Sprzętowy emulator procesorów T Y
P R O J E K AVR
Sprzętowy emulator
procesorów AVR
AVT-5039
Wzrastająca z dnia na
dzie� popularnośĘ procesor�w
RISC z rodziny AVR,
środowisku programistycznym, ta-
produkowanych przez firm�
kim jak BASCOM czy Code Vi-
ATMEL, spowodowała istną
sionC, to zaprogramowanie proce-
lawin� coraz to nowszych
Kałdy elektronik wie, jak bar- sora i przygotowanie układu do
narz�dzi programowych
dzo dobry emulator sprz�towy przeprowadzenia stosownych tes-
i sprz�towych wspomagających
mołe ułatwiĘ prac� i przyspieszyĘ t�w sprowadza si� najcz�ściej do
opracowywanie program�w dla
tworzenie nowego oprogramowa- jednego klikni�cia myszką lub
tych procesor�w. Na łamach
nia. Jednak skonstruowanie na- naciśni�cia jednego klawisza. Wy-
EP opisaliśmy juł kilka
prawd� dobrego emulatora jest nika z tego, łe emulator sprz�to-
programator�w i zestaw�w
zadaniem trudnym, a układy tego wy dla procesor�w AVR, b�dący
uruchomieniowych, ale do typu są zazwyczaj dośĘ skompli- komfortowym, ale nie nieodzow-
pełni szcz�ścia brakowało - kowane i kosztowne. Dlatego teł, nym uzupełnieniem zestawu na-
pomimo łe zdawałem sobie spra- rz�dzi pracy, nie mołe byĘ ukła-
jak do tej pory - jedynie
w� z konieczności zaprojektowa- dem nadmiernie skomplikowanym
jakiegoś prostego emulatora
nia emulatora sprz�towego dla ani kosztownym.
sprz�towego, umołliwiającego
procesor�w AVR, odwlekałem Rozwiązanie problemu przy-
testowanie napisanego
dośĘ długo rozpocz�cie prac nad szło nagle i z pokorą musz� przy-
oprogramowania
takim urządzeniem. Wszystkie znaĘ, łe bynajmniej nie jest ono
w środowisku, dla kt�rego
procesory z rodziny AVR mogą moją zasługą. Program monitora,
zostało przeznaczone.
byĘ programowane w systemie ISP umołliwiający emulacje proceso-
(In System Programming), co po- r�w AVR za pomocą procesor�w
woduje, łe stosowanie emulato- AVR, powstał w niezawodnej jak
r�w jest wprawdzie połądane, zwykle firmie MCS Electronics,
lecz nie absolutnie konieczne. został napisany przez mojego
Kałdy procesor AVR mołna za- Przyjaciela, pana Marka Albertsa.
programowaĘ bezpośrednio w jego Program ten umołliwił zbudowa-
docelowym środowisku bez ko- nie emulatora o dobrych paramet-
nieczności wyjmowania z pod- rach, a do tego niezwykle proste-
stawki, umieszczania w programa- go i łatwego do wykonania.
torze i ponownego instalowania Mog� zaproponowaĘ dwie me-
w systemie. Jełeli przy tym pra- tody przeprowadzania emulacji
cujemy w dobrze opracowanym sprz�towej procesor�w AVR. Pier-
Elektronika Praktyczna 12/2001
21
Sprzętowy emulator procesorów AVR
AT90S8535, jeden z najbardziej
rozbudowanych układ�w z rodzi-
ny AVR. Wyb�r procesora został
jednak podyktowany nie przez
ch�Ę skorzystania z jego rewela-
cyjnych mołliwości. Rzeczywis-
tym powodem była liczba dost�p-
nych wyprowadze�, kt�ra umoł-
liwia emulacj� praktycznie wszyst-
kich procesor�w AVR. Na list. 1
pokazano cały program sterujący
pracą procesora, wraz z dyspozy-
cjami konfiguracyjnymi i komuni-
katami wst�pnymi, kt�re mogą
byĘ wyświetlone po podłączeniu
układu do monitora złącza RS232.
Rys. 1. Schemat elektryczny konwertera napięć RS232/TTL.
