Mikroprocesorová technika a embedded systémy

Mikroprocesorov´ a technika a embedded syst´ emy Poˇc´ıtaˇcová cviˇcen´ı

doc. Ing. Tom´ aˇ s Fr´ yza, Ph.D. ˇ doc. Ing. Jiˇ r´ı Sebesta, Ph.D. Ing. Zbynˇ ek Fedra, Ph.D. Ing. Petr Zelinka

´ USTAV RADIOELEKTRONIKY

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

1

Obsah 1 V´ yvojov´ e prostˇ red´ı AVR Studio, 1.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Teoretické poznatky . . . . . . 1.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . 1.4 Námˇety pro dalˇs´ı aplikace . . . 1.5 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Kontroln´ı otázky . . . . . . . .

aritmetick´ e operace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 Ovl´ ad´ an´ı LED diod, vyuˇ zit´ı podprogram˚ u 2.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Teoretické poznatky . . . . . . . . . . . . 2.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Námˇety pro dalˇs´ı aplikace . . . . . . . . . 2.5 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Kontroln´ı otázky . . . . . . . . . . . . . . 3 Obsluha pˇ reruˇ sen´ı 3.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Teoretické poznatky . . . . . . . . . . 3.2.1 Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 3.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . . . . . 3.4 Námˇety pro dalˇs´ı aplikace . . . . . . . 3.5 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Kontroln´ı otázky . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

7 7 7 8 9 9 9

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

11 11 11 12 14 14 14

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

15 15 15 16 17 18 18 18

4 Intern´ı ˇ casovaˇ c/ˇ c´ıtaˇ c, generov´ an´ı PWM sign´ alu 4.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Teoretické poznatky . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Pˇreruˇsen´ı od ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce . . . . . . . . 4.2.2 Pulznˇe ˇs´ıˇrková modulace . . . . . . . . . . 4.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Námˇety pro dalˇs´ı aplikace . . . . . . . . . . . . . 4.5 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Kontroln´ı otázky . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

19 19 19 19 20 21 22 22 23

. . . . . . . .

24 24 24 24 25 25 28 29 29

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

5 Programov´ an´ı v jazyce C, obsluha pˇ reruˇ sen´ı 5.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Teoretické poznatky . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Vyˇsˇs´ı programovac´ı jazyky . . . . . . . 5.2.2 Obsluha pˇreruˇsen´ı v jazyce C . . . . . 5.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Námˇety pro dalˇs´ı aplikace . . . . . . . . . . . 5.5 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Kontroln´ı otázky . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

2

ˇ ızen´ı komunikace s displejem 6 R´ 6.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . 6.2 Teoretické poznatky . . . . . 6.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . 6.4 Námˇety pro dalˇs´ı aplikace . . 6.5 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . 6.6 Kontroln´ı otázky . . . . . . .

Mikroprocesorová technika a embedded systémy

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

7 Zpracov´ an´ı analogov´ ych sign´ al˚ u 7.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Teoretické poznatky . . . . . . . . . 7.2.1 Analogovˇe digitáln´ı pˇrevodn´ık 7.2.2 Zásuvn´ y audio modul . . . . . 7.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . . . . 7.4 Námˇety pro dalˇs´ı aplikace . . . . . . 7.5 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 Kontroln´ı otázky . . . . . . . . . . . 8 S´ eriov´ y pˇ renos dat 8.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Teoretické poznatky . . . . . . 8.2.1 Asynchronn´ı komunikace 8.2.2 Sbˇernice I2C . . . . . . . 8.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . 8.4 Námˇety pro dalˇs´ı aplikace . . . 8.5 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . 8.6 Kontroln´ı otázky . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

30 30 30 32 34 35 35

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

36 36 36 36 37 38 39 39 39

. . . . . . . . UART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

40 40 40 40 42 43 44 45 45

. . . . . .

46 46 46 47 51 51 52

. . . . . .

53 53 53 53 55 56 56

9 V´ yvojov´ e prostˇ red´ı Code Composer 9.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Teoretické poznatky . . . . . . . . 9.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . . . 9.4 Námˇety pro dalˇs´ı aplikace . . . . . 9.5 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6 Kontroln´ı otázky . . . . . . . . . .

Studio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10 Filtrace sign´ al˚ u, implementace FIR filtru 10.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Teoretické poznatky . . . . . . . . . . . . 10.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . 10.4 Námˇety pro dalˇs´ı aplikace . . . . . . . . . 10.5 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6 Kontroln´ı otázky . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

11 Diskr´ etn´ı Fourierova transformace 59 11.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 11.2 Teoretické poznatky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 11.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61


3

11.4 Námˇety pro dalˇs´ı aplikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 11.5 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 11.6 Kontroln´ı otázky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 12 Kombinace programov´ an´ı v jazyce 12.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Teoretické poznatky . . . . . . . 12.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . . 12.4 Námˇety pro dalˇs´ı aplikace . . . . 12.5 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . 12.6 Kontroln´ı otázky . . . . . . . . .

Ca . . . . . . . . . . . . . . . . . .

v . . . . . .

LJSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

Literatura

64 64 64 64 67 67 67 69

A Manu´ al v´ yvojov´ eho prostˇ red´ı AVR Studio 72 A.1 Nov´ y projekt a simulátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 A.2 Programován´ı c´ılového mikrokontroléru pomoc´ı ISP . . . . . . . . . . . . . 74 B Z´ akladn´ı popis jazyka C B.1 Promˇenné a operandy . . . . . . . . B.2 Podm´ınˇen´ y skok . . . . . . . . . . . . B.3 Cyklus v jazyce C . . . . . . . . . . . B.4 Specifika pˇrekladaˇce GCC a knihovny

. . . . . . . . . AVR

. . . . . . . . . Libc

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

76 76 78 79 80

C V´ yvojov´ a deska ATmega16

82

D Znakov´ a sada LCD displeje

86

4


Seznam obr´ azk˚ u 2.1 4.1 4.2 5.1 5.2 6.1 6.2 6.3 7.1 8.1 8.2 8.3 9.1 9.2 10.1 10.2 11.1 11.2 A.1 A.2 A.3 A.4 A.5 B.1 C.1 D.1

Pˇripojen´ı LED diod na v´ yvojové desce STK500 . . . . . . . . . . . Princip tvorby PWM signálu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Casov´ y diagram generován´ı PWM signálu . . . . . . . . . . . . . . V´ ybˇer programátoru AVRISP mkII . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplikace AVR Wizard pro nastaven´ı ˇr´ıdic´ıch registr˚ u AVR . . . . . Pˇr´ıklad zapojen´ı 7segmentového displeje . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı LCD displeje na v´ yvojové desce ATmega16 . . . . . . . . Novˇe definované znaky pro LCD displej . . . . . . . . . . . . . . . . Obvodové zapojen´ı zásuvného audio modulu . . . . . . . . . . . . . Struktura asynchronn´ıho rámce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Casov´ e pr˚ ubˇehy na sbˇernici I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freewarová aplikace Terminal pro ovládán´ı sériového portu poˇc´ıtaˇce V´ ybˇer simulátoru signálového procesoru TMS320C6713 . . . . . . . V´ yvojové prostˇred´ı Code Composer Studio firmy Texas Instruments Grafick´ y nástroj fdatool v prostˇred´ı Matlab pro návrh filtr˚ u. . . . Aplikace Soundcard Scope pro generován´ı a anal´ yzu signál˚ u . . . . V´ ypoˇcet 8bodové FFT s vyuˇzit´ım DIF (Decimation in Frequency) . Intern´ı nástroj CCS pro hodnocen´ı poˇcetn´ı nároˇcnosti algoritm˚ u . . Vytvoˇren´ı nového projektu v prostˇred´ı AVR Studio . . . . . . . . . V´ ybˇer lad´ıc´ıho nástroje a c´ılového mikrokontroléru . . . . . . . . . V´ yvojové prostˇred´ı AVR Studio s vytvoˇren´ ym projektem . . . . . . Lad´ıc´ı prostˇred´ı AVR Studia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dialogové okno pro programován´ı mikrokontroléru ATmega16 . . . Anatomie programu v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı v´ yvojové desky Development Board ATmega16 . . . . . . Znaková sada LCD displeje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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

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

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

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

12 21 21 27 28 31 31 35 37 41 42 43 47 50 55 56 60 63 72 73 73 74 75 76 82 86


5

Seznam tabulek 3.1 3.2 4.1 5.1 6.1 6.2 9.1 12.1 B.1 B.2 B.3 B.4 C.1

Pˇrehled vektor˚ u pˇreruˇsen´ı pro mikrokontrolér ATmega16 . . . . . . Zp˚ usob spouˇstˇen´ı extern´ıch pˇreruˇsen´ı INTn (registr MCUCR) . . . Nastaven´ı pˇreddˇeliˇcky ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce 0 (registr TCCR0) . . . . . . Pˇrehled vektor˚ u pˇreruˇsen´ı pro mikrokontrolér ATmega16 v jazyce C Vybrané pˇr´ıkazy pro komunikaci s LCD displejem . . . . . . . . . . Soupis vybran´ ych funkc´ı z knihovny pro LCD . . . . . . . . . . . . Princip vyuˇzit´ı kruhové pamˇeti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vybrané instrukce signálového procesoru TMS320C6713 . . . . . . Základn´ı typy a rozsahy hodnot promˇenn´ ych v jazyce C . . . . . . . Základn´ı aritmetické operace v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . Bitové a logické operace v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relaˇcn´ı operandy v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seznam souˇca´stek v´ yvojové desky Development Board ATmega16 .

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

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

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

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

16 17 20 26 32 33 51 65 77 78 78 79 83

6


Seznam zdrojov´ ych k´ od˚ u 1.1 Jednoduchá aplikace pro mikrokontrolér AVR . . . . . . . 1.2 Pˇr´ıklad zdrojového kódu pro AVR . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Aplikace s LED diodami pro mikrokontrolér AVR . . . . . 2.2 Definice zásobn´ıku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Kostra aplikace vyuˇz´ıvaj´ıc´ı extern´ı zdroj pˇreruˇsen´ı . . . . . 5.1 Kostra aplikace vyuˇz´ıvaj´ıc´ı extern´ı zdroj pˇreruˇsen´ı v jazyce ´ 5.2 Usek kódu v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Kostra aplikace pro ovládán´ı 7segmentového displeje . . . . 6.2 Kombinace v´ ypisu ˇretˇezce a hodnoty na znakov´ y displej . . ˇ 8.1 R´ızen´ı komunikace prostˇrednictv´ım sériové sbˇernice I2C . . 9.1 V´ ypoˇcet skalárn´ıho souˇcinu vektor˚ u pro TMS320C6713 . . 9.2 Realizace kruhové pamˇeti . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 Realizace ˇc´ıslicového filtru typu FIR . . . . . . . . . . . . 10.2 Ovládán´ı LED diod a pˇrep´ınaˇc˚ u . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Funkce pro ovládán´ı LED diod a pˇrep´ınaˇc˚ u. . . . . . . . . 11.1 Implementace DFT na signálov´ y procesor TMS320C6713 . 12.1 V´ ypoˇcet skalárn´ıho souˇcinu v LJSA . . . . . . . . . . . . . 12.2 Implementace FFT na signálov´ y procesor TMS320C6713 . B.1 Hlavn´ı funkce aplikace v jazyce C . . . . . . . . . . . . . . B.2 Deklarace a plnˇen´ı promˇenn´ ych v jazyce C . . . . . . . . . B.3 Základn´ı vˇetven´ı programu . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.4 Vˇetven´ı programu pomoc´ı switch a case . . . . . . . . . . B.5 Cyklus pomoc´ı for . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.6 Cyklus pomoc´ı while . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.7 Realizace nekoneˇcné smyˇcky . . . . . . . . . . . . . . . . . B.8 Realizace nekoneˇcné smyˇcky v aplikaci s pˇreruˇsen´ım . . . . B.9 Nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı funkce z knihovny AVR Libc . . . . . . . .

. . . . . . . . . . C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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

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

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

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

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

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

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

8 9 13 14 17 27 29 33 34 45 51 52 57 58 58 61 65 68 77 77 78 79 79 80 80 80 81


1

7

V´ yvojov´ e prostˇ red´ı AVR Studio, aritmetick´ e operace

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. Jaké jsou hlavn´ı rozd´ıly von Neumannovy a Harvardské architektury. 2. Jak´ ym zp˚ usobem lze pˇrevádˇet hodnoty z binárn´ı soustavy do hexadecimáln´ı, pˇr´ıp. do soustavy des´ıtkové? 3. Jaké instrukce lze u mikrokontroléru AVR pouˇz´ıt k v´ ypoˇctu souˇctu, souˇcinu a rozd´ılu dvou hodnot?

C´ıle poˇ c´ıtaˇ cov´ eho cviˇ cen´ı C´ılem poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı je osvojen´ı si práce s v´ yvojov´ ym prostˇred´ım AVR Studio. Toto prostˇred´ı je urˇcené pro psan´ı a ladˇen´ı aplikac´ı, stejnˇe jako pro programován´ı mikrokontrolér˚ u typu AVR. Souˇcasnˇe má cviˇcen´ı za c´ıl umoˇznit student˚ um proniknout do zp˚ usob˚ u v´ yvoje a testován´ı jednoduch´ ych aplikac´ı, urˇcen´ ych pro 8bitov´ y mikrokontrolér ATmega16.

1.1

Zad´ an´ı

1. Seznamte se s v´ yvojov´ ym prostˇred´ım AVR Studio pro programován´ı a ladˇen´ı aplikac´ı s mikrokontroléry AVR. Vytvoˇrte aplikaci pro v´ ypoˇcet skalárn´ıho souˇcinu dvou ~ vektor˚ u s = ~a · b v jazyce symbolick´ ych adres (JSA). 2. Pomoc´ı integrovaného lad´ıc´ıho nástroje analyzujte správnou funkci vytvoˇrené aplikace. 3. Proved’te ruˇcn´ı pˇreklad jedné instrukce z vaˇseho programu. V´ ysledek zkontrolujte s poˇc´ıtaˇcov´ ym pˇrekladem. 4. Vytvoˇrte program pro realizaci souˇcinu hodnot dvou komplexn´ıch ˇc´ısel.

1.2

Teoretick´ e poznatky

V ˇc´ıslicov´ ych soustavách, tedy i v mikroprocesorové technice, jsou hodnoty reprezentovány vˇzdy v binárn´ı soustavˇe, tj. rozliˇsuj´ı se jen dva stavy. Vzhledem k faktu, ˇze zápis hodnot v binárn´ı podobˇe je rozsáhl´ y a nepˇr´ıliˇs pˇrehledn´ y, pouˇz´ıvá se pro lepˇs´ı kompaktnost zápisu soustava hexadecimáln´ı. V této soustavˇe je moˇzné kaˇzdou ˇctveˇrici bit˚ u nahradit jedin´ ym symbolem z mnoˇziny 0, 1, . . . , 9, A, . . . , F. Posledn´ı ˇc´ıselnou soustavou, která se nejˇcastˇeji pouˇz´ıvá v mikroprocesorové technice je soustava des´ıtková. V této soustavˇe jsou zpravidla vyˇzadovány vstupn´ı a v´ ystupn´ı hodnoty pro uˇzivatele; napˇr.: hodnoty operand˚ u na kalkulaˇcce, zobrazená velikost mˇeˇreného napˇet´ı, ˇcas na digitáln´ıch hodinách a podobnˇe. Historie mikrokontrolér˚ u sahá do poloviny sedmdesát´ ych let 20. stolet´ı, od kdy se v´ yvoj v mikroprocesorové technice rozdˇelil na dva proudy. Prvn´ı smˇer vede ke zvyˇsován´ı poˇcetn´ıho v´ ykonu procesor˚ u, vˇetˇs´ıch kapacit i rychlost´ı pamˇet´ı, apod. Do této kategorie patˇr´ı napˇr. mikroprocesory z oblasti PC techniky. Druh´ y proud smˇeˇroval k integraci vˇsech

8


potˇrebn´ ych obvod˚ u do jediné souˇca´stky. O mikrokontrolérech (MCU – Microcomputer Unit) tedy hovoˇr´ıme jako o mikroprocesorech, doplnˇen´ ych o obvody pamˇet´ı a pˇr´ıdavn´ ych periferi´ı, um´ıstˇen´ ych na jediném ˇcipu (souˇcástce). Takto vytvoˇren´ y obvod je následnˇe schopen ˇr´ıdit jednoduché aplikace z oblasti spotˇrebn´ı elektroniky, audio-video techniky, zabezpeˇcovac´ıch zaˇr´ızen´ı, obsluhy klávesnic a myˇs´ı v PC technice, v automobilovém pr˚ umyslu (ˇr´ıdic´ı jednotky motor˚ u, ABS, . . .) a v mnoha dalˇs´ıch technick´ ych oblastech [Van03]. V souˇcasné dobˇe existuje celá ˇrada v´ yrobc˚ u, kteˇr´ı produkuj´ı mikrokontroléry s r˚ uznou strukturou. Kromˇe nejstarˇs´ı a patrnˇe nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı ˇrady ’51 firmy Intel, jsou bˇeˇzné také produkty firmy Microchip (PIC), Freescale (HCS08, HC11, . . .), ˇci Atmel (AVR). Mikrokontroléry AVR obsahuj´ı 32 identick´ ych 8bitov´ ych registr˚ u pro bˇeˇzné pouˇzit´ı (oznaˇcované R0 aˇz R31), které mohou obsahovat jak data, tak i adresy. Pamˇet’ov´ y prostor mikrokontroléru dále obsahuje 64 adres vstupnˇe/v´ ystupn´ıch registr˚ u, které slouˇz´ı k perifern´ım funkc´ım jako jsou ˇr´ıdic´ı registry jádra MCU, ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce, A/D pˇrevodn´ıky a dalˇs´ı (podrobnˇeji o I/O registrech v následuj´ıc´ıch poˇc´ıtaˇcov´ ych cviˇcen´ıch). ´ Aplikace pro MCU lze vyv´ıjet v jazyce symbolick´ ych adres nebo v jazyce C. Uvodn´ ı cviˇcen´ı budou zamˇeˇrena na programován´ı v jazyce symbolick´ ych adres. Jednoduchá aplikace pro AVR je zobrazena ve v´ ypise 1.1. Zdrojov´ y k´ od 1.1: Jednoduchá aplikace 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

2

LDI LDI ADD

3 4 5

R16 , 0 xA0 R17 , 40 R16 , R17

; n a p l nˇe n´ı r e g i s t r u R16 hodnotou 160 ; R17 = 40 ; s o uˇc e t hodnot r e g i s t r˚ u : R16 = R16 + R17

6 7 8

loop : RJMP loop

1.3

; u k o nˇc e n´ı a p l i k a c e ; nekoneˇc ná smyˇcka

Pokyny k zad´ an´ı

Bod 1. Ve v´ yvojovém prostˇred´ı AVR Studio vytvoˇrte zdrojov´ y kód v JSA pro mikrokontrolér ATmega16, kter´ y umoˇzn´ı naplnˇen´ı dvou ˇctveˇric 8bitov´ ych registr˚ u – kaˇzdá ˇctveˇrice ~ bude reprezentovat prvky vstupn´ıch vektor˚ u ~a = (a3 , a2 , a1 , a0 ) a b = (b3 , b2 , b1 , b0 ). Pro v´ ypoˇcet skalárn´ıho souˇcinu vyuˇzijte instrukce mikrokontroléru ATmega16 pro aritmetické operace bez pˇrenosu a z d˚ uvodu zjednoduˇsen´ı neuvaˇzujte moˇznost pˇrekroˇcen´ı maximáln´ıho rozsahu hodnot pro 8bitov´ y v´ ysledek. Hodnoty prvk˚ u vektor˚ u zadejte v des´ıtkové, hexadecimáln´ı i v binárn´ı podobˇe a uloˇzte je pˇr´ımo do zvolen´ ych pracovn´ıch registr˚ u! Zdrojov´ y kód pˇreloˇzte do strojového jazyka. Struˇcn´ y manuál pro práci s prostˇred´ım AVR Studio naleznete v pˇr´ıloze A. Bod 2. Korektn´ı funkci programu vyzkouˇsejte v integrovaném simulátoru. Pˇrepnˇete se do lad´ıc´ıho reˇzimu a krokován´ım programu (napˇr. klávesou F11 ) ovˇeˇrte správnou funkci vaˇs´ı aplikace. Bod 3. Vyuˇcuj´ıc´ı vám zadá jednu instrukci z vaˇseho programu a pomoc´ı manuálu instrukˇcn´ı sady mikrokontrolér˚ u AVR [Atm02] ji ruˇcnˇe pˇreloˇzte do strojového kódu.


9

V´ ysledek zkontrolujte s automatick´ ym pˇrekladem programu AVR Studio. Zobrazit strojov´ y kód lze v ladic´ım módu napˇr´ıklad pˇr´ıkazem View→Disassembler (tlaˇc´ıtko ). Z kolika bit˚ u se skládá jedna instrukce mikrokontroléru AVR? Bod 4. Vytvoˇrte nov´ y projekt pro mikrokontrolér ATmega16 a v JSA naprogramujte aplikaci, která bude realizovat souˇcin hodnot dvou komplexn´ıch ˇc´ısel zadan´ ych ve sloˇzkovém tvaru. Pro reálné i imaginárn´ı sloˇzky uvaˇzujte celá neznaménková ˇc´ısla, která si zvol´ıte. Je vhodné volit ˇc´ısla menˇs´ı, aby pˇri d´ılˇc´ıch aritmetick´ ych operac´ıch nedoˇslo k pˇreteˇcen´ı a t´ım k obt´ıˇzné kontrole správnosti v´ ysledk˚ u. Pro kaˇzdou z komplexn´ıch ˇca´st´ı vstupn´ıch a v´ ystupn´ıch hodnot vyˇcleˇ nte jeden 8bitov´ y registr. Celkem tedy vstupn´ı a v´ ystupn´ı data zaberou ˇsest registr˚ u (reálná a imaginárn´ı ˇcást pro dvˇe vstupn´ı ˇc´ısla a jeden v´ ysledek). Pro pˇripomenut´ı je souˇcin dvou komplexn´ıch ˇc´ısel a a b definován rovnic´ı a · b = <{a} · <{b} − ={a} · ={b} + (<{a} · ={b} + ={a} · <{b}) ,

(1.1)

kde <{a} reprezentuje reálnou ˇca´st a ={a} imaginárn´ı ˇca´st komplexn´ıho ˇc´ısla a a  je imaginárn´ı jednotka. Vypoˇctenou hodnotu zkontrolujte ”ruˇcn´ım”v´ ypoˇctem, pˇr´ıp. v programu Matlab. Kolik instrukc´ı obsahuje váˇs program pro v´ ypoˇcet souˇcinu komplexn´ıch ˇc´ısel? Jak velkou ˇcást pamˇeti program zab´ırá? Kolik pracovn´ıch registr˚ u vyuˇz´ıváte celkem?

1.4

N´ amˇ ety pro dalˇ s´ı aplikace

• Naprogramujte algoritmy pro vzájemn´ y pˇrevod mezi ˇc´ıseln´ ymi soustavami, pouˇz´ıvan´ ymi v mikroprocesorové technice.

1.5

Shrnut´ı

Poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı bylo koncipováno jako u ´vod do v´ yvoje aplikac´ı pro mikrokontrolér ATmega16. Jeho u ´kolem bylo pˇribl´ıˇzit student˚ um tvorbu programu v jazyce symbolick´ ych adres, správné pouˇzit´ı základn´ıch instrukc´ı, pˇreklad instrukc´ı do strojového kódu a ladˇen´ı programu pomoc´ı intern´ıho simulátoru v prostˇred´ı AVR Studio. Hlavn´ı d˚ uraz byl kladen na uˇzit´ı instrukc´ı aritmetick´ ych operac´ı a operac´ı pro pˇresun dat.

1.6

Kontroln´ı ot´ azky

Ot´ azka 1.1 Kolik registr˚ u obsahuje mikrokontrolér ATmega16 a jakým zp˚ usobem lze v programu AVR Studio zobrazit jejich obsah? Ot´ azka 1.2 Je následuj´ıc´ı posloupnost instrukc´ı syntakticky i sémanticky korektn´ı? Doplˇ nte komentáˇre k jednotlivým instrukc´ım.

Zdrojov´ y k´ od 1.2: Pˇr´ıklad zdrojového kódu pro AVR. 1 2 3 4 5

math : LDI LDI ADD SUB

R15 , R17 , R16 , R16 ,

1F 25 R15 R17

; ; ; ; ;

10


Ot´ azka 1.3 Jaká jsou pravidla pro psan´ı programátorsky-pˇrehledných zdrojových kód˚ u? Ot´ azka 1.4 Jakým zp˚ usobem se korektnˇe ukonˇc´ı program u mikrokontrolér˚ u AVR? Ot´ azka 1.5 Do jakých registr˚ u se ukládá výsledek souˇctu a souˇcinu?.


2

11

Ovl´ ad´ an´ı LED diod, vyuˇ zit´ı podprogram˚ u

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. Jak lze u mikrokontroléru ATmega16 definovat smˇer komunikace jednotliv´ ych pin˚ u? 2. Jak je moˇzné v mikroprocesorové technice snadno testovat, zda je v´ ysledek aritmetické operace roven nule? Jak lze tento postup vyuˇz´ıt pro realizaci cyklu? 3. Jak´ ymi instrukcemi se volá podprogram a jak je zajiˇstˇen bezpeˇcn´ y návrat z nˇej? 4. Jakou funkci má programov´ y ˇc´ıtaˇc (Program Counter), ukazatel na zásobn´ık (Stack Pointer) a zásobn´ık (Stack)?

C´ıle poˇ c´ıtaˇ cov´ eho cviˇ cen´ı C´ılem poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı je vyuˇzit´ı mikrokontrolér˚ u k ˇr´ızen´ı jednoduch´ ych proces˚ u prostˇrednictv´ım paraleln´ıch I/O port˚ u. Dále je c´ılem cviˇcen´ı realizace podm´ınˇen´ ych skok˚ u a volán´ı podprogram˚ u v jazyce symbolick´ ych adres.

2.1

Zad´ an´ı

1. V jazyce symbolick´ ych adres AVR sestavte a ovˇeˇrte jednoduchou aplikaci pro rozsv´ıcen´ı zvolen´ ych LED diod, které jsou pˇripojeny k I/O portu mikrokontroléru. 2. Vytvoˇrte 8bitov´ y binárn´ı ˇc´ıtaˇc a jeho hodnotu zobrazte pomoc´ı LED diod. Realizujte zpoˇzdˇen´ı chodu ˇc´ıtaˇce pomoc´ı podprogramu. 3. Ovˇeˇrte funkci zásobn´ıku pˇri volán´ı podprogramu.

2.2


Vˇsechny vstupnˇe/v´ ystupn´ı porty (I/O brány) mikrokontroléru ATmega16 mohou b´ yt pouˇzity jako obecné ˇc´ıslicové vstupy/v´ ystupy a souˇcasnˇe mohou tvoˇrit rozhran´ı k jednotliv´ ym periferi´ım implementovan´ ym na ˇcipu procesoru. Tyto periferie jsou ve schématickém znaku definovány popisem pinu v závorce; napˇr. PA0 (ADC0) oznaˇcuje nejniˇzˇs´ı pin na portu A a souˇcasnˇe nejniˇzˇs´ı kanál intern´ıho A/D pˇrevodn´ıku. T´ımto zp˚ usobem jsou ˇreˇseny I/O obvody vˇsech mikrokontrolér˚ u. Jednotlivé I/O piny procesor˚ u ˇrady AVR jsou ˇreˇseny tzv. Read-Modify-Write architekturou, tj. smˇer toku dat a stav jednotliv´ ych I/O pin˚ u lze libovolnˇe mˇenit nezávisle na ostatn´ıch pinech. Pro práci s I/O bránami, aplikovan´ ymi jako obecné ˇc´ıslicové vstupy/v´ ystupy, slouˇz´ı skupina konfiguraˇcn´ıch registr˚ u. U mikrokontroléru AVR jsou pro tyto u ´ˇcely k dispozici následuj´ıc´ı registry (symbol ”n”definuje název portu A, B, C nebo D): DDRn (Data Direction Registr) urˇcuje smˇer toku dat, zápisem hodnoty 0 na pˇr´ısluˇsn´ y bit 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.

12


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). V architektuˇre AVR jsou definovány dalˇs´ı registry pro práci s I/O branami umoˇzn ˇuj´ıc´ı konfiguraci pull-up rezistor˚ u, nastaven´ı vysoké impedance, apod. Pro naˇsi práci vˇsak budou prozat´ım postaˇcovat v´ yˇse uvedené registry. Pro ˇcasto se opakuj´ıc´ı u ´seky zdrojového kódu se vyuˇz´ıvaj´ı makra nebo podprogramy. Makra jsou realizována pomoc´ı pˇrekladaˇce, kdy se do zdrojového kódu vkládá poˇzadovaná posloupnost instrukc´ı. Takto psané aplikace tedy zab´ıraj´ı vˇetˇs´ı ˇca´st programové pamˇeti. Jejich v´ ykon je ale rychlejˇs´ı. Podprogram se odliˇsuje t´ım, ˇze je v pamˇeti obsaˇzen pouze jednou a pˇri kaˇzdém pouˇzit´ı se tzv. volá, tj. skáˇce se na m´ısto v pamˇeti, kde je uloˇzen. Po vykonán´ı celého podprogramu, ˇr´ıdic´ı jednotka zajist´ı skok na m´ısto, odkud byl podprogram volán – návrat z podprogramu. Skoky a návraty z podprogram˚ u zp˚ usobuj´ı delˇs´ı dobu v´ ykonu oproti makru. Pˇri volán´ı podprogramu je také nutné uloˇzit tzv. návratovou adresu, tj. pamˇet’ovou pozici kde bude v´ ykon programu pokraˇcovat po návratu z podprogramu. Návratová adresa se ukládá do zásobn´ıku, pro kter´ y je vyˇclenˇena ˇca´st datové pamˇeti SRAM.

2.3


Bod 1. Ve v´ yvojovém prostˇred´ı vytvoˇrte nov´ y projekt v jazyce symbolick´ ych adres (v kolonce Project type je nutné vybrat volbu Atmel AVR Assembler). V zadané aplikaci je u ´kolem rozsv´ıtit LED diody zapojené k I/O bránˇe. Postup je tedy zˇrejm´ y, nejprve zápisem do registru DDRn zap´ıˇsete konfiguraˇcn´ı hodnotu tak, aby pˇr´ısluˇsné piny dané I/O brány, k nimˇz jsou LED diody pˇripojeny, byly nastaveny jako v´ ystupn´ı (hodnota 1). Zápisem do pˇr´ısluˇsného registru PORTn pak definujeme, která z tˇechto LED diod bude sv´ıtit. Pro zápis do registr˚ u periferi´ı (I/O registry) se vyuˇz´ıvá instrukce OUT, pro ˇcten´ı pak instrukce IN. Z hlediska hardwarového je tedy nutno vˇedˇet jak jsou LED diody k I/O v´ yvod˚ um mikrokontroléru pˇripojeny (viz napˇr. obrázek 2.1).

