Procesory sygnałowe i mikrokontrolery

PROCESORY SYGNAŁOWE I

MIKROKONTROLERY

Mariusz Pauluk

Wykład IV Mikrokontrolery

Kierunek: Automatyka i Robotyka

AGH, Katedra Automatyki

Architektura Von Neumanna

Rozwinął ją węgierski matematyk: John von Neumann.

Koncepcja ta została po raz pierwszy opublikowana w 1946 roku
wspólnie przez: Burk’a, Goldstine’a i Von Neumanna. Zdominowała
budowę komputerów na następne dziesięciolecia. J. von Neumann
był jednym z konsultantów przy budowie komputera ENIAC.

Podstawowym układem jest ALU (ang. Arithemtic Logic Unit),

wykonuje  w  kilku  cyklach  podstawowe  operacje,  takie  jak:
dodawanie, odejmowanie, przesuwanie, zapisywanie do rejestrów.
Bardziej skomplikowane operacje, takie jak: mnożenie i dodawanie
realizowane  są  za  pomocą  operacji  dodawania,  odejmowania  i
przesunięcia. Sa to tak zwane urządzenia typu CISC (ang. Complex
Instruction  Set  Computers),  gdzie  operacja  mnożenia  polega  na
wykonania  kilku  mikrokodów  zapisanych  w  pamięci  ROM.  Dlatego
operacje takie trwają nawet kilkanaście cykli procesora

Cechy charakterystyczne

Architektura von Neumanna

program i dane przechowywane są w tej samej pamięci,
dostęp do programu i danych jest sekwencyjny,
jedna magistrala obsługująca pamięć programu i danych
architektura ta jest łatwiejsza do zrealizowania,
ograniczenia wynikające z niej nie stanowiły poważnego problemu,
przedstawicielami tej technologii są produkty np. Motorola serii

68000, Intel seria i86.

ADRES

DANE I ROZKAZY

Komputer IAS

W 1951 roku zbudowano w Institute for Advanced Studies w Prinston

komputer wg koncepcji Johna von Neumanna, w którym nie wyróżnia się
danych, tylko umieszcza się je razem z programem we wspólnej pamięci i
odczytuje sekwencyjnie.

Schemat blokowy komputera IAS

ALU

UKŁAD

ZARZĄDZAJĄCY

PROGRAMEM

URZĄDZENIA

WEJŚCIA WYJŚCIA

WSPÓLNA PAMIĘĆ

DANYCH I PROGRAMU

Mikroprocesor - architektura

Zespół rejestrów:

dedykowane rejestry – szybsze rozwiązanie (np. Z80)
rejestry stanowią część pamięci RAM – wolniejsze
rozwiązanie (np. ST52x420G2)

Jednostka arytmetyczno - logiczna:

dodawanie, odejmowanie, porównanie dwóch liczb
operacje logiczne AND, OR, EXOR, przesuwanie o n bitów

w lewo lub prawo
operacje na bitach: ustawianie, zerowanie i negowanie bitu
operace wykonywane na liczbach typu : NKB, BCD i U2

Mikroprocesor - architektura

Układ sterowania z dekoderem rozkazów:

faza pobrania kodu operacji,
faza wykonania operacji.

Magistrala adresowa
Magistrala danych
Magistrala sterująca

Mikroprocesor - schemat blokowy

REJESTRY

ALU

UKŁAD

STERUJĄCY

SZYNA DANYCH

SZYNA ADRES.

SZYNA STER.

Mikrokontroler

Jest to mikroprocesor ze zintegrowanymi w jednym układzie

scalonym urządzeniami wejścia wyjścia (I/O). Integracja
realizowana

jest zarówno

na poziomie

sprzętowym

(elektrycznym) jak i logicznym (ingerencja w wewnętrzną
strukturę mikroprocesora.)

