Структура микроконтроллера (стр. 1 из 3)
Структура микроконтроллера
Содержание
1. Обобщенная структурная схема
2. Генератор тактового сигнала
3. Процессор
4. Запоминающее устройство FlashROM
5. Запоминающее устройство SRAM
6. Запоминающее устройство EEPROM
7. Внешнее запоминающее устройство ERAM
8. Периферийные устройства
Литература
1. Обобщенная структурная схема
Микроконтроллеры семейства AVR имеют единую базовую структуру. Обобщенная структурная схема микроконтроллера (МК) изображена на рис. 1.VCC OND
В состав микроконтроллера входят:
■ генератор тактового сигнала (GCK);
■ процессор (CPU);
■ постоянное запоминающее устройство для хранения программы, выполненное по технологии Flash, (FlashROM);
■ оперативное запоминающее устройство статического типа для хранения данных (SRAM);
■ постоянное запоминающее устройство для хранения данных, выполненное по технологии EEPROM, (EEPROM);
■ набор периферийных устройств для ввода и вывода данных и управляющих сигналов и выполнения других функций.
В микроконтроллерах тина t11, t12. t15, 1200 и t28 запоминающее устройство SRAM отсутствует. В микроконтроллерах типа t1l и t28 отсутствует также запоминающее устройство EEPROM.
К микроконтроллерам типа 8515 и тЮЗ может быть подключено внешнее запоминающее устройство для храпения данных (ERAM). Команды программы хранятся только во внутреннем запоминающем устройстве FlashROM.
Выводы VCC и GND предназначены для подключения источника напряжения питания микроконтроллера. Уровень напряжения всех сигналов в микроконтроллере отсчитывается относительно уровня на шине GND, принимаемого за 0В.
Допустимые значения напряжения питания у микроконтроллеров разных типов и вариантов указаны в приложении П1 в табл. П1.3. Другие выводы микроконтроллеров разных типов указаны в приложении П2.
Функции этих выводов описываются при рассмотрении устройств, в работе которых они используются.
В состав процессора (CPU) входят:
■ счетчик команд (PC);
■ арифметико-логическое устройство (ALU);
■ блок регистров общего назначения (GPR, General Purpose Registers) и другие элементы, не показанные на схеме рис. 1.
Кроме регистров общего назначения в микроконтроллере имеются регистры специальных функций, которые в семействе AVR называются регистрами ввода-вывода (I/О Registers, IOR). С участием этих регистров осуществляются:
■ управление работой микроконтроллера и отдельных его устройств;
■ определение состояния микроконтроллера и отдельных его устройств;
■ ввод данных в микроконтроллер и отдельные его устройства и вывод данных и выполняются другие функции.
Структура микроконтроллера
Таблица 1
Для нумерации регистров ввода-вывода используются номера от О до 63 (от $00 до $3F, где $ — указатель шестнадцатеричного кода). Каждому регистру присвоено имя, связанное с выполняемой этим регистром функцией.
Микроконтроллеры разных типов имеют разный состав регистров ввода-вывода, при этом регистры с одинаковыми номерами могут иметь разные имена. Число регистров ввода-вывода у микроконтроллеров разных типов указано в табл. 1.1, в колонке IOR.
Имена и номера регистров ввода-вывода у микроконтроллеров разных типов приведены в приложении П4. Функции, выполняемые регистрами ввода-вывода, описываются при рассмотрении устройств, в работе которых они участвуют.
Работа некоторых устройств микроконтроллера зависит от состояния дополнительных однобитовых запоминающих элементов — установочных битов (Fuse Bits). Исходные значения установочных битов записываются на заводе-изготовителе.
Значение установочного бита может быть изменено только при программировании микроконтроллера. В приложении П6 перечислены установочные биты в микроконтроллерах разных типов и указаны их исходные значения.
Функции установочных битов рассматриваются при описании устройств, работа которых зависит от их значения.