Obr´ azek 2.1: Pˇripojen´ı LED diod na v´ yvojové desce STK500 [Atm06]. Dalˇs´ı d˚ uleˇzitou informac´ı pˇri pˇripojován´ı dalˇs´ıch obvod˚ u k I/O pin˚ um je proudová zat´ıˇzitelnost jednotliv´ ych pin˚ u. Ta je uvedena v katalogovém listu mikrokontroléru a je specifikována jak pro logickou u ´roveˇ n v´ ystupu 0, tak i 1 a obvykle se tyto hodnoty liˇs´ı. Souˇcasnˇe je tˇreba kontrolovat také celkov´ y odbˇer vˇsech pˇripojen´ ych obvod˚ u k I/O port˚ um mikrokontroléru, aby nebyla pˇrekroˇcena celková dovolená v´ ykonová ztráta na ˇcipu (najdeme ji opˇet v katalogovém listu a obvykle je definována v závislosti na provozn´ı teplotˇe okol´ı).


13

Pro tuto poˇc´ıtaˇcovou u ´lohu bude vyuˇzita v´ yvojová deska STK500 firmy Atmel, pˇripojená k poˇc´ıtaˇci prostˇrednictv´ım sériového rozhran´ı RS-232. Zapojen´ı desky a jej´ı popis je uveden v [Atm03]. V´ yvojová deska umoˇzn ˇuje programovat celou ˇradu mikrokontrolér˚ u typu AVR. Pro naˇse potˇreby byl vybrán mikrokontrolér ATmega16. K I/O branám procesoru lze pomoc´ı propojek pˇripojovat r˚ uzné perifern´ı obvody. S ohledem na zadán´ı je port B pˇripojen k sadˇe LED diod. Propojen´ı nemˇen ˇte. Ned´ılnou ˇca´st´ı v´ yvojové desky je programovac´ı modul mikrokontroléru, tedy jednotka umoˇzn ˇuj´ıc´ı naprogramovat mikrokontrolér pˇr´ımo z prostˇred´ı AVR Studio. Tato programovac´ı jednotka umoˇzn ˇuje bezprostˇredn´ı programován´ı mikrokontroléru zapojeného v reálném systému. Nen´ı tedy nutné mikrokontrolér vytahovat ˇci vypajovat z c´ılového hardwaru. Tento zp˚ usob programován´ı je oznaˇcován zkratkou ISP (In System Programming). V pˇr´ıloze A.2 je struˇcnˇe ukázáno jak vaˇsi sestavenou, pˇreloˇzenou a pˇr´ıpadnˇe odladˇenou aplikaci v simulátoru AVR Studia naprogramovat do fyzického mikrokontroléru prostˇrednictv´ım ISP. LED diody jsou propojeny s portem B. Vˇsechny LED diody jsou n´ızkopˇr´ıkonové (cca 2 mA v propustném smˇeru), coˇz bezpeˇcnˇe vyhovuje parametr˚ um zat´ıˇzitelnosti mikrokontroléru ATmega16. Zvolte si, které LED rozsv´ıt´ıte. M˚ uˇzete vyuˇz´ıt kostry zdrojového kódu 2.1. Zdrojov´ y k´ od 2.1: Aplikace s LED diodami 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

2 3 4 5 6

LDI OUT LDI OUT

... DDR ? . . . ... PORT ? . . .

; ; ; ;

d e f i n i c e vy ´ s t u p n´ıh o p o r t u p o u ˇz i j t e sprá vn y ´ ná zev smˇe rové ho r e g i s t r u r o z s v´ı c e n´ı z v o l e n y ´ c h LED d i o d p o u ˇz i j t e sprá vn y ´ ná zev v y ´ s t u p n´ıh o r e g i s t r u

7 8 9

loop : RJMP loop

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

Bod 2. Binárn´ı ˇc´ıtaˇc vytvoˇrte pomoc´ı nekoneˇcné smyˇcky, ve které budete inkrementovat obsah 8bitové promˇenné, tu odes´ılejte na v´ ystupn´ı port a t´ım zobrazte pomoc´ı LED diod. Oˇsetˇren´ı pˇreteˇcen´ı maximáln´ı hodnoty dané 8 bity neuvaˇzujte. Aby byly zmˇeny ˇc´ıtaˇce patrné, je nutno do programu zaˇradit tzv. zpoˇzd’ovac´ı smyˇcku, která zajist´ı prodlouˇzen´ı doby trván´ı jednoho stavu. Zpoˇzd’ovac´ı smyˇcku vytvoˇrte pomoc´ı cyklu s vysok´ ym poˇctem opakován´ı. Tuto operaci vloˇzte do podprogramu. Kolik opakován´ı obsahuje vaˇse zpoˇzd’ovac´ı smyˇcka? Vypoˇctˇete dobu trván´ı podprogramu. Teorie volán´ı a návrat˚ u z podprogram˚ u byla probrána na pˇrednáˇsce. Pˇripomeˇ nme jen, ˇze ke správné funkci podprogramu mus´ı b´ yt ˇca´st datové pamˇeti vyhrazena pro zásobn´ık. Definici zásobn´ıku je moˇzné naprogramovat dle zdrojového kódu 2.2. Bod 3. Aplikaci z pˇredchoz´ıho bodu spust’te v simulátoru a pˇri krokován´ı si poznaˇcte hodnoty ukazatele na zásobn´ık (SP), programového ˇc´ıtaˇce (PC) a návratovou adresu pˇred prvn´ım volán´ım podprogramu. Po skoku do podprogramu pak zjistˇete zmˇeny PC a SP. Jaká data jsou uloˇzena v zásobn´ıku? Obsah pamˇeti je moˇzné zobrazit volbou View→Memory.

14


Zdrojov´ y k´ od 2.2: Definice zásobn´ıku. 1 2 3 4 5

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

2.4

; ; ; ; ;

d e f i n i c e z á 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 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 SRAM SPH ( v yˇs ˇs´ı byte Stack P o i n t e r u ) = R16


• Naplnˇen´ı dat do SRAM pomoc´ı direktiv. Práce s tˇemito daty v hlavn´ım programu – napˇr. modifikace funkc´ı z poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı 1. • Vytvoˇren´ı podprogramu pro v´ ypoˇcet celoˇc´ıselné odmocniny s pouˇzit´ım bitov´ ych posun˚ u. • Ovˇeˇrte rozd´ıly mezi volán´ım podprogramu a makrem. Vytvoˇrte nov´ y projekt v JSA. Aplikace bude obsahovat hlavn´ı funkci, makro a podprogram. Makro i podprogram necht’ realizuj´ı souˇcet dvou komplexn´ıch ˇc´ısel. V hlavn´ı ˇcásti aplikace pak definujte zásobn´ık a postupnˇe spust’te/volejte 5× vytvoˇrené makro a podprogram. Aplikaci otestujte v simulátoru. Jak velkou ˇcást programové pamˇeti zab´ıraj´ı makra a jakou podprogram? Kolik cykl˚ u trvá v´ ykon vˇsech maker a kolik cykl˚ u trvá v´ ykon vˇsech podprogram˚ u? Pro vˇetˇs´ı pˇrehlednost je moˇzné v kódu vyuˇz´ıt direktivu specifikuj´ıc´ı adresu, kde má b´ yt podprogram uloˇzen, napˇr. .org 0x0100 pro adresu 0x0100.

2.5

Shrnut´ı

Poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı umoˇzn ˇuje student˚ um osvojen´ı si pouˇzit´ı vstupnˇe/v´ ystupn´ıch port˚ u pro obsluhu jednoduch´ ych perifern´ıch zaˇr´ızen´ı. Rovnˇeˇz pˇredstavuje tvorbu a programován´ı aplikac´ı pro reálné mikrokontroléry, vˇcetnˇe pouˇzit´ı podprogram˚ u a maker pro efektivnˇejˇs´ı zápis zdrojového kódu.

2.6


Ot´ azka 2.1 Jmenujte alespoˇ n pˇet direktiv pˇrekladaˇce a k ˇcemu konkrétnˇe slouˇz´ı? Ot´ azka 2.2 Jaké znaˇcky se pouˇz´ıvaj´ı pro pˇrehledný zápis funkce programu prostˇrednictv´ım vývojových diagram˚ u (zahájen´ı/ukonˇcen´ı, pˇriˇrazen´ı, cyklus, podm´ınka, volán´ı podprogramu)? Nakreslete vývojový diagram aplikace z bodu 2. Ot´ azka 2.3 Popiˇste pr˚ ubˇeh ukládán´ı návratové adresy pˇri volán´ı podprogramu.


3

15

Obsluha pˇ reruˇ sen´ı

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. V jakém pamˇet’ovém segmentu a od jaké adresy se nacház´ı vˇsechny ˇr´ıdic´ı (I/O) registry mikrokontroléru ATmega16? Jak´ y je rozd´ıl mezi I/O registry a pracovn´ımi registry? 2. Jaké jsou rozd´ıly mezi podprogramem a obsluhou pˇreruˇsen´ı? 3. Jmenujte nutné podm´ınky, které mus´ı b´ yt splnˇeny k zahájen´ı obsluhy libovolného pˇreruˇsen´ı.

C´ıle poˇ c´ıtaˇ cov´ eho cviˇ cen´ı C´ılem poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı je osvojen´ı si práce s pˇreruˇsen´ım mikrokontroléru v jazyce symbolick´ ych adres. Konkrétnˇe bude vyuˇzit extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı od tlaˇc´ıtka.

3.1

Zad´ an´ı

1. Seznamte se s hledán´ım informac´ı v anglickém katalogovém listˇe k mikrokontroléru ATmega16. Vyhledejte potˇrebné informace k nastaven´ı a povolen´ı extern´ıho pˇreruˇsen´ı od tlaˇc´ıtka. 2. V JSA naprogramujte aplikaci 8bitového ˇc´ıtaˇce ˇr´ızeného extern´ım pˇreruˇsen´ım. 3. Proved’te oˇsetˇren´ı stisku tlaˇc´ıtka.

3.2


´ Uvodn´ ı ˇca´st programové pamˇeti je u mikrokontrolér˚ u zpravidla vyhrazena pro tzv. vektory pˇreruˇsen´ı. Tyto vektory popisuj´ı ˇcinnost systému v pˇr´ıpadˇe akutn´ıch událost´ı. Pokud dojde u mikroprocesoru k události, která vyvolává pˇreruˇsen´ı, mikrokontrolér se ”pod´ıvá” na konkrétn´ı m´ısto v programové pamˇeti (právˇe do oblasti vektor˚ u pˇreruˇsen´ı) a hledá zde program obsluhy vzniklé situace. Z pochopiteln´ ych d˚ uvod˚ u se do této oblasti nevkládá cel´ y program obsluhy pˇreruˇsen´ı, ale jen skok na zaˇca´tek tohoto programu. Poˇcet vektor˚ u pˇreruˇsen´ı se liˇs´ı pro jednotlivé procesory (hlavnˇe podle jejich hardwarové vybavenosti). Pro námi pouˇz´ıvan´ y mikrokontrolér ATmega16 firmy Atmel lze soupis vˇsech vektor˚ u pˇreruˇsen´ı nalézt v tabulce 3.1. Typ pˇreruˇsen´ı, kter´ y obsahuj´ı vˇsechny systémy je tzv. reset. K nˇemu dojde po pˇripojen´ı napájec´ıho napˇet´ı nebo po zresetován´ı systému extern´ım signálem (zpravidla n´ızkou u ´rovn´ı). Jelikoˇz po zapnut´ı systému zaˇcne mikroprocesor vykonávat instrukce od zaˇcátku programové pamˇeti, je vektor pˇreruˇsen´ı pro reset um´ıstˇen právˇe na adrese 0x0000. Skoky na pˇr´ısluˇsné obsluˇzné programy lze realizovat napˇr´ıklad instrukc´ı RJMP, jak naznaˇcuje zdrojov´ y kód 3.1. Veˇskerá pˇreruˇsen´ı je nutné pˇredem povolit v odpov´ıdaj´ıc´ıch ˇr´ıdic´ıch registrech a nav´ıc povolit globáln´ı pˇreruˇsen´ı ve stavovém registru SREG (Status Register), coˇz lze pˇr´ımo provést instrukc´ı SEI. Pˇri aktivaci pˇreruˇsen´ı jsou po dobu vykonán´ı obsluhy jednoho pˇreruˇsen´ı ostatn´ı pˇreruˇsen´ı obecnˇe zakázána. Obsluhu pˇreruˇsen´ı je nutné ukonˇcit pˇr´ıkazem

16


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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

0x0000 0x0002 0x0004 0x0006 0x0008 0x000A 0x000C 0x000E 0x0010 0x0012 0x0014 0x0016 0x0018 0x001A 0x001C 0x001E 0x0020 0x0022 0x0024 0x0026 0x0028

Extern´ı reset, pˇripojen´ı napájen´ı, . . . Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 0. Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 1. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 2 – shoda komparace. 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 Casovaˇc/ˇc´ıtaˇc 1 – shoda s komparátorem B. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 1 – pˇreteˇcen´ı. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 0 – pˇreteˇcen´ı. Dokonˇcen´ı sériového pˇrenosu SPI. USART – kompletn´ı pˇr´ıjem dat. USART – prázdn´ y datov´ y registr. USART – kompletn´ı vyslán´ı dat. ADC – dokonˇcen´ı A/D pˇrevodu. EEPROM – komunikace pˇripravena. Zmˇena v´ ystupu analogového komparátoru. Událost na sériové sbˇernici I2C. Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 2. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 0 – shoda komparace. Uloˇzen´ı do programové pamˇeti pˇripraveno.

RESET INT0 INT1 TIMER2 COMP TIMER2 OVF TIMER1 CAPT TIMER1 COMPA TIMER1 COMPB TIMER1 OVF TIMER0 OVF SPI, STC USART, RXC USART, UDRE USART, TXC ADC EE RDY ANA COMP TWI INT2 TIMER0 COMP SPM RDY

RETI (návrat na m´ısto v programu, kdy pˇriˇsel poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı), kter´ y sám opˇet povol´ı ostatn´ı pˇreruˇsen´ı (jedná se o obdobu instrukce RET u návratu z podprogramu). Stejnˇe jako u volán´ı podprogramu je i u obsluhy pˇreruˇsen´ı nutné pˇredem uloˇzit návratovou adresu. Opˇet se vyuˇzije ˇca´st pamˇeti RAM, která pˇredstavuje zásobn´ık, tj. na zaˇca´tku ˇ aplikace je nutné jej definovat! Razen´ ı jednotliv´ ych vektor˚ u pˇreruˇsen´ı v programové pamˇeti zároveˇ n udává jejich prioritu: nejniˇzˇs´ı adresa (reset) odpov´ıdá nejvyˇsˇs´ı prioritˇe, atd. 3.2.1

Extern´ı poˇ zadavek na pˇ reruˇ sen´ı

Extern´ı zdroje pˇreruˇsen´ı jsou oznaˇcovány jako INT0, INT1 a INT2 a mohou b´ yt pˇrivedeny na odpov´ıdaj´ıc´ı trojici konkrétn´ıch pin˚ u mikrokontroléru ATmega16. Zaj´ımavost´ı je, ˇze pˇreruˇsen´ı funguje, i kdyˇz jsou samotné piny nastaveny jako v´ ystupn´ı. Kaˇzdé pˇreruˇsen´ı má odpov´ıdaj´ıc´ı maskovac´ı bit, kter´ y umoˇzn ˇuje povolen´ı ˇci zákaz daného pˇreruˇsen´ı. Pro vˇsechny tˇri zdroje extern´ıho pˇreruˇsen´ı se tyto maskovac´ı bity nacház´ı v kontroln´ım registru GICR (General Interrupt Control Register). Bit INT1 povoluje pˇreruˇsen´ı od zdroje INT1, atd. Pro povolen´ı daného pˇreruˇsen´ı je tedy tˇreba nastavit odpov´ıdaj´ıc´ı maskovac´ı bit (na hodnotu 1). Dále je nutné specifikovat, za jak´ ych podm´ınek se bude extern´ı pˇreruˇsen´ı


17

Zdrojov´ y k´ od 3.1: Kostra aplikace vyuˇz´ıvaj´ıc´ı extern´ı zdroj pˇreruˇsen´ı. 1 2 3 4 5 6

. include <m16def . inc> . cseg . org 0 x0000 RJMP reset . org 0 x0002 RJMP citac

; ; ; ; ; ;

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

. org 0 x002A reset : ... ... SEI

; u l oˇz od a d r e s y 0x002A ; d e f i n i c e z á s o b n´ık u ; n a p l nˇe n´ı I /O r e g i s t r˚ u ; g l o b á l n´ı p o v o l e n´ı vˇs e c h pˇr e r uˇs e n´ı

loop : RJMP loop

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

citac : ... RETI

; z aˇc ´ a t e k e x t e r n´ıh o pˇr e r uˇs e n´ı INT0 ; k´ o d o b s l u h y e x t e r n´ıh o pˇr e r uˇs e n´ı INT0 ; u k o nˇc e n´ı o b s l u h y pˇr e r uˇs e n´ı

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

generovat. To lze zajistit pomoc´ı bit˚ u ISCn1 a ISCn0 (”n” je oznaˇcen´ı zdroje pˇreruˇsen´ı, tj. 0, 1, nebo 2) v registru MCUCR (MCU Control Register). Chceme-li napˇr. generovat extern´ı pˇreruˇsen´ı INT1 s kaˇzdou vzestupnou hranou, je nutné nastavit bity ISC11 a ISC10 v tomto registru. V´ yznam jednotliv´ ych nastaven´ı je znázornˇen v katalogovém listu mikrokontroléru, ˇci v tabulce 3.2. Tabulka 3.2: Zp˚ usob spouˇstˇen´ı extern´ıch poˇzadavk˚ u na pˇreruˇsen´ı INT0 a INT1 prostˇrednictv´ım kontroln´ıho registru MCUCR. ISCn1:0 Popis funkce 0b00 0b01 0b10 0b11

3.3

N´ızká u ´roveˇ n (log. 0) na pinu INTn generuje poˇzadavek. Jakákoliv zmˇena logické u ´rovnˇe na pinu INTn generuje poˇzadavek. Sestupná hrana na pinu INTn generuje poˇzadavek. Vzestupná hrana na pinu INTn generuje poˇzadavek.


Bod 1. V katalogovém listu k mikrokontroléru ATmega16 [Atm16] vyhledejte kapitolu t´ ykaj´ıc´ı se pˇreruˇsen´ı (anglicky: Interrupts), pˇr´ıpadnˇe extern´ıho pˇreruˇsen´ı (External Interrupts). K nastaven´ı extern´ıho pˇreruˇsen´ı je nutné naplnit dva ˇr´ıdic´ı registry, konkrétnˇe GICR a MCUCR. Vyhledejte si v´ yznam jednotliv´ ych bit˚ u tˇechto registr˚ u a pˇripravte si bitová slova, kter´ ymi napln´ıte tyto registry. Událost, která bude pˇreruˇsen´ı spouˇstˇet si zvolte. Vyuˇzijte extern´ı pˇreruˇsen´ı INT0 nebo INT1 generované tlaˇc´ıtkem na pinu PD2 nebo PD3. Nastavujte pouze bity, o kter´ ych byla ˇreˇc v´ yˇse; vˇsechny ostatn´ı ponechte v hodnotˇe ”0”. Bod 2. Ve v´ yvojovém prostˇred´ı AVR Studio vytvoˇrte nov´ y projekt a v JSA naprogramujte

18


aplikaci 8bitového binárn´ıho ˇc´ıtaˇce, jehoˇz stav zobrazujte pomoc´ı LED diod na v´ yvojové desce STK500. Zmˇenu stavu ˇc´ıtaˇce realizujte pomoc´ı tlaˇc´ıtka, které bude spouˇstˇet extern´ı pˇreruˇsen´ı INT0 nebo INT1. Vyuˇzijte nastaven´ı kontroln´ıch registr˚ u GICR a MCUCR z pˇredchoz´ıho bodu. Jedná se o I/O registry, proto k jejich naplnˇen´ı pouˇzijte kombinaci instrukc´ı LDI a OUT. Nezapomeˇ nte definovat zásobn´ık, v´ ystupn´ı port s LED diodami a povolit globáln´ı pˇreruˇsen´ı. Inspirujte se zdrojov´ ym kódem 3.1. Bod 3. Stisk mechanického tlaˇc´ıtka oˇsetˇrete krátk´ ym zpoˇzdˇen´ım. Pro zpoˇzdˇen´ı pouˇzijte podprogram z poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı 2. Nakreslete v´ yvojov´ y diagram oˇsetˇren´ı ˇ ıdic´ı jednotka mikrokontroléru identifikuje poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı stisku tlaˇc´ıtka. R´ prostˇrednictv´ım pˇr´ıznakového bitu. Kaˇzd´ y zdroj pˇreruˇsen´ı má sv˚ uj jedineˇcn´ y pˇr´ıznakov´ y bit. Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı je signalizován bitem v pˇr´ıznakovém registru GIFR (General Interrupt Flag Register) – pozor, neplést s GICR! Aby bylo zabránˇeno opakovanému spuˇstˇen´ı obsluhy pˇreruˇsen´ı, je nutné odpov´ıdaj´ıc´ı pˇr´ıznakov´ y bit nulovat na konci obsluˇzné rutiny (tj. pˇred instrukc´ı RETI). Zp˚ usob nulován´ı pˇr´ıznakového bitu nastudujte z katalogového listu.

3.4


• Vytvoˇrte aplikaci s dvojic´ı extern´ıch zdroj˚ u pˇreruˇsen´ı reaguj´ıc´ı na nábˇeˇznou hranu. Napiˇste obsluhy obou pˇreruˇsen´ı. Prvn´ı bude m´ıt za u ´kol zmˇenu stavu 7bitového binárn´ıho ˇc´ıtaˇce; druhá obsluˇzná rutina bude nastavovat smˇer ˇc´ıtán´ı – ten signalizujte nevyuˇzitou LED diodou. • Aplikace oˇsetˇren´ı stisku tlaˇc´ıtka, která bude schopna rozliˇsit ”krátk´ y” a ”dlouh´ y” stisk a na základˇe toho spustit dvojici obsluˇzn´ ych funkc´ı.

3.5

Shrnut´ı

Poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı umoˇznilo student˚ um proniknout do problematiky obsluhy pˇreruˇsen´ı mikrokontrolér˚ u. Konkrétnˇe byly popsány vektory pˇreruˇsen´ı a vyuˇzit´ı extern´ıho zdroje pˇreruˇsen´ı od tlaˇc´ıtka. Studenti mˇeli moˇznost vyzkouˇset si programován´ı a testován´ı aplikac´ı v jazyce symbolick´ ych adres.

3.6


Ot´ azka 3.1 Kam a jakým zp˚ usobem se ukládaj´ı návratové adresy pˇri volán´ı obsluhy pˇreruˇsen´ı? Ot´ azka 3.2 Nakreslete vývojový diagram aplikac´ı z kapitoly 3.4. Ot´ azka 3.3 Jaký je rozd´ıl mezi významem bit˚ u v kontroln´ıch registrech GICR a GIFR?


4

19

Intern´ı ˇ casovaˇ c/ˇ c´ıtaˇ c, generov´ an´ı PWM sign´ alu

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. K jak´ ym jednoduch´ ym aplikac´ım lze vyuˇz´ıt funkce ˇc´ıtán´ı, ˇcasován´ı a komparace intern´ıho ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce? 2. Jaké hodnoty obsahuj´ı pravdivostn´ı tabulky logick´ ych operátor˚ u AND, OR, EXOR? Jak´ y je aritmetick´ y dopad bitového posuvu vlevo a vpravo? Jaké instrukce AVR realizuj´ı vˇsechny zm´ınˇené bitové operace? 3. Na ˇcem závis´ı rychlost pˇreteˇcen´ı libovolného ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce? 4. Vysvˇetlete pojem ”PWM” a diskutujte moˇznosti vyuˇzit´ı.

C´ıle poˇ c´ıtaˇ cov´ eho cviˇ cen´ı C´ılem poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı je nastavován´ı ˇr´ıdic´ıch I/O registr˚ u a hledán´ı informac´ı v anglické dokumentaci. C´ıle budou vyuˇzity v aplikaci s pˇreruˇsen´ım od ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce a pˇri generován´ı PWM signálu.

4.1

Zad´ an´ı

1. Procviˇcte si hledán´ım informac´ı v anglickém katalogovém listu k mikrokontroléru ATmega16 a vyhledejte informace pro nastaven´ı intern´ıho ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce. 2. V JSA naprogramujte aplikaci 8bitového ˇc´ıtaˇce ˇr´ızeného pˇreruˇsen´ım od 8bitového ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce. 3. Vyhledejte potˇrebné informace k nastaven´ı ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce 0 pro generován´ı PWM signálu a v JSA naprogramujte aplikaci generuj´ıc´ı PWM signál se stˇr´ıdou 1:2. 4. V JSA naprogramujte aplikaci generuj´ıc´ı PWM signál s promˇennou stˇr´ıdou. Vizuálnˇe ovˇeˇrte správnou funkci aplikace pomoc´ı LED diody.

4.2 4.2.1

Teoretick´ e poznatky Pˇ reruˇ sen´ı od ˇ casovaˇ ce/ˇ c´ıtaˇ ce

Mikrokontrolér ATmega16 nab´ız´ı pomˇernˇe ˇsirokou ˇskálu nastaven´ı a mód˚ u dostupn´ ych pro ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce (Timer/Counter) integrované na ˇcipu. V této poˇc´ıtaˇcové u ´loze se budeme zab´ yvat pouze ˇcasovaˇcem/ˇc´ıtaˇcem s oznaˇcen´ım ”0” (jedná se o 8bitov´ y ˇcasovaˇc/ˇc´ıtaˇc) a pouze jeho základn´ım pouˇzit´ım. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc m˚ uˇzeme pouˇz´ıt bud’ ve spojen´ı s extern´ım hodinov´ ym signálem, pˇripojen´ ym na pin oznaˇcen´ y T0 (PB0), nebo s hodinov´ ym signálem odvozen´ ym od jádra mikrokontroléru. Pro vˇetˇs´ı variabilitu lze nastavit pˇreddˇeliˇcku pro hodinov´ y signál mikrokontroléru a t´ım zpomalit ˇc´ıtán´ı. Hodnotu pˇreddˇeliˇcky i pˇrep´ınán´ı zdroje hodin lze volit v kontroln´ım registru TCCR0 (Timer/Counter Control Register), jehoˇz sloˇzen´ı lze nalézt v [Atm16]. Pro nás jsou zaj´ımavé tˇri bity pro nastaven´ı pˇreddˇeliˇcky jak naznaˇcuje tabulka 4.1.

20


Tabulka 4.1: Nastaven´ı pˇreddˇeliˇcky 8bitového ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce 0 v kontroln´ım registru TCCR0. CS02:0 Popis funkce 0b000 0b001 0b010 0b011 0b100 0b101 0b110 0b111

Hodinov´ y signál odpojen, tj. ˇcasovaˇc/ˇc´ıtaˇc 0 nepracuje. Bez pˇreddˇeliˇcky; fT /C = fCP U . Pˇreddˇeliˇcka 8; fT /C = fCP U /8. Pˇreddˇeliˇcka 64; fT /C = fCP U /64. Pˇreddˇeliˇcka 256; fT /C = fCP U /256. Pˇreddˇeliˇcka 1 024; fT /C = fCP U /1 024. Extern´ı zdroj ˇr´ıdic´ıho signálu na pinu T0 (PB0), reakce na sestupnou hranu. Extern´ı zdroj ˇr´ıdic´ıho signálu na pinu T0 (PB0), reakce na nábˇeˇznou hranu.

S tˇemito znalostmi m˚ uˇzeme nechat bˇeˇzet ˇcasovaˇc a pomoc´ı pˇreruˇsen´ı, které se automaticky generuje pˇri jeho pˇreteˇcen´ı (anglicky: Overflow), odmˇeˇrovat dan´ y ˇcas. V samotném programu pak funguje toto pˇreruˇsen´ı jako nejmenˇs´ı ˇcasová jednotka a programovˇe lze na nˇej navázat dalˇs´ı ˇcasovaˇc (napˇr. zvol´ıme pˇreddˇeliˇcku tak, aby cel´ y cyklus trval 10 ms, programem pak oˇsetˇr´ıme poˇc´ıtán´ı do 100 a dosáhnout tak doby 1 s). Stejnˇe jako extern´ı pˇreruˇsen´ı, má i pˇreruˇsen´ı od ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce vlastn´ı registr maskován´ı: TIMSK (Timer/Counter Interrupt Mask Register). Pro nás je zaj´ımav´ y pouze bit TOIE0, kter´ y povoluje pˇreruˇsen´ı pˇri pˇreteˇcen´ı. 4.2.2

Pulznˇ eˇ s´ıˇ rkov´ a modulace

Pulznˇe ˇs´ıˇrková modulace PWM (Pulse Width Modulation) pˇredstavuje zp˚ usob modulován´ı pˇrenáˇsen´ ych dat. Modulovan´ y signál má konstantn´ı periodu, ale promˇennou stˇr´ıdu obdéln´ıkového signálu. Stˇr´ıda (anglicky: Duty Cycle) udává pomˇer mezi dobou trván´ı vysoké a n´ızké u ´rovnˇe. Tento pomˇer b´ yvá vyjádˇren v absolutn´ı (napˇr. 1:3), nebo procentuáln´ı m´ıˇre (napˇr. 25%). Ukázka vstupn´ıho a modulovaného signálu je zobrazena na obrázku 4.1. Jednoduch´ y modulátor lze realizovat pomoc´ı komparátoru, kdy na jeden vstup pˇrivedeme datov´ y signál, a na druh´ y signál nosn´ y. Ten je tvoˇren pilov´ ym pr˚ ubˇehem. Komparátor pak pˇrekláp´ı v´ ystupn´ı u ´roveˇ n v závislosti na pomˇeru obou vstupn´ıch signál˚ u. Ke generován´ı signálu lze velmi snadno vyuˇz´ıt také intern´ı ˇcasovaˇc/ˇc´ıtaˇc mikrokontroléru, nastav´ıme-li ho do funkce komparace. V tomto módu totiˇz ˇcasovaˇc/ˇc´ıtaˇc porovnává hodnotu z datového registru TCNT0 (Timer/Counter Register) s hodnotou uloˇzenou v komparaˇcn´ım registru OCR0 (Output Compare Register). V pˇr´ıpadˇe rovnosti obou hodnot lze mˇenit u ´roveˇ n v´ ystupn´ıho signálu na pinu OC0 (PB3). Mikrokontrolér ATmega16 umoˇzn ˇuje pouˇzit´ı nˇekolika mód˚ u generován´ı signálu. V této poˇc´ıtaˇcové u ´loze se zamˇeˇr´ıme pouze na mód s oznaˇcen´ım Fast PWM. Pˇri tomto nastaven´ı ˇcasovaˇc naˇc´ıtá hodnoty od 0x00 do 0xFF, poté nuluje sv˚ uj stav a pokraˇcuje v opakovaném naˇc´ıtán´ı. Neinvertuj´ıc´ı podoba v´ ystupn´ıho signálu je nulována pˇri shodˇe mezi TCNT0 ˇ a OCR0 a je nastavena pˇri pˇreteˇcen´ı datového registru TCNT0. Casov´ y diagram popsané funkce je znázornˇen na obrázku 4.2. Je zˇrejmé, ˇze perioda tOV F takto generovaného signálu z˚ ustává nemˇenná, a ˇze závis´ı pouze na frekvenci hodinového signálu mikrokontroléru a na hodnotˇe pˇreddˇeliˇcky.


