Serwis Edukacyjny
w I-LO w Tarnowie
obrazek

Materiały dla uczniów liceum

  Wyjście       Spis treści       Wstecz       Dalej  

obrazek

Autor artykułu: mgr Jerzy Wałaszek
Konsultacje: Wojciech Grodowski, mgr inż. Janusz Wałaszek

©2021 mgr Jerzy Wałaszek
I LO w Tarnowie

obrazek

Mikrokontrolery

ATmega16

Pamięci AVR ATmega16

obrazek

Educational and Non-Profit Use of Copyrighted Material:

If you use Microchip copyrighted material solely for educational (non-profit) purposes falling under the “fair use” exception of the U.S. Copyright Act of 1976 then you do not need Microchip’s written permission. For example, Microchip’s permission is not required when using copyrighted material in: (1) an academic report, thesis, or dissertation; (2) classroom handouts or textbook; or (3) a presentation or article that is solely educational in nature (e.g., technical article published in a magazine).

https://www.microchip.com/about-us/legal-information/copyright-usage-guidelines

SPIS TREŚCI
Podrozdziały

obrazek

Ten rozdział opisuje różne pamięci w mikrokontrolerze ATmega16. Architektura AVR posiada dwie główne przestrzenie pamięciowe: przestrzeń pamięci danych (ang. data memory space) oraz przestrzeń pamięci programu (ang. program memory space). Dodatkowo mikrokontroler ATmega16 jest wyposażony w nieulotną pamięć EEPROM (ang. Electrically Erasable and Programmable Read-Only Memory) na przechowywanie danych. Wszystkie przestrzenie pamięciowe są liniowe i regularne.

Reprogramowalna pamięć FLASH dla programu

Mikrokontroler ATmega16 zawiera 16 KB reprogramowalnej w systemie pamięci FLASH do przechowywania programu. Ponieważ wszystkie instrukcje AVR mają długość 16 lub 32 bity, pamięć FLASH jest zorganizowana jako 8192 komórki 16-bitowe. Dla bezpieczeństwa oprogramowania przestrzeń pamięci FLASH programu została podzielona na dwie sekcje: sekcję programu boot-loadera i sekcję programu aplikacji.

Trwałość pamięci FLASH wynosi co najmniej 10.000 cykli zapisu/kasowania. Licznik rozkazów (ang. Program Counter, PC) w ATmega16 jest 13-bitowy, co pozwala mu na zaadresowanie 8192 komórki pamięci programu. Działanie sekcji programu boot-loadera wraz z powiązanymi bitami blokującymi dla bezpieczeństwa oprogramowania jest opisane szczegółowo w rozdziale "Wsparcie dla programu startowego – odczyt przy zapisie i samoprogramowanie".

W rozdziale "Programowanie pamięci" znajdziesz szczegółowy opis szeregowego ładowania programu do pamięci FLASH za pomocą końcówek interfejsu SPI (ang. Serial Programming Interface) lub trybu programowania równoległego.

Tablice ze stałymi mogą być umieszczane w całej przestrzeni adresowej pamięci programu (zobacz na opis instrukcji LPM).

Mapa pamięci programu

Na początek:  podrozdziału   strony 

Pamięć SRAM dla danych

Powyższy rysunek pokazuje sposób organizacji pamięci SRAM (ang. Static RAM – statyczna pamięć RAM) w mikrokontrolerze ATmega16.

Dolne 1120 komórek zawiera zestaw rejestrów, pamięć we/wy oraz wewnętrzną pamięć danych SRAM. Pierwsze 96 komórki to zestaw rejestrów ogólnego przeznaczenia i pamięć we/wy, a następne 1024  komórki odnoszą się do wewnętrznej pamięci danych SRAM.

Pięć różnych trybów adresowania pamięci danych pokrywa: adresowanie bezpośrednie (ang. Direct Addressing Mode), adresowanie pośrednie z przesunięciem (ang. Indirect with Displacement Addressing Mode), adresowanie pośrednie (ang. Indirect Addressing Mode)adresowanie pośrednie z predekrementacją (ang. Indirect with Pre-decrement Addressing Mode) oraz adresowanie pośrednie z  postinkrementacją (ang. Indirect with Post-increment Addresing Mode). W zestawie rejestrów rejestry od R26 do R31 pełnią dodatkową funkcję rejestrów wskaźnikowych do pośredniego adresowania pamięci.

