Видео:03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]Скачать
![03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]](https://i.ytimg.com/vi/mjiJutISb6U/0.jpg)
Общее устройство микроконтроллеров: основа микроконтроллера, периферийные устройства
Ну вот, уважаемые читатели, мы и подошли к одному из главных вопросов в деле изучения микроконтроллеров – устройству микроконтроллеров.
Микроконтроллеры фирмы ATMEL
Для начала давайте условимся, что слово микроконтроллер в тексте будет прописываться двумя заглавными буквами – МК, так проще и удобнее.
Немножко истории.
Фирма ATMEL была создана в 1984 году, ее полное название – Advanced Technologi Memory and Logic.
Первый МК фирма выпустила в 1993 году.
В 1995 году была придумана новая архитектура процессорного ядра для МК, так называемое RISС-ядро (что это за диво, вы при желании можете ознакомиться в любой популярной литературе, а мы отвлекаться не будем).
Новую архитектуру МК назвали AVR. Идея новой архитектуры ядра оказалась очень удачной, и уже с 1997 года ATMEL начала серийный выпуск МК на основе RISC-ядра.
В настоящее время ATMEL выпускает в год несколько миллиардов МК разнообразных типов. Из всего этого множества мы выделим два семейств восьмиразрядных МК:
— TINY AVR
– MEGA AVR
Семейство Tiny – более простые, менее навороченные и, соответственно, более дешевые.
Семейство Mega – более навороченные, но и стоят дороже.
В каждом семействе большое разнообразие различных МК, что позволяет нам выбрать для создаваемой конструкции наиболее оптимальный вариант МК как по его возможностям, так и по цене.
Почему эти семейства МК называются восьмиразрядными (заодно узнаем что такое шины).
МК – сложная штука, в нем (в одном корпусе) размещено много разных устройств, которые, естественно, должны общаться между собой – передавать или принимать данные (нули и единички), передавать и принимать различные сигналы управления, записывать данные в память или считывать их из памяти. Общение устройств между собой а также с «внешним миром» происходит с помощью шин.
Шину можно представить как жгут с несколькими проводами с помощью которых все устройства соединены между собой и по которым передаются цифровые сигналы – логические нули и логические единицы.
В МК имеется три шины:
1. Шина данных (Data Bus – по английски).
Шина данных — шина, предназначенная для передачи информации.
Эта шина служит только для передачи различных данных между устройствами. Эта шина двунаправленная: по ней устройство может как передавать, так и принимать данные. МК семейства Tiny и Mega могут за один раз передать или принять восемь бит информации (бит – наименьшая единица измерения данных в цифровой технике, одна логическая единица или один логический ноль – это один бит информации) . Такая шина называется восьмиразрядной (иногда встречается название – восьмибитовая), а отсюда и сами МК – восьмиразрядными (если грубо, то можно сказать, что все устройства соединены жгутами из восьми проводов).
Минимальная разрядность шины данных – 8 бит (меньше не бывает). Современные компьютеры имеют 64-разрядную шину данных. Разрядность шины данных всегда кратна 8 (восьмиразрядная, шестнадцатиразрядная, тридцатидвухразрядная…)
2. Шина адреса (Addr Bus – по английски).
Шина адреса — шина, на которой в ходе выполнения программы выставляется адрес ячейки памяти, к которой в данный момент времени должен обратиться МК чтобы считать или следующую команду, или данные, или в которую необходимо записать данные.
3. Шина управления (Control Bus – по английски).
Шина управления – шина, а точнее набор линий (проводников) по которым передаются управляющие сигналы с помощью которых определяется как будет происходить обмен информацией – или ее считывание из памяти, или запись в память, а также некоторые специальные сигналы – сигнал готовности, сигнал сброса.
Небольшой пример работы шин.
Необходимо записать число 60 в ячейку памяти:
– на шине адреса выставляется адрес ячейки памяти в которую необходимо записать число
– на шине управления выставляется сигнал записи
– по шине данных передается число 60, которое записывается в выбранную ячейку памяти.
Ну вот, как общаются устройства в МК между собой, мы вроде-бы разобрались. Идем дальше.
