitové logické operace.

•

•

32 nebo 40bitové posuny.

•

•

32bitové operace s jednotliv´ ymi bity.

.M

•

•

Násoben´ı dvou 16bitov´ ych operand˚ u.

•

Dvˇe 16bitové nebo ˇctyˇri 8bitové n´ asoben´ı.

• •

Pˇr´ıstup do pamˇeti – ˇcten´ı/z´ apis. Vˇetven´ı programu.

•

pro synchronizaci v´ ykonu j´ adra DSP. Strojov´ y cyklus odpov´ıdá dobˇe proveden´ı jedné fáze zˇretˇezeného zpracov´ an´ı instrukc´ı, tzv. pipeliningu. U DSP s architekturou VLIW trvá jeden strojov´ y cyklus pr´ avˇe jeden hodinov´ y cyklus. Instrukˇcn´ı cyklus je doba proveden´ı jedné instrukce nebo instrukˇcn´ıho paketu. Instrukˇcn´ı cyklus je závisl´ y na typu instrukce. U VLIW (TI) jsou jednoduché aritmetické operace sloˇzeny pouze z jednoho strojového cyklu, násoben´ı (fixedpoint) trvaj´ı 2 cykly, n´ asoben´ı (single precision) ale trvá právˇe 4 cykly, nebo dokonce 9 cykl˚ u pˇri pouˇzit´ı double precision; pˇr´ıstup do pamˇeti procesoru trvá 5 cykl˚ u. U DSP s architekturou VLIW jsou instrukce pro jednotlivé jednotky sdruˇzeny do tzv. instrukˇcn´ıch paket˚ u. Kaˇzd´ a z instrukc´ı je právˇe 32bitová a nese informaci pro jednu ˇr´ıdic´ı jednotku; instrukˇcn´ı paket tedy obsahuje 8×32 = 256 bit˚ u. Tvorbˇe instrukˇcn´ıch paket˚ u je podˇr´ızeno také programován´ı v jazyce symbolick´ ych adres DSP, kdy na jednotlivé pakety se lze odkazovat pomoc´ı návˇeˇst´ı (napˇr. u podm´ınˇen´ ych ˇci nepodm´ınˇen´ ych skok˚ u), ale u d´ılˇc´ıch instrukc´ı (které tvoˇr´ı paket) to nelze. Cel´ y paket se ch´ ape jako celek a stejnˇe tak se naˇc´ıtá do ˇr´ıdic´ı jednotky pˇri v´ ykonu programu. Uk´ azka jednoho paketu, kter´ y obsahuje pˇet instrukc´ı je uvedena ve v´ ypise 10.1.


71

Zdrojov´ y k´ od 10.1: Syntaxe zdrojového kódu DSP v jazyce symbolick´ ych adres. 1

loop :

2 3 4 5 6

|| || || ||

LDDW LDDW MPYSP MPYSP [ A1 ] B

. D1 . D2 . M1X . M2X . S2

A4++, A7 : A6 B4++, B7 : B6 A6 , B6 , A5 A7 , B7 , B5 loop

; ; ; ; ; ;

na ´ v ˇe ˇs t´ı n a p l nˇe n´ı r e g i s t r˚ u A7 : A6 n a p l nˇe n´ı r e g i s t r˚ u B7 : B6 A5 = A6 x B6 B5 = A7 x B7 pokud A1!=0 s k oˇc na l o o p

Instrukce, které tvoˇr´ı jeden instrukˇcn´ı paket jsou ve zdrojovém kódu uvozeny dvojitou svislou ˇcárkou ||. Ve druhém sloupci mohou b´ yt pouˇzity podm´ınky pro v´ ykon jednotliv´ ych instrukc´ı – v ukázce je tak na posledn´ım ˇr´ adku testována hodnota registru A1 a v´ ykon instrukce skoku je závisl´ y jej´ı hodnotˇe. Tˇret´ı sloupec obsahuje samotné instrukce, ˇctvrt´ y sloupec specifikuje, kter´ a z jednotek danou instrukci vykon´ a – jsou tedy pouˇzity funkˇcn´ı jednotky pro práci s pamˇet´ı .D1, .D2, d´ ale hardwarové n´ asobiˇcky .M1, .M2 a jednotky .S2. Pát´ y sloupec obsahuje operandy instrukc´ı a posledn´ı sloupec v´ ystiˇzné komentáˇre.

10.3

Zp˚ usoby adresov´ an´ı operand˚ u u sign´ alov´ ych procesor˚ u

V´ ypoˇcet adres pro ˇcten´ı/z´ apis operand˚ u v registrech nebo v pamˇeti provád´ı jednotka generován´ı adres AGU (Address Generation Unit). Pro svou práci vyuˇz´ıvá celoˇc´ıselnou aritmetiku, obsahuje vlastn´ı ALU jednotku(y) a datové/ˇr´ıdic´ı registr(y) pro nastaven´ı zp˚ usobu adresov´ an´ı. Obecnˇe nejˇcastˇejˇs´ı zp˚ usoby adresov´ an´ı operand˚ u u DSP jsou lineárn´ı adresován´ı (pˇr´ımé, ˇci nepˇr´ımé), adresov´ an´ı modulo, adresován´ı v bitovˇe reverzn´ım poˇrad´ı. Pozn.: Zp˚ usob adresov´ an´ı se u TMS320C6000 nastavuje v registru AMR (Addressing Mode Register). Pˇr´ımé adresov´ an´ı operand˚ u se vyznaˇcuje pˇr´ımo zadanou adresou, kde se nacház´ı hodnota pro v´ ykon instrukce. Pozn.: U TMS320C6000 nen´ı tento zp˚ usob vyuˇzit. U nepˇr´ımého adresov´ an´ı hodnot operand˚ u obsahuje instrukce adresu, kde je v pamˇeti uloˇzena hodnota pro v´ ykon instrukce. Je to tedy ukazatel na hodnotu *nazev registru. Jako ukazatel m˚ uˇze b´ yt pouˇzit libovoln´ y registr a pˇri pouˇzit´ı instrukc´ı pro pˇr´ıstup do pamˇeti je moˇzné mˇenit hodnotu ukazatele, jak naznaˇcuje tabulka 10.3. Ukázkové pˇr´ıklady nepˇr´ımého adresován´ı se zmˇenou adresy operand˚ u je naznaˇcen v tabulkách 10.4 a 10.5. Tabulka 10.3: Zmˇena hodnot ukazatel˚ u pˇri nepˇr´ımém adresován´ı. Zmˇ ena hodnoty

Pˇ red adresac´ı Po adresaci

Inkrementace

*++rx

*rx++

Dekrementace

*--rx

*rx--

Vˇetˇs´ı zv´ yˇsen´ı

*+rx[konst]

*rx+[konst]

Vˇetˇs´ı zmenˇsen´ı

*-rx[konst]

*rx-[konst]

*rx

*rx

Beze zmˇeny

Tabulka 10.4: Pˇr´ıklad nepˇr´ımého adresován´ı operand˚ u – instrukce LDW *A10, B1 pro naˇcten´ı dat z pamˇeti do registru B1; doba v´ ykonu 5 cykl˚ u. N´ azev registru/pozice

Pˇ red v´ ykonem

Po v´ ykonu instrukce

B1

0x0000 0000

0x0000 1234

A10

0x0000 0100

0x0000 0100

Pamˇet’ov´ a pozice 0x100

0x0000 1234

0x0000 1234

72


Tabulka 10.5: Pˇr´ıklad nepˇr´ımého adresován´ı operand˚ u – instrukce STB A1, *--A10 pro uloˇzen´ı hodnoty do pamˇeti; doba v´ ykonu 3 cykly. N´ azev registru/pozice

Pˇ red v´ ykonem

Po v´ ykonu instrukce

A1

0x0012 3456

0x0012 3456

A10

0x0000 0101

0x0000 0100

Pamˇet’ov´ a pozice 0x100 Pamˇet’ov´ a pozice 0x101

0x0000 1111

0x0000 0056

0x1111 1111

0x1111 1111

V pˇr´ıkladˇe s instrukc´ı LDW (Load Word – tj. 32 bit˚ u – From Memory) tvoˇr´ı ukazatel obsah ’ pracovn´ıho registru A10 a necht obsahuje hodnotu 0x0100. Obsah této pamˇet’ové pozice se tedy pˇrekop´ıruje do registru B1. Tento pˇrenos trvá právˇe 5 takt˚ u procesoru (doba plyne s dokumentace k instrukˇcn´ı sady [Tex07]). Hodnota ukazatele se pˇred, ani po v´ ykonu instrukce nemˇenn´ı. Druh´ y pˇr´ıklad – s instrukc´ı STB A1, *--A10 – provád´ı uloˇzen´ı jednoho bytu z pracovn´ıho registru A1 na pamˇet’ovou pozici danou hodnotou registru A10. Necht’ registr A1 obsahuje slovo 0x00123456 a ukazatel A10 je roven hodnotˇe 0x0101. Zápis *--A10 pˇredstavuje pre-inkrementaci, tj. odeˇcten´ı hodnoty ukazatele, jeˇstˇe pˇred v´ ykonem instrukce. Adresa, kam se obsah A1 uloˇz´ı je tak 0x0100. Doba v´ ykonu instrukce STB je právˇe 3 takty procesoru. Kromˇe line´ arn´ıho zp˚ usobu adresován´ı (hodnota ukazatele se konstantnˇe zvyˇsuje/sniˇzuje) je u DSP ˇcast´ ym zp˚ usobem adresov´ an´ı tzv. adresován´ı modulo (kruhová pamˇet’). V datové pamˇeti se vyhrad´ı blok urˇcité délky a pouze v nˇem se ”pohybuje”ukazatel operandu; aˇz ukazatel obsahuje nejvyˇsˇs´ı moˇznou adresu a instrukc´ı se provede dalˇs´ı zv´ yˇsen´ı, je do ukazuj´ıc´ıho registru automaticky nahr´ ana nejniˇzˇs´ı adresa ve vyˇclenˇeném bloku. Pˇr´ıkladem pouˇzit´ı kruhové pamˇeti je typicky periodické ˇcten´ı koeficient˚ u ˇc´ıslicového filtru, nebo dvojice ukazatel˚ u pro ukládán´ı pˇrijat´ ych/vyslan´ ych dat do pamˇeti. Generován´ı adresy v bitovˇe reverzn´ım poˇrad´ı je nejménˇe bˇeˇzn´ y zp˚ usob adresován´ı. Vyuˇz´ıv´ a se pouze u speci´ aln´ıch algoritm˚ u, které vstupn´ı/v´ ystupn´ı data pˇrerovnávaj´ı z bˇeˇzného poˇrad´ı do jiného. Pˇr´ıkladem je algoritmus rychlé Fourierovy transformace FFT (Fast Fourier Transform), která je ˇcasto realizov´ ana pomoc´ı DSP. Jsou-li vstupn´ı vzorky pro v´ ypoˇcet FFT v pˇrirozeném poˇrad´ı, tj. 0, 1, 2, . . ., je poˇrad´ı bit˚ u u indexu v´ ystupn´ıch vzork˚ u v obráceném poˇrad´ı (LSB na prvn´ım m´ıstˇe, MSB posledn´ı): 0002 =0 0012 =1 0102 =2 0112 =3 . . . 1112 =7. 0002 =0 1002 =4 0102 =2 1102 =6 . . . 1112 =7. Z d˚ uvodu usnadnˇen´ı v´ ypoˇctu FFT, obsahuj´ı DSP hardwarovou ˇcást, která realizuje toto ”pˇrehozen´ı”bez z´ asahu program´ atora – tj. provád´ı adresován´ı v bitovˇe reverzn´ım poˇrad´ı.