Program, kt�rego treści (nie b�dąc
wsza z nich, nie wymagająca pra- szych� procesor�w AVR - jego autorem) nie komentuj�, jest
wie ładnego dodatkowego sprz�- AT90S8535. Zastosowanie go po- niezwykle prosty i zajmuje w pa-
tu, polega na emulacji pracy zwoli na testowanie układ�w za- mi�ci procesora zaledwie ok. 1kB.
procesora za pomocą procesora wierających taki właśnie procesor Mołe to sprawiaĘ wrałenie, łe
tego samego typu umieszczonego lub dowolny inny z rodziny AVR ogromne mołliwości '8535 zostały
w przeznaczonym dla niego śro- posiadający r�wną lub mniejszą w tym układzie wykorzystane
dowisku. Jest to rozwiązanie bar- liczb� wyprowadze�. tylko w niewielkim stopniu. Tak
dzo proste, a do jego realizacji Za pomocą tego układu emu- jest w istocie, procesor spełnia tu
b�dziemy potrzebowaĘ jedynie latora mołemy symulowaĘ prac� bardzo proste funkcje i mołna
prostego układu, kt�rego zada- nast�pujących typ�w procesor�w nawet powiedzieĘ, łe si� �marnu-
niem b�dzie konwersja poziom�w z rodziny AVR: AT90S2313, je�. Myśl� jednak, łe wartośĘ
napi�Ę wyst�pujących na łączu AT90S2343, AT90S8515, ułytkowa emulatora jest tak duła,
RS232 na poziomy napi�cia TTL AT90S8535, AT90S4433, AT TI- łe budując go mołemy pozwoliĘ
i odwrotnie. Taki układ konwersji NY (wszystkie typy), AT90S2323, sobie na taką rozrzutnośĘ i zasto-
najprościej wykonaĘ z wykorzys- AT MEGA161, AT MEGA16 i AT sowaĘ w nim nawet drogi i nie
taniem popularnego układu MEGA32. Nie jest natomiast moł- w pełni wykorzystany element.
MAX232. Schemat konwertera zo- liwe testowanie układ�w zbudo- Ponadto, chciałbym zaprezento-
stał pokazany na rys. 1. Niestety, wanych na 64-pinowych proceso- waĘ Czytelnikom sw�j spos�b wi-
taka metoda realizacji emulacji rach z serii AT MEGA. dzenia nowoczesnych i - co bar-
sprz�towej niesie ze sobą jedno, Proponowany układ emulatora dzo wałne - programowalnych
powałne ograniczenie: wyprowa- sprz�towego jest urządzeniem bar- w systemie procesor�w. Przecieł
dzenia TxD i RxD procesora nie dzo prostym, zbudowanym z wy- taki chip mołe pełniĘ bardzo
mogą byĘ wykorzystywane do ni- korzystaniem zaledwie dw�ch ułyteczną funkcj�, o jakiej zapew-
czego innego, za wyjątkiem obsłu- układ�w scalonych. Jednak za t�
gi transmisji RS232. prostot� i niewielki koszt wykona-
List. 1.
Znacznie doskonalsze rozwią- nia urządzenia musimy zapłaciĘ
$regfile =  8535def.dat
$crystal = 11059200
zanie polega na zbudowaniu uni- nie najwi�kszą szybkością pracy
$baud = 115200
wersalnego sprz�towego emulato- emulatora. Ta właśnie wada unie- Dim Krk As Byte
Dim Adr As Word
ra procesor�w AVR. Układ taki mołliwia symulacj� niekt�rych
Dim Adrl As Byte, Adrh As Byte
Dim Vl As Byte
został przeze mnie skonstruowany czynności, wymagających bardzo
Print  Emulator sprzętowy procesorów AVR
w oparciu o jeden z �najwi�k- precyzyjnego timingu (zestawienie
Print  ***********AVT - 5039**************
Print  Ustaw szybkość transmisji na 115200 Baud
mołliwych do emulowania funk-
Print  Emulacja procesorów następujących typów:
Print  AT90S2313, AT90S2323, AT90S8515
cji zamieszczono w tab. 1).
Tab. 1.
