1.2.1. Запуск микроконтроллера
Во многих приложениях используется батарейное питание МК, а в некоторых случаях применяются даже конденсаторы большой емкости, которые обеспечивают сохранение работоспособности при кратковременных отключениях питания. Поэтому проблема энергопотребления (энергосбережения) весьма актуальна для МК. Так как практически все современные МК производятся по КМОП технологии, то они потребляют значительно меньше мощности, чем ранее выпускавшиеся биполярные или n-МОП – микроконтроллеры.
Сброс в начальное состояние.
На рис. 1.2. изображена схема сброса. Эту схему лучшего всего использовать в случаях, когда гарантированно поддержание напряжения питания в рабочем диапазоне. Кнопка RESET используется в процессе разработки устройств для сброса МК в начальное состояние. (См. рис. 1.2. )
Рис. 1.2. Схема RESET.
1.2.2. Тактирование и командные циклы
Существует три способа задания тактовой частоты МК. Первый способ – использование кварцевого резонатора. Второй способ синхронизации – использования RC генератора. Третий способ синхронизации – это подача тактовых импульсов от внешнего генератора. С его помощью можно задать любую частоту синхронизации.
Следует обратить внимание на то, что командные циклы и такты синхронизации не одно и тоже. Командный цикл состоит обычно из нескольких тактов, которые необходимы процессору для выполнения команды. На рис. 1.3, показан командный цикл, состоящий из четырех тактов.
Рис. 1.3. Командный цикл и машинные такты.
В течении командного цикла микропроцессор или микроконтроллер выполняет необходимые операции, используя тактовые сигналы для синхронизации этих операций. Некоторые команды требуют для выполнения более одного командного цикла.
1.2.3. Программный счетчик и АЛУ
Программный счетчик (Program Counter) или счетчик команд (СК) используется для указания следующей команды выполняемой программы. Реализация этой функции значительно усложняется, когда необходимо сохранить содержимое СК при вызове подпрограмм и обработке запросов прерывания или обеспечить ветвление программы. СК представляет собой счетчик с параллельным вводом/выводом. В процессорах с Принстонской архитектурой содержимое СК поступает оп шине данных в схему управления памятью, указывая адрес считываемой команды. Часто СК входит в состав схемы управления памятью – это позволяет избежать передачи адреса по внутренней шине данных. Важные особенности функционирования СК – параллельная загрузка нового содержимого, поступающего с шины данных, возможность сброса (возврат к адресу первой команды программы), реализация инкремента. В 8-разрядных МК разрядность СК обычно больше, чем 8 бит. При загрузки в СК нового адреса, он поступает по шине данных частями по 8-бит, что требует выполнения дополнительных машинных циклов. Чтобы сократить время загрузки СК, некоторые МК имеют команды ветвления, при которых загружается только 8 младших разрядов адреса, а старшие разряды остаются без изменения. При выполнении такой команды достаточно передать по шине данных только один байт, тогда как для загрузки полного 16-разрядного адреса требуется пересылка двух байт.
После чтения очередной команды содержимое СК увеличивается (инкрементируется), чтобы обеспечить переход к адресу следующей команды. Если выполняется вызов подпрограммы или происходит прерывание, то адрес возврата (текущее состояние СК) может быть сохранен в стеке без выполнения дополнительных тактов для инкремента содержимого СК. В работе с МК необходимо следить, чтобы значение СК не вышло за пределы памяти программ. Так как это может привести к выполнению неопределенных команд и непредсказуемому результату.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) процессора используется для выполнения всех математических операций в программе. Это операции включают сложение, вычитание, логическое И, логическое ИЛИ, сдвиг содержимого регистров и установку содержимого регистра состояния в соответствии с полученным результатами. АЛУ не используется при чтении или записи данных или команд, оно служит только для обработки данных.
АЛУ можно представить как аппаратный блок, который обрабатывает два слова данных (операнды) и сохраняет полученный результат (см. рис. 1.4). Как вводятся операнды в АЛУ и куда поступает результат – зависит от конкретного типа МК. В этом состоит одно из основных различий между разными типами процессоров и системами команд. Некоторые МК выбирают один операнд из регистра-аккумулятора и сохраняют результат также в аккумуляторе. Другие МК позволяют использовать различные источники операндов и места размещения результатов.
