Francuz T. - AVR. Praktyczne projekty

Spis treści Rozdział 1.

Wstęp, czyli nowi członkowie rodziny A V R ..............................................11 Przykłady do książki........................................................................................................... 12 Mikrokontrolery XM EGA..................................................................................................12 E rrata.............................................................................................................................14 XMEGA a inne AVR-y ...................................................................................................... 15 Kompilator ................................................................................................................... 15 Nowe peryferia............................................................................................................. 16

Rozdział 2.

Jak zacząć, czyli instalacja środowiska .................................................. 21 Xplained jako płyta rozwojowa......................................................................................... 22 Instalacja Xplained w systemie ...................................................................................22 Instalacja XMEGA z bootloaderem klasy DFU ......................................................... 25 Programowanie układów XMEGA.................................................................................... 25 Wczytywanie firmwarc za pomocą FLIP ....................................................................26 Bootloader firmy Atmel .............................................................................................. 28 Podstawowe opcje programu batchisp.........................................................................28 Interfejs JT A G ..............................................................................................................32 Programowanie z wykorzystaniem interfejsu PDI ..................................................... 34 Programatory...................................................................................................................... 34 AVRISP m k ll............................................................................................................... 35 JTAGICE m k ll.............................................................................................................35 JTAGICEIII.................................................................................................................. 36 AVROne! ..................................................................................................................... 36 AVR Dragon ................................................................................................................36 Programowanie i debugowanie procesorów XMEGA...................................................... 43 Odsprzęganie zasilania ...................................................................................................... 44 Instalacja potrzebnego oprogramowania ...........................................................................44 Atmel Studio 6 — podstawy ....................................................................................... 45 Programowanie z poziomu AS6 — dlaczego warto korzystać z plików w formacie e lf....................................................53

Rozdział 3.

Organizacja i zarządzanie projektem ........................................................ 55 Komentarze ........................................................................................................................ 55 Nazewnictwo...................................................................................................................... 57 Literały......................................................................................................................... 59 Podział kodu na pliki .........................................................................................................61 Widoczność funkcji..................................................................................................... 66 Widoczność zmiennych............................................................................................... 66

4

AVR. Praktyczne projekty

Podkatalogi..................................................................................................................... 67 Podział funkcji ............................................................................................................... 69 Zmienne globalne ................................................................................................................. 70 Systemy wersjonowania ............................................................ 74 Serwer SVN na własnym komputerze.......................................................................... 75 Jak korzystać z SVN ......................................................................................................78 Praca z SVN ....................................................................................................................81 Uwagi końcowe.............................................................................................................. 84 Inne ułatwienia ......................................................................................................................85 Jak pisać lepsze programy? ..................................................................................................86 R ozdział 4 .

J a k tw o rz y ć le p sz y i e fe k ty w n ie js z y k o d ............................................................8 9 Włączenie optymalizacji.......................................................................................................90 Długość typów .......................................................................................................................91 Zmienne globalne i zmienne lokalne ...................................................................................93 Modyfikator register............................................................................................................. 94 Użycie globalnych rejestrów ogólnego przeznaczenia ........... 97 Wykorzystanie innych rejestrów jako G PIO R ............................................................. 99 Inicjalizacja zmiennych globalnych.....................................................................................99 Położenie zmiennych w pam ięci.......................................................................................... 99 Optymalizacja p ę tli..............................................................................................................100 Optymalizacja funkcji......................................................................................................... 101 Optymalizacja funkcji main .........................................................................................101 Optymalizacja prologów i epilogów funkcji .............................................................. 101 Optymalizacja przekazywania parametrów funkcji......... ..........................................102 Optymalizacja zwracania wyników funkcji................................................................ 105 Dodatkowe atrybuty funkcji.........................................................................................106 Inne .............................................................................................................................. 110 Eliminacja martwego kodu ............................................................................................... 111 Konstruktory i destruktory.................................................................................................. 114

R ozdział 5.

J a k u p o rz ą d k o w a ć c h a o s , czyli z ło żo n e ty p y d a n y c h i listy ................... 117 Tablice..................................................................................................................................118 Struktury...............................................................................................................................119 Deep copy i shallow copy ............................................................................................123 Wskaźniki i struktury ................................................................................................... 126 Struktury anonimowe ..................................................................................................127 Inicjalizacja pól struktury .............................................................................................128 U n ie ................................................................................................................................129 Pola bitow e.................................................................................................................... 130 Struktury a optymalizacja programu ...........................................................................131 L isty...................................................................................................................................... 135 Listy jednokierunkowe................................................................................................. 136 Listy dwukierunkowe................................................................................................... 140 Listy X O R ..................................................................................................................... 142 Bufory......................................................................................... 148 Bufor pierścieniowy ..................................................................................................... 149 Kolejki FIFO/LIFO ...................................................................................................... 152 S to s.................................................................................................................................152

R ozdział 6 .

K oniec b a ła g a n u , czyli o n a z w a c h re je s tró w i u k ła d ó w p e r y f e r y jn y c h ....................................155 Struktury opisujące mikrokontrolery X M EGA................................................................. 159 Nazwy rejestrów .................................................................................................................. 162 Nazwy bitów ........................................................................................................................ 162

Spis treści

5

Rozdział 7.

Lepiej i prościej, czyli porty 10 procesora na sterydach ...................... 167 Piny wejściowe i w yjściow e................................................................................................ 168 Konwersja poziomów logicznych pomiędzy układami pracującymi z różnymi napięciami zasilającymi .................................................................................. 171 Łączenie wyjścia procesora z układem pracującym z napięciem 5 V .................... 171 Zastosowanie aktywnego konwertera...........................................................................174 Konwersja z napięcia wyższego na niższe .................................................................174 Dzielnik rezystorowy .................................................................................................... 176 Użycie do konwersji napięć buforów scalonych .........................................................177 Bufor dwukierunkowy stosowany w magistralach typu open drain ......................... 178 Kontrola nad portami procesora ..........................................................................................181 Piny wejściowe i w yjściow e................................................................................................ 182 Synchronizator...................................................................................................................... 184 Konfiguracja sterownika p in u ..............................................................................................186 Konfiguracja totem-pole................................................................................................ 186 Konfiguracja Puli up/down ...........................................................................................187 Konfiguracja bus kccpcr................................................................................................ 188 Konfiguracja w ired-AND..............................................................................................189 Konfiguracja w ired-O R ................................................................................................. 191 Odwracanie wyjść IO .................................................................................................... 192 Kontrola szybkości opadania i narastania zboczy ...................................................... 193 Kontrola zdarzeń związanych z pinem ....................................................................... 193 Rejestr kontrolny p o rtu .................................................................................................. 194 Atomowa modyfikacja stanu pinów i wsparcie dla RM W ................................................ 196 Alternatywne funkcje pinu .................................................................................................. 199 Porty wirtualne ..................................................................................................................... 200 Przekazywanie rejestru jako parametru funkcji ................................................................ 202 Remapowanie wyjść I O ....................................................................................................... 203

Rozdział 8.

Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci .... 205 Pamięć EEPROM i związane z nią operacje .....................................................................206 Dostęp do EEPROM z poziomu AVR-libc ................................................................ 208 Dostęp do EEPROM za pomocą bezpośredniego dostępu do kontrolera NVM .... 213 Techniki wear leveling ........................................................................................................ 219 Rozdzielenie kasowania i zapisu pam ięci....................................................................221 Dostęp do EEPROM z wykorzystaniem tokenów ...................................................... 224 EEPROM i awaria zasilania ......................................................................................... 232 Problem atomowości przy dostępie do EEPROM ......................................................244 Zapis do EEPROM z użyciem przerwań ..................................................................... 244 Zapobieganie uszkodzeniu zawartości pamięci EEPROM .............................................. 246 Dostęp do pamięci FLA SH ..................................................................................................246 Typy danych związane z pamięcią FLA SH ................................................................ 248 Odczyt danych z pamięci FLASH ................................................................................250 Dostęp do FLASH w kompilatorze avr-gcc 4.7 i wyższych — named address spaces...................................................................................................252 Wskaźniki wykorzystujące przestrzenie adresow e.....................................................254 Typy 24-bitowe ....................................................................................................................258

Rozdział 9.

Potrzebuję więcej mocy — słów kilka o konfiguracji zegara ..............259 Rejestry kontrolne zegarów .................................................................................................260 Konfiguracja zegara............................................................................................................. 262 Źródła zegara..................................................................................................................263 Odblokowywanie źródła zegara ...................................................................................270 Układ P L L ......................................................................................................................270

6

AVR. Praktyczne projekty

D FL L............................................................................................................................. 272 Układ monitorowania zegara zewnętrznego...............................................................275 Zmiana źródła zegara i jego częstotliwości ................................................................277 Blokowanie ustawień zegara ....................................................................................... 277 Preskaleiy zegara.......................................................................................................... 278 Uwagi .................................................................................................................................. 281 Kondensatory odsprzęgające....................................................................................... 282 R ozdział 10. P rz e rw a n ia i k o n tro le r p rzerw ań ......................................................................... 285 Przerwania........................................................................................................................... 285 Czym są przerwania? ...................................................................................................285 Przerwania maskowalne .............................................................................................. 286 Przerwania niemaskowalne ......................................................................................... 287 Źródła przerwań ........................................................................................................... 287 Konfiguracja i obsługa przerw ań....................................................................................... 288 Czas odpowiedzi na żądanie przerwania ........................... 288 Funkcja obsługi przerwania......................................................................................... 289 Wektory przerwań ........................................................................................................ 290 Puste wektory przerwań .............................................................................................. 292 Puste przerwania .......................................................................................................... 293 Współdzielenie kodu przez przerwania ............................. 294 Atrybut naked i obsługa przerwań w asemblerze ...................................................... 295 Poziomy przerw ań........................................................................................................ 297 Przerywanie przerwań ..................................................................................................300 Priorytety przerwań ............................................................................................................ 302 Priorytet dynamiczny ...................................................................................................302 Globalna flaga zezwolenia na przerwanie ..................................................................303 Przerwanie niemaskowalne ............................................................................................... 304 Rejestr stanu kontrolera przerwań ..................................................................................... 304 Modyfikator volatile........................................................................................................... 305 Zmiana kolejności instrukcji ....................................................................................... 307 Atomowość dostępu do danych ......................................................................................... 308 Instrukcje atomowej modyfikacji pam ięci..................................................................311 Dostęp do wielobajtowych rejestrów IO .................................................................... 314 Funkcje reentrant................................................................................................................ 314 Rejestry IO ogólnego przeznaczenia .................................................................................316 R ozdział 11. S y s te m z d a rz e ń ........................................................................................................... 319 Rejestr multipleksera kanału zdarzeń ................................................................................320 Zaawansowane funkcje kanału zdarzeń ...............................................................................322 Filtr cyfrow y................................................................................................................. 322 Dekoder kwadraturowy ............................................................................................... 322 Fnkoder kwadraturowy z indeksem .......................................................................... 331 Programowe sterowanie zdarzeniami ......................................................................... 332 Zdarzenia jako sygnały sterujące układami zewnętrznymi..............................................333 Inne funkcje rejestru.....................................................................................................334 R ozdział 12. Tim ery i lic z n ik i........................................................................................................... 337 Co to jest licznik? ............................................................................................................... 337 Źródła zegara i preskaler ....................................................................................................338 Typy i funkcje liczników ....................................................................................................340 Licznik typu 0/1 ........................................................................................................... 341 Piny wyjściowe licznika .....................................................................................................350 Licznik typu 2 ............................................................................................................. 351 Timery typu 4/5 ............................................................................................................ 353

Spis treści

7

Buforowanie ..........................................................................................................................354 Kontrola nad licznikiem ...................................................................................................... 357 Kaskadowe łączenie liczników ........................................................................................... 358 Rejestr tymczasowy TEMP .................................................................................................359 Wykorzystanie PWM do generowania sygnałów analogowych ......................................361 Przykład — generowanie napięcia o zmiennej amplitudzie ......................................363 Przykład — generowanie dowolnego przebiegu ........................................................ 364 PWM i przerwania ........................................................................................................ 369 A może DMA? ...............................................................................................................371 Rozszerzenie zwiększające rozdzielczość ......................................................................... 374 Tryb HiRcs dla licznika typu 2 ..................................................................................... 377 Rozdział 13. Kontroler DM A .............................................................................................379 Przesyłanie pamięć-pamięć .................................................................................................383 Odwracanie danych ....................................................................................................... 384 Przesyłanie nakładających się bloków pamięci .......................................................... 385 Wypełnianie pamięci wzorcem .................................................................................... 388 Przesyłanie pamięć-rejestr l O ..............................................................................................389 W yzwalaczc...........................................................................................................................392 Praca buforow a..................................................................................................................... 395 Priorytety kanałów DMA .................................................................................................... 396 Przerwania D M A .................................................................................................................. 397 Błąd transmisji DMA .................................................................................................... 397 Przerwanie końca transakcji ......................................................................................... 398 Rozdział 14. LED-y — co z nich można w ycisnąć? .......................................................399 Taśmy LED-owe .................................................................................................................. 399 Trochę o właściwościach oka, czyli RGB w praktyce............................................... 403 Program sterujący.......................................................................................................... 404 Wyświetlacze LED 7-segmentowe.....................................................................................407 Licznik L E D ................................................................................................................... 412 Matryce L E D ........................................................................................................................ 416 Projekt PCB i zasilanie..................................................................................................421 Dobór napięcia zasilającego matrycę .......................................................................... 422 Regulacja prądu d io d ..................................................................................................... 423 Układ z matrycą dwukolorową..................................................................................... 423 Sterowanie m atrycą....................................................................................................... 425 PWM inaczej, czyli jak uzyskać odcienie kolorów ....... 433 Rozdział 15. Układy zegarowe w praktyce ....................................................................437 RTCczy... RTC? .................................................................................................................. 438 16-bitowy układ RTC .......................................................................................................... 438 Synchronizacja dostępu do rejestrów R T C ..................................................................441 Rejestry PER i C O M P ...................................................................................................442 RTC w trybie uśpienia...................................................................................................445 32-bitowy układ RTC .......................................................................................................... 445 Generator sygnału zegarowego ....................................................................................445 Rejestry PER i C O M P ...................................................................................................445 Rejestr CNT ...................................................................................................................446 Przykładowy program kalendarzowy .................................... 446 Linuksowy marker czasowy ......................................................................................... 447 Konwersja czasu.............................................................................................................447 Czas drogą radiową, czyli DCF77 ..................................................................................... 451 Trochę więcej o DCF77 ................................................................................................452 Dekodowanie danych .................................................................................................... 454

8

AVR. Praktyczne projekty

Moduł odbiornika DCF77 ............................................................................................454 Przykład ........................................................................................................................ 455 Układ podtrzymywania zasilania........................................................................................462 Dobór źródła zasilania awaryjnego .............................................................................463 Wykorzystanie baterii................................................................................................... 463 Superkondensatory........................................................................................................463 Akumulatory ................................................................................................................. 464 Podtrzymanie zasilania dla całego procesora .............................................................465 Układ zapasowego zasilania bateryjnego ................................................................... 465 Rozdział 16. Budujemy zegar z budzikiem, czyli skończona maszyna stanów w p ra k ty ce ........................................ 469 FSM oparta na switch/case ................................................................................................. 471 FSM oparta na tablicach ..................................................................................................... 474 Zegar z alarm em .................................................................................................................. 477 Jeszcze o maszynach stanu ................................................................................................. 489 Rozdział 17. Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce .................. 4 91 Elektryczna realizacja interfejsu USART ........................................................................492 Format transmisji danych ................................................................................................... 494 Szybkość transmisji .............................................................................................................496 Terminal .........................................................................................................................496 Podgląd transmisji danych............................................................................................497 Wirtualny port szeregowy .................................................................................................. 499 Konfiguracja interfejsu ........................................................................................................500 Konfiguracja pinów I O ................................................................................................. 501 Konfiguracja formatu ramki danych............................................................................502 Funkcje dodatkowe interfejsu.......................................................................................502 Ustawienie szybkości interfejsu .................................................................................. 503 Kontrola poprawności danych......................................................................................508 Transmisja danych............................................................................................................... 509 Realizacja transmisji przez pooling............................................................................. 509 Wykorzystanie przerw ań.............................................................................................. 512 Wykorzystanie DMA ................................................................................................... 517 Równoczesny dostęp do USART z wielu „wątków” ................................................. 525 Dostęp do USART z wykorzystaniem strumieni .............................................................. 527 Metoda g e t..................................................................................................................... 528 Metoda put .....................................................................................................................528 Otwieranie strumienia .................................................................................................. 529 Tryb MPCM ............................................................................ 530 Rozdział 18. Wizualizacja danych ...................................................................................535 Atmel Data Visualizer .........................................................................................................535 Format danych............................................................................................................... 537 Struktury wykorzystywane przez A D V .......................................................................540 Ultradźwiękowy pomiar odległości ....................................................................................543 Moduły cyfrowe ............................................................................................................ 544 Własny moduł ............................................................................................................... 548 Budujemy analizator stanów logicznych .............................................................................. 550 Sprzęt ............................................................................................................................ 551 Protokół komunikacji ................................................................................................... 553 Implementacja protokołu.............................................................................................. 555 Jak szybko próbkować?................................................................................................ 560 K lient.............................................................................................................................. 564 Uwagi praktyczne..........................................................................................................566

Spis treści

9

Rozdział 1 9 . W ykorzystanie podczerwieni do tra n sm isji d an y ch ........................................ 5 6 9 Modulacja I R .................................................................................................................. 570 Porozmawiajmy z pilotem T V ........................................................................................572 Część sprzętowa, czyli odbiornik IR .......................................................................572 Część programowa, czyli standardy kodowania...................................................... 574 Standard NEC i pokrewne ........................................................................................575 RC5 i Motorola .................................................................. 581 Kod RC5 .................................................................................................................. 587 Inne standardy kodowania........................................................................................592 Nadajnik IR .................................................................................................................... 592 Inżynieria odwrotna — dekodujemy sygnał pilota aparatu Canon ......................... 595 Transmisja danych.......................................................................................................... 597 Budujemy pakiet danych..........................................................................................600 Sprzętowy generator CRC ..............................................................................................602 CRC liczone programowo ........................................................................................604 Transmisja pakietowa.....................................................................................................605 Uniwersalny pilot ..................................................................... 608 Interfejs IrDA i IRCOM .................................................................................................613 Skorow idz ................................................................................................................. 6 1 5

Rozdział 1.

Wstęp, czyli nowi członkowie rodziny AVR Od czasu wprowadzenia na rynek mikrokontrolerów rodziny XMEGA minęły ju z po­ nad cztery lata i stopniowo zdobywają one uznanie w oczach hobbystów i osób profe­ sjonalnie zajmujących się elektroniką. W Polsce są one mniej popularne w stosunku do innych rodzin A VR prawdopodobnie ze względu na brak dobrych, polskojęzycznych materiałów dotyczących ich programowania i wykorzystania Książka ta ma na celu zapełnienie tej luki. Wiele zagadnień dotyczących programowania mikrokontrolerów AVR zostało poru­ szonych i szczegółowo omówionych w poprzedniej książce Język C dla mikrokontrole­ rów A I R . O d podstaw do zaawansowanych aplikacji, stąd w tej książce omawiane są głównie problemy związane z programowaniem mikrokontrolerów XMEGA, ze szcze­ gólnym uwzględnieniem modułów, które nic występują w innych rodzinach AVR Stąd też w tej książce założyłem. Ze czytelnik posiada w iedzę i um iejętności nabyte w wyniku lektury poprzedniej książki W tej uwzględniłem tylko pewne charakterystycz­ ne dla XMłiGA rozszerzenia oraz zmiany, jakie zaszły w kompilatorze gee w ciągu ostatnich dwóch lat W książce została omów iona specyfika programowania procesorów" XMEGA w języku C; asembler został wprowadzony wyłącznic tam. gdzie jest to niezbędne — głównie dla wyjaśnienia konsekwencji stosowania pewnych zapisów w języku C Język C wybra­ no nieprzypadkowa. Jest on niekwestionowanym standardem programowania mikro­ kontrolerów' (statystyki pokazują, że ok. KG% programistów używa tego języka), jego użycie skraca czas potrzebny na stworzenie aplikacji, ale przede wszystkim zapewnia lepszą przenośność kodu i możliwość jego ponownego użycia w innym projekcie Należy jednak pamiętać, że sam język niczego nie gwarantuje — (o. czy pisany program będzie przejrzysty i poprawny, zalezy wyłącznie od programisty" i jego sty lu pisania programu. Stąd też w niniejszej książce szczególną uwagę zwTaca się na poprawność stylu, co zwiększa czytelność kodu. Pokazany jest także wpływ stosowanego zapisu na rozmiar i szybkość kodu wynikowego W książce wykorzystano kompilator avr-gcc zc względu na to. żc jest dostępny za darmo i jest niekwestionowanym standardem wśród kompilatorów. Jednak w iększość kodów jest uniwersalna i będzie równie dobrze

AVR. Praktyczna projekty

12

działać na innym kompilatorze wspierającym platformę AVIi. Podobnie większość kodów po niewielkich przeróbkach, często ty lko ^kosmetycznych” , będzie doskonale działać z innymi mikrokontrolerami rodziny AVR — w tym ATMcga i ATTiny Jednak ze względu na niską cenę mikrokontrolerów XMEGA. a także ich nowe serie, w tym serię E, której przedstawiciele dostępni są w małych 32-nóżkowych obudowach, we wszystkich projektach, w których wykorzystuje się mikrokontroler)' A VR z 8 lub więk­ szą liczbą kB pamięci FLASH warto przenieść się na XMEGA. Dlaczego? Odpowiedź na to pytanie stanic się oczywista po przeczytaniu tej książki W arto też zapoznać się z materiałami i artykułami dostępnymi na blogu prowadzonym m in przez autora pod adresem http://mikrokontrolery.blogspot.com. Wiele informacji, które nie zmieściły się w książce, a także rozwiązań problemów, które powstały po jej napisaniu, można znaleźć na wymienionej powyżej stronie.

P rzykłady do książki Opisane w książce przykłady i kody demonstracyjne można pobrać z serwera FTP wydawnictwa Helion pod adresem ftp://ftp.helion.pl przykłady avrppr.zip. Wszystkie przykłady zostały stworzone w Atmel Studio 6 i skompilowane dołączonym do niego zestawem narzędzi Oprócz kodów źródłowych i plików projektów Atmel Studio do przykładów zostały także dołączone wersje prekompiłowane — pliki w formacie Intel H E X oraz e lf dzięki czemu omawiane przykłady można wczytać bezpośrednio do mi­ krokontrolera za pomocą dowolnego programu, także w środowisku GNU/Linux. Za­ łączone do przykładów pliki Stakefile umożliwiają także kompilacje załączonych ko­ dów w środowisku GNU/Linux — w takiej sytuacji zajdzie prawdopodobnie potrzeba dostosowania ścieżek dostępu do plików. RóZne dystrybucje GNU/Linux zawierają różne wersje kompilatora avr-gcc. a co gor­ sza, nie wszystkie wersje zaw ierają łatki umożliwiające popraw ną kompilację kodu dla XMHGA. W sytuacji, gdy skompilowany kod w systemie GNU/Linux działa niepo­ prawnie, należy przede wszystkim sprawdzić wersję użytego kompilatora i ewentual­ nie zamienić ją na wersję wcześniejszą, stabilną Generalnie w chw iii pisania książki wersje avr-gcc 4.6 były wersjami stabilnymi, a 4.7.x były wersjami rozwojowymi, o mc do końca przetestowanym wsparciu dla procesorów XMEGA. W arto też pobrać wersję środowiska kompilatora avr-gcc dla GNU/Linux ze strony Firmy A tm el1.

M ikroko n tro lery X M EG A XMEGA to 8-bitowe mikrokontroler)' z rdzeniem AVR Od innych rodzin AVR8 od­ różnia je bogactwo urządzeń peryferyjnych, niższe napięcie pracy (1.8 - 3.6V). bu­ dowa zorientowana na oszczędność energii oraz wiele specjalistycznych podsystemów' 1 M ożna ją pobrać ze strony http://w \rw .atm el com toofx atm ela\rloofchaiiforlm ux.aspx — pobranie wymaga darmowej rejestracji.

Rozdział 1. ♦ Wstęp, czyli nowi członkowi* rodziny AVR

13

znacznie przyśpieszających wykonywanie programu (DMA, wielopoziomowy system przerwań, układy szyfrowania DES/AES. CRC) oraz poprawione interfejs)' peryferyjne. Pomimo bogactwa elementów programowanie tych procesorów, podobnie jak innych procesorów rodźmy AVR8, pozostaje proste, co jest dużym atutem tej rodziny. Z drugiej strony bogactwo bardzo elastycznych interfejsów peryferyjnych powoduje, że warto zastanowić się nad sposobem realizacji programu, tak aby maksymalnie wykorzystać zasoby sprzętowe. Nie tylko przyspieszy to wykonywanie programu, ale tak2e umożliwi tworzenie aplikacji o możliwie minimalnym poborze energii, ułatwi także pisanie kodu. Wszystkie procesory XMEGA należą do czterech głównych rodzin (A, B, D — rysunki 11 i 1.2 — oraz E. która zawiera nowe, ulepszone układy peryferyjne) różniących się występującymi układami peryferyjnymi oraz przeznaczeniem. W ramach danej rodzi­ ny procesor posiada dokładnie takie same układy peryferyjne oraz identyczny rozkład sygnałów na wyprowadzeniach obudowy proeesora Jedyna różnica pomiędzy ukła­ dami w danej rodzinie polega na ilości dostępnej pamięci. I tak np mikrokontrolery XMECiA64Al i XMEGA128A1 różnią się wyłącznie ilością pamięci (odpowiednio 64 lub 128 kB) i o ile program się zmieści w mniejszym procesorze, mogą być stosowane wymiennie. Taka koncepcja budowy mikrokontrolera pociąga tez zmiany w dokumentacji procesora. Na stronie internetowej firmy Atmcl dostępne są noty dla poszczególnych rodzin, gdzie opisane są wszystkie szczegóły danej rodziny mikrokontrolerów. Z ko­ lei w notach dotyczących konkretnego modelu są wymienione tylko ró 2nice cechujące konkretny model oraz parametr)' elektryczne, bez dokładnego opisu poszczególnych podsystemów. R odzina A1 • 2 A D C 2 M sp s • 2 DAC • 8 T/C • 8 USART • 4 SPI • 4 TW l •D M A Crypto Engine Int. pam. zew.

R odzina A 3 • 2 A D C 2 M sp s •1 D A C • 7 T/C • 7 USART • 4 SP I • 2 TW l •D M A CryptoEngine

Rodzina A 4 • 1 A D C 2 M sp s •1 D A C • 5 T/C • 5 USART • 2 SPI • 3 TW l •D M A CryptoEngine

R odzina D3 • 1 A D C 200 k sp s • 1 DAC • 5 T/C • 3 USART • 2 SPI • 1 TW l

R od zina D4 • 1 A D C 200 ksps • 4 T/C • 2 USART • 2 SPI • 1 TW l

y v ____________ / Rysunek 1.1. Główne rodziny mikrokontrolerów MMEG A oraz występujące «•nich układy peryferyjne

Wdoriwfca

W notach poświęconych konkretnemu modelowi znajdziemy też erraty do mikrokontro­ lera — nie znajdziemy ich w notach ogólnych opisujących rodzinę.

Zmiana la jest nieco myląca dla osób. które miały już do czynienia z A VR. gdyż noty dla innych rodzin procesorów zawierają komplet informacji. Firma Atmel wprowadziła jeszcze mikrokontrolery rodziny B, które cechują się wsparciem dla LCD (zawierają one kontroler wielosegmentowych wyświetlaczy LCD), a także posiadają wbudowany sterow nik klasy USB-devtce Ponadto większość rodzin posiada swoje młodsze siostry — mikrokontrolery z dodatkową literą U na końcu nazwy rodziny, np. XMEGA128AIU.

14

AVR. Praktyczna projekty

256K

ATXM EGA2S603

ATXM EG A256A3

192K

ATXM EGA192D3

ATXM EG A192A3

ATXM EG A192A1

128K

ATXM EGA128D4

ATXM EGA128A4 J

A T X M E G A 12803

ATXM EG A128A3

ATXM EG A128A1

64 K

ATXM EGA64D4

ATXM EGA84A4

ATXM EGA64D3

ATXM EGA64A3

ATXM EGA64A1

32K

ATXM EGA32D4

ATXM EGA32A4

16K

ATXM EGA16D4

ATXM EGA16A4

44

44

64

64

100

Rysunek 1.2. Najpopularniejsze modele mikrokotitrołer&w XMEGA. Na pionowej osi zaznaczono wielkość dostępnej pamięci FLASH, na osi poziomej — ilość wyprowadzeń w obudowie procesora

Litera ta oznacza. Ze procesor wyposażony jest w interfejs USB. ale co ważniejsze — zawiera nowy rdzeń, rozszerzone układy peryferyjne i poprawione błędy starszego brata. W efekcie zazwyczaj powinniśmy korzystać z tych nowszych wersji procesora, tym bardziej Ze ich cena często jest niższa Jak widzimy, najbogatszymi możliwo­ ściami mogą pochwalić się mikrokontrolery rodziny A l — posiadają one wszystkie charakterystyczne dla XMEGA podsystemy, a także jako jedyne posiadają interfejs pa­ mięci zewnętrznej Dzięki temu nadają się one szczególnie do budowy zaawansowanych sterowników, wymagających dużej ilości pamięci (um ożliw iają sprzętow ą obsługę pamięci statycznych i dynamicznych). Kolejne podrodziny (A3 i A4) są nieco uboższe — oprócz tego. ze brakuje im interfejsu pamięci zewnętrznej, posiadają także mniej in­ stancji poszczególnych modułów IO — ale za to dostępne są w obudowach o mniejszej liczbie wyprowadzeń Stosunkowo najprostszą rodziną jest rodzina D (D3 i D4). Mi­ krokontrolery z tej rodziny nie posiadają DMA ani modułu kryptograficznego Są więc przeznaczone do prostszych zastosowań, do których norm alnie użylibyśmy pro­ cesorów rodziny ATM ega lub ATTiny, jednocześnie oferując znaczną przewagę nad starszymi rodzinami procesorów AVRX Co warto podkreślić, ich cena kształtuje się na poziomie odpowiadającym prostszym modelom ATMega.

Errata Mikrokontrolery' XMEGA są stosunkowo now ą rodziną mikrokontrolerów, od ich wprowadzenia na ry nek minęło zaledwie kilka lat Niestety projektując je, producent nie ustrzegł się błędów i pewne funkcjonalności nie działają dokładnie tak. jak to jest opisane w notach katalogowych procesora. Drobne problemy dotyczą głównie rodzin najwcześniej wprowadzonych na rynek (np. XMEGA rodziny A l), kolejno w ypusz­ czane modele nie posiadają większości błędów znanych z wcześniejszych modeli. Najnowszą rodziną jest rodzina mikrokontrolerów' XMEGA dostosow anych do pracy'

Rozdział

±. ♦ Wstęp, czyli nowi członkowi* rodziny AVR

15

z magistralą USB; w rodzinie tej wyeliminowano większość błędów i problemów, ja ­ kie wcześniej występowały. Stąd też przed użyciem danego procesora zawsze należy pobrać jego specyficzną notę katalogową i sprawdzić sekcję E rrata — oszczędzi nam to wielu problemów w trakcie programowania Jeśli błąd wy mieniony w erracie jest kluczowy dla tworzonego projektu, to można sięgnąć po nowszy procesor (np z serii U), nawet jeśli nie wykorzystujemy związanych z nim funkcjonalności W prezentowanej książce autor starał się zaznaczyć najważniejsze błędy w sytuacjach, w których mogą się one ujawnić.

X M E G A a inne AVR-y Programowanie mikrokontrolerów rodziny XMEGA istotnie różni się od programowania innych 8-bitowych mikrokontrolerów firmy Atmel Przede wszystkim inżynierom udało się uporządkować moduły wchodzące w skład mikrokontrolera W XMEGA wszystkie moduły danego typu m ają taką sam ą funkcjonalność. Dzięki tem u programow anie po­ szczególnych modułów' znacznie się uprościło. Pociągnęło to za sobą pewne zmiany w AMl-libc. Dzięki temu. jeśli np dysponujemy 8 modularni USART. to dostęp do każ­ dego z nich jest identyczny — wystarczy tylko zmienić adres bazowy struktur)' opisującej dany moduł, co zostało szerzej omówione w rozdziale 6. .K oniec bałaganu, czyli o na­ zwach rejestrów i układów peryferyjnych *. Jednak zmiany w budowie XMEGA wymu­ siły także daleko idące zmiany w kompilatorze języka C.

Kompilator Język C staje się dominującym językiem programowania m ikrokontrolerów, a co za tym idzie, często ich popularność jest określana dostępnością dobrych narzędzi programi­ stycznych. Osoby chcące rozpocząć przygodę z XMEGA są w doskonałej sytuacji, gdyż na rynku dostępnych jest wiele komercyjnych i całkowicie bezpłatnych kompilato­ rów tego języka. Jednym z najlepszych, a w dodatku darmowych, jest avr-gcc. Jest to port popularnego kompilatora gee na platformę AVR. Jest on dostępny zarówno dla środowiska MS Windows, jak i GNU Lmux. Firma Atmel wy dala tzw. toolchain. zawie­ rający kompilator, biblioteki i inne potrzebne narzędzia oferujący pełne wsparcie dla wszystkich mikrokontrolerów AVR Można go pobrać razem z Atmel Studio 6 (jest lo zalecany sposób instalacji) lub osobno, w wersji zarówno dla MS Windows, jak i dla GNU/Linux. Uży tkownicy systemu GNU/Linux są w nieco uprzywilejowanej sytuacji, gdyż liczne dystrybucje tego systemu zaw ierają now sze wersje avr-gcc. oferujące lep­ sze możliwości optymalizacyjne i często najnowsze wersje biblioteki A r Tł-Uhc (trzeba jednak pamiętać, ze korzystając z tych wersji, narażamy się na potencjalne problemy). Szczególnie ten ostatni element jest niezwykle ważny, gdyż X M EGA jest ciągle sto­ sunkowo nową rodziną mikrokontrolerów i A 1'R-łibc w e wcześniejszych wersjach zawierała różne mniej lub bardziej uciążliwe błędy. Należ)' jednak pamiętać, ze nie wszystkie dystrybucje GNU/Linux zawierają pakiety avr-gcc z zaaplikowanymi lat­ kami umożliwiającymi współpracę z XM1£GA. Listę wspieranych pizez posiadaną wersję avr-gcc procesorów' można sprawdzić, wydając polecenie: avr-gcc -ta rg e t-h e lp

16

AVR. Praktyczno projekty

W efekcie w sekcji Known CPU names uzyska się lisię wspieranych mikrokontrolerów. Inną możliwością sprawdzenia, czy interesujący nas mikrokontroler jest wspierany, jest po prostu próba kompilacji jakiegoś pliku z ustawionym danym typem mikro­ kontrolera: avr-gcc -c t e s t.c -nncu-badany m ik ro ko n tro le r

Plik test.c może być dowolnym plikiem zawierającym kod języka C, może być nawet pustym plikiem (ale musi istnieć). W opcji -łnmcu podajemy nazw ę mikrokontrolera, dla którego chcemy sprawdzić wsparcie. Jeśli nic jest on wspierany, to próba kompilacji zakończy się niepowodzeniem, z komunikatem błędu: t e s t . c : 1 : e rro r: MCU '$ s ' supported fo r asserrbler only

oraz wyświetleniem listy wspieranych mikrokontrolerów.

Nowe peryferia W mikrokontrolerach XMEGA wprowadzono nowe układy peryferyjne, umożliwia­ jące sprzętową realizację wielu zadań, co znacznie odciąża CPU. Dzięki temu w wielu zastosowaniach prędkość XMEGA wielokrotnie przewyższa prędkość innych proce­ sorów rodziny AVRX. Co ważne, także układy peryferyjne znane z wcześniejszych mi­ krokontrolerów zostały znacznie rozwinięte, wprowadzono w iele udogodnień, dzięki czemu ich funkcje są znacznie bardziej elastyczne

DMA Jedną z najważniejszych innowacji jest DMA (ang. Direct M em ory Access). Jest to 4kanalowy podsystem potrafiący po skonfigurowaniu niezależnie od procesora przesy­ łać bloki danych pomiędzy pamięcią a pamięcią, a także pomiędzy pamięcią i więk­ szością układów peryferyjnych Dzięki temu procesor jest znacznie odciążony — np tocząca się „w tle” transmisja szeregowa z wykorzystaniem portu USART zupełnie nic angażuje procesora Podobnie możemy przesyłać dane np. z pamięci do układów podłączonych poprzez interfejs SPI. zupełnie nic angażując w to CPU Posiadając aż czte­ ry takie kanały, dostajemy do dyspozycji potężne narzędzie. DMA potrafi tez wyliczać CRC transmitowanych danych, a także wykonywać na nich proste operacje logiczne — funkcjonalność ta została wprowadzona w rodzime E i nazwana EDM A (ang. Enhanced DMA).

M o d u ł k ry p to g ra fic z n y Kolejnym interesującym układem peryferyjnym jest moduł kryptograficzny. Umożli­ wia on sprzętowe szyfrowanie i deszyfrowanie danych z użyciem szyfrów DES (ang Data Encryption Standard), 3DES i AES (ang Ad\>anced Encryption Standard) Sprzęto­ wa realizacja szyfrowania i deszyfrowania umożliwia uzyskanie ponad 100-krotnie większej szybkości działania w odniesieniu do programowej implementacji szyfro­ wania. Dzięki temu prosty, 8-bitowy mikrokontroler osiąga wy dajność porównywalną

Rozdział 1. ♦ Wstęp, czyli nowi członkowi* rodziny AVR

17

do układów 32-bitowych. Obecność sprzętowego modułu krypto graficznego to me tylko większa szybkość działania, ale także oszczędność pamięci. Funkcje kryptograficzne, które do tej poty były realizowane czysto programowo, zajmowały ok. 5 - 7 kB pamięci FLASH, przy wykorzystaniu mechanizmów sprzętowych ich wielkość redukuje się do kilkudziesięciu bajtów Obecność tego modułu docenią z pewnością osoby implementują­ ce bezpieczne protokoły sieciowe, bezprzewodowe, a także osoby chcące szyfrować dane. w tym kod programu.