В современном МК много различных устройств, в каком-то типе больше, а в каком-то меньше, а кроме того, в разных МК эти устройства могут различаться по своим характеристикам. Но в МК есть то, что составляет его основу и присутствует во всех типах – процессорное ядро (микропроцессорная система – по аналогии с компьютером), которое состоит из трех основных устройств:
1. АЛУ – арифметико-логическое устройство (микропроцессор) которое выполняет все вычисления (выполняет нашу программу).
2. Память -предназначена для хранения программ, данных, а также любой другой нужной нам информации.
3. Порты ввода – вывода. Это выводы МК с помощью которых он общается с «внешним миром». При передаче информации МК выставляет на своих выводах соответствующие логические уровни (0 или 1). При приеме информации МК считывает с этих выводов логические уровни, которые выставлены внешним устройством.
Это трио – основа МК:
Эту основу МК мы с вами рассмотрим очень подробно, но в следующей статье, как и то, что вы прочтете ниже.
В зависимости от модели МК в нем могут присутствовать дополнительные или, как еще говорят – периферийные устройства. Все периферийные устройства работают сами по себе, т.е. отдельно от процессора МК и не мешают выполнению программы. Когда периферийное устройство выполнит свою работу, оно может об этом сообщить процессору, а может и не сообщать – зависит от нашего желания, сами потом посмотрим на результаты.
Читайте также: Джун шин милый дом
1. Аналоговый компаратор
Присутствует во всех моделях МК
Аналоговый компаратор – устройство сравнения. Основная задача компаратора – это сравнение двух напряжений: одно из них – образцовое (с чем сравниваем), а второе – измеряемое (сравниваемое). Если сравниваемое напряжение больше образцового – компаратор вырабатывает сигнал логической единицы. Если сравниваемое напряжение меньше образцового – компаратор формирует на своем выходе логический ноль.
С помощью компаратора можно, к примеру, контролировать напряжение на заряжаемом аккумуляторе. Пока напряжение не достигнет нужного уровня, на выходе компаратора – логический ноль, как только напряжение аккумулятора достигло уровня нужного нам, компаратор вырабатывает логическую единицу, и значит можно завершить зарядку аккумулятора.
2. АЦП – аналогово-цифровой преобразователь.
Имеют не все МК.
АЦП – преобразователь аналогового напряжения в цифровую форму.
Аналоговое напряжение – это напряжение которое изменяется по напряжению во времени. Например – синусоидальный сигнал с выхода генератора частоты, напряжение в бытовой розетке, звуковой сигнал на колонках.
АЦП постоянно анализирует на своем входе величину напряжения и выдает на своем выходе цифровой код, соответствующий входному напряжению.
Примеры применения:
– цифровой вольтметр или амперметр
– процессорный стабилизатор напряжения
МК, которые имеют АЦП, также имеют раздельное питание для цифровой и для аналоговой частей.
3. Таймер/счетчик
Присутствует во всех моделях МК, но в разных количествах – от 1 до 4, и с разными возможностями.
Таймер/счетчик – это как бы два устройства в одном флаконе: таймер + счетчик.
Таймер – устройство, которое позволяет формировать временные интервалы. Таймер представляет собой цифровой счетчик который считает импульсы или от внутреннего генератора частоты, или от внешнего источника сигнала.
С помощью таймера/счетчика можно:
– отсчитывать и измерять временные интервалы
– подсчитывать количество внешних импульсов
– формировать ШИМ-сигналы
К примеру, мы хотим создать прибор позволяющий измерять частоту входного сигнала (частотомер). В этом случае мы можем использовать два счетчика/таймера. Первый будет отсчитывать временные интервалы равные 1 секунде, а второй будет считать количество импульсов за промежуток времени в 1 секунду которые отсчитывает первый таймер. Количество импульсов подсчитанное вторым таймером/счетчиком за 1 секунду будет равно частоте входного сигнала.
ШИМ— широтно-импульсный модулятор, предназначен для управления средним значением напряжения на нагрузке.
ШИМ – один из вариантов работы таймера/счетчика, позволяющий генерировать на выходе МК прямоугольное импульсное напряжение с регулируемой длительностью между импульсами (скважностью), которое применяется в различных устройствах:
– регулирование частоты вращения электродвигателя
– осветительные приборы
– нагревательные элементы
4. Сторожевой таймер.