2. Генератор тактового сигнала
Микроконтроллеры семейства AVR являются устройствами синхронного типа. Действия, выполняемые в микроконтроллере, привязаны к импульсам тактового сигнала. Микроконтроллеры имеют полностью статическую структуру и могут работать при тактовой частоте от 0 Гц. Максимальные значения тактовой частоты у микроконтроллеров разных типов и вариантов указана в приложении П1, в таблице Ш.З.
В качестве генератора тактового сигнала (GCK) используются:
■ внутренний генератор с внешним кварцевым или керамическим резонатором (XTAL);
■ внутренний RC-генератор (IRC);
■ внутренний генератор с внешней RC-цепочкой (ERC);
■ внешний генератор (ЕХТ).
Генераторы тактового сигнала, используемые в микроконтроллерах разных типов, указаны в табл. 2.
У микроконтроллеров, имеющих внутренний генератор с внешним резонатором (XTAL), резонатор подключается к выводам XTAL1 и XTAL2, которые через конденсаторы малой емкости (20—30 пФ) соединяются с тиной GND.
Тактовая частота определяется рабочей частотой резонатора.
У микроконтроллера типа t28 при нулевом значении установочного бита INTCAP подключение выводов XTAL1 и XTAL2 к шине GND выполняется через внутренние конденсаторы емкостью 50 пФ.
Таблица 2
У микроконтроллеров типа t1l и tl2 в качестве выводов XTAL1 и XTAL2 используются выводы РВЗ и РВ4.
Внешний генератор (ЕХТ) подключается к выводу XTAL1, при этом вывод XTAL2 остается неподключенным. У микроконтроллера типа 2343, не имеющего выводов XTAL, внешний генератор подключается к выводу РВЗ.
В генераторах с RC-цепочкой тактовая частота определяется параметрами цепочки, но изменяется в значительных пределах при изменении напряжения питания микроконтроллера.
В микроконтроллерах типа 2343 и 1200 внутренний RC-генератор (IRC) используется при нулевом значении установочного бита RCEN.
В микроконтроллерах типа t1l, tl2, t28 и ml63 выбор генератора для работы определяется комбинацией значений установочных битов CKSEL. У микроконтроллеров типа t1l таких битов три (CKSEL2 — 0), у микроконтроллеров остальных типов — четыре (CKSEL3 — 0).
В табл. 3 приведены числа, двоичные коды которых являются комбинацией значений установочных битов CKSEL при выборе типа генератора. Биту CKSEL0 соответствует младший разряд двоичного кода.
Таблица 3
В микроконтроллерах, имеющих внутренний генератор с внешней RC-цепочкой (ERC), резистор (3—100 кОм) подключается между выводом XTAL1 и шиной VCC, а конденсатор (не менее 20 пФ) — между выводом XTAL1 и шиной GND.
В микроконтроллерах типа t12, t15, t28 и m163 при использовании внутреннего RC-генератора тактовая частота может изменяться программными средствами путем изменения кода, записываемого в регистр OSCCAL. При записи кода $00 тактовая частота имеет наименьшее значение, при записи кода SFF — наибольшее значение.
В микроконтроллере типа ml03 программными средствами может изменяться тактовая частота генератора с кварцевым резонатором.
Значение тактовой частоты FCk определяется по формуле
где Fq — рабочая частота кварцевого резонатора; (XDIV.6 — 0) — число, двоичный код которого записан в младших семи разрядах регистра XDIV (№ $ЗС). Изменение тактовой частоты возможно при XDIV.7 = 1.
3. Процессор
Процессор (CPU) формирует адрес очередной команды, выбирает команду из памяти и организует ее выполнение. Код команды имеет формат “слово” (16 бит) или “два слова”. Система команд микроконтроллеров семейства AVR рассматривается в главе 2.
В состав процессора кроме счетчика команд (PC), арифметико-логического устройства (ALU) и блока регистров общего назначения (GPR),изображенных на структурной схеме рис. 1, входят:
Источник: http://MirZnanii.com/a/120625/struktura-mikrokontrollera
Структура микроконтроллера
Поиск Лекций
Содержание
Общая часть
1.1 Основные сведения о микроконтроллере;
1.2 Архитектура микроконтроллера;
2 Специальная часть.