Рис. 1.4. Структура АЛУ.
АЛУ обычно работает только с положительными целыми числами. Однако при выполнении вычитания получаются отрицательные числа, если вычитаемое больше уменьшаемого. Для представления отрицательных чисел используется дополнительный код – «дополнение до двух». Это необходимо учитывать при знакомстве с работой АЛУ.
Вместо вычитания одного числа из другого, происходит добавление отрицательного числа:
А – В = А + (-В),
где отрицательное число (-В) представляется в дополнительном коде. Чтобы получить дополнительный код отрицательного двоичного числа, необходимо инвертировать значение каждого бита, а затем прибавить единицу:
-В = ( В ^ 0хff ) + 1, где ^ - операция «исключительное или».
Сложность АЛУ во многом определяет сложность всего МК в целом. Часто над созданием АЛУ работает группа разработчиков, сравнимая по составу с той, которая работает над остальной частью микропроцессора или микроконтроллера. От того, как работает АЛУ, зависит функционирование процессора, входящего в состав МК, а значит и всего МК в целом.
1.2.4. Подпрограммы и функции
При вызове подпрограммы или функции требуется сохранить содержимое СК для того, чтобы команда возврата могла вернуть управление исходной программе. Это может выполняться автоматически путем сохранения адреса возврата в сетке. При возврате к исходной программе адрес извлекается из стека и загружается в СК. Вызов функции может быть реализован в МК, не имеющих стека, путем использования индексного регистра для эмуляции стека. Если нельзя непосредственно загрузить в стек содержимое СК, то адрес возврата к исходной программе можно сохранить в эмулированном стеке.
Иногда приходится передавать функции некоторые параметры. Один из самых эффективных и часто встречаемых способов передачи параметров в функцию – это поместить их в стек перед вызовом функции. В подпрограмме можно загрузить индексный регистр значения указателя стека и таким образом получить доступ к параметрам.
Другим способом передачи параметров является их сохранение в регистрах процессора или в памяти данных в качестве специальных переменных. Передача параметров через регистры сокращает число регистров, доступных при выполнении функции. Сохранение же параметров в виде специальных переменных уменьшает объем памяти, доступной для использования программой. Данное ограничение может быть весьма существенно для МК. Обычно значения возвращаемых параметров загружаются в регистры процессора, т.к. это наиболее быстрый и эффективный способ передачи данных.
Прерывания.
Прерывание – это запуск специальной подпрограммы (называемой «обработчиком прерывания» или «программой обслуживания прерывания»), который вызывается сигналом аппаратуры. На время выполнения этой подпрограммы реализация текущей программы останавливается(см. рис.1.5). Термин «запрос на прерывание» (interrupt request) используется потому, что иногда программа отказывается подтвердить прерывание и выполнить обработчик прерывания немедленно.
Рис. 1.5. Выполнение прерываний.
МК может не реагировать на прерывания, пока не завершится выполнение текущей задачи – этот реализуется путем запрещения (маскирования) обслуживания запроса прерывания. После решения задачи возможен один из двух вариантов: сброс маски и разрешение обслуживания прерывания, что приведет к вызову обработчика прерывания, или анализ значения битов, указывающих на поступление запросов прерывания и непосредственное выполнение программы обслуживания без вызова обработчика прерывания. Такой метод обработки прерывания используется, когда требуется обеспечить заданное время выполнения основной программы, так как любое пребывание может нарушить реализацию необходимого интерфейса.
Обработчик всегда обеспечивает следующую последовательность действий:
- Сохранить содержимое регистров контекста.
- Сбросить контроллер прерываний и оборудование, вызвавшее запрос.
- Обработать данные.
- Восстановить содержимое регистров контекста.
- Вернуться к прерванной программе.
Регистры контекста – это регистры, определяющие текущее состояние выполнения основной программы. Обычно к их относят СК, регистры состояния и аккумулятор. Другие регистры МК, такие как индексные регистры, могут быть использованы в процессе обработки прерывания, поэтому их содержимое также необходимо сохранить. Все остальные регистры являются специфическими для конкретного типа МК и его применения.