Есть во всех моделях МК. Может быть включен или выключен по усмотрению программиста.
У сторожевого таймера только одна задача – производить сброс (перезапускать программу) МК через определенный промежуток времени.
При работе МК могут возникать различные ситуации при которых его нормальная работа будет нарушена (внешние помехи, дурацкая программа, за которую надо голову оторвать программисту). В таких случаях говорят, что МК «завис».
При нормальной работе МК и включенном сторожевом таймере, программа должна периодически производить сброс сторожевого таймера (а периодический сброс мы должны сами предусмотреть в программе) еще до того, как он должен сработать и перезапустить МК. Если программа «зависла», то сброса сторожевого таймера не будет, и через определенный промежуток времени он перезапустит МК.
5. Модуль прерываний.
Прерывание – сигнал, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события. При этом выполнение текущей программы приостанавливается и управление передается обработчику прерывания, который реагирует на событие и обслуживает его (выполняется программа, которую должен выполнить МК при наступлении соответствующего события – прерывания), после чего возвращается в прерванную программу.
Прерывания бывают внутренние и внешние.
Внутренние прерывания могут возникать при работе периферийных устройств МК (АЦП, компаратор, таймер и т.д.)
Внешнее прерывание – событие, которое возникает при наличии сигнала на одном из специальных входов МК (таких специальных входов для внешних прерываний у МК может быть несколько).
Пример.
Внутреннее прерывание. Собрали на МК устройство, которое еще обладает и функцией зарядки резервного источника питания. МК выполняет свою основную программу, аналоговый компаратор в это время проверяет напряжение на аккумуляторе. Как только напряжение аккумулятора снизится ниже допустимого, компаратор вырабатывает сигнал процессору – прерывание, процессор останавливает выполнение основной программы и переходит к выполнению программы прерывания, вызванного компаратором – к примеру, включает схему зарядки аккумулятора, а затем возвращается к выполнению прерванной программы.
Внешнее прерывание. Работа МК происходит также, как и при внутреннем прерывании, но вызываться оно может любым устройством, подключенным к специальному входу МК.
6. Интерфейсы и модули для передачи данных. Мы подробно рассматривать их будем только в том случае, если они потребуются для собираемой нами (в будущем) конструкции. Более подробно о них можно прочитать в популярной литературе.
Последовательный периферийный интерфейс SPI
Имеется во всех моделях МК.
Мы его в 99,9 случаях из 100 применяем для программирования МК.
Кроме программирования МК интерфейс SPI позволяет:
– обмениваться данными между МК и внешними устройствами
– обмениваться данными нескольким МК между собой
Универсальный приемопередатчик
Имеют все модели МК, но разных типов:
– USART
– UART
Предназначены для обмена данными по последовательному каналу.
Последовательный двухпроводный интерфейс TWI
Встречается только в серии Mega.
Предназначен для обмена данными по двухпроводной линии. Всего к такой линии можно подключить до 128 устройств.
TWI является полным аналогом интерфейса I2C.
Видео:Чем отличается МИКРОКОНТРОЛЛЕР и МИКРОПРОЦЕССОРСкачать
CAN или не CAN? Или зачем мне сеть микроконтроллеров?
Этот вопрос мне пришлось задать себе лет десять назад или больше. Работа, которую надо было сделать, заключалась в дарении второй жизни диспетчерскому щиту. Это такая штука во всю стену, состоящая из лампочек и выключателей с переключателями. Думаю, не ошибусь, предположив, что щиты стали делать с тех пор, как появились лампочки, поскольку выключатели к тому времени, наверняка, уже были известны. А тяга к прекрасному, вообще, пришла к людям из далекой древности.
Читайте также: Шина медная шина м1т 3х30х4000 мм
Сейчас многие предпочтут щитам дисплейные панели. Но будут ли любители дисплеев в большинстве, зависит от многого, нам неведомого. Но сейчас речь не об этом.