11

73

Programov´ an´ı sign´ alov´ ych procesor˚ u

Na rozd´ıl od programov´ an´ı 8bitov´ ych mikrokontrolér˚ u je v´ yvoj aplikac´ı pro signálové procesory zahajov´ an vˇzdy ve vyˇsˇs´ım jazyce. Postup pˇri v´ yvoji nové aplikace je následuj´ıc´ı. (1) Naprogramovat celou aplikaci v jazyce C – viz napˇr. kód 11.1. (2) Provést anal´ yzu real-time zpracován´ı; splˇ nuje-li aplikace toto kritérium, v´ yvoj nového programu t´ım konˇc´ı. V opaˇcném pˇr´ıpadˇe je vhodné vyuˇz´ıt optimalizaˇcn´ı nástroje v´ yvojového prostˇred´ı, pˇr´ıp. pˇreprogramov´ an´ı ˇcasovˇe nároˇcné ˇc´ asti pomoc´ı speci´ aln´ıch funkc´ı pro pˇrekladaˇc, ˇci pomoc´ı tzv. lineárn´ıho jazyka symbolick´ ych adres. Pokud ani v této fázi nejsou poˇzadavky na rychlost splnˇeny, je nutné pˇreprogramovat kritickou pas´ aˇz v jazyce symbolick´ ych adres. Zdrojov´ y k´ od 11.1: Aplikace pro DSP v jazyce C. 1 2 3 4

i n t main ( short short int y

void ) { a = 0 x40 ; b = 0 x20 ; ;

// d e k l a r a c e l o k ´ a l n´ı c h promˇe nn´ y ch

5 6

y = ( a + b ) << 1 ;

// y = 2x ( a+b )

while ( 1 ) ; return ( 1 ) ;


7 8 9 10

}

Pˇri programov´ an´ı v jazyce C lze kombinovat nˇekolik moˇznost´ı: cel´ y kód naprogramovat v jazyce C, nebo pouˇz´ıt speci´ aln´ı funkce pˇrekladaˇce tzv. intrinsic (viz kód 11.2), kritické pas´ aˇze pˇrepsat pomoc´ı line´ arn´ıho JSA (soubory *.sa) a ty volat z jazyka C, nebo kritické pasáˇze pˇrepsat pomoc´ı funkc´ı v JSA (*.asm) a ty volat z jazyka C. Zdrojov´ y k´ od 11.2: Vybrané speci´ aln´ı funkce pˇrekladaˇce intrinsic. 1 2 3

i n t abs ( i n t src ) ; i n t add2 ( i n t src1 , i n t src2 ) ; i n t mpy ( i n t src1 , i n t src2 ) ;

// a b s o l u t n´ı hodnota // s o uˇc e t // n a ´ s o b e n´ı

Pˇri kombinaci zdrojového k´ odu v JSA a v jazyce C plat´ı zásada, ˇze vyˇsˇs´ı programovac´ı jazyk se pˇri programov´ an´ı DSP pouˇz´ıv´ a pro inicializaci aplikace a pro ”nekritické” pasáˇze kódu (z pohledu velikosti nebo rychlosti). Kritické ˇcásti je vhodné z hlediska absolutn´ı kontroly rychlosti a velikosti pˇreloˇzeného k´ odu programovat v jazyce symbolick´ ych adres, pˇr´ıp. v tzv. lineárn´ım JSA. Volané funkce v JSA i v C pouˇz´ıvaj´ı stejné registry. Mohou si také vymˇen ˇovat parametry/v´ ysledné hodnoty. Pozor registr B3 vˇzdy obsahuje návratovou adresu z funkce v JSA. Funkce v JSA m˚ uˇze obsahovat aˇz 10 vstupn´ıch parametr˚ u. Ty jsou vˇzdy postupnˇe uloˇzeny v registrech A4, B4, A6, B6, A8, B8, A10, B10, A12 a B12. Pokud funkce vrac´ı hodnotu, je nutné ji pˇred návratem z funkce uloˇzit do registru A4. Funkce se ukonˇc´ı skokem na návratovou adresu, tj. instrukc´ı B B3. Kombinaci vyˇsˇs´ıho a niˇzˇs´ıho jazyka pˇredstavuj´ı ukázkové zdrojové kódy 11.3 a 11.4. Pˇri programov´ an´ı v JSA sign´ alového procesoru TMS320C6000 je potˇreba specifikovat n´ azvy registr˚ u a pˇredevˇs´ım respektovat ˇcasován´ı jednotliv´ ych instrukc´ı. Napˇr. instrukci pro pˇr´ıstup do pamˇeti je nutné doplnit 4 instrukce NOP – pˇr´ıstup do pamˇeti totiˇz trvá 5 strojov´ ych cykl˚ u; 1. cyklus @ spuˇstˇen´ı instrukce; naˇcten´ a/uloˇzená hodnota je k dispozici za dalˇs´ı 4 cykly. Lineárn´ı JSA je jak´ ymsi mezikrokem mezi JSA a jazykem C. Umoˇzn ˇuje snadnˇejˇs´ı pr´ aci pro program´ atora, ale ponech´ av´ a mu znaˇcnou kontrolu nad v´ ysledn´ ym kódem. Nav´ıc je moˇzné pouˇz´ıvat symbolické n´ azvy registr˚ u, vˇcetnˇe pˇredávan´ ych parametr˚ u (podobnˇe jako promˇenné v jazyce C), d´ ale spr´ avné ˇcasov´ an´ı v´ ykonu instrukc´ı provád´ı pˇrekladaˇc automaticky, ale programuje se pˇr´ımo pomoc´ı instrukc´ı bez nutnosti specifikovat funkˇcn´ı jednotku. Kód je pˇrekladaˇcem optimalizov´ an vˇzdy jen mezi volné jednotky.

74


Zdrojov´ y k´ od 11.3: Kombinace zdrojov´ ych kód˚ u – soubor f1.c. 1 2 3 4 5 6

extern i n t asmFunction ( short , short ) ; // p r o t o t y p f u n k c e SOUBOR: f 1 . c // k´ o d f u n k c e asmFunction u l oˇz e n v jiné m souboru i n t main ( void ) { // h l a v n´ı f u n k c e short a = 0 x40 ; // d e k l a r a c e l o k a ´ l n´ı c h promˇe nn´ y ch ; 8 b i t o v é short b = 0 x20 ; int y ; // 32 b i t o v ´ a promˇenn´ a

7 8

y = asmFunction ( a , b ) ;

// v o l a ´ n´ı f u n k c e v JSA

while ( 1 ) ; return ( 1 ) ;


9 10 11 12

}

Zdrojov´ y k´ od 11.4: Kombinace zdrojov´ ych kód˚ u – soubor f2.asm. 1

. global _asmFunction

; definice globa ´ l . parametru

SOUBOR: f 2 . asm

2 3 4 5 6 7

_asmFunction : ADD . D1x SHL . S1 || B . S2 NOP 4

A4 , B4 , A4 A4 , 1 , A4 B3

; ; ; ; ;

volan´ a funkce A4 + B4 = A4 A4 << 1 = A4 skok na n´ a vratovou adresu , t j . ” na ” r e g i s t r B3 ˇc a s o v a ´ n´ı i n s t r u k c e B, k t e r ´ a trva ´ 5 c y k l˚ u

Takov´ yto zdrojov´ y k´ od (uloˇzen´ y v souboru s koncovkou *.sa) mus´ı obsahovat nˇekolik ˇcást´ı: • identifikace symbolu/funkce definovaného v jiném zdrojovém souboru pomoc´ı direktivy .global, • specifikace zaˇc´ atku funkce prostˇrednictv´ım direktivy .cproc, • konec funkce: .endproc, • pˇriˇrazen´ı vstupn´ıch hodnot promˇenn´ ym za .cproc, • deklarace promˇenn´ ych (symbolické oznaˇcen´ı registr˚ u): .reg, • návratov´ a hodnota funkce + ukonˇcen´ı funkce: .return. Ekvivalentem zdrojového k´ odu z v´ ypisu 11.4 je kód 11.5. Srovnán´ı poˇcetn´ı nároˇcnosti algoritmu skal´ arn´ıho souˇcinu pro odliˇsné zp˚ usoby implementace zobrazuje tabulka 11.1. V´ıce o programov´ an´ı sign´ alov´ ych procesor˚ u ve vyˇsˇs´ım i niˇzˇs´ım programovac´ım jazyce v poˇc´ıtaˇcov´ ych cviˇcen´ıch pˇredmˇetu [Fry11]. Tabulka 11.1: Srovn´ an´ı poˇcetn´ı n´ aroˇcnosti 8bodového souˇctu souˇcin˚ u (SoP). Program. jazyk

ˇ ıseln´ C´ a reprezentace

Poˇ cty cykl˚ u

Jazyk C

Floating-point

404

Jazyk C

Fixed-point

352

LJSA

Floating-point

203

LJSA

Fixed-point

166

JSA

Floating-point, VLIW

50


75

Zdrojov´ y k´ od 11.5: Kombinace zdrojov´ ych kód˚ u – soubor f2.sa. 1

. global _asmFunction

; definice globa ´ l n´ıh o parametru

SOUBOR: f 2 . s a

2 3 4

_asmFunction : . reg y

. cproc a , b

; p ˇr i ˇr a z e n´ı hodnot od v s t u p n´ıc h operand˚ u ; ekvivalent loka ´ l n´ı promˇe nné

5 6 7

ADD SHL

a, b, y y, 1, y

; a + b = y ; y << 1 = y

8 9 10

. return y . endproc

; f u n k c e v r a c´ı hodnotu y ; konec f u n k c e v LJSA

76


Literatura [Aic23]

Texas Instruments Incorporated. TLV320AIC23. Low-Power Stereo CODEC with HP Amplifier [online]. 2009 – [cit. 29. listopadu 2009]. Dostupné na www: http://focus. ti.com/docs/prod/folders/print/tlv320aic23.html.

