Mikrokontrolery

Cechą wyróżniającą mikrokontrolery z innych procesorów są specjalne obwody, które zajmują się potrzebami aplikacji. Mikrokontrolery PIC10F200/202/204/206 posiadają wiele takich cech ukierunkowanych na maksymalizację niezawodności systemu, minimalizację kosztów poprzez eliminację zewnętrznych komponentów, udostępnienie trybów pracy oszczędzających energię oraz oferujących ochronę kodu. Te cechy są następujące:

• Reset:
  • Reset przy włączaniu (ang. Power-on Reset, POR)
  • Timer resetu układu (ang. Device Reset Timer, DRT)
  • Timer licznika zegarowego (ang. Watchdog Timer, WDT)
  • Wybudzanie z uśpienia przy zmianie poziomu logicznego końcówki
  • Wybudzanie z uśpienia przy zmianie stanu wyjścia komparatora
• Uśpienie
• Ochrona kodu
• Programowanie mikrokontrolera w układzie aplikacyjnym (ang. In-Circuit Serial Programming™)
• Wyjście zegarowe

Mikrokontrolery PIC10F200/202/204/206 posiadają timer licznika zegarowego (ang. Watchdog Timer), który można wyłączyć tylko poprzez bit konfiguracyjny WDTE. Timer ten jest taktowany swoim własnym oscylatorem RC dla zwiększonej niezawodności. Jeśli używany jest wewnętrzny oscylator RC (tryb INTRC), to występuje opóźnienie 18 ms tylko przy włączeniu zasilania na końcówce V_DD. Mając ten timer w mikrokontrolerze, większość aplikacji nie wymaga zewnętrznych obwodów resetu.

Tryb uśpienia został zaprojektowany w celu oferowania trybu wyłączenia o bardzo niskim poborze prądu. Użytkownik może wybudzić swój mikrokontroler z uśpienia poprzez zmianę poziomu logicznego na końcówkach wejściowych, poprzez wybudzenie zmianą w komparatorze lub poprzez zakończenie okresu zliczania w timerze licznika zegarowego.

Słowa konfiguracyjne w mikrokontrolerach PIC10F200/202/204/206 składają się z 12 bitów. Bity konfiguracyjne w pamięci FLASH można zaprogramować w celu wyboru różnych konfiguracji mikrokontrolera. Jeden bit włącza timer licznika zegarowego, jeden włącza reset na końcówce MCLR i jeden służy do zabezpieczania kodu (zobacz poniżej).

Typy oscylatorów

Układy PIC10F200/202/204/206 są oferowane tylko z trybem oscylatora wewnętrznego.

• INTOSC: Wewnętrzny oscylator 4 MHz

Wewnętrzny oscylator 4 MHz

Wewnętrzny oscylator dostarcza zegara systemowego o częstotliwości znamionowej 4 MHz (zobacz do rozdziału "Parametry elektryczne", gdzie opisany jest wpływ napięcia zasilania oraz temperatury na pracę mikrokontrolera). Dodatkowo instrukcja kalibracyjna jest zaprogramowana w ostatnim słowie pamięci. Komórka ta jest zawsze zabezpieczona przed przekodowaniem bez względu na ustawienia zabezpieczeń kodu. W komórce znajduje się instrukcja MOVLW xx, gdzie xx jest wartością kalibracyjną i która zostaje wykonana jako wektor Resetu. Spowoduje to załadowanie rejestru W wartością kalibracyjną podczas resetu, a następnie licznik programu PC przewinie się do programu użytkownika pod adresem 0x000. W tym miejscu użytkownik ma opcję zapisu tej wartości do rejestru OSCCAL (05h) lub zignorowania jej. Rejestr OSCAL po zapisie do niego tej wartości kalibracyjnej dostroi wewnętrzny oscylator do częstotliwości 4 MHz w celu usunięcia odchyłek produkcyjnych od znamionowej częstotliwości oscylatora.