Каждый, кто может в течение пяти минут поддерживать разговор об электропроводке, сразу скажет мне, что щит состоит из плоских панелей, на которых размещены выключатели и лампочки, а также из ящика со множеством проводов. Ведь лампочка без проводов только для того и годится, чтобы ее или тупо разбить или, если подойти творчески и включить воображение, разместить у самого пытливого во рту и довольно быстро узнать, где находится травмпункт.
Все так и было, куча проводов, уходящих из ящика к выключателям и лампочкам, только лампочки — маленькие. Видимо, внучки знаменитой лампочки Ильича.
И вот, помнится, глянул за окно, а там 21-й век. Стало быть надо все делать заново и по-другому. Вместо лампочек — экономичные светодиоды. Вместо проводов — проводки. Вместо одного ящика — много-много маленьких ящичков, контроллеров, стало быть.
Оказалось, что если каждый контроллер сможет обслуживать четыре светодиода и два переключателя то это будет выглядеть оптимальненько. В смысле, не так ужасающе. А если через все контроллеры будет проходить шина питания и информационная шина, всего четыре провода, то появится некое изящество. Оказалось также, что контроллеров потребуется 104 штуки. По-хорошему, тут надо было бы поставить и решить задачу коммивояжера. И тогда, возможно, контроллеров потратили бы меньше. Но было не до хорошего.
К тому времени я уже знал, что такое CAN и уровень моего уважения к фирме Bosch был много выше, нежели у повара приличного ресторана или аккуратной домохозяйки. А производители автомобилей BMW, я уверен, даже ходили к инженерам Bosch в гости.
Controller Area Network, как сказали бы иностранцы, на мой взгляд, как техническое решение, возникло из желания сделать что-то, наконец, хорошо. Не скрою, все прелести результатов работы инженеров почувствуешь не сразу, как осилишь два тома стандарта, а значительно позже. Когда пообщаешься с очевидцами, опросишь свидетелей. Сейчас томов прибавилось, но, может быть, можно сразу начинать с третьего, поскольку, теперь оно называется CAN_FD. Однако, позвольте продолжить.
Еще до столкновения со щитом мне пришлось столкнуться с чужими инженерными решениями на тему использования CAN, а также наделать и своих ошибок. Ошибки обычно появляются в перерывах между чтением инструкций и изучением описаний. Хорошо, что только со второго раза они выглядят как грабли.
Теперь несколько тысяч слов для читателя, который терпимо относится к занудам и не считает их врагами.
CAN можно установить там, где раньше работал RS485 на витой паре. Витая пара — это не непременное условие, просто удобно сравнивать. Используя витую пару, по CAN, как и по RS485, можно передать сообщения от управляющего контроллера к подчиненному и получить ответ. Сходство бросается в глаза, но, давайте лучше остановимся на отличиях. Кое-какие из отличий могут нести знак минус для некоторых из читателей. Но им бы я посоветовал не огорчаться, а вспомнить закон Ломоносова.
Благодаря синхронной организации протокола разрешение коллизий на шине реализовано аппаратно, на лету, так сказать. Ниже отмечено, к чему это приводит и что это дает непоседливому инженеру.
Можно получить сообщение и без запроса.
Не надо ждать, когда ответ будет готов, можно спросить в это время еще кого-то.
Подчиненный контроллер тоже может спросить и получить ответ.
Из-за синхронной работы длина шины CAN обратно пропорциональна скорости передачи или типа того.
Максимальная скорость составляет 1 Мбод (10 — на подходе).
То, что сообщение не исказилось при передаче отправляющий знает сразу после последнего бита. Точнее, это знают все на шине.
Если сообщение исказилось для одного, попытка не засчитывается всеми.
Если сообщение удалось передать в шину, то абонент не получит его лишь при условии, что сломался.
Количество контроллеров на шине не должно превышать 127.
Сообщения ограничены по длине. Они состоят из идентификатора, указателя длины в байтах и блока данных, именно с таким количеством байт, как указано. Есть еще несколько служебных битов, но о них пока помолчим, поскольку сервис должен быть ненавязчивым. Идентификатор может быть размером 11 или 29 бит. Блок данных может содержать от 0 до 8 байт (64 — на подходе).