[Ans99] Open Standards. International standard ISO/IEC 9899:1999 [online]. 2005 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg14/www/ docs/n1124.pdf. [Ans1x] Open Standards. International standard ISO/IEC 9899:201x [online]. 2010 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.open-std.org/jtc1/sc22/WG14/www/ docs/n1539.pdf. [Atm01] Atmel Corporation. Ofici´ aln´ı str´ anka firmy Atmel [online]. 2011 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.atmel.com/. [Atm02] Atmel Corporation. 8-bit AVR Instruction Set [online]. 2011 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc0856. pdf. [Atm03] Atmel Corporation. STK500 [online]. 2011 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.atmel.com/dyn/products/tools_card.asp?tool_id=2735. [Atm04] Atmel Corporation. AVRISP mkII In-System Programmer [online]. 2011 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.atmel.com/dyn/products/tools_card. asp?tool_id=3808. [Atm05] Atmel Corporation. AVR Studio 4 [online]. 2011 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.atmel.com/dyn/products/tools_card.asp?tool_id=2725. [Atm06] Atmel Corporation. AVR STK500 User Guide [online]. 2003 – [cit. 6. listopadu 2009]. Dostupné na www: http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc1925.pdf. [Atm16] Atmel Corporation. 8-bit Microcontroller ATmega16 [online]. 2010 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_ documents/doc2466.pdf. [Bar03] BARNETT, R., O’CULL, L., COX, S. Embedded C Programming and the Atmel AVR. 1st ed. New York (USA): Thomson Learning, Inc., 2003. [Dan05] DANDAMUDI, S.P. Guide to RICS Processors for Programmers and Engineers. 1st ed. New York (USA): Springer, 2005. [Dov07] Doveda Boys. Znakové LCD displeje [online]. 2007 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.doveda.byl.cz/. [Dox11] HEESCH, D. Doxygen [online]. 2011 – [cit. 30. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http: //www.doxygen.org/. [Dup00] DUPOUY, B., DEMEURE, I., PAUTET, L. BCI Informatique. Systèmes d’exploitation Paris (France): Télécom ParisTech, 2000. [Fed01] FEDRA, Z. Výsledné projekty pˇredmˇetu MMIA [online]. 2011 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.urel.feec.vutbr.cz/MIA.


77

[Fed08] FEDRA, Z., FRYZA, T. Different Poles of Three Decades Development in Microcontrollers’ Domain. In Proceedings of IEEE History of Telecommunication Conference Histelcon 2008. Paris (France), 2008, p. 148-151. [Fis83]

FISHER, J.A. Very Long Instruction Word Architectures and ELI-512. In Proceedings of the 10th Annual International Symposium on Computer Architecture ISCA’83. ISBN:0-89791-101-6. (Reprinted in IEEE Solid-State Circuits Magazine. Vol. 1, Issue 2, p. 23–33. ISSN: 1943-0582. Spring 2009.)

[Fle06]

FLEURY, P. LCD Library for HD44870 based LCD’s [online]. 2006 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://homepage.hispeed.ch/peterfleury/ avr-software.html.

[Fly66]

FLYNN, M. J. Very High-Speed Computing Systems. Proceedings of the IEEE. 1966, vol. 54, no. 12, p. 1901–1909.

[Fry01]

´ FRYZA, T. Tomas Fryza Homepage [online]. 2011 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.urel.feec.vutbr.cz/~fryza.

[Fry11]

´ ˇ FRYZA, T. SEBESTA, J., FEDRA, Z., ZELINKA, P. Mikroprocesorov´ a technika a embedded systémy. Poˇc´ıtaˇcov´ a cviˇcen´ı. 2. vydán´ı. Brno: FEKT VUT v Brnˇe, 2011.

[Gad01] GADRE, D.V. Programming and Customizing the AVR Microcontroller. New York (USA): McGraw-Hill, 2001. [Gcc09] GNU Project. GCC, the GNU Compiler Collection [online]. 2011 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://gcc.gnu.org/. [Gdb11] GDB: The GNU Project Debugger [online]. 2011 – [cit. 18. listopadu 2011]. Dostupné na www: http://www.gnu.org/s/gdb/. [Hit08]

Hitachi, Ltd. Ofici´ aln´ı str´ anky firmy Hitachi [online]. 2011 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.hitachi.com/.

[Cha05] CHASSAING, R. Digital Signal Processing and Applications with the C6713 and C6416 DSK. 1st ed. New Jersey (USA): John Wiley & Sons, 2005. [Int01]

Intel 4004 Microprocessor [online]. 2011 – [cit. 21. záˇr´ı 2011]. Dostupné na www: http: //e4004.szyc.org/index_en.html.

[Int71]

Intel Corporation. Intel Museum – The Intel 4004 [online]. 2011 – [cit. 18. listopadu 2011]. Dostupné na www: http://www.intel.com/about/companyinfo/museum/ exhibits/4004/index.htm.

[Itc11]

Channel 4. The IT Crowd [online]. 2011 – [cit. 19. listopadu 2011]. Dostupné na www: http://www.channel4.com/programmes/the-it-crowd.

ˇ ıslicov´ [Jan01] JAN, J. C´ a filtrace, analýza a restaurace sign´ al˚ u. 2. vydán´ı. Brno: FEKT VUT v Brnˇe, 2001. [Ker78] KERNIGHAN, B.W., RITCHIE, D.M. The C Programming Language. New Jersey (USA): Prentice-Hall, 1978. [Koc05] KOCHAN, S. G. Programming in C. A Complete Introduction to the C Programming Language. 3rd ed. Indianapolis (USA): Sams Publishing, 2005.

78


[Lib09]

C library for use with GCC on AVR. AVR Libc Home Page [online]. 2011 – [cit. 21. z´ aˇr´ı 2011]. Dostupné na www: http://www.nongnu.org/avr-libc/.

[Mil97]

MILLER, L. H., QUILICI, A. E. The Joy of C. 3rd ed. New Jersey (USA): John Wiley & Sons Inc., 1997.

[Nuv10] Nuvoton. ISD1700 Datasheet [online]. 2010 – [cit. 9. prosince 2010]. Dostupné na www: http://www.nuvoton.com/hq/enu/productandsales/productlines/ consumerelectronicsic/isdvoiceic/isdchipcorder/documents/isd1700.pdf. [Pra05] PRATA, S. C Primer Plus. 5th ed. Indianapolis (USA): Sams Publishing, 2005. [Qur05] QURESHI, S. Embedded Image Processing on the TMS320C6000 DSP. Examples in Code Composer Studio and MATLAB. 1st ed. New York (USA): Springer, 2005. [Rtc97] Philips Semiconductors. PCF8583. Clock/calender with 240×8-bit RAM [online]. 1997 – [cit. 12. listopadu 2009]. Dostupné na www: http://www.aurel32.net/elec/ pcf8583.pdf. [Sco09]

ZEITNITZ, Ch. Soundcard Oscilloscope [online]. 2009 – [cit. 29. listopadu 2009]. Dostupné na www: http://www.zeitnitz.de/Christian/index.php?sel=scope_en.

ˇ C ˇ ÍK, R. Pomocný n´ [Sev08] SEV astroj pro programov´ an´ı mikrokontrolér˚ u AVR v jazyce C. Diplomov´ a pr´ ace. Brno: FEKT VUT v Brnˇe, 2008. [Ter09]

HW server. Program Terminal pro komunikaci pˇres RS-232 [online]. 2009 – [cit. 12. listopadu 2009]. Dostupné na www: http://rs232.hw.cz/#Terminal.

[Tex01] Texas Instruments Incorporated. Code Composer Studio Tutorial. Developing a Simple Program. Tutori´ al dostupn´ y ve v´ yvojovém prostˇred´ı Code Composer Studio 3.1. [Tex02] Texas Instruments Incorporated. Floating-Point Digital Signal Processor TMS320C6713 [online]. 2009 – [cit. 19. listopadu 2009]. Dostupné na www: http://focus. ti.com/docs/prod/folders/print/tms320c6713.html. [Tex03] Texas Instruments Incorporated. Code Composer Studio Integrated Development Environment (IDE) – v4.x [online]. 2009 – [cit. 19. listopadu 2009]. Dostupné na www: http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/ccstudio.html. [Tex04] Texas Instruments Incorporated. TMS320C67x DSP Library [online]. 2011 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.ti.com/tool/sprc121. [Tex05] Texas Instruments Incorporated. TMS320C6713 DSP Starter Kit (DSK) [online]. 2011 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.ti.com/tool/tmdsdsk6713. [Tex06] Texas Instruments Incorporated. Multicore Digital Signal Processor TMS320C6474 [online]. 2011 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.ti.com/product/ tms320c6474. [Tex07] Texas Instruments Incorporated. TMS320C67x/C67x+ DSP CPU and Instruction Set Refernce Guide [online]. 2006 – [cit. 6. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www. ti.com/lit/ug/spru733a/spru733a.pdf. [Toc03] TOCCI, R.J., AMBROSIO, F.J. Microprocessors and Microcomputers. Hardware and Software. 6th ed. New Jersey (USA): Prentice Hall, 2003.


[Tre08]

79

TRETTER, S.A. Communication System Design Using DSP Algorithms. With Laboratory Experiments for the TMS320C6713 DSK. 1st ed. New York (USA): Springer, 2008.

´ NA, ˇ [Van03] VA V. Mikrokontroléry Atmel AVR, popis procesor˚ u a instrukˇcn´ı soubor. Praha: Ben, technick´ a literatura, 2003. [Win08] WinAVR. WinAVR home page [online]. 2010 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://winavr.sourceforge.net/.

80


A

Uk´ azky program˚ u pro AVR v jazyce symbolick´ ych adres

V této pˇr´ıloze jsou pˇredstaveny jednoduché zdrojové kódy a aplikace pro 8bitov´ y mikrokontrolér ATmega16, které jsou vyvinuty v jazyce symbolick´ ych adres.