K o n tro le r p rzerw ań Kolejną nowością zbliżającą procesory XMEGA do „poważniejszych" 32-bitowych kuzynów jest rozbudowany kontroler przerwań. W przeciwieństwie do innych mikro­ kontrolerów AVR8 umożliwia on realizację wielopoziomowych scenariuszy przerwań wraz z różnymi algorytmami podziału czasu CPU pomiędzy funkcje obsługi prze­ rwań Dzięki temu można realizować hardziej elastyczne scenariusze obsługi prze­ rwań. nic ma tez problemu znanego z innych AVR. kiedy przerwanie blokowało przyjmowanie innych przerwań, w tym tych. którym programista chciał nadać wyższy poziom. Kontroler obsługuje też specjalne przerwania mcmaskowalnc NMI (ang Non-maskable internipt), które sygnalizują poważne awarie systemu, np awarię oscylatora.

M oduł CRC Wprowadzono także moduł automatycznie obliczający CRC (ang. Cycłic redundancy check) zgodnie z jednym z kilku algorytmów (CRC-CCITT, CRC 16 lub IEEE802.3, CRC32). Procesor mozc obliczać CRC dla zadanego bloku danych, w tym danych znaj­ duj ących się w pamięci FLASH lub transmitowanych przez moduły IO i DMA. Umoż­ liwia to m in. automatyczną kontrolę poprawności pamięci programu po starcie mi­ krokontrolera.

U k ła d R T C Hobbyści z pewnością zaoszczędzą kilka złotych dzięki wbudowanemu układow i RTC (ang. Real-time counter). Co prawda RTC istniał także w ATMega. lecz w XMECiA je ­ go możliwości znacznie rozszerzono, między innymi wprowadzono układ awary jnego podtrzymywania zasilania (rodzina A3). dzięki czemu RTC działa poprawnie nawet w przypadku zaniku zasilania procesora. Praktycznie likwiduje to konieczność użycia zewnętrznych układów RTC.

S p rzę to w a o b słu g a e n k o d e ró w i p rz y c is k ó w p o je m n o ś c io w y c h Część mikrokontrolerów' XMEGA dysponuje także sprzętowymi mechanizmami obsłu­ gi enkoderów, a także paneli pojemnościowych (technologia firmy Atmel OTouch). Możliwości te w raz z gotowymi bibliotekami udostępnionymi przez firmę znacznie przyśpieszają prace nad aplikacjami oferującymi wygodne i efektownie wyglądające panele sterujące.

18

AVR. Praktyczna projekty

U k ła d D A C Kolejnym interesującym modułem jest moduł DAC (ang. D igital to analog co m erter). XMEGA są wyposażone w jeden lub dwa 2-kanałowe przetworniki DAC, dzięki temu z łatwością możemy generować sygnały analogowe o dowolnych przebiegach W połączeniu z DMA umożliwia to np odtwarzanie dźwięków, muzyki i mowy prak­ tycznie z minimalnym zaangażowaniem procesora. Nawet początkujący hobbyści mogą w ten sposób tworzonym przez siebie programom nadać zupełnie nowy wymiar.

S y s te m o b słu g i zdarzeń To kolejna rewolucyjna koncepcja zastosowana przez tw órców XMEGA Każdy pod­ system może generować zdarzenia, które mogą wyzwalać reakcję innych podsyste­ mów. Np. zdarzenie polegające na przepełnieniu licznika tunera może generować zdarzenie, które będzie wyzwalać reakcję innego limcra, polegającą np. na zw iększe­ niu wartości jego licznika Dzięki temu łatwo i bez udziału procesora można stworzyć licznik o większej długości Odpowiednie zaprogramowanie tego modułu umożliwia realizację w ielu zadań całkowicie bez udziału CPU. Dzięki temu procesor nie traci czasu na obsługę przerwań, przy użyciu których podobne funkcje należało realizować w ATMega Zapewnia to także większą przewidywalność obsługi zdarzeń i zmniejsze­ nie latcncji pomiędzy zdarzeniem a jego obsługą do dwóch taktów zegara.

U k ła d za rzą d za n ia ze g a re m i m o c ą Co prawda te podsystemy istnieją także w innych A VR-aeh. lecz w XMEGA nadano im zupełnie nową jakość. To, co zapewne ucieszy wielu użytkowników AVR, to wiado­ mość, ze nareszcie koniec z zablokowanymi procesorami. Zegar taktujący mikrokon­ troler konfiguruje się całkowicie programowo, nie ma więc możliwości zablokowania procesora poprzez wybór niewłaściwego źródła zegara Zwiększono także maksymalną częstotliwość taktowania CPU do 32 MHz, co przekłada się na znaczny wzrost wy­ dajności. Co więcej, niektóre układy peryferyjne można taktować z częstotliwościami wielokrotnie wyższymi, dzięki czem u interfejs pamięci zewnętrznej pracuje praktycz­ nie bez opóźnień w stosunku do wewnętrznej pamięci SRAM . a liczniki mogą gene­ rować przebiegi o częstotliwości ponad 100 MHz. Elastyczna konfiguracja układu ze­ garowego umożliwia optymalizację szy bkości CPU, a co za tym idzie — poboru energii. Fanów AVR ucieszy' zapewne fakt. ze znacznie poprawiono stabilność wewnętrznego generatora RC. Dzięki temu możemy go użyć do taktowania transmisji USART lub USB. co eliminuje konieczność zastosowania zewnętrznego kwarcu Znacznie także rozszerzono możliwości zarządzania poborem energii, a także zredukowano spoczynkowy pobór energii przez procesor. Co ważne, XMEGA są wyposażone w układ detekcji problemów z zegarem W przypadku uszkodzenia np. zewnętrznego kwarcu procesor automatycznie przełącza się na generator wewnętrzny, sygnalizując problem Wraz z in­ nymi układami kontrolnymi powoduje to, że systemy zbudowane w oparciu o XMEGA gwarantują niespotykane bezpieczeństwo.

Rozdział 1. ♦ Wstęp, czyli nowi członkowia rodziny AVR

19

U k ła d A D C Kolejny moduł to przetwornik analogowo-cyfrowy (ang. Analog to digital comrerter). Tylko z nazwy przypomina on rozwiązania znane z np. ATMega. Poza tym Ze poprawio­ no jego parametry, w XMEGA posiada on 12-bitową rozdzielczość, umożliwia prób­ kowanie z szybkością 2 megapróbek na sekundę (Msps), zupełnie zmieniono układ kontrolujących go rejestrów Dzięki temu w iele zadań procesor może realizować cał­ kowicie sprzętowo. Porównania wartości ADC z wartościami referencyjnymi mogą generować przerwania informujące o uzyskaniu wartości pomiaru mniejszej, większej lub mieszczącej się w zadanych granicach Rozszerzono możliwości wzmacniacza wbudowanego w wejścia ADC, co w wielu sytuacjach pozwoli na uniknięcie dodatko­ wego zewnętrznego układu kondycjonującego sygnał — np. wzmacniacza operacyjnego. Co więcej, XMEGA posiadają do dwóch niezależnych ADC, z których każdy posiada po kilka kanałów Jest to duży postęp w stosunku do innych A VR-ó\v. posiadających tylko jeden, w ielokanałowy przetwornik ADC w pełni współpracuje z DMA i systemem obsługi zdarzeń, dzięki czemu nawet wysokie częstotliwości próbkowania praktycznie nie obciążają procesora

K o m p a ra to r a n a lo g o w y To kolejny podsystem, któiy rozwinięto na tyle, 2e z pewnością stanie się jednym z czę­ ściej wykorzystywanych układów peryferyjnych. Nic tylko zwiększono liczbę kom­ paratorów analogowych do co najmniej czterech, ale co istotne — w sposób elastyczny zrealizowano wybór sygnałów doprowadzonych do ich wejść. Na dowolne wejście kom­ paratora można doprowadzić zewnętrzny sygnał analogowy, w yjście DAC, napięcia referencyjne itd. Komparatory realizują porównania typu większy, mniejszy, posiadają funkcję komparatora okienkowego, umożliwiają także programow ą realizację histcrczy i opóźnienia

U k ła d y in te rfe jsó w 10 Kolejną św ietną wiadomością jest obecność zw ielokrotnionych interfejsów' IO. W star­ szych rodzinach AVR programiści spotykali się często z ograniczeniami wynikającymi z obecności ty lko jednego sprzętowego interfejsu I2C, SPI czy USART W XMEGA mamy do dyspozycji nawet osiem takich interfejsów i co najmniej kilka niezależnych interfejsów' SPI lub I2C. Co ważne, każdy z nich posiada identyczny zestaw rejestrów' kontrolnych, dzięki czemu jeden sterownik może współpracować z dowolnym inter­ fejsem. np zamiana USART 0 na USART 1 sprowadza się tylko do podania nowego □dresu bazowego rejestrów kontrolnych USART. Co więcej, USART rozbudow ano także o spizętową obsługę protokołu IrDA (ang. The Infrared D ala Associatłon), dzięki czemu stworzenie układów wymiany danych w podczerwieni lub układów’ sterujących innymi urządzeniami jest banalnie proste.

In terfejs p a m ię c i ze w n ę trzn e j Również ten podsystem znacznie rozwinięto. Oprócz znanej z wcześniejszy ch modeli obsługi pamięci SRAM dodano także obsługę pamięci dynamicznych (SDRAM) Co więcej, interfejs łączący pamięć z procesorem jest elastycznie konfigurowalny, dzięki

20

AVR. Praktyczne projekty

czemu możemy pomięci zewnętrzne łączyć bezpośrednio, z pominięciem zewnętrz­ nych zatrzasków (co jednak wykorzystuje dużą liczbę pinów IO) lub z wykorzysta­ niem 1 - 2 zatrzasków (co minimalizuje liczbę zajętych pinów IO procesora). Ponadto procesor posługuje się adresami 24-bitowymi, dzięki czemu bezpośrednio potrafi za­ adresować 16 MB pamięci. W sparcie dla lej cechy oferuje avr-gcc w wersji 4.7.

L ic z n ik i W XMEGA nie ty lko dodano kolejne liczniki (nawet 8 w jednym procesorze), ale także rozwinięto ich możliwości. Przede wszystkim przyby ło kanałów PW M (nawet 32 kanały), a dzięki moZliwrości taktowania ich zegarem z układu PLL rozdzielczość PWM sięga 4 ns. Osoby zajmujące się robotyką z pewnością ucieszy fakt, 2e liczniki wzbogacono wr możliwość sprzętowej realizacji czasów martwych (ang. De a cl n me) oraz układy detekcji sytuacji awaryjnych, dzięki czemu sterowanie silnikami, w tym silnikami krokowymi, jest bardzo prosie. Praktycznie projektant układu musi do pro­ cesora dodać tylko mostek H. cala logika sterująca jest realizowana sprzętowo przez procesor To też przekłada się na mniejsze koszty budowy układu.

P o rty 10 Ostatnim podsystemem jest układ portów IO Nic tylko zwiększono ich liczbę (co jest zależne od wybranej obudowy), ale także zupełnie zmieniono ich funkcjonalność. Co prawda w podstawowym trybie działają one w sposób znany nam z innych modeli AVR. lecz oferują lakzc zupełnie nowe możliwości, jak praca w konfiguracji wired-OR. wired-AND> bus keeper itd. Ta elastyczność umożliwia znaczną redukcję wymaganych elementów zewnętrznych (np bezpośrednio można realizować magistrale ze stanami recesywnynw). Co istotne, dodano rejestry umożliwiające modyfikację stanu poszczegól­ nych linii IO w sposób atomowy. Znikają wrięc problemy w ynikające z odwoływania się do tego samego portu w programie głównym i u przerwaniach. Dla przy śpieszenia operacji w prowadzono także porty w irtualne — dowolny port IO można zmapować w przestrzeń portu wirtualnego, co umożliwia operow anic na mm przy użyciu krótkich, jednotaktow ych instrukcji asemblera. avr-gcc ma pełne wsparcie dla tej cechy. Z pewnością po tym wstępie każdy fan mikrokontrolerów nie może doczekać się juz po­ kazania konkretów Przejdźmy więc do praktycznego wykorzystania XMEGA Wszystkie przykłady bazują na płytkach demonstracyjnych XPIained ATXMLiGA-A I oraz w mniej­ szym stopniu ATMEGA-A3BU. Niemniej równolegle z kodem pokazane zostały schematy umożliwiające zbudowanie pokazanych przykładów z pominięciem modułów' firmy Almcl lub zbudowanie układów testowych w oparciu o dostępne minunoduly pasujące do płytki stykowej. Moduły takie można sobie przygotować samemu (sto­ sowne schematy i wzory PCB dostępne są na blogu http://mikrokontrolery.błogspoLcoriK można tez zakupić gotowe układy z preprogramowanym bootloaderem, co wyeliminuje konieczność stosowania programatora i obniży koszty startu z mikrokontrolerami.

Rozdział 2.

Jak zacząć, czyli instalacja środowiska Aby rozpocząć naukę programowania i praktycznego wykorzystania procesorów AVR/ XMEGA, musimy najpierw przygotować sobie środowisko pracy Przygotowanie to będzie polegało na kompletowaniu potrzebnego sprzętu (harcłwanr) oraz oprogramowa­ nia O ile na sprzęt musimy niestety wydać trochę pieniędzy (chyba Ze na początku bę­ dziemy pisane programy wyłącznie symulować w symulatorze Atmel Studio), o tyle cale potrzebne oprogramowanie dostępne jest za darmo. W książce dla wygody czytel­ nika wszystkie przykłady będą oparte na płytach rozwojowych firmy Atmel o nazwie XMEGA-A1 i XMEGA-A3BU Xplaincd. Moduły Xpiamcd są dostępne w różnych wersjach, z różnymi procesorami Na potrzeby tej książki wybrano moduł z procesorem XMEGA128Al, który posiada prawie wszystkie podsystemy charakterystyczne dla ro­ dziny XMEGA XMHGA-A3BU potrzebny jest wyłącznie do zademonstrowania kil­ ku podsystemów mc wy stępujących w serii A l: ♦ układu podtrzymywania zasilania. ♦ funkcjonowania przycisków QTouch, ♦ demonstracji sterow ania LCD graficznym przy użyciu wbudowanego kontrolera LCD, ♦ demonstracji współpracy z pamięciami DataFLASH — można w tym celu wykorzystać także Xplained A l, z tym ze trzeba własnoręcznie w lutować pamięć w przygotowane na płytce miejsce. W książce wykorzystanych zostało także kilka innych modułów — m in odpowiedzial­ nych za odtwarzanie mp3. mierników temperatury, ciśnienia, żyroskopów czy akceleroinetrów. które są powszechnie dostępne na portalach aukcyjnych. Ich zastosowanie powinno ucieszyć posiadaczy płytek stykowych. Dodatkowo pokazane zostały pełne schematy' umożliwiające budowę opisywanych urządzeń własnoręcznie, co unieza­ leżnia czytelniku od zakupu wyżej wymienionych modułów.

22

AVR. Praktyczne projekty

X p la in e d ja k o p łyta ro zw o jo w a Zestawy firmy Almcl Xplaincd są godne polecenia osobom pragnącym bliżej zapoznać się z rodziną mikrokontrolerów XMECiA. Przykłady zaw arte w tej książce zostały na­ pisane tak. aby można było bezpośrednio współpracować z tymi układami (z procesorem X M EG A 128A I lub X M EG A 256A 3), aczkolw iek pokazano też schem aty um ożli­ w iające sam odzielny m ontaż, bez konieczności kupow ania X plained Zestawy te są stosunkowo tanie (ok. 140 - 160 zł u polskich dystrybutorów), mogą być zasilane i pro­ gramowane bezpośrednio poprzez, port USB komputera, co eliminuje konieczność posiadania dodatkowych elementów, takich jak zasilacz lub programator. Jednocze­ śnie pom im o stosunkow o niskiej ceny zestawy te zaw ierają w iele elem entów przydat­ nych d o nauki posługiw ania się różnymi podsystem am i procesorów serii XMEGA: ♦ sensor temperatury będący term istorem N TC; ♦ czujnik ośw ietlenia, zrealizowany przy użyciu fototranzystora; ♦ głośnik m onofoniczny ze w zm acniaczem ; ♦ port U SB; ♦ 8 przycisków , w tym przycisk O Touch. ♦ 8 diod LED z dodatkow ą diodą dwukolorową; ♦ 8 wejść analogow ych; ♦ 24 dw ukierunkow ych portów IO. Ponieważ zastosowany w zestawie procesor XMEGA 128A 1 nic posiada podsystemu USB, interfejs ten jest realizowany za pom ocą dodatkow ego procesora — 32-bitowego pro­ cesora A V R serii UC3 (A T 32U C 3B 1256). Jednak dla naszych rozw ażań nie ma to większego znaczenia — ten dodatkowy procesor jest całkowicie transparentny i realizuje tylko most U ART poprzez złącze USB. Dzięki temu możemy bezpośrednio komuniko­ wać się z naszą X M EGĄ przy użyciu wirtualnego portu szeregow ego Moduł z proce­ sorem XMEGA256A3BU zawiera procesor posiadający interfejs USB, poza tym posiada m onochrom atyczny LCD graficzny i pam ięć D ataFLA SII.

Instalacja Xplained w systemie

0

Wskazówka

Z a n im podłączym y d o kom p u tera p o sia d a n e m oduły, w arto najpierw za in sta lo w a ć Atm el Stu dio . Z a w ie ra o n o n iezb ęd ne sterow niki urządzeń U S B . d zię k i cze m u nie b ę ­ dziem y m u s ie li ich p o b ie ra ć z In tern etu i In sta lo w a ć rę czn ie .

Po podłączeniu modułu do komputera za pom ocą złącza USB (potrzebny będzie nam kabel zakończony w tyczkam i USB-A oraz n iw i-U SB , który nie jest dostarczany w zestawie) sprawdzam y w m enedżerze urządzeń, czy nasze now e urządzenie zostało popraw nie zainstalowane. Jeśli nie, powinniśmy przy jeg o nazwie zobaczyć mały w ykrzyknik, tak jak na rysunku 2.1.

Rozdział 2. ♦ Jak zacząć, czyli instalacja środowiska

23

R ysunak 2 .1 .

Tuz po podłączeniu modułu .Yplamed najprawdopodobniej system operacyjny nie będzie dysponował
W takiej sytuacji musimy najpierw pobrać plik sterownika ze strony firmy Atmel. a następnie ponow nie zainstalow ać sterownik urządzenia X plaincd Sterow nik (plik avr_cdc.zip) można pobrać ze strony poświęconej zakupionej wersji urządzenia Xpiamcdl Po pobraniu należy go rozpakować w dowolnym miejscu — jest to tylko jeden plik z. opi­ sem (plik o nazwie avr_cdc.inj). W celu jego zainstalowania klikamy prawym przyci­ skiem mysz>- na urządzeniu XPL/U N ED CD C i wybieramy jego Właściwości. a na­ stępnie klikamy opcję aktualizuj sterow nik (rysunek 2.2). R ysunsk 2 .2 .

Po kliknięciu właściwości urządzenia XPLAJNED CDC wybieramy opcję aktualizuj sterownik

Wybieramy opcję Przeglądaj mój komputer.... a następnie wybieramy opcję Pozw ól mi wybrać z listy sterowników urządzeń na moim komputerze; w kolejnym oknie klikamy przycisk D alej i w skazujemy położenie pliku avr c d c.in f zaw ierającego opis sterow ­ nika urządzenia. Kom puter zgloni ostrzeżenie, że użyte sterów niki są niepoclpisane 1 http://www.atmel.com toołs.YMEGA-A IXPLAIXED.aspx lub http://www.atmel.com/Imagesxpłaincd_vrriuał com p o rt in f

24

AVR. Praktyczne projekty

cyfrow o, ale wszystkie te ostrzeżenia należy zignorow ać. Komputer przystąpi do instalacji sterowników, w efekcie nasze nowe urządzenie będzie gotowe do pracy (ry­ sunki 2.3 oraz 2 4). Rysunek 2.3. Poprawna instalacja sterowników do .Yplamed

Rysunek 2.4. Po poprawnej instalacji sterowników SpUuned ir menedżerze urządzeń, w węźle Porty (COM i LPT>, powinno się pojawić nowe urządzenie — A f 7? Communication Device Class z podanym numerem wirtualnego portu szeregowego, użytego do kotntańkacji (w powyższym przykładzie jest to port COM 15)

Jak widać. Xplained jest widoczny w systemie jako wirtualny port szeregowy Numer portu szeregowego, jaki jest przypisany urządzeniu (na powyższym przy kładzie jest to port C O M 15). należy sobie zapamiętać Za pomocą tego numeru będziemy się odwoły­ wać do Xplamed w różnych programach narzędziowych, np FLIP N a każdym ko m p u te rze port te n m o że p o s ia d a ć Inny num er.

Numer portu można zmienić według uznania, zmieniając właściwości urządzenia, lecz nie jest to konieczne.

Rozdział 2. ♦ Jak zacząć, czyli instalacja środowiska

25

Instalacja XMEGA z bootloaderem klasy DFU W książce tej dla dem onstracji praktycznych przykładów z w ykorzystaniem XM EGA użyto różnych modułów X plained firmy Atnael. Z pew nością jest to rozw iązanie w y­ godne, gdyż nic nic musimy lutować, wystarczy w czytać przykładow y program Lecz nie jest to rozw iązanie najtańsze. Być może lepszym rozw iązaniem dla osób o skrom ­ niej szym budżecie bodzie w ykonanie modułów o podobnej funkcjonalności samemu. W tym celu w książce pokazano schematy połączeń z uw zględnieniem wykorzystania modułu Xplaincd. a także pełny schemat umożliwiający wlaisnoręcznc zbudow anie układu „od podstaw**. Zabaw ę z XMLCiA może początkow o ułatwić nam zakup m o­ dułu-przejścióuk i z TQFP (formatu obudowy używanego przez X M EGA) na DII, — kompatybilnego z popularnymi płytkami stykowymi. Szczególnie wartym polecenia jest moduł M O D -J I.Z X m ega eXpłore z A T X m ega256A3BU produkow any przez firm ę M odułowo M oduł ten zaw iera w szystkie elementy potrzebne do startu, w tym gniaz­ do USB, przez które możemy zasilać moduł (i inne układy), służące także do kom u­ nikacji z komputerem. Poniew aż moduły tej firmy m ają w grany firmowro bootb a d er, do ich programow ania nic jest wymagany programator — mozc nam to w efekcie w istotny sposób obniżyć koszty startu z XMLXiA Co ważne, moduł ten jest uniwersalny (zo­ stały w yprow adzone w szystkie piny IO), może w ięc posłużyć do testowania dow ol­ nych projektów. Jednocześnie zastosow any m ikrokontroler z 256 kB pam ięci FLASH i 16 kB pamięci SRAM wystarczy nam do realizacji praktycznie dowolnego projektu opartego na A VR

0 WiUlówU

Pam iętaj, aby przed podłączen iem m odułu przez złącze U S B d o kom p u tera za in sta lo ­ w ać A tm e l S tu d io . D zię k i te m u w s y s te m ie b ę d ą d o s tę p n e w ym a g a n e ste ro w n ik i u rz ą d z e n ia k la s y DFU.

W efekcie bezpośrednio po podłączeniu moduł będzie gotowy do pracy

P ro g ra m o w a n ie u k ła d ó w X M E G A Procesory X M EGA możem y program ow ać na trzy sposoby. Pierw sze dw a w ym agają sprzętowego programatora — PDI lub JTAG. Co ważne, z tymi procesorami współpra­ cują programator)' Atmel a posiadające w oznaczeniu słowa m k ll — a więc A lTU SP nikli lub JTAG 1CE m k ll, starsze program atory nie um ożliw iają programow ania pro­ cesorów tej rodziny. Tu ciekaw ym rozw iązaniem , szerzej opisanym nieco dalej, jest układ A l 'R Dragon, będący stosunkowo tamą (ok 240 zl) alternatywą dla AVRISP mkll czy JTAGICE m kll. AVR Dragon nie tylko jest stosunkowo tani, ale przede wszystkim oferuje m ożliw ości charakterystyczne dla drogich program atorów , co pow oduje, zc jest godnym polecenia rozwiązaniem Trzecia możliwość programowania mikrokontrolerów X M EGA nie wymaga u2ycia sprzętowego programatora, wykorzystuje ona wbudowany w procesor hooilaader, dzięki czem u możliwe jest program ow anie za pom ocą dostarczanego przez firmę Atmel

26

AVR. Praktyczne projekty

oprogram ow ania FI.IP (ang. FI.extb/e In sy ste m Program m er)2 lub oprogram owania zgodnego z notą AVR911 — AVR Opon Sourcc P rogram m cr Oprogramowanie FLIP wymaga do działania środowiska Java. Z XMEOA współpracuje także popularny program A VRDude i wspierane przez niego program atory, m in popularny USBAsp.

&

Wskazówka

U S B A s p w ym aga zm ia ny o pro gram o w ania i drobnych zm ia n sprzętow ych, aby m o ż li­ w e było w s p a rc ie trybu PDI.

Niestety programator)' te nie są w spierane wprost z Atmel Studio, aczkolwiek można je z tym IDE wykorzystywać. Niemniej tracimy w ten sposób wygodną możliwość konfi­ gurowania i programowania m ikrokontrolera za pomocą okienek konfiguracyjnych Atm el Studio.

0

Wskazówka

K upując taki „nietypowy" program ator, w arto zw rócić uwagę, czy um ożliw ia on w spół­ p racę z m ik ro k o n tro le ra m i z a s ila n y m i n a p ię c ie m < 3r3 V.

W iększość tanich klonów' nic posiada takiej opcji, co czyni j e bezuży tecznymi w po­ łączeniu z XMEGA Te. które taką opcję posiadają, są tylko nieznacznie tańsze od klonów, a nawet oryginalnych programatorów firmy Atmel

Wczytywanie firmware za pomocą FLIP W ykorzystanie hootloadera zaw artego w procesorze X M EG A 128A I modułu Xplaincd jest w ygodnym rozwiązaniem, gdyż uniezależnia nas od posiadania sprzętowego programatora, a co za tym idzie, chroni naszą kieszeń. Co ważne, firmowy bootloader jest chroniony pr/cd zapisem , możemy go uszkodzić, w yłącznie kasując procesor za pomocą sprzętowego programatora. Nie ma możliwości uszkodzenia hootloadera przy wgrywaniu nowego firm ware. Jest to więc prosta i polecana metoda wczytywania nowego oprogramowania Stąd też zostanie ona opisana jako pierwsza. Z bardzo nielicz­ nymi wyjątkami wszystkie przykłady z tej książki można w grać do procesora za pornoc ą programu FLIP — czyni to start z rodziną XMEGA szczególnie szybkim i tanim. Zanim jednak będziemy mogli skorzystać z tej możliwości, należy odpowiednio skonfigu­ rować program FLIP W tym celu należy pobrać ze strony Atmela najnowszą wersję tego programu (w chwili pisania książki była to wersja 3 4 7). Po zainstalowaniu programu możemy przejść do jego katalogu instalacyjnego {Program Files/Atmel/Fhp 3.4.7 b in ) i odszukać program batchisp.exe. Spróbujmy nawiązać pierwsze połączenie z naszą płytką Xplained. W tym celu podłączamy j ą do kom putera za pom oeą kabla USB i instalu­ jem y sterowniki, tak jak to wcześniej opisano. Następnie w linii poleceń piszemy: * * FLIP można pobrać ze strony Atmela pod adresem: http:/fwww. atmel.comdoołs 'FLIP. aspx. Notę tę można pobrać pod adresem http://www.atmel.com/dyriresourcesfprod documentxdoc2568.pdf. natomiast odpowiednie oprogramowanie pod udresem wwrr.atmel.com/dyrt/resotirces/ prod documtnts A f 'R911.2ip

Rozdział 2. ♦ Jak zacząć, czyli instalacja środowiska

27

c:> b a tch isp -device ATXMEGA128A1 -hardware RS232 -p o rt C0M15 -baudrate 115200 ^ - o p e r a tlo n read

Efektem w ydania powyższego polecenia będzie najprawdopodobniej: Device does not e x is t. ISP done.

O co chodzi? Otóż domyślnie FLIP nic posiada pliku opisu procesora XMEGA128A1. któiy wchodzi w skład modułu Xplained Plik taki musimy pobrać osobno ze strony Firmy Atmel — znajduje się on w plikach będących dodatkiem do noty A \T i1927: W1EGA-A1 Xplained Getling Sfarted Guide — potrzebne pliki znajdują się w katalogu Przykłady/ R02/FLIP Po rozpakowaniu archiwum zip wchodzimy do katalogu AlTil927-exam pIe apphcalton B ootłoader Znajduje się w nim plik A tx meg a l 2H al.xm ł, któiy należy skopiować do katalogu zawierającego zainstalowany program FLIP (Fhp 3.4.5/bin/ PartDescriptionFiles). Po tej operacji możemy ponownie wydać polecenie: c:> b a tc h is p -device ATXMEGA128A1 -hardware RS232 -p o rt C0H15 -baudrate 115200 ^ - o p e r a tla n read

Tym razem efekt będzie nieco inny: Runnlng b a tc h ls p 1 .2 .5 on Thu Nov 10 22:14:58 2011 ATXMEGA128A1 - RS232 - OOM15 - 115200 Dev1ce s e le c tlo n ............................................ PASS Hardware s e le c tlo n ...................... * ................PASS Openlng p o r t .................................................... PASS Synchrontzing t a r g e t .................................... FA1L Tiseout e r r o r . ISP done.

Jak widzimy, tym razem wszystko działa prawidłowo. aZ do momentu próby naw iązania połączenia z bootloaderem modułu Xplained. Aby naw iązać połączenie, nasza płytka musi mieć uruchomiony hootłoader. Co prawda jest on finnow o wgrany, lecz aby go uaktywnić, należy na chwilę odłączyć ją od portu USB. wcisnąć przycisk SWO (znajdu­ jący się obok diody LEDO) i trzymając go wciśnięty, ponownie podłączyć moduł do portu USB. Po chwili możemy przycisk zwolnić — zauważym y, Ze tym razem nie uruchomił się domyślny program (standardowo migający diodami i odgrywający krót­ kie melodyjki po wciśnięciu przycisku) — świeci jedynie dioda znajdująca się przy gniazdku USB Spróbujmy ponownie wydać polecenie takie ja k wcześniej, tym razem uzyskamy pożądany elekt: c:\Program F lle s \A t» e l\F 1 1 p 3.4.5\b1rv>batch1sp -devlce ATXN£GA128A1 -hardware RS232 '—-p o rt C0H15 -baudrate 115200 -o p e ra tio n read Running b a tc h ls p 1 .2 .5 on Thu Nov 10 22:17:18 2011 ATXHEGA128A1 - RS232 - C0M15 - 115200 Device s e le c tlo n ............................................ PASS Hardware s e le c tio n ........................................ PASS Openlng p o r t .................................................... PASS Synchronizing t a r g e t.................................... PASS Reading Bootłoader vers1on...........................PASS 1.0.0 Reading memory................................................ PASS 0x00000 0 x l f f f f Suimary:

T o ta l 6

Passed 6

F a ile d 0

28

AVR. Praktyczna projekty

Jak widać, komunikacja przebiegła bez problemów, płytka współpracuje prawidłowo i jest gotowa do wczytania pierwszego programu. Zanim tego dokonamy, należy poznać kilka podstawowych opcji programu batehisp.

0

WiUzówU

R ów nież w przypadku m odułu X p la in e d X M E G A 2 5 6 A 3 B U c h c ą c w ejść w bootloader, n a le ży g o u ru ch o m ić, zw iera jąc p rzy cisk SW O . P o w od uje to zw arcie d o m a sy pinu P E 5 I sta rt w bu d o w a n e go bootloadera.

Oprócz program u b a teh isp istnieje także drugi, fh p .e x e , będący graficzną nakładką um ożliw iającą programowanie procesora Niestety me wspiera ona programowania pro­ cesora A TX M EO A 128A 1 nawet po wgraniu pliku opisu

Bootloader firmy Atmel Niestety mikrokontrolery XM EGA nie są sprzedawane z preprogramowanym hootloaJerem (oprócz modułów Xpłamcd). W efekcie jeśli chcemy skorzystać z możliwości, jaki daje b o o tloader . musimy sami go wczytać (co wymaga program atora) lub kupić moduł, w którym bootloader jest ju z wczytany przez producenta Kod i skompilowaną wersję bootloadera można pobrać ze strony firmy Atmel {http://w w w .atm el.conilm ages/ A \T U 9 I6 .zip ). znajduje się ona leż w katalogu P r z y k la d y R O Z A 17?19 I6 .zip Po w gra­ niu odpowiedniego dla posiadanego procesora bootloadera będziemy mogli go pro­ gramować przy użyciu programu FLIP lub BATCHISP Jego aktywacja następuje po zresetowamu mikrokontrolera zc zwartym do masy pinem aktywującym (tabela 2.1). Tabela 2 .1 . Przyporządkowanie pinów aktywujących bootloader w poszczególnych rodzinach XA1EGA R o d z in a X M E G A

XMEGA A3x XMEGA C3 XMEGA A4U XMEGA CA XMEGA BI XMEGA B3 XMEGA A 1U

P in 10 PE5

PC3

PC6 POO

Podstawowe opcje programu batehisp Program bateh isp służy do programowania mikrokontrolerów rodziny AVR za po­ średnictwem zaw artego w nich bootloadera Dzięki temu unikamy konieczności po­ siadania programatora, co szczególnie na początku przygody z mikrokontrolerami jest dużym ułatwieniem.

Rozdział 2. ♦ Jak zacząć, czyli instalacja środowiska

&

WUluówU

29

Z e w zg lę d u n a b u d o w ę X M E G A I p ra ktyczn ie brak k o n ie c z n o ś c i p rz e s ta w ia n ia tzw. bitów konfiguracyjnych praktycznie nie za ch o d zi k o n ie c zn o ść p o s ia d a n ia program atora — o Ile o c z y w iś c ie p o s ia d a n y p ro c e s o r m a w grany firm o w y bootloader.

Program ten m ożna w yw oływ ać z linii poleceń, w tym ze skryptu make file sterujące­ go przebiegiem kom pilacji i linkow ania programu. W szystkie opcje program u można podać bezpośrednio w linii poleceń lub tez umieścić je w pliku tekstowym Nazwę ta­ kiego pliku przekazujemy ja k o param etr w yw ołania program u batchtsp: b a tc h ls p - o n d f lle p l 1k_ 2_ p o le c e n lA n i.tx t

Powyższa instrukcja w yw ołuje program, który odczytuje parametry konfiguracji z pliku p lik 2_po!ecemanu. txt. Polecenia zaw arte w pliku tekstowym m ają tak ą sam ą składnię jak opcje wywołania podaw ane bezpośrednio w linii poleceń. Pierw szym param etrem jest param etr -d e v ic e określający typ procesora w układzie docelowym Wszystkie wspierane typy procesorów mają swoje pliki opisów (w formacie X M L) umieszczone w podkatalogu PartDescripiionFiles katalogu instalacyjnego Flip K olejnym param etrem jest -hardware. Określa on sposób kom unikacji z procesorem docelowym. Do komunikacji m ogą być w ykorzystane różne m edia, w poniższych przy­ kładach w ykorzystany zostanie interfejs RS232.

WsUiówfc*

P o m im o że do celo w y m oduł X plained 1 2 8 A 1 łączym y z ko m p u tere m z a p o m o cą U S B , to j e s t o n w id zia n y w k o m p u te rze ja k o w irtu a ln y p o rt C O M .

W ybierając jak o m edium transm isyjne interfejs R S232, musim y określić także port szeregowy wykorzy styw any do kom unikacji Port ten m ożem y odszukać, tak jak po­ kazano w cześniej, w m enedżerze urządzeń systemu, jego num er przekazujem y jako param etr wywołania: -p o r t C0M[nr p o rtu ]

Numeru portu nic określa się dla natywnej komunikacji za pom ocą interfejsu USB (np. w przypadku m ikrokontrolerów bezpośrednio w spierających klasę USB D evice). W ykorzystując do kom unikacji port szeregow y, należy także określić jeg o szybkość. Podana szybkość transmisji musi dokładnie odpow iadać szybkości portu program owa­ nego urządzenia; jakiekolw iek różnice uniemożliw ią naw iązanie połączenia Dla m o­ dułu X plained szybkość ta wynosi 115200 bodów: -baudrate 115200 Kolejny param etr (-operation) określa typ operacji, którą należy' wykonać Operacjami m ogą być: odczyt pamięci, zapis, w eryfikacja lub jej skasow anie Domyślnie wszystkie operacje są w ykonyw ane na pam ięci FL A SH (a w ięc zaw ierającej kod program u). To dom yślne zachow anie możemy zm ienić za pom ocą opcji memory. Ty pami pamięci m ogą być m in FLASH, EEPROM. SIGWATURE Przykładow o w yw ołanie

30

AVR. Praktyczna projekty

c:> b a tch isp -device ATXMEGA128A1 -hardware RS232 -p o rt C0H15 -baudrate *-►115200 -o p e ra tio n roemory SIGMAHJRE read

spowoduje odczytanie sygnatur)' procesora.

&

Wskazówka

O pcja memory m oże być użyta w ielokrotnie, dzięki czem u w jed nym wywołaniu m ożna o p ero w ać n a różnych o b s z a ra c h pam ięci.

O p e ra c ja e ra s e Podstawową opcją programowania jest opcja erase — umożliwia ona skasowanie wy­ branego bloku lub całej pamięci mikrokontrolera. Skasowanie całej pamięci (z wyjąt­ kiem bootloadera) umożliwia opcja: c:> b a tch isp -device ATXME6A128Al -hardware RS232 -p o rt C0H15 -baudrate *►115200 -o p e ra tio n erase F

Jeśli po erase podamy numer bloku pamięci (0 - 4). to skasowany zostanie tylko wskazany blok. Prawidłowość skasowania pamięci można sprawdzić, wywołując batch isp z typem operacji blankcheck (-o p eratio n blankcheck). Jeśli pamięć m c będzie poprawnie ska­ sowana. wywołanie zwróci błąd. wskazując na adres pierwszej nieskasowanej komórki pamięci Operację tę można zawęzić do wskazanego obszaru pamięci, podając zakres sprawdzanych adresów opcją addrange. np addrangę 0x00 0x400 sprawdzi tylko komórki o adresach 0x0000 - 0x04000

O p e ra c ja read Aby odczytać zaw artość pamięci m ikrokontrolera, należy w ykorzystać opcję read (-o p eratio n read). Aby odczytane dane trafiły do pliku na dysku, należy wykorzystać opcję savebuffer. po której podaje się nazwę pliku oraz jego format Formatem mo2e być HEX86 lub HEX386 (tworzą one pliki w formacie Intel HEX): c:> b a tch isp -device AT)(MEGA12flAl -hardware RS232 -p o rt C0H15 -baudrate *►115200 -o p e ra tio n read savebuffer ” fta $ h .h e x" HEX86

Powyższe polecenie odczyta zawartość pamięci FLASH mikrokontrolera, a następnie utwórz)’ phk flash .\tex zawierający odczytane dane w formacie Intel IIEX86. Odczy­ tywany obszar pamięci można zawęzić do adresów określonych dyrektywą addrange

O p e ra c ja p rog ram K olejną operacją jest operacja zapisu do w skazanej pam ięci (domyślnie FLASH) Operacja ta wymaga podania źródła danych do zapisu, np pliku w formacie Intel HEX. Wywołanie: c:> b a tch lsp -devtce ATXMEGA12flAl -hardware RS232 -p o rt C0M15 -baudrate *►115200 -o p e ra tio n lo a d b u ffe r *flash.hex*' program

Rozdział 2. ♦ Jak zacząć, czyli instalacja środowiska

31

spowoduje odczytanie pliku fla.ih.hex i zaprogram owanie je g o zaw artością pamięci FLASH m ikrokontrolera Pliki innych typów niż Intel H EX (np elf) mc są wspierane przez batchisp.