Print  AT90S2343, AT90S8535, AT90S4433 
Print  i pozostałych z rodziny AVR, z wyjątkiem AT MEGA
Funkcja ............................ Możliwość realizacji
Opis działania układu
Do
Transmisja danych poprzez magistralę I2C ......... Tak
Krk = Inkey()
Schemat elektryczny układu
Transmisja danych magistralą 1WIRE ................. Nie If Krk =  T Then
Print Chr(13);
Zegar czasu rzeczywistego .................................. Nie
emulatora pokazano na rys. 2.
Elseif Krk =  W Then
Obsługa klawiatury szesnastkowej Adr = Waitkey()
Wygląda on pozornie na skompli-
Vl = Waitkey()
(polecenie GETKBD) ............................................ Tak
Out Adr, Vl
kowany, ale jełeli przyjrzymy mu
Odbiór kodu RC5 ................................................. Nie Print Chr(13);
si� bliłej, to z pewnością zauwa- Elseif Krk =  R Then
Operacje na portach i pinach portów .................. Tak
Adr = Waitkey()
Obsługa wyświetlacza LCD .................................. Tak łymy, łe cała prawa cz�śĘ sche-
Vl = Inp(adr)
Print Chr(vl);
Transmisja RS232 .............................................. Tak*
matu to tylko złącza, dla jasności
Elseif Krk =  O Then
Zapis i odczyt z pamięci danych EEPROM .......... Tak Adrl = Waitkey()
przedstawione wraz z opisem wy-
Adrh = Waitkey()
Obsługa przetworników AD ................................. Tak
Vl = Waitkey()
prowadze� obsługiwanych przez
Obsługa przerwań zewnętrznych ......................... Tak Adr = Adrh * 256
Adr = Adr + Adrl
nie procesor�w.
Multipleksowanie wyświetlaczy LED ................... Tak
Out Adr, Vl
�Sercem� emulatora jest zapro- Print Chr(13);
* transmisja danych poprzez RS232 jest dodatkowo
End If
gramowany procesor typu
symulowana programowo Loop
Elektronika Praktyczna 12/2001
22
Sprzętowy emulator procesorów AVR
tak jak podaje producent '8535.
Praktyka jest jednak inna: do-
świadczalnie stwierdzono, łe pro-
cesory AVR wytrzymują �bez szko-
dy dla zdrowia� znacznie wi�kszą
Rys. 2. Schemat elektryczny emulatora.
liczb� programowa�.
ne nie myśleli jego tw�rcy z firmy cją procesor�w AVR umieszczamy Analizując schemat pokazany
ATMEL. Mołe on byĘ czymś procesor z powrotem w mierniku na rys. 2, wielu Czytelnik�w
w rodzaju uniwersalnego, repro- i ponownie programujemy go zauwałyło juł z pewnością dras-
gramowalnego przyrządu laborato- właściwym dla tego przyrządu tyczne odst�pstwo od reguł pro-
ryjnego. Programowanie proceso- programem. Taki cykl przeprogra- jektowania układ�w z procesorem
r�w AVR trwa dosłownie sekun- mowywania procesora mołemy '8535. Juł po raz drugi wyst�puj�
dy, a budowa potrzebnego do tego teoretycznie wykonaĘ 1000 razy, w roli prowokatora lekkomyślnie
celu programatora jest banalnie
prosta (np. programator AVT-871).
Tab. 2.
Zał�łmy, łe w naszej pracy wy-
Kwarc 1000000Hz 4000000Hz 7372800Hz 8000000Hz 11059200Hz
korzystujemy miernik cz�stotli-
Baudrate Zgodność uzyskanej szybkości transmisji z zadaną
wości AVT-5034 zbudowany takłe
2400 0,2% 0,2% 0,0% 0,2% 0,0%
z wykorzystaniem procesora '8535.
