Файл: ATxmega-rus.doc

В данном документе приводится подробное описание всех встроенных в AVR-микроконтроллеры XMEGA A модулей и УВВ. Всех их особенности задокументированы на функциональном уровне и описаны по общей методике. Рассматриваемые в данном руководстве модули и УВВ могут не входить в состав некоторых микроконтроллеров XMEGA A.

Специфическую для каждого микроконтроллера информацию, как, например, характеристические данные, размеры памяти, доступные модули и УВВ, а также их абсолютные адреса в памяти необходимо искать в документации на интересующий микроконтроллер.

Если в микроконтроллер входит несколько одинаковых УВВ, как, например, порт ввода-вывода (ПВВ), каждый из них будет иметь собственное наименование. Применительно к ПВВ такими наименованиями будут PORTA, PORTB и т.д. Наименования регистров и их бит уникальны для каждого конкретного модуля и УВВ.

Более подробные примеры использования модулей и УВВ с кодами программ можно найти среди рекомендаций по применению микроконтроллеров XMEGA A, доступные по ссылке: http://www.atmel.com/avr.

1.1Рекомендации по чтению руководства

Каждый из разделов руководства посвящен описанию отдельных модулей и УВВ. В начале раздела обязательно приводится краткий перечень наиболее важных особенностей и обзор возможностей модуля. В остальной же части раздела приводится более детальное описание особенностей и функциональных возможностей.

В подразделах, посвященных описанию регистров, приводится наименование каждого отдельного бита/флага и его назначение. Здесь так же можно найти подробности по настройке модуля и активизации его различных функций. Если в настройке модуля принимают участие несколько бит, они собираются в битовую группу. Возможности конфигурации битовых групп приводятся в отдельных таблицах вместе с групповой настройкой и кратким описанием. Групповая настройка ссылается на наименования настроек, которые определены в Си и ассемблерных заголовочных файлах и исходных кодах рекомендаций по применению.

В подразделах, посвященных краткому обзору регистров, приводятся таблицы с перечнем регистров для каждого модуля и их адресами в памяти. Аналогичным образом, в подразделах, посвященных краткому описанию векторов прерываний, приводится таблица с векторами прерываний каждого модуля и их адреса смещения.

1.2Ресурсы

Широкий выбор инструментальных средств для проектирования, рекомендаций по применению и документации доступен для скачивания по ссылке http://www.atmel.com/avr.

1.3Рекомендовано для прочтения

Документация на микроконтроллеры XMEGA A
Рекомендации по применениям XMEGA A

В данном руководстве приводится только общие описания модулей и УВВ. Специфическая информация по микроконтроллерам XMEGA A приводится в документации на них. Порядок использования модулей МК XMEGA A с примерами кодов программ содержится в рекомендациях по применению.

Новичкам рекомендуется для прочтения рекомендации по применению AVR1000 - руководство по быстрому освоению программирования МК XMEGA на языке Си, а также AVR1900 - руководство по быстрому освоению ATxmega128A1.

2Обзор

XMEGA A - семейство экономичных, высокопроизводительных и с обширным набором УВВ 8/16-битные КМОП микроконтроллеров, выполненных по улучшенной RISC-архитектуре AVR. МК XMEGA A выполняют большинство своих инструкций за один цикл синхронизации. Благодаря этому, производительность МК близка к 1MIPS/МГц, а разработчики получают возможность оптимизировать соотношение энергопотребления и производительности.

ЦПУ AVR сочетают обширный набор инструкций и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра напрямую подключены к арифметико-логическому устройству (ALU), что позволяет осуществлять одной инструкции доступ к двум разным рабочим регистрам, а также выполнять такую инструкцию за один цикл синхронизации. В конечном счете, данная архитектура отличается более эффективным кодом программы и позволяет достичь производительности во много раз превышающей производительность обычных микроконтроллеров с одним аккумулятором или CISC-микроконтроллеров.