(a)

21

(b)

Obr´ azek 4.1: Princip tvorby PWM signálu: (a) vstupn´ı a modulaˇcn´ı signál, (b) v´ ystupn´ı (tj. modulovan´ y) PWM signál. 255 OCR0

OCR0

TCNT0 0

OC0 (PB3) tOV F

tOV F

tOV F

tOV F

ˇ Obr´ azek 4.2: Casov´ y diagram generován´ı PWM signálu pomoc´ı 8bitového ˇcasovaˇce (mód Fast PWM).

Aplikaci generován´ı signálu lze obohatit celkem dvˇema odliˇsn´ ymi zdroji pˇreruˇsen´ı. Poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı zp˚ usobuje jednak pˇreteˇcen´ı ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce a také událost shody mezi datov´ ym a komparaˇcn´ım registrem ˇcasovaˇce. Obˇe tato pˇreruˇsen´ı se povoluj´ı v kontroln´ım registru TIMSK (Timer/Counter Interrupt Mask Register).

4.3


Bod 1. Ze znalosti frekvence hodinového signálu fCP U (u STK500 je vybrán intern´ı oscilátor s frekvenc´ı fCP U = 1 MHz) vypoˇctˇete dobu, za kterou dojde k pˇreteˇcen´ı 8bitového ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce 0. V´ ypoˇcet proved’te pro vˇsechny hodnoty pˇreddˇeliˇcky z tabulky 4.1. V katalogovém listu k mikrokontroléru ATmega16 [Atm16] vyhledejte kapitolu zab´ yvaj´ıc´ı se 8bitov´ ym ˇcasovaˇcem/ˇc´ıtaˇcem 0 (anglicky: 8-bit Timer/Counter0). K jeho nastaven´ı je nutné naplnit dva ˇr´ıdic´ı registry, konkrétnˇe TCCR0 (Timer/Counter Control Register) a TIMSK (Timer/Counter Interrupt Mask Register). V katalogovém listu si vyhledejte v´ yznam jednotliv´ ych bit˚ u tˇechto registr˚ u a pˇripravte si bitová slova, kter´ ymi je napln´ıte: hodnotu pˇreddˇeliˇcky si zvolte a povolte pˇreruˇsen´ı pˇri pˇreteˇcen´ı. Bod 2. Ve v´ yvojovém prostˇred´ı AVR Studio vytvoˇrte nov´ y projekt a v JSA naprogramujte aplikaci 8bitového binárn´ıho ˇc´ıtaˇce, jehoˇz stav zobrazte pomoc´ı LED diod. Zmˇenu stavu ˇc´ıtaˇce realizujte pomoc´ı pˇreruˇsen´ı od pˇreteˇcen´ı ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce 0. Vyuˇzijte k tomu

22


nastaven´ı registr˚ u TCCR0 a TIMSK z pˇredeˇslého bodu. Bod 3. V katalogovém listu k mikrokontroléru ATmega16 [Atm16] vyhledejte ˇca´st zab´ yvaj´ıc´ı se generován´ım PWM signálu pomoc´ı komparace u ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce 0. K nastaven´ı ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce 0 je nutné naplnit ˇr´ıdic´ı registr TCCR0. V katalogovém listu si vyhledejte v´ yznam jednotliv´ ych bit˚ u tohoto registru a pˇripravte si bitové slovo, kter´ ym tento registr napln´ıte. Pro generován´ı PWM signálu vyberte tzv. Fast mód PWM, neinvertovanou formu v´ ystupn´ıho signálu a vhodnou hodnotu pˇreddˇeliˇcky. Ostatn´ı bity ˇr´ıdic´ıho registru ponechte beze zmˇeny. Ve v´ yvojovém prostˇred´ı AVR Studio vytvoˇrte nov´ y projekt a v JSA naprogramujte aplikaci generuj´ıc´ı PWM signál se stˇr´ıdou 1:2. Definujte port B jako v´ ystupn´ı (na pinu PB3 je pomoc´ı ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce 0 generován PWM signál). Stˇr´ıda generovaného signálu je adekvátn´ı hodnotˇe, kterou uloˇz´ıte do komparaˇcn´ıho registru OCR0 (Output Compare Register). Tato u ´loha nevyˇzaduje generován´ı pˇreruˇsen´ı, tud´ıˇz ani definici zásobn´ıku. Zapsán´ı hodnot do vˇsech I/O registr˚ u staˇc´ı provést jen jednou. Nezapomeˇ nte váˇs program ukonˇcit nekoneˇcnou smyˇckou, která tedy nebude obsahovat ˇzádné dalˇs´ı instrukce. Vypoˇctˇete periodu generovaného signálu a ovˇeˇrte ji odeˇcten´ım hodnoty na osciloskopu (jehoˇz sonda je pochopitelnˇe pˇripojena na pin PB3), pˇr´ıp. pomoc´ı programu Scope [Sco09], kter´ y komunikuje se zvukovou kartou poˇc´ıtaˇce. Rovnˇeˇz ovˇeˇrte poˇzadovanou stˇr´ıdu signálu. Pˇri psan´ı kódu se vyvarujte bezmyˇslenkovitého opisován´ı instrukc´ı, ˇci ˇca´st´ı kódu z pˇredeˇsl´ ych poˇc´ıtaˇcov´ ych cviˇcen´ı. Snaˇzte se o optimalizaci vaˇseho programu z hlediska obsazenosti programové pamˇeti. Bod 4. V JSA vytvoˇrte aplikaci, která bude lineárnˇe mˇenit stˇr´ıdu generovaného PWM signálu. Vyuˇzijte zdrojového kódu z pˇredeˇslého bodu. Stˇr´ıdu, tj. komparaˇcn´ı hodnotu v registru OCR0 inkrementujte v obsluze pˇreruˇsen´ı, která se spouˇst´ı právˇe pˇri komparaci, plynule od hodnoty 10 po 245 a zpˇet. Z tabulky 3.1 zjistˇete vektor tohoto pˇreruˇsen´ı. Nezapomeˇ nte definovat zásobn´ık, povolit pˇreruˇsen´ı pro komparaci a globáln´ı pˇreruˇsen´ı. Zvol´ıte-li hodnotu pˇreddˇeliˇcky 8 nebo 64 budete schopni vizuálnˇe pozorovat vliv zmˇeny stˇr´ıdy také na v´ ystupn´ı LED diodˇe.

4.4


• Postupné rozsvˇecen´ı a zhas´ınán´ı LED diod ve stylu Knight Ridera. • Aplikace oˇsetˇren´ı stisku tlaˇc´ıtka, která bude schopna rozliˇsit ”krátk´ y” a ”dlouh´ y” stisk. K rozliˇsen´ı vyuˇzijte intern´ıho ˇcasovaˇce.

4.5

Shrnut´ı

Poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı umoˇznilo student˚ um hloubˇeji proniknout do problematiky obsluhy pˇreruˇsen´ı mikrokontrolér˚ u. Konkrétnˇe bylo generováno pˇreruˇsen´ı od intern´ıho ˇcasovaˇce pˇri pˇreteˇcen´ı i komparaci. Této funkce lze snadno vyuˇz´ıt pˇri generován´ı v´ ystupn´ıho signálu s promˇennou stˇr´ıdou.


4.6

23


Ot´ azka 4.1 Jakou hodnotu bude obsahovat komparaˇcn´ı registr, má-li být generov´ an obdéln´ıkový signál se stˇr´ıdou 1:5? Ot´ azka 4.2 Jaké slovo bude obsahovat ˇr´ıdic´ı registr TCCR0, má-li být ˇcasovaˇc/ˇc´ıtaˇc vyuˇzit ke komparaci hodnot v normáln´ım módu (non-PWM), souˇcasnˇe nulovat výstupn´ı u ´roveˇ n pˇri komparaci a inkrementace ˇcasovaˇce má být zpomalena 8×? Ot´ azka 4.3 Jakou posloupnost´ı instrukc´ı AVR napln´ıte registr TCCR0 ˇr´ıdic´ım slovem z pˇredeˇslé otázky? Ot´ azka 4.4 Sestavte vývojový diagram aplikace Knight Ridera (kapitola 4.4).

24


5

Programov´ an´ı v jazyce C, obsluha pˇ reruˇ sen´ı

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. V jakém typu pamˇeti a od jak´ ych adres se nacház´ı vektory pˇreruˇsen´ı u AVR? 2. Jak prob´ıhá v´ ykon obsluhy libovolného pˇreruˇsen´ı? 3. Jak lze v jazyce C naprogramovat podm´ınku a cyklus?

C´ıle poˇ c´ıtaˇ cov´ eho cviˇ cen´ı C´ılem poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı je osvojen´ı si programován´ı mikrokontrolér˚ u ve vyˇsˇs´ım programovac´ım jazyce C pomoc´ı volného pˇrekladaˇce GCC a práce s pˇreruˇsen´ım.

5.1

Zad´ an´ı

1. Seznamte se s programován´ım mikrokontroléru ATmega16 v jazyce C. Vytvoˇrte aplikaci pro v´ ypoˇcet skalárn´ıho souˇcinu vektor˚ u s = ~a · ~b. 2. Seznamte se s programován´ım obsluhy pˇreruˇsen´ı v jazyce C. Vytvoˇrte aplikaci binárn´ıho ˇc´ıtaˇce ˇr´ızeného intern´ım 16bitov´ ym ˇcasovaˇcem/ˇc´ıtaˇcem. 3. Seznamte se s aplikac´ı AVR Wizard pro generován´ı kostry zdrojového kódu. 4. K aplikaci binárn´ıho ˇc´ıtaˇce pˇridejte obsluˇzná tlaˇc´ıtka a generujte extern´ı poˇzadavky na pˇreruˇsen´ı.

5.2 5.2.1

Teoretick´ e poznatky Vyˇ sˇ s´ı programovac´ı jazyky

Pro v´ yvoj aplikac´ı se zpravidla pouˇz´ıvaj´ı vyˇsˇs´ı programovac´ı jazyky; u mikrokontrolér˚ u je to nejˇcastˇeji jazyk C. Oproti zdrojovému kódu v jazyce symbolick´ ych adres, je kód v jazyce C pˇrehlednˇejˇs´ı, snadno pˇrenositeln´ y mezi odliˇsn´ ymi architekturami a v´ yvoj takové aplikace je rychlejˇs´ı. Na druhou stranu zab´ırá v´ ysledn´ y kód zpravidla v´ıce m´ısta v pamˇeti a jeho v´ ykon je tak pomalejˇs´ı. Tato vlastnost je dána mechanizmem pˇrekladu zdrojového kódu z C do JSA a následnˇe do strojového kódu mikrokontroléru. Pˇrekladaˇc, tj. program nahrazuj´ıc´ı u ´seky programu ve vyˇsˇs´ım jazyce posloupnosti instrukc´ı, ˇcasto nepracuje optimálnˇe. Pˇreloˇzen´ y kód tak obsahuje také instrukce, které nejsou bezprostˇrednˇe nutné k vykonán´ı pˇr´ısluˇsné funkce. Pˇresto v´ yhody vyˇsˇs´ıch jazyk˚ u v´ yraznˇe pˇrevyˇsuj´ı tyto nedostatky. V pˇr´ıpadˇe, kdy je vyˇzadována absolutn´ı kontrola nad funkc´ı a ˇcasován´ım programu, jsou exponované u ´seky zdrojového kódu psány v JSA, ostatn´ı ˇcásti jsou ponechány v jazyce C. 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 mezinárodn´ı spoleˇcnost´ı ISO (International Organization for Standardization), je stále pouˇz´ıván název 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


25

pˇripravuje standardizaci jazyka C, vˇsak dokonˇcuje nov´ y standard s oznaˇcen´ım ISO/IEC 9899:201x [Ans1x]. Krátké pˇribl´ıˇzen´ı struktury jazyka C je uvedeno v pˇr´ıloze B a na pˇrednáˇsce. Existuje celá ˇrada pˇrekladaˇc˚ u tohoto jazyka do strojového kódu. Navzájem 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´ıdá, jedná 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 nástroj vyuˇz´ıt také k v´ yvoji aplikac´ı pro AVR. Pro operaˇcn´ı systém Windows je tato kombinace dostupná prostˇrednictv´ım open source projektu s názvem WinAVR [Win08]. Tento nástroj kromˇe pˇrekladaˇce obsahuje také programátor, lad´ıc´ı nástroje a dalˇs´ı funkce. Po nainstalován´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 adres, bal´ıˇcky avr-gcc a avr-binutils pro pˇreklad aplikac´ı z jazyka C, dále avr-libc s knihovnami pro AVR a napˇr. avrdude pro naprogramován´ı c´ılového mikrokontroléru. 5.2.2

Obsluha pˇ reruˇ sen´ı v jazyce C

V´ yznam a pouˇzit´ı pˇreruˇsen´ı v jazyce symbolick´ ych adres popisuje poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı 3. Pˇripomeˇ nme, ˇze obsluhu libovolného pˇreruˇsen´ı je nutné vloˇzit do pamˇet’ového prostoru, kter´ y udává vektor pˇreruˇsen´ı. Je tedy nutné vˇedˇet, na kterou adresu vektor ukazuje. Pˇri vyuˇzit´ı programovac´ıho jazyka C a pˇrekladaˇce GCC je situace jednoduˇsˇs´ı. Staˇc´ı vytvoˇrit obsluˇzné makro s názvem ISR (Interrupt Service Routine), jehoˇz jedin´ ym parametrem je identifikátor zdroje pˇreruˇsen´ı. Ty jsou pro mikrokontrolér ATmega16 vypsány v tabulce 5.1. Napˇr. pro extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı ˇc. 0 je t´ımto parametrem INT0 vect, apod. Konkrétn´ı adresu vektoru pˇreruˇsen´ı dopln´ı aˇz pˇrekladaˇc. Ten také sám definuje zásobn´ık, ˇci zajiˇst’uje návrat z obsluhy pˇreruˇsen´ı. Kostra zdrojového kódu, vyuˇz´ıvaj´ıc´ı extern´ıho pˇreruˇsen´ı je zobrazena ve v´ ypise 5.1. Tento kód je ekvivalentem zdrojového kódu v jazyce symbolick´ ych adres 3.1. Ostatn´ı specifika knihovny pro programován´ı mikrokontrolér˚ u AVR (avr-libc) je moˇzné nalézt v kapitole B.4 a na internetové stránce [Lib09].

5.3


Bod 1. Ve v´ yvojovém prostˇred´ı AVR Studio vytvoˇrte nov´ y projekt v jazyce C (v kolonce Project type je nutné vybrat volbu AVR GCC) pro mikrokontrolér ATmega16. Do projektu vloˇzte hlaviˇckov´ y soubor avr/io.h, kter´ y obsahuje popis vybraného mikrokontroléru. V tomto souboru jsou názvy vˇsech ˇr´ıdic´ıch registr˚ u definovány velk´ ymi p´ısmeny, proto mˇejte na pamˇeti, ˇze ve zdrojovém kódu mus´ıte pouˇz´ıvat právˇe tento zápis. Obdobnˇe jako v poˇc´ıtaˇcovém cviˇcen´ı 1 naprogramujte v´ ypoˇcet skalárn´ıho souˇcinu vektor˚ u ~a = (a7 , a6 , . . . , a1 , a0 ) a ~b = (b7 , b6 , . . . , b1 , b0 ). Aplikace bude kromˇe hlaviˇckového souboru obsahovat deklaraci a naplnˇen´ı dvou pol´ı (pouˇz´ıvejte typ unsigned char), jedinou funkci main(), která obsahuje cyklus s pˇr´ısluˇsn´ ym poˇctem opakován´ı. K prvk˚ um pol´ı pˇristupujte pomoc´ı indexu prvku, ˇci pomoc´ı ukazatele. Zkontrolujte, zda jsou vypnuty optimalizace pˇri pˇrekladu z jazyka C: spust’te Project→Configuration Options a v dialogovém oknˇe zmˇen ˇte parametr optimalizace Optimization na -O0.

26


Tabulka 5.1: Pˇrehled vektor˚ u pˇreruˇsen´ı pro mikrokontrolér ATmega16 v jazyce C. ˇ C.

Adresa Parametr v C (GCC) Popis pˇ reruˇ sen´ı

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

0x0000 0x0002 0x0004 0x0006 0x0008 0x000A 0x000C 0x000E 0x0010 0x0012 0x0014 0x0016 0x0018 0x001A 0x001C 0x001E 0x0020 0x0022 0x0024 0x0026 0x0028

INT0 vect INT1 vect TIMER2 COMP vect TIMER2 OVF vect TIMER1 CAPT vect TIMER1 COMPA vect TIMER1 COMPB vect TIMER1 OVF vect TIMER0 OVF vect SPI STC vect USART RXC vect USART UDRE vect USART TXC vect ADC vect EE RDY vect ANA COMP vect TWI vect INT2 vect TIMER0 COMP vect SPM RDY vect

Extern´ı reset, pˇripojen´ı napájen´ı, . . . Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 0. Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 1. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 2 – shoda komparace. 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 Casovaˇc/ˇc´ıtaˇc 1 – shoda s komparátorem B. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 1 – pˇreteˇcen´ı. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 0 – pˇreteˇcen´ı. Dokonˇcen´ı sériového pˇrenosu SPI. USART – kompletn´ı pˇr´ıjem dat. USART – prázdn´ y datov´ y registr. USART – kompletn´ı vyslán´ı dat. ADC – dokonˇcen´ı A/D pˇrevodu. EEPROM – komunikace pˇripravena. Zmˇena v´ ystupu analogového komparátoru. Událost na sériové sbˇernici I2C. Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 2. ˇ Casovaˇ c/ˇc´ıtaˇc 0 – shoda komparace. Uloˇzen´ı do programové pamˇeti pˇripraveno.

Správnou ˇcinnost aplikace ovˇeˇrte v simulátoru. Hodnoty promˇenn´ ych lze zobrazit v oknˇe Watch (View→Watch Alt++), kde v prvn´ım sloupci zadejte název poˇzadované promˇenné. Bod 2. Pro naˇsi dalˇs´ı práci v poˇc´ıtaˇcov´ ych cviˇcen´ıch budeme vyuˇz´ıvat v´ yvojovou ´ desku DEVELOPMENT BOARD ATmega16 vyvinutou na Ustavu radioelektroniky c´ılenˇe pro pˇredmˇet Mikroprocesorová technika a embedded systémy. Zapojen´ı desky a soupis souˇcástek je uveden v pˇr´ıloze C. Jádrem desky je mikrokontrolér ATmega16-16AU s extern´ım krystalem o frekvenci 16 MHz. K I/O branám procesoru lze pomoc´ı propojek pˇripojovat r˚ uzné perifern´ı obvody, LED diody, tlaˇc´ıtka, klávesnici, LED displej, LCD znakov´ y displej, reproduktor se zesilovaˇcem, ˇradiˇce rozhran´ı RS-232 a USB, D/A pˇrevodn´ık ˇci hodinov´ y obvod s kalendáˇrem, ˇr´ızen´ y sbˇernic´ı I2C. Práce s perifern´ımi zaˇr´ızen´ımi je podstatou mikroprocesorov´ ych aplikac´ı a bude nápln´ı dalˇs´ıch poˇc´ıtaˇcov´ ych cviˇcen´ı. Ve v´ yvojovém prostˇred´ı AVR Studio vytvoˇrte nov´ y projekt a v jazyce C a naprogramujte 4bitov´ y binárn´ı ˇc´ıtaˇc, kter´ y bude inkrementovat svou hodnotu kaˇzdou sekundu a bude ˇr´ızen pˇreteˇcen´ım 16bitového ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce 1 (16-bit Timer/Counter1). Stav ˇc´ıtaˇce zobrazte pomoc´ı LED diod, které jsou pˇripojeny k horn´ı polovinˇe portu D. Pro


27

Zdrojov´ y k´ od 5.1: Kostra aplikace vyuˇz´ıvaj´ıc´ı extern´ı zdroj pˇreruˇsen´ı v jazyce C. 1 2

#include #include

// h l a v iˇc k o v y ´ s o u b o r pro m i k r o k o n t r o lé r // 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´ı INT0 // kó d o b s l u h y pˇr e r uˇs e n´ı

int main ( void ) { ... sei ( ) ; while ( 1 ) ;

// // // //

3 4 5 6 7 8 9 10 11

h l a v n´ı f u n k c e kó d h l a v n´ı f u n k c e g l o b á l n´ı p o v o l e n´ı vˇs e c h pˇr e r uˇs e n´ı nekoneˇc ná smyˇcka

12

return ( 1 ) ;

13 14

// h l a v n´ı f u n k c e v r a c´ı hodnotu 1

}

správnou funkci staˇc´ı nastavit v´ ystupn´ı port D, dále pˇreddˇeliˇcku v ˇr´ıdic´ım registru TCCR1B (Timer/Counter1 Control Register B) a povolit pˇreruˇsen´ı pˇri pˇreteˇcen´ı v registru TIMSK (Timer/Counter Interrupt Mask Register). Struktury registr˚ u naleznete v katalogovém listu [Atm16]. Nezapomeˇ nte, ˇze ˇc´ıtaˇc je pouze 4bitov´ y, a na které ˇca´sti portu jsou LEDky pˇripojeny. Vypoˇctˇete doby pˇreteˇcen´ı ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce 1 pro vˇsechny hodnoty pˇreddˇeliˇcky v pˇr´ıpadˇe, ˇze frekvence hodinového signálu mikrokontroléru na v´ yvojové desce ˇ ıdic´ı registry naplˇ je fCP U = 16 MHz. R´ nujte zp˚ usobem kombinován´ı bitového posuvu doleva << a logického souˇctu |, ukázan´ ym na pˇrednáˇskách. Vytvoˇrenou aplikaci naprogramujte do pamˇeti mikrokontroléru pomoc´ı programovac´ıho modulu ISP. Tento modul je na desce DEVELOPMENT BOARD ATmega16 um´ıstˇen pod maticovou klávesnic´ı a jeho správná funkce je indikována zelenou signáln´ı SMD diodou. Jedná se o modul AVRISP mkII firmy Atmel [Atm04], proto pˇri navázán´ı komunikace AVR Studia s programátorem je nutné vybrat právˇe tento produkt, jak naznaˇcuje obrázek 5.1.

Obr´ azek 5.1: V´ ybˇer programován´ı mikrokontroléru prostˇrednictv´ım AVRISP mkII, pˇripojeném prostˇrednictv´ı USB portu.

Bod 3. Spust’te aplikaci AVR Wizard [Sev08] a vytvoˇrte v nˇem nov´ y projekt (Project→ New Project F2 ) pro mikrokontrolér ATmega16. Tlaˇc´ıtkem Continue se otevˇre okno, pomoc´ı nˇehoˇz lze snadno vyb´ırat a nastavovat poˇzadované periférie, jak ukazuje obrázek 5.2. Aplikace AVR Wizard obsahuje celkem osm záloˇzek pro ovládán´ı vstupnˇe/v´ ystupn´ıch

28


Obr´ azek 5.2: Aplikace AVR Wizard pro nastaven´ı ˇr´ıdic´ıch registr˚ u mikrokontrolér˚ u AVR [Sev08].

port˚ u, ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce, watchdogu, A/D pˇrevodn´ıku a komparátoru, vnˇejˇs´ıho pˇreruˇsen´ı, sériové komunikace pomoc´ı UART, TWI a SPI. Posledn´ı záloˇzka Libraries umoˇzn ˇuje vkládán´ı uˇzivatelsk´ ych knihoven a maker. Cel´ y projekt je moˇzné uloˇzit stisknut´ım tlaˇc´ıtka Save Project, vrátit se na v´ ybˇer mikrokontroléru tlaˇc´ıtkem Back, ale pˇredevˇs´ım vygenerovat zdrojov´ y kód v jazyce C (tlaˇc´ıtko Gen. code). Po stisknut´ı tohoto tlaˇc´ıtka se v hlavn´ım oknˇe aplikace vygeneruje kostra zdrojového kódu pro pˇrekladaˇc GCC. Tento kód je následnˇe moˇzné zkop´ırovat do projektu v prostˇred´ı AVR Studio. Seznamte se s moˇznostmi a s ovládán´ım programu AVR Wizard. Nastavte ˇcasovaˇc/ˇc´ıtaˇc 1 a port D dle pˇredchoz´ıho bodu a vygenerovan´ y kód s nastaven´ım ˇr´ıdic´ıch registr˚ u zkontrolujte s ruˇcnˇe z´ıskan´ ymi hodnotami. Bod 4. K aplikaci binárn´ıho ˇc´ıtaˇce pˇridejte obsluhy extern´ıch poˇzadavk˚ u na pˇreruˇsen´ı INT0 a INT1, ˇr´ızené tlaˇc´ıtky. Jedna obsluha necht’ resetuje stav binárn´ıho ˇc´ıtaˇce a druhá at’ mˇen´ı smˇer ˇc´ıtán´ı. Realizujte jednoduchou metodu oˇsetˇren´ı stisku mechanického tlaˇc´ıtka. Jaké tlaˇc´ıtko je zdrojem pˇreruˇsen´ı INT0 na v´ yvojové desce? Pouˇzijte nastaven´ı ˇr´ıdic´ıch registr˚ u z poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı 3, nebo z programu AVR Wizard.

5.4


• V jazyce C naprogramujte aplikaci, která generuje periodickou zmˇenu dvou tón˚ u (ˇcistá kvarta). Pro odmˇeˇrován´ı potˇrebn´ ych ˇcasov´ ych interval˚ u vyuˇzijte pˇreteˇcen´ı intern´ıch ˇcasovaˇc˚ u/ˇc´ıtaˇc˚ u 0 a 1. Jeden z nich nastavte pomoc´ı pˇreddˇeliˇcky pro generován´ı pˇr´ısluˇsn´ ych frekvenc´ı v´ ystupn´ıho signálu a druh´ y pro odmˇeˇrován´ı doby trván´ı obou tón˚ u.


5.5

29

Shrnut´ı

Poˇc´ıtaˇcová u ´loha umoˇzn ˇuje student˚ um proniknout do problematiky programován´ı mikrokontrolér˚ u v jazyce C. Konkrétnˇe byl popsán zp˚ usob tvorby obsluhy pˇreruˇsen´ı od intern´ıho ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce a extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı od tlaˇc´ıtka.

5.6


Ot´ azka 5.1 Kolika bitové jsou promˇenné typu char a signed int v jazyce C? Ot´ azka 5.2 Nakreslete vývojový diagram aplikace z posledn´ıho bodu zadán´ı. Ot´ azka 5.3 Jakou funkci má kód 5.2? Pˇreloˇzte tento kód do jazyka symbolických adres mikrokontroléru AVR. Kolik byt˚ u pˇreloˇzený program zab´ırá?

´ Zdrojov´ y k´ od 5.2: Usek kódu v jazyce C. 1 2 3 4

DDRD = 0 xF0 ; PORTD = 0 ; TCCR1B = ( 1<<2 ) | ( 1<<1 ) ; sei ( ) ;

// // // //

30


ˇ ızen´ı komunikace s displejem R´

6

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. Nakreslete v´ ystupn´ı charakteristiky bipolárn´ıch tranzistor˚ u NPN a PNP. 2. Jaké ˇr´ıdic´ı signály v mikroprocesorové technice ovládaj´ı operaci ˇcten´ı/zápis? 3. Co je to ASCII tabulka a jaké u ´daje obsahuje? 4. Jak´ ym zp˚ usobem lze v jazyce C kombinovat v´ ypis textového ˇretˇezce s hodnotou promˇenné urˇcitého typu (napˇr. typu char)?

C´ıle poˇ c´ıtaˇ cov´ eho cviˇ cen´ı Poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı si klade za c´ıl seznámit studenty s moˇznost´ı pˇripojen´ı 7segmentového displeje a LCD znakového displeje k I/O portu(˚ um) mikrokontroléru AVR. Vyuˇzito bude multiplexován´ı 7segmentového displeje a 4bitová datová komunikace mezi mikrokontrolérem ATmega16 a LCD displejem s rozliˇsen´ım 16×4 znak˚ u. Programován´ı ˇr´ıdic´ı aplikace bude prob´ıhat ve vyˇsˇs´ım programovac´ım jazyce C a bude vyuˇzita knihovna pro LCD displej, jej´ıˇz autor je Peter Fleury [Fle06].

6.1

Zad´ an´ı

1. Realizujte aplikaci pro komunikaci se 7segmentov´ ym displejem. 2. Seznamte se s knihovnou pro vyuˇzit´ı LCD displeje v jazyce C. 3. Realizujte binárn´ı ˇc´ıtaˇc, kter´ y bude ovládán 16bitov´ ym ˇcasovaˇcem a jeho stav zobrazte pomoc´ı displeje.

6.2


Základn´ım zobrazovac´ım (indikuj´ıc´ım) prvkem v mikroprocesorové technice je LED dioda. Ovládán´ı LED diod bylo procviˇceno v pˇredeˇsl´ ych poˇc´ıtaˇcov´ ych cviˇcen´ıch. Seskupen´ım sedmi svˇeteln´ ych segment˚ u vznikne 7segmentov´ y displej, umoˇzn ˇuj´ıc´ı zobrazen´ı ˇsestnácti symbol˚ u hexadecimáln´ı soustavy. Sdruˇzen´ım v´ıce takov´ ych displej˚ u, lze zobrazit hodnoty o vˇetˇs´ım poˇctu symbol˚ u. Necht’ je displej tvoˇren ˇsesti symboly. Pro pˇr´ımé propojen´ı vˇsech sv´ıtic´ıch segment˚ u s mikrokontrolérem by bylo potˇreba 48 v´ ystupn´ıch pin˚ u (6 symbol˚ u × 8 segment˚ u – vˇc. desetinné teˇcky). Toto propojen´ı se nepouˇz´ıvá. Efektivn´ım propojen´ım je multiplexován´ı jednotliv´ ych symbol˚ u. Datové vodiˇce pro symboly jsou totoˇzné, ale v ˇcasovém multiplexu se sp´ıná vˇzdy jen jeden symbol. Je-li pˇrep´ınán´ı dostateˇcnˇe rychlé, lidské okno jej nezaznamená. Tento zp˚ usob propojen´ı je pouˇzit také na v´ yvojové desce ATmega16 (viz obrázek 6.1). Pro ˇsest symbol˚ u tak postaˇc´ı 14 v´ ystupn´ıch pin˚ u (6 symbol˚ u; port C + 8 segment˚ u, vˇc. desetinné teˇcky; port A). ´ cinn´ Uˇ y zp˚ usob zobrazen´ı informac´ı v celé ˇradˇe ˇr´ıdic´ıch aplikac´ı je pomoc´ı LCD displeje. Toto poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı je zamˇeˇreno na pouˇzit´ı znakov´ ych LCD displej˚ u. Vˇetˇsina vyrábˇen´ ych LCD displej˚ u je ovládána pomoc´ı ˇr´ıdic´ıho obvodu HD44780 firmy Hitachi


PC7

31

PC2

PA3

PA3

PA4 A1

PA2

PA4 A1

PA2

PA7

PA5

PA7

PA5

A6

PA0

A6

PA0

Obr´ azek 6.1: Zapojen´ı 7segmentového displeje v laboratoˇri Mikroprocesorové techniky. [Hit08], pˇr´ıp. jeho ekvivalent˚ u. Tento ˇradiˇc je normou pro komunikaci s LCD displeji. Zpravidla se vyráb´ı displeje s rozliˇsen´ım od 8×1 aˇz po 40×4 znak˚ u s podsv´ıcen´ım (ˇzlutozelené, modré) i bez podsv´ıcen´ı. Znakov´ y LCD displej obsahuje osm datov´ ych pin˚ u pro pˇrenos instrukc´ı a dat, dále sadu tˇr´ı ˇr´ıdic´ıch signál˚ u a koneˇcnˇe piny pro napájen´ı, nastaven´ı kontrastu a podsv´ıcen´ı. Pˇrestoˇze datové informace, které LCD displej pˇrij´ımá/vys´ılá jsou 8bitové, ˇcasto se komunikace realizuje pouze ˇctveˇric´ı datov´ ych vodiˇc˚ u (oznaˇcováno jako 4bitová komunikace). Bytová slova se tak pos´ılaj´ı ve dvou kroc´ıch: nejprve vyˇsˇs´ı nibl, následnˇe niˇzˇs´ı. Stejn´ ym zp˚ usobem je realizována komunikace mikrokontroléru ATmega16 s LCD displejem na v´ yvojové desce, jak naznaˇcuje obrázek 6.2. Je zˇrejmé, ˇze 4bitovou komunikac´ı byl sn´ıˇzen poˇcet nutn´ ych pin˚ u mikrokontroléru z jedenácti na sedm. Konkrétnˇe se jedná o piny PA7 aˇz PA1 na portu A.