Najczęściej mikrokontrolery wyposażane są w:

porty równoległe,

porty szeregowe,

pamięć programu i pamięć danych,

przetworniki A/D i D/A,

moduły komunikacji szeregowej: SPI, I

C, RS485,

kontrolery chip-kart,

kontrolery wyświetlacza LCD,

Mikrokontroler - schemat blokowy

REJESTRY

ALU

UKŁAD

STERUJĄCY

SZ. ADR.

SZ. DANYCH

RÓWN. PORTY I/O

SZEREGOWE
PORTY I/O

PAMIĘĆ

PROGRAMU

PAMIĘĆ

DANYCH

KONTROLERY

URZĄDZEŃ

ZINTEGROWAN.

A/D PRZ.

D/A PRZ.

ISTR

SZER

I/0

SZ. STER.

, 7S

ŚW

Adresowanie

Adresowanie za pomocą wskaźników: MOV A,@R0

PAMIĘĆ

KOD ROZKAZU

KOMÓRKA Z DANĄ

R0 jest wskaźnikiem

Adresowanie natychmiastowe: MOV A,#13h

PAMIĘĆ

KOD ROZKAZU

KOMÓRKA Z DANĄ

...

Adresowanie

Adresowanie bezpośrednie: MOV A,12h

PAMIĘĆ

KOD ROZKAZU

ADRES = 12h

...

12h

DANA

Adresowanie

Adresowanie indeksowe: MOVX A,@(A+DPTR)

PAMIĘĆ

KOD ROZKAZU

ADRES = 12h

...

12h

DANA

Adresowanie

Adresowanie względne: JP 16H

PAMIĘĆ

KOD ROZKAZU

PRZESUNIĘCIE = 16h

...

PC=PC+16h

∑

Device

Vcc (V)

Pins

TWI

SPI

ISP UART

2,7-5.5

Yes

2.7-5.5

16, 24

Yes

2,7-5.5

Yes

2,7-5.5

Yes

2,7-5.5

40, 44

Yes

2,7-5.5

40, 44

Yes

2.7-5.5

Yes

2,7-5.5

Yes

2,7-5.5

Yes

5.0

40, 44

Yes

5.0

40, 44

Yes

5.0

40, 44

Yes

Flash

(Kbytes)

EEPROM

(Kbytes)

Mask

ROM

(Kbytes)

OTP

(Kbytes)

F.max

(MHz)

16-bit

Timer

10-bit

A/D

(chann

els)

Watchd

AT80C5112
AT83C5103
AT83C5111
AT83C5112
AT83C51RB2
AT83C51RC2
AT87C5103
AT87C5111
AT87C5112
AT87F51
AT87F51RC
AT87F52

DANE ZE STRONY www.atmel.com

Procesory serii AT80, 83, 87

Device

Vcc (V)

Pins

TWI

SPI

ISP

UART

2,7-6.0

2.7-6.0

2,7-6.0

4.0-6.0

40, 44

2.7-5.5

Yes

2.7-5.5

Yes

2.7-5.5

Yes

4.0-6.0

40, 44

Yes

2.7-5.5

Yes

2.7-5.5

Yes

4.0-6.0

40, 44

4.0-6.0

40, 44

Yes

2,7-6.0

40, 44

Yes

2,7-6.0

40, 44

Yes

2,7-6.0

40, 44

Yes

2,7-6.0

40, 44

Yes

2,7-6.0

40, 44

2,7-6.0

40, 44

2,7-6.0

4,0-6.0

40, 44

Yes

4,0-6.0

40, 44

Yes

4,0-6.0

40, 44

Yes

Flash

(Kbytes)

EEPROM

(Kbytes)

Mask

ROM

(Kbytes)

OTP

(Kbytes)

F.max

(MHz)

16-bit
Timer

10-bit

A/D

(chann

els)

Watchd

AT89C1051U
AT89C2051
AT89C2051x2
AT89C4051
AT89C51
AT89C51ED2
AT89C51ID2
AT89C51RB2
AT89C51RC
AT89C51RC2
AT89C51RD2
AT89C52
AT89C55WD
AT89LS51
AT89LS52
AT89LS53
AT89LS8252
AT89LV51
AT89LV52
AT89LV55
AT89S51
AT89S52
AT89S53

