Mikrokontrolery

Mikrokontroler ATtiny24/44/84 zawiera 2/4/8KB wbudowanej w układ i programowalnej pamięci FLASH na przechowywanie programu.

Ponieważ wszystkie instrukcje AVR mają długość 16 lub 32 bity, pamięć FLASH zorganizowana jest jako 1024/2048/4096  słów 16-bitowych. FLASH ma trwałość co najmniej 10.000 cykli zapisu/kasowania.

Licznik rozkazów (ang. Program Counter, PC) w ATtiny24/44/84 ma długość 10/11/12 bitów, co umożliwia mu zaadresowanie 1024/2048/4096 komórek pamięci programu. Rozdział "Programowanie pamięci" zawiera szczegółowy opis szeregowego ładowania danych do pamięci FLASH poprzez końcówki interfejsu szeregowego SPI.

Tablice stałych można umieszczać wewnątrz całej przestrzeni adresowej pamięci programu (zobacz na opis instrukcji LPM i SPM).

Wykresy czasowe pobierania i wykonywania instrukcji są przedstawione w podrozdziale "Czasy wykonywania instrukcji".

Poniższy rysunek przedstawia organizację pamięci SRAM w mikrokontrolerze ATtiny24/44/84:

Niższe komórki pamięci danych adresują rejestry ogólnego przeznaczenia, pamięć we/wy oraz wewnętrzną pamięć SRAM. Pierwsze 32 komórki tworzą zestaw rejestrów ogólnego przeznaczenia, następne 64 komórki są standardową pamięcią we/wy, a ostatnie komórki odnoszą się do 128/256/512 komórek wewnętrznej pamięci danych SRAM.

Pięć różnych trybów adresowania pamięci danych to: adresowanie bezpośrednie, pośrednie z przesunięciem, pośrednie, pośrednie z predekrementacją i pośrednie z postinkrementacją. W zestawie rejestrów rejestry od R26 do R31 mają funkcję rejestrów pośrednich wskaźników adresowych. Adresowanie bezpośrednie osiąga całą przestrzeń danych. Tryb pośredni z przesunięciem osiąga 63 komórki od adresu bazowego danego przez rejestr Y lub Z.

Gdy są używane tryby adresowania pośredniego z automatyczną predekrementacją lub postinkrementacją, to rejestry adresowe X, Y i Z są odpowiednio zmniejszane lub zwiększane o 1.

W mikrokontrolerze ATtiny24/44/84 poprzez te tryby adresowania dostępne są wszystkie 32 rejestry robocze ogólnego przeznaczenia, 63 rejestry we/wy oraz 128/256/512 bajtów wewnętrznej pamięci danych SRAM.

Zestaw rejestrów opisany jest w podrozdziale "Zestaw rejestrów ogólnego przeznaczenia".

Czas dostępu do pamięci danych

Dostęp do wewnętrznej pamięci SRAM wykonywany jest w dwóch taktach clk_CPU, co pokazuje poniższy rysunek:

Mikrokontroler ATtiny24/44/84 zawiera 128/256/512 bajtów pamięci danych EEPROM (ang. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). Jest ona zorganizowana jako oddzielna przestrzeń danych, w której można zapisywać pojedyncze bajty. EEPROM posiada wytrzymałość co najmniej 100.000 cykli zapisu/kasowania. Dostęp mikroprocesora do danych zapisanych w pamięci EEPROM dokonywany jest poprzez rejestr adresu EEPROM, rejestr danych EEPROM oraz rejestr sterowania EEPROM. Istnieje również możliwość zapisu/odczytu zawartości EEPROM poprzez interfejs SPI.

Zapis/Odczyt EEPROM

Rejestry dostępu do EEPROM znajdują się w przestrzeni we/wy.

Czasy dostępu dla EEPROM są podane przy opisie rejestru sterującego pamięcią EEPROM,  EECR (ang. EEPROM Control Register). Jednakże funkcja odmierzająca samoczynnie czas pozwala wykryć oprogramowaniu użytkownika, kiedy można zapisać następny bajt. Jeśli kod użytkownika zawiera instrukcje, które zapisują pamięć EEPROM, należy podjąć pewne środki ostrożności. W mocno filtrowanych źródłach zasilania napięcie V_CC może wzrastać lub opadać wolno przy włączaniu/wyłączaniu. Powoduje to, iż mikrokontroler przez pewien okres czasu pracuje przy napięciu niższym od określonego jako minimalne dla używanej częstotliwości zegarowej. Zobacz do podrozdziału "Zapobieganie uszkodzeniu danych w EEPROM", gdzie znajdziesz więcej informacji o tym, jak unikać problemów w takich sytuacjach.