O p e ra c ja v e rify Aby spraw dzić poprawność program owania, m ożna przeprow adzić operację w eryfi­ kacji — polega ona na porównaniu zawartości pamięci mikrokontrolera ze wskazanym plikiem w formacie Intel HEX: c :> b a tc h is p -de vice ATXMEGA128A1 -hardware RS232 -p o rt C0H15 -baudrate *♦115201) -o p e ra tlo n lo a d b u ffe r * fla s h .h e x M v e r tfy

Polecenie porów nuje zawartość pamięci FLASH z plikiem Jla sh .h ex. Porównywany obszar moZna zawęzić do w skazanych adresów za pom ocą dyrektywy addrange. D ow olne operacje (odczytu, zapisu, weryfikacji) można połączyć z opcjonalną dy­ rektyw ą s t a r t , która po zakończeniu operacji rcim cjalizujc programowany moduł, rozpoczynając w ykonyw anie np nowo w granego programu: c :> b a tc h is p -device ATXMEGA128A1 -hardware RS232 -p o rt C0H15 -baudrate *-♦115200 -o p e ra tlo n lo a d b u ffe r " fla s h .h e x " v e r lfy s ta r t re s e t 0

Dyrektywa start przyjmuje opcjonalny parametr re s e t generujący krótki impuls resetująey m ikrokontroler oraz opcjonalny param etr określający adres początkowy urucham ia­ nego programu (zwykle adres ten w ynosi Qx0000%czyli w skazuje na w ektor rc*et).

N a s z p ie rw s zy raz Dotarliśmy w ięc do etapu, kiedy możemy wczytać pierwszy program do modułu Xplained za pom ocą dostępnego w nim bootloadera. Nasz pierwszy program nie będzie skomplikowany: fd e ftn e F_CPU 2000000UL fin c lu d e < a v r/io .h > # !nclu d e < u t1 l/d e la y .h >

Int na1n(vold)

<

P0RTE_DIR=0xFF: u in t8 _ t c n t-0 :

while(l) (

PORTE_OUT-cnt++: delay ibs(ID O ):

) )

"

32

AVR. Praktyczne projekty

Plogram ten ogranicza się do przestawienia portu E procesora na wyjście (do tego portu podłączonych jest 8 diod modułu Xplained). a następnie wpisuje do tego portu binarną re­ prezentację zmiennej cnt — efektem powinny być m igające diody, z których dioda zgaszona reprezentuje wartość 1 danego bitu zmiennej cnt. a dioda zapałona reprezentuje w artość 0. Aby było m ożliw e rozpoznanie poszczególnych stanów, w prow adzono niewielkie opóźnienie (funkcja biblioteczna d e la y jn s ). Gotowy projekt wraz z plikami wynikowymi (hcx) znajduje się w katalogu Przy•klcufy R02P ier\vszy Projekt. Pozostaje nam wgrać plik Pierwszy Projekt.hex (znajdujący się w podkatalogu Pierwszy Projekt Debug) do modułu Xplained W tym celu odłączamy go na chwilę od komputera i podłą­ czamy ponownie, jednocześnie przytrzym ując wciśnięty przycisk SlV0, co uruchomi bootloadcr. N astępnie w ydajem y polecenie: C:\przyklady\R02\Pierwszy_Projekt\fherwszy_Projekt\Debugp-batchisp -device ATXMEG412aAl '-►hardware RS232 -baudrate 115200 -p o rt CÓM10 -operatlon erase f blankcheck menory '-►flash lo a c b u ffe r P ierw szy_P rojekt .hex program v e r if y s t a r t re se t 0

Uzyskamy następujący efekt: Running b a tc h is p 1 .2 .5 on Tue Nov 15 14:06:50 2011 ATXHEGA128A1 - RS232 - COMIO - 115200 Device s e le c tlo n ........................................ .. PASS Hardware s e le c tio n .................................... .. PASS Opemng p o r t ................................................ .. PASS Synchronizing t a r g e t ................................ .. PASS Reading B ootloader vers1on.................... .. PASS 1.0.0 E ra s in g .......................................................... Blank ch e ckin g ............................................ .. PASS 0x00000 0 x l f f f f S e le c tin g FLASH.......................................... .. PASS Parslng HEX f i l e ........................................ .. PASS Pierwszy P ro je k t.h e x Prograimu ng nemory.................................... .. PASS 0x00000 0x00237 Ver1fy1ng menory........................................ .. PASS 0x00000 0x00237 S ta rtln g A p p lic a tio n ................................ .. PASS RESET 0 S um ary:

T o ta l 12

Passed 12

F a ile d 0

Jak widać, programowanie zakończyło się sukcesem, a moduł w ykonuje nowo wczy tany program » Wdurówfca

Pam iętajm y, aby param etr - p o r t C0M10 za m ie n ić n a num er w irtualnego portu sze re ­ gow ego p rzyp o rzą d ko w an e g o m o d u ło w i X p la in e d w u żyw anym s y s te m ie .

Interfejs JTAG Płytkę rozwojową Xplaned moZna programować takZe przy użyciu interfejsu JTAG/PDI. Poniew aż oryginalny program ator JTAGICE m kll je st dosyć drogi, sensow ną alter­ natywą może być AVR Dragon. Złącza JTAG obu płytek łączymy za pomocą 10-źylowcj taśmy, pam iętając, żc AVR Dragon nie potrafi zasilać urządzenia docelow ego, stąd też Xplained musi być podczas program ow ania cały czas podłączony do źródła zasilania, np. poprzez interfejs USB.

Rozdział 2. ♦ Jak zacząć, czyli instalacja środowiska

Wskirówka

33

J e ś li połączenie AVR Drągon-Xplalned nie m oże zo sta ć n aw iązane, należy spraw dzić, czy firm w are u kładu A VR D ragon j e s t aktualny. J e ś li n ie, n a le ży go za k tu a lizo w a ć d o najnow szej w ersji z a p o m o cą A tm e l S tu d io .

Podłączając wtyczkę .TTAG do Xplaincd. należy zwrócić uwagę na jej właściwe umiej­ scowienie — pin nr l (leżący po stronie zaznaczonej czerwonym prążkiem na taśmie) leży po stronie złącza USB. Wtyczka JTAG swoją w ypukłością powinna być skiero­ wana do dołu. wchodząc w wycięcie na płytce drukowanej modułu. Po połączeniu obu płytek możemy wejść w tryb programowania, wybierając w AS6 Toolx AI'R tnogrammmg, a następnie w pojawiającym się oknie dialogowym jako progra­ mator A l 7? Dragon, a jako interfejs JTAG , tak jak na lysunku 2.5. Rysunek 2 .5 .

Konfiguracja A ! 7? Dragon dla programow ania modułu Aplamed Jako narzędzie programowania należy wybrać A 17? Dragon, a jako interfejs JTAG

Po wybraniu typu procesora Afxm egaI28AJ i naciśnięciu przycisku A ppfy powinno dać się odczy tać sygnaturę układu (Device ID), a także odczyty wać i zapisywać pamięć i bity konfiguracyjne procesora

&

Wikarówka

W tym trybie m o żliw e je s t s k a s o w a n ie bootloadera, co u n ie m o żliw i program ow anie X p la ln e d np. po p rzez program FLIP.

Jeśli omyłkowo skasujemy hootloader, to można go ponownie wczytać Skompilowany hootloader dla Xplained znajduje się w katalogu A \7 i!9 2 7 -exa m p Ie upplication/ BootIaaderatxm eguI28aI_hatchispuurt_bootloader.hex M ożna użyć także własnego hootloader a

34

AVR. Praktyczna projekty

Programowanie z wykorzystaniem interfejsu PDI Trzecią opcją programowania Xplamed jest wykorzystanie interfejsu PDI procesora XMEGA

t*

WsUrtwka WifcutoU

r

Aby m ó c w ykorzystyw ać Interfejs PD I. n a le ży za b lo k o w a ć Interfejs JTAG (należy wykoi u s u n ą ć zazn z a z n ać; a c z e n ie bitu JTA6EN w s e k c ji Fuses (rysu n e k 2.6J).

R ysunek 2 .6 .

Wyłączenie bitu konfiguracyjnego JTAGES ułatwia programowanie ftrocesora »»• trybie PDI

Tryb PDI udostępnia programator AVR Dragon (lecz nic ma sensu z niego korzystać, skoro mamy do dyspozycji JTAG). a tak 2e tani programator A VRJSP mkll Jednak w obu przypadkach w yjścia programatorów są dostosow ane do taśmy 6-Zylowcj i 6-pinowcj wtyczki Stąd tez aby wykorzystać ten tryb pracy, niezbędna jest prosta przejściówka z wtyczki 6-pinowcj na w tyczkę łO-pinową dostępną w m odule Xplamcd

P ro g ra m a to ry Procesory' serii XMEGA w ym agają nieco innych program atorów niz w cześniejsze ro­ dziny procesorów AVR. Dostępne programatory' do X M EG A są nieznacznie droższe, ale obecne na ry nku klony, szczególnie AVRISPMkII. niewiele różnią się ceną od programatorów domowej roboty’ sprzedawanych na serwisach aukcyjnych Poniżej zostaną przedstawione programatory w raz z ich wadami i zaletami, w arto zapoznać się z ty m opisem przed dokonaniem zakupu. Najogólniej programatory do XMHGA można podzie­ lić na dw ie grupy: programatory’, za pomocą których można w yłącznic programować mikrokontroler, oraz programatory umożliwiające także debugowame programu. Ta druga grupa daje oczyw iście o wiele większe możliwości, niestety jest tez zdecy dowanie droższa

Rozdział 2. ♦ Jak

zacząć, czyli instalacja środowiska

35

Warto zastanowić się nad zakupem oryginalnych narządzi Atmela lub ich dobrych klo­ nów. Tego typu programatory są bezpośrednio wspierane przez Atmel Studio. Wynikają z tego co nąimniej dwie zalety: ♦ Bezproblemowy początek pracy. Po zainstalowaniu Atmel Studio wystarczy podłączyć programator do gniazda USB i po chw ili możemy zacząć pracę. ♦ Pełne wsparcie pizez Atmel Studio. To wsparcie to możliwość bezpośredniej, wygodnej zmiany np fuseb itó * za pom ocą intuicyjnych okien dialogowych czy możliwość programowania z wykorzystaniem pliku produkcyjnego elf. Użycie narzędzi wspieranych przez Atmel Studio może oszczędzić nam wiciu innych wydatków i problemów. Daje tez o w iele w iększą sw obodę programow ania, co zostanie pokazane w dalszej części.

AVRISP mkll Jest to rozwinięcie koncepcji bardzo popularnego programatora AVRISP. znanego z licz­ nych klonów. Atmel znacznie popraw ił jego budowę i funkcjonalność, w efekcie przy użyciu tego programatora można programować praktycznie w szystkie mikrokontrole­ ry rodziny AVR, niezależnie od napięcia zasilającego oraz częstotliw ości taktowania mikrokontrolera Umożliwia on programowanie bezpośrednio z poziomu Atmel Studio, jest także obsługiwany przez popularny program AVR Dudę Obsługuje on dwa pro­ tokoły programowania — ISF oraz FDI. Należy zwrócić uwagę na nowy format wtyczki ISF — w nowszych programatorach Atmel stosuje w tyczki 6-pinowc. a nic 10-pinowc. tak jak w poprzednich modelach. Wtyczka 6-pmowa jest rozwiązaniem wygodniejszym, a za pom ocą prt>stej przejśćtówki można łatwo wpiąć taki programator do starszych płytek zawierających 10-pinowe gniazda programujące.

Wikarówka

D ostępne s ą stosunkow o tanie I doskonale klony AVR ISPM kll, d a a la ją ce w środow isku A tm el S tu dio I p o siad ające w szystkie cechy oryginalnego narzędzia. M ożn a kup ić go ­ towe klony lub zbudow ać w łasny na podstaw ie pow szechnie dostępnych schem atów .

JTAGICE mkll Jest to rozwinięcie programatora JTAGICE, którego dalsze wsparcie Atmel zarzucił kilka lat temu. Programator len umożliwia programowanie wszystkich procesorów AVR przy użyciu wszystkich protokołów wykorzystywanych przez firmę Atmel Niestety za tę uniwersalność trzeba sporo zapłacić, co powroduje, że dla amatorów nie jest to rozwiązanie optymalne. Z pewnością warto zainteresować się tym programatorem, jeśli zamierzamy profesjonalnie zająć się wykorzystaniem mikrokontrolerów AVR Złącze program ujące JTAG ma rozkład sygnałów zgodny z wcześniejszymi wersjami złącza JTAG.

36

AVR. Praktyczna projekty

JTAGICEIII Jesl to kolejna odsłona programatora JTAGICE, niestety około dwukrotnie droższa niz np. AVR Dragon, stąd też mało interesująca dla am atorów i profesjonalistów z ograniczonym budżetem W arto go kupić, jeśli dysponujem y budżetem na progra­ mator w zakresie 400 - 500 zł. a interesuje nas posiadanie solidnej konstrukcji, która posłuży przez lata. Jego główną zaletą w stosunku do AVR Dragon jest posiadanie obudowy, w efekcie wydaje się on być nieco bardziej solidny.

AVR0ne! Jest to Fcnari wśród programatorów AVR — potrafi wszystko; to najbardziej profe­ sjonalna i zaawansowana w ersja programatora L cczjej w ysoka cena jest praktycznie trudna do przełknięcia dla wszystkich z wyjątkiem większych firm. Warto go kupić, jeśli cierpisz na nadmiar gotówki

AVR Dragon Moim zdaniem jest to najciekawsza propozycja dla amatora i pólprofcsjonalisty Za przystępną cenę (ok 240 zl) dostajemy bardzo ciekawe urządzenie o dużych możliwo­ ściach AVR Dragon wspiera wszystkie metody programowania i debugowania mikro­ kontrolerów A VR (ISP, PDI, debugW IRE, HV, programowanie równolegle i JTAG).

Wskazówka

Przy okazji należy zdem entow ać obiegową opinię o ograniczeniach A V F Dragon, je ś li ch o d zi o deb u g ow an ie urzą d ze ń d o 3 2 k B p a m ię ci FLASH .

Istotnie, takie ograniczenie było wprowadzone w przeszłości, lecz na skutek usunięcia go pizez hakerów Atmcl zdecydował się na wypuszczenie kolejnych wersji Atmel Studio i firmwarc do AVR Dragon, pozbawionych tego ograniczenia. Obecnie więc urzą­ dzenie to jest w pełni funkcjonalnym debugerem.

Wikuówt*

D ruga o b ie g o w a o p in ia je s t zw iąza n a z w ad ą, ja k a w y stę p o w a ła w e w cze śn ie jszy ch rew izjach AVR Dragon — m iał on błędnie zaprojektow any układ z a s ila n ia , w e fe kcie niezw ykle łatw o m o żn a było go u szk o d zić. W ersje o b e c n ie sp rze d a w a n e s ą pozb a­ w ione tej wady.

Należy jednak pamiętać, że niska cena tego urządzenia ma sw oje konsekwencje. Jest ono sprzedawane jako zmontowana płytka, bez obudowy i kabli łączących (USB. taśmy i złącza JTAG, ISP itd.). W efekcie urządzenie to jesl dosyć wrażliwe i w arto we własnym zakresie umieścić je w obudowie.

Rozdział 2. ♦ Jak

&

WiLuawkj

zacząć, czyli instalacja środowiska

37

Drobną w adą D ragona je s t w ystępujący w nim problem z program ow aniem niektórych typów m ik ro k o n tro le ró w X M E G A w trybie PDI. M ik ro k o n tro le ry X M E G A s e r ii A l (do rewizji K), a także A 3 i D 3 rewizji B, C i E nie s ą w tym trybie obsługiw ane przez AVR Dragon. N a to m ia st m ożna bez problem u korzystać z tego trybu, w ykorzystując progra­ m atory A VR ICE M k ll lub JTA G IC E M k ll.

N a płytce AVR Dragon fabrycznie zainstalowane są zlącz.a ISP/PDI oraz .TTAG. Z łą­ cza do pozostałych interfejsów nic są wlutowane, na płytce znajdują się tylko pola lutownicze do samodzielnego montażu złączy. Należy jednak pamiętać, że o ile złącza ISP/PDI/debugW IRl£ i JTAG są zaopatrzone w bufory i konw erter)' poziomów na­ pięć, to pozostałe złącza nie są w Żaden sposób chronione Je^li w ięc zdecydujemy się na ich wykorzystanie, należy takie konwertery dodać w e w łasnym zakresie. Bez nich m ożliw e jest podłączanie w yłącznic do układów zasilanych z płytki AVR Dragon, a w praktyce wyłącznic urządzeń znajdujących się w części prototypowej modułu Stąd też jeśli planujemy korzystać z trybów HV lub rów noległego, najlepiej jest w lutouać w obszar prototypowy podstawkę ZIF i programować procesor na płytce AVR Dragon, a nic w systemie docelowym.

0

Włfcuówfc*

AVR D ragon m o że ta k że z a s ila ć u rzą d ze n ia d o ce lo w e , le c z m a k sy m a ln y prąd pobie­ rany ze z łą c z a z a s ila ją c e g o n ie m o że p rze kroczyć 3 0 0 m A.

Należy też pam iętać, że jeżeli łączony układ ma własne zasilanie, to nie należy go łączyć z zasilaniem Dragona (należy połączyć w yłącznic m asy obu urządzeń). Nic stanowi to problemu, gdyż piny na złączu ISP/PDI i .TTAG. na których powinno być zasilanie (I cc), nie s ą podłączone Dzięki temu w przeciw ieństw ie do innych progra­ matorów me trzeba przestaw iać żadnych zworek Lecz jeśli Dragon ma być źródłem zasilania dla docelow ego układu, to należy' to zasilanie doprowadzić osobnym prze­ wodem — zasilanie dostępne jest na małym złączu znajdującym się tuz powyżej złącza JTAG. Układ docelowy może działać z napięciem zasilającym 1Jś —5,5 V.

Ihmp

Aby u rządzenie AVR Dragon było rozpoznaw ane w sy ste m ie i m ożliw e było połącze­ nie z n im , n a le ży n a jp ie rw z a in s ta lo w a ć A tm e l S tu d io , a d o p ie ro potem p o d p ią ć D ragona.

Przy okazji warto w spom nieć o rezystorach podciągających dodawanych na linię RES E T w celu eliminacji przy padkow ego resetowania procesora. Nie są one niezbędne, chociaż w środowisku o dużych zakłóceniach z pew nością w arto jc dodać A by Dra­ gon mógł poprawnie sterów ać linią R E S E T . wartość takiego rezystora podciąga­ jącego nic może być m niejsza niż 1 k il. W tabeli 2.2 pokazano rozkład i znaczenie poszczególnych sygnałów złącza JTAG.

38

AVR. Praktyczna projekty

T abela 2.2. Rozkład sy gnałów i ich zmoczenie na 10-pinowej wtyczce JTAG Pin

Sygnał

Kierunek

Opis

1

TCK

Test Clock — sygnał zegarowy dla układu docelowego

2

6ND

3

TDO

Wyjście Wejście

4

VTref

Wejście

5

TMS

Wyjście

6

nRST

Wejście-wyjście

7

Vcc

-

8

nTRST

9

TDI

Wyjście (NC) Wyjście

10

GND

-

Masa Test Data Output — linia danych z układu docelowego Target Reference 1’oltage — pin należy podłączyć do J cc układu docelowego — służy do wysterowania konwerterów poziomu interfejsu JTAG Test Modę Se lec t — sygnał selekcji dla układu docelowego nRST należy podłączyć do sygnału RESET układu docelowego, dzięki czemu JTAG może przejąć kontrolę nad systemem. W układzie docelowym s>rgnal len powinien być typu open collector/drain Pin nicpodlączony — Dragon nic może być zasilany z układu docelowego ani go zasilać Sygnał niewykorzystywany na platformie AVR Test Data Input — lima danych do układu docelowego Masa

Korzystając z AVR Dragon, w arto pamiętać o kilku wskazówkach: ♦ NaleZy włączać zasilanie Dragona równocześnie lub przed włączeniem zasilania w układzie docelowym. W przeciwnym przypadku podsystemy Dragona będą zasilane z układu docelow ego przez linie IO drivcrów użytego interfejsu, co nie jest wskazane i może doprowadzić do ich uszkodzenia. ♦ Aby drivery w yjściow e użytego interfejsu mogły praw idłow o działać na pin łV re/intcrfcjsu JTAG lub pin I cc interfejsu ISP/PDI/dW . należ)' doprow adzić napięcie zasilania 0 cc) układu docelowego. ♦ Ze złączy f c c AVR Dragon można pobierać m aksym alnie 300 mA/5 V — złącza te nie m ają zabezpieczenia przeeiwprzcciążeniowego ♦ W szystkie interfejsy, które nie m ają oryginalnie w lutow anych złączy, a jedynie pola lutownicze (H V. PP). nic posiadają konw erterów poziomów' napięć, w efekcie dostosowane są do napięcia zasilającego 5 V — pow inno ono pochodzić z m odułu A VR Dragon. & WsUrówU

W szystkie przykłady w d a lsze j c z ę ś c i k s ią ż k i b a zują na po d łą cze n iu układu d o ce lo ­ w ego do kom p u te ra poprzez AVR Dragon, le cz m ożna ta k ż e j e w czytyw ać przy użyciu bootloadera, b e z k o n ie c z n o ś c i p o s ia d a n ia pro gram atora.

Na rysunku 2 7 pokazami rozkład sygnałów' na poszczególnych złączach modułu AVR Dragon

Rozdział 2. ♦ Jak zacząć, czyli instalacja środowiska

39

TCK TDO VTG

M SO SCK

■

•

•

•

•

•

RESET

•

•

•

•

•

•

•

•

m

NC

GND

TDł

VTref nSRST

TMS

MOSI

Rozkład wyprowadzeń interfejsu ISP

GND ■

NC GND

R a ził w f wyprowadzeń interfejsu JTAG

DATA.O

D ATA_1

DATA_2

DATAJ 3

DATA_4

DATA_5

DATA_6

DATA 7

CTRL_0

CTRL 1

C T RL_2

C T R L _3

C T RL_4

C T R L_5

C T RL_6

CTRL.7

XTAL1

RESET

VCC

GND

Rozkład wyprowadzeń interfejsu I I I ' i równoległego (złącze to nie jest standardowo włutowane w płytkę A f "R Dragon) R ysunak 2 .7 . Rozkład sygnałów na złączach modułu A I R Dragon

P ie r w s z e p ro g ra m o w a n ie z u ży c ie m A V R D ra g o n Wcześniej pokazano, w jaki sposób wczytać nowy firm ware do modułu Xplained pizy użyciu dostępnego w nim hootloadero Jeśli z jakichś pow odów nie chcemy z niego korzystać lub w ykorzystujemy inny interfejs do program ow ania układu (np. JTA G ), potrzebny będzie programator, jakim może być zestaw AVR Dragon. Aby przy jego uży­ ciu przeprogram ow ać moduł Xplaincd, należy połączyć złącze JTAG modułu zc złą­ czem JTA G program atora AVR Dragon za pom ocą 10-źylowcj taśmy Oba urządze­ nia (A VR D ragon i Xp!ained) powinny w tym czasie być podłączone do portów USB komputera. Jest to o tyle istotne, że jak w cześniej w spom niano, program ator A V R Dragon norm alnie nie zasila program ow anego urządzenia.

40

Uwięa

AVR. Praktyczna projekty

P ro g ra m o w a n ie z a p o m o c ą p ro g ra m a to ra m o że u s zk o d zić

bootloador.

W c d u rozpoczęcia programowania w AS6 wybieramy z menu Tools opcję A lT i Programming. a następnie wybieramy typ programatora (,-ł f 7? Dragon), typ programówonego mikrokontrolera (A T X \ (EGA 128A1) oraz wykorzystywany interfejs (JT A G ); po naciśnię­ ciu A p p ly powinniśmy móc połączyć się z programowanym układem (rysunek 2 8) Rysunek 2.8.

Ustawieme programatora i wczytanie Jo mikrokontrolera kmin programu zawartego »r pliku Pierwszy Projekt he.r

&

WiUiOwti

W ska zu jąc n a plik do zap ro gram ow an ia w fo rm a cie H EX lub elf, należy p a m ię ta ć, że A S 6 nie lu bi, k ie d y w ś c ie ż c e d o s tę p u zn a jd u ją s ię p o ls k ie litery. U n ie m o żliw ia to za p ro g ra m o w a n ie ukła d u .

Pozostaje nam wybrać plik, któiy chcemy wczytać do pamięci FLA SI1 mikrokontrolera Podobnie jak w przypadku programowania z wykorzystaniem wbudow anego boodoadera i programu FLIP. tak i tu możemy posłużyć się kodem z przykładu znajdującego się w katalogu P rzyklady/R02/P ierw szyProJekt Po naciśnięciu przycisku Program do modułu zostanie wczytany nasz pierwszy program testowy. Jednocześnie niestety spowoduje to skasowanie baotloadem , w ięc progra­ mowanie za pom ocą FLIP będzie niemożliwe Aby odtw orzyć bootloacłer, moZemy go ponownie wczytać do procesora, wskazując jako plik hex do programowania sam bootłoader znajdujący się w katalogu Al7U927-exanipIe application Bootłoader lub plik zawierający cały oryginalny wsad modułu Xpłamcd znajdujący się w katalogu A l R 1927example applicalionScripf Oczywiście w czytanie nowego boodoadera skasuje kod wcześniej wgranej aplikacji Jak połączyć aplikację z boołfoaderem, zostało pokazane w książce Język C dla mikro­ kontrolerów A l R- O d podstaw do zaawansowanych aplikacji

Rozdział 2. ♦ Jak zacząć, czyli instalacja środowiska

41

Pozostaje nam jeszcze zabezpieczenie wgranego hootloadera przed przypadkowym skasowaniem za pomocą tzw. lockbiiów. które należy skonfigurować jak na rysunku 2.9. R ysunek 2 .9 .

Konfiguracja lockbiiów po ponownym wczytaniu kodu hootloadera. Należy zabezpieczyć sam hootloader przed przypadkowym skasowaniem przez kod aplikacji poprzez zmianę lockbitów Hl.HH i BLBAT

W przypadku korzy stania z programatorów w Atmcl Studio istnieje możliwość wykorzy­ stania do programowania nic tylko plików hcx, ale takZc plików w formacie c if (ang Execulab!e an d Linkable Format). W ykorzystanie plików e lf ma kilka istotnych zalet: ♦ Nie trzeba tworzyć plików w formacie IntelMcx (hex i cep) zawierających obrazy pamięci FLASH i EEPROM mikrokontrolera, c o skraca czas kompilacji programu ♦ Pliki w formacie elf zawierają dane przeznaczone dla obu rodzajów pamięci (tj. FLASH i EEPROM ). a także dane konfiguracyjne fu s e - i lock bit ów. Dzięki temu wszystkie dane potrzebne do zaprogram owania mikrokontrolera znajdują się w jednym pliku ♦ W miarę potrzeby z pliku w form acie e lf moZna przy użyciu narzędzia o b jc o p y stworzyć pliki w formacie lntelH EX (tak się dzieje domyślnie), a także uzyskać informacje o wartości bilów konfiguracyjnych Niestety format elf jest formatem bardziej skomplikowanym niz Intcll IEX, w efekcie poza Atmcl Studio nic wspierają go inne nakładki na programatory (np. popularny program AVRDude. a także FLIP).

In te rfe js d e b u g W IR E Jest to prosty' interfejs umożliwiający programowanie i dcbugowanic w systemie Połą­ czenie pomiędzy AVR Dragon a docelowym systemem wymaga trzech przewodów — G ND . V tref i RESET. Do transmisji wykorzystywany jest w yłącznie sygnał RESFl'. f 'tref służy jedy nie do sterowania buforami zapewniającymi konwersję poziomów napięć

42

%Dwacp

AVR. Praktyczna projekty

M ikrokon trolery w sp ie ra ją c e dW d o m y śln ie s ą sp rzed aw an e z w yłączoną o p isyw an ą tu opcją. Aby m óc z nle-J skorzystać, należy ją najpierw włączyć, zm ieniając ustaw ienia fu se b itó w .

Interfejs dW można w łączyć poprzez ustawienie bilu konfiguracyjnego DWEN. lecz nic można tego dokonać poprzez interfejs dW — należy w tym celu wykorzystać inny inter­ fejs. np. 1SP W elekcie w układzie docelow ym dobrze jest um ieścić pełną 6-pinow ą wtyczkę, umożliwiającą korzy stanie z interfejsu dW t 1SP Od strony Dragona sygnały interfejsu dW wyprowadzone są na to samo złącze, na którymi w ystępują sygnały in­ terfejsu ISP — w trybie dW niew ykorzystane sygnały są utrzym yw ane przez Dragona w stanic wysokiej impedancji. nie mają więc wpływu na działanie układu docelowego. Ponow ne przełączenie z trybu dW na ISP wy maga naw iązania połączenia pomiędzy Dragonem i układem docelowym oraz zmiany stanu bitu D W EN (w ybrania opcji — interfejs ISP [rysunek 2.10]) R ysunek 2 .1 0 .

Przełączenie Hybranego procesora z trybu iłebugW ire Jo trybu ISP

Uwaga

Aby m ó c korzystać z Interfejsu dW, do linii RESET nie należy p o d łą cza ć innych e le m e n ­ tów, a ewentualny rezystor podciągający nie pow inien m le ć w a rto ści niższej niż 1 0 M L N ie n a le ży te ż s to s o w a ć ża d n ych k o n d e n s a to ró w n a tej lin ii. X M E G A m e korzysta ją z te g o typu in te rfe jsu , je s t o n głó w n ie w ykorzystyw any przez n o w e u kła d y ATTiny.

Interfejs dW można wykorzystać do debugowania układu, odczytu bitów konfigura­ cyjnych oraz skasowania pamięci, n ie można go użyć do program ow ania układu.

In te rfe js PDI Interfejs PDI jest uproszczonym w stosunku do ISP interfejsem umożliw łającym progra­ mowanie układów XMEGA W tym trybie programować m ożna za pom ocą nowszych

Rozdział 2. ♦ Jak zacząć, czyli instalacja środowiska

43

programatorów JTAG (JTAGICE m kll i JTAGICE3), a także A VRISP nikli oraz. AVR Dragon. Sygnał)' interfejsu mapowane są w miejscu standardowych sygnałów inter­ fejsu JTAG/ISP (tabela 2.3). Tabela 2.3. Przyporządkow anie sygnałów różnych interfejsów dostępnych na standardowej, 10-pinowej wtyczce programatora Interfejs PDI

Interfejs ISP

Interfejs JTAG

PDI_DATA

MISO

TDI

Vcc

Vcc

VTref

PDI_CLK

RESET

nRST

GND

GND

GND

P ro g ram o w an ie i d eb u g o w an ie p ro ce so ró w X M E G A Procesor)’ seni XMEGA wspierają tylko dwa interfejs)* — PDI oraz JTAG. Oba umożliw iają programowanie i debugowanie (rysunek 2 11). R ysunek 2 .1 1 .

Rozkład sygnałów interfejsów PDI i ISP dła wtyczki 6-pinowej oraz sy gnałów interfejsu JTAG dła wtyczki IO-pmowej 6-pmowu wtyczka ISP je st kompatybilna ze standardem PDI. stąd też nowe programatory potrafią wykorzystywać oba interfejsy

12

12

PDLDATA •

•

VOC

MC. •

•

FO_CLK •

• POI

1 1 TC* #

•

CNO

•

•

VOC

M C.

SCK •

•

MOSI

TDO •

•

VTreł

GND

RST •

•

GMD

IM S •

•

rSRST

NC

•

•

nTRST

TO

•

•

GND

M SO

ISP

JTAG

.Tak widać, roz-klad sygnałów w gnieździć PDI jest kompatybilny zc standardem ISP. niewykorzystane sygnały interfejsu ISP są po prostu niepołączone Stąd tcZ programatory ISP, takie jak AVRISP m kll. mogą pracować w trybie PDI po wybraniu stosownej opcji Niestety starsze programatory (m in. AVRISP) nie w spierają tego trybu pro­ gramowania. nic mogą wiec być użyte razem z XMEGA. Również programator-debuger JTAG może być użyty w trybie PDI — taką możliwość wspiera JTAGICE m kll (z wyjątkiem pierwszych wersji tego programatora). Użycie programatora JTAG w Uybie PDI wymaga zastosow ania prostej przejśeiówki rautującej sygnały z 10-pinowcj wtyczki JTAG na 6-pinowc gniazdko PDI.

WłJLUÓwta

Korzystając z interfejsu PDI, należy pam iętać, że je s t on realizowany sprzętowo jako syn­ chroniczny interfejs UART z haifcktplexem. W efekcie obie linie (PDLDATA i PD!_CLK) m u sz ą być po d ob nie o b cią żo n e .

44

AVR. Praktyczne projekty

Problem m oże się pojawić, jeśli pod limę PDJ C LK podłączony jest kondensator lub linia ta jest podciągnięta do I cc przy użyciu rezy stora o niskiej wartości (PDI CLK jest jednocześnie sygnałem RE SE T procesora) — w efekcie dochodzi do znacznej asyme­ trii pomiędzy oboma sygnałami i poprawna transmisja może być niemożliwa. Stąd też w przeciwieństwie do procesorów ATM ega w procesorach XMEGA linię RE SE T {PD ! CLK) najlepiej pozostawić niepodłączoną, ew entualnie układy dodatkowe odłą­ czać na czas programowania. Interfejs PDI do programowania wymaga oprócz sygnału P D I C L K łączącego z pinem R E SE T podłączenia także sygnału P D I D ATA, który łą­ czy się z dedykowanym pinem IO mikrokontrolera.

O d sp rzę g a n ie z a s ila n ia Poniew aż procesory XMEGA m ogą działać z zegarem aż 32M I lz. szczególnie istotne staje się właściwe prowadzenie zasilania i odsprzęganie. X M EGA posiadają kilka pi­ nów zasilających (I'cc i GAD) i do popraw nej pracy w szystkie muszą zostać pod­ łączone do zasilania. Dodatkowo przy każdym pinie zasilania powinien być kondensator odsprzęgający o wartości ok 100 nF. W arto też. stosując płytki dwu- lub w ielow ar­ stwowe, umieścić pod procesorem pole masy. Znacznie zwiększy' to jego odporność na zakłócenia.

Wśluzówka

Pa m ię taj, ab y nigdy nie z o sta w ia ć n ie po d łączonych pinów Vcc lub GND. T a ka kon fi­ g u ra c ja J e s t b łę d n a I p ro w a d zi c z ę s to do b a rd zo n ie ty p o w y ch p ro b le m ó w za ró w n o w tra k c ie p ro g ra m o w a n ia u k ła d u , ja k i je g o d zia ła n ia .

In sta lacja p o trze b n e g o o p ro g ra m o w a n ia Do tej pory zostały opisane wymogi sprzętowe oraz podstawowe oprogramowanie umoż­ liwiające wczytywanie tzw. wrsadów do mikrokontrolerów rodziny XMEGA. Potizebne nam jest jednak coś więcej — np. kompilator, a najlepiej tzw. zintegrowane środowisko program istyczne (IDE. ang Integrated developm ent environment). Jako zintegrowane środowisko możemy wykorzystać darniowe A VR Studio w wersji 4 lub Atmel Studio 6 — dalej nazy w ane AS4 lub AS6. AS4 jest środowiskiem starszy m, którego dalszy rozwój został przez firmę Atmel porzucony. M imo tego ma ono swoje zalety — przede wszystkim duże grono użytkowników, dzięki czemu łatwo m ożna uzyskać wsparcie w razie problemów. Zajmuje też stosunkowo mało miejsca, szybko się uruchomia, co może mieć znaczenie na starszych komputerach, a także daje się uruchomić w syste­ mach GN U /Linux (z wykorzystaniem em ulatora Winc). Nowszym środowiskiem jest AS6. które ma o wiele bardziej rozbudowany edytor, poprawione opcje konfiguracji projektu, a także wspiera płyty rozwojowe fum y At­ mel oraz napisany przez tę firmę framework (ASF, ang. A tm el softw are fram ew ork).

Rozdział 2. ♦ Jak zacząć, czyli instalacja środowiska

45

Niestety ceną za wygodę z korzystania z tego środowiska jest jego duża objętość (plik do pobrania ma ponad 500 MB) i konieczność stosowania szybszych komputerów Niemniej jest to środowisko aktywnie rozwijane przez firmę Atmcl i wszystkie przy­ kłady z tej książki będą na nim bazowały

Atmel Studio 6 — podstawy AS6 jest dostępne za darmo do pobrania ze strony firmy Atmel (http://www.atmel.com/ M icrosite/atm eisiudioó default.aspx). Pobranie wymaga wypełnienia krótkiego for­ mularza rejestracyjnego. Po pobraniu instalatora możemy rozpocząć proces instalacji, który przebiega szybko i sprawnie, tak ze po chwili dysponujemy działającym IDE W raz z samą aplikacją AS6 instalujemy tzw. toolchatn. czy li zestaw narzędzi nie­ zbędnych do kompilacji, linkowania i wczytywania programów dla wszystkich rodzin mikrokontrolerów firmy Atmel (zarówno 8-, jak i 32-bilowych). Dodatkowo opcjonal­ nie zostanie zainstalowany ASF.

&

Wriariwka

Z nany fanom AVR toolchatn W m AVR nie je s t ju ż rozwijany, a je g o m ie jsce zajął chatn wydany przez firm ę Atm el.

tool­

W skład łoolcltaina wchodzi także biblioteka A VR-libc wraz z rozszerzeniami specy­ ficznymi dla mikrokontrolerów XMEGA Tak więc po zainstalowaniu AS6 mamy wszystko co potrzeba, aby rozpocząć pisanie programów dla dowolnych mikrokontrole­ rów firmy Atmcl W arto więc bliZcj zapoznać się z tym środowiskiem

R o zp o c zy n a m y p ra c ę — n ow y p ro je k t Po uruchomieniu A S6 wybieramy opcję N ew P roject..., po czym w nowo otwartym okienku wybieramy typ projektu, jaki chcemy zrealizować D o wyboru mamy możli­ wość skorzystania z gotowych szablonów przygotowanych dla płyt rozwojowych firmy Atmcl (A tm el Boards), możemy stworzyć także własne szablony ( User Boards). mo­ żemy także wybrać projekt pisany w języku C lub asemblerze (rysunek 2 12). R ysunek 2 .1 2 .