Микроконтроллеры XMEGA A интегрируют следующие ресурсы: внутрисистемно-программируемая Flash-память с возможностями чтения во время записи, внутренние EEPROM и SRAM, четырехканальный DMA-контроллер, восьмиканальная система событий и программируемый многоуровневый контроллер прерываний, до 78 линий ввода-вывода общего назначения, 16- или 32-битный счетчик реального времени (RTC), до 8 универсальных 16-битных таймеров-счетчиков с режимами сравнения и возможностями широтно-импульсной модуляции (ШИМ), до восьми интерфейсов USART, до четырех I2C- и SMBUS-совместимых интерфейсов TWI, до четырех интерфейсов SPI, ускорители криптографических алгоритмов AES и DES, до двух 8-канальных 12-битных аналогово-цифровых преобразователей (АЦП, ADC) с опциональным дифференциальным входным усилительным каскадом с программируемым усилением, до двух 2-канальных 12-битных цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП, DAC), до четырех аналоговых компараторов с оконным режимом, программируемый сторожевой таймер с отдельным внутренним генератором, точные внутренние генераторы с функциями фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL) и предделения частоты, а также программируемый супервизор питания (BOD).

Кроме того, в МК входят два интерфейса, которые могут использоваться для программирования МК и доступа к встроенной отладочной системе: 2-проводной быстродействующий интерфейс PDI и IEEE 1149.1-совместимый интерфейс JTAG.

МК XMEGA A поддерживают пять программно-выбираемых экономичных режима работы. В режиме IDLE останавливается ЦПУ, но, при этом, продолжают работать SRAM, DMA-контроллер, система событий, контроллер прерываний и все УВВ. В режиме POWER-DOWN сберегается содержимое SRAM и регистров, а все прочие функции, вследствие остановки генераторов, прекращают работу до следующего прерывания модуля TWI, прерывания по изменению состояния выводов или сброса МК. В режиме POWER-SAVE, продолжает работу асинхронный счетчик реального времени, оставляя активной функцию счета времени, а остальная часть МК бездействует. В режиме STANDBY, отключены все ресурсы МК, кроме кварцевого генератора. Использование этого режима полезно в случаях, когда в сочетании с малым энергопотреблением необходимо добиться очень малых задержек возобновления нормального функционирования МК.

В режиме EXTENDED STANDBY, остаются в работе и основной генератор, и асинхронный таймер. Добиться дальнейшего снижения энергопотребления можно путем отключения синхронизации неиспользуемых УВВ в активном режиме работы, а также в режиме IDLE.

Микроконтроллеры выпускаются с использованием разработанной Atmel технологии высокоплотной энергонезависимой памяти. Программирование Flash-памяти можно выполнить внутрисистемно посредством интерфейса PDI или JTAG. Программирование Flash-памяти можно также выполнить под управлением исполняемой ядром AVR программы загрузчика, которая для приема кода программы может использовать любой из интерфейсов. Программа загрузчика хранится в загрузочном секторе Flash-памяти и продолжает выполняться даже во время обновления сектора прикладной программы Flash-памяти, таким образом, добиваясь истинной поддержки возможности чтения во время записи. Благодаря сочетанию 8/16-битного ЦПУ RISC и внутрисистемно-самопрограммируемой Flash-памяти, микроконтроллеры XMEGA A являются универсальным и выгодным в ценовом плане инструментом для решения многих задач встраиваемого управления.

Микроконтроллеры XMEGA A поддерживаются полным набором программных и аппаратных средств для проектирования, в т.ч. Си-компиляторы, макро-ассемблеры, программные отладчики/симуляторы, программаторы и оценочные наборы.

2.1Функциональная схема

Рисунок 2.1. Функциональная схема микроконтроллеров XMEGA A

3ЦПУ AVR

3.1Отличительные особенности

8/16-битное высокопроизводительное RISC ЦПУ AVR
138 инструкций
Аппаратное умножающее устройство
32 8-битных регистра, напрямую подключенные к ALU
Стек в оперативной памяти
Указатель стека доступен в пространстве памяти ввода-вывода
Прямая адресация до 16 Мбайт памяти программ и 16 Мбайт памяти данных
Полная поддержка 16/24-битного доступа к 16/24-битным регистрам ввода-вывода
Эффективная поддержка 8-, 16- и 32-битных арифметических инструкций
Защита от изменения настроек критических функций системы

3.2Обзор

Микроконтроллеры XMEGA выполнены на основе 8/16-битного ЦПУ AVR. Основной функцией ЦПУ является гарантирование корректности выполнения программы. ЦПУ имеет возможности доступа к запоминающим устройствам, выполнения вычислений и управления УВВ. Механизм обработки прерываний более детально описан в отдельном разделе 12 "Прерывания и программируемый многоуровневый контроллер прерываний".