Aby zapobiec niezamierzonym zapisom w EEPROM, należy zastosować specjalną procedurę zapisu. Szczegóły znajdziesz w podrozdziałach "Atomowe programowanie bajtu" oraz "Rozdzielone programowanie bajtu".

Gdy odczytywana jest pamięć EEPROM, to mikroprocesor zostaje wstrzymany przez cztery cykle zegarowe przed wykonaniem następnej instrukcji. Gdy zapisywana jest pamięć EEPROM, mikroprocesor jest wstrzymywany przez dwa cykle zegara przed wykonaniem następnej instrukcji.

Atomowe programowanie bajtu

Użycie Atomowego Programowania Bajtu (ang. Atomic Byte Programming) jest najprostszym trybem. Przy zapisie bajtu do EEPROM, użytkownik musi wpisać jego adres do rejestru EEARL oraz dane do rejestru EEDR. Jeśli bity EEPMn mają wartość zero, to zapis bitu EEPE (w ciągu czterech cykli zegara po zapisie bitu EEMPE) rozpocznie operację kasowania/zapisu. Cykle kasowania jak i zapisu są wykonywane razem w jednej operacji, a całkowity czas programowania podany jest w opisie rejestru EECR. Bit EEPE pozostaje w stanie 1 aż zakończą się obie operacje kasowania i zapisu. Gdy pamięć jest zajęta programowaniem, nie można na niej wykonywać żadnych innych operacji.

Rozdzielone programowanie bajtu

Możliwe jest rozdzielenie cyklów kasowania i zapisu na dwie osobne operacje. Może to być przydatne, jeśli system wymaga krótkiego czasu dostępu przez pewien ograniczony okres czasu (typowo, gdy spada napięcie zasilające). Aby skorzystać z tej metody, zapisywane komórki muszą być wcześniej wykasowane. Jednak ponieważ operacje kasowania i zapisu są rozdzielone, możliwe jest wykonanie operacji kasowania, gdy system pozwala na wykonywanie operacji krytycznych czasowo (zwykle po włączeniu zasilania).

Kasowanie

Aby skasować bajt, jego adres musi zostać wpisany do rejestru EEARL. Jeśli bity EEPMn mają stan 0b01, zapis bitu EEPE (w ciągu czterech cykli zegara po zapisie bitu EEMPE) rozpocznie tylko operację kasowania (czas programowania podany jest w opisie rejestru EECR). Bit EEPE pozostaje w stanie 1 aż zakończy się operacja kasowania. Gdy pamięć jest zajęta programowaniem, nie można na niej wykonywać żadnych innych operacji.

Zapis

Aby zapisać dane do wybranej komórki pamięci EEPROM, użytkownik musi wpisać jej adres do rejestru EEARL oraz dane do rejestru EEDR.. Jeśli bity EEPMn mają stan 0b10, to zapis bitu EEPE (w ciągu czterech cykli zegara po zapisie bitu EEMPE) rozpocznie tylko operację zapisu (czas programowania podany jest w opisie rejestru EECR). Bit EEPE pozostaje w stanie 1 aż zakończy się operacja zapisu. Jeśli zapisywana komórka nie została wcześniej wykasowana, to zapisywane dane należy potraktować jako utracone. Gdy pamięć EEPROM jest zajęta programowaniem, nie można na niej wykonywać żadnych innych operacji.

Do odmierzania czasów dostępów do EEPROM używany jest kalibrowany oscylator. Upewnij się, iż częstotliwość tego oscylatora spełnia wymagania podane przy opisie rejestru OSCCAL.

Poniższe przykłady kodów pokazują po jednej funkcji w asemblerze i w języku C dla kasowania, zapisu lub atomowego zapisu EEPROM. Przykłady zakładają globalne wyłączenie przerwań (wyzerowany bit I w rejestrze stanu SREG), aby żadne z przerwań nie wystąpiło podczas wykonywania tych funkcji.