4800 0,2% 0,2% 0,0% 0,2% 0,0%
Jełeli w jakimś momencie okałe
9600 7,5% 0,2% 0,0% 0,2% 0,0%
si�, łe musimy skorzystaĘ z emu-
14400 7,8% 2,1% 0,0% 0,8% 0,0%
latora sprz�towego AVR, to po
prostu przeprogramowujemy pro- 19200 7,8% 0,2% 0,0% 0,2% 0,0%
28800 7,8% 3,7% 0,0% 2,1% 0,0%
cesor umieszczony w mierniku
(wykorzystując wbudowany w ten 38400 22,9% 7,5% 0,0% 0,2% 0,0%
układ interfejs ISP) i umieszcza- 57600 7,8% 7,8% 0,0% 3,7% 0,0%
my go w emulatorze. Po zako�- 76800 22,9% 7,8% 0,0% 7,5% 0,0%
czeniu prac związanych z emula-
115200 84,3% 7,8% 0,0% 7,8% 0,0%
Elektronika Praktyczna 12/2001
23
Sprzętowy emulator procesorów AVR
Z danych zawartych w tabeli
WYKAZ ELEMENTÓW
wynika niezbicie, łe maksymal-
Kondensatory
ną szybkośĘ transmisji wynoszą-
cą 115200bd mołna uzyskaĘ je- C1, C2: 27pF
dynie z rezonatorami kwarcowy- C3...C6: 4,7�F/10V
mi o cz�stotliwości 7372800Hz
C7: 100�F/10
i 11059200Hz. Cz�stotliwośĘ
C8: 100nF
7372800Hz mieści si� w granicach
C9: 1�F/16V
dopuszczalnej cz�stotliwości pracy
Rezystory
procesora '8535, ale rezonatory
R1: 10k&!
kwarcowe o takiej cz�stotliwości
Półprzewodniki
podstawowej są dośĘ trudno osią-
IC1: AT90S8535
galne. Kwarc 11059200Hz bez naj-
IC2: MAX232
mniejszego problemu kupimy
Różne
w kałdym sklepie z cz�ściami elek-
CON1: 10x2 goldpin
tronicznymi i dlatego zdecydowa-
CON2: 14x2 goldpin
łem si� na overclocking procesora.
CON3, CON4: 4x2 goldpin
Zabieg ten nie pociągnął za sobą
CON5, CON6: 20X2 goldpin
ładnych ujemnych skutk�w. Pod-
Q1: rezonator kwarcowy
czas długotrwałych test�w emula-
11,059MHz
tor pracował zawsze poprawnie,
Wtyk emulacyjny 20 pin
a jego szybkośĘ pracy mołna było
Wtyk emulacyjny 40 pin
uznaĘ za zadowalającą.
Jełeli jednak ktoś chciałby ry- Wtyk zaciskany 20 pin
gorystycznie przestrzegaĘ zasad po- Wtyk zaciskany 40 pin
Rys. 3. Rozmieszczenie elementów
na płytce drukowanej. danych w kartach katalogowych At- 0,5 m przewodu taśmowego 20 żył
mela i posiadałby kwarc o cz�stot- 0,5 m przewodu taśmowego 40 żył
lekcewałącego dane zawarte liwości podstawowej 7372800Hz, to
w karcie katalogowej opublikowa- mołe go bez problemu wykorzystaĘ
nej przez Atmela. �Stoi tam jak w układzie emulatora. Naleły jed- wotnie miało byĘ wykorzystywane
byk�, łe maksymalna cz�stotli- nak pami�taĘ wtedy o (bezwzgl�d- jedynie podczas testowania proto-
wośĘ taktowania tego procesora nie koniecznej) zmianie polecenia typu. Umołliwia ono dołączenie
wynosi zaledwie 8MHz, a ja za- konfigurującego cz�stotliwośĘ zega- do układu programatora ISP
stosowałem rezonator o cz�stotli- ra systemowego. Zamiast: i przeprogramowywanie procesora
wości podstawowej r�wnej ał $crystal = 11059200 bez konieczności wyjmowania go
11059200Hz. Co było powodem piszemy wtedy: z podstawki. Poniewał jednak to
tej, byĘ mołe ryzykownej decyzji? $crystal = 7372800 złącze (ani na schemacie, ani na
Ot�ł, byłą nią ch�Ę uzyskanie jak Oczywiście, mołna takłe zasto- płytce) w niczym nie przeszkadza,
najwi�kszej pr�dkości transmisji sowaĘ kwarc o innej cz�stotliwoś- postanowiłem, podobnie jak
danych poprzez interfejs RS232, ci, np. 8MHz. Spowoduje to jed- w przypadku innych opracowa-
od kt�rej w decydujący spos�b nak znaczne zmniejszenie szyb- nych przeze mnie układ�w z pro-
zaleły takłe szybkośĘ działania kości pracy emulatora oraz ko- cesorami AVR, nie usuwaĘ go.