2.1 Принцип работы часов на микроконтроллере Atmega 8;
2.2 Программирование микроконтроллера.
Теория надёжности
3.1 Понятие надежности
3.2 Расчет надежности
Заключение.
Список литературы.
Введение
Целью моей курсовой является изучение микроконтроллера ATMEGA 8 и получение следующих целей:
а) Спроектировать принципиальную схему часов на микроконтроллере Atmega 8;
б) Запрограммировать микроконтроллер Atmega 8;
в) Выполнить расчет транзистора;
г) Рассчитать надежность системы.
1 Общая часть
Основные сведения о микроконтроллере
Микропроцессор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели).
Первые микропроцессоры появились в 1970-х годах и применялись в электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичная арифметика 4-битных слов. Вскоре их стали встраивать и в другие устройства, например терминалы, принтеры и различную автоматику.
Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией позволили в середине 1970-х годов создать первые бытовые микрокомпьютеры.
Микроконтроллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.
Микроконтроллер ATMega8 (мега8, mega8) от компании AVR выбирают тысячи радиолюбителей и профессионалов по всему миру благодаря идеальному сочетанию цены, функциональности и простоте применения в проектируемых электронных устройствах. Для прошивки микроконтроллера ATMega8 не требуется сложного специализированного оборудования – программаторы для ATMega8 просты в устройстве и могут быть легко куплены в нашем магазине или изготовлены самостоятельно.
¾ Память для программ составляет 8 Кб с возможностью перезаписать 10 000 раз
¾ 512 байт флеш-памяти для хранения переменных (100 000 циклов перезаписи)
¾ 1 Кб ОЗУ и 32 регистра общего назначения
¾ Два 8-разрядных Таймера/Счетчика с раздельным прескалером, режим сравнения
¾ 16-разрядный Таймер/Счетчик с раздельным прескалером, режим сравнения, режим захвата
¾ Таймер реального времени с независимым генератором
¾ канала ШИМ
¾ 6 каналов 10-разрядного АЦП
¾ Двухпроводный последовательный интерфейс
¾ Программируемый последовательный USART
¾ Интерфейс SPI с режимами Master/Slave
¾ Программируемый сторожевой таймер с отдельным независимым генератором
¾ Встроенный аналоговый компаратор
¾ Сброс при включении питания, программируемая защита от провалов питания
¾ Встроенный калиброванный RC-генератор
¾ Обработка внутренних и внешних прерываний
¾ 5 режимов с пониженным энергопотреблением: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, и Standby
¾ Напряжение питания 4.5 – 5.5В
¾ Тактовая частота 0-16 МГц
Рисунок 1- Расположения выводов на ATMEGA8
23 порта ввода/вывода, объединенных в 3 группы:
Порт В (PB0 – РВ7): Два вывода (РВ6 и PB7) используются для подключения кварцевого резонатора. Выводы РВ2 – РВ5 зарезервированы для внутрисхемного программирования. Таким образом, для общего применения остаются порты PB0 и PB1.
Порт С (PC0 – РС6 : 7 выводов): Порты PC0 – РС5 можно использовать в качестве аналоговых входов. РС6 обычно используется для сброса.
Порт D (PD0 – PD7 : 8 выводов): Эти порты можно использовать для общего применения.
Структура микроконтроллера
Рисунок 2 – Принципиальная схема микроконтроллера Atmega8
Сердцем является микроконтроллер U1 (ATmega8), тактирующийся от внутреннего генератора с частотой 8 МГц. Микросхема часов реального времени U2 (PCF8583) тактируется кварцевым резонатором X1 (32,768 кГц) и связана с микроконтроллером через шину I2C.
Конденсатор С4 (4700uF/5V) способен в течении нескольких часов питать микросхему U2 в случае отключения питания. Резисторы R17 (3,3 кОм) и R18 (3,3 кОм) – подтяжка шины I2C к положительному выводу источника питания. Разъем SW используется для подключения четырех кнопок управления работой часов.