Procesory serii AT89

DANE ZE STRONY www.atmel.com

Device

Vcc (V)

Pins

TWI

SPI

ISP

UART

2,7-5.5

24, 28

2,7-5.5

24, 28

2,7-5.5

24, 28

###

24, 28

Yes

###

44, 64

Yes

2,7-5.5

Yes

2,7-5.5

40, 44

2,7-5.5

40, 44

2,7-5.5

40, 44

Yes

2,7-5.5

40, 44

2,7-5.5

40, 44

Yes

2,7-5.5

40, 44

Yes

2,7-5.5

40, 44

Yes

2,7-5.5

40, 44

Yes

2,7-5.5

40, 44, 64, 68 60

Yes

2,7-5.5

40, 44

Yes

2,7-5.5

40, 44

Yes

2,7-5.5

40, 44

Yes

2,7-5.5

40, 44, 64, 68 40

Yes

2,7-5.5

Yes

2,7-5.5

40, 44

2,7-5.5

40, 44

Yes

2,7-5.5

40, 44

Yes

2,7-5.5

40, 44

Yes

2,7-5.5

40, 44

Yes

Flash

(Kbytes)

EEPROM

(Kbytes)

Mask

ROM

(Kbytes)

OTP

(Kbytes)

F.max

(MHz)

16-bit

Timer

10-bit

A/D

(chann

els)

Watchd

T83C5101
T83C5102
T87C5101
T89C5115
T89C51AC2
T89C51IC2
TS80C31X2
TS80C32X2
TS80C51U2
TS80C52X2
TS80C54X2
TS80C58X2
TS83C51RB2
TS83C51RC2
TS83C51RD2
TS83C51U2
TS87C51RB2
TS87C51RC2
TS87C51RD2
TS87C51U2
TS87C52X2
TS87C54X2
TS87C58X2
TSC80251G2D
TSC83251G2D

Procesory serii T83, 87, 89

DANE ZE STRONY www.atmel.com

Sprzętowa realizacja układu „watchdog”

P3.0

555

RESET

VCC

=kRC

IMP

AT89C51RB2/RC2 - Watchdog

Watchdog - jest to układ mający na celu nadzorowanie poprawności

wykonywanego przez procesor programu. W przypadku „zawieszenia” się
procesora układ watchdoga powinien podać aktywny sygnał RESET.

W procesorze Atmela funkcję WD’a pełni 14 bitowy licznik oraz rejestr

typu  SFR  -  WDTRST  (0A6H).  Po  uruchomieniu  procesora  WD  jest
wyłączony.  Uruchamia  się  go  wpisując  do  rejestru  WDTRST  kolejno
wartości: 01Eh i 0E1h. Od tej chwili licznik WD’a zlicza cykle maszynowe.
Nie  ma  możliwości  wyłączenia  WD’a,  za  wyjątkiem  podania  sygnału
RESET.

Gdy licznik się przepełni (po 16383 cyklach) nastąpi podanie sygnału

RESET i procesor wyzeruje się. Jedyną możliwością, aby zapobiec temu, jest
zerowanie licznika zanim się przepełni. Licznik WD’a zeruje się tak samo jak
uruchamia. Ponowne wpisanie do rejestru WDTRST  wartości 01Eh i 0E1h,
wyzeruje  licznik.  Rozakaz  zerujący  WD  należy  umieścić  w  krytycznym
fragmencie  programu.  Zawieszenie  się  programu  spowoduje  najpóźniej  po
16,3 ms (XTAL 12MHz) wyzerowanie procesora.

Auto-programowanie

W aplikacjach typu „stand alone”, bardzo praktycznym i przydatnym jest mechanizm

samo-programowania się mikrokontrolera. Jest to funkcja pozwalająca na zdalne wpisanie
do mikrokontrolera nowego programu. Po tej operacji mikrokontroler powinien sam się
wyzerować.

