8 - розрядні мікроконтролери серії AVR Архітектура. Апаратні особливості

1.

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського
Цифрові пристрої
Digital devices
&
Microprocessors
Мікропроцесори
Тема 3:
8-розрядні мікроконтролери серії AVR
Архітектура. Апаратні особливості.
Розподіл адресних просторів ЗП
к.т.н., доцент каф.501
Мазуренко О.В.

2.

1
Розмір програмних кодів
Рисунок 1 – Діаграма порівняння розмірів програм для розв'язку
однієї й тієї ж задачі для різних МК
© Мазуренко О.В., 2018
Мікропроцесори і їх програмування

3.

2
Швидкодія (Продуктивність)
Таблиця 1 - Коефіцієнти ділення частоти ГТІ при формуванні машинного циклу виконання команди
Серія МК
AVR
H8
PIC
MC68НС
i8051
ГТІ
1
2
AVR
1
2
H8
PIC,
MC68HC
i8051
3
4
Коефіцієнт ділення
1
2
4
4
12
5
6
7
8
9
10
11
12
2
1
2
1
1
2
Рисунок 2 – Формування машинного циклу виконання команди для різних МК
© Мазуренко О.В., 2018
Мікропроцесори і їх програмування

4.

Загальні технічні характеристики AVR-МК
3
Основні технічні характеристики:
- розрядність машинного слова – 8 біт;
- швидкодія – до 32 MIPS (Fтакт – до 32 МГц);
- інформаційна ємність ПЗП програм – до 384 кБ, ПЗП даних – до 4 кБ;
- інформаційна ємність ОЗП – до 32кБ;
- кількість ліній введення\виведення загального призначення – до 50;
- енергоспоживання (споживана потужність) – ~ 3,5…5 мВт/МГц;
- напруга живлення – від 1,8В до 6В.
Відмінні риси:
- Flash-пам'ять програм (ПЗПП) допускає до 10 000 циклів перезапису програм.
- ПЗП даних (EEPROM) гарантує до 100 000 циклів стирання/запису даних.
- Навантажувальна здатність кожного з виводів МК - до 20 мА.
- МК комерційного виконання працюють при температурах: 0°C ... +70°C,
промислового: - 40°C ... +85°C.
МК серії AVR:
• XMega AVR (префікс ATXmegaXXX);
• Mega AVR (префікс ATmegaXX);
• Tiny AVR (префікс ATtinyXX)
© Мазуренко О.В., 2018
Мікропроцесори і їх програмування

5.

Основні технічні характеристики AVR-МК ATmega16
4
Технічні характеристики:
- 130 команд;
- максимальна швидкодія приблизно 16 MIPS (при тактовій частоті 16 МГц);
- інформаційна ємність ПЗПП – 16 кБ;
- інформаційна ємність ПЗПД – 512 Б;
- інформаційна ємність ОЗП – 1 кБ;
- до 32 ліній введення\виведення загального призначення;
- робочі напруги:
2,7 В … 5,5 В (Atmega16L);
4,5 В … 5,5 В (Atmega16);
- робоча частота:
до 8 МГц (Atmega16L);
до 16 МГц (Atmega16).
Відмінні риси:
- вбудований 2-тактовий помножувач;
- велика кількість периферійних блоків: 3 таймера\лічильника, АЦП, аналоговий
компаратор, універсальний асинхронний прийомо-передавач, 2 послідовних
інтерфейси зв'язку з периферією,
- інтерфейс відлагодження JTAG;
- 6 режимів зниженого енергоспоживання.
© Мазуренко О.В., 2018
Мікропроцесори і їх програмування

6.

5
Архітектура AVR-МК
Генератор
тактових
імпульсів
Порт А
Лічильник
команд
...
© Мазуренко О.В., 2018
АЦП
ПІЗП
(SPI)
ПЗПП
ОЗП
Регістр
команд
НОЗП
(РЗП)
X
Y
Z
Регістр
статуса
...
линії
керування
Таймери/
лічильники
Вартовий
таймер
Порт D
УАПП
АЛП
Декодер
команд
8-розрядна Шина Даних
ПЗПД
Шина Адреси
ЗП
16-розрядна Шина Команд
Порт В
Шина Адреси
АЛП – арифметико-логічне пристрій;
АЦП – аналого-цифровий
перетворювач;
ДШПІ – двошинний послідовний
інтерфейс;
ЗП – запам'ятовуючі пристрої;
ОЗП – оперативний запам'ятовуючий
пристрій;
НОЗП (РЗП) – надоперативний
запам'ятовуючий пристрій (регістри
загального призначення = регістровий
файл);
ПЗПП – постійний запам'ятовуючий
пристрій програм;
ПЗПД – постійний запам'ятовуючий
пристрій даних (ППЗПЕС –
перепрограмовуваний ПЗП з
електричним стиранням);
ПІЗП – послідовний інтерфейс зв'язку
з периферією;
УАПП – універсальний асинхронний
прийомо-передавач;
ЦПП – центральний процесорний
пристрій.
Вказівник
стеку
Аналоговий
компаратор
Порт С
ДШПІ
(TWI=I2C)
ЦПП
Периферійні вузли
Мікропроцесори і їх програмування

