Итак, камрад, прежде чем ты начнешь работать с контроллером, то неплохо бы тебе узнать что у него внутри.
Поэтому дам тебе краткий ликбез по архитектуре контроллера AVR.
Основой любого микроконтроллера является вычислительное ядро. Во всех моделях AVR оно практически одинаковое и это большой плюс. Именно единство архитектуры обеспечивает легкую переносимость кода.
Итак, что же у нас в основе микроконтроллера, взгляни на диаграмму:
Ядро состоит, в первую очередь, из памяти программ (Flash Programm Memory) и Арифметико-логического устройства (ALU), блока управления (на диаграмме не показан) и программного счетчик (Program Counter). Также есть тактовый генератор, задающий импульсы относительно которых работают блоки микроконтроллера. Тактовый генератор можно сравнить с маятником и собачкой в будильнике: маятник туда сюда, собачка тикает по одному зубчику — шестеренки крутятся. Встала собачка — встал весь будильник.
При старте микроконтроллера значение программного счетчика равно 0000 — это адрес первой команды в нашей flash ROM. Микроконтроллер хватает оттуда два байта (код команды и ее аргументы) и отдает на выполнение в декодер команд (Instruction Decoder).
А дальнейшая судьба зависит от команды. Если это просто команда работы с какими-либо действиями, то они будут выполнены, а на следующем такте значение программного счетчика будет увеличено и из следующей пары ячеек памяти будут взяты еще два байта команды и также отправлены на выполнение.
Все интересней становится, когда встречается команда перехода. В этом случае в Программный счетчик загружается адрес, указанный в команде (абсолютный переход) или его значение увеличивается не на 1, а на столько, сколько нужно и на следующем такте микроконтроллер возьмет команду уже с нового адреса.
Декодер команд загребает команду и скармливает ее логике блока управления, который уже пинает все остальные блоки, заставляя их делать нужные действия в нужном порядке.
Вся математика и обработка делается посредством ALU. Это, своего рода, калькулятор. Он может складывать, вычитать, сравнивать, сдвигать разными способами, иногда делить и умножать (это считается круто, встречается редко).
В качестве промежуточных операндов используются 32 ячейки — Оперативные регистры общего назначения РОН. Доступ к этим ячейкам самый быстрый, а число операций с их содержимым наиболее богатое. В ассемблере регистры эти называются просто R0, R1, R2...R31. Причем делятся они на три группы:
Младшие R0...R15
Обычные регистры общего назначения, но какие-то ущербные. С ними не работают многие команды, например, такие как загрузка непосредственного числа. Т.е. нельзя, например, взять и присвоить регистру число. Зато можно скопировать число из любого другого регистра.
Старшие R16...R31
Полноценные регистры, работающие со всеми командами без исключения.
Индексные R26...R31
Шесть последних регистров из старшей группы особенные. В принципе, их можно юзать и как обычные регистры общего назначения. Но, кроме этого, они могут образовывать регистровые пары X(R26:R27), Y(R28,R29), Z(R30:R31), которые используются как указатели при работе с памятью.
ОЗУ
Кроме 32 регистров в микроконтроллере есть оперативная память. Правда, не везде — в младших семействах AVR Tiny12 и Tiny11 оперативной памяти нет, так что приходиться вертеться в 32 ячейках.
Оперативная память - это несколько сотен ячеек памяти. От 64 байт до 4килобайт, в зависимости от модели. В этих ячейках могут храниться любые данные, а доступ к ним осуществляется через команды Load и Store.
То есть нельзя взять, например, и прибавить к ячейке в памяти, скажем, единицу. Нам сначала сделать операцию Load из ОЗУ в РОН, потом в регистре прибавить нашу единицу и операцией Store сохранить ее обратно в память. Только так.