Podstawowe problemy przy projektowaniu układu autoprogramującego:

Pamięć programu

Pamięć danych

ROM

EEPROM

RAM

Długi czas zapisu danych do pamięci

ROM powoduje zawieszenie procesora

w takiej konfiguracji

Program do podmiany

Program obsługujący funkcję

autoprogramowania

AT89C51RB2/RC2 - autoprogramowanie

Podstawowe własności Flash EEPROM’a

pamięć programu,
możliwość zdefiniowania adresu „bootloadera”,
domyślny „bootloader”,
programowanie 5V,
programownaie bajtu - 10ms,
programowanie 32kB - ok.. 10s,
10 000 cykli zapisu,
okres podtrzymania danych - 10 lat
programowanie po 1 bajcie lub po stronach 128 bajtowych,
nie jest wymagane wymazanie pamięci przed zaprogramowaniem,
wbudowana biblioteka API do programowania pamięci z poziomu

aplikacji

API - AT89C51RB2/RC2

W procesorze ATMELA dodano drugi rejestr DPTR. Program operuje na rejestrze

DPTR0 lub DPTR1 w zależności od ustawienia bitu DPS.
DPS = AUXR1.0 (adres SFR = 0A2h). DPS = 0 wskazuje na DPTR0 jako aktywny,
DPS = 1 wskazuje na DPTR1.

Funkcje API wywołuje się zawsze poprzez tę samą procedurę PGM_MTP

umieszczoną w pamięci pod adresem FFF0h. Numer wywoływanej funkcji ustawia
się w rejestrze R1.

Wybrane funkcje API:

Komenda

DPTR0

DPTR1

Wartość zwrotna

Opis funkcji

WYMAŻ BLOK

01h

xxh

00h

ACC = DPH

ZAPISZ BAJT

02h

Adres bajtu

09h

DPH = 00h, DPH =

20h, DPH = 40h

Wymaż blok 0000h - 1FFFh,
Wymaż blok 2000h - 3FFFh,

Wymaż blok 4000h - 7FFFh

wartość do

zaprogram

owania

ACC = 0 -

arealizowano

Zaprogramowanie jednego

bajtu w pamięci programu

PROGRMAUJ

STRONĘ DANYCH

Liczba

bajtów do

zaprogram

owania

Adres pierwszego

bajtu do

zaprogramowania w

pamięci programu

Adres pierwszego

bajtu do

zaprogramowania

w XRAM

ACC = 0 -

arealizowano

Programowanie do 128 bajtów

w pamięci programu.

Kompilator C – SDCC

SDCC jest to kompilator ANSI C
Produkt dystrybuowany jest w wersji opensource i freeware
Kompilator przenaczony jest m.inn. dla procesorów z rodziny

Intel MCS51 (8031,8032,8051,8052)

Kompilator wykorzystuje assembler i linker dla powy`zszych

procesorów dostęnych także w wersji freeware.

Typy danych:

Char 8 bitów (1 bajt)
Short i Int 16 bitów (2 bajty)
Long 32 bity (4 bajty)
Float 32 bity zgodnie ze standardem IEEE

SDCC - ang. Small Device C Compiler,
przedrostki typów danych

Kompilacje wykonuje się komendą sdcc plik.c
Kompilacja gdy projekt zajmuje kilka plików:

sdcc -c plik1.c plik z funkcjami
sdcc -c plik2.c plik z funkcjami
sdcc -c main.c plik z funkcją main
sdcc main.rel plik1.rel plik2.rel – plik główny powinien być na pierwszym

miejscu

Przedrostki dla typów zmiennych dla procesorów z rodziny MCS51

data – jest to domyślny przeddrotek dla zmiennych, określa miejsce

umieszczenia zmiennej w wewnętrznej pamięci RAM, bezpośrednio adresowanej,
np. data unsigned char x

xdata – przedrostek wskazujący, że dana powinna być przechowywana w

zewnętrznej pamięci RAM, np. xdata int y, po takiej deklaracji dwa bajty zostaną
zarezerwowane w zewnętrznej pamięci RAM