3.3Обзор архитектуры

В целях достижения максимальной производительности и параллелизма у МК AVR используется Гарвардская архитектура с отдельными памятью и шинами программ и данных. Инструкции, хранящиеся в памяти программ, выполняются на одноуровневом конвейере. Это означает, что во время выполнения одной инструкции выполняется предварительная выборка из памяти программ следующей инструкции. Данная концепция делает возможным выполнение по одной инструкции за каждый цикл синхронизации. Перечень и краткое описание всех инструкций AVR можно найти в разделе 32 "Краткое описание набора инструкций". Подробное описание набора инструкций AVR можно найти по ссылке http://www.atmel.com/avr.

Рисунок 3.1. Архитектура AVR

Арифметико-логическое устройство (АЛУ, ALU) выполняет арифметические и логические операции между регистрами или между константой и регистром. В АЛУ также могут выполняться операции над одним регистром.

По завершении арифметических операций обновляется регистр статуса, в котором отражается информация о результате операции.

АЛУ напрямую подключено к регистровому файлу, который состоит из 32 8-битных рабочих регистров общего назначения. Данные регистры предоставляют ALU возможность одноциклового доступа при выполнении операций между регистрами или между регистром и константой. Шесть из этих 32 регистров могут использоваться, как три 16-битных указателя адреса. Их можно использовать для адресации в пространствах памяти данных и памяти программ с возможностями автоматического вычисления адресов.

Пространства памяти являются полностью линейными и регулярными. Пространство памяти данных и пространство памяти программ полностью независимы.

Пространство памяти данных разделяется на регистры ввода-вывода и SRAM. Кроме того, через пространство памяти данных можно получить доступ к EEPROM.

Все регистры статуса и управления УВВ расположены в младших 4 килобайтах адресов памяти данных. Данное пространство называется пространством памяти ввода/вывода. К младшим 64 адресам можно адресоваться напрямую или как к ячейкам памяти данных по адресам 0x00…0x3F. Остальная часть называется пространством расширенной памяти ввода-вывода и расположена по адресам 0x40…0x1FFF. Доступ к этим регистрам ввода-вывода выполняется по их адресам в пространстве памяти данных с использованием инструкций чтения (LD/LDS/LDD) и записи (ST/STS/STD).

В SRAM могут сберегаться только данные, а код программы не может выполняться из него. Доступ к данным в SRAM можно осуществить с использованием пяти различных режимов адресации, поддерживаемых архитектурой AVR. Начальным адресом SRAM является 0x2000.

Адреса в памяти данных от 0x1000 до 0x1FFF зарезервированы для отображения в ней EEPROM.

Память программ разделена на два сектора: сектор прикладной программы и загрузочный сектор. У каждого из секторов имеются отдельные биты защиты (Lock-биты) для блокировки записи и чтения/записи. Программа в загрузочном секторе с использованием инструкции SPM имеет возможность программирования сектора прикладной программы. Еще один, третий, сектор находится внутри сектора прикладной программы. Он называется сектором таблицы приложения и имеет отдельные биты защиты от записи и чтения/записи. Сектор таблицы приложения может использоваться для энергонезависимого хранения данных или кода программы.

3.4Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство (АЛУ, ALU) выполняет арифметические и логические операции между регистрами или между константой и регистром. Им также могут выполняться операции над одним регистром. АЛУ напрямую подключено ко всем 32 регистрам общего назначения. При выполнении типичной одноцикловой операции в АЛУ, два операнда берутся из регистрового файла, затем, над ними выполняется операция, а результат возвращается обратно в регистровый файл.