Adresowanie bezpośrednie obejmuje całą przestrzeń danych.

Adresowanie pośrednie z przesunięciem obejmuje 63 komórki od adresu bazowego danego w rejestrze Y lub Z.

Gdy jest używane pośrednie adresowanie z automatyczną predekrementacją lub postinkrementacją, rejestry adresowe X, Y lub Z są zwiększane lub zmniejszane.

Wszystkie te tryby adresowania w ATmega16 pozwalają na dostęp do każdej lokacji w przestrzeni danych: do zestawu 32 rejestrów ogólnego przeznaczenia, 64 rejestrów we/wy oraz 1024 bajtów wewnętrznej pamięci danych SRAM. Opis zestawu rejestrów znajdziesz w rozdziale "Zestaw rejestrów ogólnego przeznaczenia".

Czasy dostępu do pamięci danych

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

obrazek

 
Na początek:  podrozdziału   strony 

Pamięć EEPROM dla danych

Mikrokontroler ATmega16 zawiera 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, JTAG i w trybie programowania równoległego. Szczegóły znajdziesz w rozdziale "Programowanie pamięci".

Zapis/Odczyt EEPROM

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

Czasy dostępu dla EEPROM są podane przy opisie rejestru sterującego pamięcią EEPROMEECR (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 VCC 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. Zobacz do opisu rejestru EECR.

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


EEARH, EEARL – EEPROM Address Register – Rejestr adresowy EEPROM

Bit 15 14 13 12 11 10 9 8  
0x1F (0x3F) EEAR8 EEARH
0x1E (0x3E) EEAR7 EEAR6 EEAR5 EEAR4 EEAR3 EEAR2 EEAR1 EEAR0 EEARL
Bit 7 6 5 4 3 2 1 0  
Zapis/Odczyt O O O O O O O Z/O  
Zapis/Odczyt Z/O Z/O Z/O Z/O Z/O Z/O Z/O Z/O  
Wartość początkowa 0 0 0 0 0 0 0 X  
  X X X X X X X X  

Bity 15...9 – Zarezerwowane

Te bity są zarezerwowane w ATmega16 i przy odczycie dają zawsze wartość 0.

Bity 8...0 – EEAR8...0: EEPROM Address – Adres EEPROM

Rejestry adresowe EEPROM – EEARH i EEARL – określają adres EEPROM (starszy i młodszy bajt adresu) w 512-bajtowej przestrzeni pamięci EEPROM. Bajty EEPROM są adresowane liniowo od 0 do 511. Początkowa zawartość rejestru EEAR jest niezdefiniowana. Właściwą wartość należy wpisać przed dostępem do EEPROM.


EEDR – EEPROM Data Register – Rejestr danych EEPROM

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0  
0x1D (0x3D) EEDR7 EEDR6 EEDR5 EEDR4 EEDR3 EEDR2 EEDR1 EEDR0 EEDR
Zapis/Odczyt Z/O Z/O Z/O Z/O Z/O Z/O Z/O Z/O  
Wartość początkowa X X X X X X X X  

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 6 5 4 3 2 1 0  
0x1C (0x3C) EERIE EEMWE EEWE EERE EECR
Zapis/Odczyt O O O O Z/O Z/O Z/O Z/O  
Wartość początkowa 0 0 0 0 X X X 0  

Bity 7..4 – Zarezerwowane

Te bity są zarezerwowane w ATmega16 i zawsze przy odczycie dają zero.

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

Wpisanie jedynki do bitu EERIE włącza przerwania przy gotowości EEPROM, jeśli bit I w rejestrze SREG jest ustawiony. Wpisanie zera do EERIE wyłącza te przerwanie. Przerwanie od gotowości EEPROM jest generowane ciągle, gdy bit EEWE jest wyzerowany.

Bit 2 – EEMWE: EEPROM Master Write Enable – Uaktywnienie możliwości zapisu EEPROM

Bit ten umożliwia zabezpieczenie EEPROM przed przypadkowym zapisem. Określa on, czy ustawienie bitu EEWE na jeden spowoduje zapis do EEPROM. Gdy bit EEMWE zostanie ustawiony, to ustawienie bitu EEWE w ciągu czterech taktów zegarowych spowoduje zapis danych do EEPROM pod wybranym adresem. Jeśli bit EEMWE ma wartość zero, to ustawienie bitu EEWE nie spowoduje żadnego efektu. Gdy bit EEMWE zostanie ustawiony na jeden programowo, to będzie on automatycznie wyzerowany po upływie czterech taktów zegarowych.