A.1

Pr´ ace s registry, aritmetick´ e operace

Následuj´ıc´ı zdrojov´ y k´ od pˇredstavuje jednoduch´ y programu v jazyce symbolick´ ych adres (JSA, ”assembleru”) pro 8bitov´ y mikrokontrolér ATmega16 s jádrem AVR. Aplikace pro tyto mikrokontroléry lze vyv´ıjet napˇr. v prostˇred´ı AVR Studio [Atm05]. Zdrojov´ y k´ od A.1: Uk´ azka zdrojového kódu v jazyce symbolick´ ych adres pro mikrokontrolér AVR. 1

.include <m16def.inc>

; d e f i n i ˇc n´ı s o u b o r m i k r o k o n t r o lé r u ATmega16

reset : LDI LDI

R16 , 0 x48 R17 , 12

; r e g i s t r R16 = 48 ( h e x . ) , t j . 72 ( d e k . ) ; R17 = 12 ( d e k . )

R18 , R16 R18 , R17

; R18 <− R16 , t j . R18 = 72 ; R18 = R18 + R17 = 84

2 3 4 5 6 7 8

MOV ADD

9 10 11

loop : RJMP loop

; nekoneˇc n´ a smyˇcka ; skok na n a ´ v ˇe ˇs t´ı l o o p

Prvn´ı ˇrádek zdrojového k´ odu obsahuje tzv. direktivu pˇrekladaˇce (intern´ı pˇr´ıkaz pro pˇrekládaj´ıc´ı software), kter´ a zajist´ı vloˇzen´ı textového souboru m16def.inc s popisem mikrokontroléru ATmega16. Tento soubor je souˇcást´ı instalace AVR Studia. Samotn´ y program zaˇc´ın´ a od n´ avˇeˇst´ı reset:, kdy jsou pomoc´ı instrukce LDI (Load Immediate – bezprostˇredn´ı naplnˇen´ı registru) naplnˇeny dva registry 8bitov´ ymi hodnotami. U registru R16 je hodnota zad´ ana v ˇsestn´ actkové soustavˇe a u registru R17 v soustavˇe des´ıtkové. Pˇresun (kop´ırován´ı) obsahu registru se prov´ ad´ı instrukc´ı MOV (Copy Register); na sedmém ˇrádku je tak hodnota z registru R16 pˇrekop´ırována do registru R18. Souˇcet dvou hodnot v registrech se provád´ı instrukc´ı ADD (Add without Carry). Zacyklen´ı (tj. ukonˇcen´ı) programu lze provést bezprostˇredn´ım skokem na n´ avˇeˇst´ı pomoc´ı instrukce RJMP (Relative Jump). Detailn´ı popis instrukˇcn´ı sady mikrokontrolér˚ u AVR lze nalézt na internetov´ ych stránkách Atmel [Atm02]. Struˇcn´ y n´ avod, jak pracovat v prostˇred´ı AVR Studio, je uveden ve skriptech pro poˇc´ıtaˇcov´ a cviˇcen´ı pˇredmˇetu Mikroprocesorov´ a technika a embedded systémy [Fry11].

A.2

Ovl´ ad´ an´ı vstupnˇ e/v´ ystupn´ıho portu

Pomoc´ı kontroln´ıch registr˚ u je programátor schopen ovládat veˇskeré periférie mikrokontrolér˚ u, pˇr´ıp. i jeho jádro. Mezi bˇeˇzné periférie patˇr´ı ˇcasovaˇc/ˇc´ıtaˇc, A/D pˇrevodn´ık, dostupná sériová rozhran´ı, a pˇredevˇs´ım paraleln´ı porty pro obecné vyuˇzit´ı. V následuj´ıc´ı ukázce je pˇredstaven zp˚ usob ovládán´ı vstupnˇe/v´ ystupn´ıho portu B mikrokontroléru ATmega16. Pˇr´ıstup ke vˇsem kontroln´ım registr˚ um se prov´ ad´ı prostˇrednictv´ım instrukc´ı OUT a IN. Aplikace pˇredstavuje jednoduch´ y 8bitov´ y binárn´ı ˇc´ıtaˇc s v´ ystupem na portu B. Velikost v´ ysledného kódu je 12 B, tj. 0,1% pamˇeti Flash mikrokontroléru ATmega16. Jsou pouˇzity n´ asleduj´ıc´ı registry a instrukce: • R16 – jeden z 32 8bitov´ ych pracovn´ıch registr˚ u pro obecné pouˇzit´ı,


81

• DDRB (PortB Data Direction Register) – kontroln´ı registr; urˇcuje smˇer komunikace jednotliv´ ych pin˚ u na portu B. 0 ⇔ vstupn´ı pin, 1 ⇔ v´ ystupn´ı pin, • PORTB – kontroln´ı registr; obsahuje data pro logické u ´rovnˇe v´ ystupn´ıch pin˚ u portu B, • SER temp – do registru temp uloˇz osmibitovou konstantu 0xFF (255 dek.), • OUT DDRB, temp – do registru DDRB zkop´ıruj obsah registru temp, tj. ⇒ cel´ y port B bude v´ ystupn´ı, • DEC temp – od obsahu registru temp odeˇcti jedniˇcku, • RJMP reset – skoˇc na n´ avˇest´ı reset.

Zdrojov´ y k´ od A.2: Bin´ arn´ı ˇc´ıtaˇc v jazyce symbolick´ ych adres. 1 2

.include <m16def.inc> .def temp = R16

; d e f i n i ˇc n´ı s o u b o r m i k r o k o n t r o lé r u ATmega16 ; symbolicky ´ n´ a zev r e g i s t r u R16

.cseg .org 0 x0000

; pamˇet’ ov´ y segment F l a s h ; u l oˇz od a d r e s y 0 x0000

reset : SER OUT

; temp = 255 ; smˇe rov´ y r e g . DDRB=255 , t j . c e l y ´ port B j e vy ´ s t u p n´ı

3 4 5 6 7 8 9

temp DDRB , temp

10 11 12 13 14

loop : OUT PORTB , temp DEC temp RJMP loop

; ; ; ;

nekoneˇc n´ a smyˇcka za ´ p i s hodnoty na v y ´ s t u p n´ı p o r t B dekrementace temp skok na n a ´ v ˇe ˇs t´ı l o o p

Zdrojov´ y k´ od lze rozdˇelit na tˇri ˇcásti. V prvn´ı ˇcásti je pomoc´ı direktiv pˇrekladaˇce definována vnitˇrn´ı struktura pouˇzitého mikrokontroléru, dále je pouˇzit symbolick´ y název registru a je zajiˇstˇeno uloˇzen´ı strojového k´ odu v programové pamˇeti od adresy nula (direktivy .cseg a .org). Druh´ a ˇc´ ast aplikace obsahuje potˇrebná nastaven´ı kontroln´ıch registr˚ u – v tomto pˇr´ıpadˇe je pomoc´ı DDRB nastaven port B jako v´ ystupn´ı. Posledn´ı ˇcást zdrojového kódu je reprezentována nekoneˇcnou smyˇckou s neust´ alou dekrementac´ı obsahu registru temp a aktualizován´ım hodnoty v´ ystupn´ıch pin˚ u portu B (instrukce OUT). Ekvivalent zdrojového kódu v jazyce C je uveden v kapitole B.1.

A.3

Podm´ınˇ en´ e vˇ etven´ı programu

Podm´ınˇené vˇetven´ı programu slouˇz´ı k ˇr´ızen´ı bˇehu programu pomoc´ı jednoduch´ ych podm´ınek. Mikrokontroléry AVR obsahuj´ı 25 r˚ uzn´ ych instrukc´ı pro podm´ınˇené vˇetven´ı programu, které bud’ pˇreskoˇc´ı jednu n´ asleduj´ıc´ı instrukci, nebo skoˇc´ı na libovolné návˇeˇst´ı v programu. Ukázkov´ a aplikace z v´ ypisu A.3 pˇredstavuje jednoduché testován´ı dvou vstupn´ıch pin˚ u na portu B (PB1 a PB0). Necht’ jsou na tyto piny pˇripojeny tlaˇc´ıtka. V nekoneˇcné smyˇcce loop se pak neustále kontroluje hodnota bit˚ u na pozici 0 a 1, tj. zda-li bylo nˇekteré tlaˇc´ıtko stisknuto (tlaˇc´ıtka jsou zapojena tak, ˇze pˇri stisku, je na vstupu n´ızká u ´roveˇ n). Pokud ano, incrementuje se, pˇr´ıp. dekrementuje stav pomocného ˇc´ıtaˇce, jehoˇz stav je neustále aktualizován na v´ ystupn´ım portu C. Pro testov´ an´ı jednoho bitu v kontroln´ım registru byla vyuˇzita instrukce SBIS, tj. Skip if Bit is Set. Jin´ y zp˚ usob podm´ınky lze realizovat pomoc´ı pˇr´ıznakov´ ych bit˚ u ze stavového registru. Pro kaˇzd´ y z osmi bit˚ u obsahuje instrukˇcn´ı sada dvojici instrukc´ı, které testuj´ı zda je dan´ y bit roven

82


Zdrojov´ y k´ od A.3: Podm´ınˇené vˇetven´ı programu v jazyce symbolick´ ych adres. 1 2



reset : CLR OUT SER OUT

temp DDRB , temp temp DDRC , temp

; ; ; ;

n u l u j vˇs echny b i t y v r e g i s t r u temp p o r t B = v s t u p n´ı n a s t a v vˇs echny b i t y v r e g i s t r u temp port C = vy ´ s t u p n´ı

loop : SBIS INC SBIS DEC OUT RJMP

PINB , 0 x00 temp PINB , 0 x01 temp POTRC , temp loop

; ; ; ; ; ;

pokud p i n PB0 = 1 pˇr e s k oˇc n a ´ s l e d u j´ı c´ı i n s t r u k c i i n k r e m e n t u j obsah r e g i s t r u temp pokud p i n PB1 = 1 pˇr e s k oˇc n a ´ s l e d u j´ı c´ı i n s t r u k c i dekrementuj obsah r e g i s t r u temp p o ˇs l i obsah temp na p o r t C skok na n a ´ v ˇe ˇs t´ı l o o p

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

jedniˇcce nebo nule. Konstrukce loop: DEC temp a BRNE loop pak pˇredstavuje ukázku testován´ı nulového pˇr´ıznakového bitu. Instrukce BRNE provede skok na návˇeˇst´ı loop pouze v pˇr´ıpadˇe, ˇze hodnota temp je r˚ uzn´ a od nuly. Viz n´ asleduj´ıc´ı kapitola.