Mikrokontroler rozróżnia pomiędzy różnymi rodzajami resetu:

• Reset przy włączaniu zasilania (ang. Power-on Reset, POR)
• Reset od końcówki MCLR podczas normalnej pracy
• Reset od końcówki MCLR podczas uśpienia
• Reset od zakończenia okresu zliczania w WDT podczas normalnej pracy
• Reset od zakończenia okresu zliczania w WDT podczas uśpienia
• Wybudzenie z uśpienia przy zmianie sygnału na końcówce
• Wybudzenie z uśpienia przy zmianie stanu wyjścia komparatora

Niektóre rejestry nie są w żaden sposób resetowane, ich stan jest nieznany przy POR i niezmieniony przy wszystkich innych resetach. Większość pozostałych rejestrów zostaje ustawiona na "stan poresetowy" (ang. Reset state) przy resecie POR, MCLR , WDT lub wybudzeniu przy zmianie stanu końcówki w czasie normalnej pracy. Nie są one zmieniane w czasie uśpienia przez reset od WDT lub od MCLR, ponieważ resety te są traktowane jako wznowienie normalnej pracy. Wyjątkiem są bity TO, PD, GPWUF i CWUF. Zostają one wyzerowane lub ustawione w różnych sytuacjach resetu. Bity te są używane w programie do określenia natury resetu. W poniższych tabelkach przedstawiono pełny opis stanu poresetowego wszystkich rejestrów.

Włączanie MCLR

Gdy bit konfiguracyjny MCLRE jest niezaprogramowany (pozostawiony w stanie '1'), to zostaje włączona zewnętrzna funkcja MCLR. Po zaprogramowaniu funkcja MCLR zostaje połączona z wewnętrznym napięciem VDD, a końcówka staje się końcówką we/wy, zobacz na poniższy rysunek.

    

    

    

Mikrokontrolery PIC10F200/202/204/206 zawierają wbudowany obwód resetowania przy włączaniu zasilania (ang. Power-on Reset, POR), który resetuje układ przy uruchomieniu. Obwód ten utrzymuje mikrokontroler w stanie resetu, aż napięcie zasilania V_DD osiągnie wystarczająco wysoki poziom do poprawnej pracy. Aby skorzystać z wewnętrznego POR, zaprogramuj końcówkę GP3/MCLR/VPP pin jako MCLR i podłącz ją poprzez opornik do V_DD, lub zaprogramuj tę końcówkę jako GP3. Wewnętrzny, słaby opornik podciągający jest zaimplementowany przez tranzystor. Eliminuje to potrzebę stosowania zewnętrznych elementów RC, które są zwykle potrzebne do stworzenia obwodu POR. Maksymalny czas narastania V_DD jest określony w rozdziale "Parametry elektryczne".

Gdy układ mikrokontrolera wychodzi ze stanu resetu, rozpoczyna normalną pracę. Wtedy warunki robocze (napięcie zasilające, częstotliwość oscylatora zegarowego, temperatura...) muszą spełniać określone wymagania, aby zapewnić poprawne działanie układu. Jeśli warunki te nie są spełnione, to układ musi być utrzymywany w stanie resetu aż do ich spełnienia.

Uproszczony schemat wbudowanego w układ obwodu Power-on Reset jest pokazany na poniższym rysunku.

Obwód POR oraz obwód timera resetu układu (ang. Device Reset Timer, DRT, zobacz do następnego podrozdziału) są ze sobą blisko powiązane. Przy włączeniu zasilania przerzutnik zatrzaskowy zostaje ustawiony, a DRT jest resetowany. Timer DRT rozpoczyna zliczanie, gdy tylko wykryje stan wysoki na MCLR. Po okresie zliczania, wynoszącym typowo 18 ms, timer zresetuje przerzutnik zatrzaskowy Resetu i w ten sposób zakończy wewnętrzny sygnał resetu układu.

Poniższy rysunek przedstawia przykład, gdzie sygnał MCLR jest utrzymywany w stanie niskim.

Sekwencja włączania zasilania przy MCLR w stanie niskim

Napięcie zasilające V_DD ma czas na wzrost i ustabilizowanie się, przed zmianą stanu MCLR z niskiego na wysoki. Układ faktycznie wyjdzie z Resetu po upływie TDRT ms od przejścia MCLR w stan wysoki.

Na poniższym rysunku wykorzystywana jest wbudowana funkcja Power-on Reset (MCLR i V_DD są połączone ze sobą lub końcówka ta jest zaprogramowana jako GP3).

Sekwencja włączania zasilania przy MCLR połączonym  z V_DD: szybki czas narastania V_DD

Napięcie zasilania V_DD jest stabilne zanim timer uruchamiania zakończy zliczanie i nie ma problemu z otrzymaniem właściwego resetu. Jednakże kolejny rysunek przedstawia sytuację problemową, w której zasilanie V_DD rośnie zbyt wolno.