Okienko nowego projektu i»>AS6 — wybieramy szablon projektu w C oraz C Execulab/e Project

46

AVR. Praktyczne projekty

Po w ybraniu typu projektu możemy określić jeg o lokalizację o raz nazwę.

WsJuzowka

N a le ży p a m ię ta ć , ż e w ś c ie ż c e d o s tę p u do pro je ktu i je g o n a zw ie n ie m o g ą w y stę ­ p o w a ć p o ls k ie litery.

Po wy braniu typu projektu otworzy się kolejne okno, w którym należy wybrać typ proce­ sora, dla którego tworzymy projekt (w naszym przypadku będzie to ATXMEGA12XAl). Po zatw ierdzeniu typu utworzony /.ostanie nowy projekt i możemy przystąpić do pi­ sania programu. Do tak utw orzonego projektu możemy dodaw ać kolejne pliki zaw ierające kod (pliki o rozszerzeniu c) lub prototypy funkcji i deklaracje (pliki nagłówkowe o rozszerzeniu /;). W tym celu klikamy prawym przyciskiem myszy na znajdujący' się po prawej stronic w oknie Sołution Explorer tytuł projektu W elekcie otworzy nam się okienko z opcjami do wy boni — wybieramy A d d S e w Item... co spowoduje otw arcie okna wyboru jak na rysunku 2 13. Rysunek 2.13.

Dryfowanie nowego pliku do projektu. Należy określić, czy plik będzie zawiera! ko
C«K

Tak w ybrany plik zostanie autom atycznie dodany do projektu i pow inien pojawić się w drzewie projektu w oknie Sołution Expioręr Domyślnie taki plik będzie kompilowany łącznic z pozostałymi plikami projektu

Uwaga

N ie należy tw orzyć now ych plików za p o m o cą o p cji m enu File/N ew /FH e.... O p cja ta pow oduje utworzenie now ego pliku o w skazanym typie, lecz n ie dodaje g o d o projektu.

Taki plik można w praw dzie dodać do projektu ręcznie, lecz je st to niepotrzebna kom ­ plikacja. Klikając prawym przyciskiem w Sołution Manager nazwę wybranego pliku. mo2na m in. usunąć go z projektu lub określić jeg o właściwości, np. w yłączyć go z kompilacji lub dokonać „ręcznej** kompilacji wskazanego pliku.

Rozdział 2. ♦ Jak zacząć, czyli instalacja środowiska

47

O p c je p ro je k tu Utworzenie nowego projektu co prawda jest wystarczające do skompilowania programu i uzyskania kodu nadającego się do zaprogramowania procesora, lecz taki kod domyślnie będzie niezbyt optymalny Jest to spowodowane tym , że domyślnie w AS6 kom pi­ lacja przebiega z optymalizacją na poziomie 1 (opcja - O l kompilatora — odpo­ wiada to optymalnej konfiguracji dla projektu przeznaczonego do dehugowania). Lecz w opcjach projektu możemy wybrać znacznie więcej ciekawych rzeczy. W tym celu wybieramy z menu Project Properties... lub naciskamy AU+F7. Pojawi nam się okienko opcji projektu tak jak na rysunku 2 14 R ysunek 2 .1 4 .

Opcje projektu w AS6. A fożeni}- przełączać się pomiędzy predefiniowanymi konfiguracjami Debug i Rełease

W zakładce H uihłnic nie musimy zmieniać — zawiera ona opcje, które wybraliśmy pod­ czas tworzenia nowego projektu. Jedyna czynność, którą czasam i w arto w ykonać, to usunięcie zaznaczenia opcji w sekcji G enerale Fiłes. Powodują one utworzenie plików .map i Jss. do których zagląda się sporadycznie Dodatkowo możemy usunąć zaznacze­ nie tworzenia plików kici i cep — ale tylko wtedy, kiedy używam y programatora I oprogramowania zdolnego do posługiwania się plikam i w formacie elf. Jeśli używamy do programowania procesora zewnętrznego programu (nic AS6). to najprawdo­ podobniej będziemy potrzebować plików hex i ccp — zaw ierają one dane niezbędne do zaprogramowania procesora Usunięcie zaznaczenia pow yższych opcji spowoduje pominięcie generow ania stosownych plików, a co za tym idzie — skróci czas kompilacji. W zakładce BuilcłEvents możemy wybrać skrypty lub polecenia, które zostaną wywołane przed lub po zbudowaniu projektu (wykonaniu związanego z nim pliku M ake file ) Zdefiniowanie takich skryptów może być użyteczne, jeśli nasz projekt zależy od pewnych plików zewnętrznych. Np w sytuacji, gdy mamy pliki graficzne, które przed dołącze­ niem do projektu m uszą zostać zamienione na pliki w form acie obj

48

AVR. Praktyczne projekty

Bardzo ważną zakładką jest zakładka Tootchain. Właściwie nic powinniśmy rozpoczynać pracy z projektem bez przejrzenia i właściwego zdefiniowania występujących tain opcji (rysunek 2 15). R ysunek 2 .1 5 .

Opcje kompilacji Jedną z najważniejszych jest opcja określająca poziom optymalizacji zazwyczaj najlepszym wyborem jest optymalizacja na poziomie -Os. białety ją wybrać, gd\ż domyślnie AS6 kompiluje projekt z optymalizacją na poziomie /. co wydłuża kod wynikowy

Opcje kompilacji zostaną omówione dokładniej w rozdziale 4. „Jak tworzyć lepszy i efektywniejszy kod”, tutaj tylko wy mienione zostaną opcje, które należy zmienić, aby uzy­ skać rozsądny kod wynikowy Jak pokazano na rysunku 2 15. jedną z takich kluczowych opcji jest wybór poziomu optymalizacji (Toolchain/AI TiG N U C ConipilerOpntmzalion). Domyślnie optymalizacja jest ustawiona na poziom I. co powoduje. Zc generowany kod wynikowy jest bardzo duży i nieoptymalny W większości przypadków rozsądnym wyborem jest zaznaczenie w opcji Optmuzation Ij>vet pozycji Opttmize fo r size ( Os) Warto te2 zaznaczyć opcję Prepare juncUom Jor garbate collection (-Jfiinclion-secitons) Opcję optymalizacji możemy zmienić, zmieniając konfigurację projektu (Configuration) z Debttg na Rełease. Spowoduje to zmianę domyślnej optymalizacji na -O s Drugą zakładką, którą musimy obowiązkowo otworzyć, jest zakładka TooichainAITUGNU C Contpiler Symbols. W zakładce lej można zdefiniować symbole, które będą widoczne w trakcie kompilacji w e wszystkich jednostkach kompilacji (plikach źródłowych C). &

S y m b o le m , który m u sim y zd e fin io w a ć. Je s t F_CPU.

Wskazówka

Określa on częstotliwość taktów arna procesora — w efekcie jego wartość musi odpow ia­ dać częstotliwości taktowania (czy li np częstotliw ości zastosowanego kwarcu lub często­ tliwości wybranej programowo w module zegarowym mikrokontrolera). Bez zdefiniowa­ nia tego sy mbolu część funkcji mozc działać niepoprawnie — z pewnością niepoprawnie będą działać funkcje z nagłówka delay.h, niepoprawnie będą także działały funkcje określające szybkość działania interfejsów komunikacyjnych, np. U ART, I2C. SPI,

Rozdział 2. ♦ Jak zacząć, czyli instalacja środowiska

49

Domyślnie procesory XMEGA działają/. zegarem 2 MH/„ sy m b o l f_ cpu należy w ięc zdefiniować tak. jak to pokazano na rysunku 2.16. R ysunak 2 .1 6 . D efin icja F C P U w .sekcji D efine S y m b o li n ależy kliknąć pierw szą ikonę i ir otw artym o kien ku w pisać F C P U = 2000000U L łf aZne j e s t dodanie n a końcu sufiksu UL określającego sposób traktow ania podanej sta łej przez kom pilator (ja k o u n sig n ed /ongi

N).

WłUTdwkJ

O c zy w iśc ie je ś li zm ie n ia m y u s ta w ie n ia u kła d u ze g a ro w e g o p ro c e s o ra (np. w ykorzy­ stu je m y P LL), to n a le ż y w p is a ć rze czyw istą c z ę s to tliw o ś ć ta k to w a n ia rd ze n ia pro­ c e s o ra .

Potencjalnie waZnym parametrem jest parametr określający, z jakim i bibliotekami zewnętrznymi ma być łączony program Biblioteki zew nętrzne zaw ierają prekompilowany kod funkcji, kilka z nich jest dostarczanych razem z A I ll-łtbc (zainstalowanym automatycznie z AS6) Do w yboru mamy następujące biblioteki standardowe: ♦ libc.o — zawiera podstaw ow e funkcje definiow ane w bibliotece standardowej (jest ona dom yślnie linkowana i nie trzeba jej podawać). ♦ iibm .a — zaw iera funkcje m atem atyczne operujące na zm iennych zm iennopozycyjnych (f lo a t) — należy ją zawsze dołączyć, jeśli korzystamy z funkcji zdefiniowanych w malh.h. Brak tej biblioteki w sytuacji, gdy korzystamy z funkcji operujących na zmiennych typu flo at/d o u b le. prowadzi do dziwnych błędów kompilacji Nawet jeśli kod skom piluje się poprawnie, to dołączone zostaną funkcje m coptym alizowanc względem A VR. co za tym idzie — kod wynikowy będzie długi i wolny. ♦ hbobjc.a — zawiera funkcje współdzielone przez O bjcctive C. zazwyczaj jest niepotrzebna.

50

AVR. Praktyczna projekty

♦ łibprintf Jlt.a — zawiera specjalnie przy gotowane dla platformy AVR wersje funkcji p rln t i jej pochodnych, umożliwiające wyprowadzenie sformatowanego ciągu znaków Jest niezbędna. szczególnie jeśli chcemy za pomocą funkcji z grupy p rin t konwertować zmienne o typie f l o a t na łańcuchy znaków. ♦ łibprintf tnin.a — jak wyżej, z tym 2c zawiera obsługę tylko podstawowych ciągów formatujących, dzięki czemu ich implementacja jest krótsza. ♦ libscanfJlt.a — tak samo jak łib p rin tf J lt.a — z tym ze implementuje funkcje scan i jej pochodne. ♦ U bscanf ntin.a — podobnie jak h bprinlf J lt.a — z tym ż c implementuje funkcje scan i jej pochodne. Aby dołączyć którąś z powyższych bibliotek, należy wybrać opcję Toolchain A f H ‘G NU C Linker/Libraries, a następnie w oknie wpisać nazw ę wy branej biblioteki — tak jak to pokazano na ry sunku 2.17. R ysunek 2 .1 7 . D o projektu dodano bibliotekę m atem atyczną libm.a. z którą projekt zostanie autom atycznie fnd ą czo n y p rzez Imker

Wikarówka

Pam iętajm y, że n a jc z ę s ts z ą przyczyną kłopotów przy k o m p ila c ji program u o perują­ cego na typach zm iennopozycyjnych je s t brak d o łączo n e j b ib lio te k i m atem atyczn ej libm.a. Z kolei najczęstszą przyczyną kłopotów z konw ersją zm iennych o typie f l o a t / d o u b le do ła ń cu ch ó w znakow ych za p o m o cą s p r in t f / s s e a n f je s t brak załączo nej b ib lio te k i łib p rin tfJ lt. a/libscanf_fft.a. Pam iętajm y tez, że prefiks 1 ib określający bibliotekę zo sta n ie przy wywołaniu linkera au to m atyczn ie w ycięty, w e fe k c ie z w yw ołania b ib lio te k i łibm. a z o s ta n ie - lm — p a ­ ram etr 1 o k re ś la lin ko w an ie z b ib lio te k ą zew nętrzną.

Rozdział 2. ♦ Jak zacząć, czyli instalacja środowiska

51

Z kolei w zakładce opcji linkera O ptim ization w arto zaznaczyć opcje G a rb a te co!lec! u m tsed secłions (-WI. -gc-sectio n s) oraz Re!ax Branches (-m relax). Ich znaczenie zo­ stanie om ów ione w dalszej części książki B ardzo rzadko w ykorzystuje się zakładkę Memory’. MoZna w niej określić dodatkowe sekcje program u i obszary pamięci dostępne dla procesora Ponieważ przykładowy m oduł X płained zaw iera zew nętrzną pam ięć SD R A M , jej obecność m ożna określić w sekcji M emory\ dzięki czem u m ożliw e będzie łatw e odw oływ anie się do niej z po­ ziomu języka C Problem ten w kontekście mikrokontrolerów XMEGA zostanie szerzej om ówiony w rozdziale poświęconym interfejsow i pam ięci zew nętrznej.

Typy zm iennopozycyjne a fu n kcje sform atow anego w yjścia Przy okazji omawiania bibliotek warto poruszyć problem, z którym niezmiennie kłopot mają nic tylko osoby początkujące, ale także całkiem zaawansowane w programowaniu mikrokontrolerów Do konwersji pomiędzy różnymi typami do formatów łańcuchowych, umożliwiających proste wyświetlenie wyniku na wyświetlaczu, często używa się funkcji s p n n tf i jej pochodnych. Szczególnie jeśli łańcuch po konwersji chcemy sformatować, fu n k cja ta działa popraw nie, dopóki nie spróbujemy dokonać konwersji typu flo a t, Zawarta w A IR -h b c funkcja s p rin tf nic obsługuje tego typu — dzięki tomu jest krótsza i szybsza. Poniew aż typówr zmiennopozy cyjnych używ a się rzadko, nie jest to pro­ blem em Niemniej jeśli spróbujemy użyć s p r in tf do konw ersji typu f lo a t — z pew­ nością uzyskamy błędne wyniki. Jak to naprawić? Rozwiązaniem jest użycie pełnej wersji kodu tej funkcji, co w ym aga dołączenia biblioteki fib p ń n tfj lt lub fibprintf min. Spójrzmy na przykład znajdujący się w katalogu P rzykłady/R 02/sprintf. Zawarty tam je st prosty program: fłn c lu d e < a v r/io .h > # in c lu d e < std io .h > char b u fo r [2 0 ]: volat11e double x=3.1415: I n t na1n
{ s p r in t f ( b u f a r . " I e * . x ) : w h ile ( I ) :

} Po jego wykonaniu spodziewamy się. żc tablica bufor zawierać będzie tekstową repre­ zentację zmiennej x. Niestety domyślnie wykorzystana funkcja s p n n tf nie dokona po­ prawnej konwersji. Aby konwersja z typu float/double była możliwa, musimy dołączyć bibliotekę lib p rin tf J lt oraz zdefiniow ać sym bol linkera -Wl ,- u , v f p n n t f . Tak jak to pokazano na rysunkach 2 18 i 2 .19. Odpowiednie opcje konfigurujemy, wybierając z menu Properties T o o h h a in A I 'R/GNU Ltnker, a następnie kolejno Libraries i Miscelłaneous.I I to by było na tyle. podstaw ow a opcje kom pilacji zostały w ybrane, czas na pierwszy program i jego kompilację.

52

AVR. Praktyczna projekty

R y s u n e k 2 .1 8 . U tycie n ow ych w ersji bibliotek w ym aga ich w cześniejszego dołączeniu K alet}' pam iętać, t e p r z e d r o s te k h it zo sta n ie d o łą c z o n y a u to m a tyczn ie, w zw ią zk u z tym n a le ż y p o d a ć n a zw ę b ib lio te k i b e z teg o p rzed ro stka

R y s u n e k 2 . 1 9 . A b y n o w a w ersja fu n k c ji s p r in t/ zn a jd u ją c a się w d o łą c zo n e j b ib lio te c e była w y k o rzy sty w a n a p rze z finker. m u sim y je s z c z e zd efin io w a ć s y m b o l y fp r in tf

K o m p ila c ja Wczytajmy więc projekt znanego nam już programu z katalogu PrzykładyR02/P ierw szy_ Projekt. M ożem y go otw orzyć, w ybierając opcję F ile/O pen Project/Solution... i wskazując katalog z projektem Po wczy taniu projektu możemy go skompilować, wybie­ rając z m enu opcję B ttild B tn ld Solution (F7) lub B ttild B u itd . Po­ now ne zbudow anie projektu pow oduje kom pilację i ew entualne linkow anie tylko pli­ ków, które uległy zmianie od ostatniej kompilacji. Aby ponownie skompilować wszystkie pliki w chodzące w skład projektu, należy w ybrać opcję B u iłd R e b u iłd Solution lub B uild Re bttild . Po każdej kompilacji pow inniśmy zwrócić uwagę na informacje wy świetlane u dołu ekra­ nu w okienku Output. Praw idłow a kom pilacja pow inna się zakończyć komunikatem: B u ild succeeded. = = = = = = = B u ild : 1 succeeded o r u p -to -d a te . 0 fa lle d . 0 sklpped === = = ===

Świadczy on o tym. zc kompilacja przebiegła do końca i uzyskaliśmy pliki binarne nie­ zbędne do program ow ania procesora Nie znaczy to jednak, 2e w szystko w ygląda tak, jak byśm y chcieli Po każdej kom pilacji należy kliknąć zak ład k ę E rro r List i spraw ­ dzić je j nagłów ki. P o w in n y nnc w skazyw ać n a tl błędów i 0 o strzeżeń . Potencjalnie w w yniku kom pilacji m ogą pojaw ić się w iadom ości (zakładka M essages) — należy je przejrzeć Jeśli w trakcie kompilacji pojawił się błąd, to jej dokończenie nie będzie możli­ we Jednak często osoby początkujące, a także z niezrozumiałych powodów osoby m ające częsty kontakt z językami programow ania, ignorują generowane ostrzeżenia {Warnings).

Rozdział 2. ♦ Jak zacząć, czyli instalacja środowiska

& Wikirtwfc*

53

D obrą z a s a d ą je s t tra k to w a n ie o strze że ń ja k o błędów . P rzyczyn a ka żd e g o o strze ­ ż e n ia m u s i z o s ta ć p rze a n a lizo w a n a i na jlep ie j u s u n ię ta . Z a te m pam iętaj: O Errors,

O Warnings.

Zasadę tę łatwo wcielić w życic, wybierając w c właściwościach projektu Toolchain A V R /G N U C Compiłer/Wcirmngs i zaznaczając opcję W arnings as errors (-Werror). Spowoduje ona, że kom pilator będzie traktował każde ostrzeżenie jak błąd, w efekcie niemożliwe będzie skom pilowanie programu zaw ierającego ostrzeżenia. Z pew nością w łączenie tej opcji początkowo będzie denerwujące, ale d /ię k i temu szybko przyzwy­ czaimy się do pisania programu w sposób poprawny, niegenerujący ostrzeżeń. Oczywi­ ście można powiedzieć: co szkodzą jedno czy dwa niewinne ostrzeżenia? Zapewne nie szkodzą, problem w tym. ze w większych projektach, składających się z wielu modu­ łów, takich niewinnych ostrzeżeń m ogą być dziesiątki, a naw et setki W takiej sytuacji praktycznie niemożliwe jest wychwycenie ostrzeżeń istotnych i w efekcie przestają one spełniać swoje funkcje. Odpowiada to wyjątkowo niem ądrem u pomysłowi — wyłączeniu generow ania ostrzeżeń. W wy niku kompilacji powstał plik o rozszerzeniu e lf zawierający wszystkie informacje potrzebne do zaprogramowania procesora. Dodatkowo (jeśli zaznaczyliśmy odpowied­ nie opcje we właściwościach projektu), wygenerowane zostaną pliki w formacie IntelHEX, zawierające informacje potrzebne do zaprogramowania pamięci FLASH i EEPROM mikrokontrolera. Pliki te są punktem w yjścia do kolejnego etapu — wczy tania wsadu do mikrokontrolera

P ro g ra m o w a n ie z p oziom u A S 6 — d la c z e g o w a rto k o rz y sta ć z plików w fo rm a c ie e lf AS6 może potencjalnie współpracować z dowolnym programatorem. W praktyce współ­ praca ta przebiega bezproblem owo z programatorami kompatybilnymi z narzędziami firmy Atmcl — dla takich urządzeń AS6 udostępnia wygodny interfejs program owa­ nia opisany wcześniej Do programowania możemy w ykorzystać pliki w formacie lntelH EX — pliki te s ą zrozumiałe dla wszystkich program atorów i programów z ni­ mi współpracujących — oraz pliki w formacie elf. Tych ostatnich praktycznie może uży wać w yłącznic Atmcl Studio. W arto jednak pamiętać, ż c wynikiem kompilacji programu przez gee i jego linkowania je st właśnie plik w form acie elf. Pliki w forma­ cie IntelI IEX (znane nam pliki o rozszerzeniu hex) pow stają w w yniku „obróbki" pli­ ku e lf programem objcopy. Jeśli korzystamy z program atora kompatybilnego z AS6. możemy oszczędzić czas kompilacji, w yłączając tworzenie plików w form acie IntelHEX. a do programowania używać wyłącznic plików cif. N ic tylko skraca to czas kompilacji (co zc względu na szybkość komputerów klasy PC jest bez znaczenia), ale ma jeszcze inne zalety. Pliki w formacie elf m ają bardziej skom plikow aną strukturę, ale za to um ożliw iają przechowywanie w jednym pliku nie tylko kodu programu, ale

54

AVR. Praktyczna projekty

dowolnej liczby innych informacji. Osoby programujące AVR-y wiedzą, ze oprócz pli­ ków hcx zawierających kod aplikacji potrzebne są także pliki o rozszerzeniu cep zawiera­ jące dane pamięci EEPROM . dodatkow o musimy mieć podane ustaw ienia fnsebitów , lockbitów ltd. D ystrybucja takiego program u staje się skom plikow ana Nie wszyscy zdają sobie sprawę z tego. Ze te w szystkie inform acje m ożna zam ieścić w jednym pli­ ku e lf i będzie on zawierał kom plet informacji o aplikacji i środow isku, w którym ona działa Plik taki ze w zględu na kom plet zaw artych w m m inform acji potrzebnych do zaprogramowania mikrokontrolera nazywa się tez plikiem produkcyjnym fang Production file). W kolejnych rozdziałach zostanie pokazane, w jaki sposób dodawać do takiego pliku inform acje o fu s e - i lock bit ach, sygnaturze użytkow nika i innych rozszerze­ niach. Jego w ykorzystanie w Atmel Studio nie odbiega znacząco od sposobu, w jaki w ykorzystyw ane są pliki w form acie IntelH EX , tyle Ze. je st w ygodniejsze — co po­ kazuje rysunek 2.20.

R y s u n e k 2 .2 0 . W ykorzystanie pliku produkcyjnego ir fo rm a cie elf. P odczas program ow ania wybieramy' zakładkę Producłiott file i zaznaczam y elem enty pliku elf. które m ają zostać w ykorzystane d o program ow ania E lem enty niedostępne będą w yszarz one AT* pokazanym przykładzie p lik e l f m e za w iera inform acji o p a m ięc i E E P R O M oraz fu s e - i Ittckbitach, wr efekcie n ic m ożem y tych opcji w yb ra ć

Rozdział 3.

Organizacja i zarządzanie projektem Jedną z przyczyn, dla których programiści wybierają język C. jest możliwość przejrzyste­ go formatowania i podziału kodu na mniejsze, łatwiejsze do zarządzania fragmenty'. Niezależnie od wielkości kodu źródłowego w arto przy tym stosować kilka prostych reguł — dzięki temu fragmenty kodu będzie można łatwiej w ykorzystać w przyszłych projektach, a zaglądając do nich po kilku tygodniach, szybciej dojdziemy do tego. jaka jest ich funkcja. Jest to szczególnie ważne przy pisaniu aplikacji na XMEGA — m i­ krokontrolery' dysponują dużą ilością pamięci FLASH i różnych peryferii, co powrodujc, żc zazwyczaj projekty' oparte na nich są o wiele bardziej rozbudow ane. Z drugiej strony uporządkowane peryferia stw arzają idealną wprost m ożliw ość przenoszenia kodu pomiędzy aplikacjami i jeg o ponownego w ykorzystania (ang codę reusabitity). Poniżej pokazano kilka prostych reguł, które popraw'ią jakość tworzonego kodu.

K o m e n ta rze Nie bójmy się używać komentarzy. Im więcej czasu spędzimy na pisaniu komentarzy', tym mniej czasu stracimy, domyślając się, co dany kod robi. Oczywiście nic należy z ko­ mentarzami przesadzać — w arte komentarza są fragmenty kodu w ykorzystujące jakieś triki, wykonujące „niejasne” działania lub w sposób nietypow y wykorzystujące język. Jeśli będziemy stosować się do innych zaleceń zawartych w tym rozdziale, to znacznie ograniczy my potrzebę komentowania kodu. Dla przy kładu: stosując przejrzyste na­ zwy zmiennych czy funkcji, łatw iej będzie się domyślić, za co są one odpowiedzialne, a w efekcie mc będzie trzeba tego komentować Komentarzy możemy te2 uniknąć i przy' okazji popraw ić czytelność kodu, zamieniając jego fragment wywołaniem funkcji, której nazwa będzie jednoznacznie kojarzy ła się z działaniem zaw artego w nie) fragmentu kodu.

56

AVR. Praktyczna projekty

W języku C komentarze można dodaw ać na dwa sposoby: / / To jesi komentarz /*A to komentarz zajmujący•kilka linii •/

Każdy programista w chwili pisania kodu doskonale wic. c o on robi. i zna wszystkie jego niuanse Ale wystarczy zajrzeć do swojego kodu po kilku tygodniach i zaczynamy się zastanawiać, czy w chwili pisania byliśmy w pełni władz, umysłowych Można się domy­ ślić, jak będziemy się czuli, wracając do niekom entowanego kodu po roku. Każdy plik powinien rozpoczynać się informacjami w formie komentarz)’, zawierającymi co najmniej: ♦ dane o stosowanej licencji chroniącej zawarty w pliku kod (nawet jcśłi kod ma być pow szechnie dostępny, warto dodać inibrm ację o licencji, dzięki czemu np nikt, kto będzie modyfikować naszą pracę, m e wyrzuci informacji o autorze pierwotnego kodu); ♦ nazwę pliku (naprawdę jest to przydatne); ♦ informację o wersji pliku i dacie jego ostatniej m odyfikacji — bardzo przydatne w sytuacji, gdy mamy kilka wrersji danego pliku i nic wiemy, która jest najnow sza. ♦ informacje o funkcji pliku i zaw artego w nim kodu — wystarcz)' krótki opis; ♦ informacje o autorze — imię. nazwisko lub pseudonim, dane kontaktowe, np. e-m ail — jest to w ażne, jeśli rozpowszechniamy kod, dzięki czemu inni użytkownicy m ogą się z nami skontaktować np. w celu uzgodnienia transferu praw autorskich. Przykładowy komentarz do pliku może wyglądać tak /* l-w irec

wersja 1.0. ostatnio modyfikowany: 1.09.2012 (c) tmf, łmfmikraia.gmaił. com Program jest udostępniony na licencji GPL Plik zawiera podstawowe funkcje realizujące dostęp do interfejsu I-wtre •/

Poza tym. że umieszcza się komentarze do pliku, należ)' także skomentować każdą zaw artą w mm funkcję. Komentarze do funkcji należy umieścić przed dcklaracjąjej prototypu /* Funkcja wysyła podany leksl (zmienna tekstJ do wyświetlacza LCD tekst jest wskaźnikiem do wysyłanego tekstu w formacie NUIJJZ tekst *mtisi • znajdować się w pamięci FLASH,x ty- to pozycja wyświetlanego tekstu

•/ votd LCD_Text_P(1nt x . Int y . char *tekst):

.lak widać, oprócz tego. co dana funkcja robi. warto też opisać jej parametiy. szczególnie jeśli ich funkcja nie wynika jednoznacznie z nazwy. Z tego też powodu nazwy parame­ trów funkcji powinny być opisowe. Każdy się domyśli, ze w powyższej funkcji zmienne x

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzania projektem

57

i y to współrzędne, a te k s t to wskaźnik na łańcuch tekstowy do wyświetlenia, G dy­ byśmy prototyp zadeklarow ali tak: vold LCD_Text_P<1nt. 1nt„ char*):

co jest z punktu widzenia języka zupełnie poprawne, mielibyśm y ju 2 pewien problem z rozgryzieniem funkcji poszczególnych argumentów. O pisow e nazwy argumentów są szczególnie przydane, kiedy stosujemy now oczesne IDE. które oferuje nam pod­ powiedzi — po rozpoczęciu pisania nazwy funkcji w dym ku widzimy jej prototyp (rysunek 3.1). R ysunek 3 .1 .

Zaawansowane funkcje nowoczesnych IDE znacznie ułatwiają pisanie kodu Stosując jasne nazwy argumentów funkcji, możemy sobie znacznie ułatwić pisanie — wyświetlane podpowiedzi będą pokazywały całą deklarację funkcji, co ułatwi nam zorientowanie się co do kolejności i funkcji argumentów K om entarze stosujemy też do poszczególnych bloków program u i instrukcji Stosując komentarze, nic komentujmy znaczenia poszczególnych instrukcji, starajmy się raczej pisać, co dany fragment ma robić, np : Pol e-2*p I*T*r: //P o łę jeit równe 2 *P!*r*2

jest raczej kiepskim kom entarzem , zamiast tego lepiej napisać: Pol e-2*P I* r* r: //O bliczany poła powierzchni koła

W bardziej zaaw ansow anych projektach w arto skorzystać z systemów zarządzania dokum entacją programu. Jednym z najbardziej popularnych program ów tego typu jest Doxygen'. Potrafi on autom atycznie generować dokum entację programu na podstawie zaw artych w mm komentarzy, co ważne, tworzona dokum entacja jest interaktywna — użytkownik ma w ięc m ożliw ość wygodnej analizy kodu

N a ze w n ictw o Niezwykle w ażne jest, aby używ ane w program ie symbole miały nazwy kojarzące się z ich przeznaczeniem.

Wskazówka

Pam iętaj, że w ię k sz o ś ć kom pilatorów praktycznie nie m a o graniczeń co do m a k s y m a f nej d łu g o ś c i sy m b o lu , s tą d m o że m y s to s o w a ć n a p ra w d ę o p is o w e nazwy.

Można go pobrać za darmo zc strony hmw doxygen org

58

AVR. Praktyczne projekty

Poszczególne człony nazwy można rozdzielić znakiem podkreślenia (_). co poprawia czytelność: Int poletw adratu:

zamiast nic nieznaczącego Int pk:

Oprócz znaku podkreślenia jest jeszcze jedna popularna konweneja nazywania symboli. Każda zmienna zaczyna się od malej litery, a poszczególne wyrazy ją tworzące zaczyna­ my od wielkiej litery: in t polePcwierzchntKola:

Dzięki tej konwencji łatwiej czyta się nazwę zmiennej. Pam iętajm y, aby w ram ach Jedr>ego programu nie m ie sza ć różnych stylów i konwencji.

W ta M l

Wiemy już. Ze makrodefimeje są ziem. lecz czasami ich zalety (które też są okropnymi wadami — np brak kontroli typów) są na tyle kuszące, że decydujemy się ich użyć. Większość programistów przyjmuje, żc dla wyróżnienia wszystkie makrodefimeje pisane są wielkimi literami, co umożliwia ich łatwe odróżnienie od zm iennych czy funkcji: #define PI 3.14

W przypadku grupy zmiennych w jakiś sposób zc sobą pow iązanych warto nadać im podobny prefiks: In t kolo_x. k o lo ^ . kolo_pronlen:

Oczy w iście jeszcze lepiej jest je połączyć w strukturę: s tru c t kolo

ł

In t x. y . promień:

): Podobnie jest w przypadku funkcji — tc. które są zc sobą powiązane, warto wyróżnić tym samym prefiksem: 1nt ko lo _ p o le _ p cw le rzch n t(stru ct kolo>: in t kolo_obwod(struct k o lo ):

dzięki temu kod będzie czytelniejszy. Niektórzy poprzedzają prefiksem p_ wskaźniki (p od poituer [wskaźnik]) Konwencja taka jest wygodna, gdyż od razu widać potencjalne błędy w programie: p_1ndeks=nuner:

W powy ższym pizykladzie od razu widzimy. Ze mamy do czynienia z najprawdopodob­ niej błędnym przy pisaniem wskaźnikowi zmiennej, która wskaźnikiem me je st Z kolei nazwy typów możemy poprzedzić prefiksem t_.

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzania projektem

&

WAartwt*

59

P a m ię ta jm y Je d n ak , ż e n a jw a żn ie jsza je s t k o n s e k w e n c ja — n a jle p s z a k o n w e n c ja za p isu program u n ic n ie da, je ś li n ie będ ziem y s ię do niej k o n se k w e n tn ie sto so w a ć. Z k o le i n ie n a jle p s z a k o n w e n c ja k o n s e k w e n tn ie s to s o w a n a b ę d z ie zd e cy d o w a n ie le p s z a n iż ja k ik o lw ie k b ra k k o n w e n cji.

Literały Pam iętaj. aby jak najrzadziej używ ać literałów. Pozornie je st lo w ygodne narzędzie języka C, lecz potrafi szybko stać się koszm arem . D laczego? Spójrzm y na poniższy fragm ent kodu: f lo a t r= cnt/6.28:

Co powyższy kod robi? O dpow iedź jest pozornie prosta — przypisuje zmiennej r w artość e n t podzieloną przez 6,28 Ale co to jest to 6.28 i skąd się w zięło?2 Poniew a 2 zaglądając do własnego kodu po paru tygodniach, będziemy sobie z pewnością zadawać podobne pytania, tego typu literały liczbowe czasami żartobliw ie nazyw a się liczbami m agicznym i (ang. m agie num berś). S ą one m agiczne, bo n ik t naprawdę nie wie. skąd się wzięły i czemu ich w artość jest taka. a nic inna W ażne, ż c program działa, praw ­ da? O tóż nic. program ma m c tylko działać, ale powinniśmy m óc rozum ieć każdy je ­ go fragment, bo jak inaczej w przyszłości znajdziem y i popraw im y w nim błędy? Co należy w ięc robić? Mamy dw ie opcje — jedną kiepską i d ru g ą — dobrą. Zacznijmy od kiepskiej. Pam iętam y, żc każdy szanujący się kom pilator języka C dysponuje pre­ procesorem A ten z kolei m oże zastąpić w ystąpienia określonych sym boli ich w arto­ ściami W tym celu możemy posłużyć się znaną już dyrektyw ą preprocesora define: fd e fin e PI 3.14

N asz kod będzie wglądał teraz tak: float r-cnt/(2*Pl): Chyba każdy się zgodzi, żc nawet zaglądając do niego po wielu latach, od razu będziemy w iedzieć, do czego powyższa operacja ma służyć. Jednak pam iętam y, że użycie dy­ rektywy define jest ziem, czasem koniecznym, ale nie w powyżej prezentowanej sytuacji Z pew nością lepiej używ ać dyrektyw')* #define niż m agicznych liczb, ale z pew nością jeszcze lepiej jest używ ać do tego celu narzędzi udostępnianych przez sam język C: co n st f lo a t p i-3 .1 4 :

Po prostu tworzymy stalą przy użyciu modyfikatora const Pozornie pomiędzy stosowa­ niem m akr i stałych nic ma różnic — w obu przypadkach kom pilator wy generuje identyczny kod. Co więc zyskujemy? Przede wszystkim kontrolę typów, a także polep­ szenie czytelności kodu (skąd gwarancja, że zdefiniowany wcześniej symbol PI me jest jakąś zaw iłą makrodefimeją?), a także łatwiejsze w yszukiw anie potencjalnych błędów, co w ynika m in z kontroli typów. " Osoby, które od razu zorientowały się. że chodzi o wyliczenie prom ienia okręgu, a liczba 6.28 to po prostu 2*it, m ogą nic czytać tego paragrafu.

60

AVR. Praktyczne projekty

Ale literały to nie tylko literały liczbowe, a co z łańcuchami? Tu sytuacja jest podobna, co prawda znaczenie: LCD_Text_P(0.0. PSTRCOk.*)):

jest jasne i nic wymaga stosowania różnych „objaśniających" sztuczek, lecz stwarza potencjalny problem Wyobraźmy sobie, że fraza Ok. występuje w programie kilkanaście razy (biorąc pod uwagę jej popularność, nawet w małych programach jest to możliwe). Nagle jakiś purysta językowy stwierdza, że po polsku lepiej byłoby napisać np. „Tak” zam iast „O k” . Jeśli się z nim zgodzim y, to czeka nas m ozolne w yszukiw anie w całym kodzie wystąpień powyższej frazy i zamiana ich na nową. a na końcu oczywiście okaże się. żc i tak jakieś wystąpienie zostało pominięte. Czy da się to zrobić lepiej? Oczywiście. Tutaj zwolennicy preprocesora zaraz podpow iedzą nam rozwiązanie: # d e fln e HAPISJJK P S W O k .’ )

Mając taką definicję, wystarczy w całym programie zamiast frazy' „Ok.” używać definicji preprocesora NAPIS OK Ale możemy to samo osiągnąć w języku C: const char *nap1s_ok=PSTR(’ 0 k .M):

a następnie wszędzie używać wskaźnika. Jeśli będziemy konsekw entnie zastępować literały tekstowe w programie powyższymi definicjami stałych, to zmiana dowolnego napisu będzie ograniczała się wyłącznie do zmiany kodu w jednym miejscu. Prawda, że tak jest lepiej? W dodatku wszystkie literały tekstow e możem y um ieścić w jednym pliku — dzięki temu regionalizacja programu i zmiana języ ka komunikatów ograni­ czy się do edycji napisów w tym pliku, co jest w stanic zrobić nawet osoba nicmająca o programowaniu pojęcia W poniższym przykładzie stosowanie m akrodefinicji preprocesora lub stałej języka C mc jest zamienne i nic prowadzi do generowania takiego samego kodu Dlaczego? Spójrzmy na przykład: *define NAPIS PSTRCAla ma kota.") const char *nap1s_okl=NAPIS: const char *napis_ok2-NAPIS: const char *nap1s_ok3=NAPIS:

Tworzymy trzy wskaźniki na nasz literał, przy czym ze w zględu na sposób działania dyrektywy preprocesora kod ten jest równoważny kodowi: const char *napis_okl- PSTRCAla ma k o ta .’ ): const char *napls_ok2" PSTR(~Ala ma k o ta ."): const char *napis_ok3- PSTRCAla ma k o ta ."):

Jak w idzim y, literał „Ala ma k o ta .” zostanie um ieszczony w pam ięci aż trzy razy', w efekcie marnujemy trzy razy więcej pam ięci niż potrzeba'. Jeśli będziemy się po­ sługiwać zdefiniowanym wcześniej wrskażnikicm napis, to niezależnie, ile razy się do niego odwołam y, stała zostanie w pamięci umieszczona tylko jeden raz.