После сброса в исходное состояние контроллер прерываний готов воспринимать следующий запрос, а оборудование, вызывающее прерывание, готово посылать запрос, когда возникают соответствующие причины. Если поступит новый запрос прерывания, то регистр маскирования прерываний процессора предотвратит обработку прерывания, но регистр состояния прерываний зафиксирует этот запрос, который будет ожидать своего обслуживания. После завершения обслуживания текущего прерывания маска прерывание будет сброшена, и вновь поступивший запрос поступит на обработку.
Вложенные прерывания сложны некоторым типам МК, которые не имеют стека. Эти прерывания так же могут вызывать проблемы, связанные с переполнением стека.
Иногда МК может быстро отреагировать на запрос прерывания, приняв необходимые данные, которые будут потом использованы после решения текущей задачи. Это реализуется путем сохранения поступивших данных в массиве памяти и последующей их обработки, когда выполнение исходной программы буде завершено. Такой способ обслуживания является хорошим компромиссом между немедленной полной обработкой прерывания, которая может потребовать много времени, и игнорированием прерывания, что может привести к потере информации о событии, вызвавшем прерывание.
При обработке прерывания содержимое регистра состояния обычно (но не всегда) автоматически сохраняется вместе с содержимым СК перед обработкой прерывания. Это избавляет от необходимость сохранять его в памяти программными средствами с помощью команды пересылки, а затем восстанавливать при возврате к исходной программе. Однако такое автоматическое сохранение реализуется не во всех типах МК.
Если содержимое регистра состояния сохраняется перед началом обработки прерывания, то по команде возврата производится его автоматическое обновление. Если содержимое других регистров изменяется при выполнении обслуживания прерывания, то оно также должно быть сохранено в памяти до изменения и восстановлено перед возвратом в основную программу.
«Вектор прерывания» – это адрес, который загружается в СК при переходе к обработчику прерывания. Существует несколько типов векторов. Адрес, который загружается в СК при запуске МК (RESET) называется «вектор сброса». Для различных прерываний могут быть заданы различные вектора. Но иногда различным прерываниям назначается один вектор. Это не должно вызвать проблем при работе с МК, так как чаще всего он исполняет одну единственную программу. В МК, где аппаратная часть хорошо известна, не должно возникнуть каких либо проблем при совместном использовании векторов прерываний.
В заключение можно добавить, что системные подпрограммы – это своего рода программные прерывания, которые с помощью специальных процессорных команд имитируют аппаратные прерывания. Они располагаются в произвольном месте памяти, или могут требовать для обращения к ним межсегментных переходов.
Таймеры.
Таймеры в микропроцессорных системах используются не только для обеспечения заданной задержки, но и для решения гораздо более широкого круга задач. Обычно для переключения таймера используют тактовые импульсы процессора. Загрузив в таймер начальное значение, можно отсчитывать определенные интервалы времени, фиксируя окончание интервала по моменту переполнения таймера. Часто перед таймером включают предварительный делитель тактовой частоты, чтобы иметь возможность отсчитывать более длинные интервалы времени. Делитель обеспечивает инкремент содержимого таймера после поступления определенного числа тактовых импульсов.
Их можно использовать для точного формирования временных интервалов, подсчета импульсов на выходах МК, формирования последовательности импульсов, тактирования приемопередатчика последовательного канала связи. Таймеры/счетчики способны вырабатывать запросы прерываний, переключая ЦП на их обслуживание по событиям и освобождая его от необходимости периодического опроса состояний таймеров. Поскольку основное применение МК находят в системах реального времени, таймеры/счетчики являются их обязательным элементом. В некоторых модификациях число таймеров достигает 32.
1.2.5. Ввод/вывод данных
Основной интерфейс между МК и внешними устройствами реализуется через параллельные порты ввода/вывода. Во многих МК выводы этих портов служат также для выполнения других функций, например последовательного или аналогового ввода/вывода.
Во многих МК отдельные выводы портов могут быть запрограммированы на ввод или вывод данных. Необходимо обратить особое внимание на то, при вводе данных считывается значение сигнала, поступающего на внешний вывод, а не содержимое триггера данных. Если к внешнему выводу подключены выводы других устройств, то они могут установить свой уровень выходного сигнала, который будет считан вместо ожидаемого значения данных, записанных в триггер. В некоторых МК существует возможность выбора между чтением данных, установленных на выходе триггера или на внешнем выводе.