Для конкретики приведу немного цифр. Если хочется работать на скорости 1Мбод, то длина шины не должна быть больше 35 метров (некоторые предпочитают 40, то есть, погорячее). Если необходимо передать что-то на расстояние до 8 км, то скорость не должна превышать 5 Кбод. Кстати, читатель вправе спросить, почему килобод, а не килобит? Потому, что не все боды становятся битами. Как-то так.
Как можно распорядиться всеми этими совсем не секретными ингредиентами? Те, кто во всем видят игру в кубики, сразу вспомнят, что есть такая замечательная вещь, как CANopen и еще много красивых сочетаний и аббревиатур и нечего изобретать велосипед. Таким мне часто хочется ответить: «Разве не похожа на велосипед та яичница из двух яиц, которую многие готовят себе на завтрак? Почему бы не сходить в общепит и не взять себе омлет?». Но я лучше промолчу и продолжу, не отвлекаясь на выкрики из зала.
Читайте также: Ванна для проверки шин своими руками
В те времена, когда 29 битовый идентификатора еще не успели придумать, существовал только 11 битовый. Одни его стали использовать, чтобы запихнуть туда название (номер) нужного вида данных. Другие использовали как адрес контроллера, к которому обращаются. И то и другое имело смысл. Например, можно спросить так:
- А подай-ка нам, милейший, шато тринадцатого года в литровой бумажной упаковке.
Заверните мне, пожалуйста, то, что спрятано у вас на самой нижней полке справа.
Кстати, в CAN может сработать и такая конструкция:
Всем лежать! А ты быстро складывай все с полок мне в сумку.
Но этой конструкцией часто не попользуешься, поскольку после придется какое-то время ждать.
Ждать пока все ответы не выстроятся один за другим и не поступят в распоряжение запрашивающего контроллера. Мы уже ушли от кино, если что.
Меня в моем случае устроил бы вариант идентификатора в качестве адреса. Из 11 бит требовалось 7 и еще 4 оставалось на то, чтобы сделать одни сообщения более срочными по сравнению с другими, а также пометить часть контроллеров как главные.
Некоторое неудобство перекочевало сюда из RS485, а именно, адреса надо было устанавливать вручную на каждом контроллере. Затем проверять и переустанавливать. И, возможно, вернуться к предыдущему шагу и повторить.
К счастью, к тому времени уже существовали два обстоятельства.
Первое — уже появился 29 битный идентификатор. А второе то, что многие производители микроконтроллеров стали считать хорошим тоном условие, чтобы каждый чип имел свой уникальный и довольно длинный номер.
Теперь в длинном идентификаторе можно было 24 бита смело отвести для уникального адреса. Еще 5 оставалось, для заботы о том, чтобы поезда различались срочностью, направлением (туда, обратно), наличием вагона-ресторана и вагонов с повышенным комфортом.
Если перестать дурачиться и сделаться серьезным, назвать подчиненных контроллеров агентами, а остальных боссами, то можно составить таблицу. Она будет показана немного позже.
Еще немного про адресацию. Уникальный номер чипа, как правило, занимает количество битов значительно превышающее 24, например, 96 у STM32FXXX. Поэтому необходимо как-то получить 24 из 96. Я выбрал операцию XOR. Вы можете выбрать что-то другое, но небольшая проблема останется. Это совпадения адресов после редуцирования.
Вероятность появления этой проблемы крайне мала, но она есть. Она решаема, но добавляет работы наладчикам. Здесь надо вспомнить, что сообщения CAN могут не содержать данных совсем. Это нам и пригодиться при решении. Оно состоит из следующих действий.
Управляющий контроллер (босс) отправляет широковещательный запрос, на который должны ответить все агенты (это запрос с нулевым адресом). Ответные сообщения с нулевой длиной данных и совпадающими адресами не испортят друг-друга, а достигнут босса в виде одного.
Теперь останется подсчитать сколько получено ответов и сколько их должно быть. Если эти два числа совпадают, значит все в порядке. Если ответов меньше чем контроллеров, то налицо совпадение адресов и наладчикам есть работа. А если ответов больше, нежели контроллеров, то надо подумать о диссертации, поскольку, вы — на пороге открытия.