Obr´ azek 6.2: Zapojen´ı LCD displeje na v´ yvojové desce ATmega16. ˇ ıdic´ı signál RS slouˇz´ı k identifikaci, zda jsou mezi mikrokontrolérem a LCD displejem R´ pˇrenáˇseny instrukce nebo data (RS = 0: instrukce, RS = 1: data). Signál R/W identifikuje, zda docház´ı k zápisu nebo ke ˇcten´ı do/z LCD displeje (R/W = 0: zápis, R/W = 1: ˇcten´ı). Sestupná hrana kladného pulzu signálu E (Enable) oznaˇcuje okamˇzik, kdy jsou ˇctena data z datové a ˇr´ıdic´ı sbˇernice. Proces 4bitové komunikace mikrokontroléru ve smˇeru k LCD displeji prob´ıhá v nˇekolika kroc´ıch. Nejprve se nutné nastavit pˇr´ısluˇsné hodnoty dvou ˇr´ıdic´ıch signál˚ u RS a R/W . Následnˇe se na datové piny D7 : 4 pˇrivede vyˇsˇs´ı nibl zapisovan´ ych dat. Pˇr´ıjem tˇechto dat v LCD displeji je spuˇstˇen kladn´ ym pulzem signálu E, kter´ y mus´ı trvat alespoˇ n 3 hodinové cykly. Následnˇe se na datové piny pˇrivede niˇzˇs´ı polovina pos´ılaného bytu a opˇet se potvrd´ı krátk´ ym pulsem E. Struktura nˇekter´ ych instrukc´ı pro komunikaci s displejem (resp. s ˇradiˇcem HD44780) je zobrazena v tabulce 6.1. Formát instrukc´ı je pevnˇe dán. Jedná se vˇzdy o 1bytové slovo doplnˇené o ˇr´ıdic´ı signály RS a R/W . Podrobn´ y soupis

32


vˇsech instrukc´ı je moˇzné nalézt v literatuˇre, napˇr. v [Dov07]. Tabulka 6.1: Vybrané pˇr´ıkazy HD44780 pro komunikaci s LCD displejem. RS

R/W

0 0 0

0 0 0

0000 0001 0000 001x 0000 01IS

0

0

0000 1DCB

0

0

001L NFxx

0 1

0 0

01 cgram data

1

1

data

6.3

DB7 : DB0 Popis instrukce Smazán´ı displeje. Návrat kurzoru na pozici (0,0). Nastaven´ı posuvu kurzoru. I: inkrementace pozice kurzoru. S: posuv displeje. Zapnut´ı displeje/kurzoru. D: zapnut´ı displeje. C: zobrazen´ı kurzoru. B: blikán´ı kurzoru. Nastaven´ı rozliˇsen´ı. L=1(0): nastaven´ı 8(4)bitové komunikace. N=1(0): dva(jeden) ˇra´dky displeje. F=1(0): velikost fontu 5×10(5×7). Nastaven´ı adresy cgram v CGRAM segmentu. Zápis dat do pamˇeti CGRAM. Zobrazen´ı znaku z adresy data. ˇ ı dat z pamˇeti CGRAM. Cten´ ˇ ı dat z adresy data. Cten´


Bod 1. V jazyce C naprogramujte komunikaci mezi mikrokontrolérem ATmega16 a 7segmentov´ ym displejem na v´ yvojové desce ATmega16. (Zapojen´ı displeje na zobrazeno na obrázku 6.1). Vzhledem k tomu, ˇze 7segmentov´ y displej vyuˇz´ıvá port A, kde je pˇripojen také LCD displej, zkontrolujte (pˇrepojte) jumpery od LCD na 7segmentov´ y displej. K multiplexován´ı mezi jednotliv´ ymi symboly vyuˇzijte 8mi ˇci 16ti bitov´ y ˇcasovaˇc, se kter´ ym jste ˇ se seznámili ve cviˇcen´ıch 4 a 5. Casov´ e intervaly mˇen ˇte pomoc´ı odpov´ıdaj´ıc´ıch pˇreddˇeliˇcek. Jaká je maximáln´ı doba multiplexován´ı, kterou lidské oko nepostˇrehne? Vzhledem k propojen´ı jednotliv´ ych sv´ıtic´ıch segment˚ u naprogramujte funkci, která bude realizovat zobrazen´ı vámi zadané ˇc´ıslice na poˇzadovanou pozici na displeji. Sv´ıtic´ı segmenty jsou v zapojen´ı se spoleˇcnou anodou. V návrhu kostry celé aplikace (kód 6.1) je tato funkce nazvána showSeg() a má dva parametry. Prvn´ı pˇredstavuje hodnotu, kterou chceme zobrazit, druh´ y parametr pak obsahuje pozici symbolu v celém displeji. Tˇelo samotné funkce m˚ uˇze b´ yt tvoˇreno napˇr. kombinac´ı pˇr´ıkaz˚ u switch a case. Bod 2. Odpojte jumpery, které propojuj´ı 7segmentov´ y displej s portem A, a k tomuto portu pˇripojte LCD znakov´ y displej. V programu AVR Studio vytvoˇrte nov´ y projekt v jazyce C pro mikrokontrolér ATmega16 a pomoc´ı jiˇz hotové knihovny pro komunikaci s LCD displejem naprogramujte aplikaci, která vyp´ıˇse textov´ y ˇretˇezec na displeji. Upravenou knihovnu, jej´ıˇz p˚ uvodn´ım autorem byl Peter Fleury [Fle06], si stáhnˇete z internetov´ ych stránek pˇredmˇetu [Fry01]. Jedná se o dva soubory s názvem lcd c.c a lcd h.h. Oba zkop´ırujte do adresáˇre, kde se nacház´ı zdrojov´ y soubor vaˇs´ı aplikace. Soubor s koncovkou *.c je taky nutné vloˇzit do vaˇseho projektu. Postup je snadn´ y. Prav´ ym tlaˇc´ıtkem kliknˇete na sloˇzku obsahuj´ıc´ı zdrojové soubory (Source Files) v levé ˇcásti AVR Studia


33

Zdrojov´ y k´ od 6.1: Kostra aplikace pro ovládán´ı 7segmentového displeje. 1 2

#include #include

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

3 4 5

// p r o t o t y p f u n k c e z o b r a z u j´ı c´ı j e d e n symbol na poˇz adované p o z i c i int showSeg ( char , char ) ;

6 7 8 9 10

int main ( void ) { ... sei ( ) ; while ( 1 ) ;

// // // //

h l a v n´ı f u n k c e kó d h l a v n´ı f u n k c e g l o b á l n´ı p o v o l e n´ı vˇs e c h pˇr e r uˇs e n´ı nekoneˇc ná smyˇcka

11

return ( 1 ) ;

12 13

// h l a v n´ı f u n k c e v r a c´ı hodnotu 1

}

14 15 16 17 18 19

ISR ( . . . ) { // o b s l u h a pˇr e r uˇs e n´ı pˇr i pˇr e t e ˇc e n´ı ˇc a s o v aˇc e ... // kó d o b s l u h y pˇr e r uˇs e n´ı // z o b r a z e n´ı jednoho symbolu ” symbol ” na p o z i c i ” p o s i t i o n ” showSeg ( symbol , position ) ; }

20 21 22 23 24 25 26 27

int showSeg ( char symbol , char position ) { switch ( symbol ) { case 0 : // z o b r a z symbol ”0” ... // d o p l n ˇ t e kó d c e l é f u n k c e } return ( 0 ) ; // n á v r a t o v á hodnota f u n k c e }

a vloˇzte soubor lcd c.c. Hlaviˇckov´ y soubor lcd h.h se jiˇz vloˇz´ı do projektu automaticky pˇri pˇrekladu. Knihovna pro komunikaci s LCD displejem, kterou jste vloˇzili do projektu, obsahuje veˇskerá nastaven´ı a funkce pro inicializaci a pouˇzit´ı LCD displeje. Soupis pomocn´ ych funkc´ı, které budete potˇrebovat je uveden v tabulce 6.2. Vˇsechny tyto funkce nevrac´ı ˇza´dnou hodnotu. Tabulka 6.2: Soupis vybran´ ych funkc´ı z knihovny pro LCD. N´ azev funkce lcd lcd lcd lcd lcd lcd lcd

Popis funkce

init() ; Inicializace LCD displeje. clrscr() ; Smazán´ı obsahu LCD displeje. gotoxy( 0,2 ) ; Pˇresun kurzoru na pozici (0,2), tj. 1. sloupec, 3. ˇra´dek. putc( ’A’ ) ; Zobrazen´ı znaku ”A”. puts( "BMPT") ; Zobrazen´ı ˇretˇezce znak˚ u ”BMPT”. command( 0x40 ) ; Zápis 1bytové instrukce do LCD displeje. data( 0x0A ) ; Zápis 1bytov´ ych dat do LCD displeje.

Naprogramujte aplikaci, která vyuˇzije prvn´ıch pˇet funkc´ı z tabulky 6.2. Nezapomeˇ nte

34


vloˇzit hlaviˇckov´ y soubor knihovny LCD displeje. Knihovny, dostupné ve stejném adresáˇri jako celá aplikace se vkládaj´ı pˇr´ıkazem #include "nazev knihovny.h". V hlavn´ı funkci aplikace inicializujte LCD displej a následnˇe na r˚ uzné pozice vypiˇste libovolné znaky a ˇretˇezce. V´ ystupn´ı port A, ke kterému je LCD displej pˇripojen nen´ı potˇreba nastavovat – to je jiˇz provedeno ve inicializaˇcn´ı funkci displeje. Aplikaci ukonˇcete prázdnou nekoneˇcnou smyˇckou. Bod 3. Jiˇz vytvoˇren´ y projekt z pˇredeˇslého bodu rozˇsiˇrte o obsluhu pˇreruˇsen´ı pˇri pˇreteˇcen´ı 16bitového ˇcasovaˇce. Toto pˇreruˇsen´ı bude inkrementovat stav 4bitového binárn´ıho ˇc´ıtaˇce (viz poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı 5). Kromˇe zobrazen´ı stavu ˇc´ıtaˇce pomoc´ı LED diod, zobrazte jeho stav také na LCD displeji. Hodnotu promˇenné je moˇzné zobrazit pomoc´ı kombinace pˇr´ıkaz˚ u sprintf() z knihovny stdio.h a funkce lcd puts(). Konkrétn´ı pouˇzit´ı a syntaxi uveden´ ych pˇr´ıkaz˚ u ukazuje zdrojov´ y kód 6.2. Zdrojov´ y k´ od 6.2: Kombinace v´ ypisu ˇretˇezce a celoˇc´ıselné hodnoty na znakov´ y displej. 1 2 3 4 5 6

#include <s t d i o . h> // s t a n d a r d n´ı I /O knihovna ( nutné pro s p r i n t f ) ... char buffer [ 1 6 ] ; // g l o b . promˇenná ˇr e t ˇe z c e k z o b r a z . na d i s p l e j i ... // n a p l nˇe n´ı ˇr e t ˇe z c e b u f f e r pˇr´ıs l uˇs n y ´ m textem sprintf ( buffer , ” Hodnota = \%d ” , temp ) ;

7

// z o b r a z e n´ı ˇr e t ˇe z c e na d i s p l e j i lcd_puts ( buffer ) ; ...

8 9 10

6.4


• Na LCD displeji realizujte jednoduché menu, ve kterém se budete pohybovat pomoc´ı tlaˇc´ıtek. • Vytvoˇrte dvojici nov´ ych znak˚ u, které bude moˇzné zobrazit na LCD displeji. Dostupná znaková sada LCD displeje je zobrazena v pˇr´ıloze D. Kromˇe tˇechto znak˚ u je moˇzné nadefinovat aˇz osm nov´ ych znak˚ u. Uˇzivatelsky definované znaky jsou v LCD displeji uloˇzeny od adresy 0 do adresy 7. Tento u ´sek pamˇeti se naz´ yvá CGRAM (Character Generator RAM). Znaky se definuj´ı v matici 5×8 bod˚ u. Zobrazen´ y pixel bude v této matici obsahovat hodnotu ”1”; body které maj´ı b´ yt skryty, obsahuj´ı ”0”. Jeden znak je tedy reprezentován osmic´ı slov (jedno slovo na ˇra´dek). Pˇr´ıklad novˇe definovan´ ych symbol˚ u je znázornˇen na obrázku 6.3. Do podobné matice si postupnˇe znázornˇete dva znaky, které chcete nadefinovat. Nov´ y znak má smysl uloˇzit do pamˇeti CGRAM na samém zaˇca´tku aplikace. Pozor, po odpojen´ı napájen´ı LCD displeje budou znaky ztraceny. K nastaven´ı této adresy vyuˇzijte pˇr´ıkaz lcd command(), jehoˇz argument naleznete v tabulce 6.1. Bezprostˇrednˇe po této instrukci, LCD displej oˇcekává pˇr´ıjem osmi datov´ ych slov popisuj´ıc´ıch samotn´ y znak, tj. osmkrát vyuˇzijte funkci lcd data(). Pro správnou komunikaci je nutné po uloˇzen´ı nového znaku, zavolat funkci smazán´ı obsahu displeje, tedy lcd clrscr(). Zobrazit znak, uloˇzen´ y


0b01110 0b11111 0b11111 0b11111 0b11111 0b11111 0b11111 0b11111

(a) 100 %

0b01110 0b11111 0b10001 0b10001 0b10001 0b11111 0b11111 0b11111

(b) 40 %

35

0b01110 0b11111 0b10001 0b10001 0b10001 0b10001 0b10001 0b11111

(c) 0 %

Obr´ azek 6.3: Novˇe definované znaky pro LCD displej – indikátor nabit´ı baterie. na adrese 0 lze pomoc´ı funkce lcd putc( 0 ). Na LCD displeji souˇcasnˇe zobrazte vaˇse dva nové znaky.

6.5

Shrnut´ı

Poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı pˇredstavuje moˇznost propojen´ı 7segmentového displeje a LCD displeje s mikrokontrolérem AVR. Pro zobrazen´ı hodnot na 7segmentovém displeji byla pouˇzita metoda multiplexován´ı. Pro vzájemnou komunikaci s LCD byla pouˇzita 4bitová verze datové komunikace a knihovna funkc´ı v jazyce C, dostupná na Internetu [Fle06]. Studenti si tak osvojili volán´ı pomocn´ ych funkc´ı z knihovny.

6.6


Ot´ azka 6.1 Vysvˇetlete pojem “multiplexován´ı” 7segmentového displeje. Ot´ azka 6.2 Naˇcrtnˇete ˇcasové pr˚ ubˇehy vˇsech datových i ˇr´ıdic´ıch signál˚ u pˇri ˇcten´ı 8bitového slova (napˇr. 0x4C) z LCD displeje do mikrokontroléru. Datová komunikace je nastavena jako 4bitová. Ot´ azka 6.3 V binárn´ı podobˇe zapiˇste matici, reprezentuj´ıc´ı znak ”A” ve znakové sadˇe LCD displeje.

36


7

Zpracov´ an´ı analogov´ ych sign´ al˚ u

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. Jaká je funkce A/D pˇrevodn´ıku a na ˇcem závis´ı kvantizaˇcn´ı chyba? 2. Jak dlouho trvá mikrokontroléru ATmega16 jeden A/D pˇrevod? 3. Liˇs´ı se nˇejak následuj´ıc´ı zp˚ usoby vkládan´ı knihovny v jazyce C: #include a #include "nazev knihovny.h"?

C´ıle poˇ c´ıtaˇ cov´ eho cviˇ cen´ı C´ılem poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı je pouˇzit´ı intern´ıho A/D pˇrevodn´ıku mikrokontroléru ATmega16 ke zpracován´ı analogov´ ych signál˚ u. Dalˇs´ım c´ılem cviˇcen´ı je aplikace PWM signálu pˇri D/A pˇrevodu a zobrazen´ı dat na LCD displeji. Studenti si osvoj´ı ovládán´ı intern´ıch periféri´ı pomoc´ı pˇr´ısluˇsn´ ych kontroln´ıch registr˚ u.

7.1

Zad´ an´ı

1. S pomoc´ı katalogového listu ATmega16 si pˇripravte potˇrebn´ y obsah ˇr´ıdic´ıch registr˚ u A/D pˇrevodn´ıku. 2. Vytvoˇrte aplikaci s intern´ım A/D pˇrevodn´ıkem. 3. Naprogramujte aplikaci kombinuj´ıc´ı A/D pˇrevod a generován´ı audio signálu.

7.2


Vˇsechna digitáln´ı zaˇr´ızen´ı jsou schopna zpracovávat data pouze v ˇc´ıslicové podobˇe. Vzhledem k situaci, ˇze okoln´ı svˇet je vˇzdy analogov´ y, je potˇreba zpracovávaná data pro mikrokontrolér nejprve pˇrevést. K bˇeˇzné v´ ybavˇe mikrokontrolér˚ u patˇr´ı intern´ı A/D pˇrevodn´ık, ˇci analogov´ y komparátor. Pˇr´ıtomnost tˇechto periféri´ı minimalizuje poˇcet extern´ıch souˇcástek v zapojen´ı ˇr´ıdic´ı aplikace. Následuj´ıc´ı poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı je vˇenováno A/D pˇrevodn´ıku a aplikaci PWM signálu (obdoba poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı 4). 7.2.1

Analogovˇ e digit´ aln´ı pˇ revodn´ık

Vstupn´ı analogov´ y signál m˚ uˇze reprezentovat celou ˇradu veliˇcin: signál od teplotn´ıho nebo tlakového ˇcidla, u ´roveˇ n audio signálu, velikost mˇeˇreného napˇet´ı, apod. Analogovˇe digitáln´ı pˇrevod je ve své podstatˇe otázkou proporc´ı, tj. jak velkou hodnotu má vstupn´ı signál vzhledem k maximáln´ımu (referenˇcn´ımu) rozsahu pˇrevodn´ıku. Napˇr´ıklad, pokud má vstupn´ı analogov´ y signál hodnotu 2 V a maximáln´ı rozsah pˇrevodn´ıku je 5 V, reprezentuje v´ ystupn´ı digitáln´ı hodnota 40 % plného rozsahu. Pouˇzijeme-li jiné referenˇcn´ı napˇet´ı, bude v´ ystupn´ı hodnota také odliˇsná i pˇres konstantn´ı napˇet´ı na analogovém vstupu! V´ ystupn´ı hodnota A/D pˇrevodn´ıku je reprezentována posloupnost´ı bit˚ u. Poˇcet tˇechto bit˚ u specifikuje mnoˇzstv´ı rozliˇsiteln´ ych u ´rovn´ı pˇrevádˇeného signálu. U 8bitového A/D pˇrevodn´ıku je to 256, u 10bitového 1 024 u ´rovn´ı, apod. Obecnˇe je tedy u ´lohou A/D pˇrevodn´ıku pˇrevádˇet napˇet´ı vstupn´ıho analogového signálu na nbitovou digitáln´ı reprezentaci v závislosti na referenˇcn´ım napˇet´ı.


37

Z pˇredchoz´ı u ´vahy plyne rovnice pro vyjádˇren´ı závislosti mezi hodnotou vstupn´ıho napˇet´ı a jej´ı digitáln´ı reprezentac´ı: ADCH:L =

VIN · (2n − 1), VREF

(7.1)

kde ADCH:L je registrov´ y pár s digitáln´ı hodnotou pˇrevedeného analogového napˇet´ı VIN . VREF pˇredstavuje maximáln´ı hodnotu vstupn´ıho napˇet´ı a n je poˇcet bit˚ u urˇcen´ ych k A/D pˇrevodu. Doba A/D pˇrevodu u ATmega16 je odliˇsná pro prvn´ı pˇrevádˇenou hodnotu a pro vˇsechny následuj´ıc´ı vzorky. U prvn´ıho pˇrevodu je nutné nastavit pouˇzité analogové obvody pˇrevodn´ıku, takˇze pˇrevedená hodnota je k dispozici za 25 cykl˚ u hodinového signálu, kter´ y ˇr´ıd´ı A/D pˇrevodn´ık a za 13 cykl˚ u pro vˇsechny následuj´ıc´ı vzorky. Uváˇz´ıme-li, ˇze doporuˇcená frekvence hodinového signálu A/D pˇrevodn´ıku mikrokontroléru ATmega16 mus´ı b´ yt v rozmez´ı od 50 kHz do 200 kHz, je moˇzné dosáhnout rychlosti pˇrevodu aˇz 15,3 kSPS (Samples Per Second). A/D pˇrevodn´ık obsaˇzen´ y v ATmega16 je 10bitov´ y. 7.2.2

Z´ asuvn´ y audio modul

Pro generován´ı analogov´ ych signál˚ u bude vyuˇzit zásuvn´ y modul, jehoˇz obvodové zapojen´ı je zobrazeno na obrázku 7.1. Modul obsahuje dvojici zdroj˚ u: prvn´ı (pˇrep´ınaˇc S1 v poloze 3) pˇrivád´ı na pin PA0 periodick´ y signál troj´ uheln´ıkového tvaru, generovan´ y dvojic´ı operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u TLC272. Jeho periodu i napˇet’ové u ´rovnˇe zjist´ıte pˇri ˇreˇsen´ı bodu 2.

Obr´ azek 7.1: Obvodové zapojen´ı zásuvného audio modulu. Druhou moˇznost´ı zásuvného modulu (pˇrep´ınaˇc S1 v poloze 1, viz obrázek 7.1) je vyuˇzit´ı audio pamˇeti ISD1730 firmy Nuvoton [Nuv10]. Tento integrovan´ y obvod umoˇzn ˇuje

38


nahrát a následnˇe pˇrehrávat cca 30 s audio signálu se vzorkovac´ı frekvenc´ı danou extern´ım rezistorem R5 (v naˇsem pˇr´ıpadˇe fs = 8 kHz).

7.3


Bod 1. Poˇzadovanou funkci A/D pˇrevodn´ıku (anglicky: Analog to Digital Converter) je nutné nastavit v ˇr´ıdic´ıch registrech ADMUX (ADC Multiplexer Selection Register) a ADCSRA (ADC Control and Status Register A). S pomoc´ı katalogového listu [Atm16], nebo programu AVR Wizard [Sev08] si pˇripravte hodnoty obou ˇr´ıdic´ıch registr˚ u. V registru ADMUX nastavte napájec´ı napˇet´ı AVCC jako referenˇcn´ı a vstupn´ı kanál pˇrevodn´ıku vyberte ADC0. V kontroln´ım a stavovém registru ADCSRA povolte pouˇzit´ı A/D pˇrevodn´ıku, zahájen´ı A/D pˇrevodu, generaci pˇreruˇsen´ı po jeho dokonˇcen´ı a rychlost s jakou bude A/D pˇrevod prob´ıhat. Nastavte takovou pˇreddˇeliˇcku, aby frekvence odvozeného hodinového signálu byla v rozmez´ı 50 kHz aˇz 200 kHz (max. 250 kHz). Vypoˇctˇete frekvenci hodinového signálu pro A/D pˇrevodn´ık pro vˇsechny hodnoty pˇreddˇeliˇcky za pˇredpokladu, ˇze frekvence MCU je 16 MHz. Bod 2. Naprogramujte aplikaci pro mikrokontrolér ATmega16 v jazyce C, která opakovanˇe vzorkuje vstupn´ı signál, generovan´ y zásuvn´ ym modulem. Pro pˇripojen´ı tohoto signálu pˇrepnˇete pˇrep´ınaˇc na modulu do doln´ı polohy. Ke zmˇeˇren´ı u ´rovnˇe analogového napˇet´ı pouˇzijte vnitˇrn´ı 10bitov´ y A/D pˇrevodn´ık mikrokontroléru. Pˇrevedenou hodnotu zobrazte na LCD displeji. Potˇrebné knihovny pro komunikaci s LCD displejem si stáhnˇete z internetov´ ych stránek pˇredmˇetu, nebo pouˇzijte z poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı 6. Po vytvoˇren´ı nového projektu v programu AVR Studio do nˇej nezapomeˇ nte vloˇzit zdrojov´ y soubor knihovny lcd c.c (postup je naznaˇcen v uvedeném poˇc´ıtaˇcovém cviˇcen´ı). Vzhledem k situaci, ˇze intern´ı A/D pˇrevodn´ık je 8kanálov´ y a vyuˇz´ıvá piny PA0 (ADC0) aˇz PA7 (ADC7) um´ıstˇené na portu A (ke kterému je ovˇsem pˇripojen také LCD displej, viz schéma zapojen´ı na obrázku 6.2), je nutné vyuˇz´ıt jedin´ y voln´ y kanál A/D pˇrevodn´ıku um´ıstˇen´ y na pinu PA0 (ADC0). A/D pˇrevodn´ık budeme vyuˇz´ıvat v tzv. jednoduchém pˇrevodu (reˇzimu), kdy vstupn´ı napˇet´ı jednoho kanálu je vztaˇzeno k zemi. A/D pˇrevodn´ık umoˇzn ˇuje také pˇrevod diferenˇcn´ı hodnoty napˇet´ı dvou vstupn´ıch signál˚ u vˇcetnˇe ˇr´ızen´ı zes´ılen´ı. Tento reˇzim ovˇsem nebudeme vyuˇz´ıvat. Naprogramujte obsluhu pˇreruˇsen´ı, která se spust´ı po dokonˇcen´ı A/D pˇrevodu. Zobrazte hodnotu A/D pˇrevodu na LCD displeji. Pˇrevedená hodnota je uloˇzena ve dvou datov´ ych registrech ADCH:L (ADC Data Register). V jazyce C je tento registrov´ y pár sjednocen do jediné 16bitové promˇenné ADCW, kterou m˚ uˇzete v aplikaci vyuˇz´ıt. Pomoc´ı LED diod vytvoˇrte tzv. bar graf, kdy poˇcet rozsv´ıcen´ ych LED diod koresponduje s u ´rovn´ı analogového signálu. Bod 3. Naprogramujte jednoduch´ y audio generátor. Pˇrep´ınaˇc na zásuvném modulu pˇrepnˇete do horn´ı polohy. Nyn´ı je vstupn´ı kanál A/D pˇrevodn´ıku mikrokontroléru spojen s v´ ystupem audio pamˇeti ISD1730. Ta obsahuje pˇribliˇznˇe 30 s zvukového signálu, kter´ y neustále pˇrehrává. Hodnoty vzork˚ u lze vyuˇz´ıt k nastavován´ı komparaˇcn´ı u ´rovnˇe ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce, tj. ke generován´ı PWM signálu. Je-li vhodnˇe nastavena perioda PWM signálu (frekvence mus´ı b´ yt nˇekolikanásobnˇe vyˇsˇs´ı neˇz je vzorkovac´ı frekvence audio signálu), lze jeho pˇriveden´ım na akustick´ y mˇeniˇc generovat melodii (hudbu)!


39

Prostudujte si zapojen´ı v´ yvojové desky ATmega16 (viz pˇr´ıloha C). Ke kterému pinu mikrokontroléru je pˇripojen reproduktor? Kter´ y z intern´ıch ˇcasovaˇc˚ u/ˇc´ıtaˇc˚ u pro generován´ı melodie tedy pouˇzijete? Ze znalosti doby trván´ı A/D pˇrevodu vyberte pˇreddˇeliˇcku hodinového signálu, aby byl vstupn´ı signál vzorkován pˇribliˇznˇe 8 kHz. Pro generován´ı PWM signálu pouˇzijte Fast PWM, inverting mode a co nejvyˇsˇs´ı frekvenci generovaného signálu. Vyuˇzijte pˇreruˇsen´ı po dokonˇcen´ı A/D pˇrevodu, které zajist´ı plnˇen´ı komparaˇcn´ıho registru ˇcasovaˇce/ˇc´ıtaˇce. Pouˇzijte k tomu pˇr´ımo hodnotu A/D pˇrevodu, kterou je ovˇsem potˇreba zmenˇsit z 10bitové hodnoty na 8bitovou. Nepouˇz´ıváte-li free-running mód A/D pˇrevodn´ıku, nezapomeˇ nte na konci obsluhy pˇreruˇsen´ı opˇet zahájit dalˇs´ı A/D pˇrevod. Je d˚ uleˇzité, aby doba v´ ykonu pˇreruˇsen´ı byla co nejkratˇs´ı, proto v této aplikaci nepouˇz´ıvejte LCD displej. Komunikace s n´ım totiˇz trvá des´ıtky aˇz stovky milisekund.

7.4


• Rozˇsiˇrte aplikaci z bodu 2 o mˇeˇren´ı periody vzorkovaného signálu, pˇrip. zobrazte na LCD displeji hodnotu napˇet´ı VP −P . • Navrhnˇete aplikaci, vyuˇz´ıvaj´ıc´ı intern´ı komparátor mikrokontroléru.

7.5

Shrnut´ı

Poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı umoˇznilo student˚ um osvojen´ı si práce s perifériemi mikrokontroléru ATmega16 pro zpracován´ı analogového signálu. Jednalo se o 10bitov´ y intern´ı A/D pˇrevodn´ık a PWM generátor. Obˇe periférie jsou ovládány pomoc´ı kontroln´ıch registr˚ u uloˇzen´ ych v datové pamˇeti SRAM v oblasti I/O registr˚ u. Po absolvován´ı poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı by studenti mˇeli b´ yt schopni pouˇz´ıt obˇe intern´ı periférie a ˇr´ıdit tak A/D pˇrevod nebo generovat akustick´ y signál prostˇrednictv´ım PWM.

7.6


Ot´ azka 7.1 Jaké minimáln´ı napˇet’ové kroky je schopen rozliˇsit A/D pˇrevodn´ık mikrokontroléru ATmega16 pˇri pouˇzit´ı vnitˇrn´ıho zdroje referenˇcn´ıho napˇet´ı a jaké pˇri pouˇzit´ı extern´ıho zdroje 5 V? Ot´ azka 7.2 Na ˇcem závis´ı pˇresnost mˇeˇren´ı periody analogového signálu z bodu 2? Ot´ azka 7.3 Proˇc mus´ı být v bodˇe 3 splnˇena podm´ınka fs fP W M ?