A.4

Vol´ an´ı podprogramu

Podprogramy pˇredstavuj´ı jednu z nejˇcastˇeji pouˇz´ıvan´ ych softwarov´ ych konstrukc´ı. Specifikou podprogramu je automatick´ y n´ avrat po jeho skonˇcen´ı na m´ısto, odkud byl podprogram volán. K tomu je vyuˇz´ıv´ an z´ asobn´ık pro doˇcasné ukládán´ı návratov´ ych adres. Funkce je pˇredstavena na jednoduchém bin´ arn´ım ˇc´ıtaˇci se zpoˇzdˇen´ım. Funkce podprogramu je tedy zpomalit rychlost s jakou se mˇen´ı stav bin´ arn´ıho ˇc´ıtaˇce counter. Zpoˇzdˇen´ı pˇredstavuje cyklus, kter´ y se opakuje právˇe 256×. To je dáno dekrementac´ı pomocné promˇenné temp; ta nab´ yv´ a postupn´ ych hodnot 255, 254, . . ., 0. Pˇri kaˇzdé zmˇenˇe instrukc´ı DEC je také ovlivˇ nov´ an nulov´ y pˇr´ıznakov´ y bit. Ten je testován instrukc´ı BRNE. Pokud nen´ı splnˇen podm´ınka, ˇze temp je rovno nule, instrukce skoku zajist´ı opakován´ı smyˇcky od návˇeˇst´ı delay. Z dob trv´ an´ı jednotliv´ ych instrukc´ı je moˇzné pˇresnˇe vypoˇc´ıst dobu zpoˇzdˇen´ı. K manuálu instrukˇcn´ı sady [Atm02] plyne, ˇze DEC se vykoná za 1 strojov´ y cyklus (tj. 1 perioda hodinového sign´ alu), BRNE v pˇr´ıpadˇe skoku 2 periody, v opaˇcném pˇr´ıpadˇe jen 1 periodu a návrat z podprogramu RET trv´ a mikrokontroléru AVR právˇe 4 periody. Zapoˇc´ıtáme-li do doby v´ ykonu i samotné vol´ an´ı podprogramu (RCALL, 3 periody), dostáváme celkovou dobu trván´ı 3+256×1+255×2+1+4=774 cykl˚ u. Pˇri frekvenci fCP U = 1 MHz to znamená 774 µs, pˇri frekvence fCP U = 16 MHz trv´ a v´ ykon podprogramu 48 µs.

A.5


Následuj´ıc´ı zdrojov´ y k´ od reprezentuje jednoduchou aplikaci vyuˇz´ıvaj´ıc´ı pˇreruˇsen´ı od intern´ıho komparátoru. Pomoc´ı direktiv pˇrekladaˇce .org jsou do oblasti vektor˚ u pˇreruˇsen´ı, nadefinovány nepodm´ınˇené skoky na konkrétn´ı obsluˇzné rutiny pˇri resetu a pˇri zmˇenˇe v´ ystupu analogového komparátoru. Aplikace vyuˇz´ıvaj´ıc´ı obsluhy pˇreruˇsen´ı ukládaj´ı, stejnˇe jako podprogramy, návratové adresy do zásobn´ıku. Proto je nutné tento zásobn´ık (registrov´ y pár SPH a SPL) definovat; nejlépe bezprostˇrednˇe po spuˇstˇen´ı hlavn´ı ˇc´ asti aplikace (v naˇsem pˇr´ıpadˇe po návˇeˇst´ı reset:). Analogov´ y komparátor je nastaven prostˇrednictv´ım svého kontroln´ıho registru ACSR (Analog Comparator Control and Status Register), kde se zamˇen´ı invertuj´ıc´ı vstup komparátoru za vnitˇrn´ı zdroj


83

Zdrojov´ y k´ od A.4: Vol´ an´ı podprogramu v jazyce symbolick´ ych adres. 1 2 3

.include <m16def.inc> .def temp = R16 .def counter = R17

; d e f i n i ˇc n´ı s o u b o r m i k r o k o n t r o lé r u ATmega16 ; symbolicky ´ n´ a zev r e g i s t r u R16 ; symbolicky ´ n´ a zev r e g i s t r u R17

reset : LDI OUT LDI OUT

temp , LOW( RAMEND ) SPL , temp temp , HIGH( RAMEND ) SPH , temp

; ; ; ; ;

d e f i n i c e za ´ s o b n´ık u temp = n i ˇz ˇs´ı byte p o s l e d n´ı a d r e s y v SRAM n a p l nˇe n´ı n i ˇz ˇs´ı h o bytu Stack P o i n t e r u temp = v yˇs ˇs´ı byte p o s l e d n´ı a d r e s y v SRAM n a p l nˇe n´ı v yˇsˇs´ıh o bytu Stack P o i n t e r u )

setup : SER OUT CLR CLR

temp DDRB , temp counter temp

; ; ; ; ;

definov´ a n´ı p o r t u n a s t a v vˇs echny b i t y v r e g i s t r u temp port B = vy ´ s t u p n´ı n u l u j vˇs echny b i t y v r e g i s t r u c o u n t e r n u l u j hodnotu pro podprogram d e l a y

loop : OUT DEC RCALL RJMP

POTRB , counter counter delay loop

; ; ; ; ;

nekoneˇc n´ a smyˇcka p o ˇs l i obsah c o u n t e r na p o r t B dekrementace s t a v u ˇc´ı t a ˇc e c o u n t e r vola ´ n´ı podprogramu d e l a y skok na n a ´ v ˇe ˇs t´ı l o o p

; ; ; ;

podprogram r e a l i z u j´ı c´ı z p oˇz dˇe n´ı dekrementace pomocné promˇe nné pokud temp != 0 s k oˇc na d e l a y na ´ v r a t z podprogramu

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

delay : DEC BRNE RET

temp delay

referenˇcn´ıho napˇet´ı o nemˇenné hodnotˇe 1,23 V. Rovnˇeˇz se povol´ı pˇreruˇsen´ı pˇri jakékoliv zmˇenˇe v´ ystupu kompar´ atoru. Neinvertuj´ıc´ı vstup (pro ATmega16 je to pin PB3) pak pˇredstavuje sledovan´ y, vstupn´ı sign´ al. Hlavn´ı ˇc´ ast aplikace je zakonˇcena globáln´ım povolen´ım vˇsech pˇreruˇsen´ı (instrukce SEI) a nekoneˇcnou smyˇckou, která jiˇz neobsahuje ˇzádné dalˇs´ı instrukce. Toto zacyklen´ı je tedy moˇzné pˇreruˇsit pouze po zmˇenˇe v´ ystupn´ı hodnotˇe komparátoru, tj. pˇri zmˇenˇe stavu vstupn´ıho sign´ alu na pinu PB3.

A.6

ˇ Casovaˇ c watchdog

V´ yznam kontroln´ıho ˇcasovaˇce (tzv. watchdog) spoˇc´ıvá ve vyvolán´ı resetu celého systému v nestandardn´ıch situac´ıch. Takov´ a situace m˚ uˇze nastat napˇr. pˇri nedostateˇcném oˇsetˇren´ı podm´ınˇen´ ych skok˚ u, sémantickou chybou, pˇr´ıp. ˇspatn´ ym hardwarov´ ym návrhem. Filozofie pouˇzit´ı watchdogu je v pˇredstavˇe, ˇze reset (a pˇredevˇs´ım následné defaultn´ı nastaven´ı vˇsech intern´ıch periféri´ı, a v´ ykon programu od zaˇcátku) odstran´ı vzniknou situaci. Watchdog obsahuje datov´ y registr, jejichˇz hodnota se automaticky zvyˇsuje, a reset se vyvolá pˇri pˇreteˇcen´ı této hodnoty. Intern´ı watchdog je tedy nutné opakovanˇe nulovat – typicky v nekoneˇcné smyˇcce – coˇz lze u mikrokontrolér˚ u AVR provést instrukc´ı WDR (Watchdog Reset). Nastaven´ı jednotky je moˇzné prostˇrednictv´ım kontroln´ıho registru WDTCR (Watchdog Timer Control Register). V n´ asleduj´ıc´ım pˇr´ıkladˇe jsou vyuˇzity pouze bity pro povolen´ı watchdogu a pro nastaven´ı pˇreddˇeliˇcky ˇcasovaˇce: WDE – Watchdog Enable a WDP – Watchdog Timer Prescaler. Je-li nastavena maxim´ aln´ı pˇreddˇeliˇcka hodinového signálu, k pˇreteˇcen´ı dojde pˇribliˇznˇe za 2,1 s. Aplikace obsahuje hlavn´ı funkci (od návˇeˇst´ı reset:) a nekoneˇcnou smyˇcku loop:, ve které docház´ı k opakovanému nulov´ an´ı ˇcasovaˇce watchdog. Dále aplikace obsahuje extern´ı zdroj pˇreruˇsen´ı INT0. V tˇele obsluhy tohoto pˇreruˇsen´ı je zámˇerná chyba – nekoneˇcná smyˇcka, kter´ a zp˚ usob´ı neukonˇcen´ı obsluhy pˇreruˇsen´ı a následné pˇreteˇcen´ı watchdogu. Neb´ yt nˇej, do hlavn´ı

84


Zdrojov´ y k´ od A.5: Obsluha pˇreruˇsen´ı v jazyce symbolick´ ych adres. 1 2



.cseg .org 0 x0000 RJMP reset .org 0 x0020 RJMP comparator

; ; ; ; ;

pamˇet’ ov´ y segment F l a s h u l oˇz od a d r e s y 0 x0000 skok na n a ´ v ˇe ˇs t´ı r e s e t v e k t o r pˇr e r uˇs e n´ı kompar´ a toru skok na n a ´ v ˇe ˇs t´ı comparator

.org 0 x002A reset : LDI temp , LOW( RAMEND ) OUT SPL , temp LDI temp , HIGH( RAMEND ) OUT SPH , temp

; ; ; ; ; ;

u l oˇz od a d r e s y 0x002A d e f i n i c e z´ a s o b n´ık u temp = n i ˇz ˇs´ı byte p o s l e d n´ı a d r e s y v SRAM n a p l nˇe n´ı n i ˇz ˇs´ı h o bytu Stack P o i n t e r u temp = v yˇs ˇs´ı byte p o s l e d n´ı a d r e s y v SRAM n a p l nˇe n´ı v yˇsˇs´ıh o bytu Stack P o i n t e r u )

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

setup : ; n a p l nˇe n´ı k o n t r o l n´ıc h r e g i s t r˚ u ; i n v e r t u j´ı c´ı vstup kompar´ a toru zamˇenˇen za v n i t ˇr n´ı r e f e r e n ˇc n´ı n a p ˇe t´ı 1 , 2 3 V ; p o v o l e n´ı pˇr e r uˇs e n´ı pˇr i pˇr e k l o p e n´ı v y ´ stupu kompar´ a toru LDI temp , (1<
25 26 27

loop : RJMP loop

; nekoneˇc n´ a smyˇcka ; skok na n a ´ v ˇe ˇs t´ı l o o p

comparator : IN temp , PORTB DEC temp OUT POTRB , temp RETI

; ; ; ; ;

28 29 30 31 32 33

o b s l u h a pˇr e r uˇs e n´ı kompar´ a toru n a ˇc t e n´ı a k t u a ´ l n´ıh o s t a v u p o r t u B dekrementace pomocné promˇe nné a k t u a l i z a c e vy ´ s t u p n´ıh o p o r t u B u k o nˇc e n´ı o b s l u h y pˇr e r uˇs e n´ı

funkce by se v´ ykon programu jiˇz nevrátil. (Trván´ı nechtˇené smyˇcky je signalizováno rychl´ ym blikán´ım LED diody pˇripojen´ı na pinu PB0.)