Sekwencja włączania zasilania przy MCLR połączonym  z V_DD: wolny czas narastania V_DD

Czas pomiędzy chwilą, w której DRT wykryje wysoki stan MCLR, a faktycznym osiągnięciem przez MCLR i VDD ich pełnej wartości jest zbyt długi. W takiej sytuacji, gdy timer uruchamiania zakończy swój okres zliczania a V_DD nie osiągnie wartości V_DD(min), układ może nie funkcjonować prawidłowo. W takich przypadkach zalecamy użycie zewnętrznych obwodów RC w celu osiągnięcia dłuższych czasów POR.

W mikrokontrolerach PIC10F200/202/204/206 timer DRT jest uruchamiany przy każdym włączeniu zasilania. DTR pracuje na wewnętrznym oscylatorze. Procesor jest utrzymywany w stanie resetu tak długo, jak DTR jest aktywny. Opóźnienie DTR pozwala napięciu zasilającemu wzrosnąć ponad wartość minimalną V_DD oraz ustabilizować się oscylatorowi. DTR wbudowany w układ utrzymuje stan resetu przez ok 18 ms po osiągnięciu przez MCLR wysokiego poziomu logicznego (V_IH MCLR). W większości przypadków nie ma potrzeby zaprogramowania końcówki GP3/MCLR/V_PP jako MCLR ani używania zewnętrznego obwodu RC podłączonego do wejścia MCLR. Pozwala to na oszczędności w zastosowaniach czułych na koszty lub ograniczonych przestrzennie jak również na używanie końcówki GP3/MCLR/V_PP jako wejścia ogólnego przeznaczenia.

Opóźnienia czasu resetu różnią się pomiędzy układami z powodu V_DD, temperatury i odchyłek produkcyjnych. Szczegóły znajdziesz w rozdziale "Wykresy i tabele".

Źródłami resetu są POR, MCLR, zakończenie okresu zliczania WDT oraz wybudzenie z uśpienia przy zmianie poziomu logicznego końcówki.

Timer licznika zegarowego (ang. Watchdog Timer, WDT) jest niezależnie pracującym w mikrokontrolerze oscylatorem RC, który nie wymaga zewnętrznych elementów i jest oddzielony od wewnętrznego oscylatora 4 MHz. Oznacza to przykładowo, iż WDT będzie pracował nawet po zatrzymania zegara głównego procesora przez wykonanie instrukcji SLEEP. Podczas normalnej pracy lub w czasie uśpienia Reset od WDT lub Reset od wybudzenia wygenerują Reset mikrokontrolera.

Reset od timera licznika zegarowego wyzeruje bit TO  (STATUS[4]).

Moduł WDT można całkowicie wyłączyć przez zaprogramowanie na '0' bitu konfiguracyjnego WDTE (zobacz do podrozdziału "Bity konfiguracyjne"). Zobacz również do Dodatku: "Programowanie PIC10F200/202/204/206", aby dowiedzieć się, jak uzyskać dostęp do słowa konfiguracyjnego.

Okres zliczania WDT

WDT posiada znamionowy okres zliczania równy 18 ms (bez preskalera). Jeśli jest potrzebny dłuższy okres zliczania, to do WDT można przypisać preskaler ze współczynnikiem podziału do 1:128 (pod kontrolą oprogramowania) przez wpis do rejestru OPTION. W ten sposób można zrealizować okres zliczania maksymalnie do 2,3 sekundy. Okresy te zmieniają się z temperaturą, V_DD oraz zmianami tolerancji w trakcie produkcji. W najgorszych warunkach (VDD = min., temperatura = max., maksymalny podział w preskalerze WDT) może upłynąć kilka sekund zanim nastąpi koniec okresu zliczania WDT.

Zagadnienia programowania WDT

Instrukcja CLRWDT zeruje WDT oraz preskaler, jeśli został przydzielony do WDT, co zapobiega zakończeniu okresu zliczania i wygenerowaniu resetu mikrokontrolera. Instrukcja SLEEP również resetuje WDT wraz z preskalerem, jeśli został przydzielony. Daje to maksymalny czas uśpienia przed wybudzeniem z powodu resetu wywołanego przez WDT.

Schemat blokowy timera licznika zegarowego

Bity TO, PD, GPWUF i CWUF w rejestrze stanu STATUS można testować w celu określenia źródła powstania resetu: włączenie zasilania, końcówka MCLR, timer licznika zegarowego (WDT), wybudzenie przy zmianie wyjścia komparatora lub wybudzenie przy zmianie stanu końcówki. Poniższa tabela pokazuje stan tych bitów po resecie.

Reset przy spadku napięcia (ang. Brown-out Reset) wystąpi, gdy napięcie zasilające mikrokontroler (V_DD) spadnie poniżej wartości minimalnej, lecz nie do zera, a następnie powróci do poprzedniej wartości. W takim przypadku mikrokontroler należy zresetować.