Przykład w kodzie maszynowym

EEPROM_write: ; Zaczekaj na dokończenie poprzedniego zapisu sbic EECR,EEPE rjmp EEPROM_write ; Ustaw tryb Programowanie ldi r16, (0<<EEPM1)|(0<<EEPM0) out EECR, r16 ; Ustaw adres (r17) w rejestrze adresowym out EEARL, r17 ; Zapisz dane (r16) do rejestru danych out EEDR,r16 ; Wpisz logiczną jedynkę do bitu EEMPE sbi EECR,EEMPE ; Rozpocznij zapis w EEPROM przez ustawienie bitu EEPE sbi EECR,EEPE ret

Przykład w języku C

void EEPROM_write(unsigned char ucAddress, unsigned char ucData) { /* Zaczekaj na dokończenie poprzedniego zapisu */ while(EECR & (1<<EEPE)); /* Ustaw tryb Programowanie */ EECR = (0<<EEPM1)|(0>>EEPM0) /* Ustaw rejestry adresu i danych */ EEARL = ucAddress; EEDR = ucData; /* Wpisz logiczną jedynkę do bitu EEMPE */ EECR |= (1<<EEMPE); /* Rozpocznij zapis w EEPROM przez ustawienie bitu EEPE */ EECR |= (1<<EEPE); }

Następne przykłady kodu pokazują funkcje w asemblerze i w języku C dla odczytu EEPROM. Przykłady zakładają globalne wyłączenie przerwań podczas wykonywania tych funkcji..

Przykład w kodzie maszynowym

EEPROM_read: ; Zaczekaj na dokończenie poprzedniego zapisu sbic EECR,EEPE rjmp EEPROM_read ; Ustaw adres (r17) w rejestrze adresowym out EEARL, r17 ; Rozpocznij odczyt EEPROM przez zapis EERE sbi EECR,EERE ; Odczytaj dane z rejestru danych in r16,EEDR ret

Przykład w języku C

unsigned char EEPROM_read(unsigned char ucAddress) { /* Zaczekaj na dokończenie poprzedniego zapisu */ while(EECR & (1<<EEPE)); /* Ustaw rejestr adresowy */ EEARL = ucAddress; /* Rozpocznij odczyt EEPROM przez zapis EERE */ EECR |= (1<<EERE); /* Zwróć dane z rejestru danych */ return EEDR; }

Zapobieganie uszkodzeniu danych w EEPROM

Podczas okresów niskiego napięcia zasilającego V_CC dane w EEPROM mogą ulec uszkodzeniu przy zapisie, ponieważ napięcie zasilające jest zbyt niskie na poprawne funkcjonowanie mikroprocesora oraz EEPROM. Problem ten jest taki sam jak w systemach z zewnętrznymi pamięciami EEPROM i te same rozwiązania powinny być stosowane.

Uszkodzenie danych w EEPROM może być spowodowane przez dwie sytuacje, gdy napięcie jest zbyt niskie. Po pierwsze normalna sekwencja zapisu do EEPROM wymaga minimalnego napięcia, aby zadziałać prawidłowo. Po drugie sam mikroprocesor może nieprawidłowo wykonywać instrukcje, jeśli napięcie zasilania jest zbyt niskie.

Uszkodzeniu danych w EEPROM można łatwo zapobiec, stosując następujące zalecenia projektowe:

Utrzymuj końcówkę  AVR RESET w stanie aktywnym (niskim 0) podczas okresów niewystarczającego napięcia zasilania. Można to zrobić, przez uaktywnienie wewnętrznego detektora spadku napięcia (ang. Brown-out Detector, BOD). Jeśli poziom wykrywania wewnętrznego detektora BOD nie odpowiada wymaganemu poziomowi wykrywania, to można użyć zewnętrznego układu resetowania przy niskim napięciu V_CC. Jeśli reset wystąpi podczas operacji zapisu, operacja ta zostanie dokończona o ile napięcie zasilania jest wystarczające.

Definicja przestrzeni we/wy mikrokontrolera ATtiny24/44/84 pokazana jest w rozdziale "Podsumowanie rejestrów".