Zdrojov´ y k´ od A.6: Vyuˇzit´ı ochranného ˇcasovaˇce watchdog v jazyce symbolick´ ych adres. 1 2



.cseg .org 0 x0000 RJMP reset .org 0 x0002 RJMP button

; ; ; ; ;

pamˇet’ ov´ y segment F l a s h u l oˇz od a d r e s y 0 x0000 skok na n a ´ v ˇe ˇs t´ı r e s e t v e k t o r e x t e r n´ıh o pˇr e r uˇs e n´ı INT0 skok na n a ´ v ˇe ˇs t´ı button

.org 0 x002A reset : LDI temp , LOW( RAMEND ) OUT SPL , temp LDI temp , HIGH( RAMEND ) OUT SPH , temp

; ; ; ; ; ;

u l oˇz od a d r e s y 0x002A d e f i n i c e z´ a s o b n´ık u temp = n i ˇz ˇs´ı byte p o s l e d n´ı a d r e s y v SRAM n a p l nˇe n´ı n i ˇz ˇs´ı h o bytu Stack P o i n t e r u temp = v yˇs ˇs´ı byte p o s l e d n´ı a d r e s y v SRAM n a p l nˇe n´ı v yˇsˇs´ıh o bytu Stack P o i n t e r u )

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

setup : LDI OUT LDI OUT LDI OUT LDI OUT SEI

; n a p l nˇe n´ı k o n t r o l n´ıc h r e g i s t r˚ u temp , ( 1<<WDE ) | ( 1<<WDP2 ) | ( 1<<WDP1 ) | ( 1<<WDP0 ) WDTCR , temp ; p o v o l e n´ı watchdogu s maxim´ a ln´ı pˇr e d d ˇe l i ˇc k o u temp , ( 1<
27 28 29 30

loop : WDR RJMP loop

; nekoneˇc n´ a smyˇcka ; nulova ´ n´ı watchdogu − n e d o j d e k r e s e t u ; skok na n a ´ v ˇe ˇs t´ı l o o p

button : IN DEC OUT RJMP RETI

; ; ; ; ; ;

31 32 33 34 35 36 37

temp , PORTB temp POTRB , temp button

o b s l u h a e x t e r n´ıh o pˇr e r uˇs e n´ı INT0 blika ´ n´ı LED na pinu PB0 a k t u a l i z a c e vy ´ s t u p n´ıh o pinu PB0 ´ z a c y k l e n´ı CHYBNE u k o nˇc e n´ı o b s l u h y pˇr e r uˇs e n´ı

85

86

B


Uk´ azky program˚ u pro AVR v jazyce C

V této kapitole jsou pˇredstaveny jednoduché zdrojové kódy a aplikace pro 8bitov´ y mikrokontrolér ATmega16, které jsou vyvinuty ve vyˇsˇs´ım programovac´ım jazyce C. Ve vˇsech ukázkách je pouˇzit voln´ y pˇrekladaˇc GCC s knihovnou avr-libc [Gcc09], [Lib09]. Pro tento pˇrekladaˇc plat´ı nˇekterá pravidla. V d˚ usledku vlastnost´ı pˇrekladaˇc˚ u z jazyka C (case sensitive), je nutné názvy kontroln´ıch registr˚ u ps´ at velk´ ymi p´ısmeny (napˇr. DDRB, PORTB). Popisn´ y soubor konkrétn´ıho mikrokontroléru vkl´ ad´ a pˇrekladaˇc automaticky na základˇe vytvoˇreného projektu v AVR Studiu; programátor vloˇz´ı jen soubor io.h pomoc´ı direktivy #include "avr\io.h". Nav´ıc, zásobn´ık je u aplikac´ı s podprogramy a pˇreruˇsen´ımi definován automaticky, stejnˇe jako ukonˇcen´ı obou typ˚ u rutin.

B.1

Ovl´ ad´ an´ı vstupnˇ e/v´ ystupn´ıho portu

Aplikace je totoˇzn´ a se zdrojov´ ym kódem, uveden´ ym v kapitole A.2, tj. prostˇrednictv´ım v´ ystupn´ıho portu B mikrokontroléru ATmega16 je generován 8bitov´ y binárn´ı ˇc´ıtaˇc. Velikost v´ ysledného k´ odu je bez pouˇzit´ı optimalizaˇcn´ıch nástroj˚ u rovna 184 B (tj. pˇribliˇznˇe 1,1% pamˇeti ATmega16). Zdrojov´ y k´ od B.1: Bin´ arn´ı ˇc´ıtaˇc v jazyce C. 1

#include




2 3 4 5 6

DDRB = 0 xFF ; PORTB = 0 xFF ;

// smˇe rov´ y r e g . DDRB = 2 5 5 , t j . c e l y ´ port B j e vy ´ s t u p n´ı // v y ´ s t u p n´ı p o r t B = 255

while ( 1 ) PORTB−− ;

// nekoneˇc n´ a smyˇcka // PORTB = PORTB − 1

return ( 1 ) ;


7 8 9 10 11 12

}

Hlavn´ı funkce celé aplikace main() obsahuje nastaven´ı v´ ystupn´ıho portu B a nekoneˇcnou smyˇcku while( 1 ) s aktualizac´ı v´ ystupn´ı hodnoty portu B. Zkrácen´ y zápis PORTB-- je totoˇzn´ y s rovnic´ı PORTB = PORTB − 1. Jsou-li k portu B pˇripojeny LED diody, mohla by b´ yt hodnota ˇc´ıtaˇce na nich pozorovateln´ a.

B.2

Podm´ınˇ en´ e vˇ etven´ı programu

Aplikace s podm´ınˇen´ ym v´ ykonem ˇc´ asti programu je ekvivalentem kódu z kapitoly A.3. V programu jsou neust´ ale testov´ any dva bity kontroln´ıho registru PINB, které koresponduj´ı s hodnotou dvou vstupn´ıch pin˚ u na portu B; tedy napˇr. hodnoty od tlaˇc´ıtek. Je-li stisknuto tlaˇc´ıtko na pinu PB0 je inkrementov´ ana lok´ aln´ı promˇenná temp; je-li stisknuto tlaˇc´ıtko na pinu PB1, promˇenn´ a temp je dekrementov´ ana. Hodnota této promˇenné je indikována na v´ ystupn´ım portu C. Pro testován´ı je vyuˇzita funkce bit is clear(), která má dva parametry: název kontroln´ıho registru a pozici bitu v nˇem. Jak n´ azev funkce napov´ıdá v´ ystupn´ı hodnota je jedna (true), pokud je testovan´ y bit roven nule. Obdobnˇe lze vyuˇz´ıvat také funkci bit is set(), jej´ıˇz hodnota je true, pokud testovan´ y bit je roven jedné. Viz napˇr. kapitola 6.3.


87

Zdrojov´ y k´ od B.2: Podm´ınˇené vˇetven´ı programu v jazyce C. 1

#include


i n t main ( void ) { char temp = 0 ;

// h l a v n´ı f u n k c e a p l i k a c e // d e k l a r a c e l o k a ´ l n´ı 8 b i t o v é promˇe nné temp = 0

2 3 4 5 6 7

DDRB = 0 x00 ; DDRC = 0 xFF ;

// p o r t B = v s t u p n´ı // p o r t C = v y ´ s t u p n´ı

while ( 1 ) {

// nekoneˇc n´ a smyˇcka

8 9 10

// pokud p i n 0 na p o r t u B = 0 , i n k r e m e n t u j temp i f ( bit_is_clear ( PINB , 0 ) ) temp++ ;

11 12 13

// pokud p i n 1 na p o r t u B = 0 , dekrementuj temp i f ( bit_is_clear ( PINB , 1 ) ) temp−− ;

14 15 16

// p o ˇs l i obsah promˇe nné temp na v y ´ s t u p n´ı p o r t C PORTC = temp ;

17 18

}

19 20

return ( 1 ) ;

21 22


}

B.3

Vol´ an´ı funkce

Program v jazyce C se vˇzdy skl´ ad´ a z jednotliv´ ych funkc´ı. Kaˇzdá funkce m˚ uˇze m´ıt (ale nemus´ı) urˇcit´ y poˇcet vstupn´ıch argument˚ u, které jsou v tˇele funkce chápány jako lokáln´ı promˇenné. Funkce také m˚ uˇze (ale nemus´ı) vracet jedinou v´ ystupn´ı hodnotu. Velmi ˇcasto je touto hodnotou ˇc´ıseln´ y identifik´ ator, zda pˇri v´ ykonu funkce nedoˇslo k chybˇe. Funkce z jazyka C jsou pro AVR pˇrekládány jako podprogramy. Ve zdrojovém k´ odu B.3 je pops´ an zp˚ usob pouˇzit´ı funkce v jazyce C. Kromˇe hlavn´ı funkce main() je ˇc´ ast k´ odu vykon´ av´ ana v r´ amci funkce delay(), která je volána pˇri kaˇzdém pr˚ uchodu nekoneˇcné smyˇcky hlavn´ı funkce. Funkce delay() mus´ı b´ yt pˇredem definována, tj. mus´ı b´ yt uveden jej´ı prototyp. Ten deklaruje pˇr´ıpadné vstupn´ı argumenty – v tomto pˇr´ıpadˇe, funkce obsahuje jedin´ y vstupn´ı argument typu unsigned char, tj. neznaménkové, celé, 8bitové ˇc´ıslo. V´ ystupn´ı hodnota funkce je deklarována jako int. Zápisem delay( 255 ) voláme funkci a lokáln´ı promˇennou temp napln´ıme vstupn´ı hodnotou 255, coˇz pˇredstavuje poˇcet opakov´ an´ı zpoˇzd’ovac´ıho cyklu while uvnitˇr funkce delay().