40


8

S´ eriov´ y pˇ renos dat

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. Jaká je struktura asynchronn´ıho rámce? Co je to paritn´ı bit a jak´ ym zp˚ usobem se vypoˇcte? 2. Jaká je struktura adresn´ıho a datového rámce na sbˇernici I2C? 3. Jak´ ymi zp˚ usoby je moˇzné v jazyce C snadno naprogramovat cyklus typu: opakuj dokud i 6= 0?

C´ıle poˇ c´ıtaˇ cov´ eho cviˇ cen´ı C´ılem poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı je seznámit studenty s ˇr´ızen´ım sériové komunikace pomoc´ı UART a sbˇernice I2C. Oba tyto zp˚ usoby sériové komunikace podporuj´ı intern´ı periférie mikrokontroléru ATmega16 s oznaˇcen´ım USART a TWI. To umoˇzn´ı programátorovi snadnou implementaci sériové komunikace pro embedded aplikace.

8.1

Zad´ an´ı

1. Seznamte se se strukturou asynchronn´ıho rámce. 2. V jazyce C sestavte program pro mikrokontrolér ATmega16, kter´ y vyˇsle datov´ y rámec pomoc´ı jednotky USART. 3. V jazyce C sestavte program, kter´ y bude pˇrepos´ılat pˇrijatá sériová data zpˇet do poˇc´ıtaˇce. 4. V jazyce C vytvoˇrte program pro ˇr´ızen´ı sériové komunikace po sbˇernici I2C.

8.2 8.2.1

Teoretick´ e poznatky Asynchronn´ı komunikace UART

Pod oznaˇcen´ım UART (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter) se skr´ yvá integrovan´ y hardware realizuj´ıc´ı asynchronn´ı sériovou komunikaci s okol´ım. Pro zachován´ı obecnosti pomineme, ˇze mikrokontrolér ATmega16 je vybaven rozhran´ım USART (Universal Synchronous Asynchronous Serial Receiver and Transmitter) podporuj´ıc´ı nav´ıc i synchronn´ı komunikaci. U asynchronn´ı komunikace mohou b´ yt data vyslána po sériové lince v libovolném okamˇziku. Na rozd´ıl od komunikace synchronn´ı, nen´ı u asynchronn´ıho zp˚ usobu pˇrenáˇsena informace o ˇcasové synchronizaci. Pˇrij´ımaˇc takového signálu tedy mus´ı b´ yt schopen data správnˇe interpretovat jin´ ym zp˚ usobem. Vyuˇz´ıvá se pˇredem zvolená struktura datového rámce, pomoci nˇehoˇz se data pos´ılaj´ı. Datov´ y asynchronn´ı rámec obsahuje jeden start bit (vˇzdy log. 0), dále urˇcit´ y poˇcet datov´ ych bit˚ u v poˇrad´ı od LSB k MSB (5 aˇz 9 bit˚ u), voliteln´ y paritn´ı bit pro jednoduché zabezpeˇcen´ı dat (lichá – Odd, nebo sudá – Even parita) a jeden nebo dva stop bity (log. 1). Mód UART rámce je moˇzné zapsat zkrácenˇe: napˇr. 8N2 pro rámec s 8 datov´ ymi bity, ˇza´dnou paritou a 2 stop bity. Ukázka jednoho


0

1

1

neˇcinn´ y stav start LSB

0

1

0

0

1

0

1

MSB parita stop

41

1 stop neˇcinn´ y stav

TB

Obr´ azek 8.1: Struktura asynchronn´ıho rámce pro mód 7E2 (7 datov´ ych bit˚ u, sudá parita, 2 stop bity).

rámce v módu 7E2 a datové slovo 0b1001011 je znázornˇena na obrázku 8.1. (TB udává bitovou periodu.) Aby byl zajiˇstˇen korektn´ı pˇr´ıjem dat na pˇrij´ımac´ı stranˇe je nutné, aby jak vys´ılaˇc, tak pˇrij´ımaˇc pouˇz´ıvali shodné nastaven´ı rámce. Nav´ıc je nutné, aby symbolová rychlost vys´ılaˇce byla shodná se symbolovou rychlost´ı pˇrij´ımaˇce. Symbolové rychlosti se nastavuj´ı v pevnˇe dan´ ych hodnotách, pˇriˇcemˇz bˇeˇzné jsou hodnoty 9 600, 19 200, ˇci 38 400 Bd. Pro mikrokontroléry AVR je potˇreba konkrétn´ı hodnotu symbolové rychlosti pˇrepoˇc´ıtat s ohledem na ˇr´ıdic´ı frekvenci mikrokontroléru fCP U a uloˇzit do registru UBRRH:L (USART Baud Rate Registers). Jedná se o registrov´ y pár, jehoˇz hodnota je dána následuj´ıc´ım vztahem fCP U −1 , (8.1) UBRRH:L = round 16 · SR kde SR je poˇzadovaná hodnota symbolové rychlosti v Bd a funkce round() realizuje zaokrouhlen´ı. V pˇr´ıpadˇe, ˇze zvolená symbolová rychlost je vˇetˇs´ı neˇz 2 400 a frekvence fCP U = 16 MHz, pak staˇc´ı naplnit pouze niˇzˇs´ı registr UBRRL; vyˇsˇs´ı registr UBRRH obsahuje nuly. Kromˇe ˇr´ıdic´ıho registru pro nastaven´ı symbolové rychlosti, obsahuje asynchronn´ı jednotka jeˇstˇe tˇri odliˇsné ˇr´ıdic´ı registry a jeden datov´ y. Datov´ y registr UDR (USART I/O Data Register) slouˇz´ı jak pro pˇrij´ımaˇc, tak i pro vys´ılaˇc sériov´ ych dat. Data, která chceme vyslat, tak staˇc´ı pouze zapsat do tohoto registru a UART jednotka jiˇz vykoná vˇse potˇrebné. Na druhé stranˇe, po dokonˇcen´ı pˇr´ıjmu je datové slovo uloˇzeno právˇe v registru UDR. Informace o chybˇe bˇehem pˇrenosu, pˇr´ıp. o tom ˇze pˇrenos byl dokonˇcen je moˇzné vyˇc´ıst z ˇr´ıdic´ıho registru UCSRA (USART Control and Status Register A). Zaj´ımav´ y je bit UDRE (USART Data Register Empty), kter´ y informuje, zda je datov´ y registr vys´ılaˇce jiˇz prázdn´ y a je tak moˇzné vyslat dalˇs´ı data. Zapnut´ı vys´ılaˇce a pˇrij´ımaˇce jednotky USART, povolen´ı generován´ı pˇreruˇsen´ı pˇri ukonˇcen´ı vys´ılán´ı a pˇr´ıjmu asynchronn´ıho rámce se nastavuje v registru UCSRB (USART Control and Status Register B). Posledn´ı ˇr´ıdic´ı registr UCSRC (USART Control and Status Register C) obsahuje specifikaci struktury asynchronn´ıho rámce, tj. poˇcet datov´ ych bit˚ u, volbu parity i poˇcet stop bit˚ u. Asynchronn´ı pˇrij´ımaˇc RxD a vys´ılaˇc TxD je u mikrokontroléru ATmega16 vyveden na pinech PD0 a PD1. Tyto vodiˇce jsou pomoc´ı pˇrevodn´ıku u ´rovn´ı a konektoru na v´ yvojové desce v laboratoˇri spojeny se sériov´ ym rozhran´ım osobn´ıho poˇc´ıtaˇce.

42

8.2.2


Sbˇ ernice I2C

Sbˇernice I2C (Inter-Integrated Circuit) byla vyvinuta firmou Philips Semiconductor pro komunikaci mezi d´ılˇc´ımi bloky v rámci jednoho zaˇr´ızen´ı. Tato sbˇernice je tvoˇrena dvojic´ı signál˚ u, pˇredstavuj´ıc´ı datov´ y kanál SDA (Synchronous Data) a hodinov´ y signál SCL (Synchronous Clock). Komunikace reprezentuje hierarchické spojen´ı nadˇrazeného zaˇr´ızen´ı ´ (Master) a podˇr´ızen´ ych obvod˚ u (Slave). Ukolem nadˇrazen´ ych obvod˚ u je ˇr´ızen´ı celé komunikace, vznáˇsen´ı poˇzadavk˚ u a generován´ı hodinového signálu. Kaˇzd´ y podˇr´ızen´ y obvod má implementovánu svou jedineˇcnou adresu, pomoc´ı n´ıˇz je adresován. Komunikace po sbˇernici je ˇr´ızena komunikaˇcn´ım protokolem, kter´ y popisuje zahájen´ı komunikace (Start Condition), strukturu adresn´ıho a datového paketu, dále popisuje zp˚ usoby potvrzován´ı pˇrijat´ ych paket˚ u (Acknowledge) a ukonˇcen´ı komunikace (Stop Condition). Klidová u ´roveˇ n na obou linkách sbˇernice I2C je v log. 1 a datovou linku sm´ı ovládat vˇzdy jen jedno zaˇr´ızen´ı. Pro u ´roveˇ n signálu na datové lince SDA plat´ı, ˇze mus´ı b´ yt nemˇenná v okamˇziku vysoké u ´rovnˇe hodinového signálu SCL. To neplat´ı pouze u startovac´ı a ukonˇcovac´ı podm´ınky. Adresn´ı paket se skládá ze 7bitové adresy podˇr´ızeného obvodu, dále z bitu urˇcuj´ıc´ı následné ˇcten´ı nebo zápis z/do obvodu. Paket je ukonˇcen potvrzovac´ım bitem ACK (Acknowledge) od podˇr´ızeného obvodu. Je-li hodnota tohoto bitu v log. 0, je potvrzen´ı platné, z˚ ustane-li v log. 1, potvrzen´ı neprobˇehlo a komunikace nebyla navázána. Adresa je zapisována v poˇrad´ı od MSB k LSB. Datov´ y paket obsahuje 8bitové datové slovo, rovnˇeˇz v poˇrad´ı od MSB k LSB a je ukonˇcen potvrzovac´ım bitem ACK s aktivn´ı u ´rovn´ı v log. 0. Pˇr´ıklad komunikace mezi mikrokontrolérem ATmega16 (Master) a expandérem portu PCF8574 (Slave) je znázornˇen na obrázku 8.2. Adresa podˇr´ızeného obvodu je 0b0100000 a datové slovo, které bylo zapsáno do expandéru má hodnotu 0b01000011.

ˇ Obr´ azek 8.2: Casov´ e pr˚ ubˇehy na sbˇernici I2C pˇri komunikaci s expandérem portu PCF8574. Mikrokontrolér ATmega16 obsahuje intern´ı periférii, pomoc´ı n´ıˇz je moˇzné ovládat komunikaci na sbˇernici I2C. Jedná se o jednotku s názvem TWI (Two-wire Serial Interface).


43

Pro základn´ı obsluhu jednotky je nutné vyuˇz´ıt pˇredevˇs´ım datov´ y registr pro vys´ılán´ı i pˇr´ıjem dat TWDR (TWI Data Register), dále ˇr´ıdic´ı registr TWCR (TWI Control Register) a registr TWBR (TWI Bit Rate Register) pro nastaven´ı frekvence hodinového signálu fSCL . Ta se zpravidla pohybuje do 400 kHz. Pro danou frekvenci hodinového signálu mikrokontroléru fCP U a pˇreddˇeliˇcku hodinového signálu jednotky TWPS = 1, je frekvence generovaného signálu SCL dána následuj´ıc´ım vztahem fSCL =

fCP U . 16 + 2 · TWBR

(8.2)

Ze vztahu (8.2) je patrné, ˇze frekvenci fSCL je moˇzné mˇenit pouze hodnotou, uloˇzenou v registru TWBR (TWI Bit Rate Register).

8.3


Bod 1. Dle vztahu (8.1) vypoˇctˇete hodnoty UBRRH:L, které specifikuj´ı 3 vámi zvolené symbolové rychlosti jednotky USART. Pro jednoduchost uvaˇzujte symbolové rychlosti vˇetˇs´ı neˇz 2 400 Bd. Parametry vyb´ırejte podle moˇznost´ı programu Terminal [Ter09] (viz obrázek 8.3), pomoci kterého budete kontrolovat vyslaná data. Zvolte si formát rámce a datové slovo, které budete cht´ıt vyslat. Nakreslete ˇcasov´ y pr˚ ubˇeh takového asynchronn´ıho rámce podle obrázku 8.1.

Obr´ azek 8.3: Freewarová aplikace Terminal pro ovládán´ı sériového portu poˇc´ıtaˇce [Ter09].

Bod 2. V prostˇred´ı AVR Studio naprogramujte v jazyce C aplikaci pro mikrokontrolér ATmega16, která bude schopna vys´ılat asynchronn´ı rámec pomoc´ı jednotky USART. V katalogovém listu mikrokontroléru ATmega16 [Atm16], pˇr´ıp. pomoc´ı programu AVR Wizard vyhledejte popis ˇr´ıdic´ıch registr˚ u jednotky USART a pˇripravte si potˇrebné hodnoty pro správnou funkci vys´ılaˇce. V registru UCSRB proto zapnˇete vys´ılaˇc USART a v registru ˇ ıdic´ı registry UBRRH UCSRC nastavte vámi zvolenou strukturu asynchronn´ıho rámce. R´ a UCSRC sd´ıl´ı stejn´ y pamˇet’ov´ y prostor. Pro rozliˇsen´ı zápisu do registru UCSRC je nutné

44


vˇzdy nastavit bit URSEL. Pro vyslán´ı datového rámce staˇc´ı byte zapsat do datového registru UDR. Pˇred samotn´ ym zápisem, ale ˇcekejte na vyprázdnˇen´ı vys´ılac´ıho registru (viz bit UDRE v registru UCSRA). T´ım bude zajiˇstˇeno, ˇze nedojde ke ztrátˇe vys´ılaného rámce. K testován´ı tohoto bitu vyuˇzijte nˇekterou z funkc´ı uveden´ ych v pˇr´ıloze B.4. Na osciloskopu, kter´ y je pˇripojen na vys´ılac´ı pin jednotky USART, tj. na PD1 ovˇeˇrte tvar celého asynchronn´ıho rámce a zmˇeˇrte skuteˇcnou symbolovou rychlost. Bod 3. Vytvoˇrte nov´ y projekt v prostˇred´ı AVR Studio a pro mikrokontrolér ATmega16 naprogramujte v jazyce C aplikaci, která bude pˇrij´ımat sériová data z poˇc´ıtaˇce pomoc´ı jednotky USART a následnˇe je bude pˇrepos´ılat zpˇet. Pˇr´ıjem znaku realizujte jako obsluhu pˇreruˇsen´ı pˇrij´ımaˇce USART. Parametr makra ISR, kter´ y identifikuje zdroj pˇreruˇsen´ı, naleznete v tabulce 5.1. Nezapomeˇ nte pˇridat do zdrojového kódu veˇskeré náleˇzitosti, které s pˇreruˇsen´ım souvis´ı. K nastaven´ı ˇr´ıdic´ıch registr˚ u jednotky USART z pˇredchoz´ıho bodu jen pˇridejte povolen´ı pˇreruˇsen´ı pˇri pˇr´ıjmu a zapnut´ı pˇrij´ımaˇce v registru UCSRB. Obsluha pˇreruˇsen´ı necht’ naˇcte obsah pˇrijat´ ych dat z datového registru UDR, opˇetovn´ ym zapsán´ım dat do tohoto registru iniciujete následné vyslán´ı. Pˇri vys´ılán´ı opˇet nejprve ˇcekejte na uvolnˇen´ı datového registru vys´ılaˇce jako v pˇredeˇslém bodˇe. Správnou funkci aplikace ovˇeˇr´ıte vys´ılán´ım dat z programu Terminal. Zde by se mˇela v pˇrij´ımac´ı ˇca´sti bezprostˇrednˇe zobrazovat stejná data, která byla vyslána. Nezapomeˇ nte v programu Terminal nastavit shodn´ y formát asynchronn´ıho rámce, symbolovou rychlost a zahájit komunikaci tlaˇc´ıtkem Connect. Pˇri sériové komunikaci neuvaˇzujte ˇzádné ˇr´ızen´ı toku, tj. Handshaking v programu Terminal nezap´ınejte. Bod 4. Vytvoˇrte nov´ y projekt v prostˇred´ı AVR Studio a pro mikrokontrolér ATmega16 naprogramujte v jazyce C aplikaci, která umoˇzn´ı navázán´ı komunikace s obvodem expandéru portu PCF8574, kter´ y je pˇripojen ke sbˇernici I2C. Mikrokontrolér bude ve funkci ˇr´ıdic´ıho obvodu Master a expandér v podˇr´ızené funkci Slave. V ˇr´ıdic´ıch registrech jednotky TWI nastavte bitové slovo odpov´ıdaj´ıc´ı frekvenci hodinového signálu fSCL = 100 kHz dle rovnice (8.2), pˇreddˇeliˇcku hodinového signálu ponechte na hodnotˇe 1. Popis ˇr´ıdic´ıch registr˚ u naleznete v katalogovém listu [Atm16], ˇca´st Two-wire Serial Interface. Pokud pouˇzijete k nastaven´ı ˇr´ıdic´ıch registr˚ u pomocn´ y nástroj AVR Wizard, nezapomeˇ nte, ˇze maximáln´ı frekvence mikrokontroléru, kterou lze pomoc´ı této aplikace pouˇz´ıt je < 16 MHz! Struktura zdrojového kódu je naznaˇcena v pˇr´ıkladˇe 8.1. Knihovna pro komunikaci s jednotkou TWI byla vytvoˇrena podle [Atm16] a je dostupná na internetov´ ych stránkách pˇredmˇetu. Nezapomeˇ nte vloˇzit hlaviˇckov´ y soubor této knihovny do vaˇs´ı aplikace (ˇra´dek 2). Hlavn´ı funkce aplikace obsahuje nastaven´ı TWI periférie (ˇra´dek 5), dále je na sbˇernici I2C zahájena komunikace (ˇra´dek 6), vyslána adresa obvodu expandéru SLA+W (ˇrádek 7), následuje vyslán´ı datového slova (ˇra´dek 8), a nakonec je komunikace ukonˇcena (ˇra´dek 9). Zobrazte si ˇcasové pr˚ ubˇehy obou signál˚ u sbˇernice I2C na osciloskopu (datov´ y signál SDA je pˇr´ıtomen na pinu PC1, hodinov´ y signál SCL na pinu PC0). Ovˇeˇrte správnost generovan´ ych dat a frekvence hodinového signálu.

8.4


• Naprogramujte aplikaci pro sériov´ y pˇrenos dat mezi mikrokontrolérem ATmega16 a obvodem reálného ˇcasu PCF8583. Vytvoˇrte aplikaci, která pˇrepos´ılá data mezi obvodem reálného ˇcasu (RTC – Real


45

ˇ ızen´ı komunikace prostˇrednictv´ım sériové sbˇernice I2C. Zdrojov´ y k´ od 8.1: R´ 1 2

#include #include ” t w i h . h”

// h l a v iˇc k o v y ´ s o u b o r pro m i k r o k o n t r o lé r // knihovna pro s b ˇe r n i c i I2C (TWI)

int main ( void ) { ... twi_start ( ) ; twi_address_w ( . . . ) ; twi_write ( . . . ) ; twi_stop ( ) ; ... }

// // // // // // //

3 4 5 6 7 8 9 10 11

h l a v n´ı f u n k c e a p l i k a c e d o p iˇs t e n a s t a v e n´ı ˇr´ı d i c´ı c h r e g i s t r˚ u TWI v y s l á n´ı s t a r t o v a c´ı podm´ınky v y s l á n´ı a d r e s y SLA+W v y s l á n´ı datové ho paketu v y s l á n´ı u k o nˇc o v a c´ı podm´ınky d o p iˇs t e t ˇe l o h l a v n´ı f u n k c e

Time Clock) PCF8583 a mikrokontrolérem ATmega16 pomoc´ı sbˇernice I2C. Strukturu datov´ ych registr˚ u RTC naleznete v katalogovém listˇe [Rtc97]. Kromˇe adresace samotné souˇcástky je potˇreba provést také v´ ybˇer jednotliv´ ych datov´ ych registr˚ u obvodu RTC. Na LCD displeji si zobrazte u ´daje o minutách a sekundách. Knihovnu pro komunikaci se sbˇernic´ı I2C z pˇredeˇslého pˇr´ıkladu je nutné doplnit o funkce realizuj´ıc´ı vyslán´ı adresy SLA+R a ˇcten´ı datov´ ych slov z podˇr´ızeného obvodu.

8.5

Shrnut´ı

Poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı umoˇznilo student˚ um testovat asynchronn´ı komunikaci mezi mikrokontrolérem ATmega16 a PC pomoc´ı jednotky UART. Dále byla vyzkouˇsena komunikace mezi obvody Master a Slave po sbˇernici I2C. Studenti si osvojili dovednosti potˇrebné k ˇr´ızen´ı intern´ıch jednotek UART a TWI pomoc´ı kontroln´ıch registr˚ u a pouˇz´ıván´ı extern´ıch knihoven v jazyce C.

8.6


Ot´ azka 8.1 Jakým zp˚ usobem vyhodnot´ı asynchronn´ı pˇrij´ımaˇc vyslaná data 0b10100, bylli zvolen mód 5N1, ale symbolová rychlost pˇrij´ımaˇce byla nastavena oproti vys´ılaˇci jako dvojnásobná? Ot´ azka 8.2 Jaké napˇet’ové u ´rovnˇe vyuˇz´ıvá UART, RS-232 a I2C? Ot´ azka 8.3 Naznaˇcte poˇrad´ı rámc˚ u na sbˇernici I2C pˇri komunikaci dle zadán´ı z kapitoly 8.4.

46


9

V´ yvojov´ e prostˇ red´ı Code Composer Studio

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. Jak´ ymi prostˇredky je doc´ıleno paraleln´ıho zpracován´ı instrukc´ı a dat u signálov´ ych procesor˚ u? 2. Jaké jsou praktické dopady programován´ı signálov´ ych procesor˚ u ve vyˇsˇs´ım programovac´ım jazyce, v jazyce symbolick´ ych adres a v lineárn´ım jazyce symbolick´ ych adres. 3. Jak´ ym zp˚ usobem lze v jazyce C naplnit jednorozmˇerné pole jiˇz pˇri deklaraci?

C´ıle poˇ c´ıtaˇ cov´ eho cviˇ cen´ı C´ılem tohoto poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı je seznámen´ı se s v´ yvojov´ ym prostˇred´ım Code Composer Studio, které slouˇz´ı k programován´ı mikrokontrolér˚ u a signálov´ ych procesor˚ u firmy Texas Instruments. Pˇredevˇs´ım budou pˇredstaveny základn´ı moˇznosti tohoto prostˇred´ı pro ladˇen´ı vyv´ıjen´ ych aplikac´ı. Seznámen´ı bude provedeno prostˇrednictv´ım modifikované verze tutoriálu Code Composer Studio IDE, Developing a Simple Program [Tex01].

9.1

Zad´ an´ı

1. Seznamte se s v´ yvojov´ ym prostˇred´ı Code Composer Studio, urˇcené pro v´ yvoj a testován´ı aplikac´ı pro signálové procesory firmy Texas Instruments. 2. Naprogramujte aplikaci pro v´ ypoˇcet skalárn´ıho souˇcinu vektor˚ u. 3. Pro simulátor signálového procesoru TMS3206713 naprogramujte kruhovou pamˇet’, vyuˇzitelnou pro implementaci FIR filtru.

9.2


Signálové procesory slouˇz´ı k efektivn´ı realizaci algoritm˚ u ˇc´ıslicového zpracován´ı signál˚ u. K tomu je uzp˚ usobena také jejich vnitˇrn´ı struktura. V´ yvoj signálov´ ych procesor˚ u smˇeˇruje k paraleln´ım systém˚ um, které umoˇzn ˇuj´ı souˇcasn´ y v´ ykon nˇekolika proces˚ u (instrukc´ı) a také souˇcasn´ y v´ ykon nˇekolika nezávisl´ ych datov´ ych tok˚ u. Tato struktura je podle [Fly66] oznaˇcována jako MI/MD (Multiple Instruction Stream/Multiple Data Stream). Pro zv´ yˇsen´ı poˇcetn´ıho v´ ykonu je vyuˇzito nˇekolik funkˇcn´ıch jednotek, které jsou navzájem nezávislé a mohou pracovat souˇcasnˇe. Strukturu MI/MD vyuˇz´ıvaj´ı také 32bitové signálové procesory firmy Texas Instruments s oznaˇcen´ım TMS320C6000. ˇ Rada TMS320C6000 obsahuje celkem tˇri rodiny signálov´ ych procesor˚ u. Nejstarˇs´ı ˇradou je C62xx, vyuˇz´ıvaj´ıc´ı pouze paraleln´ıho zpracován´ı instrukc´ı. Na ni navazuje mnohem v´ ykonnˇejˇs´ı rodina s oznaˇcen´ım C64xx, která jiˇz umoˇzn ˇuje také paraleln´ı zpracován´ı dat. Obˇe rodiny jsou tvoˇreny procesory s pevnou ˇrádovou ˇcárkou (fixed-point). Zástupci procesor˚ u s plovouc´ı ˇra´dovou ˇcárkou (floating-point) jsou vyrábˇeny pod oznaˇcen´ım C67xx. Architektura vˇsech tˇechto signálov´ ych procesor˚ u je oznaˇcována jako VLIW (Very Long Instruction Word).


47

V poˇc´ıtaˇcov´ ych cviˇcen´ıch budeme vyuˇz´ıvat signálov´ y procesor s plovouc´ı ˇra´dovou ˇca´rkou TMS320C6713, kter´ y je obecnˇe vhodn´ y pro seznámen´ı se s programován´ım algoˇ ıselná reprezentace s plovouc´ı ˇra´dovou ˇca´rkou totiˇz ritm˚ u pro ˇc´ıslicové zpracován´ı dat. C´ vykazuje obrovsk´ y dynamick´ y rozsah a prakticky odpadá nutnost uvaˇzován´ı pˇreteˇcen´ı hodnot pouˇzit´ ych promˇenn´ ych. Rovnˇeˇz pro seznámen´ı se s programován´ım aplikac´ı pro signálové procesory je vhodné vyuˇz´ıt vyˇsˇs´ıho programovac´ıho jazyka a nikoliv jazyka symbolick´ ych adres. Vzhledem k moˇznostem optimalizaˇcn´ıch nástroj˚ u pˇrekladaˇc˚ u zdrojového kódu, velikostem pamˇet´ı a hodnotˇe ˇr´ıdic´ıho hodinového signálu, je v mnoh´ ych aplikac´ıch programován´ı v jazyce C naprosto dostaˇcuj´ıc´ı. Proto je u ´vodn´ı cviˇcen´ı se signálov´ ymi procesory zamˇeˇreno v´ yhradnˇe na programován´ı v tomto jazyce. V poˇc´ıtaˇcov´ ych cviˇcen´ıch budeme vyuˇz´ıvat nástroj Code Composer Studio verze 3.1.

9.3


Bod 1. Sestavte a v simulátoru odlad’te aplikaci realizuj´ıc´ı zes´ılen´ı vstupn´ıho harmonického signálu. Nastaven´ı CCS

Spust’te program Setup CCStudio v.3.1, jehoˇz zástupce je na ploˇse. V levé doln´ı ˇca´sti otevˇreného okna stisknˇete tlaˇc´ıtko Remove All. T´ım odstran´ıte veˇskerá nastaven´ı aplikace. Poté kliknˇete na záloˇzku Factory Boards a z nab´ıdky vyberte poloˇzku C6713 Device Cycle Accurate Simulator a v´ ybˇer potvrd’te tlaˇc´ıtkem << Add. V ˇca´sti System Configuration se tato volba zobraz´ı (viz obrázek 9.1). Aplikaci ukonˇcete stiskem tlaˇc´ıtka Save & Quit a volbou Yes, v následuj´ıc´ım dialogovém oknˇe, m˚ uˇzete spustit v´ yvojové prostˇred´ı Code Composer Studio.

Obr´ azek 9.1: V´ ybˇer simulátoru signálového procesoru TMS320C6713 pro prostˇred´ı Code Composer Studio.