ł C o nic do końca jest praw dą, bo kom pilator dysponuje napraw dę sprytnym optym alizatorem . Przy włączonej optymalizacji (poziom y inne niż -00) kom pilator jest wywoływ any z opcją -fm erge-constants, która pow oduje, żc identy czne łańcuchy znakow e są ze sobą łączone.

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzania projektem

61

P o d z ia ł k o d u na pliki W życiu każdego programisty nadchodzi m oment, kiedy pisany program staje się na tyle duży, że nie ma sensu umieszczać całego kodu źródłow ego w jednym pliku Trzeba podjąć decyzję o jego podziale na kilka m niejszych, łatwiej zarządzalnych modułów. Jak to zrobić i co nam to daje? Przede w szystkim dzielim y jeden plik, zawierający kilkaset, a nawet kilka tysięcy linii, na wiele m niejszych plików . Poniew aż program make wymusza kom pilację tylko plików , które zostały zm odyfikow ane od ostatniej kompilacji, potencjalnym zyskiem jest czas poświęcony na budow ę projektu Ponieważ programy na m ikrokontrolery rzadko rozrastają się do napraw dę dużych rozm iarów , gdzie czas kom pilacji ma znaczenie, zysk polegający na przy spieszeni u budowy pro­ jektu nic jest w ystarczającym uzasadnieniem dla podziału kodu na moduły. A le są in­ ne. w ażniejsze korzyści. Przede w szystkim przejrzystość — jeśli w jednym pliku mamy funkcje odpow iedzialne np w yłącznie za obsługę U SA RT, to mniej czasu stra­ cimy na ich w yszukanie i analizę. Płynie z tego jeszcze je d n a korzyść — program składa się z szeregu m niejszych modułów, którymi łatwiej je st zarządzać. Co więcej, modyfikując program , unikamy sytuacji, w której przypadkow o zmodyfikowaliśmy inne funkcje. Jeszcze jedną zaletą jest łatwość ponownego wykorzystania kodu Mając wydzielony moduł zawierający funkcje obsługi USART. łatw o jest go dołączyć do innego projektu, wr którym korzystamy z tych samych funkcji. Nie musimy ich mozolnie wyszukiwać i kopiować do nowego projektu. Jak więc sensownie zmodularyzować pro­ gram9 Pizede wszystkim należy pogrupować używane w programie funkcje w grupy wy­ konujące określone cele. Dzięki temu na przykład wyodrębnimy funkcje obsługi USART, A D C. 1-wire itd. W każdym module (osobnym pliku) pow inny znaleźć się funkcje ze sobą pow iązane, tw orzące łącznic jakąś kom pletną funkcjonalność Z drugiej strony tak wyodrębnione funkcje można dalej moduł ary zow ać W naszym przykładzie wyod­ rębniono funkcje obsługi interfejsu 1-wire. W ramach tych funkcji mamy dw ie grupy obsługujące różne warstwy interfejsu. Pierwsza grupa to funkcje niskopoziom owe, które bezpośrednio ingerują w część sprzętową interfejsu i s ą odpow iedzialne za w y­ syłanie i odbiór poszczególnych bitów i bajtów' z wy korzystaniem interfejsu 1-wire. Druga grupa to funkcje realizujące kom unikację ..wyższego poziom u" — są one np odpow iedzialne za realizację takich poleceń magistrali jak w yszukiw anie identyfika­ torów podłączonych układów, adresację konkretnego układu czy ogólne funkcje reali­ zujące operacje wymiany danych. Trzeci poziom tw orzą w naszym przypadku funkcje specjalistyczne, realizujące obsługę konkretnych układów 1-wire, np. realizujące ko­ munikację z term om etrem cyfrow ym DS18B20 (rysunek 3.2). Co nam to daje? Zauważmy, żc w naszy m pizykładzie zw iązanym z interfejsem 1-w-ire moduł odpow iedzialny za realizację funkcji specyficznych d la D S18B20 jest zależny w yłącznie od modułu obsługującego transakcje 1-wire, jego implementacja nie zależy ani od procesora i jeg o układów peryferyjnych (w tym m odule nie odwołujem y się do tych układów ), ani od innych m odułów program u W elek cie jeśli w przyszłości w in­ nym program ie, pisanym nawet dla zupełnie innego m ikrokontrolera będziemy chcieli kom unikow ać się z D S18B20, wystarczy dołączyć ten m oduł. Na „niższym poziom ie' znajduje się moduł obsługujący transakcje 1-wire. M oduł ten nic nie wie o typie urzą­ dzenia 1-wirc, z którym się kom unikuje, dzięki czemu je st uniwersalny. Z drugiej strony realizuje on podstaw ow e transakcje na magistrali — w yszukiw anie urządzeń.

62

AVR. Praktyczna projekty

R y s u n e k 3 .2 . P rzykładow y p o d zia ł p ro jektu na m oduły. N asz p ro jekt skła d a się z kiłku m odułów (U SART, A D C i I-w ire), każdy s tych m odułów m oże być zbudow any z podm odułów . D la przykładu m o d u ł obsługi l-w ire składa się z podm odułów realizujących kolejne w arstw y protokołu (m odułu obsługi sprzętu, m odułu rea lizu ją ceg o p o d sta w o w e kom unikaty' m a g istra li i m o d u łu rea lizu ją ceg o specyficzn e fu n k c je d l u ko n kretn eg o p rzed sta w iciela tej ro d zin y — term om etru D S I8 B 2 0

w ybór aktyw nego urządzenia itd. Zauważm y, żc moduł ten rów nież nic jest w żaden sposób zależny od użytego mikrokontrolera i sposobu realizacji elektrycznej interfejsu. W tym celu wykorzystuje on moduł niskopoziomowy realizujący obsługę podstawowych funkcji interfejsu l-wire. takich jak odebranie lub wysianie bitu/bąjtu informacji. W na­ szym przykładzie wyłącznic ten ostatni moduł jest powiązany ze sprzętem i jest za­ leżny od użytego mikrokontrolera i sposobu, w jaki realizujemy interfejs. Jeśli zm ie­ nimy M CU lub sposób realizacji interfejsu (np z obsługi z w ykorzystaniem prostych pinów IO przejdziemy na obsługę poprzez interfejs USART), to zmiany będzie wyma­ gał w yłącznic kod zawarty w tym module. Kod w- modułach ..wyższego poziom u” nic ulegnie zmianie. Dzięki takiemu podejściu, aby w prow adzić zmiany (np. przenieść kod na inny mikrokontroler), wystarczy poprawić parę linijek kodu, a co ważniejsze, nie stracimy tygodni na ich wyszukanie wśród tysięcy linii kodu niezwiązanego z obsługą l-w ire. W podobny sposób możemy też podzielić funkcje obsługi i.nnego modułu programu — interfejsu USART Oczywistym podziałem jest ich rozdzielenie na funkcje niskopoziomowe. zajm ujące się konfiguracją interfejsu czy odbiorem i w ysyłką poszcze­ gólnych bajtów. Nad nimi. w osobnym pliku, możemy um ieścić funkcje obsługujące wysyłanie ramek danych, czy np transakcyjną obsługę U SA RT — w dalszych roz­ działach pokazane zostaną tego typu przykłady. Dobrze, wiemy już, że w arto dzielić program na funkcjonalne moduły. Jak to jednak zrobić? Nic prostszego, wystarczy zidentyfikowane funkcje po prostu przenieść do osobnych plików. Plikom tym należy nadać możliw ie przejizyste nazwy, tak aby było wiadomo, jakie funkcje w danym pliku m ogą się znajdow ać. W naszym przykładzie będą to pliki ADC.c. USART.c, USART~hw.cr DSI8B20.C, I-wire.c. I-wire-hw.c i ntain.c. Ostatni plik (ntain.c) zawiera kod samego programu — je g o funkcję main, od której zaczyna się wykonywanie kodu. oraz inne najważniejsze funkcje programu. Lecz po­ dział projektu na poszczególne pliki to mc wszystko — teraz trzeba poinformować kompilator, że cały projekt składa się z wielu plików, i w skazać, z których konkretnie.

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzania projektom

63

N orm alnie w tym celu zmodyfikowalibyśmy skrypt M akefi/e, lecz ponieważ, korzy­ stamy z IDE i autom atycznego generowania plików M ake file, skorzystamy z funkcji udostępnianych przez środowisko. W tym celu w okienku Sołution Expłorer klikamy prawym przyciskiem nazw ę projektu i wybieramy kolejno A dcl i A d d new Hem lub A dcl existm g ifem. W efekcie nasze drzewo projektu powinno wyglądać tak jak na ry sunku 3.3. R ysunek 3 .3 . W idok drzew a pro jektu p o dodaniu w szystkich n iezbędnych m odułów

Pewnie będziemy zaskoczeni, jeśli okaże się. że próba skom pilow ania tak stw orzone­ go projektu zakończy się niepowodzeniem Dlaczego tak się dzieje? Jeśli przyjrzymy się komunikatom błędów, to szybko odkryjemy, że przyczyną problemów jest brak wzajemnej widoczności symboli (zmiennych, nazw funkcji) pomiędzy poszczególnymi modułami.

WsJurówto

D z ie lą c p ro je kt n a m o du ły, m u s im y ta k że stw orzyć o d p o w ie d n ie p lik i nagłów kow e za w ie ra ją c e prototypy e k s p o rto w a n y ch z m o d u łu fu n k cji i d e k la ra c je (nie de finicje !) zm ie n n ych g lo b aln ych .

Czym jest plik nagłówkowy? O gólnie mówiąc, zaw iera on inform acje o prototypach funkcji (nazwach, typach argumentów i typie zwracanego wyniku). Jego struktura przy­ pom ina w ięc spis treści książki — na podstaw ie spisu moZemy się zorientow ać, co w książce jest. ale nic dowiemy się niczego w ięcej Jednak dla kompilatora prototypy są zupełnie wystarczające, nic potrzebuje on ciał funkcji do skom pilow ania kodu & WiUzawkj

Pa m ię taj, aby w pliku nagłów kow ym nigdy n ie u m ie s zc za ć d e fin icji, pow inny s ię tam zn a jd o w a ć w yłączn ie d e k la ra cje . N ie liczn ym i w yjątkam i s ą d e fin ic je zm ie n n ych typu c o n s t o ra z k ró tk ich fu n k cji, któ re zazw yczaj s ą w s ta w ia n e w m ie js c u w yw ołania ( i n l l n e ) i e fe ktyw n ie s ą o d p o w ie d n ik ie m m a kro d e fm icji.

W pliku nagłówkowym powinny znajdować się prototypy funkcji, których ciała są zaw arte w pliku źródłowym (oczywiście w yłącznie prototypy funkcji, które chcemy udostępnić publicznie, deklaracje prywatnych funkcji m odułu nie powinny znaleźć się w pliku nagłówkowym). W naszy m przykładzie moduł I-w ire-hw .c będzie udostępnia! następujące funkcje: v o id OW 1n it () : // Imcjahzacja magistrali OH' i nt 0W_SendByte< u i nt8_t by t e ): // Hysyla zadany bajt, zwraca I, jeśli wszystko OK.

/ / 0. jeśli wysianie się me powiodło I nt 0W_RecBy te ( ) :

• Odbiera jeden bajt z magistrali

64

AVR. Praktyczne projekty

I nt 0W_SendB 11 (u I nt8_t b it) : i n t 0W_RecBi t ( ) :

//Wysyła jeden hu nu magistralę, zwraca I. jeśli wszystko OK Odbiera jeden bit z magistrali

Prototypy tych funkcji należy udostępnić w pliku nagłów kow ym , dla w ygody w arto nazw ać go tak jak analogiczny plik źródłow y — 1-wire-hw.h.

Wikarówka

P lik i n a g łó w k o w e m a ją ro z s z e rz e n ie h r n ie trz e b a ich te ż u m ie s z c z a ć w drze w ie pro jektu .

Oczyw iście dla wygody moZna je um ieścić w drzewie projektu, lecz należy pamiętać, że w przeciw ieństw ie do plików źródłow ych nie zostaną autom atycznie przekazane kompilatorow i w czasie kompilacji. Stąd też um ieszczenie ich w drzew ie projektu nie ma dla procesu budowy żadnego znaczenia. Pliki nagłówkowe należy załączyć w plikach źródłow ych, w których korzystam y z funkcji, których prototypy się w nich znajdują. Stąd też nasz plik ł-w lre-hw .h należy załączyć w pliku ł-w ire-hw .c oraz w pliku, który z tych funkcji korzysta — J-wire.c. Pliki nagłówkowe dołącza się dyrektywą preprocesora: #1nclude "1-wlre-ow.h"

Tu jednak pojaw ia się kolejny problem. Ten sam plik nagłów kow y zostaje włączony do dw óch różnych plików' źródłowych — w naszym przypadku do plików 1-wire-hw.c i J-wire.c. W pew nych w arunkach (w czasie jednoczesnej kom pilacji obu plików ) kompilator, kompilując drugi plik, będzie znal ju z deklaracje zaw arte w pliku nagłów­ kowym. który został wczytany podczas kom pilacji pierw szego pliku. Poniew aż w ie­ lokrotne deklaracje funkcji w języku C są dozwolone (o ile są identyczne), nie spowo­ duje to błędu. Jednak jeśli w pliku nagłów kow ym znajdzie się jakaś definicja, np. struktury, to w ystąpi błąd (definicje m ogą w ystępow ać w kodzie w yłącznie raz): E rro r

1

r e d e f in it io n o f 's t r u c t 0W_wire‘

C :\6 c c A p p lic a tio n l\l-w ire -h w .c

Jak tego uniknąć'* W tym celu w kodzie pliku nagłówkowego wprowadza się specjalną m akrodcfim cję, tzw. strażnika (ang header gu a rd lub dęfine guard) Takie makro dla naszego pliku nagłów kow ego będzie w yglądało następująco: # 1fnde f OW WIRE-łM H

#def1ne OW_WIRE-H*J_H /* zawartość pliku nagłówkowego — prrUoiypy funkcji i deklaracje*-'

fendif W jaki sposób ono działa? Na początku preprocesor testuje, czy symbol 0W_WIRE_H jest mu znany — jeśli lak. to cały kod do dyrektywy fe n d if jest pomijany — w elekcie dyrektyw a *in clu d e prow adzi do dołączenia pustego pliku (w szystkie deklaracje są w obrębie dyrektyw *Mfndef/#endif). Jeśli sym bol 0W_WIRE_H jest nieznany (plik nie został wrczcśnicj dołączony i kompilator nic zna zaw artych w nim deklaracji), definiujemy ten symbol i udostępniamy wszystkie deklaracje (całą zawartość pliku). Jak widać, roz­ wiązanie problemu jest bardzo proste. W każdym pliku musim y zdefiniować unikatowy symbol (jego definicja nic może się powtórzyć w całym projekcie). Stąd też tradycyjnie nazyw a się go tak jak plik. który ma chronić, i dodaje do niego sullks _H*.1

1 W naszym p r/ykładzie nietypow o nazw aliśm y g o OW_WIRE-HW_H. gdyż sym bole nie m ogą rozpoczynać się od cyfry.

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzanie projektem

65

W arto jeszcze pamiętać o jednej rzeczy. Po podzieleniu na moduły musimy mieć możliwość szybkiej identyfikacji, w którym pliku znajduje się poszukiwana przez nas funkcja Tu z pom ocą może przyjść nam samo IDE. niem niej warto przyjąć pew ną konwencję Polega ona na tym. Ze do funkcji um ieszczonych w danym module dodaje się prefiks będący nazw ą tego modułu Stąd tez funkcje z m odułu 1-wire.c będą miały prefiks ow_ (pierwszym sym bolem nazwy funkcji nie m o 2e być cyfra, stąd nie może­ my wykorzystać prefiksu l-w ire_ ). a funkcje z m odułu A D C będą miały prefiks ADC_. Stosując się do tej konw encji, bardzo szybko znajdziemy plik. w którym znajduje się prototyp lub ciało funkcji. Oczywiście Atmel Studio um ożliw ia autom atyczne w yszu­ kiwanie prototypów (definicji) symboli — wystarczy kliknąć symbol prawym przyci­ skiem myszy i wybrać opcję G oto impłementation. Niemniej stosowanie odpow ied­ niego prefiksu do nazwy od razu w skaże nam. do jakiego m odułu dana funkcja należy i za co w związku z tym odpowiada Ma to szczególne znaczenie, jeśli sama nazwa funkcji jest niejednoznaczna, np. funkcja o nazwie I n it ( ) m oże odpow iadać za inicjalizację czegokolwiek Ale nazwa ADC_Init() jednoznacznie sugeruje nam, żc chodzi o inicjalizację podsystem u ADC. Finalną w ersję naszego przykładu pokazano na rysunku 3.4. Na rysunku zaznaczono, jakie pliki nagłówkowe są dołączane w poszczególnych plikach źródłowych. N ajw ię­ cej jest dołączanych w pliku Afain.c. w którym są wykorzystywane funkcje realizowane przez poszczególne moduły. Zauważmy jednak, że w przypadku obsługi interfejsu 1-wire w pliku tym dołączany jest w yłącznie nagłówek D SI8B 20.h {zakładamy, ze interesuje nas obsługa w yłącznie tego układu), natomiast nie są dołączane nagłówki l-w ire.lt i J-wire-hw.h. W pliku M ain.c udostępniane przez nic funkcje po prostu nic są potrzeb­ ne. Funkcje tc są potrzebne w pliku DS18B20.C. który korzysta z funkcji realizujących transakcyjny dostęp do magistrali 1-wire (ale z kolei nic interesują go funkcje tuskopoziomowe udostępnione w nagłów ku J-wire-hw.h). R ysunek 3 .4 . P itki nagłów kow e w łączane M'p rzykła d o w ym p ro jekcie

Projekt

Main.c M oduł ADC

dincUte "AOCJi* 'USAAThtfndwfe 'OMttlOh*

H U O*; *AOCV

M oduł USART <—\

tk

•usARth-

M oduł 1-wire Obsługa DS18B20

K tu Ju d o "cmaajo.h* ftn rfw d e *l-w i»p.h*

~ r Obsługa transakcji «—

iM id u d c * l-w k e .h * r.n c iu d o • 1- w M h w .h ’

I Obsługa interfejsu sprzętowego

W ntfudp '1 -w lrp -h w h*

Po tych modyfikacjach nasz projekt bez problemu będzie dało się zbudować. Pokazana organizacja projektu i tworzenie poszczególnych modułów m o g ą w ydawać się skom ­ plikowane. ale to tylko pozory Dodanie kolejnego modułu to tylko utworzenie dwóch plików — źródłowego zawierającego ciała funkcji i nagłów kowego, którego zadaniem jest publiczne udostępnianie ich prototypów.

66

AVR. Praktyczna projekty

Widoczność funkcji W arto pomyśleć jeszcze nad jedną sprawą — zakresem widoczności funkcji Umieszcza­ jąc prototyp funkcji w nagłów ku, czynim y ją dostępną dla w szystkich plików, w któ­ rych ten nagłówek zainkludujcmy. Z drugiej strony w danym module możemy mieć „pryw atne” funkcje modułu, które poza nim nie będą w ykorzystyw ane Funkcje takie nie powinny być dostępne poza m odułem (po co je udostępniać, skoro z definicji nikt nic pow inien być nimi zainteresowany), w efekcie ich prototypy nic będą w ystępo­ wały w pliku nagłówkowym. Ale to nie wystarcz)'. Po pierwsze: prototyp można sobie stworzyć samemu w dowolnym miejscu kodu, ale co w ażniejsze, kompilator ciągle nie będzie wiedział, ze dana funkcja jest prywatną funkcją modułu i poza nim nie jest wyko­ rzystywana. A skoro kompilator o czymś nie wie, to nie może tych informacji wykorzy­ stać w celu np optym alizacji kodu W arto w ięc dostarczyć m u tę informację W tym celu wykorzystuje się znany nam modyfikator s ta tic Jak pamiętamy, jedną z jego funkcji jest ograniczenie zasięgu widoczności sy mbolu do bieżącej jednostki kompilacji. Czy niąc w ięc daną funkcję statyczną, informujemy kompilator, że nie je st ona używana w innych modułach, w efekcie można j ą agresywniej optymalizować.

Wskazówka

W s z y s tk ie fu n k c je , k tó re znajdują s ię w m o d u le , a le ich p ro to typy n ie zn a jd u ją s ię w o d p o w ie d n im nagłów ku (b ę d ą to pryw atne fu n k cje m o d u łu ), w arto d e fin io w a ć ze sło w e m klu czo w ym s t a t i c .

Widoczność zmiennych Tworząc nagłówki, musimy pamiętać jeszcze o jednej rzeczy — o prawidłowym ekspor­ towaniu zm iennych Z różnych powodów opisanych dalej pow inniśm y unikać tw orze­ nia zm iennych globalnych. Jeśli jednak jest to nieuniknione, to musimy pamiętać, aby nigdy mc definiować zmiennej w pliku nagłówkowym. Taka definicja może prow adzić do błędów i w efekcie do w ielokrotnego zdefiniow ania danego sy mbolu. W tym celu używa się modyfikatora extern extem służ)' do deklarowania zmiennych globalnych, które m ogą być używane pomiędzy różnymi jednostkami kompilacji Najczę­ ściej dotyczy to plików nagłówkowych, w których umieszczamy deklaracje takich zm ien­ nych, natomiast w jednym pliku źródłowym musi znaleźć się definicja takiej zmiennej.

Wsfcazówt*

Pam iętajm y, aby w plikach nagłówkowych nigdy nie definio w ać zm iennych. W przypad­ ku w ie lo k ro tn e g o w łą c z e n ia p lik u n a g łó w ko w e g o z a w ie ra ją c e g o d e fin ic je zm ie n n ych k o m p ila to r zg ło si b łąd in fo rm u ją cy o p ró b ie w ie lo k ro tn e g o z d e fin io w a n ia zm ie n n e j, a j e ś li g o n ie z g ło si, to sy tu a c ja b ę d zie n a w e t g o rs z a — d a n y s y m b o l z o s ta n ie zd e ­ fin io w a n y w ie lo k ro tn ie .

Zasady w ykorzystania ex tern w yglądają więc następująco: ♦ W plikach nagłów kow ych deklaracje w szystkich zm iennych powinny być poprzedzone słowem ex tern Jego pom inięcie zazw yczaj nie prowadzi do błędów, ale jest naruszeniem standardu języka i nie pow inno być stosowane.

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzania projaktem

67

♦ e x te m nie powinno być w ykorzystyw ane w plikach źródłow ych — zamiast tego plik pow inien w czytyw ać odpow iedni nagłówek zaw ierający deklarację potrzebnej zmiennej (koniecznie poprzedzoną słowem extern). ♦ Zm ienne e x tern powinny być definiow ane wyłącznie w jednym pliku źródłowym, przy czym plik ten pow inien włączać nagłów ek z deklaracją danej zmiennej — umożliwia to w ykrycie sytuacji, w której przypadkowo doszłoby do niezgodności typów. ♦ Prototypy funkcji nic m uszą być poprzedzone słowem ex tern . chociaż nie jest to błędem e x te rn je st konieczne, jeśli dany nagłów ek może być w ykorzystany tak 2e w języku C++ — w takiej sy tuacji e x te m określa sposób linkowrania takich funkcji.

Wskazówka

O ile w języku C użycie e x t e m bywa o pcjonalne, to Je st a b so lu tn ie w ym agane w Języku C-m -. S tą d te ż je ś li dany nagłów ek m o że być używ any w obu ję zy k a ch , n a le ży nazwy zm ie n n ych I fu n k c ji p o p rze d zić sło w e m klu czo w ym e x t e m “c " .

Poprawna definicja i deklaracja globalnej zmiennej w spółdzielonej pomiędzy m odu­ łami programu powinna wyglądać następująco:

Plikl.h extern 1nt zrlennajjlobalna:

Deklaracja zmiennej

P liki.c : # include " P l ik l . h "

in t ZBienna_g1oł>alna-10: votd zw1eksz() {

'/Definicja zmiennej

zmienna globalna**:

ł Plik2.c: #1nclude " P l ik i . h " void d ru k u jO { p rln tft" W a rto ś ć łd \ n “ . zmienna g lo b a ln a ): ł

W P likl.h została zadeklarow ana zmienna o nazwie zmienna_globalna Deklaracja ta może zostać włączona do wszystkich plików, w których ta zmienna będzie wykorzysty­ wana Jej definiow anie następuje w P liki.c: dzięki w łączeniu w nim P likl.h mamy pew ność, że w każdej sytuacji deklaracja odpowiada definicji..

Podkatalogi Udało nam się rozdzielić kod na w iele m niejszych modułów', co polepszyło jego czy­ telność, ale za to mamy kolejny bałagan — w jednym katalogu mamy prawdopodob­ nie dziesiątki (a w w iększych projektach setki) pom ieszanych plików nagłówkowych

68

AVR. Praktyczne projekty

i źródłowych. Z pewnością nie jest to sytuacja zalecana i tu tez warto zaprowadzić pewne porządki Domyślnie Atmel Studio umieszcza wszystkie pliki z kodem w jed ­ nym katalogu Ale łatwo możemy to zmienić. Tak samo jak do projektu dodawaliśmy nowe pliki, możemy utworzyć nowe katalogi W tym celu w oknie Solułion E xp h rer klikamy prawym przyciskiem nazwę aplikacji, wybieramy A d d i .Wir Folder. Z pew­ nością warto stworzyć osobne foldery dla plików źródłowych (ang Source) i nagłów­ kowych (ang Include). W tym przypadku warto katalogi nazwać po angielsku — jest ku temu jedna dobra przyczyna. W przypadku korzystania z systemów wersjonowania niektóre serwery mają kłopot z polskimi literami Unikając ich w nazwach katalogów i plików, możemy sobie ułatwić życie’’ Po utworzeniu tych katalogów możemy prze­ nieś do nich odpowiednie pliki Najprościej to zrobić, klikając prawym przyciskiem myszy nazwę katalogu, do którego chcemy skopiować pliki, i wybrać znaną juz opcję A dd i lixixiing Hem (rysunek 3.5) Atmel Studio automatycznie skopiuje wybrane pliki do wskazanego folderu, w efekcie struktura naszego projektu będzie wyglądać tak jak na rssunku 3.6. R y s u n e k 3.5.

Duda wantę istniejących plików do wybranego katalogu projektu

Aby pliki nagłówkowe umieszczone w katalogu Include były widoczne, musimy w dy­ rektywie #include podawać pełną ścieżkę dostępu do nich. Oczywiście jest to skrajnie niewygodne, a w przypadku zmiany lokalizacji projektu powoduje konieczność edycji wszystkich odw ołań Na szczęście jest lepsze rozwiązanie — katalog, w którym kompila­ tor ma poszukiwać plików nagłówkowych, można zdefiniować w opcjach projektu W tym celu wybieramy z menu Project opcję Properties W wyśw ietlonym oknie wybieramy zakładkę Toolcham, następnie A F’R G NU C Contptler i pozycję Direclories. Następ­ nie wybieramy symbol Add Itent i dodajemy katalog Include. warto przy tym pozostawić

' Jeśli wykorzystywany serwer wersji jest pud naszą kontrolą, to być może lepszym rozwiązaniem jest jego poprawna konfiguracja

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzanie projektem

69

R y su n e k 3.6.

Struktura przykładow ego projektu p o dodaniu katalogów Source oraz Include

opcję Relatiw Patch zaznaczoną. Dzięki leniu kompilator będzie używał ścieżek względ­ nych. a przeniesienie projektu do innego katalogu (jednak z zachowaniem jego struk­ tury wewnętrznej) nic spowoduje konieczności zmiany ścieżek dostępu. Podobnie można stworzyć inne katalogi. W przypadku większych projektów i modułów katalogi te mogą zawierać wiele plików realizujących podobne funkcje Na przykład: jeśli nasz program korzysta z interfejsu graficznego, to zapewne będziemy mieli wiele plików odpowiedzialnych za jego obsługę. Stąd też wygodnie utworzyć katalog GUI (z podkatalogami source i include). w których znajdą się pliki odpowiedzialne za obsługę interfejsu graficznego. Czasami warto jest utwoizyć jeszcze jeden katalog, w którym znajdą się pliki z kodem bezpośrednio związanym ze sprzętem. W naszym wcześniej­ szym przykładzie mogłyby to być pliki J-\\ ire-lrw.c i USIRT-hw.c lub pliki zawierające kod asemblerowy (który z natury rzeczy jest nieprzenośny). Dzięki temu łatwiej jest przeportować program na inną platformę sprzętową Zamiast szukać odwołań do sprzętu rozsianych po tysiącach linii kodu, mamy je wyodrębnione i zlokalizowane w wydzielo­ nych plikach.

Podział funkcji Tak samo jak podzieliliśmy duży plik źródłowy na kilka mniejszych fragmentów, może­ my (a nawet powinniśmy) także podzielić funkcje. Dlaczego? O wiele łatwiej jest anali­ zować działanie funkcji, która składa się z kilku lub kilkudziesięciu linii kodu. niż funkcji, która ma kilkaset linii Stąd też jeśli w funkcji występują oddzielne bloki, to warto jc umieścić w oddzielnych funkcjach. Aby nic były one widoczne poza funkcją, w której skład wchodzą, możemy wykorzystać możliwość, jaką daje język C — defi­ niowania funkcji w funkcjach I tak definicja: votd fu n c lt)

< void func2(>

(

//t*ralo funkcji func2

) void func3(>

1 //Ciołofunkcji funcS

70

AVR. Praktyczne projekty

) //Ciało funkcji fu n d

) jest poprawna i powoduje, że funkcje fu n c2 i fu n c3 są widoczne wyłącznic w ciele funkcji fu n c l. Poza nią nie ma do nich dostępu. Spowoduje to mniejsze ..zanieczyszcze­ nie” używanej przestrzeni nazw. Kiedy dużą funkcję należy podzielić na mniejsze9 Niektórzy uważają, żc laką granicą jest 10 linii kodu. Z pewnością kiedy funkcja zbliża się do 20 linii, powinno nam się zapalić ostrzeżenie i ju z na poważnie powinniśmy pomyśleć o podziale. Z pewnością jeśli funkcja posiada kilka oddzielnych, np. warunkowo wykonywanych, bloków ko­ du. warto je umieścić w oddzielnych funkcjach Jednak należ)' pamiętać, że podział laki nie powinien być dokonywany „na silę” . Jeśli mamy funkcję, która sekwencyjnie realizuje pewien zestaw instrukcji, to jej podział może być sztuczny i wcale nie ułatwi analizy kodu.

Zm ienne g lobalne Zm ienne globalne są złem. Przede wszystkim niezwykle rzadko zachodzi potrzeba używania zmiennych globalnych W święcie AVR takim wyjątkiem jest konieczność wymiany danych pomiędzy funkcjami obsługi przerwań a resztą programu. Jednakże są to wyjątki, a stosując dobre praktyki programowania, możemy znacznie ograniczyć korzystanie z takich zmiennych w programie. Dlaczego zmienne globalne są ziem? Przede wszystkim ograniczają one czytelność programu, uniemożliwiając jego podział na niezależne
I

♦+x: ) Int na1n(void) I d o d a jO :

}

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzanie projektem

71

Funkcja dodaj () zwiększa wartość zmiennej x o jeden, przy czym xjesi zmienną globalną W jaki sposób to poprawić? Najprościej inkrementowaną zm ienną podać jako parametr w yw ołania funkcji, dzięki czem u funkcja nie będzie operow ać na zm iennej globalnej: v o ld d o d a j( in t * x )

{ ♦ * < * x ):

) Kod zrobił nam się pozornie zawiły, ale tak naprawdę prow adzi do tych samych efektów. W obu przypadkach wywołanie funkcji dodaj prowadzi do wygenerowania identycznego kodu: 26e:

80 90 01 80 90

272: 276: 278: 27c:

91 91 96 93 93

00 20 01 20

Ids lds a d iw

00 20 01 20

s ts s ts

r24. 0x2000 r25. 0x2001 r24. 0x01 0x2000. r24 0x2001. r25

Jak widać, pisząc w sposób bardziej przejrzysty, nic musuny obawiać się zwiększenia objętości kodu wynikowego. Czasami m ożem y też na takich operacjach dodatkow o zyskać A co jeśli funkcja operuje na kilku zmiennych globalnych, tak jak w poniższym przykładzie? in t x=10. y=12. z=17. w=0: votd o b lt c z d n t * x . 1nt * y . 1nt z . In t w) *+ (*x ): * y - * x ♦ z ♦ w: ł

Ponieważ powyższa funkcja zmienia wartość tylko dw óch z czterech zmiennych, tylko zm ienne x i y są przekazyw ane ja k o wskaźniki, co um ożliw ia m odyfikację zmiennej przekazywanej jako argument funkcji. Zm ienne z i w są przekazyw ane jako zw ykle zm ienne (poprzez wartość). W idzim y jednak, ze nasza funkcja o b lic z staje się coraz, bardziej skom plikow ana i m a coraz więcej argum entów , co z pew nością nic popraw ia przejrzystości Co możemy zrobić? M ożemy wykorzystać struktury i zamiast osobnych zm iennych przekazyw ać strukturę v o id o b iic z ( s t r u c t g lo b a ls *g>

{ ♦ *< g -> x ): g -> y= g.> X ♦

g-> Z +

} Pow yższa funkcja zamiast czterech argum entów przyjm uje jeden będący w skaźni­ kiem na strukturę. Struktura ta zaw iera z. kolei pola odpow iadające naszym zmiennym globalnym: stru ct

g lo b a ls

< tn t

):

x. y.

z.

w:

72

AVR. Praktyczne projekty

które możemy zainicjow ać w programie tak jak zwykle zm ienne globalne: s tr u c t g lo b a ls g s= {10. 12. 17. 0 }:

Podane wartości zostaną przypisane poszczególnym polom struktury g lo b als w ko­ lejności, w jakiej pola zostały zadeklarowane Co nam daje pokazany powyżej sposób? Na pozór program jest bardziej skomplikow any — zaczęliśmy używać wskaźników , operatorów dcrcfcrcncji lub wyłuskania i na pierwszy rzut oka nic ma 2 tego za wicie pożytku Nawet w ygenerow any kod wynikowy jest bardzo podobny Jednak nasza poprawiona funkcja me odw ołuje się do zmiennej glo­ balnej — wszystkie obliczenia przeprowadza wyłącznic lokalnie na swoich argumentach. A to oznacza. Ze analiza takiego kodu jest łatwiejsza — jeśli gdzieś wystąpi! błąd. lo łatwo możemy zawęzić m iejsce jego w ystąpienia — jeśli po wywołaniu funkcji ob­ lic z któreś z poi zm iennej globalnej gs będzie miało błędną wartość, lo będziemy wiedzieć, ze potencjalny problem występuje w funkcji oblicz, a nie w innym fragmencie kodu W efekcie zamiast mozolnie analizować cały kod program u, wystarczy prze­ analizować parę linii. Lecz to nie koniec. Co jeśli gdzieś chcemy pobrać w artość któ­ regoś z pól struktury g lo b als? Możemy po prostu się do niego odw ołać ja k do każdej zmiennej. Nie jest to jednak dobry pomysł. Lepiej stworzyć m ałe funkcje pomocnicze, takie jak pokazana poniżej: In t G etx()

I re tu rn g s .x :

} Powyższa funkcja zwraca po prostu wartość pola x zm iennej globalnej gs. D laczego tak. a me po prostu pobrać sobie wartość bezpośrednio? Przyczyna jest prosta Jeśli odwołamy się bezpośrednio, to nie możemy w prosty sposób ustalić, czy dane pole odczytujem y, czy może w ykonujemy do niego zapis. W konsekw encji jeśli chcemy znaleźć wszystkie miejsca programu, w któiyeh następuje modyfikacja pola x struktury gs, proste przeszukiwanie kodu zwróci nam także operacje odczytu lego poła, co utrudni analizę kodu. Jeśli stworzymy funkcje pom ocnicze typu G etx(). S e tx (). od razu będziemy wiedzieć, o jaką operację chodzi, co ułatw i analizę kodu. W takiej sytuacji wyszukiwanie w kodzie frazy Setx zwTÓci nam w yłącznic m iejsca, w który ch pole x jest m odyfikowane. Drugim powodem jest łatwość m odyfikacji kodu. Jeśli zmienimy nazw ę pola x struktury, to wystarczy zm ienić w artość zw racaną przez funkcję Getx — jedną linię kodu. a nic w szystkie w ystąpienia odwołania do pola struktury. Zmienne globalne mają jeszcze jedną, specyficzną wadę — zatruw ają przestrzeń nazw. Zęby nie wdawać się w szczegóły, spójrzmy na poniższy kod const In t p t= 3 .M : 1nt prom ienie = 10: in t p o le d n t premien)

{ re tu rn p'i*prcm lenie*prcnnen:

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzanie projektem

73

W powyższym kodzie mam y funkcję pole. która zw raca pole powierzchni kola o pro­ mieniu promień. Ale czy na pewno? W programie została zdefiniowana zmienna globalna o podobnej nazwie — promienie W kodzie funkcji pole om yłkow o zam iast argumentu funkcji została użyta zmienna globalna o bardzo podobnej do argumentu nazwie. W efek­ cie program się kompiluje, mc ma ostrzeżeń, lecz funkcja nic zwraca prawidłowej w arto­ ści pola. Pokazany problem staje się szczególnie istotny podczas korzystania z zaawanso­ wanych środow isk dew eloperskich (np. A tm el Studio), które posiadają m in. funkcję autouzupełniama — wystarczy naeisiąć klawisz strzałki o jeden raz za dużo i mamy klops. W dodatku klops, który bardzo trudno wykryć. Gdyby nic zmienna globalna o podobnej nazw ie do argum entu funkcji, problem u oczyw iście by nic było. Tego typu kłopoty zdarzają się tym częściej, im w iększy jest program — stąd tez w dużych projektach zapobieganie zaśm iecaniu przestrzeni nazw je st szczególnie istotne. Podobny problem ilustruje kolejny przykład: i n t p o le * 10: 1nt p o le _ L w a d ra tu (in t a)

{ p o le • a * a: r e tu rn p o le :

} Tym razem nasza funkcja oblicza pole kw adratu i naw et robi to popraw nie. Problem w tym. Ze przypisuje obliczone pole zmiennej pole. która jest zm ienną globalną, w efekcie w sposób niezamierzony modyfikujemy tę zm ienną D laczego? Bo zapew ne poprawna postać funkcji pole_kwadratu pow inna w yglądać tak i n t pole k w a d ra tu !in t a)

1 i n t p o le - a * a: re tu rn p o le :

} Tym razem zmienna pole jest zmienną lokalną i jej modyfikacja w ciele funkcji nie ma w pływ u na zm ienną globalną o tej sam ej nazwie. K om pilator oczyw iście nie ma szans w ykryć tego typu błędów , a ich w ytropienie w program ie potrafi nastręczyć sporych trudności. Stąd lepiej przestrzeń nazw utrzym yw ać ..czystą" — gdyby nic zmienna globalna o tej samej nazw ie, w pow yższym przykładzie kom pilator mógłby w ykryć naszą pomyłkę. Oczywiście w małych programach, w których cały kod mieści się w jednym pliku, można sobie pozw olić na używ anie zm iennych globalnych — czasam i taki kod wygląda w ręcz przejrzyściej. Podobnie w „dużych" programach w ram ach jednego modułu można czasami polużnić restrykcyjny stosunek do zmiennych globalnych i z pewnymi zastrzeże­ niami w ykorzystyw ać jc w takim module. Aby ograniczyć dostęp do takich zm ien­ nych z innych m odułów, należy jc deklarow ać z m odyfikatorem s t a t i c — ogranicza on zasięg w idoczności zm iennej do jednego m odułu kom pilacji, w efekcie taka ..m o­ dułow a" zm ienna globalna m c będzie w idoczna w innych m odułach kompilacji.