Do resetowania mikrokontrolerów PIC10F200/202/204/206 przy spadku napięcia zasilania można zbudować zewnętrzne obwody zabezpieczające pokazane na poniższych rysunkach.

Mikrokontroler może zostać uśpiony, a później wybudzony z uśpienia.

SLEEP

Tryb wyłączenia zasilania (ang. Power-down mode) jest uruchamiany przez wykonanie instrukcji SLEEP. Jeśli jest aktywny timer licznika zegarowego, to zostaje on wyzerowany, lecz ciągle pracuje, zostaje ustawiony bit TO (STATUS[4]), bit PD (STATUS[3]) jest zerowany i wyłączany jest driver oscylatora. Porty we/wy zachowują stan, który posiadały przed wykonaniem instrukcji SLEEP (stan wysoki, niski lub stan wysokiej impedancji).

Wybudzenie z uśpienia

Mikrokontroler może wybudzić się ze stanu uśpienia, gdy wystąpi jedno z poniższych zdarzeń:

1. Zewnętrzny reset na końcówce GP3/MCLR/VPP, jeśli została skonfigurowana jako MCLR.
2. Reset od zakończenia okresu zliczania przez timer licznika zegarowego, jeśli WDT jest włączony.
3. Zmiana na końcówce wejściowej GP0, GP1 lub GP3, jeśli włączono wybudzanie przy zmianie stanu końcówki.
4. Zmiana stanu wyjścia komparatora, gdy włączone jest wybudzanie od komparatora.

Te zdarzenia powodują reset mikrokontrolera. Bity TO, PD, GPWUF i CWUF można wykorzystać do znalezienia przyczyny resetu. Bit TO jest zerowany, jeśli timer licznika zegarowego doliczył do końca swojego okresu i spowodował wybudzenie. Bit PD, ustawiany przy włączeniu zasilania, jest zerowany po wywołaniu instrukcji SLEEP. Bit GPWUF oznacza zmianę stanu podczas uśpienia na końcówkach GP0, GP1 lub GP3 (od ostatniej operacji na porcie GP). Bit CWUF oznacza zmianę stanu podczas uśpienia wyjścia komparatora.

Jeśli nie został zaprogramowany bit ochrony kodu (ang. code protection bit), to wbudowaną w mikrokontroler pamięć programu można odczytywać do celów weryfikacji.

Pierwsze 64 komórki oraz ostatnią komórkę (wektor resetu) zawsze można odczytać, bez względu na stan bitu ochrony kodu.

Cztery komórki pamięci zostały zaprojektowane jako komórki identyfikacyjne (ang. ID = identification), gdzie użytkownik może umieszczać sumę kontrolną lub inne kody identyfikacji. Podczas normalnego wykonywania programu komórki te nie są dostępne, lecz można je odczytywać i zapisywać podczas programowania/weryfikacji pamięci.

Używaj tylko dolnych czterech bitów tych komórek ID, a 8 górnych bitów zawsze programuj jako zera.

Mikrokontrolery PIC10F200/202/204/206 mogą być programowane szeregowo w docelowym układzie aplikacyjnym (ang. ISP = Incircuit Serial Programming). Dokonuje się tego po prostu za pomocą dwóch linii na zegar i dane oraz trzech dalszych linii na zasilanie, masę i napięcie programujące. Pozwala to naszym (tzn. firmy Microchip) klientom wytwarzać urządzenia z niezaprogramowanymi mikrokontrolerami i programować je bezpośrednio przed wysłaniem do klienta docelowego produktu. Pozwala to również na programowanie najnowszej wersji oprogramowania lub na tworzenie oprogramowania dedykowanego.

Mikrokontroler przechodzi w tryb programowania/weryfikacji przez ustawienie niskiego poziomu na końcówkach GP1 i GP0, podczas gdy napięcie na końcówce MCLR rośnie z V_IL do V_IHH (zobacz do specyfikacji programowania). GP1 staje się linią zegara programowania, a GP0 linią danych programowania. W tym trybie obie linie GP1 i GP0 posiadają wejścia Schmitta. Po resecie do mikrokontrolera przesyłany jest 6-bitowy rozkaz. Zależnie od tego rozkazu (Load = ładowanie, Read = odczyt) zostają następnie przesłane 16-bitowe dane do lub z mikrokontrolera. Szczegóły znajdziesz w dodatku. Typowe połączenie przy programowaniu szeregowym w układzie pokazuje poniższy rysunek.