emulatora. niecznośĘ zmiany nie tylko pole- Mołe ono okazaĘ si� wielce
Popatrzmy na tab. 2, w kt�rej cenia konfigurującego cz�stotli- ułyteczne dla tych ułytkowni-
zawarto dane zaczerpni�te z karty wośĘ oscylatora, ale takłe okreś- k�w, kt�rzy zechcą napisaĘ włas-
katalogowej procesora '8535. lającego szybkośĘ transmisji. Dane ną wersj� programu.
potrzebne do jej określenia zawar-
te są w tab. 2. Montał i uruchomienie
Drugim układem scalonym za- Na rys. 3 pokazano rozmiesz-
stosowanym w emulatorze jest po- czenie element�w na płytce dru-
pularny konwerter RS233/TTL, kowanej emulatora. Ze wzgl�du na
czyli znany chyba kałdemu elek- znaczną komplikacj� połącze� płyt-
tronikowi MAX232. Za pomocą ka została zaprojektowana na la-
tego układu, wspieranego przez minacie dwustronnym z metaliza-
sprz�towy UART wbudowany cją otwor�w. Montał układu wy-
w struktur� procesora AT90S8535, konujemy typowo, rozpoczynając
mołemy nawiązaĘ łącznośĘ z do- od wlutowania w płytk� dw�ch
wolnym komputerem wyposało- podstawek pod układy scalone,
nym w interfejs RS232. a ko�cząc na kondensatorach elek-
Naleły jeszcze wspomnieĘ trolitycznych i złączach do prze-
o złączu CON8, kt�rego przezna- wod�w taśmowych. Pomimo pod-
czenie było jak dotąd zagadkowe. j�tych stara�, nie udało mi si� jak
Złącze to nie pełni w układzie dotąd �zlokalizowaĘ� wtyk�w emu-
Rys. 4. Konfiguracja łącza
ładnej ułytecznej funkcji i pier- lacyjnych przeznaczonych dla pro-
szeregowego w BASCOM-ie.
Elektronika Praktyczna 12/2001
24
Sprzętowy emulator procesorów AVR
wtedy koniecznośĘ lutowania złą- ko klawiatur� skonfigurowaĘ mo-
cza DB25, a potrzebne nam prze- nitor do śledzenia wolnego aktu-
wody b�dziemy mogli zidentyfiko- alnie portu.
waĘ za pomocą omomierza. Mamy teraz mołliwośĘ spraw-
Emulator nie posiada własnego dzenia, czy poprawnie wykonaliś-
układu zasilającego, a potrzebne my wszystkie połączenia. Łączymy
do jego działania napi�cie pobie- port RS232 komputera z emulato-
rane jest z uruchamianego układu rem, a nast�pnie otwieramy okien-
mikroprocesorowego. ko terminala interfejsu RS232. Mu-
simy teraz wyzerowaĘ emulator
Rys. 5. Komunikat powitalny
wyświetlany w oknie terminala. Posługiwanie si� (najlepiej poprzez zwarcie wypro-
emulatorem wadze� kondensatora C9). Jełeli
cesor�w w obudowach 8-pino- Wykonany układ emulatora łą- wykonaliśmy poprawnie wszystkie
wych. Nie jest to jednak wi�kszy czymy z komputerem oraz z uru- połączenia i skonfigurowaliśmy
problem, poniewał do emulacji chamianym układem mikroproce- prawidłowo BASCOM-a, to na ek-
tych chip�w mołna z powodze- sorowym. Jełeli jeszcze takiego ranie terminala powinien ukazaĘ
niem wykorzystywaĘ wtyki 20- układu nie posiadamy i dopiero si� komunikat powitalny (rys. 5).
pinowe, z kt�rych b�dziemy wyko- mamy zamiar go skonstruowaĘ, Od tego momentu emulator jest
rzystywaĘ tylko 8 ko�c�wek. to do przetestowania poprawnoś- gotowy do pracy.