Wszystkie układy we/wy ATtiny24/44/84 obsługiwane są poprzez rejestry w przestrzeni we/wy. Dostęp do wszystkich rejestrów we/wy wykonywany jest przez instrukcje LD/LDS/LDD i ST/STS/STD, przesyłające dane pomiędzy 32 rejestrami ogólnego przeznaczenia a przestrzenią we/wy. Rejestry we/wy o adresach w zakresie 0x00 – 0x1F są bezpośrednio dostępne bitowo przy pomocy instrukcji SBI i CBI. W rejestrach tych wartość pojedynczych bitów można sprawdzać instrukcjami SBIS i SBIC. Gdy są używane dedykowane instrukcje IN i OUT, należy używać adresów we/wy 0x00 – 0x3F. Gdy rejestry we/wy są adresowane w przestrzeni danych za pomocą instrukcji LD i ST, należy do tych adresów dodać 0x20.

Dla kompatybilności z przyszłymi mikrokontrolerami zarezerwowane bity powinny być zapisywane stanami 0 przy dostępie do rejestrów. Zarezerwowanych adresów w pamięci we/wy nie należy nigdy zapisywać.

Niektóre ze znaczników stanu są zerowane przez zapis w nich stanu 1. Zwróć uwagę, iż w przeciwieństwie do większości innych mikrokontrolerów AVR instrukcje CBI i SBI działają tylko na określonym bicie i można je z tego powodu używać na rejestrach zawierających takie znaczniki stanu. Instrukcje CBI i SBI pracują jedynie na rejestrach od 0x00 do 0x1F. 

Rejestry we/wy ogólnego przeznaczenia

Mikrokontroler ATtiny24/44/84 zawiera trzy rejestry we/wy ogólnego przeznaczenia (ang. General Purpose I/O Registers). Rejestry te można używać do przechowywania dowolnej informacji, a szczególnie przydają się one do przechowywania zmiennych globalnych i znaczników stanu.

EEARH – EEPROM Address Register – Rejestr adresowy EEPROM

Bity 7:1 – Zarezerwowane

Te bity są zarezerwowane w ATtiny24/44/84 i dają przy odczycie zawsze wartość zero.

Bit 0 – EEAR8: EEPROM Address – Adres pamięci EEPROM

Jest to najbardziej znaczący bit adresu EEPROM w ATtiny84. W mikrokontrolerach z mniejszą pamięcią EEPROM, tj. ATtiny24/ATtiny44, bit ten jest zarezerwowany i przy odczycie zawsze daje wartość 0. Początkowa zawartość rejestru adresowego EEPROM (EEAR) jest niezdefiniowana i właściwy adres musi zostać wpisany przed dostępem do EEPROM.

EEARL – EEPROM Address Register – Rejestr adresowy EEPROM

Bit 7 – EEAR7: EEPROM Address – Adres pamięci EEPROM

To jest najbardziej znaczący bit adresu EEPROM mikrokontrolera ATtiny44. W ATtiny24 posiadającym mniej pamięci EEPROM bit ten jest zarezerwowany i przy odczycie zawsze daje wartość 0. Początkowa zawartość rejestru adresowego EEPROM (EEAR) jest niezdefiniowana i właściwy adres musi zostać wpisany przed dostępem do EEPROM.

Bity 6:0 – EEAR[5:0]: EEPROM Address – Adres EEPROM

Rejestr adresowy EEPROM – EEARL – określa adres w 18/256/512 bajtowej przestrzeni adresowej EEPROM. Bajty danych w EEPROM są adresowane liniowo pomiędzy 0 a 127/255/511. Początkowa zawartość rejestru EEAR jest niezdefiniowana. Przed dostępem do  EEPROM należy wpisać poprawny adres.

EEDR – EEPROM Data Register – Rejestr danych EEPROM

Bity 7:0 – EEDR7:0: EEPROM Data – Dane EEPROM

Dla operacji zapisu w EEPROM rejestr EEDR zawiera dane do zapisania pod adresem podanym przez rejestr EEAR. Dla operacji odczytu z EEPROM rejestr EEDR zawiera dane odczytane z komórki EEPROM o adresie podanym w rejestrze EEAR.