Bit 1 – EEWE: EEPROM Write Enable – Zapis EEPROM

Bit EEWE jest strobem zapisu EEPROM. Gdy zostaną poprawnie ustawione adres i dane, to należy wpisać jedynkę do bitu EEWE, aby dane zapisać w pamięci EEPROM. Przed dokonaniem tego zapisu należy ustawić na jeden bit uaktywnienia zapisu EEMWE, w przeciwnym razie zapis do EEPROM nie zostanie wykonany. Należy zastosować poniższą procedurę (kolejność kroków 3 i 4 jest istotna):

  1. Czekaj aż EEWE przyjmie wartość zero.
  2. Czekaj aż SPMEN w SPMCR przyjmie wartość zero.
  3. Zapisz nowy adres EEPROM do rejestru EEAR (opcjonalnie)
  4. Zapisz nowe dane EEPROM do EEDR (opcjonalnie)
  5. Zapisz logiczne jeden do bitu EEMWE, zapisując jednocześnie zero do EEWE w rejestrze EECR
  6. W ciągu czterech taktów zegarowych po ustawieniu EEMWE zapisz logiczne jeden do EEWE

Pamięć EEPROM nie może być programowana podczas zapisu przez mikroprocesor danych do pamięci FLASH. Program użytkownika musi sprawdzić, czy programowanie FLASH jest ukończone przed zainicjowaniem zapisu do EEPROM. Krok 2 jest tylko wtedy istotny, gdy oprogramowanie zawiera boot loader, który pozwala mikroprocesorowi programować FLASH. Jeśli pamięć FLASH nigdy nie jest uaktualniana przez mikroprocesor, krok 2 można pominąć. Zobacz do rozdziału "Wsparcie dla programu startowego – odczyt przy zapisie i samoprogramowanie".

Uwaga: przerwanie pomiędzy krokiem 5 a 6 spowoduje porażkę cyklu zapisu, ponieważ bit uaktywniający zapis EEPROM, EEMWE, straci ważność (zostanie wyzerowany sprzętowo po czterech taktach zegara). Jeśli procedura przerwania uzyskująca dostęp do EEPROM przerwie pracę innemu procesowi dostępu do EEPROM, to rejestr EEAR lub EEDR zostanie zmodyfikowany, powodując porażkę przerwanego procesu dostępu do EEPROM. Zaleca się wyzerowanie globalnego znacznika przerwań I w rejestrze SREG w celu uniknięcia tych problemów.

Gdy upłynie czas przeznaczony na zapis, bit EEWE jest zerowany sprzętowo. Program użytkownika może przeglądać zawartość tego bitu i czekać na zero przed zapisem kolejnego bajtu. Gdy bit EEWE został ustawiony, mikroprocesor zatrzymuje się na dwa cykle przed wykonaniem następnej instrukcji.

Bit 0 – EERE: EEPROM Read Enable – Odczyt EEPROM

Bit EERE jest strobem odczytu EEPROM. Gdy został ustawiony poprawny adres w rejestrze EEAR, należy wpisać logiczną jedynkę do bitu EERE, aby wyzwolić odczyt EEPROM. Odczyt zajmuje jedną instrukcję i zażądane dane są dostępne natychmiast. Gdy jest odczytywana pamięć EEPROM, mikroprocesor zatrzymuje się na cztery cykle przed wykonaniem następnej instrukcji. Użytkownik powinien przeglądać stan bitu EEWE przed rozpoczęciem operacji odczytu. Jeśli trwa operacja zapisu, nie można odczytywać EEPROM ani zmieniać zawartości rejestru EEAR.

Do odmierzania czasu przy dostępie do EEPROM wykorzystywany jest kalibrowany oscylator. Poniższa tablica wymienia typowy czas programowania przy dostępie do EEPROM z poziomu mikroprocesora.