B.4


Pro vyuˇzit´ı pˇreruˇsen´ı mikrokontrolér˚ u AVR v jazyce C je nutné vloˇzit do projektu hlaviˇckov´ y soubor interrupt.h, obsahuj´ıc´ı definice obsluˇzn´ ych rutin. Pˇri v´ yvoji aplikac´ı nen´ı nutné zn´ at konkrétn´ı adresy vektor˚ u pˇreruˇsen´ı. Samotné obsluhy pˇreruˇsen´ı pˇredstavuj´ı vˇzdy makra ISR (anglicky: Interrupt Service Routine) se vstupn´ım parametrem, kter´ y identifikuje zdroj pˇreruˇsen´ı (viz tabulka 6.1). V pˇr´ıkladˇe B.4 (ekvivalent zdrojového kódu z kapitoly A.5) je t´ımto zdrojem intern´ı analogov´ y kompar´ ator (ANA COMP vect). Hlavn´ı funkce aplikace obsahuje jen nastaven´ı dvou kontroln´ıch registr˚ u: pro analogov´ y komparátor a port B. Pomoc´ı bit˚ u ACBG a ACIE je jeden ze vstup˚ u komparátoru zamˇenˇen za vnitˇrn´ı referenˇcn´ı napˇet´ı o hodnotˇe 1,23 V (pro ATmega16 je druh´ y z analogov´ ych vstup˚ u komparátoru pˇripojen na pin PB3), a je povoleno generován´ı pˇreruˇsen´ı pˇri libovolné zmˇenˇe na v´ ystupu kompar´ atoru. Pozn.: V´ yznam jednotliv´ ych bit˚ u byl zjiˇstˇen z manuálu mikrokontroléru

88


Zdrojov´ y k´ od B.3: Vol´ an´ı funkce v jazyce C. 1

#include


i n t delay ( unsigned char ) ;

// p r o t o t y p f u n k c e d e l a y

i n t main ( void ) { unsigned char counter = 0 ;

// h l a v n´ı f u n k c e a p l i k a c e // d e k l a r a c e l o k a ´ l n´ı promˇe nné c o u n t e r

2 3 4 5 6 7 8

DDRB = 0 xFF ;

// p o r t B = v y ´ s t u p n´ı

while ( 1 ) { PORTB = counter ; counter−− ; delay ( 255 ) ; }

// // // //

return ( 1 ) ;


9 10 11 12 13 14

nekoneˇc n´ a smyˇcka a k t u a l i z a c e hodnoty na p o r t u B dekrementace ˇc´ı t a ˇc e vola ´ n´ı z p oˇz d’ o v a c´ı f u n k c e s parametrem 255

15 16 17

}

18 19

i n t delay ( unsigned char temp ) {

// t ˇe l o f u n k c e d e l a y

20 21 22

while ( temp > 0 ) temp−− ;

// opakuj , dokud temp != 0 // dekrementace pomocné promˇe nné

return ( 0 ) ;


23 24 25

}

Zdrojov´ y k´ od B.4: Pˇreruˇsen´ı mikrokontroléru v jazyce C. 1 2

#include #include


ISR ( ANA_COMP_vect ) {

// o b s l u h a pˇr e r uˇs e n i a n a l o g o vé h o kompar´ a toru

3 4 5

PORTB−− ;

6 7

// dekrementace s t a v u v y ´ s t u p n´ıh o p o r t u B

}

8 9



10

/∗ i n v e r t u j´ı c´ı vstup kompar´ a toru zamˇenˇen za v n i t ˇr n´ı r e f e r e n ˇc n´ı n a p ˇe t´ı 1 , 2 3 V zapnuto p o v o l e n´ı pˇr e r uˇs e n´ı pˇr i pˇr e k l o p e n´ı v y ´ stupu kompar´ a toru ∗/ ACSR |= ( 1<
11 12 13 14 15

DDRB = 0 xFF ;

// p o r t B = v y ´ s t u p n´ı

sei ( ) ; while ( 1 ) ; return ( 1 ) ;

// g l o b a ´ l n´ı p o v o l e n´ı pˇr e r uˇs e n´ı // nekoneˇc n´ a smyˇcka // v y ´ s t u p n´ı hodnota f u n k c e = 1

16 17 18 19 20

}

AVR [Atm16]. I/O port B mikrokontroléru AVR je nastaven jako v´ ystupn´ı. Hlavn´ı funkce dále obsahuje jen glob´ aln´ı povolen´ı vˇsech pˇreruˇsen´ı – v jazyce C pomoc´ı funkce sei() a nekoneˇcnou smyˇcku. Jedinou moˇznost´ı pro mikrokontrolér, jak se z této smyˇcky dostat je pouze pˇreruˇsen´ı od komparátoru. Obsluha pˇreruˇsen´ı obsahuje jen zmˇenu stavu na v´ ystupn´ım portu B. Nen´ı také nutné implicitnˇe uv´ adˇet instrukci pro ukonˇcen´ı obsluhy pˇreruˇsen´ı (tj. RETI); tu pˇridá pˇrekladaˇc automaticky za posledn´ı pˇr´ıkaz makra ISR.


B.5

89

ˇ Casovaˇ c watchdog

Zdrojov´ y k´ od je ekvivalentem aplikace v jazyce symbolick´ ych adres z kapitoly A.6. V nekoneˇcné smyˇcce je pro nulov´ an´ı ˇcasovaˇce watchdog pouˇzita instrukce WDR. Jednoduché vloˇzen´ı instrukce(´ı) AVR do zdrojového k´ odu v jazyce C, kdy nen´ı potˇreba pˇredávat parametry/hodnoty mezi vyˇsˇs´ım a niˇzˇs´ım jazykem lze realizovat funkc´ı asm(). Parametrem této funkce je ˇretˇezec obsahuj´ıc´ı posloupnost instrukc´ı, kter´ a se m´ a pˇr´ımo vloˇzit do pˇrekompilované aplikace. Zdrojov´ y k´ od B.5: Vyuˇzit´ı ochranného ˇcasovaˇce watchdog v jazyce C. 1 2

#include #include


ISR ( INT0_vect ) {

// o b s l u h a e x t e r n´ıh o pˇr e r uˇs e n i INT0

3 4 5

while ( 1 ) PORTB−− ;

6 7 8

´ z a c y k l e n´ı // CHYBNE // b l i k a ´ n´ı LED na pinu PB0

}

9 10



11

// p o v o l e n´ı watchdogu s pˇr e d dˇe l iˇc k a , t j . pˇr e t e ˇc e n´ı za 2 , 1 s WDTCR |= ( 1<<WDE ) | ( 1<<WDP2 ) | ( 1<<WDP1 ) | ( 1<<WDP0 ) ;

12 13 14

GICR

15

|= ( 1<
// p o v o l e n´ı e x t e r n´ıh o pˇr e r uˇs e n´ı INT0

16

// g e n e r o v a t pˇr e r uˇs e n´ı INT0 na s e s t u p n o u hranu MCUCR |= ( 1<
17 18 19 20

DDRB = 1 ;

// p i n PB0 = v y ´ s t u p n´ı

sei ( ) ; while ( 1 ) { asm ( ”WDR” ) ; } return ( 1 ) ;

// g l o b a ´ l n´ı p o v o l e n´ı pˇr e r uˇs e n´ı // nekoneˇc n´ a smyˇcka // n u l o v ´ a n´ı watchdogu

21 22 23 24 25 26 27


}

Aplikace vyuˇz´ıv´ a extern´ıho zdroje pˇreruˇsen´ı s oznaˇcen´ım INT0. To se spust´ı pˇri kaˇzdé sestupné hranˇe vstupn´ıho sign´ alu (viz naplnˇen´ı kontroln´ıch registr˚ u GICR a MCUCR). V rámci pˇreruˇsen´ı doch´ az´ı k neˇz´ adouc´ımu zacyklen´ı a ke zmˇenˇe hodnoty na portu B. Je-li definován jako v´ ystupn´ı pouze pin PB0 (viz naplnˇen´ı registru DDRB), bude v tomto cyklu blikat pouze jedna LED dioda z portu B. Po uplynut´ı cca 2 sekund dojde k pˇreteˇcen´ı ochranného ˇc´ıtaˇce watchdog, coˇz zp˚ usob´ı reset celého systému a n´ avrat do hlavn´ı funkce main().

B.6

Vol´ an´ı funkce v JSA z aplikace v jazyce C

Pˇri v´ yvoji aplikac´ı pro mikrokontroléry lze kombinovat zdrojové kódy ve vyˇsˇs´ım jazyce C ˇ a v niˇzˇs´ım jazyce symbolick´ ych adres. Casto se toho vyuˇz´ıvá pˇri volán´ı funkce(´ı), jej´ıˇz v´ ykon chce m´ıt program´ ator pod absolutn´ı kontrolou (pˇredevˇs´ım z d˚ uvodu pˇresného ˇcasován´ı). V kapitole B.5 byla pˇredstavena funkce asm(), která zajiˇst’uje vloˇzen´ı konkrétn´ıch instrukc´ı pˇri pˇrekladu z jazyka C. V pˇr´ıpadˇe pˇred´ av´ an´ı hodnot promˇenn´ ych, deklarovan´ ych ve vyˇsˇs´ım jazyce, nen´ı ˇ moˇzné tento pˇr´ıstup pouˇz´ıt. Reˇsen´ım je vyuˇzit´ı samostatn´ ych zdrojov´ ych soubor˚ u a plnˇen´ı registr˚ u hodnotami vstupn´ıch parametr˚ u funkce v pevnˇe definovaném poˇrad´ı. Následuj´ıc´ı aplikace realizuje v´ ypoˇcet souˇctu dvou komplexn´ıch ˇc´ısel. Zdrojov´ y kód v jazyce C (koncovka .c) vypad´ a následovnˇe.