74

AVR. Praktyczne projekty

S y s te m y w e rsjo n o w a n ia Z pewnością każdy z nas spinka! się z sytuacją, w klórcj mamy jedną lub w ięcej wersji le ­ go sam ego pliku i nie w iem y, kióra jest najnowsza. Nawet stosow anie się do pokaza­ nych wcześniej w skazów ek i um ieszczanie wersji i daty ostatniej modyfikacji pliku nie zaw sze pomaga — czasami nam się po prostu nie chee ty eh informacji nanieść. Innym razem z kolegą pracujemy nad projektem , każdy przychodzi z w łasną w ersją pliku zaw ierającego popraw ki i pow staje problem — jak te popraw ki połączyć i stw o­ rzyć finalną w ersję pliku? Czy je st ja k ie ś rozw iązanie przedstaw ionych problem ów ? Oczyw iście tak — są nim programy um ożliw iające w crsjonow anic plików. Systemy wersjonowania automatycznie tworzą i przechowują informacje o wszelkich modyfika­ cjach plików , a także inform acje o tym, kto zmiany w prow adził oraz kiedy i jakie d o ­ kładnie zmiany zostały wprowadzone. Systemy te nic tylko grom adzą inform acje; ich najw iększą zaletą jest możliwość cofnięcia się do dow olnego w cześniejszego, zapisa­ nego stanu projektu lub poszczególnych plików. To znaczy, że łatwo każdą zm ianę możemy w ycofać. Wersjonow anie w arto w ykorzystyw ać do każdego projektu. Nie­ zależnie, czy pracujemy nad nim sami, czy tez jest to projekt, nad którym pracuje zespól programistów (w takiej sytuacji wcrsjonowanic jest wręcz obowiązkowe). Sama możli­ wość śledzenia zmian i ich cofania jest w ystarczającym uzasadnieniem dla stosowania w ersjonow ania W arlo przy tym pam iętać, że korzystanie z takiego systemu praktycz­ nie nie pociąga żadnych niedogodności — instalacja odpowiedniego oprogramowania jest prosta, a codzienne korzystanie w ręcz intuicyjne. Na razie Atm el Studio w spiera tylko program Subversion (SV N ). którego darmowy serwer i klient jest dostępny praktycznie dla wszystkich systemów operacyjnych. Atmel Studio w spiera w ers jonowanie popiv.cz w tyczkę o nazwie A n k h S l W — po domyślnej instalacji w tyczka ta nic jest zainstalow ana i przed użyciem SVN należy ją pobrać. Jest to niezw ykle proste, gdyż w tym celu wystarczy w ybrać z menu Tools opcję Erlension M anager Następnie wybieramy Available D o w n b a d s i wybieramy wtyczkę A nkhSl Ar — rysunek 3.7.

Wikarówka

P a m ię ta j, że sk o rzy s ta n ie z ja k ie jk o lw ie k o p cji zw iązanej z p o b ie ra n ie m now ych w ty­ cze k czy ich u aktualnianiem w ym aga p o sia d a n ia konta (darm ow ego) na stro n ie firmy A tm e l.

Oczyw iście możemy także skorzystać z klienta SVN niezależnego od używ anego IDF. — np. dla system u M S W indow s bardzo popularnym klientem SVN jest TortoiscSV N '\ Aby korzystać z SVN. oprócz klienta potrzebny jest także serw er Do dyspo­ zycji mamy w iele publicznych serwerów — np udostępnianych przez firmę (ioogle (code.google.com ); możemy także stw orzyć w łasny serw er SV N . naw et na własnym kom puterze.

6

Można go pobrać za darmo zc strony http://tortoise.Kvn.netdownloads,h/ntl.

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzanie projektem

75

R ysu n ek 3 .7 . In sta la cja w tyczki A n k h S \ w A łm e lS tu d io — um ożliw ia o n a ko rzysta n ie z sy ste m u w e rsjo tto w a m a o p a rte g o n a S I *.Y

Serwer SVN na własnym komputerze Najprościej jest sobie stworzyć darmowe konto na którejś z publicznie dostępnych stron, hostujących projekty. M ożem y w ybrać także drugą opcję — utw orzyć w łasny serw er SVN Jest to w ygodne, naw et jeśli jesteśm y jedynym i autoram i pisanego projektu, a serw er chcemy uruchom ić na kom puterze, na którym na c o dzień pracujem y

Wikarówka

Z a n im p o w ie sz, ze to n ie d la m n ie , po c o m i to, to s ię przydaje tylko w dużych projek­ ta ch — spróbuj z a in sta lo w a ć o m a w ia n e w tym po d rozd ziale n a rzę d zia i parę dni z nich k o rzy sta ć. 95% o s ó b , któ re sp ró b o w a ły, n ie w yobraża s o b ie , ja k m ogły e g zy sto w a ć b e z S V N c zy in n e g o s y s te m u w e rs jo n o w a n ia .

D o wy boni mamy kilka darm ow ych serw erów SV N — najpopularniejsze m ożna po­ brać ze strony h ttp : s u h v e r s i o n .a p a c h e .o r g . poniżej zostanie pokazany gotow y pakiet — I 'istia lS l Można go pobrać ze strony h t tp : / w w u .v is u a ls v n .c o m s e n e r / \ Po pobra­ niu pliku instalacyjnego uruchamiamy go. co spowoduje zainstalowanie serwera Apaehc oraz serw era Subver$ion. Przechodząc kolejne okienka instalatora, dochodzim y do okna konfiguracji, pokazanego na rysunku 3.8.

W ch w ili pisania książki była dostępna w ersja 2.5.9. lecz p okazane p rzy k ład y będą praw dopodobnie d ziałały tak że z now szym i w ersjam i

76

AVR. Praktyczne projekty

R y s u n e k 3 .8 . Instalacja serw era I 'isuałSl ’.Y D o w yboru m am y ka ta lo g instalacyjny program u (Location), m ożem y to ustaw ienie pozostaw ić bez zm ian W ażnym ustaw ieniem je s t w ybór katalogu z repozytorium (Repositories). K atalog ten pow inien znajdow ać n a b ezpiecznym nośniku wszy stkie p liki repozytoriów będą u n im przechow yw ane. K olejnym param etrem j e s t w ybór portu, na którym b ędzie nasłuchiw a ł serwer. M o zę to by ć dow olny port. lecz dla standary za cji w a rto w ybrać któryś z prop o n o w a n ych p rzez instalator. W p rzyp a d ku serw era lokalnego m ożem y zrezygnow ać z używ ania bezpiecznych połączeń tuse secure connectioiń O statnim krokiem j e s t w ybór ty p u uw ierzytelniania użytkow ników m ożna ir tym celu użyć m echanizm ów w budow anych «r Su h versio n lub użyć kont użytkow ników i h a se ł system u M S W indows

Po instalacji powinniśmy zobaczyć okienko menedżera, w yglądające tak jak na ry­ sunku 3 9. Za pomocą tego m enedżera m ożna skonfigurow ać wszystkie parametry serwera SVN Po zainstalowaniu serwer jest od razu golow y do użycia, co łatwo sprawdzić za pomocą przeglądarki internetowej. Wskazując adres https://127.0.0.1:8443'(8443 to przykładowy num er portu wybranego w czasie instalacji), powinniśmy m óc połączyć się z serwe­ rem SYN

WsUrówka

J e ś li w tra k c ie in s ta la c ji w ybrano używ anie b e zp ie czn y ch p o łą c ze ń , to do k o m u n i­ kacji z serw erem użyty z o s ta n ie protokół https — w tym c e lu in sta la to r w ygenerow ał p o trze b n e k lu cze . P o n ie w a ż n ie s ą o n e p o d p is a n e przez z a u fa n e ce n tru m dystry­ bucji kluczy (zaufanego wydawcę), próba n a w iąza n ia p o łą cze n ia z serw erem spow o­ duje w yg en ero w an ie przez p rze g lą d a rk ę o s trz e ż e n ia in fo rm u ją ce g o o nieza u fa n ym w ydaw cy k lu c z a . O s trz e ż e n ie to w tym p rzyp a d ku m o że m y z ig n o ro w a ć ' i n a k a z a ć d o d an ie k lu cza n a sta łe d o sy ste m u , d zię k i cze m u u n ik n ie m y podobnych o strze że ń w przyszłości.

W tym przy padku klucz jest generowany przez program instalacyjny, a łączymy się z „własnym *, zaufanym serwerem, w związku z tym możemy ostrzeżenie bezpiecznie zignorować Pamiętaj, aby zawrze z dużą ostrożnością dodawać niczaulanc klucze do systemu

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzania projektem

77

R y s u n e k 3 .9 . M e n e d że r serw era SIT** P o dom yślnej instalacji se rw er je s t g o to w y d o użycia. Z a w sze m o żem y dokonać zm ia n za po m o cą opcji dostępnych w m e n u m en ed żera konfiguracji

1 to tyle. mamy działający serwer, możemy zacząć z mego korzystać W tym celu w me­ nedżerze VisualSVN klikamy praw ym przyciskiem pozycję R epositories, wybieramy opcję N ow y (lub New w wersji angielskiej) i dalej wybieramy Repository W pojawiają­ cym się okienku wybieramy nazw ę dla naszego repozytorium , np. .117? W tym repo­ zytorium będziemy tworzyć kolejne repozytoria z projektami pisanym i w Atmel Studio »

Wskazówka

P a m ię ta j o ro b ie n iu re g u la rn y ch k o p ii z a p a s o w y c h re p o zyto riu m .

Repozytorium w ym aga okresow ego tw orzenia kopii zapasow ych W każdej chwili może nam się przytrafić awaria dysku lub inna nieprzyjem na niespodzianka W takim przypadku poniesiemy pew ne straty, ale ich rozm iar m ożna zm inim alizow ać, tworząc regularne kopie zapasowe repozytorium9 Tu przy okazji widać kolejną zaletę stosowania systemu wersjonowania — tworzenie kopii zapasowej jest bardzo łatwe i nie wymaga żadnych zaaw ansow anych narzędzi p Wskazówka

K o p ii z a p a s o w e j n igdy n ie trzym aj n a tym s a m y m n o ś n ik u c o re p o zy to riu m S V N . W p rzy p a d k u aw a rii u tra c is z i re p o zyto riu m . I k o p ię z a p a s o w ą .

Najlepiej utworzoną kopię trzymać na jakim ś innym, bezpiecznym nośniku, np. karcie pamięci lub zewnętrznym dysku SVN umożliwia tworzenie różnego typu kopii, w tym ii

Możemy też. stworzyć rozproszone repozytorium, ale jego konfiguracja znacznie wybiega poza ramy tej książki

AVR. Praktyczne projekty

78

kopii pełnych lub przyrostow ych (co przydaje się w przypadku naprawdę dużych re­ pozytoriów). Poniżej zostanie pokazany najprostszy sposób tworzenia kopii zapaso­ wej. polegający na powieleniu struktury katalogu z repozytorium . W ydawałoby się. że najprościej jest po prostu skopiow ać cały katalog repozytorium w now e m iejsce. Niestety takie podej.śeie może się zakończyć fatalnie — jeśli w trakcie w ykonyw ania kopii nastąpi zm iana plików wr repozytorium , powstała kopia będzie zaw ierała błędne dane. Stąd też do ro b ien ia kopii rep o zy to riu m zaw sze należy posługiw ać się n a rz ę ­ dziam i z p a k ietu Subrersion Aby zrobić kopię, m usimy w iedzieć, gdzie znajduje się nasze repozytorium (tę inform ację podaliśmy w trakcie instalacji serw era) i gdzie chcem y utw orzyć kopię: svnadn1n hoteopy j:/R ep o sito r1e s/A Y R c:/backups/repo-backup

Polecenie to w ym aga upraw nień adm inistracyjnych. W system ie Linux należy sko­ rzystać z sudo lub uruchomić svnadinin jako ro o t. W systemie M S W indow s należy uru­ chom ić w iersz poleceń jak o Adm inistrator. W tym celu klikam y na menu Start, n a ­ stępnie na Wszystkie program y, wybieramy Akcesoria i na pozycji Wiersz polecenia klikamy prawym przyciskiem, wybierając opcję Uruchom ja k o administrator. Polecenie svnadim n h o te o p y stworzy nam po prostu dokładną kopię katalogów repozytorium. Kopie pełne lub przyrostow e możem y utw orzyć poleceniem svnadm in dump.

Jak korzystać z SVN SVN dzięki w crsjonowaniu i śledzeniu zmian w plikach um ożliw ia w każdym m o­ mencie cofnięcie się do dowolnej wcześniejszej wersji naszego projektu. Dodatkowo w projekcie możem y tw orzyć odgałęzienia (ang hranch). w którym możemy rozw ijać jakąś funkcjonalność bez wpływu na podstawową wersję kodu Dopiero w chwili, kiedy stwierdzimy, że dana funkcjonalność jest dobrze zaim plementowana, nasze odgałęzie­ nie projektu m ożem y z nim ponow nie połączyć (ang m erge) — rysunek 3 10

Tagi

R y s u n e k 3 .1 0 . W ersjonow anie plików . P ro jekt składa się : g łó w n e j gałęzi f a n g thunk), w ram ach k lo n y kolejne zm ia n y oznaczane są w zrastającym i num eram i W każdej chw iłt m o żn a stw orzyć odgałęzienie p ro je k tu fang. h ra n ch ). W szelkie zm ia n y w o d g a łęzien iu ró w n ie ż są m o n ito ro w a n e. W k a żd e j ch w ili o d g a łęzien ie m ożna po n o w n ie p o łą czyć z p ro jektem głów nym (ang. merge}. J e ś li uznam y, ze dana w ersja p ro jektu j e s t z ja k ie g o ś po w o d u w ażną. m ożem y j ą o znaczyć sp ec ja ln y m znacznikiem (ang lagi. li każdej chw ili istnieje m ożliw ość cofnięcia się d o d o w o ln ej p o p rzed n iej w ersji projektu, a także określenia, ja k ie zm ia n y w prow adzili p o szczeg ó ln i u żytkow nicy

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzanie projektem

79

Aby zmiana w kodzie była widoczna w repozytorium (a przez to widoczna UikZc dla in­ nych użytkowników), musimy ją wysiać do serwera (ang. commit). Po wykonaniu tej czynności num er wersji projektu ulega zwiększeniu o 1. Spróbujmy utworzyć pierwszy projekt korzystający z system u wersjonowama D o tej pory zainstalowaliśmy w tyczkę A nkhSl 7^', dodatkowo będziem y korzystać z serwera SVN zainstalowanego w poprzednim paragrafie lub serwera publicznego (jeśli mamy na nim konto). Tak jak do tej pory należy' w Atmel Studio utworzyć nowy projekt (opcje Fiłe/New project) Jednak tym razem w okienku projektu mamy dostępną domyśl­ nie w łączoną opcję A d d to Subversion — rysunek 3 11

R y s u n e k 3 .1 1 . Pierwszy- p ro jekt w ykorzystujący w ersjonoirante. P o d cza s j e g o tw orzenia natęży p ozostaw ić zaznaczoną opcję A d d to Suhyersion

Kolejne etapy tworzenia projektu są nam doskonale znane i obejm ują wybór użytego pro­ cesora Jednak następny etap jest inny — musimy wybrać używany serwer SVN W tym celu podajemy URL naszego serw era SVN (gdy jest to serwer lokalny, jego nazwę można odczytać w m enedżerze VisualSVN) — rysunek 3 12

Wikarówki

A n k h S V N m iew a c z a s a m i problem y z po łącze n ie m s ię z se rw ere m z w ykorzystaniem protokołu https. J e ś li z ta kim problem em się spotkam y, najprościej je s t wyłączyć https i s k o rz y s ta ć z protokołu http.

80

AVR. Praktyczna projekty

R y s u n e k 3 .1 2 .

P rzykładow a konfiguracja s e w e r a S I "A" »• A n k h S l ’.V P o p o d a n iu U RL i h repozytorium m ożem y być p o p ro szen i o /w danie n a zw y użytkow nika t hasła do repozytorium , a w p rzyp a d ku połączenia bezpiecznego także o akceptację certyfikatu W arto zaznaczyć opcję A d d thunk F o lder f o r Project, dzięki czem u utw orzona zostanie dom yślna g a łą ź thunk

Nasz projekt jest gotowy do pracy z SVN Klikając prawym przyciskiem myszy nazwę projektu w S ol u non Explorer%zobaczymy now e opcje zw iązane z wykorzystywanym programem Subvcrsion — rysunek 3.13. R y s u n e k 3 .1 3 .

D odatkow e opcje projektu zw iązane z system em w ersjonow am a. 11'iększość p o leceń znajduje się w p o d m en u Subeersion

To, co pow inniśmy jeszcze zrobić, to wybrać opcję A d d Sełected Projects (lub Solutions) to Sttbwrsion. klikając prawym przyciskiem Sohtiion ProjektSI lub nazwę projektu. Dzięki temu nasz projekt zostanie dodany do wybranego repozytorium Od tego momentu możemy w pełni korzystać z dobrodziejstw posiadanego system u wersjonowama

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzanie projektem

81

Praca z SVN Po dodaniu projektu do repozytorium możemy rozpocząć norm alną pracę. Pozornie nic się nic zmieniło — tworzymy kod jak dawniej. Jednak pojawiły się nowe możliwości10. Aby jednak je w ykorzystać, musimy przyw yknąć do pew nego cyklu pracy. Przede wszystkim cały projekt i jego pliki przechowywane są na serwerze. T o znaczy, z.e aby z nimi pracować, musimy utworzyć ich lokalną kopię. Kopia ta na skutek wprowadzonych przez programistę modyfikacji zaczyna się różnić od wersji dostępnej na serwerze — po­ jawiają się na przykład nowe pliki, a pliki istniejące są m odyfikowane. Aby zachow ać naszą pracę, musimy ponow nie zsynchronizow ać lokalną kopię programu (danych) z kopią na serwerze. Stąd cykl pracy z repozytorium w ygląda następująco: ♦ utworzenie lokalnej kopii projektu (ang check out), w w yniku otrzymujemy lokalną wersję wszystkich plików' i możemy na nich rozpocząć pracę; ♦ normalna praca nad projektem, tak jakbyśm y nic korzystali z systemu wersjonowania. ♦ po zakończeniu pracy (np wprowadzeniu przewidzianych zm ian) synchronizacja lokalnej kopii projektu z oryginałem znajdującym się na serwerze (ang commit) — w efekcie nasze dane zostają zapisane na serwerze i b ęd ą dostępne dla wszy stkich uzytkowników; ♦ przed wprowadzeniem kolejnych zmian należy* uaktualnić lokalną kopię projektu i zsynchronizow ać j ą z w ersją projektu znajdującą się na serwerze (ang updote). Podczas takiej synchronizacji rozwiązyyvane są yvszystkie potencjalne konflikty — m ogą one być rozyviązyyvane autom atycznie, a kiedy nic jest to możliwe, o ich rozyviązanie proszony jest użytkownik. Uaktualnianie lokalnej wersji projektu jest konieczne w przy padku projcktóyv. nad którymi pracuje więcej osób — w czasie od ostatniego com mitu ktoś mógł na serwer wysiać efekty yvlasnej pracy, stąd tez posiadana lokalna kopia projektu byłaby nieaktualna. Przyjrzyjmy się nieco bliżej operacjom, jakie możemy wy konać przy użyciu Subversion. Jak wcześniej wspom niano, dla ka 2dego sy stemu w ersjonow ania charakterystyczne są tzw c om nu ty. Kiedy napiszemy jakiś fragm ent kodu i uznam y, Ze jest on kompletny i nadaje się do zachowania, należy* w prow adzone zm iany w ysiać do repozytorium — laki proces wysyłki nazyw a się z angielskiego contmiłowaniem (niestety trudno zna­ leźć sensoyyny odpowiednik tego term inu w języku polskim). P o wysianiu zm ian na serwer stają się one dostępne dla innych użytkow ników (i nas samych), a num er w er­ sji projektu na serwerze ulega zw iększeniu o 1. Dzięki temu łatw o można poznać, czy posiadana przez nas lokalna kopia projektu jest aktualna, czy nie. Tak naprayvdę nie musimy się w ogóle nad tym zastanawiać, wystarczy kliknąć \yr oknie Solution Expłorer prawym przyciskiem myszy* nazwę projektu i wybrać opcję Update Project to Laicst I crsion Jeśli nasza kopia projektu nic była aktualna, to zostanie ona zaktualizowana do ostatniej wersji dostępnej na serwerze. Co ważne, jeśli w posiadanej kopii zostały wpro­ wadzone zmiany, to ich nie stracimy — zmiany te zostaną automatycznie uwzględnione. l0Dokladny opis korzystania /. Subycrsion można znaleźć w darmowej ksią/ec pod adresem http://svnbook red-bcan.com en 1 7/svrhbook.pdf (wersja anglojęzyczna).

82

AVR. Praktyczne projekty

a jeśli nic będzie to możliwe, pojawi się okno umożliwiające uzgodnienie wersji lokalnej projektu z w ersją dostępną na serw erze. W każdej chw ili m ożem y się także cofnąć do dowolnej wcześniejszej wersji dostępnej w repozytorium — w tym celu klikamy prawym przyciskiem na projekcie (lub pliku, który chcemy zmienić) i wybieramy opcję Suhversion, a następnie Update to Speciftc I 'erston — rysunek 3 14 R y s u n e k 3 .1 4 .

U a ktualnienie pro jektu d o w ybranej w cześniejszej w ersji d o stęp n ej w re/uizytorium

Jeśli wprowadzone w projekcie zmiany nas nie satysfakcjonują, to dzięki tej możliwości możem y w rócić do dow olnej, w cześniejszej wersji projektu Ta m ożliw ość jest nie­ zw ykle cenna. C zęsto obaw iam y się w prow adzać zm iany do projektu, bo w ich w yni­ ku to, co działało, m oże przestać działać Dzięki m ożliw ości pow rotu do dowolnej w cześniejszej w ersji w szystkie zmiany m ożem y cofnąć kliknięciem m yszy i pow rócić do ostatniej, działającej wersji programu. Dodatkowo nie musimy robić tymczasowych kopii projektu, kończąc w efekcie z kilkoma różniącymi się wersjami i brakiem jakiego­ kolwiek pom ysłu na identyfikację najaktualniejszej wersji.

D o d a w a n ie p lik ó w Pliki dodawane do projektu są automatycznie dodawane do repozytorium, a dokładniej — sq oznaczane jako pliki, które należy* dodać (przy ich nazwie w drzew ie projektu pojaw ia się mały znaczek plus). Jednak aby znalazły się one w repozytorium , zm ianę należy zatwierdzić, a więc comnufować projekt. W tym celu jak zw ykle klikamy prawym przyci­ skiem myszy nazw ę projektu (lub pliku) i wybieramy Opcję C ant m it Project C han ges Spow oduje to pojaw ienie się okienka pokazującego w szystkie zmiany w projekcie od ostaUucgo cominifu. dostaniemy także możliwość wprow adzenia komentarza dotyczącego danej wersji — rysunek 3.15. Przy nazwach plików , które nie zm ieniły sic (są dokładną ko p ią plików znajdujących się na serw erze), w yśw ietlane są małe fajki, natom iast przy plikach, których lokalna w ersja różni się od wersji na serw erze, w yśw ietlane są czerw one kwadraciki. Dzięki temu mamy szybki podgląd na pliki, które uległy zmianie.

U s u w a n ie p lik ó w Pliki projektu m ożem y usuw ać tak sam o jak w przypadku projektów niekorzystają­ cych z systemu w ersjonow ania. W tym celu klikam y praw ym przyciskiem w ybrany plik i w ybieram y opcję Rem ove (lub naciskam y przycisk D ełete). U sunięcie pliku z projektu jest jednoznaczne z je g o usunięciem z lokalnej kopii repozytorium — plik jest usuw any z repozytorium na serw erze dopiero w chw ili com m itow ania zmian

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzanie projektem

83

Rysunek 3.15. P o wprowadzeniu zm ian ir p ro jekcie należy j e wysłać do serw era S \ ‘V. P rzed w ysyłką zobaczym y listę zmian, ja k ic h dokonaliśm y o d ostatniego conm ntu. będziem y także m ogli w prowadzić kom entarz opisujący zm iany u projekcie

WsJurówb

Pam iętaj, aby plików będących składn ikam i projektu zarządzanego za pom ocą Subversion nigdy nie usuw ać poprzez ich zwykłe sk a so w a n ie , np. przy użyciu poleceń sy ste ­ m u operacyjnego. Takie działanie spow oduje tylko u su n ięcie ich lokalnej kopii, która z o s ta n ie o d tw o rzo n a przy kolejn e j sy n ch ro n iza cji re po zytoriu m .

O d w ra c a n ie zm ia n Jedną z najważniejszych zalet Subversion (i każdego system u wersjonowania) jest możliwość przywracania wcześniejszej wersji pliku. Każda operację (łącznic z kasowa­ niem plików) możemy odwrocie, nic m a więc możliwości u tra ty dan y ch . Klikamy projekt prawym przyciskiem myszy i wybieramy opcję Revert Powoduje ona cofnięcie ostatniej zmiany wprowadzonej w lokalnym repozytorium. W przypadku odwrócenia operacji usuwania pliku opcje R everf musimy wybrać co najmniej dwukrotnie — za pierwszym razem przywrócony zostanie plik w drzewie projektu, lecz dopiero za dru­ gim razem przywrócona zostanie jeg o zawartość W ynika to z laktu. że operacja ka­ sowania pliku jest dwuetapowa — polega na usunięciu pliku z drzewa projektu i na­ stępnie usunięciu pliku z dysku. O p cja Revert nie b ę d z ie d o s tę p n a , je ś li n ie w p ro w a d zo n o lo k a ln ie żad nych zm ian. Wskazówka

W ton sam sposób można także cofnąć operację dodawania plików do projektu

W y łą c z n o ś ć Jeszcze jed n ą opcją przydatną w sytuacji, w której nad projektem pracuje więcej osób, jest przejmowanie plików na wyłączność. Dzięki temu m ożem y swobodnie mo­ dyfikować w ybrany plik bez obawy, ze inna osoba będzie wprowadzać w nim m ody­ fikacje. Zw ykle blokowanie dostępu do plików nie jest potrzebne — nawet jeśli inna osoba zmodyfikuje ten sam plik. to system w er.sjonowania będzie mógł automatycz­ nie połączyć zmiany wprowadzone przez obu programistów. W yjątkiem jest sytuacja.

84

AVR. Praktyczne projekty

kiedy zmiany dotyczą tych samych fragmentów kodu — w takiej sytuacji żaden au­ tomat nic jest w stanic stwierdzić, które zmiany są ważniejsze. Z mechanizmu blokowania dostępu (ang. lock) powinniśmy korzystać ostrożnie — jego nadużywanie może utrudnić pracę innym osobom zaangażowanym w projekt. Blokowanie pliku osiągniemy, klikając prawym przyciskiem myszy wybrany plik. a następnie w ybierając $uhversion/Lnck. & Wikarówka

N a koniec pracy nie zapom nijm y odblokow ać dostępu do pliku — dokonujem y tego po d o b n ie , k lik a ją c w ybrany plik i w ybierając o p cję Subversion/U n(ock.

H is to ria zm ia n Wygodną opcją Subversion jest śledzenie historii zmian (lysunek 3.16). Możemy przeglą­ dać historię zmian projektu lub pojedynczych plików. W tym celu należ)* kliknąć prawym przyciskiem myszy interesujący nas obiekt i wybrać opcję \'ieir (Project) History. Dzięki temu możemy sprawdzić historię zmian i łatwo cofnąć się do interesującej nas wersji. R y s u n e k 3 .1 6 .

P rzeglądanie historii zm ian projektu. W yświetlane są kolejne wersje wraz z datą m odyfikacji, osobą w prowadzającą zm iany i opisem zm ian — w yśw ietlany je s t zarów no opis wprow adzony przez osobę dokonującą com m iłowania projektu, jak i lista wszystkich zm ian

Uwagi końcowe Korzystając z SVN. szczególnie w trakcie pracy w zespole pam iętaj, aby: ♦ Siadając przed komputerem uaktualnić lokalną kopię repozytorium (ang. update) — w czasie kiedy Cię nic było. inni mogli pracować nad kodem i go zmienić. ♦ W ykonując commity, dokładnie opisywać dokonane zm iany, tak aby inni programiści wiedzieli, co się zmieniło. Absolutnie nigdy nic wysyłaj nic na serwer bez dobrego komentarza ♦ Nie commitować razem zmian w niepowiązanych ze sobą fragmentach kodu. Zamiast tego zrób osobne commity. raz jednego fragmentu i drugi raz kolejnego.

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzanie projektem

85

♦ Przed commitowaniem zmian upew nić się. ze program kom piluje się bez błędów. W ysianie wersji z błędami uniemożliwiającymi kompilację znacznie utrudnia pracę innym — zanim będą mogli oni przetestow ać swoje poprawki, będą musieli najpierw napraw ić Twoje błędy. Lecz je st spora szansa, że popraw iając Twój kod, w prow adzą zmiany we fragmentach, nad którymi aktualnie pracujesz — nie tylko pośw ięcą swój czas na naprawianie Twoich błędów , lecz w efekcie uzyskasz plik z konfliktam i, których nie uda się autom atycznie rozwiązać Ewentualnie używając mechanizmu blokowania dostępu do pliku, przejściowo uniem ożliw ią Ci dostęp d o kodu. nad którym pracujesz. ♦ W prowadzając duże zmiany, użyć możliwości rozgałęziania projektu (ang. branch). Po zakończeniu ich implementacji i ich przetestow aniu dokonaj połączenia (ang. nierge) z główna gałęzią projektu (ang. thim k) tak szybko, jak to tylko możliwe. ♦ Każdy użytkownik SVN miał nadane określone prawa d o całości lub części projektu Użytkownikom można nadać prawa w yłącznie do odczytu — będą oni mogli pobrać repozytorium i jc przeglądać, ale nie będą mogli wprowadzać zmian ♦ Robić conmiity zawsze, kiedy zmiany tworzą jakąś logiczna, całość Na przykład: jeśli w prow adziłeś now ą funkcjonalność, od razu w yślij w ersję na serwer, poprawiłeś błąd — wyślij now ą w ersję Nawel jeśli zmiany ograniczyły się do popraw ienia błędnie napisanego komentarza — w arto je od razu wysłać na serwer. W szystkie opisane zmiany tworzą pewną zam kniętą całość, w efekcie mamy now ą wersję, która posiada coś lepszego (chociażby poprawioną literówkę w komentarzu) Z drugiej strony nic wysyłajmy kodu napisanego połowicznie, kolejna w ersja nie będzie w niczym lepsza od poprzedniej. ♦ Nie traktuj SVN jako narzędzia do tworzenia bezpiecznych kopii zapasowych. •SVN zwiększa bezpieczeństw o Twoich danych tylko w tedy, kiedy regularnie robisz kopie zapasowe repozytorium.

Inne u ła tw ie n ia Skoro w iemy juz, jak pisać kod oraz jak go wersjonować. warto jeszcze zastanowić się. czy są dostępne narzędzia, które ułatw iają pisanie poprawnego kodu. Doskonałym dodat­ kiem do Atmcl Studio jest dodatek Araggy. Po jego zainstalowaniu (wybieramy Toołs/Extem ion Manager, a następnie Naggy) program ten będzie stale analizował skład­ nię pisanego kodu W przypadku wystąpienia błędu nieprawidłowy fragment zostanie zaznaczony, a programista uzyska wskazówkę na temat istoty w ykrytego problemu (niestety informacje są dostępne w języku angielskim). Oprócz problemów^ ze składnią czy nieprawidłowym użyciem słów języka C Naggy potrafi także kolorować składnię bloków w arunkowych preprocesora w zależności od aktualnej wartości jeg o symboli (rysunek 3.17).

86

AVR. Praktyczne projekty

Rysunek 3.17. Efekt działania programu .\Taggy. Blok ujęty u dyrektywy ifdefendif jest uyszarzony. gtłyi ot/powiedni symbol preprocesora (NAGGY_GRA Y) nie jest zdefiniowany. \Y efekcie kod ten nie podlega kompilacji. Naggy znalazł także potencjalny błąd »r kodzie — ostatni parametr funkcji for nie jest używany — w efekcie cała linia kodu została podkreślona, a >» dymku pojawiła się informacja co do przyczyny problemu

Jak p is a ć le p s z e p ro g ra m y ? Pokazane powyżej wskazówki /. pew nością popraw ią przynajm niej czytelność nasze­ go kodu i ułatw iają zarządzanie nim . lecz programow anie to ciągła nauka. W arto w ięc ucząc się. wzorować się na najlepszych. W ymaga to sporo wysiłku, lecz daje doskonałe wyniki Kilka prostych reguł mo 2e nam to znacznie ułatwić

1. Przede w szystkim nic śpiesz się. U cząc się program ow ać, z pew nością każdy chce od razu przejść do czynu, pomijając nudną teorię. Tym bardziej że wiele z podstaw jest nam piz.eeież doskonale znanych, w ięc po co czytać po raz setny o podstawach? Nic bardziej błędnego. Przeskakując przez pewne tematy, z pew nością szybciej napiszemy swój pierwszy program , z pew nością też kilka kolejnych powstanie szybciej Lecz w miarę jak będziemy brnąć w coraz bardziej skomplikow ane program y, w końcu w yjdą nasze braki w podstawach. Jest to doskonale widoczne na forach, gdzie osoby z „dużym doświadczeniem" nagle w ykładają się na wydawałoby się fundam entalnym problemie. Pamiętaj, czytając naw et po raz setny to samo. z pew nością dow iesz się czegoś nowego. 2. Przeglądaj przykładow e kody innych W iele tem atów je s t zilustrow anych doskonałym i przykładami. W sieci istnieją błogi, na których piszą najlepsi program iści — skorzystaj z ich doświadczenia. Po co sam em u odkryw ać to, co ma się podane na tacy, w dodatku za darm o? Lecz nie idź na łatwiznę Nauka nie polega na przeczytaniu nawet najlepszego artykułu — oprócz jego przeczytania m usisz go zrozumieć. Jeśli są do niego dołączone przykłady, przejrzyj je. przepisz, skompiluj i staraj się zrozum ieć, ja k działają Dobrze jest przejrzeć przykłady, zanim przeczyta się dotyczący ich artykuł — pow oduje to, ze bardziej przypatrujemy się szczegółom i unikamy pomijania dużych fragmentów kodu, bo przecież jasno są objaśnione w tekście Przepisując przykłady i uruchamiając jc. z pew nością odkryjem y w iele w ażnych rzeczy.

Rozdział 3. ♦ Organizacja i zarządzanie projektem

a być może problemów. Pamiętaj, ze osoba świetnie znająca problem pokaże Ci doskonale rozwiązanie, ale to nic znaczy, ze nie sprawi Ci ono żadnych problemów. Dlatego dopiero kiedy sam uruchomisz pokazane rozwiązanie, będziesz wiedział. Ze naprawdę potrafisz to zrobić 3. Korzystaj z debugera. Czesio spotkasz się z opiniami — m ój dziadek nie używał debugera. mój ojciec nie używał, ja tez nie używ am i żyję. Owszem, tak się da. ale czy to znaczy. Ze tak należy? Jeśli ktoś d aje nam doskonale narzędzia, to korzystajmy z nich. Częstym mitem spotykanym na forach jest stwierdzenie: debuger wym aga drogiego JTAG-a, nie stać mnie na niego, a w dodatku nic wszystkie procesory posiadają ten interfejs, więc dcbugowanic mikrokontrolerów nie ma sensu Nic bardziej błędnego Po pierwsze, sprzętowy programator dysponujący interfejsem JTAG to wydatek rzędu 70 - 200 zl (co naprawdę nic jest wygórowaną ceną za dziesiątki godzin nerwów, które może nam jego zakup zaoszczędzić), ale co ważniejsze — każdy mikrokontroler AVR możemy zasym ulować u środowisku Atmcl Studio. Dzięki temu programy możemy pisać i deliugow ać „na sucho”, nic dysponując żadnym fizycznym układem elektronicznym! Jednak dcbugowanic jest sztuką i wymaga nauki tak jak każda inna rzecz. N iem niej czas spędzony na nauce debugow arna to naw et lepsza inwestycja niż czas spędzony na nauce programowania Pamiętaj, że napisanie kodu jest szybkie i proste To. co pochłania czas i nerwy, to doprowadzenie kodu do stanu, w który m możemy o nun powiedzieć, że działa A w tym właśnie pomaga nam debuger Umożliwia on podgląd zmiennych w trakcie wykonywania programu, określenie kolejności wykonywanych instrukcji, a przede wszystkim mamy stały podgląd na stan procesora i jego układów peryferyjnych. Spójrzmy na poniższy trywialny przykład (trywialny, lecz 90% problemów użytkow ników forów dotyczy różnych modyfikacji pokazanego problemu): PORTA D lR -0 x ff: PORTB_OUT=Oxff:

Dlaczego stan wyjść portu B mikrokontrolera nie je st w ysoki? Chyba zepsułem mikrokontroler. Otóż nie, błąd wynika z prostego przeoczenia polegającego na zm ianie jednej literki w nazw ie portu. R zut okiem na sym ulator pozw ala nam dojść do przyczyny (rysunek 3.18). Oczywiście pokazany przykład je st banalny, lecz w icie układów peryferyjnych m ikrokontrolera XMLśGA wymaga długich sekwencji instrukcji inicjalizujący ch. W efekcie stosunkowo łatwo o pomyłkę i bledną konfigurację układu peryferyjnego. 4. Szukaj informacji w różnych źródłach. W Internecie jest bardzo dużo stron pośw ięconych programow aniu, praktycznie ze 100*procentow ym praw dopodobieństw em m ożna założyć, żc ktoś spotkał się z Twoim problemem i praktycznie na pew no znajdziesz jego rozw iązanie w sieci W iele osób zamiast starać się rozwiązać problem „własnymi silami"', od razu um ieszcza prośbę o pomoc na jakim ś forum poświęconym programow aniu Jest to fatalne rozw iązanie z kilku pow odów. Przede w szystkim jest to rozw iązanie wolne. U żywając dowolnej w yszukiwarki, najprawdopodobniej znajdziesz rozwiązanie swojego problemu w ciągu kilku m inut, a gdy

87

88

AVR. Praktyczne projekty

R y s u n e k 3 .1 8 .