Когда на шину необходимо вывести «0» или «1», то сначала записывают соответствующее значение в триггер данных, а затем с помощью триггера управления на выходе устанавливается необходимый уровень потенциала. Триггер управления разрешает вывод данных на шину. В современных МК обеспечивается индивидуальный доступ к триггерам данных и управления с помощь адресной шины.
Внешний вывод может быть также использован для подачи запроса прерывания. Это обычно реализуется, когда вывод работает в режиме ввода.
Наиболее распространенный вид связи между различными электронно-вычислительными системами – это последовательный обмен. В этом случае байт данных передается по единственному проводу бит за битом с обеспечением синхронизации между приемником и источником данных. Очевидное преимущество последовательной передачи данных состоит в том, что она требует небольшого количества линий связи.
Существует множество стандартных последовательных протоколов передачи данных. В некоторых МК эти протоколы реализуются внутренними схемами, размещенными на кристалле, что позволят упростить разработку различных приложений.
Аналоговый компаратор.
Часто в МК встраивается аналоговый компаратор напряжений. Компаратор представляет собой простую схему, которая, которая сравнивает два напряжения. Обычно один сигнал называют входным, а другой опорным.[7] На выходе устанавливается «1», если входное напряжение больше, чем опорное (см. рис. 1.6). этот способ наиболее удобно использовать в таких устройствах, как термостаты, где необходимо контролировать достижение определенного уровня измеряемой величины, которая задается значением входного напряжения.
Рис. 1.6. Сигналы на входе и выходе аналогового компаратора.
Программирование устройств
Программирование устройств, в том числе и микроконтроллеров обычно происходит следующим образом. В регистр программатора загружается значение, которое необходимо разместить по определенному адресу, затем включается схема, которая пересылает содержимое этого регистра по заданному адресу, проходит некоторое время ожидания, пока завершится процесс программирования выбранной ячейки памяти и, наконец, выполняется верификация, т.е. проверяется правильность записанного значения. Программирование всего устройства может занять от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от размера памяти и алгоритма программирования.
Часто оборудования для программирования оказывается слишком дорогим, особенно для радиолюбителей и предприятий малого бизнеса. Но в некоторых случаях для программирования требуется весьма простое и доступное оборудование. К примеру, некоторые модели PIC и AVR микроконтроллеров программируются очень легко. Существует также устройства, которые не требуют оборудования для программирования, например, МК Basic STAMP, или имеют встроенный аппаратно-программный блок, избавляющий от необходимости использования внешнего оборудования, кроме источника повышенного напряжения для программирования, как МК 68НС05.
Очень важный аспект, касающийся программирования устройств, заключается в том, что может ли устройство быть запрограммировано в системе. Это называется внутрисистемное программирование (ВСП) – от английского In-System Programming (ISP). Если МК допускает возможность такого программирования, то это означает, что он может быть смонтирован на плату с пустой памятью программ, которая затем может быть запрограммирована без какого либо влияния на остальные компоненты схемы. Это может стать важным обстоятельством при выборе МК. Использование ВСП избавляет МК от необходимость покупать специальный программатор, дает возможность обновлять программное обеспечения без изменения расположенных на плате аппаратных средств и позволяет производителям создавать запас готовых изделий, которые могут легко модифицироваться в соответствии с поступающими заказами.
Безопасность памяти программ
Для многих приложений желательно защитить программный код, записанный в МК. Чтобы обеспечить такую возможность многие МК содержат специальные средства для предотвращения считывания хранящихся в них программ. Часто такая возможность реализуется путем установки определенного значения конфигурационного бита в процессе программирования. Обычно значения этого бита можно изменить только в процессе перепрограммирования содержимого памяти МК, например при УФ стирании содержимого EPROM.
Встроенная защита не может предотвратить все возможности считывания программного кода. Такое считывание можно произвести во многих лабораториях, выполняющих анализ причин отказов микросхем, причем за очень короткое время. Чтобы усложнить и сделать операцию считывания менее эффективной, некоторые компании зашифровывают записанные программы путем перемешивания команд и включают специальные аппаратные блоки, которые преобразуют перемешенные данные в поток команд процессора. И все же, установка бита защиты не может гарантировать абсолютную защиту программного кода загруженного в МК.