Транзистор T11 (BC558) с резистором R15 (3,3 кОм) и R16 (3,3 кОм) – для подключения пищалки. Разъемы GpA и GpK обеспечивают связь между контроллером и платой драйвера дисплея. Разъем Prog и резисторы R11 – R14 (330R) – для прошивки микроконтроллера.
Стабилизатор напряжения построен на микросхеме U3 (7805) и конденсаторах С1 (220uF) и С2 (47uF). Высоковольтные транзисторы Т1 – Т2 (MPSA42) и резисторы R1 – R10 (33k) управляют работой катодов дисплея.
2. Специальная часть
2.1 Принцип работы часов на микроконтроллере Atmega 8;
При первом включении на дисплее рекламная заставка в течении 1 сек. Потом отображение времени.
Нажатие на SET_TIME переводит индикатор по кругу из основного режима часов (отображение текущего времени):
– режим отображения минут и секунд. Если в этом режиме одновременно нажать на кнопку PLUS и MINUS, то произойдет обнуление секунд.
– установка минут текущего времени;
– установка часов текущего времени;
– символы ALAr. Переход к установке будильника;
– установка минут срабатывания будильника;
– установка часов срабатывания будильника;
– символы A_0n или A_0F активация будильника; Выбор кнопками PLUS/MINUS.
– символ o продолжительность звучания будильника; Пределы установки 1 ÷ 240 сек.
– основной режим часов;
Нажатие на SERVICE переводит индикатор по кругу из основного режима:
– величина ежесуточной коррекции точности хода часов. Символ c и значение коррекции. Пределы установки -25÷25 сек. Выбранная величина будет ежесуточно в 0 часов 0 минут и 30 секунд прибавлена/вычтена из текущего времени;
– символ t. Настройка продолжительности отображения часов;
– символ i. Время отображения символов индикации внутренней температуры (int);
– символ d. установка времени индикации температуры с внутреннего датчика;
– символ o. Время отображения символов индикации внешней температуры (out);
– символ u. установка времени индикации температуры с внешнего датчика;
– символ P. установка времени индикации рекламной заставки.
Пределы установки для времени отображения 0÷60 сек. Если установлен 0, данный параметр на индикатор не выводится. Если все параметры установить в 0 – на индикаторе будут часы.
2.2 Программирование микроконтроллера
Для программирования AVR микроконтроллеров мы будем использовать ранее собранный нами LPT программатор и программу PonyProg2000. Скачаем и установим программу PonyProg2000. Подключим программатор к компьютеру и запустим PonyProg2000, появится окно программы:
Теперь необходимо настроить программу для работы с нашим LPT программатором. Для этого идём во вкладку “Setup” и нажимаем “Interface Setup…”.
Появится окно установки настроек:
В нём нам надо установить тип и порт программатора, к которому он подключён, вот так:
После установки настроек нажимаем кнопку “OK”. Теперь необходимо откалибровать программу, для этого идем во вкладку “Setup” и нажимаем “Calibration”.
Должно появится следующие окно:
Внимание! Перед калибровкой программы PonyProg2000 закройте все лишние программы на компьютере!
Нажимаем кнопку “Yes” и ждем пока программа откалибруется. После калибровки появится следующие сообщение:
Нажимаем кнопку “ОК”. Теперь выберем AVR микроконтроллер, с которым будем работать, идем во вкладку “Device” в “AVR micro” и выбираем микроконтроллер.
Основные определения:
¾ Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки
¾ Отказ — событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности.
¾ Сбой — самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора.
Показатели надежности являются:
– Безопасность работы
– Средние время безотказной работы
– Средняя наработка на отказ
– Частота отказа
Для микроконтроллеров AVR существуют различные языки программирования, но, пожалуй, наиболее подходящими являются ассемблер и Си, поскольку в этих языках в наилучшей степени реализованы все необходимые возможности по управлению аппаратными средствами микроконтроллеров.
Ассемблер – это низкоуровневый язык программирования, использующий непосредственный набор инструкций микроконтроллера.
Создание программы на этом языке требует хорошего знания системы команд программируемого чипа и достаточного времени на разработку программы.