U życie sym ulatora debit g era d o w yszukania p rzyc zy n y błędnego dzia ła n ia program u. P o d g lą d sta n u rejestrów lO p ro ceso ra o d razu p o ka zu je nam błędną ko n fig u ra cję p o rtu B

napiszesz, post na forum, odpow iedź uzyskasz po godzinie, może kilku, a m oże wcale. Pamiętaj, zc w iele problem ów jest tak banalnych, ze po prostu nikogo nie zainteresują i nie uzyskasz żadnej pomocy. Jeśli jednak nie możesz znaleźć sam rozwiązania, nie wahaj się pisać — pamiętaj jednak, aby dokładnie opisać swój problem , a także opisać, co już. zrobiłeś, aby go rozw iązać. Z jednej strony pokaże to, że nie jesteś leniw y i sam w łożyłeś sporo w ysiłku w poszukiw anie rozw iązania, z drugiej strony unikniesz odpow iedzi, które nie przybliżą Cię do rozwiązania (np. sugerując metody, które ju z sprawdziłeś) lub po prostu odeślą C ię do stron, które ju ż przejrzałeś. Pam iętaj, ze im lepiej opiszesz swój problem, tym w iększa szansa na uzyskanie sensownej pomocy. Z drugiej strony jeśli Tobie nic ehee się poświęcić 10 m inut na napisanie porządnego posła, to nie licz, że ktoś poświęci swoje 10 minut na napisanie sensownej odpowiedzi. Pamiętaj takż.e, ze oprócz forów istnieją książki, błogi i inne materiały. Pewnych tematów nie da się dobrze w ytłum aczyć w paru zdaniach. stąd tez mc nic zastąpi nauki z książek.

Rozdział 4.

Jak tworzyć lepszy i efektywniejszy kod Pisząc w języku w ysokiego poziom u, jakim jest języ k C. teoretycznie przerzucamy odpow iedzialność za tw orzenie optym alnego kodu m aszynow ego na kom pilator Po­ woduje to. że w w ielu przypadkach możem y sobie pozwolić na ..luźniejszy” styl pisa­ nia. a kom pilator pow inien nasz nie najlepszy kod zoptym alizow ać. Często tak się rzeczyw iście dzieje, a kolejne w ersje kom pilatorów (w tym avr-gcc) są w stanie ge­ nerować coraz lepsze kody wynikowe. Niemniej jednak ciągle bardzo w iele zależ)' od naszego stylu pisania, a także od um iejętności przekazania kom pilatorow i pewnych dodatkow ych informacji Rozdział ten jest poświęcony optym alizacji kodu pisanego w języku C, tak aby w ygenerow any kod asemblerowy by! m ożliw ie optym alny — optymalny w sensie długości kodu i czasu jego w ykonywania. W arto stosować się do pew nych schem atów pokazanych w tym rozdziale, jednak należ)' pam iętać o nad­ rzędnej zasadzie towarzyszącej pisaniu każdego program u — n a p isa n y kod m a re ­ alizow ać założone fu n k c je , a nie być kodem najlepszym z m ożliw ych. Tę drugą cechę powinniśmy uzyskiw ać niejako przy okazji, ale nic należy na niej skupiać nad­ miernej uwagi. W przeciw nym razie może się okazać, że m amy fragmenty doskona­ łego kodu, lecz nie mamy całego program u, w efekcie me zrealizow aliśm y celu nad­ rzęd n eg o — aplikacji realizującej zadanie.

W sJuiów b

Pam iętaj, że je ś li nie sk o ń czy sz projektu, to nikt nie będzie m ia ł okazji d o c e n ić Twojej pracy.

Szczególnie początkujące osoby pod wpływem opinii na tem at ograniczonych zaso­ bów m ikrokontrolerów (skądinąd słusznych) dąza do niepotrzebnej optymalizacji programu, pośw ięcając temu czas i cenne zasoby. I tak: jeśli w ybrałeś procesor posia­ dający 16 kl3 pam ięci FLA SH , a Twój program zajm uje 12 kB . to optym alizacja pod względem wielkości program u nie Ci nie da. To, czy zostanie w olne 4. czy 6 kB pa­ mięci, nie ma najm niejszego znaczenia. Jeśli jednak udałoby się w w yniku optym ali­ zacji zm niejszyć długość programu z 12 kB do 8 kB. to potencjalny zysk jest spor)- — można w takiej sytuacji zastosow ać procesor z m niejszą ilością pamięci FLA SH , a co za tym idzie zazw yczaj tańszy. Tu jednak czai się kolejna pułapka Po pierwsze: cena

90

AVR. Praktyczna projekty

procesora zależy nic tylko od oferow anych przez niego zasobów i często zdarza się tak. ze procesory oferujące w ięcej w cale nic są drozszc — dobrym przy kładem są w łaśnie m ikrokontrolery X M EG A , które przy w iększych m ożliw ościach w stosunku do ATM ega są generalnie od tych ostatnich tańsze Po drugie: ja k o amator prawdopodob­ nie nie będziesz produkow ał urządzeń w seriach sięgających tysięcy sztuk, tak w ięc różnica w cenie na poziomie kilku złotych będzie bez znaczenia. Stąd tez w warunkach am atorskich w arto w ybierać procesor o zasobach znacznie w iększych niż te. które w ydają się być konieczne do realizacji zadania. N aw et jeśli z nich m c skorzystam y, to mc nas to nie kosztuje Stąd też w arto w ybierać procesory posiadające np. interfejs .ITACi — ułatw ienie, jakim będzie m ożliw ość debugow anie program u w układzie, jest w prost nie do przecenienia. W elekcie często za cenę o kilka złotych w yższą możem y skrócić czas potrzebny na napisanie gotowej aplikacji kilkukrotnie.

WiUrówb

P a m ię taj w ięc, ze naw et w w arun kach a m a to rsk ich c e n a m e je s t najw ażniejszym wy­ zn a czn ikie m . W arto zaopatrzyć s ię w n a rzęd zia nieco d ro ższe , a le ułatw iające p isan ie i u ru c h a m ia n ie a p lik a c ji. W przeciw nym razie ro ś n ie ryzyko, ż e d a n e g o projektu nigdy m e skończym y, gdyż natrafim y n a problem , którego rozw ią zan ie o ka że s ię zbyt trudne.

l utuj bardzo w ygodne jest korzystanie z rodziny XM EGA Poniew aż układy peryfe­ ryjne tych m ikrokontrolerów są bardzo uporządkow ane, niezw ykle łatwo jest prze­ nieść pisany kod na inny M CU należący do tej rodziny. Stąd też w ygodnie je st pro­ totypow ać układ, korzystając z w iększego m ikrokontrolera, np X M EG A 128A I lub X M EG A 256A 3, a następnie gotowy program po prostu przenieść na m ikrokontroler m niejszy i co za tym idzie tańszy. T akie przeniesienie kodu często ogranicza się w y­ łącznic do zmiany typu M CU w opcjach projektu

WsUzówka

J e s t to olbrzym ia za le ta rodziny X M E G A . W innych rodzinach A V R z e w zględu n a b a ła ­ gan p a n u ją cy w k o n fig u ra c ji u k ła d ó w peryferyjnych p r z e n ie s ie n ie k o d u p o m ię d zy m ikro ko n tro le ram i na le żącym i naw et d o tej sa m e j rodziny było m ałym horrorem i w ią ­ zało s ię z w p ro w a d z e n ie m z n a czn y ch z m ia n w k o d zie .

W róćmy jednak do optymalizacji związanych z językiem C. A by efektywnie pisać kod. musimy dobrze znać architekturę procesora, w tym stosow any p rzez niego asembler. W rozdziale tym przedstaw ione zostaną różne „sztuczki” zw iększające efektyw ność kodu oraz powstały w w yniku ich kom pilacji kod asem blerow y. Jeśli nic znasz asem ­ blera. nie pow inno Cię to zniechęcać, w szystkie przykłady s ą szczegółow o opisane.

W łą c z e n ie o p ty m a liz a c ji Jednym z najczęstszych błędów popełnianych podczas kom pilacji w środowisku Atmel Studio jest niew łączenie właściwego stopnia optymalizacji. W tym środowisku domyślnie twoizona jest wersja Dehu% aplikacji, która powstaje na skutek kompilacji kodu z opcją optym alizacji ustaw ioną na -01 Jest to podstaw ow y poziom optym alizacji, który prow adzi do generow ania mniej w ięcej 2-. 3-krotnic dłuższego kodu niż kod opty­ malny, ale za to kod taki jest łatw iejszy do debugowanin. Stąd tez praw dopodobnie

90

AVR. Praktyczne projekty

procesora zależy nie tylko od oferow anych przez niego zaso b ó w i często zdarza się tak. zc procesor)' oferujące w ięcej w cale nic są drozszc — dobrym przykładem są w łaśnie m ikrokontrolery X M EG A , które przy w iększych m ożliw ościach w stosunku do ATM ega są generalnie od tych ostatnich tańsze Po drugie j;iko amator prawdopodob­ nie nie będziesz produkow ał urządzeń w seriach sięgających tysięcy sztuk, tak więc różnica w cenie na poziomie kilku złotych będzie bez znaczenia. Stąd tez w warunkach am atorskich w arto w ybierać procesor o zasobach znacznie w iększych niz tc. które w ydają się być konieczne do realizacji zadania. N aw et jeśli z nich nie skorzystam y, to nic nas to nie kosztuje. Stąd też w arto w ybierać procesory posiadające np. interfejs JTA G — ułatw ienie, jakim będzie m ożliw ość debugow anie program u w układzie, jest w prost nie do przecenienia W elekcie często za cenę o kilka złotych w yższą możem y skrócić czas potrzebny na napisanie gotowej aplikacji kilkukrotnie.

Wskazówki

P a m ię ta j w ięc, ze naw et w w arun ka ch a m a to rsk ich c e n a n ie je s t najw ażniejszym wy­ zn a czn ik ie m . W a rto zao p atrzyć się w n a rzęd zia n ie co d ro ższe , a le ułatw iające p isa n ie i u ru c h a m ia n ie a p lik a c ji. W przeciw nym ra zie ro ś n ie ryzyko, ż e d a n e g o projektu nigdy n ie skończym y, gdyż natrafim y n a problem , któreg o ro zw ią zan ie o ka że s ię zbyt trudne.

Tutaj bardzo w ygodne jest korzystanie z rodziny XMHGA Poniew aż układy peryfe­ ryjne tych m ikrokontrolerów są bardzo uporządkow ane, niezw ykle łatwo je st prze­ nieść pisany kod na inny M CU należący do lej rodziny. Stąd leż w ygodnie jest pro­ totypow ać układ, korzystając z w iększego m ikrokontrolera, np XM KGAI2XAI lub X M EG A 256A 3, a następnie gotow y program po prostu przenieść na m ikrokontroler m niejszy i co za tym idzie tańszy. Takie przeniesienie kodu często ogranicza się w y­ łącznic do zm iany typu M CU w opcjach projektu

WUuiówka

J e s t to o lbrzym ia z a le ta rodziny X M E G A . W innych ro d zin ach A V R ze w zględu n a b a ła ­ gan p a n u ją cy w k o n fig u ra c ji u k ła d ó w p e ryferyjnych p r z e n ie s ie n ie k o d u p o m ię d zy m ik ro ko n tro le ram i na le żącym i naw et d o tej sa m e j rodziny było m ałym horrorem i w ią ­ zało s ię z w p ro w a d z e n ie m z n a c zn y c h z m ia n w k o d zie .

W róćmy jednak do optymalizacji związanych z językiem C. Aby efektywnie pisać kod. musimy dobrze znać architekturę procesora, w tym stosow any przez niego asembler. W rozdziale tym przedstaw ione zostaną różne ..sztuczki” zw iększające efektyw ność kodu oraz powstały w w yniku ich kom pilacji kod asem blerow y. Jeśli nic znasz asem ­ blera. nic pow inno Cię to zniechęcać, w szystkie przykłady s ą szczegółow o opisane.

W łą c z e n ie o p ty m a liz a c ji Jednym z najczęstszych błędów popełnianych jH»dczas kom pilacji w środow isku Atmel Studio jest nicwlączcnic właściwego stopnia optymalizacji. W tym środow isku domyślnie tworzona jest wersja D ebug aplikacji, która pow staje na skutek kompilacji k
92

AVR. Praktyczne projekty

Rozszerzmy teraz typ zmiennej x na 16 bitów: s t a t ic in t x: x++:

Teraz wygenerowany kod będzie wyglądał następująco: sta tic Int x: x+* 28a 28e 292 294 298

80 90 01 80 90

91 91 96 93 93

00 20 01 20 00 20 0] 20

lds 1ds adiw s ts s ts

r24. 0x2000 r25. 0x2001 r24. 0x01 0x2000. r24 0x2001. r25

; 1

Tym razem , poniew aż z m ie n n a x m a d łu g o ś ć 16 b itó w , d o je j p rze c h o w a n ia p o trz e b o jem y 2 kom órek pamięci SRAM. a do operowania na mej — 2 rejestrów procesora. Ponieważ AVR posiada specjalną instrukcję dodawania stałej do rejestru 16-bitowego, sama operacja zw iększenia x o l to ciągle tylko 1 instrukcja asem blera (a d iw ) Jednak instrukcja a d iw potrafi dodawać tylko stalą Z zakresu <0 63>, jeśli więc do x dodaliby­ śmy w iększą stalą, np 64. to powstały kod się kom plikuje s t a t ic i n t x+=64: 28a 80 2Be 90 80 292 294 9f 296 80 29a 90

x: 91 91 5c 4f 93 93

00 20 01 20

00 20 01 20

Ids 1ds subi sbci s ts s ts

r24. 0x2000 r25. 0x2001 r24. OxC0 r25. OxFF 0x2000. r24 0x2001. r25

; 192

: 255

Operacja dodawania 64 do x została przetłumaczona na dw ie instrukcje (odejmowania s u b i i odejmowania z przeniesieniem s b c i). Kompilator preferuje wykorzystanie opera­ cji odejmowania, pamiętajm y jednak, zc w szelkie operacje w asem blerze są opera­ cjami m odulo 2'''dlugość rejestru, lak w ięc operacja dodaw ania stałej jest rów now ażna operacji odejm owania 2Adlugość rejestru - stała Jeśli x byłby typem 32-bitowym, to sytuacja wyglądałaby jeszcze gorzej: s t a t ic long x : X** 28a 80 91 00 20 28e 90 91 01 20 292 a0 91 02 20 296 bO 91 03 20 29a 01 96 29c al ld b l Id 29e 80 93 00 20 2a0 2a4 90 93 01 20 aO 93 02 20 2a8 2ac b0 93 03 20

lds lds lds lds adiw adc adc s ts s ts s ts s ts

r24. 0x2000 r25. 0x2001 r26. 0x2002 r27. 0x2003 r24 0x01 r26. r l r27. r l 0x2000. r24 0x2001. r25 0x2002. r26 0x2003. r27

W idzimy więc, ze im pojemniejszy typ zmiennej w ykorzystam y, tym dłuższy jest wygenerowany kod asemblerowy.

Rozdział 4. ♦ Jak tworzyć lepszy i efektywniejszy kod

Wskazówka

93

Pow inniśm y unikać stosow an ia długich typów zm iennych, sto s u ją c najkrótsze m ożliwe, w ystarcza ją ce do re alizacji zad an ia.

Sytuacja wygląda jeszcze gorzej, jeśli stosujemy hardziej skomplikowane operacje niż tylko dodawanie lub odejmowanie.

Zm ienne g lo b aln e i zm ienne lo k aln e Zmienne globalne programu to zmienne widoczne w każdym jego miejscu. Zmienne lokalne są widoczne wyłącznie w obrębie bloku programu, w którym zostały zadekla­ rowane. Dzięki temu kompilator może lepiej optymalizować do nich dostęp O ile to możliwe, staraj się umieścić je w rejestrach procesora, dzięki temu dostęp do nich jest natychmiastowy, a wygenerowany kod krótszy (nie musimy ich zawartości każdorazo­ wo pobierać i odkładać do pamięci SRAM). Ilustruje to poniższy przykład: in t x-100: void loopO

I w h ile (» *x ) asm v o la ti1 e ( “ nop"):

} Zmienna x jest zmienną globalną o wartości początkowej 100 Instrukcja asm v o la tile ( “nop") ma za zadanie tylko uniemożliwić nadmienią optymalizację pętli — bez mej pętla while zostałaby usunięta, gdyż z punktu widzenia wykonywania programu nie nic robi. W ywołując funkcję loop(). kompilator musi wygenerować następujący kod: void loopO { 28e: 80 91 00 20 28e: 90 91 01 20 292: w h ile ( 294: 296: 298: 29a: 29e: 2a2:

01 CO - - x ) asm v o la ti 00 00 01 97 e9 f i 10 92 00 20 10 92 01 20 08 95

Ids Ids

r24. 0x2000 r25. 0x2001

rjmp .♦2 le ( ’ nop‘*): nop sbiw r24. 0x01 brnę .-6 0x2000. r l sts SIS 0x2001. r l

; Pobierz u w łość początkową zmiennej

: do rejestrów R2S:R24 ; 0x296

; / ; 0x294

; ZopiSZ nową wartość zmiennej x

re t

Jak widzimy, kompilator generuje kod odpowiedzialny za załadowanie zmiennej x do rejestrów procesora, a następnie zapisuje ją ponownie do pamięci. Wymaga to wyko­ rzystania długich i czasochłonnych instrukcji Id s/sts. Jeśli x jest zmienną lokalną: void loopO

{ Int x=100: w h ile ( -- x ) asm v o l a t l l e (“nop"):

ł

94

AVR. Praktyczne projekty

kompilator może j ą utworzyć od razu w rejestrach procesora, inicjując j ą przy użyciu krótszych instrukcji ładowania rejestrów ld i: vołd 1oop() { 28a: 84 e6 r24. 0x64 ld i 28c: 90 e0 ld i r25. 0x00 28e: 01 cO rjmp .♦2 In t x= 100: w h ile ( - - x ) asm v o la t ile Cnop**): 00 00 290: nop 01 97 sbiw r24. 0x01 292: 294: e9 f7 brnę .-6 296:

08 95

; MN)

;0 : 0x292

;/ ; 0x290 p • 0x6

re t

Widzimy więc. żc kompilator potrafi znacznie lepiej optymalizować dostęp do zmien­ nych lokalnych.

WsUrówU

O ile to tylko m ożliwe, należy zaw sze korzystać ze zm iennych lokalnych, unikając wykorzystania zm iennych globalnych.

Wykorzystanie zmiennych lokalnych ma jeszcze inne zalety mezwiązane bezpośrednio z optym alizacją kodu wynikowego. Ich użycie ułatwia tworzenie większych progra­ mów. gdyZ zm ienne takie, nawet jeśli m ają takie same nazwy, mogą istnieć niezależ­ nie w różnych funkcjach programu. Dzięki ternu wywołanie innej funkcji nic zmienia wartości zmiennej lokalnej, przez co program staje się mniej podatny na błędy.

Wikarówka

Należy jednak pam iętać, ze zm ienna lokalna je st niszczona po wyjściu z bloku pro­ gramu. w którym została utworzona. W szczegó lności zm ienna taka nie zachowuje swojej w artości pomiędzy wywołaniami funkcji.

M o d y fik a to r re g iste r Skoro umieszczenie zmiennej programu w rejestrze procesora znacznie przyśpiesza do niej dostęp, to jaw nie umieszczając wybraną zmienną w rejestrach mikrokontrolera, możemy uzy skać znaczne skrócenie i przyśpieszenie wykonywania programu W tym celu avr-gcc stosuje specjalny modyfikator r e g is te r Informuje on kompilator. Ze związana z nim zmienna powinna zostać umieszczona we wskazanym rejestrze mikro­ kontrolera Związanie zmiennej z rejestrem jest stałe i obow iązuje w bloku programu, w którym taka definicja występuje. Zobaczmy to na przykładzie: register char x a$Jnrr3M): Int nain<) { x-m-; ):

Rozdział 4. ♦ Jak tworzyć lepszy i efektywniejszy kod

95

W powyższym kodzie zdefiniowano globalną zm ienną x o typie 8-bitowym. wskazując kompilatorowi, że m a ją umieścić w rejestrze R3 mikrokontrolera Ponieważ x jest zmien­ ną globalną. przy porządkowanie takie będzie obowiązywać w całym programie. W y­ generowany kod asemblerowy wygląda następująco r e g is te r char 1nl u a ln O

x asm ("r3M) :

i 28a:

33 94

in c

r3

Widzimy, że kompilator założył, że R3 zawiera wartość zmiennej x. i wykonując instruk­ cję jej inkrcmcntacji. nie ładował wcześniej do tego rejestru jej zaw artości W elekcie tworzony kod jest bardzo efektywny pomimo tego. ze x jest zm ienną globalną. Jeśli x będzie zm ienną o typie dłuższym niż 8-bitowy, to do jej reprezentacji zostanie zarezerwowanych więcej rejestrów procesora: r e g is te r in t x a s łn ('r4 "> : in t n a in O < x«-*:

} W tym przypadku zmienna x zostanie umieszczona w parze rejestrów R5:R4. tworzą­ cych razem rejestr 16-bitowy W ygenerowany kod będzie w ięc wyglądał następująco: r e g is te r I n t x a s m ("r4 "): i n t r a in O

{ 28a: 28c: 28e:

DB 94 41 lC 51 lc

sec adc adc

r4. r l r5. r l

/ĄJsfuw flogę Curry procesora //N -0*C arry //RS-O+Carry

Kompilator avr-gcc przyjmuje, że rejestr R1 ma wartość 0. stąd też w powyższym przy­ kładzie został on wykorzystany do inkrcmcntacji zmiennej x. W powyższym przykładzie do reprezentacji zmiennej x zostały w ykorzystane rejestry, począwszy od R4, a nie R3 jak w przykładzie wcześniejszym Jest to zw iązane z sam ym kom pilatorem , któ ry w przypadku alokaeji wielu rejestrów w ym aga, aby pierw szy rejestr |M>siadul num er parzysty. Zamiana R4 na R3 spowoduje błąd: e r r o r : r e g is te r s p e d fle d f o r *x ‘ ls n ’ t s u lta b le fo r data type

M odyfikator r e g is te r może zostać także użyty dla zm iennych lokalnych: void IcopO i r e g is te r char x asn(,’ r24‘*) - 0: w h ile ( - - x ) asm v o la t lle ( ’ n o p "):

): Powiązanie zmiennej x z rejestrem R24 procesora będzie obowiązywało wyłącznie w ciele funkcji loop()

96

AVR. Praktyczne projekty

Należy jednak pamiętać, Ze modyfikator r e g is te r jest tylko wskazówką dla kompilatora, jednak kom pilator może go całkowicie zignorow ać, np.:

W idzimy, żc pomimo naszej sugestii użycia rejestru R4 procesora dla zmiennej x kom­ pilator ją zignorow ał i użył rejestru R24. D zieje się tak ze w zględu na w ew nętrzną bu ­ dowę kompilatora — podczas translacji instrukcji języka C na instrukcje asemblerowe korzysta on z tzw. wzorców (ang. patterns). Jeśli taki w zorzec preferuje użycie określo­ nego rejestru procesora, to m odyfikator r e g is te r jest ignorowany. K orzystanie z r e g is te r nie jest bezkarne. M usimy pamiętać, że m ikrokontrolery AVR posiadają tylko 32 rejestiy, z czego 6 (X. Y i Z) s ą przez kom pilator wykorzystywane do specjalnych celów (np. adresowanie struktur i stosu), a rejestry RO- R15 m ają ograniczoną funkcjonalność (nie w szystkie instrukcje asemblera m ogą na nich operow ać). Stąd tez rezerwacja rejestru dla zmiennej powoduje. Ze z tego rejestru nie może korzystać kompi­ lator, co ogranicza mu możliwości optymalizacji programu W efekcie z. register powin­ niśmy korzystać bardzo ostrożnie i tylko w dobrze uzasadnionych przypadkach. N ad­ używanie tego m odyfikatora może przynieść efekty odw rotne do oczekiw anych — na skutek utrudnienia działania optym alizatora kom pilatora kod w ynikowy m oże stać się dłuższy i wolniejszy. M odyfikator r e g is te r wiąże się z jeszcze jedną poważną niedogodnością. Aby w ygene­ rowany kod by 1 poprawny, kom pilator po rezerw acji rejestrów musi przekom pilow ać w szystkie moduły składow e programu. Takie działanie kom pilatora jest dom yślne, lecz nie dotyczy ono prckom pikiw anych bibliotek dołączonych do aplikacji użytkow ­ nika — np bibliotek łlhc , li hm, iib p n n tfjlt itd W efekcie je śli z arez erw u jem y re ­ je s tr w ykorzystyw any w ty ch b ib lio tek ach , to w y g en ero w an y kod nic będzie działał p o p ra w n ie . Stąd tez korzystając z sWR-Iibc, bezpiecznie możem y alokować tylko część rejestrów — rejestiy R2 - R7. a w przypadku funkcji nieposiadających w ielu argumentów' także rejestry R8 - R15 Jeśli alokacja rejestru jest stosowana lokalnie, w ciele funkcji, a funkcja me w yw ołuje funkcji zew nętrznych. wr tym funkcji biblio­ tecznych. to m ożliw e jest bezpieczne alokow anie także innych rejestrów procesora, jednak bezw zględnie pow inniśm y unikać alokow ania rejestrów R 26- R31 (rejestrów x. Y i Z), które są intensywnie w ykorzystywane przez kom pilator do innych celów.

Rozdział 4. ♦ Jak tworzyć lepszy i efektywniejszy kod

97

U ży cie g lo b a ln ych re je stró w o g ó ln e g o p rz e zn a cze n ia Do przechowywania zmiennych globalnych można wykorzystać tzw. rejestry ogólnego przeznaczenia procesora GPIOn (ang G eneral Purpase //O R eg ister n). Podobnie jak w procesorach serii ATMega, także mikrokontrolery XMI£GA dysponują kilkoma reje­ strami ogólnego przeznaczenia, które można wykorzystać do przechowywania danych, do których dostęp jest krytyczny czasow o. lub musi być przeprow adzony w sposób atomowy. Rejestry tc lezą w pamięci pod adresami dostępnym i dla instrukcji operują­ cych na przestrzeni IO procesora. W szczególności są one dostępne dla instrukcji c b i/ s b i/ s b ic / s b is W przeciwieństwie do poprzednich modeli AVR, które dysponowały maksymalnie trzema takimi rejestrami. X M li(iA dysponuje aż szesnastoma, o nazwach GPI00 — GPI015

Wskazówka

Do rejestrów tych m ożna s ię odwoływać poprzez różne sym bole (co Jest związane ze specyfiką definicji rejestrów dla procesorów XM EGA) — i tak sym bole GPI01, GPI0_GPI01 odnoszą s ię do tego sam ego rejestru. Do ich adresow ania można także wykorzystać strukturę GPI0_t.

O ile rejestry te można wykorzy styw ać także do przechowywania zmiennych lokalnych, to największy sens ma umieszczanie w nicli wartości zmiennych, do których potrze­ bujemy dostępu globalnego Doskonałymi kandydatami są zm ienne współdzielone przez program głów ny i funkcje obsługi przerwań. Zmiany pojedynczych bitów rejestrów GPIO są przeprow adzane w sposób atomowy, np instrukcja: GPI02|-_BV(1):

powodująca ustawienie bitu nr 1 rejestru GPI02 jest tłum aczona na pojedynczą in­ strukcję asemblera: GPl02|s BV(1): 28a: 11 9a

sbi

0x02. 1

;2

Podobnie sprawdzenie stanu pojedynczego bitu odbywa się w sposób atomowy: if(G P 103 & _BV<2)) GP1021—_BV(1): else GP1024— _BY(1>: 28a 28C 28e 290 292 294

la 02 11 08 11 08

9b CO 9a 95 98 95

sbts rjmp sbi re t cbi re t

0x03. 2 .+4 0x02. 1

;3 : 0x292 ;2

0x02. 1

:2

Powyższy kod testuje bit nr 2 rejestru GPI03 i w zależności od jego stanu ustawia lub ze­ ruje bil nr I rejestru GPI02 Jak widzimy, instrukcja testowania bitu została zam ieniona na atom ow o w ykonyw aną instrukcję asemblera sbis. Poniew aż rejestry GPIO zajm ują spójny. 16-bajtowy obszar przestrzeni IO procesora, można je łączyć w celu przechowywania zm iennych o typach dłuższych niż. 8-bitowe.

98

AVR. Praktyczne projekty

D ostęp do takich zm iennych w pewnych warunkach będzie się odbywał o w iele szyb­ ciej niż do innych zm iennych programu, np.: v o la t ile u in t8 _ t * const byte!0=&GP100: v o la t1 le u ln tl6 _ t * const wordlO=(u1nt16_t*)&GPIOl: Ab y te 10-100: *wordl0=0xaabb:

Powyższy kod definiuje dwa wskaźniki — jeden wskazujący na typ u in t8 _ t (rejestr GPIOO), a drugi wskazujący na typ u in tl6 _ t (rejestry GPI01 i GPI02) Lokacjom wskazy­ wanym przez zdefiniowane w skaźniki przypisujemy następnie wartość 100 i 0xaabb W powyższym przykładzie zdefiniowaliśmy wskaźniki z m odyfikatorem v o la tile . dzięki czemu kompilator nie próbuje przechowywać danych tymczasowych w rejestrach procesora. M a to znaczenie, jeśli do pow yższych rejestrów odw ołujem y się także w przerwaniach W przeciwnym wypadku możemy m odyfikator v o la tile pominąć, co dodatkowo przyśpieszy operacje wykonywane na wskaźnikach bytelO i wordlO. Dodat­ kowy m odyfikator const informuje kom pilator, że w artość zdefiniow anych w skaźni­ ków nie może się zmieniać — w razie przypadkowej m odyfikacji wskaźnika kompi­ lator zgłosi błąd. Dostęp do zdefiniow anych w powyższy sposób zm iennych nie jest atomowy — jeśli wordlO może zm ieniać się i w procedurze obsługi przerw ania i w in­ nym miejscu programu, to musimy zapewnić dostęp atomowy, stosując makrodefinteję AT0MIC BŁOCK

W iU zów ki

Przypisując zm ie n n e program u po szczeg ó lnym rejestrom GPIO, s a m i m u sim y za d b a ć o Ich w łaściw ą a ło k a q ę , to znaczy uw ażać, aby Jednem u rejestrow i GPIO n ie przydzielić więcej niż jednej zm iennej. Kom pilator nie m a sza n s wykrycia takiej sytuacji konfliktowej.

Rejestry te można w ykorzystywać mc tylko do przechow yw ania zwykłych zmiennych programu, lecz także różnych flag, dzięki zastosowaniu pól bitow ych W ykorzystanie pół bitowych umożliwia lepsze wykorzystanie rejestru GPIO— jeśli potrzebujem y np. trzech flag 1-bitowych i pola o długości 5 bitów, to możemy do ich przechow yw ania wykorzystać jeden rejestr GPIO. Użycie pól bitow ych ilustruje poniższy przykład: typedef struct { uint8_t bO:1: utnta”t 51:1: uintflPt 52:1: uint8_t 53:1: utnt8_t 54:1: uint8_t 55:1: utnt8_t 56:1: utnt8_t 57:1: } yolatile 10: 10 * const flagi=(IO*>4GPIOO: f I a g i-> b O -l: f 1a g i-> b 7 = l:

Rozdział 4. ♦ Jak tworzyć lepszy i efektywniejszy kod

99

W powyższym przykładzie zdefiniowaliśmy strukturę o nazw ie 10. zaw ierającą pola odpowiadające poszczególnym bitom rejestru. Następnie stworzyliśmy wskaźnik o typie 10, wskazujący na rejestr GPI00 Na kolejnym etapie, w ykorzystując wskaźnik fla g i, ustawiliśmy bity bO i b7. które fizycznie znajdują się w rejestrze GPI00.

Wikarówka

D o stę p do takich flag odbyw a się tak, ja k to pokazano n a w cześniejszych przykładach — w sp o só b atomowy; m ożem y w ięc bezpiecznie m odyfikow ać je I w procedurach ob­ słu g i przerw ań, i w innych c z ę ś c ia c h program u.

Oczywiście możemy sic odwoływać do tych rejestrów bezpośrednio, stosując operacje przypisania czy maski bitowe, bez pośrednictwa zdefiniowanych powyżej struktur danych czy wskaźników W tym przypadku jednak tracimy oferow aną przez język C kontrolę typów, musimy także sami wyliczać odpowiednie maski.

Wykorzystanie innych rejestrów jako GPIOR Jako rejestry przechowujące zmienne programu możemy wykorzystać także nieużywane rejestry 10 procesora. Dobry mi kandydatami do tego celu są rejestry, które można odczy­ tywać i zapisywać, przy czym zmiana stanu rejestru pizy wyłączonym podsystemie 10. w skład którego wchodzi, nic zmienia działania procesora M ikrokontrolery XMEGA dysponują szeregiem takich rejestrów, a ich odpowiednie wykorzy stanie wraz z reje­ strami GPIO umożliw ia znaczną optymalizację kodu.

Inicjalizacja zm iennych g lo b a ln ych Zmienne globalne (oraz zmienne statyczne) są przez AW ł-libc domyślnie inicjalizowane wartością 0. W elekcie ich jaw ne zerowanie nic jest konieczne, lecz zazwyczaj nic prowadzi tez do wydłużenia kodu Kompilator zazw yczaj taka inicjalizację pomija.

P o ło że n ie zm iennych w p a m ię ci W pewnych sytuacjach położenie zmiennych w pamięci może mieć istotne znaczenie i umożliwia znaczną optymalizację kodu. W języku C właściwie nic mamy wpływu na sposób, w jaki kompilator rozmieszcza zmienne Pewnym wyjątkiem są pola struktury , które zawsze zajm ują sąsiadujące obszary pamięci w kolejności, w jakiej zostały zde­ finiowane. Stąd tez aby uzyskać większą kontrolę nad zmiennymi, należy wykorzystać specyficzne dla kompilatora rozszerzenia.

Wskazówka

Pokazane przykłady działają wyłącznie z kom pilatorem gcc. S ą niekom patybilne z in­ nymi k o m p ila to ra m i Języka C.

100

AVR. Praktyczne projekty

Kontrolę nad rozmieszczeniem zmiennej możemy uzyskać poprzez wykorzystanie specjalnego atrybutu — al ignment. Określa on wyrównanie adresu zmiennej w pamięci, to znaczy, ze dla jeg o wartości równej 1 zmienne są wyrównywane do jednego bajtu, dla wartości 2 do dw óch bajtów itd W elekcie wiemy, że adres zmiennej w pamięci jest podzielny przez wartość wyrównania. Co nam to daje? Zysk z tego płynie w specy­ ficzny ch sytuacjach, np przy tworzeniu buforów w pamięci W wielu sytuacjach umoż­ liwia to uproszczenie arytmetyki w skaźników , w efekcie w ygenerow anie krótszego i efektyw niejszego kodu. Użycie tego atrybutu ilustruje poniższy przykład int _ a t t n b u t e _ ((aligned (8))) yyyy-20: Utworzona zmienna yyyy będzie miała adres podzielny przez 8 — w efekcie mamy gwarancję, że 3 najmłodsze bity adresu będą miały wartość 0 Upraszcza to różnego typu operacje porównania

O p tym alizacja pętli Pętle sąjcdnym i z najczęściej używanych elementów programu Stąd ich optymalizacja może potencjalnie przynieść spore korzyści Należy jednak pamiętać. Ze oprócz opty­ malizacji sposobu tworzenia pętli szczególnie istotna jest optymalizacja jej ciała — instrukcje znajdujące się w pętli są wykonywane wielokrotnie, stąd tez nawet niewielkie różnice czasów ich wykonywania przekładają się na spore oszczędności. Korzystając z pętli, pamiętajmy o kilku prostych zasadach Pętle nieskończone za­ zwyczaj najefektywniej tworzy się instrukcją for, mniej efektyw ne są pętle tworzone instrukcją while. Aczkolwiek dużo tu zależy od m ożliwości optymalizacji użytego kompilatora. Zazwy czaj pętle typu doj }whi1 e są efektywniejsze niz pętle typu whi le{ gdzie warunek jest sprawdzany na początku pętli. Pętla jest zazwyczaj lepiej zorganizowana, także jeśli stosujemy predekrementację zmiennej sterującej pętli (—zmienna) lub jej postinkrementację (zmienna++)— jest to związane ze sposobem, w jaki sprawdzane są warunki zakończenia pętli w kodzie asemblerowym. W przypadku pętli zagnieżdżonych w arto pamiętać, aby pętla wykonująca się w iększą liczbę razy była zagnieżdżona w pętli wykonującej się m niejszą liczbę razy. np.: for(int cl-100:cl>0:--cl) for(1nt c2=1000:c2>0:--c2) {} Zyskujemy w ten sposób na czasie wykonania takich pętli, gdyż organizacja pętli we­ wnętrznej wymaga wykonania pewnych dodatkowych instrukcji (np. inicjalizacji zmien­ nej c2). W powyższym przykładzie taka inicjalizacja odbędzie się tylko 100 razy: gdyby odwrócić kolejność pętli, to zmienna c2 musiałaby być inicjalizowana az 1000 razy.

WsJuzówka

O p ty m a liza to r gee w pew nych w arun ka ch j e s t w s ta n ie w ykryć ta k ą sytu ację i sa m z m ie n ić k o le jn o ś ć pętli, je ś li stw ie rd zi, że nie w płynie to n a re a lizo w a n y kod.

Rozdział 4. ♦ Jak tworzyć lepszy i efektywniejszy kod

101

O ptym alizacja funkcji Pisząc w języku C. możemy sporo zyskać, jeśli zoptymalizujemy wywołania funkcji lub przekażemy kompilatorowi dodatkowe informacje na temat ich działania. Dzięki temu może on przeprowadzić bardziej radykalną optymalizację, skutkującą zazwyczaj lepszym kodem.