SDCC – przedrostki typów danych

idata – zmienna zadeklarowana z takim przedrostkiem zostanie przechowana w

wewnetrznej pamięci RAM adresowanej pośrednio, np. idata unsigned char ala,
zapis jakiejś wartości do takiej zmiennej zostanie wykonany przez dwie instrukcje
assemblerowe:

Przykład:

mov R0, #_ala
mov @R0,#nowa_wartosc

code – zmienna z takim przedrostkiem zostanie ulokowana w pamięci programu.

Na ogół taką zmienną można wyłącznie odczytywać

pdata – przedrostek definiujący pamięć stronicowaną, dla rodziny MCS51

zawsze jest to kontakt z zewnętrzną pamięcią danych, np. pdata unsigned char
*wskaznik

Przykład:

pdata unsigned char *wskaznik
wskaznik = (pdata *)0x00ff;
*wskaznik = 23;

SDCC – przedrostki typów danych

bit – przdrostek określa, że deklarowana zmienna jest bitem i należy ją

umieścić w wewnętrznym obszarze pamięći RAM procesora adresowanej bitowo,
np. bit zmienna_bitowa

sfr lub sbit – przedrostki określają zarówno typ zmiennej jak również miejsce

ich skjładowania, pierwszy definiuje Special Function Register, a drugi Special
Bit, przedrostki pomocne przy dostosowywaniu kompilatora do procesorów
pochodnych rodziny MCS51, np. ADuC812, ADuC831, AT89C51RC2,

Przykład:

sfr at 0xC8 T2CON;
sbit at 0xCF TF2;

SDCC, wskaźniki

Istnieje kilka sposobów deklaracji wskaźników:

xdata unsigned char * data wskażnik –

wskaźnik do zmiennej w xdata, wskaźnik

przechowywany w pamięci wewnętrznej RAM

data unsigned char * xdata wskażnik –

wskaźnik do zmiennej w wewnętrznej

pamięci danych, wskaźnik przechowywany w zewnętrznej pamięci RAM

data unsigned char * code wskażnik –

wskaźnik do zmiennej w wewnętrznej

pamięci RAM, wskaźnik przechowywany w pamięci programu

code unsigned char * code wskażnik –

wskaźnik do zmiennej w pamięci programu,

wskaźnik przechowywany w pamięci programu

Wskaźniki dla których nie została określona pamięć mają długość

3 bajtową

SDCC, adresowanie bezwzględne

Można narzucić kompilatorowi adres, pod którym zmienna

ma być przechowywana, np.

data at 0x01aa int zmienna

Zmienna będzie przechowywana w dwóch bajtach, o adresach

0x01aa i 0x01ab

Kompilator nie rezerwuje tego adresu, tzn. że może wystąpić

konflikt z innymi zmiennymi, programista sam musi to kontrolawać.

Adresy przydzielone poszczególnym zmiennym można sprawdzić

w plikach .rst, .lst i .map

Adresowanie bezwzględne dostęne jest dla każdego typu zm

iennej

i każdej pamięci, także dla zmiennej bitowej

SDCC - Zmienne lokalne i parametry funkcji

Zmienne lokalne i parametry funkcji są przechowywane w pamięci

wewnętrznej lub zewnętrznej w zależności o opcji kompilatora (small
model i large model) – domyślna działalnośc kompilatora, takie
funkcje określane są jako non-reentrant

Powyższe zmienne mogą być także przechowywane na stosie

(funkcje takie określa się jako reentrant), zamiast w pamięci, w tym
celu na końcu nagłówka funkcji należy umieścić słowo kluczowe
reentrant np.
void funkcja_przykladowa (param1 int) reentrant

Jeżel parametry funkcji mają zdefiniowaną pamięć gdzie powinny być

przechowywane, to zostanie to zignorowane, a parametry funkcji zostaną i tak
umieszczone na stosie,