Z pewnością wtyk 20-pinowy ci działania emulatora wystar- Posługiwanie si� emulatorem
o znacznych wymiarach nie za- czy, w pierwszym etapie, dopro- jest dziecinnie łatwe. Do napisa-
wsze zmieści si� na płytce pro- wadziĘ do niego napi�cie zasi- nego programu musimy dodaĘ
jektowanej dla procesora z ośmio- lania r�wne +5VDC. Napi�cie to tylko jedno polecenie konfigura-
ma wyprowadzeniami, ale i z tym doprowadzamy lutując przewody cyjne: $SIM umieszczone na po-
mołemy sobie poradziĘ stosując np. do wyprowadze� kondensa- czątku kodu �r�dłowego.
jedną lub kilka połączonych ze tora C7. UWAGA: przed kompilacją pro-
sobą podstawek precyzyjnych, kt�- Kolejną czynnością b�dzie od- gramu przeznaczonegojuł do umiesz-
rych zadaniem b�dzie odsuni�cie powiednie skonfigurowanie środo- czenia w procesorze naleły polecenie
wtyku emulacyjnego od powierz- wiska BASCOM-a. Najwałniejszą $SIM bezwzgl�dnie usunąĘ!
chni płytki. Powałny problem po- sprawą b�dzie ustawienie szyb- Nast�pnie program kompiluje-
wstanie jedynie podczas przygoto- kości transmisji na 115200bd. Pa- my i naciskamy klawisz F2, co
wywania wtyku emulacyjnego dla rametr ten ustawiamy w okienku zaowocuje pojawieniem si� na
procesor�w w obudowach DIL28. OPTIONS>COMUNICATION> ekranie okienka pokazanego na
Wtyki takie nie są (chyba) produ- BAUDRATE, tak jak to zostało rys. 6. Naleły teraz za pomocą
kowane, a zastąpienie ich elemen- pokazane na rys. 4, a nast�pnie przycisku oznaczonego symbolem
tami o innej liczbie pin�w nie jest z submenu TOOLS wybieramy op- układu scalonego uruchomiĘ emu-
mołliwe. Mam jednak wr�cz nie- cj� TERMINAL EMULATOR. Na- lacj� sprz�tową, a nast�pnie roz-
ograniczone zaufanie do pomysło- st�pnie musimy określiĘ, kt�ry począĘ wykonywanie programu
wości Czytelnik�w EP i mam na- port szeregowy b�dzie wykorzys- (przycisk oznaczony strzałką).
dziej�, łe jakoś poradzą sobie tywany do obsługi emulatora. Zbigniew Raabe, AVT
z tym problemem. Wi�kszośĘ wsp�łcześnie ułytko- [e-mail]
Ostatnią czynnością b�dzie wy- wanych komputer�w PC posiada
konanie kabla łączącego układ fabrycznie zainstalowane dwa por- Wzory płytek drukowanych w for-
emulatora z komputerem. CzynnośĘ ty szeregowe: COM1 i COM2. Do macie PDF są dost�pne w Internecie
tą mołemy sobie znacznie ułatwiĘ, jednego z nich zazwyczaj jest na pod adresem: http://www.ep.com.pl/
jełeli dysponujemy przewodem od stałe dołączona myszka. Drugi ?pdf/grudzien01.htm.
uszkodzonej (łe nie powiem port pozostaje najcz�ściej niewy-
�zdechłej�) myszki. Odpadnie nam korzystany i do niego właśnie do-
łączymy przew�d transmi-
tujący dane do i z emulato-
ra. Jednak po uruchomieniu
programu mołe si� zdarzyĘ,
łe np. myszka umieszczona
została w porcie COM1 i na
ten sam port został skon-
figurowany monitor. Taka
sytuacja prowadzi do na-
tychmiastowego zawieszenia
pracy myszy, a my mamy
wtedy dwa wyjścia z sytua-
cji. Mołemy przenieśĘ
myszk� do drugiego portu
i ponownie uruchomiĘ kom-
Rys. 6. Widok okna sterującego pracą
puter lub wykorzystując tyl-
emulatora.
Elektronika Praktyczna 12/2001
25