Если изменение длины сообщения рассматривать как некоторые вариации его смысла, то можно получить дополнительные возможности, о которых позже расскажу, если мама не позовет кушать.
Еще из интересного, если использовать и короткие и длинные идентификаторы одновременно, то можно получить, например, адресацию групп или частично широковещательные запросы. Но не будем пока углубляться.
Вернемся к кодированию идентификатора.
Для целей адресации в расширенном идентификаторе отведено 24 бита, а в стандартном – шесть. Адрес со значением 0x000000 является широковещательным для расширенного идентификатора. Для стандартного идентификатора нулевой адрес (6 его бит) также считается широковещательным. Пять начальных (старших) битов в длинном и коротком идентификаторе, называются заголовком, влияют на смысл сообщения и обозначаются буквами NVADR:
Конечно, для диспетчерского щита потребовалось реализовать только часть этой схемы. В первом проекте со щитом (или на щите, как правильно?) использовались чипы Cortex от NXP, а в следующих проектах (были и такие) уже применялись M0 от STMicroelectronics.
Пару слов об использовании коротких идентификаторов. Те шесть бит, которые отводятся для адресации, адресуют не контроллер, а группу. Эта группа при старте сначала у всех нулевая. Далее производится конфигурирование агентов, после которого часть из них или все становятся принадлежащими своей группе. Теперь запросом к группе, мы получаем ответы тех агентов, которые мы собрали в эту группу.
Теперь, немного о том, что добавляется, если по-разному трактовать сообщения с различной длиной данных. Например, запрос с нулевой длиной хорошо помогает при отладке, как уже упоминалось выше. Запрос с длиной 3 обслуживает пространство байтовых переменных размером 16384. Запрос с длиной 4 делает то же самое, но предназначен для агента-шлюза, который обслуживает CAN шину второго уровня. Эта шина может состоять из одного-двух агентов, зато удаленных на пару километров.
Запрос с длиной 5 и 6, аналогично, предназначены для пространства двухбайтовых переменных размером 4194304. Два бита используются не для адресации. Один бит управляет записью-чтением. Другой сигнализирует об ошибке.
Далее 7 и 8 обслуживают четырех байтовые слова. Их тоже 4194304.
Эти пространства являются общими для всех агентов. Каждый из них, в зависимости от предназначения, использует только отрезок пространства переменных. Контроллер для измерения температуры в двух точках представлен на фото. Это для отладки и тестирования.
Соединяются контроллеры плоским шлейфом на 6 жил. На питание идут сдвоенные. Микросхема о двадцати ногах — это STM32F042.
С обратной стороны присутствует MAX3051, формирователь CAN в корпусе SOT23-8.
Ну вот, мама кушать зовет.
- Свежие записи
- Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
- Скрипят амортизаторы на машине что делать
- Из чего состоит стойка амортизатора передняя
- Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
- Для чего нужны амортизаторы в автомобиле
🌟 Видео
Микроконтроллеры это просто.#2 ПамятьСкачать
RS485 и микроконтроллерСкачать
лекция 403 CAN шина- введениеСкачать
Как работает LIN шина автомобиля. K-Line L-Line шины данных. Лин шина автомобиля. Lin-bus networkСкачать
Микроконтроллеры это просто.#0 ЦПУ.Скачать
Прерывания в микроконтроллерах? Что это, и как с ними работать. Краткий ликбез.Скачать
интерфейс rs 485 и микроконтроллерыСкачать
Что означает МАРКИРОВКА НА ШИНАХ / Значение всех цифр и букв на резинеСкачать
MCP2515, контроллер CAN шины с интерфейсом SPIСкачать
Таймеры/счётчики AVR микроконтроллераСкачать
Как считать размер шин. Расчёт и расшифровка размеров и обозначений.Скачать
Что такое микроконтроллер?Скачать
Что такое микроконтроллер.Скачать
Как проверить микроконтроллер, процессор?Скачать
STM32 CAN шина. Часть 1. Настройка и странности HALСкачать
Что такое микроконтроллерСкачать
Программирование микроконтроллеров: Урок 2. Организация памяти данных (регистры)Скачать
ШИМ с точной фазой и частотой | Часть 4 | Программирование микроконтроллеров AVRСкачать