EEPROM
Долговременная память. Память, которая не пропадает после выключения питания. Если Flash может содержать только код и константы, а писать в нее при выполнении ничего нельзя (Это память Read Only), то в ЕЕПРОМ можно сколько угодно писать и читать. Но в качестве оперативки ее особо не поюзаешь. Дело в том, что цикл записи в EEPROM длится очень долго — миллисекунды. Чтение тоже не ахти какое быстрое. Да и число циклов перезаписи всего 100 000, что не очень много в масштабах работы оперативной памяти. ЕЕПРОМ используется для сохранения всяких настроек, предустановок, собранных данных и прочего барахла, что может потребоваться после включения питания и в основном на чтение. Эта память есть не во всех моделях AVR, но в подавляющем их большинстве.
Периферия
Периферия - это внутренний фарш микроконтроллера. То, что делает его таким универсальным. ALU, RAM, FLASH и Блок управления - это как в компе Мать, Проц, Память, Винт — то, без чего комп даже не запустится толком. То периферия - это уже как сетевуха, видяха, звуковая карта и прочие прибамбасы. Они могут быть разными, разной степени крутости и навороченности, а также комбинироваться в разном порядке.
Именно по наличию на кристалле той или иной периферии происходит выбор микроконтроллера под задачу.
Периферии всякой придумано великое множество, всего я наверное даже не опишу. Но дам основной набор присутствующий почти во всех AVR, а также в других современных контроллерах.
Еще бывают встроенные USB, Ethernet интерфейсы, часы реального времени, контроллеры ЖКИ дисплеев. Да чего там только нет, моделей микроконтроллеров столько, что задолбаешься только перечислять.
Взаимодействие ядра с периферией
Ядро одно на всех - периферия разная. Общение между ними происходит через память. Т.е. у периферии есть свои ячейки памяти — регистры периферии. У каждого периферийного устройства их не по одной штуке. В этих регистрах находятся биты конфигурации. В зависимости от того, как эти биты выставлены, в таком режиме и работает периферийное устройство. В эти же регистры нужно записывать данные, которые мы хотим выдать, например, по последовательному порту; или считывать данные, которые обработал АЦП. Для работы с периферией есть специальные команды IN и OUT для чтения из периферии в регистр РОН и записи из регистра РОН в периферию соответственно.
Поскольку ядро одинаковое, а периферия разная, то при переносе кода на другую модель микроконтроллера надо только подправить эти обращения, так как название периферийных регистров от модели к модели может чуток отличаться. Например, если в контроллере один приемопередатчик UART, то регистр приема данных зовется UDR, а если два, то у нас есть уже UDR0 и UDR1. Но, в целом, все прозрачно и логично. И, как правило, портирование кода с одного МК на другой, даже если он написан на ассемблере, не составляет большого труда. Особенно, если он правильно написан.
Как узнать, что есть в конкретном микроконтроллере?
Для этого на каждый МК есть даташит — техническая документация. И вот там, прям на первой странице, написано что почем и как. Вот тебе пример, даташит на Мегу16 с моим закадровым переводом :) Жирным шрифтом помечены опции, которые я гляжу в первую очередь, как наиболее интересные для меня, остальное, как правило, присутствует по дефолту.
Features (фичи!)
• High-performance, Low-power AVR 8-bit Microcontroller
(понтовая экономичная архитектура AVR)
• Advanced RISC Architecture
(просто офигенная вещь для рисковых чуваков!)
– 131 Powerful Instructions – Most Single-clock Cycle Execution
(131 крутая и быстрая команда!)
– 32 x 8 General Purpose Working Registers
(32 8-разрядных регистра — те самые R0...R31)
– Fully Static Operation
(Полностью статические операции, т.е. тактовая частота может быть хоть 1 импульс в год)
– Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz
(скорость выполнения до 16 миллионов операций в секунду!)
– On-chip 2-cycle Multiplier
(а числа умеем множить за два такта! Это правда круто, народ!)