EECR – EEPROM Control Register – Rejestr sterujący EEPROM

Bit 7 – Zarezerwowany

Ten bit został zarezerwowany do użytku w przyszłości i na ATtiny24/44/84. daje przy odczycie wartość 0. Dla kompatybilności z przyszłymi mikrokontrolerami AVR zawsze zapisuj ten bit stanem 0. Po odczycie wymaskuj ten bit z wyniku.

Bit 6 – Zarezerwowany

Ten bit jest zarezerwowany w ATtiny24/44/84 i daje przy odczycie zawsze wartość zero.

Bity 5:4 – EEPM[1:0]: EEPROM Programming Mode Bits – Bity trybu programowania EEPROM

Bity te ustalają rodzaj programowania, które zostanie wyzwolone przy zapisie do bitu EEPE. Możliwe jest programowanie danych w jednej operacji atomowej (skasowanie starej zawartości i zaprogramowanie nowej) lub rozdzielenie operacji kasowania i zapisu na dwie osobne operacje. Czasy programowania pokazane są w poniższej tabeli.  Gdy bit EEPE jest ustawiony, każdy zapis do bitów EEPMn zostanie zignorowany. Podczas resetu bity EEPMn zostaną ustawione na 0b00, chyba że pamięć EEPROM jest zajęta programowaniem.

Bity trybu programowania EEPROM

Bit 3 – EERIE: EEPROM Ready Interrupt Enable – Włączenie przerwań przy gotowości EEPROM

Ustawienie bitu EERIE na 1 uaktywnia przerwania przy gotowości EEPROM, jeśli bit I w SREG jest ustawiony. Wyzerowanie bitu EERIE wyłącza to przerwanie. Przerwanie to jest generowane ciągle, gdy pamięć nieulotna jest gotowa na programowanie.

Bit 2 – EEMPE: EEPROM Master Program Enable – Główne uaktywnienie programowania EEPROM

Bit EEMPE określa, czy zapis jedynki do bitu EEPE odniesie jakiś skutek, czy też nie. Gdy bit EEMPE zostanie ustawiony, to ustawienie EEPE w ciągu czterech cykli zegarowych spowoduje zaprogramowanie komórki EEPROM pod wybranym adresem. Jeśli EEMPE ma wartość zero, to ustawienie EEPE nie będzie miało żadnego skutku. Gdy do bitu EEMPE program wpisał 1, to bit ten zostanie wyzerowany sprzętowo po czterech cyklach zegarowych.

Bit 1 – EEPE: EEPROM Program Enable – Programowanie EEPROM

Sygnał EEPE jest sygnałem wyzwalającym programowanie EEPROM. Gdy bit EEPE zostanie zapisany, pamięć EEPROM będzie zapisana zgodnie z ustawieniem bitów EEPMn. Przed zapisem logicznej jedynki do bitu EEPE bit EEMPE musi zostać ustawiony na 1, inaczej zapis do EEPROM nie odbędzie się. Gdy upłynie czas zapisu bit EEPE zostanie wyzerowany sprzętowo. Gdy bit EEPE zostanie ustawiony, mikroprocesor jest wstrzymywany na dwa cykle zegarowe przed wykonaniem następnej instrukcji.

Bit 0 – EERE: EEPROM Read Enable – Odczyt EEPROM

Sygnał EERE jest strobem odczytu dla EEPROM. Gdy poprawny adres zostanie ustawiony w rejestrze EEARL, bit EERE musi być zapisany stanem 1, aby wyzwolić odczyt z EEPROM. Dostęp odczytu z EEPROM zajmuje jedną instrukcję, a zażądane dane są dostępne natychmiast. Gdy pamięć EEPROM jest odczytywana, mikroprocesor zostaje wstrzymany na cztery cykle zegarowe przed wykonaniem następnej instrukcji. Użytkownik powinien sprawdzać stan bitu EEPE przed rozpoczęciem operacji odczytu. Jeśli trwa operacja zapisu, nie jest możliwy odczyt EEPROM, ani zmiana rejestru EEARL

GPIOR2 – General Purpose I/O Register 2 – Rejestr we/wy ogólnego przeznaczenia nr 2

GPIOR1 – General Purpose I/O Register 1 – Rejestr we/wy ogólnego przeznaczenia nr 1

GPIOR0 – General Purpose I/O Register 0 – Rejestr we/wy ogólnego przeznaczenia nr 0