90


Zdrojov´ y k´ od B.6: Kombinace zdrojov´ ych kód˚ u v jazyce C a v jazyce symbolick´ ych adres pro mikrokontrolér AVR – soubor f1.c. 1

#include


SOUBOR: f 1 . c

2 3 4

/∗ p r o t o t y p f u n k c e z e x t e r n´ıh o souboru ( f 2 . s ) ∗/ extern i n t add_compl ( int , i n t ) ;

5 6 7 8 9

i n t main ( int a int b int c

void ) { = 0 x0A05 ; = 0 x1403 ; ;

// h l a v n´ı f u n k c e a p l i k a c e // a r = 1 0 , a i = 5 // b r = 2 0 , b i = 3

10 11

c = add_compl ( a , b ) ;

// v o l a ´ n´ı f u n k c e v JSA

while ( 1 ) ; return ( 1 ) ;


12 13 14 15

}

Kl´ıˇcové slovo extern v prototypu funkce add compl() napov´ıdá, ˇze tˇelo funkce se vyskytuje v jiném zdrojovém souboru. Tato funkce má dva vstupn´ı operandy – pˇredstavuj´ı komplexn´ı ˇc´ısla – a oba jsou typu int, tj. jsou to 16bitová ˇc´ısla. V´ yznam tˇechto bit˚ u je následuj´ıc´ı: vyˇsˇs´ı bajt pˇredstavuje re´ alnou ˇc´ ast komplexn´ıho ˇc´ısla, niˇzˇs´ı byte pak pˇredstavuje imaginárn´ı ˇcást. Funkce vrac´ı hodnotu stejného typu a stejného v´ yznamu. Následuje v´ ypis zdrojového kódu v jazyce symbolick´ ych adres, uloˇzeném v textovém souboru s koncovkou .s. Zdrojov´ y k´ od B.7: Kombinace zdrojov´ ych kód˚ u v jazyce C a v jazyce symbolick´ ych adres pro mikrokontrolér AVR – soubor f2.s. 1

#include

; h l a v iˇc k o v y ´ s o u b o r m i k r o k o n t r o lé r u

.global add_compl .func add_compl add_compl : ADD R25 , R23 ADD R24 , R22

; definice globa ´ l n´ıh o parametru − n´ a zvu podprogramu ; z aˇc a ´ t e k podprogramu ( f u n k c e )

SOUBOR: f 2 . s

2 3 4 5 6 7

; s o uˇc e t r e a ´lny ´ c h ˇc a ´ s t´ı ; s o uˇc e t i m a g i n a ´ r n´ıc h ˇc a ´ s t´ı

8

RET .endfunc

9 10

; na ´ v r a t z podprogramu / f u n k c e ; konec podprogramu ( f u n k c e )

Proces pˇred´ av´ an´ı parametr˚ u mezi zdrojov´ ym kódem v jazyce C a jazykem symbolick´ ych adres ’ je pevnˇe dán a zajiˇst uje ho pˇrekladaˇc. Pˇri volán´ı funkce add compl( a, b ) je tak zajiˇstˇeno nakop´ırován´ı hodnot promˇenné a do registr˚ u R25 a R24, hodnota promˇenné b je pak pˇr´ıtomna v registrovém p´ aru R23:22. V´ yznam jednotliv´ ych bajt˚ u je rovnˇeˇz patrn´ y z obrázku B.1. Zdrojov´ y k´ od v jazyce symbolick´ ych adres mus´ı obsahovat direktivy .global, .func a .endfunc. Jejich v´ yznam je patrn´ y ze zdrojového kódu B.7. Vrac´ı-li funkce hodnotu, mus´ı b´ yt uloˇzena v registrech R25 a R24 (v naˇsem pˇr´ıpadˇe obsahuj´ı tyto registry reálnou a imaginárn´ı hodnotu v´ ysledného souˇctu). V´ıce o pˇredáván´ı parametr˚ u z jazyka C v kapitole 6.4.

B.7

A/D pˇ revodn´ık

V této kapitole je pˇredstavena moˇznost pouˇzit´ı intern´ıho A/D pˇrevodn´ıku mikrokontroléru AVR. Tento pˇrevodn´ık je 8mi kan´ alov´ y (lze tedy postupnˇe pˇrep´ınat aˇz mezi 8mi analogov´ ymi vstupy) a pˇrevedená hodnota je 10bitov´ a. Pˇrevodn´ık je ˇr´ızen intern´ım hodinov´ ym signálem, jehoˇz frek-


91

Pracovn´ı registry 7

0

={b}

R22

<{b}

R23

={a}

R24

<{a}

R25

} }

int b

int a

Obr´ azek B.1: Pˇred´ av´ an´ı vstupn´ıch parametr˚ u z jazyka C pro mikrokontroléry AVR.

vence mus´ı leˇzet v intervalu 50 kHz aˇz 250 kHz; ta se odvozuje od frekvence jádra mikrokontrolér˚ u prostˇrednictv´ım pevn´ ych pˇreddˇeliˇcek. Zdrojov´ y kód B.8 pˇredstavuje aplikaci, která opakovanˇe pˇrevád´ı hodnoty ze vstup˚ u PA7, PA6 a PA5. Po dokonˇcen´ı kaˇzdého pˇrevodu se spust´ı obsluha pˇreruˇsen´ı ISR( ADC vect ) kde je nejprve naplnˇena promˇenná adcData pˇrevedenou hodnotou, následnˇe se nastav´ı dalˇs´ı analogov´ y kanál, rozsv´ıt´ı se barevná identifikaˇcn´ı dioda a zaháj´ı se dalˇs´ı pˇrevod. Princip pˇrep´ın´ an´ı mezi kan´ aly je zˇrejm´ y z diagramu B.2. ISR: ADC

zpracov´ an´ı aktu´ aln´ıho vzorku

naˇcten´ı vzorku ADCW zpracov´ an´ı

kan´ al==7

+ kan´ al = 6

red LED

kan´ al = 5

yellow LED

kan´ al = 7

green LED

− pˇrep´ın´ an´ı mezi trojic´ı kan´ al˚ u

kan´ al==6

+

− kan´ al==5

+

− start nového A/D pˇrevodu

zah´ ajen´ı nového A/D pˇrevodu konec pˇreruˇsen´ı

Obr´ azek B.2: Obsluha pˇreruˇsen´ı po dokonˇcen´ı A/D pˇrevodu. V obsluze tak chyb´ı samotné zpracován´ı ˇc´ıselné hodnoty z analogového kanálu. K intern´ımu A/D pˇrevodn´ıku se pˇristupuje v´ yhradné prostˇrednictv´ım kontroln´ıch registr˚ u ADMUX (ADC Multiplexer Selection Register) – vybrán´ı jednoho kanálu, pˇr´ıp. referenˇcn´ıho napˇet´ı a ADCSRA (ADC Control and Status Register) – zapnut´ı A/D pˇrevodn´ıku, zahájen´ı pˇrevodu, povolen´ı pˇreruˇsen´ı po dokonˇcen´ı pˇrevodu, nastaven´ı pˇreddˇeliˇcky hodinového signálu. Hlavn´ı funkce aplikace obsahuje pouze nastaven´ı vˇsech kontroln´ıch registr˚ u, povolen´ı pˇreruˇsen´ı a nekoneˇcnou smyˇcku.

92


Zdrojov´ y k´ od B.8: A/D pˇrevod pomoc´ı intern´ıho pˇrevodn´ıku AVR 1 2

#include #include


#define #define #define #define

// // // //

3 4 5 6 7

LEDs red yellow green

PORTB 0 b11011111 0 b10111111 0 b01111111

d i r e k t i v y pre−p r o c e s o r u ˇc e r v e n a ´ LED d i o d a j e pˇr i p o j e n a ´ na pinu PB5 ˇz l u t a ´ LED d i o d a j e pˇr i p o j e n a ´ na pinu PB6 zelena ´ LED d i o d a j e pˇr i p o j e n a ´ na pinu PB7

8 9

char channel ;

// pomocn´ y identifika ´ t o r A/D ka n´ alu

ISR ( ADC_vect ) { unsigned i nt adcData ;

// o b s l u h a pˇr e r uˇs e n´ı A/D pˇr e v o d n´ık u // d e k l a r a c e l o k a ´ l n´ı promˇe nné

10 11 12 13

adcData = ADCW ;

14

// n a ˇc t e n´ı 10 b i t o v é hodnoty A/D pˇr evodu

15

/∗ zde c h y b´ı ˇc a ´ s t k´ o du , k t e r a ´ p r a c u j e s pˇr evedenou hodnotou ; napˇr . j i z o b r a z´ı na LCD d i s p l e j i , v yˇs l e po s é r i o v é l i n c e , pˇr i d a ´ do kruhové pamˇe ti FIR f i l t r u , apod . Promˇenn´ a adcData nab´ y v´ a hodnot 0 aˇz 1 , 0 2 3 ∗/

16 17 18 19

// r e ˇz i e pˇr e p´ın a ´ n´ı mezi 3 k a n ´ aly ; v i z u a ´ l n´ı s i g n a l i z a c e pomoc´ı LED d i o d i f ( channel == 7 ) { ADMUX |= ( 1<<MUX2 ) | ( 1<<MUX1 ) | ( 0<<MUX0 ) ; // k a n a ´ l PA6 channel = 6 ; // pomocn´ y identifika ´ t o r k an´ a lu LEDs = red ; // s i g n a l i z a ˇc n´ı LED } e l s e i f ( channel == 6 ) { ADMUX |= ( 1<<MUX2 ) | ( 0<<MUX1 ) | ( 1<<MUX0 ) ; // k a n a ´ l PA5 channel = 5 ; // pomocn´ y identifika ´ t o r k an´ a lu LEDs = yellow ; // s i g n a l i z a ˇc n´ı LED } e l s e i f ( channel == 5 ) { ADMUX |= ( 1<<MUX2 ) | ( 1<<MUX1 ) | ( 1<<MUX0 ) ; // k a n a ´ l PA7 channel = 7 ; // pomocn´ y identifika ´ t o r k an´ a lu LEDs = green ; // s i g n a l i z a ˇc n´ı LED }

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

// z a p n u t´ı A/D pˇr evodn´ıku , z a h a ´ j e n´ı nové ho pˇr evodu ADCSRA |= ( 1<
37 38 39

}

40 41



42

DDRB = 0 b11100000 ;

43

// d e k l a r a c e v y ´ s t u p n´ıc h pin˚ u pro bar evné LED

44

// v y ´ bˇe r k an´ a lu na pinu PA7 ADMUX |= ( 1<<MUX2 ) | ( 1<<MUX1 ) | ( 1<<MUX0 ) ; channel = 7 ; // pomocn´ y identifika ´ t o r k an´ a lu

45 46 47 48

/∗ z a p n u t´ı A/D pˇr evodn´ıku , z a h a ´ j e n´ı pˇrevodu , p o v o l e n´ı pˇr e r uˇs e n´ı pˇr e d d ˇe l i ˇc k a n a s t a v e n a na 128 ∗/ ADCSRA |= ( 1<
49 50 51 52 53

sei ( ) ; while ( 1 ) ; return ( 1 ) ;

54 55 56 57

}

// g l o b a ´ l n´ı p o v o l e n´ı pˇr e r uˇs e n´ı // nekoneˇc n´ a smyˇcka // v y ´ s t u p n´ı hodnota f u n k c e = 1


C

Znakov´ a sada LCD displeje 0·

2·

3·

4·

5·

6·

7·

·0 ·1 ·2 ·3 ·4 ·5 ·6 ·7 ·8 ·9 ·A ·B ·C ·D ·E ·F Obr´ azek C.1: Znakov´ a sada LCD displeje.

A· B· C· D· E· F·

93

1 3Mikroprocesorov technika a embedded syst my

Recommend Documents