Vytvoˇ ren´ı projektu

Vytvoˇrte nov´ y projekt (Project→New...), zadejte jeho název, um´ıstˇen´ı na lokáln´ım disku, Project Type ponechte Executable (.out) a c´ılovou rodinu procesoru

48


Target zvolte TMS320C67XX. Tlaˇc´ıtkem Finish dokonˇc´ıte tvorbu nového projektu. Vytvoˇren´ y projekt má pˇr´ıponu .pjt. Z internetov´ ych stránek pˇredmˇetu si stáhnˇete zdrojové kódy ukázkové aplikace zesileni c soubory.zip a nakop´ırujte je do vytvoˇreného adresáˇre. Jedná se o soubory simulator cmd.cmd, obsahuj´ıc´ı popis obsazen´ı pamˇeti signálového procesoru, dále datov´ y soubor sine.dat se vzorky harmonického signálu a pˇredevˇs´ım zdrojov´ y soubor main c.c, obsahuj´ıc´ı hlavn´ı funkci vyv´ıjené aplikace. Pomoc´ı pˇr´ıkazu Project→Add Files to Project... postupnˇe vloˇzte zdrojov´ y soubor .c a konfiguraˇcn´ı .cmd do vytvoˇreného projektu. V levé ˇca´sti v´ yvojového prostˇred´ı, v tzv. inspektoru projektu (kter´ y sdruˇzuje vˇsechny pouˇzité soubory a knihovny) si y zdrove sloˇzce Source otevˇrete vloˇzen´ y zdrojov´ y soubor main c.c. Projdˇete si cel´ jov´ y kód a ujasnˇete si funkci jednotliv´ ych pˇr´ıkaz˚ u. Obsah projektu uloˇzte pˇr´ıkazem Project→Save. Kompilace projektu

Bˇ eh programu

Breakpointy

Spust’te kompilaci celého projektu pˇr´ıkazem Project→Rebuild All, nebo pˇr´ısluˇsn´ ym tlaˇc´ıtkem. Vˇsechny zdrojové soubory tak budou pˇrekompilovány, pˇrevedeny do strojového jazyka procesoru a budou pˇrilinkovány vˇsechny potˇrebné knihovny. V´ ystup procesu je zobrazen v doln´ı ˇca´sti prostˇred´ı v záloˇzce Build, vˇcetnˇe identifikace pˇr´ıpadn´ ych chyb a upozornˇen´ı. Pˇr´ıkazem File→Load Program... Ctrl+L nahrajete z adresáˇre Debug právˇe pˇrekompilovan´ y kód .out do pamˇeti signálového procesoru – v tomto pˇr´ıpadˇe simulátoru. (Pozn.: Automatické naˇc´ıtán´ı pˇreloˇzeného kódu do pamˇeti je moˇzné nastavit pomoc´ı Option→Customize..., na záloˇzce Program/Project Load a zatrˇzen´ım checkboxu Load Program After Build.) Naprogramovanou aplikaci spust’te pˇr´ıkazem Debug→Go Main Ctrl+M. V´ ykon aplikace se zastav´ı na zaˇca´tku hlavn´ı funkce programu. Aplikaci je moˇzné krokovat pˇr´ıkazem Debug→Step Into F11, spustit Debug→Run F5 a zastavit pˇr´ıkazem Debug→Halt Shift+F5. Vˇsechny pˇr´ıkazy pro ˇr´ızen´ı bˇehu aplikace maj´ı také svá tlaˇc´ıtka se schématick´ ymi ikonami vlevo od inspektora projektu. Pˇri spuˇstˇen´ı aplikace se v záloˇzce Stdout v doln´ı ˇca´sti prostˇred´ı vyp´ıˇse text Start aplikace. Zastavte chod aplikace. Dalˇs´ı ˇcást práce s prostˇred´ım bude zamˇeˇrena na vkládán´ı breakpoint˚ u, krokován´ı programu a zobrazen´ı hodnot promˇenn´ ych. Znovunaˇctˇete pˇreloˇzenou aplikaci do pamˇeti procesoru File→Reload Program Ctrl+Shift+L. Dvoj´ım kliknut´ı na u si ho znovu zobrazte název zdrojového souboru main c.c v inspektoru projekt˚ v hlavn´ı ˇcásti v´ yvojového prostˇred´ı. Um´ıstˇete kurzor na ˇra´dek puts( "zpracov´ an´ ı dat...OK" ) ; v nekoneˇcné smyˇcce hlavn´ı funkce. Na toto m´ısto vloˇzte breakpoint pomoc´ı pˇr´ısluˇsného tlaˇc´ıtka, zobrazuj´ıc´ı dlaˇ n, nebo klávesou F9. (Vlevo od zaˇca´tku ˇra´dku se objev´ı ˇcervená znaˇcka signalizuj´ıc´ı, ˇze v tomto m´ıstˇe se v´ ykon programu vˇzdy pˇreruˇs´ı.) Otevˇrete oblast zobrazuj´ıc´ı hodnoty promˇenn´ ych View→Watch Window. Zde se za bˇehu programu zobrazuj´ı hodnoty zvolen´ ych promˇenn´ ych. Spust’te aplikaci pˇr´ıkazem Debug→Go Main Ctrl+M a následnˇe Debug→Run F5. V´ ykon programu se skuteˇcnˇe pˇreruˇsil na vloˇzeném breakpointu. V pravé doln´ı ˇca´sti prostˇred´ı vyberte záloˇzku Watch 1. Po kliknut´ı na ikonu na zaˇcátku ˇrádku, je moˇzné zadat název libovolné promˇenné, jej´ıˇz hodnotu chceme analyzovat. Zadejte identifikátor zes´ılen´ı gain, kter´ y obsahuje hodnotu definovanou


49

na zaˇca´tku zdrojového souboru jako MINGAIN. V záloˇzce Watch Locals se automaticky zobrazuj´ı pouze promˇenné, které jsou pouˇzity v dané funkci. Vyzkouˇsejte si to krokován´ım programu pˇr´ıkazem Debug→Step Into F11. Testovac´ı data

Vizualizace dat

V následuj´ıc´ım textu je popsán zp˚ usob naˇc´ıtán´ı testovac´ıch dat ze souboru pomoc´ı tzv. probe points a jejich vizualizace v prostˇred´ı CCS. Znovunaˇctˇete pˇreloˇzenou aplikaci do pamˇeti procesoru File→Reload Program Ctrl+Shift+L a ve zdrojovém souboru opˇet nastavte kurzor na ˇra´dek s pˇr´ıkazem puts( "zpracov´ an´ ı dat...OK" ) ;. Kliknˇete na tlaˇc´ıtko Toggle Probe Point (ve stejné ˇca´sti jako breakpointy), coˇz se projev´ı svˇetle modrou znaˇckou u zaˇcátku ˇrádku. Zvolte pˇr´ıkaz File→File I/O..., kter´ y slouˇz´ı k nastaven´ı vˇsech pˇr´ıstupov´ ych bod˚ u. V záloˇzce File Input vloˇzte datov´ y soubor se vzorky harmonického signálu – kliknˇete na tlaˇc´ıtko Add File a v domovském adresáˇri vaˇseho programu otevˇrete soubor sine.dat. V dialogovém oknˇe File I/O nastavte v záloˇzce File Input adresu, kam se maj´ı ych vzorky signálu ze souboru kop´ırovat (Address: inp buffer), poˇcet naˇc´ıtan´ vzork˚ u (Length: 100), a jejich opakované znovunaˇcten´ı (zatrhnout checkbox Wrap Around). Kliknˇete na tlaˇc´ıtko Add Probe Point, v otevˇreném dialogovém oknˇe dále kliknˇete na ˇra´dek zaˇc´ınaj´ıc´ı main c.c line ... a v roletce Connect To zvolte poloˇzku zaˇc´ınaj´ıc´ı FILE IN:.... Kliknˇete na tlaˇc´ıtko Replace a pouˇzit´ı sondy definitivnˇe potvrd´ıte postupn´ ym stiskem dvou tlaˇc´ıtek OK. T´ım je zajiˇstˇeno, ˇze do promˇenné inp buffer, pˇredstavuj´ıc´ı buffer se vstupn´ımi vzorky zpracovávaného signálu, se bude periodicky naˇc´ıtat vˇzdy 100 vzork˚ u z datového souboru sine.dat. V´ yvojové prostˇred´ı CCS umoˇzn ˇuje jednoduché grafické zobrazen´ı zpracovávan´ ych dat. Pˇr´ıkazem View→Graph→Time/Frequency... otevˇrete dialogové okno, ve kterém nastavte následuj´ıc´ı vlastnosti. Titulek okna Graph Title zmˇen ˇte na Vstupn´ ı sign´ al, adresu pamˇeti Start Address, od které se budou vzorky naˇc´ıtat ych Acquisition Buffer Size a zobrazozmˇen ˇte na inp buffer, poˇcet naˇc´ıtan´ van´ ych Display Data Size vzork˚ u nastavte na 100, vypnˇete automatickou zmˇenu mˇeˇr´ıtka Autoscale a maximáln´ı hodnotu v ose y Maximum Y-value sniˇzte na 1 000. Tlaˇc´ıtkem OK se vám otevˇre nové okno pro zobrazen´ı ˇcasového pr˚ ubˇehu vstupn´ıho signálu. Kliknˇete na toto okno prav´ ym tlaˇc´ıtkem a v kontextovém menu vyberte Float In Main Window. Jeˇstˇe jednou spust’te pˇr´ıkaz View→Graph→Time/Frequency... a nastavte parametry Graph Title a Start Address také pro v´ ystupn´ı signál, kter´ y je v pamˇeti ukládán od adresy out buffer. Opˇet pˇrerovnejte okna v hlavn´ı ˇca´sti prostˇred´ı kliknut´ım prav´ ym tlaˇc´ıtkem a pˇr´ıkazem Float In Main Window. Ujistˇete se, ˇze máte stále nastaven´ y breakpoint a probe na ˇra´dku s pˇr´ıkazem puts.... Spust’te chod aplikace pˇr´ıkazem Debug→Animate Alt+F5. Tento pˇr´ıkaz má podobnou funkci jako Debug→Run F5, tj. zastav´ı v´ ykon programu na pozici breakpointu, ale po aktualizaci vˇsech hodnot a promˇenn´ ych, automaticky pokraˇcuje ve v´ ykonu programu dále. V´ ykon programu pozastavte pˇr´ıkazem Debug→Halt Shift+F5. V záloˇzce Watch 1 zmˇen ˇte hodnotu promˇenné gain a program opˇetovnˇe spust’te Debug→Animate Alt+F5. T´ımto zp˚ usobem je moˇzné velmi u ´ˇcelnˇe ladit zdrojov´ y kód vyv´ıjené aplikace, jak napov´ıdá obrázek 9.2. Pozn.: Vˇsechny breakpointy je moˇzné vypnout tlaˇc´ıtkem Remove all breakpoints a vˇsechny pˇr´ıstupové body tlaˇc´ıtkem Remove all Probe Points.

50


Obr´ azek 9.2: V´ yvojové prostˇred´ı Code Composer Studio firmy Texas Instruments. Bod 2. Vytvoˇrte nov´ y projekt a v jazyce C naprogramujte aplikaci realizuj´ıc´ı v´ ypoˇcet skalárn´ıho souˇcinu vektor˚ u. Do projektu si vloˇzte konfiguraˇcn´ı soubor simulator cmd.cmd z pˇredeˇslého u ´kolu. Zdrojov´ y soubor .c si vytvoˇrte nov´ y – název souboru m˚ uˇze b´ yt libovoln´ y a jeho struktura m˚ uˇze b´ yt dle 9.1. (Nezapomeˇ nte vytvoˇren´ y zdrojov´ y soubor rovnˇeˇz vloˇzit do projektu.) Necht’ je velikost obou vektor˚ u N = 2n , kde n si zvol´ıte. Hodnoty vektor˚ u si nadefinujte jiˇz pˇri deklaraci obou promˇenn´ ych. (Typ promˇenné zvolte float.) Hlavn´ı funkce dále obsahuje cyklus pro v´ ypoˇcet skalárn´ıho souˇcinu a funkce pro v´ ypis informac´ı do konzoly Stdout v doln´ı ˇca´sti v´ yvojového prostˇred´ı. Pro zobrazen´ı hodnoty promˇenné pouˇz´ıvejte funkci printf() (ˇrádek 11), která je definována v knihovnˇe stdio.h (ˇrádek 2). Aplikace mus´ı b´ yt korektnˇe zakonˇcena. Aplikaci pˇreloˇzte, odstraˇ nte pˇr´ıpadné chyby ˇci upozornˇen´ı a pˇreloˇzen´ y kód nahrajte do procesoru. Otevˇrete si okno pro sledován´ı hodnot promˇenn´ ych (View→Watch Window ) a krokován´ım ovˇeˇrte správn´ y chod vaˇs´ı aplikace. Bod 3. Vytvoˇrte nov´ y projekt v prostˇred´ı Code Composer Studio, vloˇzte do nˇej konfiguraˇcn´ı soubor, ˇr´ıdic´ı linkován´ı celého projektu (tj. soubor simulator cmd.cmd). Dále vytvoˇrte nov´ y zdrojov´ y soubor .c, kter´ y nezapomeˇ nte rovnˇeˇz pˇridat do projektu. Naprogramujte funkci tzv. kruhové pamˇeti (anglicky: Circular Buffer). Kruhová pamˇet’ pˇredstavuje jednorozmˇerné pole, do kterého se postupnˇe zapisuj´ı nová data (napˇr. vzorky z A/D pˇrevodn´ıku). Jakmile se zap´ıˇse vzorek na posledn´ı pozici v kruhové pamˇeti, následuj´ıc´ı vzorek je uloˇzen jiˇz od prvn´ı pozice. Dojde tak k pˇrepsán´ı nejstarˇs´ıho vzorku. Pozici v pamˇeti pro následuj´ıc´ı vzorek je moˇzné specifikovat lokáln´ı promˇennou ve funkci uka-


51

Zdrojov´ y k´ od 9.1: V´ ypoˇcet skalárn´ıho souˇcinu vektor˚ u pro TMS320C6713. 1 2

#define N . . . #include <s t d i o . h>

// z v o l t e s i v e l i k o s t v s t u p n´ıc h v e k t o r˚ u // s t a n d a r d n´ı I /O knihovna

void main ( void ) { ... . . . ii ;

// d o p l n ˇ t e d e k l a r a c i v s t u p n´ıc h v e k t o r˚ u // d o p l n ˇ t e typ sumaˇc n´ıho indexu

3 4 5 6 7

f o r ( ii =0; ii
8 9 10 11 12 13 14

}

zatele. Princip pohybován´ı se v kruhové pamˇeti je naznaˇcen v tabulce 9.1. Tabulka 9.1: Princip vyuˇzit´ı kruhové pamˇeti o velikosti M + 1. Pozice v pamˇ eti

Vstupn´ı data Oznaˇ cen´ı vzorku

0 1 .. .

x(n − px) x(n − px + 1) .. .

px − 1 px px + 1 .. .

x(n − 1) x(n) x(n − M ) .. .

M −1 M

x(n − px − 2) x(n − px − 1)

pˇredeˇsl´ y vzorek aktuáln´ı vzorek nejstarˇs´ı vzorek

Zvolte si poˇcet prvk˚ u ve vaˇs´ı pamˇeti a nejprve naprogramujte cyklus pro ukládán´ı libovoln´ ych dat. Správnou funkci ovˇeˇrte krokován´ım v simulátoru. Následnˇe doprogramujte také v´ yˇcet vˇsech dat v pamˇeti od pˇredeˇslého vzorku aˇz po nejstarˇs´ı dle tabulky 9.1 (viz kód 9.2). Správnou funkci opˇet ovˇeˇrte pomoc´ı simulátoru. Kruhová pamˇet’ bude vyuˇzita v poˇc´ıtaˇcovém cviˇcen´ı 10, proto je nutné tento bod zadán´ı dokonˇcit!

9.4


• Realizace kruhové pamˇeti prostˇrednictv´ım adresován´ı modulo – v katalogovém listu signálového procesoru zjistˇete nastaven´ı pˇr´ısluˇsn´ ych ˇr´ıdic´ıch registr˚ u.

9.5

Shrnut´ı

Poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı umoˇznilo student˚ um seznámit se s v´ yvojov´ ym prostˇred´ım Code Composer Studio firmy Texas Instruments, které slouˇz´ı k v´ yvoji a testován´ı aplikac´ı pro

52


Zdrojov´ y k´ od 9.2: Realizace kruhové pamˇeti pro TMS320C6713. 1 2 3

#define M . . . #include <s t d i o . h> ...

// z v o l t e s i ˇr á d f i l t r u // s t a n d a r d n´ı I /O knihovna // p r o t o t y p y p o uˇz i t y ´ c h f u n k c´ı

void main ( void ) { ... while ( 1 ) {

// d e k l a r a c e promˇe nn´ y ch // nekoneˇc ná smyˇcka

4 5 6 7 8

// v l o ˇz e n´ı jednoho vzorku ” v a l u e ” do kruhové pamˇe ti store_one_sample ( value ) ;

9 10 11

// v y p s ´ a n´ı vˇs e c h prvk˚ u kruhové pamˇe ti print_all_samples ( ) ;

12 13

}

14 15 16

} ...

ˇc´ıslicové systémy této firmy. Pˇrestoˇze zm´ınˇené prostˇred´ı umoˇzn ˇuje také v´ yvoj aplikac´ı v niˇzˇs´ıch jazyc´ıch, bylo toto cviˇcen´ı zamˇeˇreno pouze na programován´ı aplikac´ı v jazyce C. Studenti by mˇeli b´ yt schopni vytvoˇrit nov´ y projekt, provést jeho kompilaci a odladˇen´ı pomoc´ı intern´ıch nástroj˚ u prostˇred´ı CCS.

9.6


Ot´ azka 9.1 Jakým zp˚ usobem je v CCS moˇzné sledovat obsah vˇsech promˇenných uvnitˇr libovolné funkce? Ot´ azka 9.2 Jak lze naprogramovat ukonˇcen´ı reálné aplikace na DSP? Ot´ azka 9.3 Nakreslete vývojový diagram popisuj´ıc´ı práci s kruhovou pamˇet´ı (ukládán´ı jednoho vzorku, výˇcet vˇsech uloˇzených).


10

53

Filtrace sign´ al˚ u, implementace FIR filtru

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. Co oznaˇcuj´ı zkratky FIR a IIR? 2. Jak´ ym zp˚ usobem prob´ıhá adresován´ı modulo u signálov´ ych procesor˚ u? 3. Matematicky popiˇste funkci ˇc´ıslicového filtru v ˇcasové a frekvenˇcn´ı oblasti. 4. Co je to doplˇ nkov´ y kód (dvojkov´ y doplnˇek)?

C´ıle poˇ c´ıtaˇ cov´ eho cviˇ cen´ı C´ılem tohoto poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı je z´ıskat zkuˇsenosti s implementac´ı jednoduch´ ych algoritm˚ u na reáln´ y signálov´ y procesor. Konkrétnˇe je c´ılem vytvoˇrit FIR filtr a prakticky ovˇeˇrit jeho správnou funkci.

10.1

Zad´ an´ı

1. Ovˇeˇrte funkci programu Scope, kter´ y umoˇzn ˇuje generován´ı, zobrazen´ı a frekvenˇcn´ı anal´ yzu signál˚ u prostˇrednictv´ım zvukové karty poˇc´ıtaˇce. 2. Pomoc´ı v´ yvojové desky TMS320C6713 DSK realizujte FIR filtr.

10.2


ˇ ıslicové Mezi základn´ı algoritmy pro ˇc´ıslicové zpracován´ı signál˚ u patˇr´ı bezesporu filtrace. C´ filtry se dˇel´ı na filtry s koneˇcn´ ym poˇctem vzork˚ u impulzn´ı odezvy (FIR – Finite Impulse Response) a s nekoneˇcn´ ym poˇctem (IIR – Infinite Impulse Response) [Jan01]. V tomto poˇc´ıtaˇcovém cviˇcen´ı se budeme zab´ yvat pouze typem FIR. V´ ystupn´ı signál FIR filtru y(·) je dán konvoluc´ı vzork˚ u vstupn´ıho signálu s vzorky impulzn´ı odezvy samotného filtru, dle následuj´ıc´ıho vztahu

y(n) =

M X

h(m) · x(n − m)

m=0

= h(0) · x(n) + h(1) · x(n − 1) + . . . + h(M ) · x(n − M ),

(10.1)

kde x(·) pˇredstavuje vstupn´ı vzorky filtrovaného signálu, h(·) jsou koeficienty filtru (vzorky impulzn´ı odezvy) a M je ˇra´d filtru.

10.3


Bod 1. C´ılem u ´kolu je seznámit se s implementac´ı aplikac´ı na reáln´ y signálov´ y procesor a vyuˇzit´ı funkc´ı pro naˇc´ıtán´ı a ukládán´ı reáln´ ych dat z/do analogového kanálu v´ yvojové desky TMS320C6713 DSP Starter Kit (DSK). Tato deska obsahuje 32bitov´ y signálov´ y procesor s plovouc´ı ˇra´dovou ˇcárkou TMS320C6713 firmy Texs Instruments. Jádro procesoru je tvoˇreno VLIW (Very Long Instruction Word) architekturou a ˇr´ızeno hodinov´ ym

54


signálem o frekvenci 225 MHz. Analogová data jsou pˇr´ıstupná prostˇrednictv´ım 32bitového stereo kodeku TVL320AIC23 (AIC23) [Aic23], kter´ y umoˇzn ˇuje A/D a D/A pˇrevod. Podporované vzorkovac´ı frekvence jsou 8, 16, 24, 32, 44,1, 48, a 96 kHz, které lze softwarovˇe volit. Kodek zajiˇst’uje propojen´ı mezi 3,5 mm audio jackem a TMS320C6713 DSP dvojic´ı sériov´ ych kanál˚ u McBSP (Multi-channel Buffered Serial Port). Kanál McBSP0 je vyuˇz´ıván jako jednosmˇern´ y pro pos´ılán´ı 16bitov´ ych pˇr´ıkaz˚ u pro kodek, zat´ımco McBSP1 slouˇz´ı jako obousmˇern´ y kanál pro pˇr´ıjem a vys´ılán´ı stereo signál˚ u. Hodnoty obou kanál˚ u jsou reprezentovány 16bitov´ ymi ˇc´ısly ve dvojkového doplˇ nku. Kodek AIC23 je ovládán ych stránkách pˇredmˇetu funkcemi z knihovny aic23 c.c, která je dostupná na internetov´ a obsahuje funkce AIC23 init(), AIC23 read() a AIC23 write(). Pro snadnˇejˇs´ı pouˇzit´ı byly vzorky stereo signálu pˇrevedeny do formátu s plovouc´ı ˇra´dovou ˇcárkou. Spust’te konfiguraˇcn´ı aplikaci Setup CCStudio 3.1. Tlaˇc´ıtkem Remove All odstraˇ nte pˇr´ıpadné nastaven´ı simulátoru a v záloˇzce Factory Boards vyberte C6713 DSK. Tlaˇc´ıtkem << Add jej potvrd’te a aplikaci ukonˇcete tlaˇc´ıtkem Save & Quit. Souˇcasnˇe m˚ uˇzete pˇr´ımo spustit aplikaci Code Composer Studio. Vytvoˇrte nov´ y projekt a do jeho adresáˇre nakop´ırujte soubory dsk cmd.cmd, ych stránkách pˇredmˇetu). aic23 c.c, aic23 h.h a copy main c.c (dostupné na internetov´ Konfiguraˇcn´ı soubor .cmd obsahuje nastaven´ı pˇrekladaˇce pro v´ yvojovou desku a zdrojov´ y kód copy main c.c obsahuje zdrojov´ y kód aplikace, která pˇrij´ımá stereo signál prostˇrednictv´ım AIC23 kodeku a vzorky pˇrepos´ılá zpˇet do PC. Do projektu vloˇzte soubory u. .cmd a .c. Projdˇete si obsah souboru copy main c.c a ujasnˇete si ˇcinnost vˇsech pˇr´ıkaz˚ Navaˇzte komunikaci s v´ yvojovou deskou: Debug→Connect Alt+C. Pˇr´ıkazem Project→Build Option... je nutné nastavit parametry pˇrekladu celé aplikace. Na záloˇzce Compiler, v kategorii Basic nastavte Target Version na C671x (-mv6710) a v kategorii Preprocessor pˇridejte cestu Include Search Path (-i) k adresáˇri ˇte Pre-Defined Symbol (-d) $(Install dir)\c6000\dsk6713\include. Rovnˇeˇz zmˇen na CHIP 6713. Nastavován´ı ukonˇcete a projekt uloˇzte. Spust’te pˇreklad celé aplikace a pˇreloˇzen´ y kód nahrajte do pamˇeti signálového procesoru a spust’te ho (viz postup ze cviˇcen´ı 9). Analogové vstupy a v´ ystupy v´ yvojové desky jsou propojeny se zvukovou kartou poˇc´ıtaˇce, pomoc´ı které budete generovat a analyzovat analogová data. Spust’te program Soundcard Scope [Sco09] um´ıst’en´ y na ploˇse. Pomoc´ı generátoru, osciloskopu, pˇr´ıp. frekvenˇcn´ı anal´ yzy si ovˇeˇrte správnou funkci aplikace v DSP. Seznamte se s moˇznostmi tohoto programu. Bod 2. C´ılem u ´kolu je implementace FIR filtru typu doln´ı propust s vyuˇzit´ım kruhové pamˇeti z poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı 9. Prvn´ım krokem je generace impulzn´ı odezvy takového filtru. Vyuˇzijeme k tomu intern´ıch funkc´ı programu MATLAB. Program obsahuje celou ˇradu funkc´ı pro návrh a testován´ı filtrace signál˚ u. Pro generován´ı koeficient˚ u FIR filtru typu doln´ı propust s vyuˇzit´ım Hammingova okna, je moˇzné vyuˇz´ıt funkci fir1( M, fmez ), kde M urˇcuje ˇra´d filtru a fmez udává mezn´ı frekvenci, pˇriˇcemˇz plat´ı ˇze fmez ∈ h0; 1i ˇ ad filtru si zvolte. Vygenerované a fmez = 1, je-li rovna polovinˇe vzorkovac´ı frekvence. R´ koeficienty (tj. impulzn´ı odezvu filtru), jejichˇz poˇcet je M + 1 si poznaˇcte. Frekvenˇcn´ı charakteristiku vámi zvoleného filtru si v Matlabu m˚ uˇzete prohlédnout napˇr. pomoc´ı uˇzivatelsky pˇr´ıjemného nástroje fdatool, jak naznaˇcuje obrázek 10.1. Parametry Fs a Fc urˇcuj´ı vzorkovac´ı frekvenci a mezn´ı frekvenci navrˇzeného filtru. (Vzorkovac´ı frekvence pˇrevodn´ık˚ u na v´ yvojové desce TMS320C6713 DSK je nastavena na


55

16 kHz.) Koeficienty navrhovaného filtru lze z´ıskat také t´ımto nástrojem. Pomoc´ı pˇr´ıkazu File→Export... Ctrl+E bude vektor s koeficienty vyexportován do promˇenné Num.

Obr´ azek 10.1: Grafick´ y nástroj fdatool v prostˇred´ı Matlab pro návrh filtr˚ u. V prostˇred´ı CCS vytvoˇrte nov´ y projekt. Do vytvoˇreného adresáˇre si nakop´ırujte soubory dsk cmd.cmd a knihovnu pro komunikaci s obvodem AIC23: aic23 c.c, aic23 h.h. Do projektu staˇc´ı vloˇzit soubory .cmd a .c. Vytvoˇrte nov´ y zdrojov´ y soubor .c, jehoˇz kostra m˚ uˇze b´ yt dle 10.1 a rovnˇeˇz jej vloˇzte do projektu. Jak je patrné ze zdrojového kódu, pˇrenos dat z/do stereo kanálu obsahuje vˇzdy dvˇe y z pˇreˇcten´ ych/zapsan´ ych volán´ı funkce AIC23 read() a AIC23 write(). Poˇrad´ı, kter´ vzork˚ u je z levého, nebo pravého kanálu, zde nen´ı d˚ uleˇzité. Podstatou filtraˇcn´ıho algoritmu je konvoluce mezi vzorky impulzn´ı odezvy FIR filtru a naˇcten´ ymi datov´ ymi vzorky dle vztahu (10.1) uvnitˇr funkce processing() na ˇra´dku 24, jej´ıˇz tˇelo máte naprogramovat. Pro ukládán´ı vzork˚ u vyuˇzijte kruhovou pamˇet’ z poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı 9. Filtrujte pouze signál z jednoho vstupn´ıho kanálu. V´ ystupn´ı kanály necht’ pak obsahuj´ı p˚ uvodn´ı signál a signál filtrovan´ y. Aplikaci pˇreloˇzte, nahrajte do DSP a spust’te. Správnou funkci navrˇzeného filtru ovˇeˇrte filtrac´ı obdéln´ıkového signálu z generátoru (viz obrázek 10.2). Jakou frekvenci obdéln´ıkového signálu zvol´ıte?

10.4


• S vyuˇzit´ım knihoven pro TMS320C6713 DSK naprogramujte jednoduchou aplikaci ovládaj´ıc´ı LED diody a pˇrep´ınaˇce. Vytvoˇrte nov´ y projekt v CCS a naprogramujte jednoduchou aplikaci, ovládaj´ıc´ı LED diody D7 aˇz D10, pˇr´ıp. pˇrep´ınaˇce SW1, které jsou um´ıstˇeny na v´ yvojové desce DSK. Do projektu vloˇzte konfiguraˇcn´ı soubor dsk cmd.cmd. Knihovny pro DSK jsou souˇca´st´ı prostˇred´ı CCS. Kostra aplikace, vˇcetnˇe potˇrebn´ ych knihoven, m˚ uˇze b´ yt dle 10.2.

56


Obr´ azek 10.2: Aplikace Soundcard Scope pro generován´ı a anal´ yzu signál˚ u prostˇrednictv´ım zvukové karty [Sco09].

Ve vloˇzen´ ych knihovnách jsou definovány nˇekteré funkce, které m˚ uˇzete vyuˇz´ıt (viz v´ ypis 10.3). Promˇenné ledNum a dipNum identifikuj´ı LED diodu, resp. pˇrep´ınaˇc a nab´ yvaj´ı hodnot 0 aˇz 3. Funkce DSK6713 DIP get() vrac´ı stav pˇrep´ınaˇce (0 nebo 1) a promˇenná delay udává dobu zpoˇzdˇen´ı v mikrosekundách.

10.5

Shrnut´ı

Poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı umoˇznilo student˚ um vytvoˇrit reálnou aplikaci FIR filtru, otestovat jeho správnou funkci na generovan´ ych signálech a prakticky si tak ovˇeˇrit závˇery z teorie signál˚ u. Ke generován´ı a anal´ yze analogov´ ych signál˚ u byla pouˇzita aplikace Soundcard Scope.

10.6


Ot´ azka 10.1 Jak souvis´ı ˇrád FIR filtru s dobou výkonu filtraˇcn´ıho algoritmu a s velikost´ı alokované datové pamˇeti? Ot´ azka 10.2 Jaké jsou hlavn´ı rozd´ıly mezi analogovými a ˇc´ıslicovými filtry? Ot´ azka 10.3 Co mus´ı platit pro vzorkovac´ı frekvenci stereo kodeku AIC23 a dobu výkonu funkce processing() z bodu 2, aby bylo dosaˇzeno zpracován´ı signál˚ u v reálném ˇcase?


57

Zdrojov´ y k´ od 10.1: Realizace ˇc´ıslicového filtru typu FIR pomoc´ı v´ yvojové desky TMS320C6713 DSK. 1 2

#define M . . . #include ” a i c 2 3 h . h”

// z v o l t e s i ˇr á d f i l t r u // knihovna pro komun . s AIC23 a deskou DSK

void main ( void ) { f l o a t sample_in ; f l o a t sample_out ; f l o a t fir ; f l o a t x [ M+1] = {0} ; f l o a t h [ M+1] = { . . . } ; ...

// // // // // // //

3 4 5 6 7 8 9 10

h l a v n´ı f u n k c e v s t u p n´ı v z o r e k vy ´ s t u p n´ı v z o r e k filtrovany ´ vzorek vzorky v s t u p n´ıh o s i g n á l u dopln ˇ t e i m p u l z n´ı odezvu vaˇs eho FIR f i l t r u pˇr´ıp a d né d a l ˇs´ı d e k l a r a c e

11 12 13

DSK6713_init ( ) ; AIC23_init ( ) ;

// i n i c i a l i z a c e v y ´ v o j o vé desky // i n i c i a l i z a c e obvodu AIC23

while ( 1 ) {

// nekoneˇc ná smyˇcka

14 15 16

// n a ˇc t e n´ı vzorku z l e vé h o kaná lu AIC23 sample_in = AIC23_read ( ) ;

17 18 19

// z ´ a l o h a n aˇc t e né h o vzorku sample_out = sample_in ;

20 21 22

// naprogramujte f u n k c i FIR f i l t r u fir = processing ( ) ;

23 24 25

// z a p s ´ a n´ı f i l t r o v a n é h o vzorku na l e v y ´ k a n á l AIC23 AIC23_write ( fir ) ;

26 27 28

// n a ˇc t e n´ı jednoho vzorku z pravé ho kaná lu // v z o r e k j e zahozen − FIR f i l t r p r a c u j e pouze s prav´ y m kaná lem sample_in = AIC23_read ( ) ;

29 30 31 32

// z a p s ´ a n´ı jednoho vzorku na prav´ y vy ´ s t u p n´ı k a n á l AIC23 // do pravé ho s t e r e o kaná lu j e zapsá n p˚ u vodn´ı , v s t u p n´ı v z o r e k AIC23_write ( sample_out ) ;

33 34 35

}

36 37

}

58


Zdrojov´ y k´ od 10.2: Ovládán´ı LED diod a pˇrep´ınaˇc˚ u na v´ yvojové desce TMS320C6713 DSK. 1 2 3

#include ” dsk6713 . h” #include ” d s k 6 7 1 3 l e d . h” #include ” d s k 6 7 1 3 d i p . h”

// knihovna pro TMS320C6713 DSK // knihovna pro LED diody // knihovna pro pˇr e p´ın aˇc e

void main ( ) { DSK6713_init ( ) ; DSK6713_LED_init ( ) ; DSK6713_DIP_init ( ) ;

// // // //

4 5 6 7 8

h l a v n´ı f u n k c e i n i c i a l i z a c e vy ´ v o j o vé desky i n i c i a l i z a c e LED d i o d i n i c i a l i z a c e pˇr e p´ın aˇc˚ u

9

while ( 1 ) { ... }

10 11 12 13

// nekoneˇc ná smyˇcka // d o p l n ˇ t e vá ˇs kó d

}

Zdrojov´ y k´ od 10.3: Funkce pro ovládán´ı LED diod a pˇrep´ınaˇc˚ u na v´ yvojové desce TMS320C6713 DSK. 1 2 3 4 5

void DSK6713_LED_on ( Uint32 ledNum ) ; void DSK6713_LED_off ( Uint32 ledNum ) ; void DSK6713_LED_toggle ( Uint32 ledNum ) ; Uint32 DSK6713_DIP_get ( Uint32 dipNum ) ; void DSK6713_waitusec ( Uint32 delay ) ;

// // // // //

r o z s v´ı c e n´ı LED diody z h a s n u t´ı LED n e g o v á n´ı s t a v u LED n a ˇc t e n´ı s t a v u pˇr e p´ın aˇc e z p oˇz dˇe n´ı v us


11

59

Diskr´ etn´ı Fourierova transformace

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. Jak´ y je rozd´ıl mezi DFT a FFT? 2. Co je to bitovˇe reverzn´ı poˇrad´ı a kde se pouˇz´ıvá? 3. Jak lze v jazyce C pˇredávat informaci o adrese jednorozmˇerného pole mezi funkcemi.