• High Endurance Non-volatile Memory segments
– 16K Bytes of In-System Self-programmable Flash program memory
(памяти хватит набыдлокодить на 16кб кода)
– 512 Bytes EEPROM 8-bit
(и нажрать на века 512 байт мусора в ЕЕПРОМ)
– 1K Byte Internal SRAM
(оперативки 1кб, кому там 2Гигабайт не хватает? Программировать не умеете! =) Тут и 64 байтов за глаза хватает. Помните Билла Гейтса и его «640кб хватит всем!» он знал, о чем говорил :)
– Write/Erase Cycles: 10,000 Flash/100,000 EEPROM Microcontroller
(перешивать флеш можно 10тыщь раз, еепром 100тыщь раз. Так что можешь не бояться экспериментировать)
– Data retention: 20 years at 85°C/100 years at 25°C(1)
(Если законсервируешь свой будильник на AVR, то твоих правнуков он еще и через 100 лет порадует)
– Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits
In-System Programming by On-chip Boot Program
True Read-While-Write Operation
(поддержка бутлоадеров. Удобная вещь, позволяет прошиваться без программаторов)
– Programming Lock for Software Security In-System
(если жадный и умный, то можешь закрыть от посторонних прошивку и фиг кто выкрадет твои секреты)
• JTAG (IEEE std. 1149.1 Compliant) Interface
– Boundary-scan Capabilities According to the JTAG Standard Programmable
– Extensive On-chip Debug Support
– Programming of Flash, EEPROM, Fuses, and Lock Bits through the JTAG Interface Flash
(Отладочный интерфейс JTAG и его фичи)
• Peripheral Features
(А вот, собственно и периферия пошла)
– Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Modes
(два таймера 8-разрядных, с кучей всяких режимов разных.
– One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, Compare Mode, and Capture Mode ATmega16
(один 16-разрядный таймер счетчик, с кучей всяких примочек и фишек)
– Real Time Counter with Separate Oscillator
(таймер может тикать от отдельного генератора; удобно, если хочешь сделать часы)
– Four PWM Channels ATmega16L
(Четыре ШИМ-канала — на тех же таймерах)
– 8-channel, 10-bit ADC
(8-канальный 10-разрядный АЦП. Фичи его ниже)
8 Single-ended Channels
(можно замерять по очереди сразу 8 разных напряжений)
7 Differential Channels in TQFP Package Only
(7 дифференциальных каналов. Правда, только в корпусе TQFP, т.к. ног у него больше)
2 Differential Channels with Programmable Gain at 1x, 10x, or 200x
(два дифференциальных канала с программируемым усилением)
– Byte-oriented Two-wire Serial Interface
(Поддержка IIC с аппаратным кодированием байтов)
– Programmable Serial USART
(Последовательный интерфейс. Удобен для связи с компом)
– Master/Slave SPI Serial Interface
(SPI интерфейс, пригодится)
– Programmable Watchdog Timer with Separate On-chip Oscillator
(Спец таймер защиты от зависаний)
– On-chip Analog Comparator
(Тот самый компаратор)
• Special Microcontroller Features
(полезные свистоперделки)
– Power-on Reset and Programmable Brown-out Detection
(защита от косяков в работе при пониженном напряжении ака севшие батарейки)
– Internal Calibrated RC Oscillator
(А еще можно сэкономить 20 рублей на покупке внешнего кварца. Он нафиг не нужен! :) И это круто!)
– External and Internal Interrupt Sources
(Есть внешние прерывания. Очень удобная вещь)
– Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, Standby and Extended Standby
(Дофига режимов энергосбережения)
• I/O and Packages
– 32 Programmable I/O Lines
– 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, and 44-pad QFN/MLF
(число полезных ножек, тем самых вводов/выводов)
• Operating Voltages designs.
– 2.7...5.5V for ATmega16L
– 4.5...5.5V for ATmega16
(Питающие напряжения. Помните, я говорил про низковольтные серии — вот они, во всей красе)
• Speed Grades
– 0...8 MHz for ATmega16L
– 0...16 MHz for ATmega16
(А это максимальные частоты для разных серий. Низковольтные лажают. Впрочем, они подвержены разгону)
• Power Consumption @ 1 MHz, 3V, and 25°C for ATmega16L
– Active: 1.1 mA
– Idle Mode: 0.35 mA
– Power-down Mode: < 1 μA
(Потребляемая мощность в разных режимах. 1мА даже в активном режиме это фигня. В 10 раз меньше самого тухлого светодиода)
| C vs Assembler | Содержание | AVR Studio. Ликбез |