Ассемблер проигрывает Си в скорости и удобстве разработки программ, но имеет заметные преимущества в размере конечного исполняемого кода, а соответственно, и скорости его выполнения.
3 Теория надежности
3.1 Понятие надежности
Надёжность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.
Интуитивно надёжность объектов связывают с недопустимостью отказов в работе. Это есть понимание надёжности в «узком» смысле — свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.
Иначе говоря, надёжность объекта заключается в отсутствии непредвиденных недопустимых изменений его качества в процессе эксплуатации и хранения. Надёжность тесно связана с различными сторонами процесса эксплуатации.
Надёжность в «широком» смысле — комплексное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать в себя свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости, а также определённое сочетание этих свойств.
3.2 Расчет надежности
Заключение.
Список литературы:
http://www.atmega8.ru/
http://yandex.ru/clck/jsredir?from=yandex.ru
Рекомендуемые страницы:
Источник: https://poisk-ru.ru/s14773t1.html
1.2 Принципы построения систем управления на микроконтроллерах
В устройствах управления объектами (контроллерах) на основе микроконтроллеров аппаратурные средства и программное обеспечение существуют в форме неделимого аппаратурно программного комплекса.
При проектировании контроллеров приходится решать одну из самых сложных задач разработки, а именно задачу оптимального распределения функций контроллера между аппаратурными средствами и программным обеспечением.
Решение этой задачи осложняется тем, что взаимосвязь и взаимовлияние аппаратурных средств и программного обеспечения в микропроцессорной технике претерпевают динамичные изменения.
Если в начале развития микропроцессорной техники определяющим было правило, в соответствии с которым аппаратурные средства обеспечивают производительность, а программное обеспечение дешевизну изделия, то в настоящее время это правило нуждается в серьезной корректировке.
Так как микроконтроллер представляет собой стандартный массовый (относительно недорогой) логический блок, конкретное назначение которого определяет пользователь с помощью программного обеспечения, то с ростом степени интеграции и, следовательно, функциональнологических возможностей микроконтроллера резко понижается стоимость изделия в пересчете на выполняемую функцию, что в конечном итоге и обеспечивает достижение высоких техникоэкономических показателей изделий на микроконтроллере. При этом затраты на разработку программного обеспечения изделия в 210 раз превышают (за время жизни изделия) затраты на приобретение и изготовление аппаратурных средств.
В настоящее время наибольшее распространение получил методологический прием, при котором весь цикл разработки контроллеров рассматривается как последовательность трех фаз проектирования:
1. анализа задачи и выбора аппаратурных средств контроллера;
2. разработки прикладного программного обеспечения;
3. комплексирования аппаратурных средств и программного обеспечения в прототипе контроллера и его отладки.
Фаза разработки программного обеспечения, т.е. фаза получения прикладных программ, в свою очередь, разбивается на два существенно различных этапа:
1. “от постановки задачи к исходной программе”;
2. “от исходной программы к объектному модулю”.
Этап разработки “от исходной программы к объектному модулю” имеет целью получение машинных кодов прикладных программ, работающих в микроконтроллере.
Этот этап разработки прикладного программного обеспечения легко поддается формализации и поддержан всей мощью системного программного обеспечения микроконтроллера, направленного на автоматизацию процесса получения прикладных программ.
В состав средств системного программного обеспечения входят трансляторы с различных алгоритмических языков высокого уровня, ассемблеры, редакторы текстов, программыотладчики, программы документаторы и т.д.
Наличие всех этих системных средств придает инженерной работе на этом этапе проектирования контроллеров характер ремесла, а не инженерного творчества.
Так как в конечном изделии (контроллере) имеются только “голый” микроконтроллер и средства его сопряжения с объектом, то выполнять отладку разрабатываемого прикладного программного обеспечения на нем невозможно (изза отсутствия средств ввода, вывода, ОЗУ большой емкости и операционной системы), и, следовательно, разработчик вынужден обращаться к средствам вычислительной техники для выполнения всех формализуемых стадий разработки: трансляции, редактирования, отладки, загрузки объектных кодов в программируемую постоянную память микроконтроллера.