7.

6
ПЗП AVR-МК (ATmega16)
ПЗПП (Flash) - 8К х 16
Комірка ПЗПП
Комірка ПЗПД
біти:
біти:
...
...
...
...
...
...
$1FFD
$1FFE
$1FFF
...
b3 b2 b1 b0
...
...
...
...
...
...
Область програми
користувача
Адреса: b15 b14 b13 b12
$0000
$0001
$0002
$0003
$0004
...
...
...
...
...
...
...
а)
Область
завантажувального сектора
FLASHEND =
ПЗПД (ППЗПЕС=EEPROM) – 0.5К х 8
Адреса: b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
$0000
$0001
$0002
$0003
...
...
$01FD
$01FE
$01FF
б)
Рисунок 4 – Розподіл адресних просторів ПЗП програм (а) і ПЗП даних (б)
МК ATmega16
© Мазуренко О.В., 2018
Мікропроцесори і їх програмування

8.

7
ОЗП AVR-МК (ATmega16)
ОЗП (RAM) - 1К х 8
Фізична адресація (Адреса КП ОЗП)
Внтурішня адресація:
Комірка ОЗП
біти:
$045E
RAMEND = $045F
R1
R2
R3
R30
R31
$0000
$0001
$0002
$0003
Простір
введення\виведення
(I\O Space)
ОЗП користувача
$001E
$001F
$0020
$0021
$0023
$0024
$005E
$005F
$0060
$0061
$0063
$0064
R0
НОЗП
Регістровий файл
(Register File)
Адреса: b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
$0000
$0001
$0002
$0003
Адреси
простору
введення\
виведення
(I\O Adress)
$003E
$003F
XH
XL
X =XH:XL
R27
R26
YH
YL
Y =YH:YL
R29
R28
ZH
ZL
Z =ZH:ZL
R31
R30
Рисунок 5 – Розподіл адресного простору ОЗП мікроконтролера Atmega16
і регістри непрямої адресації даних
© Мазуренко О.В., 2018
Мікропроцесори і їх програмування

9.

Дворівневий конвеєр обчислень AVR-МК
8
SF_ГТІ(t)
1
Вибірка
команд
Виконання
команд
2
...
3
t
Вибірка
Вибірка
Вибірка
команди 1 команди 2 команди 3
... t
Виконання Виконання
команди 1
команди 2
... t
Рисунок 6 – Дворівневий конвеєр виконання команд AVR-МК
КОП
Адреса
операнда 1
Адреса
операнда 2
а)
б)
Рисунок 7 – Структура (а) і процес декодування й виконання команди (б) в AVR-МК
© Мазуренко О.В., 2018
Мікропроцесори і їх програмування

10.

9
Призначення виводів МК ATmega16
AGND
б)
а)
в)
г)
Рисунок 8 – Призначення виводів (а) і види корпусів МК ATmega16:
(б) – PDIP-40 (Plastic Dual Inline Package);
(в) – TQFP-44 (Thin profile plastic Quad Flat Package);
(г) – MLF-44 (Micro Lead Frame Package)
© Мазуренко О.В., 2018
Мікропроцесори і їх програмування

11.

10
Типова схема підключення МК ATmega16
+Uж
R1
D1
ATmega16
VCC
AVCC
R2
+Uж
C5
C1
RESET
AREF
C6
C2
GND
AGND
C3
XTAL2
PА0
XTAL1
PD7
...
ZQ1
...
C4
+Uж = 5 В
C1, С2, С5, С6 – 0,1 мкФ
C3, С4 – 12...22 пФ
R1 – 10 кОм
R2 – 100 Ом
До виводів цифрових і (або)
аналогових пристроїв (в
злежності від вирішуваної
задачі)
Рисунок 9 – Типова схема підключення МК ATmega16
© Мазуренко О.В., 2018
Мікропроцесори і їх програмування