Symbol Liczba taktów kalibrowanego oscylatora RC(1) Typowy czas programowania
Zapis EEPROM (z mikroprocesora) 8448 8,5 ms
Uwaga: 1. Używa zegara 1 MHz niezależnie od ustawień bitów bezpiecznikowych CKSEL

Poniższe przykłady kodów pokazują po jednej funkcji w asemblerze i w języku C dla zapisu EEPROM. Przykłady zakładają globalne wyłączenie przerwań (wyzerowany bit I w rejestrze stanu SREG), aby żadne z przerwań nie wystąpiło podczas wykonywania tych funkcji. Założono również, iż oprogramowanie nie korzysta z boot-loadera. Jeśli kod programu ładującego jest obecny, to funkcja zapisu EEPROM musi również czekać na zakończenie każdego wykonywanego rozkazu SPM.
Przykład w kodzie maszynowym
EEPROM_write:
    ; Czekaj na zakończenie poprzedniego zapisu
    sbic EECR,EEWE
    rjmp EEPROM_write
    ; Ustaw adres (r18:r17) w rejestrze adresowym
    out EEARH, r18
    out EEARL, r17
    ; Zapisz dane (r16) do rejestru danych
    out EEDR,r16
    ; Zapisz logiczną jedynkę w bicie EEMWE
    sbi EECR,EEMWE
    ; Rozpocznij zapis EEPROM przez ustawienie EEWE
    sbi EECR,EEWE
    ret
Przykład w języku C
void EEPROM_write(unsigned int uiAddress, unsigned char ucData)
{
    /* Czekaj na zakończenie poprzedniego zapisu */
    while(EECR & (1<<EEWE))
    ;
    /* Ustaw rejestry adresu i danych */
    EEAR = uiAddress;
    EEDR = ucData;
    /* Zapisz logiczną jedynkę w bicie EEMWE */
    EECR |= (1<<EEMWE);
    /* Rozpocznij zapis EEPROM przez ustawienie EEWE */
    EECR |= (1<<EEWE);
}

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:
    ; Czekaj na zakończenie poprzedniego zapisu
    sbic EECR,EEWE
    rjmp EEPROM_read
    ; Ustaw adres (r18:r17) w rejestrze adresowym
    out EEARH, r18
    out EEARL, r17
    ; Rozpocznij odczyt EEPROM przez zapis bitu EERE
    sbi EECR,EERE
    ; Odczytaj dane z rejestru danych
    in r16,EEDR
    ret
Przykład w języku C
unsigned char EEPROM_read(unsigned int uiAddress)
{
    /* Czekaj na zakończenie poprzedniego zapisu
    while(EECR & (1<<EEWE))
    ;
    /* Ustaw rejestr adresowy */
    EEAR = uiAddress;
    /* Rozpocznij odczyt EEPROM przez zapis bitu EERE */
    EECR |= (1<<EERE);
    /* Zwróć dane z rejestru danych */
    return EEDR;
}

Zapis EEPROM podczas trybu wyłączenia zasilania

Przy wejściu w tryb uśpienia wyłączenia zasilania podczas aktywnej operacji zapisu EEPROM, operacja ta będzie kontynuowana aż do swojego zakończenia. Jednakże po zakończeniu operacji zapisu oscylator kontynuuje pracę i w konsekwencji mikrokontroler nie wejdzie w pełni w tryb wyłączenia. Dlatego zaleca się sprawdzenie zakończenia operacji zapisu EEPROM przed wejściem w ten tryb uśpienia.


Zapobieganie uszkodzeniu danych w EEPROM

Podczas okresów niskiego napięcia zasilającego VCC 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 VCC. Jeśli reset wystąpi podczas operacji zapisu, operacja ta zostanie dokończona o ile napięcie zasilania jest wystarczające.

Na początek:  podrozdziału   strony 

Pamięć wejścia/wyjścia

Definicja przestrzeni we/wy mikrokontrolera ATmega16 pokazana jest w rozdziale "Podsumowanie rejestrów".

Wszystkie układy we/wy ATmega16 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 0x00 to 0x1F.

Na początek:  podrozdziału   strony 

Zespół Przedmiotowy
Chemii-Fizyki-Informatyki

w I Liceum Ogólnokształcącym
im. Kazimierza Brodzińskiego
w Tarnowie
ul. Piłsudskiego 4
©2021 mgr Jerzy Wałaszek

Materiały tylko do użytku dydaktycznego. Ich kopiowanie i powielanie jest dozwolone
pod warunkiem podania źródła oraz niepobierania za to pieniędzy.

Pytania proszę przesyłać na adres email: i-lo@eduinf.waw.pl

Serwis wykorzystuje pliki cookies. Jeśli nie chcesz ich otrzymywać, zablokuj je w swojej przeglądarce.

Informacje dodatkowe.