Совсем по другому выглядит инженерный труд на этапе разработки программного обеспечения “от постановки задачи к исходной программе”, так как он практически не поддается формализации и, следовательно, не может быть автоматизирован.
Проектная работа здесь носит творческий характер, изобилует решениями, имеющими “волевую” или “вкусовую” окраску, и решениями, продиктованными конъюнктурными соображениями. В силу перечисленных обстоятельств именно на этапе проектирования “от постановки задачи к исходной программе” разработчик сталкивается с наибольшим количеством трудностей.
Качество получаемого прикладного программного обеспечения контроллера всецело зависит от уровня проектных решений, принятых на этапе разработки “от постановки задачи к исходной программе”.
Уровень проектных решений в свою очередь изза отсутствия теории проектирования программируемых контроллеров определяется только опытом, квалификацией и интуицией разработчика.
Однако накопленный опыт убеждает в том, что систематический подход к процессу разработки прикладных программ для контроллеров обеспечивает достижение хороших результатов даже начинающими разработчиками.
Типовая структура микропроцессорной системы управления показана на рис. 1.1 и состоит из объекта управления, микроконтроллера и аппаратуры их взаимной связи.
Рисунок 1.1 Структура цифровой системы управления на основе МК
Микроконтроллер путем периодического опроса осведомительных слов (ОС) генерирует в соответствии с алгоритмом управления последовательности управляющих слов (УС). Осведомительные слова это сигналы состояния объекта (СС), сформированные датчиками объекта управления, и флаги.
Выходные сигналы датчиков вследствие их различной физической природы могут потребовать промежуточного преобразования на аналогоцифровых преобразователях (АЦП) или на схемах формирователей сигналов (ФС), которые чаще всего выполняют функции гальванической развязки и формирования уровней двоичных сигналов стандарта ТТЛ.
Микроконтроллер с требуемой периодичностью обновляет управляющие слова на своих выходных портах. Некоторая часть управляющего слова интерпретируется как совокупность прямых двоичных сигналов управления (СУ), которые через схемы формирователей сигналов (усилители мощности, реле, оптроны и т.п.
) поступают на исполнительные механизмы (ИМ) и устройства индикации. Другая часть управляющего слова представляет собой упакованные двоичные коды, которые через цифро аналоговые преобразователи (ЦАП) воздействуют на исполнительные механизмы аналогового типа.
Если объект управлении использует цифровые датчики и цифровые исполнительные механизмы, то наличие ЦАП и АЦП в системе необязательно.
В состав аппаратуры связи, которая как правило, строится на интегральных схемах серии ТТЛ, входит регистр флагов, на котором фиксируется некоторое множество специфицируемых признаков как объекта управления, так и процесса работы контроллера.
Этот регистр флагов используется в качестве аппаратурного средства реализации механизма взаимной синхронизации относительно медленных и вероятностных процессов в объекте управления и быстрых процессов в контроллере. Регистр флагов доступен как контроллеру, так и датчикам.
Вследствие этого он является удобным местом фиксации сигналов «готов»/«ожидание» при передачах с квитированием или сигналов «запрос прерывания»/«подтверждение» при взаимодействии контроллера и объекта в режиме прерывания.
Если МКсистема имеет многоуровневую систему прерываний, то регистр флагов содержит схему упорядочивания приоритетов.
Для аппаратурной реализации временных задержек, формирования сигналов требуемой частоты и скважности в состав аппаратуры связи включают программируемые интервальные таймеры в том случае, если их нет в составе микроконтроллера или их число недостаточно.
Законы функционирования микропроцессорной системы управления со структурой, показанной на рис. 1 всецело определяются прикладной программой, размещаемой в резидентной памяти программ микроконтроллера.
Иными словами, специализация контроллера типовой структуры на решение задачи управления конкретным объектом осуществляется путем разработки прикладных программ микроконтроллера и аппаратуры связи микроконтроллера с датчиками и исполнительными механизмами объекта.
Источник: http://prod.bobrodobro.ru/72825
Загрузка...