C´ıle poˇ c´ıtaˇ cov´ eho cviˇ cen´ı C´ılem tohoto poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı je detailn´ı seznámen´ı s pˇrevodem signál˚ u z ˇcasové do frekvenˇcn´ı oblasti, prostˇrednictv´ım diskrétn´ı Fourierovy transformace a rychlého v´ ypoˇctu pomoc´ı FFT. Dále je c´ılem osvojen´ı si nástroj˚ u pro evaluaci nároˇcnosti jednotliv´ ych ˇca´st´ı zdrojového kódu v prostˇred´ı Code Composer Studio.

11.1

Zad´ an´ı

1. Naprogramujte algoritmus diskrétn´ı Fourierovy transformace a ovˇeˇrte jej v simulátoru signálového procesoru TMS320C6713. 2. Pomoc´ı intern´ıho nástroje prostˇred´ı Code Composer Studio, zjistˇete poˇcetn´ı nároˇcnost DFT. 3. Naprogramujte algoritmus pro rychl´ y v´ ypoˇcet Fourierovy transformace (FFT) v jazyce C a porovnejte jeho poˇcetn´ı nároˇcnost s DFT.

11.2


Diskrétn´ı Fourierova transformace (DFT – Discrete Fouriere Transform) vstupn´ı sekvence x(n) o délce N je definována následuj´ıc´ım zp˚ usobem [Cha05] X(k) =

N −1 X

x(n) · W nk ,

(11.1)

n=0

kde W nk je oznaˇcována jako twiddle konstanta a je definována vztahem W nk = e−2πnk/N .

(11.2)

Index k = 0, 1, . . ., N − 1. S vyuˇzit´ım rovnosti e· = cos(·) +  sin(·) m˚ uˇze b´ yt definiˇcn´ı vztah DFT rozdˇelen na reálnou a imaginárn´ı ˇca´st dle rovnic (11.3).

< {X(k)} = = {X(k)} =

N −1 X n=0 N −1 X n=0

x(n) · cos(2πnk/N ) x(n) · sin(−2πnk/N ).

(11.3)

60


Proces v´ ypoˇctu diskrétn´ı Fourierovy transformace je optimalizován pomoc´ı rychlého algoritmu (FFT – Fast Fourier Transform). Existuje nˇekolik verz´ı tohoto algoritmu. Základn´ı dˇelen´ı je podle poˇctu prvk˚ u: pro tzv. radix 2 plat´ı, ˇze N = 2n , pro radix 4 plat´ı N = 4n . V obou pˇr´ıpadech je v´ ypoˇcet frekvenˇcn´ıch koeficient˚ u postupn´ y. V´ ypoˇcet N bod˚ u DFT je postupnˇe rozdˇelen na dvˇe DFT pro N/2 bod˚ u, následnˇe na ˇctyˇri DFT pro N/4 bod˚ u, atd. Celková poˇcetn´ı nároˇcnost se tak znaˇcnˇe sn´ıˇz´ı. Podle pozice, kdy docház´ı k rozdˇelen´ı DFT mluv´ıme o tzv. decimaci v ˇcasové (DIT – Decimation in Time), nebo ve frekvenˇcn´ı (DIF – Decimation in Frequency) oblasti. Postup v´ ypoˇctu osmi frekvenˇcn´ıch koeficient˚ u pomoc´ı DIF je znázornˇen na obrázku 11.1. Spojen´ı dvou ˇsipek pˇredstavuje souˇcet hodnot. Je-li u ˇsipky hodnota “−1”, je realizován rozd´ıl dvou hodnot. Konstantami W n komplexnˇe násob´ıme pˇr´ısluˇsné hodnoty. F´ aze 1

F´ aze 2

0

x(0)

x (0)

x(1)

x (1)

00

F´ aze 3

x (0)

0

X(0)

00

W0

x (1)

X(4)

−1

W0

x(2)

X(2)

−1

W2

x(3)

W0 −1

−1

W0

x(4)

X(6) X(1)

−1

W0

W1

x(5) −1

W0

W2

x(6) −1

X(3)

−1

W3

x(7)

X(5)

−1

W0

W2

−1

−1

X(7)

−1

Obr´ azek 11.1: V´ ypoˇcet 8bodové FFT s vyuˇzit´ım DIF (Decimation in Frequency). Jak je z obrázku patrné, v´ ypoˇcet frekvenˇcn´ıch koeficient˚ u se provád´ı ve tˇrech postupn´ ych fáz´ıch. V´ ypoˇcet prvn´ı fáze lze zapsat pomoc´ı rovnic (11.4), druhá fáze je pak vyjádˇrena rovnicemi (11.5). Komplexn´ı twiddle konstanty W n lze vyˇc´ıslit pomoc´ı vztahu W n = e−2πn/N . Tj. <{W 0 } = 1, ={W 0 } = 0, <{W 1 } = 0,7071, ={W 1 } = -0,7071, atd.

x(0) + x(4) x(1) + x(5) x(2) + x(6) x(3) + x(7) [x(0) − x(4)] · W 0 [x(1) − x(5)] · W 1 [x(2) − x(6)] · W 2 [x(3) − x(7)] · W 3

→ → → → → → → →

0

x (0) 0 x (1) 0 x (2) 0 x (3) 0 x (4) 0 x (5) 0 x (6) 0 x (7)

(11.4)


0

0

x (0) + x (2) 0 0 x (1) + x (3) h 0 i 0 x (0) − x (2) · W 0 h 0 i 0 x (1) − x (3) · W 2 0

0

x (4) + x (6) 0 0 x (5) + x (7) h 0 i 0 x (4) − x (6) · W 0 h 0 i 0 x (5) − x (7) · W 2

11.3

00

→ x (0) 00 → x (1)

61

(11.5)

00

→ x (2) 00

→ x (3) 00

→ x (4) 00 → x (5) 00

→ x (6) 00

→ x (7)


Bod 1. Nakonfigurujte v´ yvojové prostˇred´ı Code Composer Studio pro práci se simulátorem TMS320C6713 (viz poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı 9). Vytvoˇrte nov´ y projekt, vloˇzte do nˇej konfiguraˇcn´ı soubor, ˇr´ıdic´ı linkován´ı celého projektu (soubor simulator cmd.cmd, dostupn´ y na internetov´ ych stránkách pˇredmˇetu [Fry01]). Dále vytvoˇrte nov´ y zdrojov´ y soubor .c, kter´ y nezapomeˇ nte rovnˇeˇz pˇridat do projektu (Project→Add Files to Project...). Kostra zdrojového souboru je zobrazena ve v´ ypise 11.1. Zdrojov´ y k´ od 11.1: Implementace DFT na signálov´ y procesor TMS320C6713. 1 2

#define N . . . #include <math . h>

// z v o l t e s i p oˇc e t prvk˚ u DFT // knihovna matematick´ y ch f u n k c´ı ( goniom . f c e )

3 4 5 6 7

float float float float

pi = 3 . 1 4 1 6 ; x[N] = { ... } ; y_re [ N ] ; y_im [ N ] ;

// // // //

PI z v o l t e s i t e s t o v a c´ı vzorky v s t u p n´ıh o s i g n á l u r e á l n á ˇc á s t DFT k o e f i c i e n t˚ u i m a g i n á r n´ı ˇc á s t DFT k o e f i c i e n t˚ u

8 9 10 11 12 13

// p r o t o t y p f u n k c e pro v y ´ p oˇc e t DFT // ∗px − u k a z a t e l na v s t u p n´ı data // ∗ p r e − u k a z a t e l na r e ´ a l n é ˇc á s t i f r e k v e n ˇc n´ıc h k o e f i c i e n t˚ u // ∗pim − u k a z a t e l na i m a g i n ´ a r n´ı ˇc á s t i f r e k v e n ˇc n´ıc h k o e f i c i e n t˚ u void dft ( f l o a t ∗px , f l o a t ∗pre , f l o a t ∗ pim ) ;

14 15

void main ( void ) {

// h l a v n´ı f u n k c e

16

// v y ´ p oˇc e t Nbodové DFT dft ( &x [ 0 ] , &y_re [ 0 ] , &y_im [ 0 ] ) ;

17 18 19

while ( 1 ) ;

20 21


}

22 23 24 25

void dft ( f l o a t ∗px , f l o a t ∗pre , f l o a t ∗ pim ) { ... // naprogramujte v y ´ p oˇc e t Nbodové DFT d l e ( 11.3 ) }

62


Zvolte si poˇcet prvk˚ u transformace DFT (ˇra´dek 1). Knihovna matematick´ ych funkc´ı (ˇrádek 2) obsahuje v´ ypoˇcet goniometrick´ ych funkc´ı sinus a kosinus. S ohledem na velikost N si naplˇ nte také vektor testovac´ıch vzork˚ u vstupn´ıho signálu (ˇrádek 5). Vaˇsim u ´kolem bude naprogramovat algoritmus DFT dle vztah˚ u (11.3) a v´ ysledky uloˇzit do promˇenn´ ych u tˇechto promˇenn´ ych, spoleˇcnˇe s adresou prvn´ıho prvku y re a y im. Adresy prvn´ıch prvk˚ testovac´ıch dat jsou pˇredávány do funkce dft(), viz ˇra´dek 18. Aplikaci pˇreloˇzte (Project→Rebuild All ), nahrajte do simulátoru (File→Load Program... Ctrl+L) a spust’te ji (Debug→Run F5 ). Hodnoty koeficient˚ u si zobrazte pomoci pˇr´ıkazu View→Memory... V dialogovém oknˇe nastavte adresu, od které jsou uloˇzeny reálné ˇcásti frekvenˇcn´ıch koeficient˚ u Address: ˇte na plovouc´ı ˇra´dovou ˇcárku 32-Bit Floating y re a formát zobrazen´ı hodnot zmˇen Point. Spust’te program MATLAB a pomoc´ı funkce fft a vaˇseho testovac´ıho vektoru vstupn´ıch dat z ˇra´dku 5 si ovˇeˇrte vámi dosaˇzené v´ ysledky. Bod 2. Zjistˇete poˇcetn´ı nároˇcnost funkce pro v´ ypoˇcet DFT. Vyuˇzijte k tomu intern´ı nástroj prostˇred´ı CCS. Pˇreloˇzte cel´ y projekt. Spust’te nastaven´ı “profilovac´ıho” nástroje Profile→Setup. Samotné profilován´ı se povoluje ikonou stopek (Enable/Disable Profiling). Pˇrepnˇete se do druhé záloˇzky Ranges a rozbalte seznam vˇsech dostupn´ ych funkc´ı (Functions). Funkce, které chcete profilovat staˇc´ı myˇs´ı pˇretáhnout z poloˇzky Disabled do Enabled. V´ ysledky profilován´ı se zobrazuj´ı v oknˇe Profiler→Viewer na záloˇzce Profiler. Na chv´ıli spust’te v´ ykon aplikace a zase ji zastavte. Pˇribliˇzn´ y poˇcet strojov´ ych cykl˚ u, potˇrebn´ ych pro v´ ykon vybran´ ych funkc´ı je zobrazen ve sloupci cycle. Total: Incl. Total, poˇcet opakován´ı funkc´ı ve sloupci Access Count (viz obrázek 11.2). Bod 3. Z obrázku 11.1 si vyjádˇrete rovnice pro v´ ypoˇcet koneˇcné fáze algoritmu FFT, které dopln´ı vztahy (11.4) a (11.5). Vypoˇctˇete komplexn´ı hodnoty twiddle konstant W 0 aˇz W 3 . V prostˇred´ı CCS naprogramujte v jazyce C funkci, která bude obsahovat postupnˇe vˇsechny rovnice pro v´ ypoˇcet 8mi bodové FFT prostˇrednictv´ım DIF a aplikujte ji na testovac´ı data z bodu 1. Rovnice pro poˇcetn´ı operace s komplexn´ımi ˇc´ısly byly uvedeny v poˇc´ıtaˇcovém cviˇcen´ı 1. Dosaˇzené v´ ysledky porovnejte s hodnotami z´ıskan´ ymi prostˇrednictv´ım DFT. Liˇs´ı se tyto hodnoty? Zjistˇete poˇcetn´ı nároˇcnost tohoto algoritmu.

11.4


• Naprogramován´ı rychlého algoritmu Fourierovy transformace pro N = 16, pˇr´ıp. 32 vzork˚ u.

11.5

Shrnut´ı

Poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı umoˇznilo student˚ um praktické seznámen´ı s v´ ypoˇctem Fourierovy transformace. Konkrétnˇe byly srovnány algoritmy diskrétn´ı Fourierovy transformace a rychl´ y v´ ypoˇcet pomoc´ı FFT. V rámci poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı byla také pˇredstavena metoda zjiˇst’ován´ı poˇcetn´ı nároˇcnosti jednotliv´ ych funkc´ı.


63

Obr´ azek 11.2: Intern´ı nástroj CCS pro hodnocen´ı poˇcetn´ı nároˇcnosti algoritm˚ u.

11.6


Ot´ azka 11.1 Jaký vztah plat´ı pro nár˚ ust poˇcetn´ı nároˇcnosti DFT pˇri zvyˇsován´ı poˇctu bod˚ u N? Ot´ azka 11.2 Jakým zp˚ usobem lze rozˇs´ıˇrit výpoˇcet 8mi bodové FFT pro N = 16? Ot´ azka 11.3 Uved’te základy práce s ukazateli v jazyce C.

64


12

Kombinace programov´ an´ı v jazyce C a v line´ arn´ım jazyce symbolick´ ych adres

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. Jak´ ym zp˚ usobem lze pˇredávat parametry mezi zdrojov´ ym kódem v jazyce C a jazykem symbolick´ ych adres? 2. V ˇcem se liˇs´ı programován´ı signálov´ ych procesor˚ u v JSA a v lineárn´ım jazyce symbolick´ ych adres? 3. Jak´ ym zp˚ usobem se ve v´ yvojovém prostˇred´ı CCS zobraz´ı obsah pamˇeti, ˇci hodnota promˇenné?

C´ıle poˇ c´ıtaˇ cov´ eho cviˇ cen´ı C´ılem tohoto poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı je osvojit si v´ yvoj aplikac´ı pro signálové procesory pomoc´ı tzv. lineárn´ıho jazyka symbolick´ ych adres (LJSA) a pˇredevˇs´ım prakticky si ovˇeˇrit v´ yhody a nev´ yhody tohoto zp˚ usobu programován´ı.

12.1

Zad´ an´ı

1. Seznamte se s v´ yvojem aplikac´ı pro signálové procesory TMS320C6000 pomoc´ı lineárn´ıho jazyka symbolick´ ych adres a ovˇeˇrte poˇcetn´ı nároˇcnost funkc´ı v jazyce C a LJSA. 2. Seznamte se s optimalizaˇcn´ımi nástroji v´ yvojového prostˇred´ı CCS. 3. Realizujte algoritmus Fourierovy transformace pomoc´ı v´ yvojové desky TMS320C6713 DSK.

12.2


V´ yvoj aplikac´ı v tzv. lineárn´ım jazyce symbolick´ ych adres (LJSA) pˇredstavuje mezikrok mezi programován´ım ve vyˇsˇs´ım jazyce C a pˇr´ımo v jazyce symbolick´ ych adres (JSA). Oproti JSA, obsahuje LJSA nˇekterá zjednoduˇsen´ı. Pˇredevˇs´ım nen´ı potˇreba specifikovat konkrétn´ı funkˇcn´ı jednotky. Dále se programátor nemus´ı starat o korektn´ı ˇcasován´ı v´ ykonu jednotliv´ ych instrukc´ı a pˇredevˇs´ım nen´ı nutné pouˇz´ıvat konkrétn´ı pracovn´ı registry, a to ani pˇri pˇredáván´ı parametr˚ u mezi funkcemi v jazyce C a v LJSA. Zdrojov´ y kód v LJSA je pˇr´ımo tvoˇren instrukcemi vybraného signálového procesoru a makry, které ˇr´ıd´ı pˇreklad celého kódu. Vybrané instrukce pro signálov´ y procesor TMS320C6713 jsou uvedeny v tabulce 12.1. Kompletn´ı popis vˇsech instrukc´ı lze nalézt v manuálu instrukˇcn´ı sady [Tex07].

12.3


Bod 1. V prostˇred´ı Code Composer Studio vytvoˇrte v jazyce C aplikaci, která volá jednoduchou funkci, naprogramovanou v lineárn´ım jazyce symbolick´ ych adres. Zdrojové soubory si stáhnˇete z internetov´ ych stránek pˇredmˇetu [Fry01]. Tento u ´kol bude testován pouze v simulátoru, proto do projektu vloˇzte pˇr´ısluˇsn´ y ˇr´ıdic´ı soubor .cmd. Do projektu


65

Tabulka 12.1: Vybrané instrukce signálového procesoru TMS320C6713. Instrukce ADD src1,src2,dst ADDSP src1,src2,dst B label LDB src,dst LDH src,dst LDW src,dst MPY src1,src2,dst MPYSP src1,src2,dst MV src,dst STB src,dst STH src,dst STW src,dst SUB src1,src2,dst SUBSP src1,src2,dst ZERO dst

Popis instrukce Souˇcet znaménkov´ ych ˇc´ısel. Souˇcet Single-Precision hodnot. Skok na návˇeˇst´ı. Naˇcten´ı 1 bytu z pamˇeti. Naˇcten´ı 2 byt˚ u z pamˇeti. Naˇcten´ı 4 byt˚ u z pamˇeti. Násoben´ı 16bitov´ ych znaménkov´ ych hodnot. Násoben´ı Single-Precision hodnot. Pˇresun dat mezi registry. Uloˇzen´ı 1 bytu do pamˇeti. Uloˇzen´ı 2 byt˚ u do pamˇeti. Uloˇzen´ı 4 byt˚ u do pamˇeti. Rozd´ıl znaménkov´ ych ˇc´ısel. Rozd´ıl Single-Precision hodnot. Nulován´ı hodnoty v registru.

Cykly 1 3 6 5 5 5 2 4 1 4 4 4 1 5 1

vloˇzte také zdrojov´ y soubor v jazyce C .c a zdrojov´ y soubor v LJSA .sa. Zdrojov´ y soubor .c obsahuje deklaraci (prototyp) funkce sop sa(), která je naprogramována pomoc´ı LJSA. Kód v LJSA obsahuje opakované naˇcten´ı dvou operand˚ u z pamˇeti, jejich souˇcin s akumulac´ı a následné vrácen´ı v´ ysledné hodnoty do hlavn´ı funkce v jazyce C. Souˇcást´ı zdrojového kódu je ukázka cyklu a podm´ınˇeného skoku. Projdˇete si zdrojové kódy a ujasnˇete si funkci kaˇzdé instrukce. Zdrojov´ y k´ od 12.1: V´ ypoˇcet skalárn´ıho souˇcinu (Sum of Product) v lineárn´ım jazyce symbolick´ ych adres signálového procesoru TMS320C6000. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

. def _sop_sa _sop_sa : . cproc pa , pb , n . reg v1 , v2 , prod , sum ZERO sum loop : LDW ∗pa++,v1 LDW ∗pb++,v2 MPYSP v1 , v2 , prod ADDSP prod , sum , sum SUB n ,1 ,n [n] B loop . return sum . endproc

; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;

z aˇc á t e k funkce , d e k l . v s t . promˇe nn´ y ch d e k l . pomocn´ y ch promˇe nn´ y ch ( r e g i s t r˚ u) sum = 0 n a ˇc t e n´ı jednoho prvku 1 . v e k t o r u n a ˇc t e n´ı jednoho prvku 2 . v e k t o r u prod = v1 x v2 sum = prod + sum n = n − 1 s k oˇc na l o o p pokud n != 0 f u n k c e v r a c´ı hodnotu SoP konec f u n k c e v l i n e á r n´ım JSA

Projekt pˇreloˇzte a odkrokujte pomoc´ı simulátoru. Vˇsimnˇete si odsazen´ı vˇsech ˇra´dk˚ u s makry a instrukcemi pomoc´ı tabulátoru. V tomto pˇr´ıpadˇe, to nen´ı pouze známkou pˇrehledného programován´ı, ale také nutnou podm´ınkou správné interpretace pˇrekladaˇcem.

66


V LJSA totiˇz mohou b´ yt od zaˇcátku ˇra´dk˚ u uvedena pouze návˇeˇst´ı, ˇci podm´ınky pro vˇetven´ı programu. Kód, vytvoˇren´ y pˇrekladaˇcem je moˇzné zobrazit pˇr´ıkazem View→Mixed Source/ASM. Informace o pouˇzit´ ych instrukc´ıch lze pak zobrazit kliknut´ım na poˇzadovanou instrukci a stiskem klávesy F1. Vypnut´ı kombinovaného zobrazen´ı lze provést opˇetovnou volbou pˇr´ıkazu View→Mixed Source/ASM. Doprogramujte funkci pro v´ ypoˇcet skalárn´ıho souˇcinu vektor˚ u dle rovnice (12.1) také v jazyce C. y=

N −1 X

a(n) · b(n).

(12.1)

n=0

V simulátoru ovˇeˇrte správnou funkci celé aplikace. Zjistˇete a porovnejte poˇcetn´ı nároˇcnost obou vytvoˇren´ ych funkc´ı (postup viz poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı 11). Bod 2. V tomto u ´kolu budou vyuˇzity intern´ı nástroje prostˇred´ı CCS pro optimalizaci zdrojov´ ych kód˚ u. Konkrétnˇe budeme optimalizovat pouze kód v LJSA. V inspektoru projektu (záloˇzka File View v levé ˇca´sti aplikace) kliknˇete prav´ ym tlaˇc´ıtkem na název souboru .sa a v kontextovém menu vyberte poloˇzku File Specific Options ... Zobraz´ı se dialogové okno, známé z nastavován´ı parametr˚ u pˇrekladu celé aplikace. Zde se zvolené nastaven´ı t´ yká pouze souboru .sa. Optimalizace se zadává v Category: Basic. Volbou Opt Speed vs Size: Speed Most Critical (no -ms) nastavte optimalizaci s ohledem ´ na v´ yslednou rychlost programu. Uroveˇ n, na které se bude optimalizace provádˇet Opt Level: nastavte na nejvyˇsˇs´ı, tj. File (-o3). Pˇreloˇzte znovu celou aplikaci a zjistˇete poˇcetn´ı nároˇcnost takto optimalizované aplikace. Kód si prohlédnˇete pˇr´ıkazem View→Mixed Source/ASM. V ˇcem se vytvoˇren´ y kód liˇs´ı? Bod 3. Pˇripojte napájen´ı k v´ yvojové desce. Spust’te CCS pro práci s TMS320C6713 DSK. S vyuˇzit´ım zdrojov´ ych kód˚ u z poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı 11, realizujte na v´ yvojové desce TMS320C6713 DSK v´ ypoˇcet Fourierovy transformace reálného signálu, generovaném pomoc´ı programu Soundcard Scope [Sco09]. Generátorem signálu vytvoˇrte v jednom kanále harmonick´ y signál o frekvenci 1 aˇz 7 kHz (vzorkovac´ı frekvence pˇrevodn´ık˚ u je 16 kHz). Tento signál je pˇriveden do analogového vstupu na v´ yvojové desce, následnˇe zpracován audio kodekem TLV320AIC23 [Aic23] a pˇredán signálovému procesoru TMS320C6713. Vaˇs´ım u ´kolem bude na tento signál aplikovat algoritmus rychlé Fourierovy transformace a moduly v´ ysledn´ ych koeficient˚ u poslat prostˇrednictv´ım jednoho kanálu sluchátkového v´ ystupu v´ yvojové desky. Druh´ y kanál necht’ tvoˇr´ı p˚ uvodn´ı signál z PC. Budete tak moct v aplikaci Soundcard Scope souˇcasnˇe pozorovat signál v ˇcasové i frekvenˇcn´ı oblasti. Kostra zdrojového kódu je zobrazena ve v´ ypise 12.2. Potˇrebné funkce pro komunikaci s v´ yvojovou deskou TMS320C6713 DSK, vˇcetnˇe oby kód dále obvodu audio kodeku AIC23 obsahuje knihovna aic23 h.h (ˇrádek 3). Zdrojov´ sahuje deklaraci vektoru vstupn´ıch vzork˚ u (ˇrádek 7), reálné a imaginárn´ı ˇca´sti v´ ystupn´ıch frekvenˇcn´ıch koeficient˚ u (ˇra´dky 8 a 9) a vektor komplexn´ıch hodnot twiddle koeficient˚ u (ˇrádky 12 a 13). Nekoneˇcná smyˇcka aplikace opakovanˇe naˇc´ıtá vzorky vstupn´ıho signálu prostˇrednictv´ım obvodu AIC23. Opˇet je potˇreba naˇc´ıst dva vzorky – lev´ y a prav´ y kanál stereo


67

vstupu (ˇrádek 26). Na v´ ystupn´ı dva kanály zapisujte vˇzdy jeden pˇrijat´ y vzorek a modul vypoˇcteného frekvenˇcn´ıho koeficientu (ˇra´dek 33). Ty se vypoˇctou a uloˇz´ı do pˇr´ısluˇsn´ ych vektor˚ u kaˇzd´ ych 8 vzork˚ u (podm´ınka na ˇra´dku 42). Pro v´ ypoˇcet 8 frekvenˇcn´ıch koeficient˚ u vyuˇzijte jiˇz hotovou funkci z poˇc´ıtaˇcového cviˇcen´ı 11. Aby bylo moˇzné v programu Soundcard Scope identifikovat pozici koeficientu reprezentuj´ıc´ı stejnosmˇernou sloˇzku, je tento koeficient zámˇernˇe zmˇenˇen (viz ˇra´dek 51). Pozn.: Pouˇzitá funkce pro v´ ypoˇcet modulu frekvenˇcn´ıch koeficient˚ u ukládá v´ ysledky do vektoru y re[·]. Pˇreklad projektu nastavte pˇr´ıkazem Project→Build Options... takto: • Category: Basic, Target Version: C671x (-mv6710) • Category: Preprocessor, Include Search Path (-i): $(Install dir)\c6000\dsk6713\include • Category: Preprocessor, Pre-Define Symbol (-d): CHIP 6713 Projekt pˇreloˇzte a otestujte na v´ yvojové desce. Odpov´ıdá v´ ystupn´ı signál vaˇsim pˇredpoklad˚ um? Jak´ y vliv má poˇcet frekvenˇcn´ıch koeficient˚ u Fourierovy transformace na rozliˇsovac´ı schopnost frekvenˇcn´ı anal´ yzy?

12.4


• Vytvoˇren´ı matematick´ ych funkc´ı, pracuj´ıc´ıch s komplexn´ımi ˇc´ısly v LJSA. • Pˇreprogramován´ı funkce pro v´ ypoˇcet 8bodové FFT z jazyka C pomoc´ı lineárn´ıho jazyka symbolick´ ych adres. • Aplikace v´ıce-bodové FFT pro N = 16, 32, . . .

12.5

Shrnut´ı

Poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı umoˇznilo student˚ um srovnán´ı dvou pˇr´ıstup˚ u pˇri v´ yvoji aplikac´ı pro signálov´ y procesor. Prvn´ım pˇr´ıstupem byl v´ yvoj ve vyˇsˇs´ım programovac´ım jazyce C. Druh´ ym pak vyuˇzit´ı tzv. lineárn´ıho jazyka symbolick´ ych adres. Kromˇe sloˇzitosti v´ yvoje samotné aplikace, mohli studenti porovnat také efektivitu v´ ysledného kódu.

12.6


Ot´ azka 12.1 Jaké frekvence reprezentuj´ı Fourierovy koeficienty X(0) a X(N − 1)? Ot´ azka 12.2 Liˇs´ı je poˇcetn´ı nároˇcnost instrukc´ı pracuj´ıc´ıch v pevné a plovouc´ı ˇrádové ˇcárce? Ot´ azka 12.3 Vytvoˇrte vývojový diagram aplikace z bodu 3.

68


Zdrojov´ y k´ od 12.2: Implementace FFT na signálov´ y procesor TMS320C6713. 1 2 3 4

#define N 8 #include <math . h> #include ” a i c 2 3 h . h” ...

// // // //

p oˇc e t prvk˚ u FFT knihovna matematick´ y ch f u n k c´ı ( goniom . f c e ) knihovna pro komun . s AIC23 a deskou DSK dopln ˇ t e p r o t o t y p y v aˇs i c h f u n k c´ı

// // // //

PI vzorky v s t u p n´ıh o s i g n á l u r e á l n á ˇc á s t FFT k o e f i c i e n t˚ u i m a g i n á r n´ı ˇc á s t FFT k o e f i c i e n t˚ u

5 6 7 8 9

float float float float

pi = 3 . 1 4 1 6 ; x[N] = { 0 } ; y_re [ N ] = { 0 } ; y_im [ N ] = { 0 } ;

10 11 12 13

// r e ´ aln´ a a imagin´ a r n´ı ˇc ´ a s t t w i d d l e k o e f i c i e n t˚ u f l o a t w_re [ N / 2 ] = { 1 , 0 . 7 0 7 , 0 , −0.707} ; f l o a t w_im [ N / 2 ] = { 0 , −0.707 , −1, −0.707} ;

14 15 16 17

void main ( void ) { short px = 0 ; f l o a t sample_in ;

// h l a v n´ı f u n k c e // u k a z a t e l pro u k l á d á n´ı vstup . dat // pomocn´ y u k a z a t e l pro u k l á d á n´ı v s t u p n´ıc h dat

18 19 20

DSK6713_init ( ) ; AIC23_init ( ) ;

// i n i c i a l i z a c e v y ´ v o j o vé desky // i n i c i a l i z a c e obvodu AIC23

while ( 1 ) {


21 22 23

// n a ˇc t e n´ı v s t u p n´ıc h dat // n a ˇc t e n´ı jednoho vzorku z l e vé h o kaná lu sample_in = AIC23_read ( ) ;

24 25 26 27

// n a ˇc t e n´ı jednoho vzorku z pravé ho kaná lu sample_in = AIC23_read ( ) ;

28 29 30

// v y s l ´ a n´ı dat // z a p s ´ a n´ı jednoho k o e f i c i e n t u na p r v n´ı k a n á l AIC23_write ( y_re [ px ] ) ;

31 32 33 34

// pˇr e k o p´ır o v ´ a n´ı v s t u p n´ıh o vzorku na druh´ y k a n á l AIC23_write ( sample_in ) ;

35 36 37

// u l o ˇz e n´ı vzorku do kruhové pamˇe ti x [ px++] = sample_in ;

38 39 40

// kaˇz d´ y ch N v s t u p n´ıc h vzork˚ u i f ( px == N ) {

41 42 43

// v o l ´ a n´ı f u n k c e pro v y ´ p oˇc e t 8 bodové FFT ...