Na stosie zostaną umieszczone tylko te zmienne lokalne, które nie mają

zdefiniowanych jawnie pamięci, w których maja być przechowywane

SDCC - Nakładanie się zmiennych

Kompilator ma wbudowany mechanizm optymalizacji ilości

zużywanej pamięci wewnętrznej, w tym celu wyodrębnia w niej
fragment na zmienne, które mogą zajmować ten sam adres fizyczny,
obszar ten określa się jako overlayable segment

Zmienne i parametry funkcji umieszczane są w overlayable segment

jeżeli:

Funkcja nie ma w sobie wywołań do innych funkcji
Funkcja jest non-reentrant
Model pamięci jest small – domyślny

Jeżeli zmienna lokalna funkcji ma jawnie określoną pamięć, w której

ma być przechowywana, taka zmienna nie zostanie umieszczona w
segmencie overlayable

Mechanizm umieszczania zmiennych w segmencie overlayable jest

domyślny, w kilku przypadkach może spowodować błędy

SDCC - Overlayable segment

Kompilator decyduje o umieszczeniu zmiennych we wspólnym

segmencie pamięci jeżeli wykluczy ich równoczesne wykorzystanie, nie
zawsze jednak potrafi to trafnie ocenić

Kompilator nie analizuje pod tym względem zawartośći programu po

słowie kluczowym inline (czyli nie analizuje assemblera umieszczonego w
ciele funkcji), jeżeli z poziomu assemblera wywołana jest inna funkcja, to
może się okazać, że funkcja wywołująca i wywoływana ma pewne zmienne
przechowywane we wspólnym obszarze pamięci

Aby uniknąć możliwośći wystąpienia takiej kolizji, funkcja wywoływana z

poziomu assemblera powinna być skompilowana jako reentrant, w tym
celu wykorzystuje się komenndę preprocesora #pragma NOOVERLAY,
którą umieszczaja się przed funkcją wywoływaną

Podobna sytuacja zachodzi dla funkcji wywoływanych z poziomu funkcji

obsługujących przerwania

SDCC - Overlayable segment

Przykład:

#pragma SAVE

//zachowanie dotychczasowych ustawień

#pragma NOOVERLAY

// ustawienie opcji, nie umiesczania we wspólnej pamięci

void ustaw_adres(int adres) {
int adres_koncowy;
adres_koncowy = adres*32;
}
#pragma RESTORE

//przywrócenie początkowych ustawień

void obsluga_przerwania() interrupt 2 {
ustaw_adres(16);
}

}

SDCC - Przerwania

Funkcję obsługującą przerwanie defiunuje się następująco:

void funkcja(void) interrupt 1 {...;}

Nie jest zalecane wywoływanie innych funkcji z procedury

obsługi przerwań

Nie należy używać w procedurach obsługi przerwań bilblioteki z

funkcjami mnożenia,dzielenia itp. na liczbach typu int i long.
Chyba, że zostaną przekompilowane z opcją:

--stack-auto, i ponownie z opcją
--int-long-rent

Jeżeli procedura obslugująca przerwania modyfikują zmienną,

która dostępna jest także dla innych procedur, to taką zmienną
należy zadeklarować z przedrostkiem volatile

SDCC - Assembler

Wewnątrz

funkcji

możnba

umieszczać kod napisany w
assemblerze, służą do tego
przedrostki

_asm

_end asm

pomiędzy którymi należy umieścić
kod (linijka pod linijką) w
assemblerze

Przykład 1:

void przyklad(void)
{
DPTR = 132;
_asm
MOV DPTR,#132
_endasm
}

Pomocną

niebezpieczną

dyrektywą do umieszczania kodu w
assemblerze jest:

_naked

która

powoduje, że kompilator nie
zabezpiecza

zmiennych

przed

wywołaniem funkcji, nie umieszcza
także na jej końcu instrukcji ret

Przykład 2:

void f_przyklad(void) interrupt 1 _naked
{
_asm
M?OV DPTR,#132
reti
_endasm
}