44 45 46

// d o p l n ˇ te vy ´ p oˇc e t modulu 8 bodové FFT ...

47 48 49

// pomocn´ a znaˇc ka s t e j n o s mˇe r né s l o ˇz k y y_re [ 0 ] = −15000 ;

50 51 52

// n u l o v ´ a n´ı u k a z a t e l e v s t u p n´ıc h dat px = 0 ;

53 54

}

55

}

56 57

}


69

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. Oficiáln´ı stránka 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/. [Fed01] FEDRA, Z. Výsledné projekty pˇredmˇetu MMIA [online]. 2011 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://www.urel.feec.vutbr.cz/MIA.

70


[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. [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/. [Hit08]

Hitachi, Ltd. Oficiáln´ı stránky 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.

ˇ ıslicová filtrace, analýza a restaurace signál˚ [Jan01] JAN, J. C´ u. 2. vydán´ı. Brno: FEKT VUT v Brnˇe, 2001. [Koc05] KOCHAN, S. G. Programming in C. A Complete Introduction to the C Programming Language. 3rd ed. Indianapolis (USA): Sams Publishing, 2005. [Lib09]

C library for use with GCC on AVR. AVR Libc Home Page [online]. 2011 – [cit. 21. záˇr´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.


71

[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 nástroj pro programován´ı mikrokontrolér˚ [Sev08] SEV u AVR v jazyce C. Diplomová práce. 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. Tutoriál 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]

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, technická literatura, 2003. [Win08] WinAVR. WinAVR home page [online]. 2010 – [cit. 3. ˇr´ıjna 2011]. Dostupné na www: http://winavr.sourceforge.net/.

72

A A.1


Manu´ al v´ yvojov´ eho prostˇ red´ı AVR Studio Nov´ y projekt a simul´ ator

V´ yvojové prostˇred´ı AVR Studio je voln´ y nástroj, kter´ y je dostupn´ y na internetov´ ych stránkách firmy Atmel Corporation [Atm01] a slouˇz´ı k v´ yvoji a testován´ı aplikac´ı pro mikrokontroléry AVR. V rámci poˇc´ıtaˇcov´ ych cviˇcen´ı budeme pouˇz´ıvat verzi 4.18 (build 700). Program lze spustit kliknut´ım na ikonu ”beruˇsky” na pracovn´ı ploˇse, pˇr´ıp. pˇres Start→Programs→Atmel AVR Tools→AVR Studio 4. Pro kaˇzdou aplikaci je nutné vytvoˇrit projekt, kter´ y obsahuje informace o souborech se zdrojov´ ymi kódy i o konkrétn´ım mikrokontroléru, pro kter´ y je aplikace urˇcena. Nov´ y projekt lze vytvoˇrit v menu Project→New Project. V následuj´ıc´ım dialogovém oknˇe je potˇreba zvolit v jakém programovac´ım jazyce bude celá aplikace napsána. Moˇzné jsou dvˇe varianty: v jazyce symbolick´ ych adres (JSA): Atmel AVR Assembler, nebo ve vyˇsˇs´ım programovac´ım jazyce C (v laboratoˇri je dostupn´ y voln´ y pˇrekladaˇc GCC): AVR GCC. Dále je nutné napsat název celého projektu Project name a pˇredevˇs´ım uvést um´ıstˇen´ı na pevném disku Location, kam má b´ yt novˇe vytvoˇren´ y projekt uloˇzen. Vˇsechny projekty u, pˇr´ıp. doˇcasnˇe ukládejte do adresáˇre D:\Dokumenty\vase jmeno\. V názvech projekt˚ podadresáˇr˚ u pouˇz´ıvejte pouze znaky anglické abecedy, ˇc´ıslice a znaky ” ”a ”-”. Zatrˇzen´ım voleb Create initial file a Create folder zajist´ıte vytvoˇren´ı podadresáˇre (jméno bude totoˇzné s názvem projektu) a vytvoˇren´ı prázdného zdrojového souboru s názvem napˇr. prvni asm (viz obrázek A.1). Volby potvrd’te tlaˇc´ıtkem Next.

Obr´ azek A.1: Vytvoˇren´ı nového projektu v prostˇred´ı AVR Studio s názvem prvni asm a v´ ybˇer programovac´ıho jazyka. Tvorba projektu pokraˇcuje v´ ybˇerem platformy pro ladˇen´ı projektu a c´ılového mikrokontroléru. Vyberte ladˇen´ı aplikace pomoc´ı intern´ıho simulátoru AVR Simulator a mikrokontrolér ATmega16 (viz obrázek A.2). Po stisknut´ı tlaˇc´ıtka Finish se nov´ y projekt vytvoˇr´ı a otevˇre se v samotném v´ yvojovém prostˇred´ı, jak lze vidˇet na obrázku A.3. Prostˇred´ı je rozdˇeleno do pˇeti ˇca´st´ı: (1) inspektor projektu (v programovac´ım módu) a vnitˇrn´ı uspoˇra´dán´ı mikrokontroléru (v ladic´ım módu), (2) textov´ y editor pro tvorbu zdrojov´ ych kód˚ u, (3) informaˇcn´ı panel o pr˚ ubˇehu pˇrekladu aplikace, (4) nastaven´ı vˇsech intern´ıch periféri´ı zvoleného mikrokontroléru a (5) menu a ovládac´ı prvky. Zdrojov´ y kód lze do strojového jazyka pˇreloˇzit pˇr´ıkazem Build→Build, pˇr´ıp. stisknut´ım klávesy F7, nebo kliknut´ım na ikonu na liˇstˇe (5). T´ımto pˇr´ıkazem dojde nejprve k syn-


73

Obr´ azek A.2: V´ ybˇer lad´ıc´ıho nástroje a c´ılového mikrokontroléru.

Obr´ azek A.3: V´ yvojové prostˇred´ı AVR Studio s vytvoˇren´ ym projektem. taktické kontrole zdrojového kódu a následnˇe k pˇrekladu do strojového kódu. Informace o pr˚ ubˇehu a v´ ysledc´ıch pˇrekladu jsou zobrazeny v informaˇcn´ım panelu (3). ´ Uspˇeˇsn´ y pˇreklad je indikován konstatován´ım Assembly complete, 0 errors. ´ eˇsn´ 0 warnings. Eventuáln´ı chyby i upozornˇen´ı je potˇreba odstranit. Uspˇ y pˇreklad je také doprovázen informac´ı o velikosti v´ ysledného kódu a jeho rozloˇzen´ı do programové pamˇeti Flash (.cseg), datové pamˇeti SRAM (.dseg) a do pamˇeti EEPROM (.eseg) (viz obrázek A.4).

74


Do lad´ıc´ıho reˇzimu se pˇrep´ıná pˇr´ıkazem Debug→Start Debugging, stisknut´ım klávesové zkratky Ctrl+Shift+Alt+F5, nebo kliknut´ım na ikonu . V prostˇred´ı simulátoru jsou zpˇr´ıstupnˇena tlaˇc´ıtka v pˇr´ıkazové liˇstˇe, ovládaj´ıc´ı bˇeh a krokován´ı programu (napˇr. klávesou F11 ), nastavován´ı breakpoint˚ u, ˇci zobrazuj´ıc´ı obsah pamˇeti, registr˚ u a zvolen´ ych promˇenn´ ych. V inspektoru projekt˚ u na levé stranˇe (1) doˇslo automaticky k pˇrepnut´ı na záloˇzku Processor, obsahuj´ıc´ı hodnoty registr˚ u jak znázorˇ nuje obrázek A.4.

Obr´ azek A.4: Lad´ıc´ı prostˇred´ı AVR Studia a zobrazen´ı obsazenosti pamˇet’ového prostoru. Ukonˇcen´ı reˇzimu ladˇen´ı lze provést pˇr´ıkazem Debug→Stop Debugging, klávesovou zkratkou Ctrl+Shift+F5, nebo tlaˇc´ıtkem .

A.2

Programov´ an´ı c´ılov´ eho mikrokontrol´ eru pomoc´ı ISP

Pˇri zakládán´ı projektu zadejte jeho jméno a v oknˇe Select debug platform and device nastavte AVR Simulator a ATmega16. ISP systém neumoˇzn ˇuje ladˇen´ı aplikace pˇr´ımo v systému, k tomuto u ´ˇcelu slouˇz´ı jiné, finanˇcnˇe nákladnˇejˇs´ı prostˇredky (vyuˇz´ıvaj´ıc´ı napˇr. JTAG rozhran´ı), viz pˇrednáˇsky. Ladˇen´ı m˚ uˇzete provádˇet v simulátoru v AVR Studiu. Po sestaven´ı a odladˇen´ı aplikace lze pˇristoupit k fyzickému naprogramován´ı mikrokontroléru na v´ yvojové desce. ISP programován´ı v AVR Studiu aktivujeme v menu Tools→Program AVR, kde jsou k dispozici dva zp˚ usoby navázán´ı komunikace AVR Studia s ISP programátorem: Connect a Auto Connect. V naˇsem pˇr´ıpadˇe je v´ yhodnˇejˇs´ı poloˇzka Auto Connect, po kliknut´ı na


75

ni se vyhledá dostupn´ y programátor pˇripojen´ y k poˇc´ıtaˇci a otevˇre dialogové okno pro fyzické naprogramován´ı mikrokontroléru. Auto Connect lze aktivovat také kliknut´ım na v horn´ı liˇstˇe nástroj˚ u. Pro u ´plnost, poloˇzka Connect umoˇzn ˇuje ruˇcn´ı nastaven´ı ikonku programátoru. Vyberte programátor STK500 or AVRISP. Okno pro nastaven´ı programován´ı pomoc´ı ISP programátoru je znázornˇeno na obrázku A.5. Obsahuje nˇekolik záloˇzek. Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı je pro nás záloˇzka Program. Okamˇzité smazán´ı celé programové pamˇeti mikrokontroléru lze provést tlaˇc´ıtkem Erase Device. Pro spolehlivé naprogramován´ı mikrokontroléru je vhodné m´ıt zaˇskrtnuty poloˇzky mazán´ı pamˇeti pˇred programován´ım a verifikace obsahu po naprogramován´ı. Pak bude pamˇet’ mazána vˇzdy pˇred nov´ ym naplnˇen´ım a po naplnˇen´ı bude zkontrolován jej´ı obsah. Následuje blok komponent v rámci programové pamˇeti Flash. Pomoc´ı malého tlaˇc´ıtka vedle editaˇcn´ıho ˇrádku otevˇreme dialogové okno pro naˇcten´ı souboru, kter´ ym chceme mikrokontrolér naprogramovat. Pˇr´ısluˇsn´ y soubor najdeme ve sloˇzce vytvoˇreného projektu, má jméno projektu s pˇr´ıponou *.hex. (Tento soubor byl vytvoˇren po u ´spˇeˇsném pˇrekladu aplikace.) Jakmile urˇc´ıme soubor, m˚ uˇzeme jej stiskem tlaˇc´ıtka Program naprogramovat do programové pamˇeti mikrokontroléru. Tlaˇc´ıtkem Verify provád´ıme pˇr´ıpadnou kontrolu naprogramovaného obsahu pamˇeti. Tlaˇc´ıtko Read je urˇceno pro naˇcten´ı kódu z programové pamˇeti mikrokontroléru (pokud je to umoˇznˇeno) do souboru v poˇc´ıtaˇci. Pokud je poˇzadována práce s intern´ı pamˇet´ı EEPROM mikrokontroléru, lze jej´ı obsah naplnit, verifikovat nebo ˇc´ıst pomoc´ı bloku komponent v rámci EEPROM. Vˇsechny operace, v´ ysledky a chyby, které nastanou pˇri programován´ı mikrokontroléru, jsou pˇrehlednˇe zobrazovány ve spodn´ım rámu.

Obr´ azek A.5: Dialogové okno pro programován´ı mikrokontroléru ATmega16. Dalˇs´ı záloˇzky v oknˇe rozˇsiˇruj´ı moˇznosti pro konfiguraci vlastn´ıho mikrokontroléru i programátoru. Tˇemito záloˇzkami se nebudeme zab´ yvat.

76

B


Z´ akladn´ı popis jazyka C

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 mezinárodn´ı spoleˇcnost´ı ISO (International Organization for Standardization), je stále pouˇz´ıván název 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]. V následuj´ıc´ım textu jsou struˇcnˇe popsány hlavn´ı vlastnosti jazyka C, které jsou dostaˇcuj´ıc´ı pro práci ve cviˇcen´ı pˇredmˇetu Mikroprocesorová technika a embedded systémy. Jazyk C obsahuje nˇekolik tzv. rezervovan´ ych slov, které nelze pouˇz´ıt k jinému u ´ˇcelu, neˇz k jakému byly urˇceny. Nelze je tedy pouˇz´ıt jako názvy promˇenn´ ych ˇci funkc´ı. Mezi nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı rezervovaná slova patˇr´ı: for, return, switch, case, if, else, char, int, float, unsigned, void. Typick´ a struktura programu v C

#include

instrukce pro preprocessor

int main( void )

vˇzdy prvn´ı volan´ a funkce pˇr´ıkazy/povely

funkce a( ) pˇr´ıkazy/povely funkce b( ) pˇr´ıkazy/povely

– – – – –

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

Obr´ azek B.1: Anatomie programu v jazyce C. Zdrojov´ y kód v jazyce C se skládá v´ yhradnˇe z funkc´ı (jak naznaˇcuje obrázek B.1). Funkce je specifikována sv´ ym názvem, kter´ y se skládá 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 párem sloˇzen´ ych závorek. Kaˇzdá aplikace mus´ı obsahovat hlavn´ı funkci s názvem main(). Tato funkce vrac´ı hodnotu typu int a zpravidla nemá ˇza´dn´ y vstupn´ı parametr. Je-li return pˇr´ıkaz, pomoci nˇehoˇz funkce vrac´ı vybranou hodnotu, vypadá tˇelo hlavn´ı funkce dle v´ ypisu B.1.

B.1

Promˇ enn´ e a operandy

S hodnotami lze v jazyce C pracovat pomoc´ı promˇenn´ ych. Promˇenné se dˇel´ı na globáln´ı, které se definuj´ı vnˇe jakékoliv funkce (zpravidla na zaˇca´tku zdrojového souboru) a lze je


77

Zdrojov´ y k´ od B.1: Hlavn´ı funkce aplikace v jazyce C. 1

int main ( void ) {

// h l a v n´ı f u n k c e

2 3

...

// t ˇe l o h l a v n´ı f u n k c e

return ( 0 ) ;

// f u n k c e v r a c´ı hodnotu 0

4 5 6

}

pouˇz´ıt v kterémkoliv m´ıstˇe programu a na promˇenné lokáln´ı. Lokáln´ı promˇenné se definuj´ı uvnitˇr funkce, pro kterou jsou urˇceny. Pro takovou promˇennou je alokován pamˇet’ov´ y prostor v okamˇziku volán´ı funkce a po návratu z n´ı je opˇet uvolnˇen. Kaˇzdá promˇenná je charakterizována sv´ ym názvem a vyjadˇruje hodnotu podle zvoleného typu. Nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı typy promˇenn´ ych jsou znázornˇeny v tabulce B.1, spoleˇcnˇe s poˇctem bit˚ u a odpov´ıdaj´ıc´ım ˇc´ıseln´ ym rozsahem. Pˇri deklaraci lze promˇennou bezprostˇrednˇe naplnit zvolenou hodnotou, jak ukazuje pˇr´ıklad B.2. Zdrojov´ y k´ od B.2: Deklarace a plnˇen´ı promˇenn´ ych v jazyce C. 1 2 3

unsigned int i = 10 ; float f = 3.14 ; char ch = −10 ;

// neznamé nkové c e l é ˇc´ı s l o , 16 b i t˚ u // r e á l n é ˇc´ı s l o , 32 b i t˚ u // znamé nkové c e l é ˇc´ı s l o , 8 b i t˚ u

Tabulka B.1: Základn´ı typy a rozsahy hodnot promˇenn´ ych v jazyce C. Typ promˇ enn´ e Velikost [b] char unsigned char signed char int unsigned int float

8 8 8 16 16 32

ˇ ıseln´ C´ y rozsah −128 0 −128 −32 768 0 ±1, 175 · 10−38

aˇz 127 aˇz 255 aˇz 127 aˇz 32 767 aˇz 65 535 aˇz ±3, 402 · 1038

V´ yˇcet základn´ıch aritmetick´ ych operac´ı a jejich symbolick´ y zápis v jazyce C obsahuje tabulka B.2. V jazyce C se ˇcasto pouˇz´ıvá zkrácen´ y zápis aritmetick´ ych operac´ı. Lze ho vyuˇz´ıt v pˇr´ıpadˇe, kdy do promˇenné, která figuruje v operaci jako prvn´ı argument, je posléze uloˇzen také v´ ysledek celé operace. Zápis a += 3 tak napˇr. zkracuje rovnici a = a + 3, nebo d /= a popisuje operaci d = d / a, apod. Za zkrácenou formu zápisu lze také povaˇzovat operace inkrementace a dekrementace, kdy napˇr. b++ odpov´ıdá zápisu b += 1, nebo b = b + 1. Tabulka B.3 obsahuje soupis bitov´ ych a logick´ ych operac´ı v jazyce C. Také u bitov´ ych a logick´ ych operac´ı lze vyuˇz´ıt zkráceného zápisu operace. Napˇr. a |= 3 pˇredstavuje v´ yraz a = a | 3, tj. logickou souˇcet promˇenné a s hodnotou 3, nebo zápis ve tvaru d <<= 2 zkracuje formu zápisu bitového posuvu doleva d = d << 2.

78


Tabulka B.2: Základn´ı aritmetické operace v jazyce C. Operace

Operand

Násoben´ı Dˇelen´ı Dˇelen´ı modulo (celoˇc´ıselné) Sˇc´ıtán´ı Odeˇc´ıtán´ı Inkrementace Dekrementace

* / % + ++ --

Tabulka B.3: Bitové a logické operace v jazyce C. Operace

Operand

Jednotkov´ y doplnˇek Bitov´ y posuv doleva Bitov´ y posuv doprava Logick´ y souˇcin AND Logick´ y souˇcet OR Exkluzivn´ı souˇcet EX-OR

B.2

~ << >> & | ^

Podm´ınˇ en´ y skok

Podm´ınka slouˇz´ı k vˇetven´ı programu, tj. k situaci, kdy je ˇcást kódu vykonána pouze v pˇr´ıpadˇe splnˇen´ı podm´ınky. Podm´ınky lze tvoˇrit pomoc´ı relaˇcn´ıch operand˚ u, které jsou uvedeny v tabulce B.4. Syntaxe jednoduché podm´ınky vyuˇz´ıvaj´ıc´ı pˇr´ıkazu if je znázornˇena v ukázce B.3. Zde se ˇca´st kódu, uzavˇrená sloˇzen´ ymi závorkami, vykoná pouze v pˇr´ıpadˇe, ˇze hodnota promˇenné a je rovna konstantˇe N. Zdrojov´ y k´ od B.3: Základn´ı vˇetven´ı programu. 1 2 3 4 5 6

i f ( a == N ) { ; } else { ; }

// j e − l i a = N, v y k o n e j n á s l e d u j´ı c´ı kó d // podm´ınˇe ná ˇc á s t kó du // j e − l i a r˚ u z né od N, v y k o n e j n á s l e d u j´ı c´ı kó d // podm´ınˇe ná ˇc á s t kó du

Druh´ y ˇcast´ y zp˚ usob podm´ınˇeného v´ ykon˚ u pˇr´ıkaz˚ u je pomoc´ı kombinace rezervovan´ ych slov switch, case a break. Vyuˇz´ıvá se v situaci, kdy promˇenná nab´ yvá nˇekolika málo hodnot. V pˇr´ıkladˇe B.4 je testována hodnota promˇenné key, která m˚ uˇze b´ yt rovna 65, 72 nebo libovolné jiné hodnotˇe.


79

Tabulka B.4: Relaˇcn´ı operandy v jazyce C. Operace

Operand

Rovno Je r˚ uzn´ y od Menˇs´ı neˇz Menˇs´ı nebo rovno Vˇetˇs´ı neˇz Vˇetˇs´ı nebo rovno Logické AND Logické OR

== != < <= > >= && ||

Zdrojov´ y k´ od B.4: Vˇetven´ı programu pomoc´ı switch a case. switch ( key ) { case 6 5 : ... break ; case 7 2 : ... break ; default : ... }

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

B.3

// // // // // // // // //

t e s t o v á n´ı hodnoty key key = 65 ( ASCII kó d ”A” ) k´ o d v y k o n e j pouze j e − l i key = 65 konec s w i t c h key = 72 ( ASCII kó d ”H” ) k´ o d v y k o n e j pouze j e − l i key = 72 konec s w i t c h key = l i b o v o l n á j i n á hodnota t ˇe l o podm´ınky

Cyklus v jazyce C

Jist´ ym druhem podm´ınky je také kaˇzd´ y cyklus. Cyklus se nejˇcastˇeji programuje pˇr´ıkazem for, kter´ y vykoná dan´ y kód s urˇcit´ ym poˇctem opakován´ı. Pˇr´ıklad B.5 ilustruje cykly, které probˇehnou právˇe 8×. Zdrojov´ y k´ od B.5: Cyklus pomoc´ı for. 1 2 3

f o r ( i = 0 ; i < 8 ; i++ ) { ... }

// opakuj 8 k r á t // i = 0 , 1 , 2 , . . . , 6 , 7

f o r ( i = 8 0 ; i >= 1 0 ; ii = i−10 ) { ... }

// opakuj 8 k r á t // i = 8 0 , 7 0 , . . . , 2 0 , 10

4 5 6 7

Druh´ ym ˇcast´ ym zp˚ usobem opakovaného v´ ykonu programu je smyˇcka ˇr´ızena pˇr´ıkazem while. V pˇr´ıkladˇe B.6 je cyklus opakován pokud je hodnota promˇenné a r˚ uzná od nuly. Kaˇzdá aplikace pro reálné ˇc´ıslicové systémy obsahuje nekoneˇcnou smyˇcku, která neustále vykonává stejnou posloupnost operac´ı. Zpravidla se jedná o periodické naˇc´ıtán´ı dat ze vstupn´ıch zaˇr´ızen´ı, jejich zpracován´ı a následné vyslán´ı hodnot nebo signalizace na libovolné v´ ystupn´ı zaˇr´ızen´ı. Existuj´ı dva jednoduché postupy, jak naprogramovat nekoneˇcnou smyˇcku v jazyce C. Oba jsou uvedeny ve zdrojovém kódu B.7. V pˇr´ıpadˇe, ˇze aplikace vyuˇz´ıvá pˇreruˇsen´ı je bˇeˇzné, ˇze nekoneˇcná smyˇcka neobsahuje

80


Zdrojov´ y k´ od B.6: Cyklus pomoc´ı while. a = 10 ; while ( a > 0 ) { ... a−− ; }

1 2 3 4 5

// // // //

opakuj 10 k r á t opakuj dokud j e podm´ınka s p l nˇe n a t ˇe l o c y k l u a = a − 1

Zdrojov´ y k´ od B.7: Realizace nekoneˇcné smyˇcky. while ( 1 ) { ... } for ( ; ; ) { ... }

1 2 3 4 5 6

// podm´ınka opaková n´ı j e vˇz dy s p l nˇe n a ; j e rovna 1 // t ˇe l o c y k l u // podm´ınka opaková n´ı j e vˇz dy s p l nˇe n a // t ˇe l o c y k l u

Zdrojov´ y k´ od B.8: Realizace nekoneˇcné smyˇcky v aplikaci s pˇreruˇsen´ım. while ( 1 ) ; for ( ; ; ) ;

1 2

// pr´ a zdn´ a nekoneˇc ná smyˇcka // pr´ a zdn´ a nekoneˇc ná smyˇcka

ˇza´dné dalˇs´ı pˇr´ıkazy. Veˇskeré zpracován´ı je pak provádˇeno jen v rámci obsluˇzn´ ych funkc´ı jednotliv´ ych pˇreruˇsen´ı. Zdrojov´ y kód se tak jeˇstˇe zjednoduˇs´ı (viz kód B.8). Podrobn´ y popis jazyka C lze nalézt v mnoha publikac´ıch, napˇr. [Koc05], [Mil97], [Pra05], [Bar03], aj.

B.4

Specifika pˇ rekladaˇ ce GCC a knihovny AVR Libc

Pˇrekladaˇc jazyka C, kter´ y je pouˇz´ıván v laboratoˇri Mikroprocesorové techniky, tj. GCC (GNU Compiler Collection) [Gcc09] vyuˇz´ıvá také speciáln´ı knihovnu s názvem AVR Libc, která obsahuje doplˇ nkové funkce pro mikrokontroléry AVR. Nejˇcastˇeji pouˇz´ıvané funkce jsou uvedeny v pˇr´ıkladˇe B.9. Podrobnˇejˇs´ı informace lze nalézt v popisu knihovny [Lib09].


Zdrojov´ y k´ od B.9: Nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı funkce z knihovny AVR Libc. 1 2 3 4

// o b s l u h a e x t e r n´ıh o pˇr e r uˇs e n´ı INT0 ISR ( INT0_vect ) { ... }

5 6 7 8 9 10

// 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 á s l e d u j´ı c´ı kó d // 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 ) ) { ... }

11 12 13 14 15 16

// 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 á s l e d u j´ı c´ı kó d // 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 ) ) { ... }

17 18 19 20 21 22

// 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 ) { ... }

23 24 25 26 27 28

// 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 ) { ... }

29 30 31 32 33

asm ( ”LDI temp , 255\ n OUT DDRB, temp\n” ) ; // pˇr i k o m p i l a c i z d r o j o vé h o kó du v l o ˇz´ı n á s l e d u j´ı c´ı i n s t r u k c e : // LDI temp , 255 // OUT DDRB, temp

81

82

C


V´ yvojov´ a deska ATmega16

Obr´ azek C.1: Zapojen´ı v´ yvojové desky Development Board ATmega16.


83

Tabulka C.1: Seznam souˇca´stek v´ yvojové desky Development Board ATmega16. Oznaˇ cen´ı C1, C2 C3, C4 C5 C6–C9 C10 C11 C12 C13–C23 C24 C25 C26 D1–D4 D5 D6 D7–D10 D11–D18 D19, D20 D21–D28 D29, D30 D31–D38 DIS1 DIS2 IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7

Hodnota

Souˇ c´ astka

Pouzdro

Knihovna

Kondenzátory 27p C-EUC1206 C1206 rcl 100n C-EUC1206 C1206 rcl 10n C-EUC1206 C1206 rcl 1u0/20V CPOL-EUB/3528-21R B/3528-21R rcl 47n C-EUC1206 C1206 rcl 10u/16V CPOL-EUC/6032-28R C/6032-28R rcl 220u/16V CPOL-EUE2.5-6 E2,5-6 rcl 100n C-EUC1206 C1206 rcl 3300u/25V CPOL-EUE7.5-16 E7,5-16 rcl nepouˇzito 10n C-EUC1206 C1206 rcl Diody zelená LED5MM LED5MM led blik. zel. LED5MM LED5MM led 1N5062 1N5060GP DO15-12 diode nepouˇzito 1N4148 DIODE-SOD80C SOD80C diode nepouˇzito zelená LEDCHIPLED 1206 CHIPLED 1206 led nepouˇzito zelená LEDCHIPLED 1206 CHIPLED 1206 led Displeje LCD displ. MC1604B MC1604 display-lcd 7seg. displ. BX-M32X 6MX7S9MM A display-hp Integrované obvody ATMEGA16A TQFP44 atmel TL77XXASM SO08 linear D/A pˇrev. TC1320EOA SO08 linear expandér PCF8574T SO16W micro-philips RTC PFC8583T SO8-7 5 micro-philips RS-UART MAX232ECWE SO16L maxim LM386 DIL08 linear pokraˇcován´ı na dalˇs´ı stranˇe

84


pokraˇcován´ı z pˇredeˇslé strany

Oznaˇ cen´ı Hodnota IO8 IO9

Pouzdro

Knihovna

TL431 TO92 linear 7805T TO220H linear Konektory, liˇsty AK500/2 AK500/2 con-ark F09HPS F09HP con-subd PN61729S PN61729S con-berg K375 K375 con-conrad PINHD-2X20 2X20 s pinhead PINHD-2X25 2X25 s pinhead PINHD-2X20 2X20 s pinhead PINHD-2X25 2X25 s pinhead Klávesnice KV-16KEY KV-16KEY keyboard Konektory AK500/2 AK500/2 con-ark AK500/2 AK500/2 con-ark Indukˇcnosti L-US0207/15 0207/15 rcl Moduly AVRISPPROGUSB AVRISPPROGUSB modules UMS2 MDIL28 modules Optoˇcleny PC817A PCSMD optocoupler

K1 K2 K3 K4 KA KB KC KD KEY1 KI1–KI8 KO1–KO8 L1 MOD1 MOD2 O1–O8 O9, O10 O11–O18

Souˇ c´ astka

nepouˇzito

P1 P2 Q1 Q2

16MHz 32,768kHz

R1–R8 R9, R10 R11–R18

1k0 nepouˇzito 680R

PC817A Odporové trimry TRIM EU-S64Y TRIM EU-CA6V Krystaly XTAL/S CRYTALTC26H Rezistory R-EU R1206 R-EU R1206

PCSMD

optocoupler

S64Y CA6V

pot pot

QS TC26H

special crystal

R1206

rcl

R1206

rcl

pokraˇcován´ı na dalˇs´ı stranˇe


85

pokraˇcov´ an´ı z pˇredeˇslé strany

Oznaˇ cen´ı Hodnota R9, R10 R21–R28 R29, R30 R31–R38 R39, R40 R41–R46 R47–R50 R51–R58 R59, R60 R61 R62–R65 R66–R72 R73 R74 RN1

nepouˇzito 4k7 nepouˇzito 270R nepouˇzito 4k7 nepouˇzito 470R nepouˇzito 150R 1k5 10k 4k7 10R 4x10k

S1–S5 SP1 T1–T6

PNP

Souˇ c´ astka

Pouzdro

Knihovna

R-EU R1206

R1206

rcl

R-EU R1206

R1206

rcl

R-EU R1206

R1206

rcl

R-EU R1206

R1206

rcl

R-EU R1206 R1206 rcl R-EU R1206 R1206 rcl R-EU R1206 R1206 rcl R-EU R1206 R1206 rcl R-EU R1206 R1206 rcl RN04 RN-5 resistor-net Tlaˇc´ıtka B1715 B1715 switch Reproduktor LP35CS08B LP35CSXXF loudspeaker Tranzistory BC807-25SMD SOT23-BEC transistor-pnp

86

D


Znakov´ a sada LCD displeje 0·

2·

3·

4·

5·

6·

7·

A· B· C· D· E· F·

·0 ·1 ·2 ·3 ·4 ·5 ·6 ·7 ·8 ·9 ·A ·B ·C ·D ·E ·F

Obr´ azek D.1: Znaková sada LCD displeje.

Mikroprocesorová technika a embedded systémy

Recommend Documents