Optymalizacja funkcji main Każdy program w języku C jest wykonywany, począwszy od funkcji o nazwie main1. Zc względu na to. zc język C pierwotnie został stworzony dla komputerów posiadają­ cych system operacyjny, funkcja main przyjmuje argumenty wywołania będące para­ metrami wywołania programu oraz zwraca jego rezultat w postaci liczby o typie in t. Jednak program działający w mikrokontrolerze (bez. system u operacyjnego) nie ma parametrów wywołania ani nie zwraca żadnych wyników — z e względu na brak sys­ temu operacyjnego nic miałoby to sensu. Aby poinformow ać kompilator o takiej specy­ ficznej sytuacji, wprowadzono atrybut OSjnain. którego użycie wygląda następująco: in t _ a ttr ib u te _ ( ( 0 $ _ ir a in ) ) mainO

Atrybut ten informuje kompilator, ze funkcja o nazw ie main je st funkcją, która nigdy się nie kończy, w efekcie kompilator może nieco zoptymalizować jej kod.

Optymalizacja prologów i epilogów funkcji Rozbudowane funkcje do swojego działania wymagają wykorzystania licznych reje­ strów procesora. Ponieważ kompilator gee przenosi odpowiedzialność za zachowanie części rejestrów na wywoływaną funkcję, w efekcie każda rozbudowana funkcja rozpo­ czyna się serią instrukcji przechowujących wartość rejestrów' (push) i po zakończeniu odtwarzających je (pop) ze stosu Instrukcje te zajm ują sporo miejsca i wydłużają kod wynikowy programu Jeśli możemy sobie pozwolić na nieznaczne wydłużenie czasu wykonywania funkcji (dla funkcji złożonych wydłużenie to jest pomijalnc). możemy zastosow ać specjalny param etr przekazywany kom pilatorowi -m call-prologues. Powoduje on, że kompilując funkcję wymagającą zachowania dużej ilości rejestrów, kompilator zamiast generować ciąg instrukcji push/pop. wygeneruje skok do specjal­ nej funkcji, której zadaniem jest zachowanie i odtworzenie stanu rejestrów. Ponieważ la funkcja jest wspólna dla wielu funkcji programu, w efekcie wygenerowany kod ulega znacznemu skróceniu Opcja ta daje szczególnie dobre efekty w przypadku pro­ gramu składającego się z w ielu długich funkcji. Dla prostych programów może przy­ nieść efekty dokładnie odwrotne — znaczne wydłużenie kodu. Ponieważ jej zastosowanie nie wymaga jakichkolwiek zmian w samym kodzie programu, a jedynie przekazania kompilatorowi dodatkowej opcji kompilacji, warto w finalnym programie pockspcr> montow ać z tą opcją. i Chyba zc to zm ienim y, w ykorzystując odpow iednie atrybuty funkcji.

102

AVR. Praktyczne projekty

Optymalizacja przekazywania parametrów funkcji Przekazyw anie param etrów funkcji w pewnych sytuacjach m oże prow adzić do znacz­ nego w zrostu objętości kodu. K om pilator języ k a C stara się przekazać param etry, um ieszczając je w rejestrach procesora. Jednak istnieje ograniczona liczba tych reje­ strów, w ięc w przypadku funkcji przyjm ujących dużą liczbę param etrów część z. nich musi zostać przekazana poprzez, specjalną strukturę danych — stos. Jednak takie prze­ kazanie parametrów jest bardzo kosztowne, gdyż muszą zostać wygenerowane instrukcje asem blerow e przygotow ujące dane na stosie, tak aby były o n e dostępne dla funkcji. Nie tylko funkcje wieloargumentowe są kosztowne w wywołaniu, tak samo kosztowne są funkcje posiadające niew ielką liczbę argumentów będących długimi typami danych, np. long — każdy taki argum ent w ym aga aż 4 rejestrów procesora. Prześledźm y to na przy kładzie: long rectClong x. long y. long z) _ a t t n b u t e _ ((nolnltne)): long rectClong x. long y. long z) 1 return x*y*z: 1 Zdefiniowaliśmy funkcję obliczającą objętość prostopadłościanu, która posiada 3 argu­ menty o typie long. D o ich przekazania do funkcji w ym aganych je st az. 12 rejestrów procesora. D efiniując prototyp tej funkcji, posłużono się rozszerzeniem charaktery­ stycznym dla avr-gcc — atrybutem noinl m e Pow oduje o n . Ze eialo funkcji nie jest osadzane w miejscu jej wywołania — normalnie zc względu na to. żc funkcja re c t jest krótka, kom pilator zam iast ją w yw ołać, um ieściłby jej ciało w m iejscu w yw ołania, co zaciem niłoby pow yższy przykład i utrudniło je g o zrozum ienie. Zobaczm y, jak w ygląda skom pilow ane eialo pow yższej funkcji: long rectClong x. long 1 28c af 92 28e bf 92 290 cf 92 292 df 92 294 e f 92 296 ff 92 298 Df 93 29a l f 93 5b 01 29c 29e 6c 01 2a0 ca 01 2a2 b9 01 2a4 a6 01 2a6 95 01 Oe 94 bd 01 2a8 2ac a8 01 2ae 97 01 250 De 94 bd 01 return x*y*z: 2b4

l f 91

y. long z) push push push push push push push push morw morw morw morw morw morw cali morw morw cali pop

no ni rl2 rl3 rl4 rl5 rl6 rl7 rlO. r22 rl2 . r24 r24. r20 r22. rl8 r20. rl2 rl8 . rlO 0x5 ~cr <_mnisiS> 0x37a r20. rló rl8 . r 14 0x37a ; Ox3?a < _mulsi3> rl 7

Rozdział 4. ♦ Jak tworzyć lepszy i efektywniejszy kod

2b6 2b8 2ba 2bc 2be 2c0 2c2 2c4

Of ff ef df cf bf af 08

91 90 90 90 90 90 90 95

pop pop pop pop pop pop pop ret

103

rl6 r 15 rl4 rl3 r 12 r ll no

Jak widzimy, kompilatorowi zabrakło wolnych rejestrów roboczych, więc część z nich umieścił na stosie. W elekcie została w ygenerow ana długa sekw encja instrukcji push i pop Gdyby funkcja zawierała więcej argumentów, kompilator musiałby wygenerować jeszcze dłuższe sekw encje dostępu do nich. Zastanówmy się. czy takiego wywołania nie dałoby się zoptym alizow ać. Oczywista optym alizacja polegałaby na zm niejszeniu liczby argum entów funkcji re c t Czy jest to jednak możliwe? Jak zapew ne pam iętasz z poprzednich rozdziałów , zm ienne, które są ze sobą powiązane, warto pogrupować w struktury — nie tylko zwiększa to przejrzy stość kodu. ale także ułatwia dostęp do takich zm iennych dzięki specjalnym instruk­ cjom adresowania pośredniego procesora. W clckcic zamiast przekazywać do funkcji 3 długie zm ienne, możemy przekazać jedną strukturę. Zobaczm y to na przykładzie: S tru c t

xyZ

//struktura przechowuje długości beków

{

łong x. y. z: ):

łong r e c t 2 ( s t r u c t xyz s t r ) _ a t t n b u t e _ ((nolnhne)): long r e c t 2 ( s t r u c t xyz s t r ) { re tu r n s t r . x * 5 t r . y * s t r . z :

} Ku naszemu zdziw ieniu, kod nic tylko się nic zmniejszył, ale w ręcz się wydłużył. D zieje się tak dlatego, ze struktura xyz w powyższym przykładzie jest przekazywana do funkcji re c t2 p r/c z wartość To znaczy. Ze kom pilator m usi w ygenerow ać kopię struktury i dopiero tę kopię przekazać funkcji. Proces tworzenia kopii jest nic tylko cza­ sochłonny. lecz także „pam ięciożem y" K opia struktury tw orzona jest na stosie, co w przypadku dłuższych struktur prowadzi do jego znacznego obciążenia.

Wskazówka

P a m ię ta jm y , ż e b y prze kazyw a ć przez w a rto ś ć tylko m a łe stru ktu ry , w ię k s z e o w ie le le p iej p rzekazyw ać przez re fe re n cję .

Funkcja re c t2 obliczająca objętość prostopadłościanu m c m odyfikuje pól struktury xyz. możemy więc ją przekazać do funkcji poprzez referencję Dzięki temu kom pila­ tor nic musi tworzyć kopii struktury, a do funkcji zamiast 3 argum entów zajm ujących łącznic 12 bajtów, przekazywany jest tylko krótki. 2-baj to wy wskaźnik na strukturę xyz. Skompilujmy więc popraw ioną w ersję naszej funkcji: s tru c t xyz

1 łong x. y. z:

104

AVR. Praktyczne projekty

}: long r e c t3 ( s tr u c t xyz * s t r ) _ _ a t t r ib u t e _ ( ( n o in lin e ) ) : long r e c t3 ( s tr u c t xyz * s t r )

{ re tu rn s tr - > x * s tr - > y * s tr - > z :

} W idzim y, zc w tym przypadku uzyskaliśm y pożądany efekt, w ygenerow any kod jest znacznie krótszy: long r e c t3 ( s tr u c t xyz * s t r ) 2c6 2c8 2ca 2cc 2ce 2d0 2d2 2d4 2d6 2d8 2da 2dc 2de 2e2 2e4 2e6 2e8 2ea 2ec re tu rn

push Of 93 r l6 push rl 7 l f 93 Bc 01 movw r l6 r24 fc 01 movw r30 r24 64 81 Idd r22. Z*4 75 81 Idd r23. Z*5 86 81 Idd r24. Z*6 97 81 Idd r25. Z+7 20 81 ld r lB . ;r Idd 31 81 r l9 . Z*\ Idd 42 81 r20. 1*2 Idd 53 81 r21. Z*3 Oe 94 bd 01 c a li 0x37a fB 01 morw r30 r l 6 Idd 20 85 r 18. Z+8 31 85 Idd r 19. Z*9 Idd r20. Z-MO 42 85 Idd 53 85 r21. Z * ll Oe 94 bd 01 0x37a c a li s tr - > x * s tr - > y * s tr-> z

2 f0 2f2 2f4

l f 91 Of 91 OB 95

pop pop re t

0x04 0x05 0x06 0x07 0x01 0x02 0x05 Cbc5~o < _muhiS> om 0x09 OxOa OxOb 0x57a < _mulsi$>

r l7 r l6

Różnica pięciu instrukcji być moZc nie wydaje się być porażająca, lecz dodatkowy zysk zobaczym y, przeglądając kod odpow iedzialny za w yw ołanie funkcji re c t i rect3 — tabela 4 1. Jak w idzim y, różnica jest porażająca.

Wskazówka

Pam iętajm y, że o Ile to tylko m ożliw e, pow iązane ze so b ą argum enty lepiej je s t grupo­ w ać w struktury i przekazyw ać do funkcji Jako w skaźn iki d o utw orzonej struktury, a nie s e r ię o d d z ie ln y c h arg um e ntów .

N iezależnie od w ielkości struktury przekazanie do funkcji w skaźnika do niej wymaga tylko 2 bajtów Powoduje to istotne oszczędności, tym bardziej żc dostęp do pól struktury odbyw a się efektywniej.

Rozdział 4. ♦ Jak tworzyć lepszy i efektywniejszy kod

105

T a b e la 4 .1 . W yw ołanie fu n k c ji r e d i recl3 u kodzie program u Kod w y w o ła n ia fu n k c ji re c t y o la t ile long x=10, y=10, z=20; 8a eO 1d 1 r24, 0x0A 300 302 90 eO 1dl r25, 0x00 304 aO eO ld i r26. 0x00 306 bO eO ld i r27. 0x00 308 89 83 std Y+ l, r24 30a 9a 83 std Y+2, r25 30c ab 83 std Y+3. r26 30e bc 83 std Y+4, r27 310 8d 83 std Y+5, r24 9e 83 std Y+6, r25 312 314 a f 83 std Y+7, r26 316 b8 87 std Y+8, r27 84 e l ld i r24, 0x14 318 31a 90 eO ld i r25. 0x00 31c aO eO ld i r26, 0x00 31e bO eO ld i r27, 0x00 320 89 87 std Y+9, r24 322 9a 87 std Y+10. r25 324 ab 87 std Y + ll, r26 326 bc 87 std Y+12, r27 x - r e c t( x , y , z ); 328 69 81 ldd r22, Y+l 7a 81 ldd r23, Y+2 32a 8b 81 ldd r24, Y+3 32c 32c 9c 81 ldd r25, Y+4 2d 81 ld d r l8 , Y+5 330 3e 81 ld d r l9 , Y+6 332 334 4 f 81 ld d r20, Y+7 336 58 85 ldd r2 1 , Y+8 338 e9 84 ldd r l4 , Y+9 33a fa 84 ldd r l5 , Y+10 33c Ob 85 ldd r l6 , Y + ll 33e lc 85 ld d r l7 , Y+12 340 Oe 94 46 01 c a li 0x28c

K od w y w o ła n ia fu n k c ji re c t3 10 0 0 0 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 20 0 0 0 0x09 0x0a 0x0b 0x0 c

s t ru c t xyz st={10, 10, 20}; 34c de 01 movw r26, r28 34e ld 96 adiw r26. 0xOd 350 eO eO ld i r30. 0x00 352 fO e2 ld i r3 1 , 0x20 354 8c eO ld i r24, 0x00 356 01 90 Id rO, 2+ Od 92 s t X+. rO 358 35a 81 50 subi r24, 0x01 35c e l f7 bme .-8 x= re ct2 (& st); 35e ce 01 movw r24, r28 360 Od 96 adiw r24, 0xOd 362 Oe 94 63 01 c a li 0x2c6

; ; ; ;

13 0 32 12

; 1 ; 0x356 main+0x60>

; 13 ; 0x2c6

0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0a 0x0b 0x0 c 0x28c

Nawei jeśli wywoływana funkcja modyfikuje argumenty i w efekcie przekazywanie wskaźnika do struktury zam iast jej kopii jest niepożądane, to o wiele efektywniej jest zm odyfikow ać ciało funkcji, niż zaniechać takiego sposobu przekazywania argu­ mentów. Dodatkowo dla lepszej kontroli błędów warto przekazyw any argument za­ deklarować. używając modyfikatora const. Dzięki temu wywoływana funkcja nic będzie go mogła zmodyfikować — przy takiej próbie kompilator wygeneruje błąd

Optymalizacja zwracania wyników funkcji Przekazywane wskaźniki na strukturę rozw iązują także problem zwracanych w yni­ ków funkcji. W języku C funkcje m ogą w prosty sposób zw racać wyniki będące po­ chodnymi typów prostych, np. in t. long W przypadku, kiedy zwracany wynik nie da się opisać typem prostym, musimy posiłkować się strukturam i. Struktury wynikowe tw orzone są na stosie, co wiąże się ze wszystkimi konsekw encjam i (objętość, długość

106

AVR. Praktyczne projekty

kodu wynikowego) opisanymi wcześniej. Gdy przekazujemy funkcji jako argument wskaźnik na strukturę, mc nas nic kosztuje umieszczenie w mej dodatkowych pól. które po wywołaniu funkcji będą zawierały wynik (tabela 4.2). T ab e la 4 .2 . Porównanie dw óch sposobów zwracania wyników-fu n kcji w yniku p o przez je d n o z p ó l argum entu fu n k c ji S tru c t xyz ( long x* y. z;

h

zwracanie struktury Itih zwracanie

s tru c t xyzpv ( long x. y . z; long po le. o bjętość;

//argumenty //w y n ik i

1; s tru c t wynik void o b l2 (s tru c t xyzpv * str)

( long po le. o bjętość;

(

s tru c t wynik o b i( s tr u c t xyz * str)

str->objeto$c*str->x*$tr->y*$tr->z; str-> po!e= str-> x*str-> y*2+ str>x*str->z*2+str->y*str->z*2;

(

)

\i

S tru c t wynik w; w .objctosc= str-> x*str-> y*str-> z; w.polc=str->x*str->y*2+str->x*str->z*2+str->y*str->z*2; re tu rn w;

\ Funkcja obi 2 jest zadeklarowana jako funkcja niczwracająca argumentów (void). Jest tak dlatego. Ze jej argument jest przekazywany przez referencję i oprócz pól będących sensu stricte argumentami (x, y i z ) zawiera także pola ( o b ję t o ś ć i p o le ), które po jej wywołaniu zawierać będą jej wyniki. Z kolei funkcja o b i zw raca strukturę zawierają­ cą wyliczone wyniki funkcji, jednak struktura ta musi zostać utworzona na stosie, co jest czaso -1 pamięciochlonne

Wskazówka

Pa m ię tajm y, ze wyniki fu nkcji b ę d ą ce złożonym i stru k tu ra m i danych o w ie le lepiej je s t zw ra cać poprzez argum enty funkcji przekazyw ane przez re fe ren cję (w skaźniki).

Umieszczenie dodatkowych poi w strukturze nic nas nie kosztuje, a dzięki temu funkcja będzie mogła w wygodny sposób zwrócić wyniki swojego działania, nie angażując Żadnych dodatkowych zasobów W praktyce w ten sposób opłaca się zwracać wyniki będące pochodnymi typów o długościach przekraczających długość wskaźnika (dla AVR typów o długościach >= 2 bajty). W ażną cechą przekazywania argumentów przez wskaźniki jest brak konieczności tworzenia ich lokalnych kopii, co nic tylko przyśpiesza wykonywanie programu, ale także zmniejsza zapotrzebowanie na pamięć RAM

Dodatkowe atrybuty funkcji Programista bardzo często wie o działaniu pisanej przez niego funkcji więcej, niż wy­ nikałoby tylko z jej kodu. Kompilator avr-gcc umożliwia przekazanie pewnych dodat­ kowych informacji o funkcji kompilatorowi, dzięki czemu może on dokonać dodat­ kowych optymalizacji.

Rozdział 4. ♦ Jak tworzyć lepszy i efektywniejszy kod

107

A try b u ty c o n s t i pure W idealnym przypadku funkcje powinny operować wyłącznie na swoich argumentach, o ile to możliwe, nie odwołując się do zmiennych globalnych. Czasami udaje się lak napisać funkcję, aby nic odwoływała się do żadnych innych struktur danych, a także do sprzętowych zasobów procesora, a jedynie do swoich argumentów'. W ynik działa­ nia takiej funkcji zależy więc wyłącznie od wartości jej argum entów i dla takich sa­ mych parametrów wywołania funkcja taka zw raca zawsze tę sam ą wartość. Tego typu funkcje można poddać dodatkowej optymalizacji — jeśli są one wywoływane wielo­ krotnie z takimi samymi argumentami, to kom pilator może zapam iętać w ynik wcze­ śniejszego wywołania funkcji i w trakcie kolejnego zamiast wykonać funkcję, wyko­ rzysta jej poprzedni wynik. Aby to było możliwe, programista powinien tego typu funkcje zdefiniować, nadając im atrybut const

Uwag*

Atrybutu c o n s t nie należy m ylić ze słow e m kluczow ym c o n s t Języka C. W tym przy­ padku c h o d z i o atrybut fu n kcji m e m a ją cy n ic w sp ó ln e g o z m o d y fik a to re m c o n s t.

Prototyp takiej funkcji wygląda więc następująco: in t p o te g a (in t) _ a t t r i b u t e _ ( ( c o n s t) ) :

Int potęga(tnt x) 1 return x*x: ł Powyższa funkcja o nazwie potęga przyjmuje ja k o argument jeden parametr i zwraca wynik o typie in t Ponieważ funkcja ta nie odwołuje się do żadnych zasobów sprzęto­ wych mikrokontrolera ani zmiennych globalnych, można jej przypisać atrybut const. dzięki czemu kompilator będzie mógł usuwać zbędne wywołania tej funkcji. Dla przy­ kładu poniższe wywołanie funkcji potęga: volat11e tn t z z * l: in t y y-1 0 : fo r(1 n t d=0:d<10:d*-*> zz=zz*potega(yy):

spowoduje, ze kompilator tylko jeden raz wywoła funkcję, a do dalszych obliczeń zostaną użyte wyniki pierw szego jej wywołania (argument funkcji się nic zmienia). Dzięki Icmu zaoszczędzonych zostało 9 zbędnych wywołań funkcji potęga Przy tak prostych funkcjach jak powyższa kom pilator często sam jest w słanie stw ier­ dzić. że funkcję w sposób bezpieczny można wywołać m niejszą liczbę razy. w efekcie attybut const niczego me zmienia. Jednak w przypadku funkcji bardziej rozbudowanych heuiystyka kompilatora może zawieść i taka funkcja nie zostanie właściwie zoptym a­ lizowana Aby można było zadeklarować funkcję z atrybutem const. musi być spełnionych kil­ ka warunków: ♦ funkcja nie może odwoływać się do innych zm iennych niż jej argumenty oraz zm ienne lokalne zdefiniowane w ciele funkcji;

108

AVR. Praktyczne projekty

♦ nie może odw oływ ać się poprzez w skaźniki do pól pam ięci (nie może w ykonyw ać dcrcfcrcncji wskaźnika); ♦ nie może wywoływać funkcji innych niż funkcje posiadające atrybut const. ♦ nic może odwoływać się do zasobów sprzętowych procesora

Wskarówfe

C o w ażne, ko m p ila to r w żaden s p o s ó b nie sp raw dza, czy po w yższe w arunki s ą sp e ł­ n ion e — leży to c a łk o w ic ie po stro n ie program isty.

Podobnym atrybutem do const jest atrybut pure. Jest on m niej restrykcyjny i funkcja zadeklarowana z takim atrybutem może odwoływać się do zm iennych globalnych (ale nie do zmiennych zadeklarowanych z atrybutem y o la tile ). &

Wskazówka

C h o cia ż nie je s t to błędem , n ie m a se n s u nadaw ać atrybutu c o n s t lub pure funkcjom , któ re n ie zw ra cają ża d n e g o w yniku.

A try b u t n o re tu m Atrybut ten stosuje się wyjątkowo w sytuacji, gdy definiujem y funkcję, która nigdy się nie kończy. W przypadku programowania mikrokontrolerów zazwyczaj taką funkcją jest funkcja main. ale może być nią także funkcja obsługująca jakiś krytyczny wyjątek programu. Atrybut ten powoduje, zc kompilator ignoruje to. co stanie się w sytuacji, kiedy wykonanie funkcji ulegnie zakończeniu — w szczególności nic zadba on o odtworzenie stosu i innych rejestrów mikrokontrolera — dzieje się tak. gdyż taka funkcja nigdy nie powinna się zakończyć — musi w sobie zawierać nieskończoną pętlę, np : votd f a t a l t ) _ a t t n b u t e _ ( ( n o re tu m )): vo id f a t a lO

ł w h ile ( l) :

1 Pozwala to nieznacznie skrócić kod wynikowy

A try b u ty a lw a y s jn lin e , n o in lin e i fla tte n Atrybuty tc są zbliżone swoim działaniem do słowa kluczowego języka C ml me Atrybut always_inl me powoduje. Ze lak zadeklarow ana funkcja niezależnie od jej długości nigdy nie będzie wywoływana, lecz jej kod zostanie osadzony w miejscu jej wywołania. W j m z y padku dłuższych funkcji powoduje to znaczne wydłużenie kodu wynikowego. lecz potencjalnie zyskujemy na szybkości wykonywania programu, gdyż nie jest konieczne wykonywanie kosztownych czasowo instrukcji skoków i powrotów z procedury (cal 1/re t) Stosowanie tego atrybutu jest sensowne dla krótkich funkcji Jego przeciwieństwem jest atrybut noinline. określający, że dana funkcja nigdy nie m a być osadzana w miejscu jej wywołania, niezależnie od jej długości Oba atrybuty pozw alają precyzyjniej kon­ trolować sposób, w jaki kom pilator osadza funkcje Jednak ich wykorzystanie daje zysk stosunkowo rzadko — zwykle decyzje podejmowane przez kompilator są w miarę

Rozdział 4. ♦ Jak tworzyć lepszy i efektywniejszy kod

109

optymalne i nie zachodzi konieczność „ręcznego” wspom agania. W yjątkiem są długie funkcje, w ywoływane w kodzie jednokrotnie. Funkcji takich kom pilator zazwyczaj nie osadza, lecz generuje skoki do nich — w tym przypadku zadeklarowanie ich z atry­ butem alKays_inl ine zazwyczaj skraca kod wynikowy. Kolejny atrybut — f la tte n — ma działanie zbliżone do inl ine. z tym że działanie to dotyczy nie samej funkcji, a funkcji wyw oływ anych w ciele funkcji posiadającej taki atrybut, np.: in t f la t _ f u n c ( in t x) _a t t r ib u te __ ( ( f l a t t e n ) ) : In t fla t_ fu n c ( In t x)

{ re tu rn p o te g a (x ):

1 W ywołana w ciele funkcji f l a t func funkcja potęga zostanie w niej osadzona niezależ­ nie od tego. czy została zdefiniowana z atrybutem inl ine, czy nie. W efekcie powstałe funkcje zazwyczaj są dłuższe, ale skróceniu ulega czas ich wykonywania. Najczęściej atrybut ten stosuje się dla funkcji obsługi przerwań.

A try b u t n o c lo n e Nowsze w ersje kompilatora gee potrafią tw orzyć w yspecjalizow ane w ersje funkcji, tzw klony. W yspecjalizowane w ersje zaw ierają kod zoptym alizow any dla jakiegoś zestaw u argum entów . Na przykład funkcja posiadająca dw a argumenty moZe być czę­ sto wywoływana z drugim argum entem będącym stałą — w takim przypadku m ożli­ we są pewne dodatkowe optymalizacje. K om pilator w efekcie utworzy dw ie wersje funkcji — jedną operującą na obu argumentach t drugą dla drugiego argumentu będą­ cego stalą W przypadku bardziej skomplikowanych funkcji może powstać wiele klo­ nów, w efekcie kod będzie wykonywany szybciej, ale zapłacimy za to cenę w postaci jego wydłużenia. Aby zapobiec tworzeniu klonów danej funkcji, możemy użyć atry­ butu noclone

A try b u t n o n u ll Atrybut ten w niewielkim stopniu wpływa na optymalizację kodu wynikowego, ale po­ prawia kontrolę nad kodem Można go stosow ać w przypadku funkcji, które jako argu­ menty przyjm ują wskaźniki. Argument ten określa, ze jeden lub w szystkie argumenty będące wskaźnikami nic mogą mieć wartości MULL. Jeśli na etapie kompilacji kom pi­ lator wykryje. Ze do takiej funkcji próbujemy przekazać wskaźnik o wartości MULL. zgłosi ostrzeżenie. Atrybut ten określamy w poniższy sposób: void *mencpy (vold *dest. const void *s rc . s t z e t len) _ a ttr ib u te _ ( ( n o n r u lI ( l . 2 ) ) ) :

Powy2sza funkcja jako argumenty przyjmuje dwa w skaźniki i Żaden z nich nie może mieć wartości NULL. Jeśli podając atrybut nonull. pom iniem y określenie parametrów, dla których takie sprawdzenie ma być dokonane, to kom pilator przyjmie, ze Żaden z param etrów funkcji nie może mieć wartości MULL.

110

AVR. Praktyczne projekty

A try b u t o p tim iz e Atrybut ten jest rzadko wykorzystywany, tym bardziej ze został on wprowadzony do kompilatora dopiero od wersji 4.5 i wyższych. Określa on poziom optymalizacji, jakiemu pow inna zostać poddana funkcja, niezależnie od poziomu optymalizacji określonej w opcjach przekazanych kompilatorowi ( -0 0 do -O s) Dzięki temu możemy wymusić, aby dana funkcja była zaw sze optymalizowana, a także zm ienić sposób optymalizacji, np. pod względem prędkości wykonywania lub długości kodu. Poniew aż jako pro­ gramiści sami wiemy najlepiej, co w danym miejscu program u jest nam potrzebne, in­ formację o tym możemy przekazać jako dodatkowy atrybut określający sposób opty­ malizacji funkcji, np.: v o id in n yj> o zicm {) _ a t t r i b u t e _ (( o p tlm tz e C O l" ) ) ) :

powoduje, ze funkcja zostanie skom pilowana z poziomem optym alizacji 01 zamiast domyślnym dla całego projektu.

Inne P a ra m e try -m re la x i -m s h o rt-c a lls Powyższe parametry pow odują włączenie optymalizacji skoków M ikrokontrolery AVR posiadają kilka rodzajów tego typu instrukcji — instrukcje skoków „krótkich” typu rjm p/rcall oraz instrukcje skoków długich jm p/call. Tc pierw sze są krótsze i szybciej wykonywane. Jeśli w ięc w yw oływ ana funkcja znajduje się blisko miejsca wywołania, to można zoptymalizować kod dzięki w ykorzystaniu instrukcji skoków' ..krótkich ’. Podmiana taka dokonuje się na etapie linkowania programu W arto powyższe opcje sto­ sów ać — nic one nie kosztują, a czasami m ogą skrócić i przyśpieszyć działanie programu.

P a ra m e tr -m s tric t-X A sem bler AVR nie jest w pełni ortogonalny, w efekcie nie w szystkie operacjo mogą być przeprowadzone na dowolnym rejestrze. W śród rejestrów indeksowych takim wyjątkiem jest rejestr X. dla którego me istnieją instrukcje odczytu/zapisu z przesu­ nięciem Kompilator, korzystając ż lego rejestru, musi je em ulow ać za pom ocą ciągu innych instrukcji, co wydłuża kod Powyższy parametr powoduje, Ze rejestr X nie jest wykorzystywany do tego typu operacji. Zazwyczaj prowadzi to do skrócenia kodu wynikowego, aczkolw ick dokładne wyniki zależą od aplikacji. Warto w finalnej aplikacji poeksperymentow ać z tym parametrem.

Wskazówka

P a ra m e tr ten j e s t w sp ie ra n y przez gee 4 .7 i w yższe o ra z n ie k tó re sp a tc h o w a n e w ersje gee 4 .6 .

Rozdział 4. ♦ Jak tworzyć lepszy i efektywniejszy kod

111

Elim inacja m artw ego kodu Elim inacja m artwego kodu jest bardzo szerokim pojęciem , obejm ującym usuwanie z kodu wynikowego programu fragmentów, które nigdy nie zostaną wykonane. Taki martwy kody moZe być związany zarówno z fragmentami stanowiącymi np. ciało funkcji, jak i całymi funkcjami, a nawet bibliotekami. Częściowo taka eliminacja następuje automatycznie w momencie kompilacji programu, lecz możemy ułatwić kompilatorowi to zadanie, przekazując odpowiednie opcje kompilacji i bukowania programu Spójrzmy na poniższy przykład: in t dead code(uint8 _t a) 1f( a — -1)

//o nigdy me będzie równe •i

{ a=a+10: //Dead codę re tu rn a: } e ls e re tu rn 1: //Funkcjazawszezwróci I

) Powyższa funkcja bada wartość zmiennej a. jeśli jest ona równa -1. to zwiększa a i na­ stępnie je zwraca Problem w tym. Ze a jest typu unsigned. więc jeg o wartość nigdy nie moZe być mniejsza od 0. wskutek czego cały warunek nigdy nie będzie prawdzi­ wy. W efekcie funkcja zawsze zwraca wartość 1. Zobaczm y, jak sobie z tym poradzi kompilator — oto przykładowy kod wykorzystujący funkcję dead code x-dead_code(x):

Kompilator wygeneruje dla niego następujący ciąg instrukcji 236: 238:

81 eO 80 93 00 20

Ich s ts

rZA. 0x01 :1 0x2000. r24

Jak widzimy, kompilator poradził sobie z problemem całkiem sprawnie — wykrył, że funkcja dead_code zawsze zwraca wartość 1. i powyższą linię zredukował do załado­ wania do zmiennej x wartości 1. W wielu nawet bardziej skomplikowanych sytu­ acjach kompilator potrafi automatycznie eliminować kod martwy, wydawałoby się więc. żc nic stanowi on problemu. Jednak nic zawsze kom pilator może działać tak sprawnie W przypadku funkcji kompilator zna cale ciało funkcji, może więc wykryć fragmenty kodu. które nigdy nie zostaną wykonane A co z samymi funkcjami? Czy funkcja, która w programie nie jest wykorzystywana, ale jest zdefiniowana, też zosta­ nie automatycznie wyeliminowana? Odpowiedź na to pytanie nic jest jednoznaczna. Jeśli mamy do czynienia z prostym programem, którego cały kod mieści się w jednym pliku, to kompilator może sprawdzić, do których funkcji następuje odwołanie w pro­ gramie. Funkcje, do których nic ma referencji, są eliminowane. Na przykład w wyniku kompilacji poniższego kodu: in t dead_code(uint8_t a)

I if(a > 0 ) re tu rn 1: e lse re tu rn 0:

ł

112

AVR. Praktyczne projekty

int nain(void) ł whiIe(1): } cala funkcja dead code zostanie usunięta z kodu wynikowego — kompilator stwierdzi, Ze program nie odwołuje się do niej. więc nie ma sensu um ieszczać j ej kodu w pliku wynikowym.

Wskazówka

C z a s a m i zależy nam . aby fu nkcja, do której nie w ystępuje re feren cja w program ie, nie zo sta ła z niego usunięta. Należy za sto so w a ć wtedy sp e cja ln y atrybut used, infor­ m ujący kom pilator, ze funkcja je s t używana, a jej ciało m a zn a le źć się w kodzie wyni­ kowym.

Stąd tez jeśli dodamy deklarację funkcji dead_code zaw ierającą atrybut used: in t dead_code

< u in t8 _ t a) _a ttr ib u te __ ((u s e d )):

to jej ciało nie zostanie usunięte, pomimo ze w kodzie nie ma do niego referencji.

Wskazówka

Pam iętaj jed n a k, że atrybut used je s t atrybutem kom pilatora, a nie linkera. W łączenie pokazanych w dalszej c zę śc i rozdziału optymalizacji linkera m o że spow odow ać usu n ię ­ cie ta kie j fu nkcji, n a w e t po m im o u życia atrybutu used.

Jednak nic zawsze kompilator ma szansę stwierdzić, czy dana funkcja jest używana, czy nic. Zazwyczaj program składa się z wiciu oddzielnych plików źródłowych. Każ­ dy z takich plików mozc być niezależnie kompilowany3, w efekcie kompilator nic może wiedzieć, czy dana funkcja nic jest używana w innym m odule — pliku źródło­ wym Nic ma więc możliwości usunięcia nieużywanych funkcji. Stąd też wystarczy, że naszą przykładową funkcję dead code przeniesiemy do innego pliku, który dołączy­ my do projektu, a kom pilator ju ż nic będzie mógł lej funkcji automatycznie wyelimi­ nować Czy to znaczy, żc sami musimy w ykryw ać nieużyw ane funkcje i jc usuwać z kodu źródłowego programu? Na szczęście nie. Co prawda kom pilator nic jest w sta­ nic lego zrobić sam. ale pracę tę może wykonać Iinkcr. Linkcr łączy zc sobą pliki obiektowe powstałe w wyniku kompilacji programu, ma więc informacje pozwalające wyeliminować funkcje, do których nie występuje referencja. Dom yślnie jednak opcja ta jest wyłączona — należy pamiętać, że jej włączenie spowoduje usunięcie wszystkich funkcji, do których nic występuje referencja w kodzie. W rzadkich przypadkach (np. pisania funkcji współdzielonych przez aplikację i bootloadcr lub funkcji, do których następuje odw ołanie poprzez tablicę wektorów) doprowadzi to tło powstania błędnego kodu Aby zapobiec wtedy niepożądanej eliminacji funkcji, wymagana jest modyfikacja skryptów linkera. W większości przypadków' włączenie tego typu optymalizacji jest jednak korzystne i prowadzi do skrócenia kodu wynikowego (o ile w kodzie źródło­ wym w ystępują funkcje, do których nie ma referencji). Jak to osiągnąć? Rozw iązanie jest dwuetapowe W tym celu kompilator musi współdziałać z link erem Aby to osiągnąć. " W przypadku systemu GNU I.inux pliki źródłowe zawsze są kompilowane równolegle przez niezależne instancje gcc. W systemie MS Windows pliki są kompilowane niezależnie, lecz wdanej chwili istnieje ty lko jedna instancja gcc.

Rozdział 4. ♦ Jak tworzyć lepszy i efektywniejszy kod

113

należy skompilować program ze specjalną opcją -ffu n c tio n -s e c tio n s Opcja la spo­ woduje. że każda funkcja, jaka znajdzie się w programie, będzie umieszczona w oddziel­ nej sekcji Samo to nie spowoduje żadnych zmian w kodzie wynikowym, lecz jest w arun­ kiem niezbędnym, aby linker mógł usunąć nieużywane funkcje — od tego momentu będą to po prostu nieużywane sekcje. Aby włączyć tę opcję w Atmcl Studio, należy wy­ brać właściwości projektu, a następnie zaznaczyć opcję Prepare fttnclions fo r garbage collection, tak jak to pokazano na rysunku 4 .1.

Rysunek 4 .1 . tt' celu umieszczenia poszczególnych funkcji w osobnych sekcjach należy skompilować program z włączoną opcją -function-sections. IV Almel Studio wymaga to po prostu zaznaczenia opcji Preparefunctionsfor garbage collection

W kolejnym kroku naleZy poinstruować linker. Ze ma usuwać nieużywane sekcje pamięci. W tym celu znow u we właściwościach projektu klikamy sekcję związaną z opcjami optymalizacji linkcra i zaznaczamy Garbage collect unttsedsections — rysunek 4 2. Z nieużywanym kodem powiązany jest jeszcze jeden atrybut W trakcie pisania biblio­ teki czasami dochodzi do zmiany jej interfejsu programistycznego (API). W efekcie pewne funkcje umieszczamy w bibliotece dla kompatybilności z wcześniejszymi wer­ sjami kodu. lecz chcemy je usunąć w przyszłości. Dobrze byłoby także mieć możli­ wość łatwego znalezienia w kodzie aplikacji miejsc, w których następuje odwołanie do takich funkcji. W tym celu gee dysponuje wygodnym atrybutem deprecated Skompilo­ wanie funkcji z takim atrybutem spowoduje wygenerowanie ostrzeżenia, lecz oczywi­ ście kod wynikowy będzie jak najbardziej poprawny. Przew agą tego sposobu jest możliwość wyłączenia ostrzeżeń danego typu, w efekcie możemy stary kod skompilować, ignorując atrybut deprecated. Odwołanie się do funkcji zadeklarowanej jak poniżej: In t s ta r a fu n k c ja () _a ttr lb u te __ ((d e p re ca te d )):

114

AVR. Praktyczne projekty

Rysunek 4.2. Aby nieużywane funkcje zostały usunięte z programu, należy p o zaznaczeniu opcji Prepare functions fo r garhage collection w opcjach optymalizacji kompilatora zaznaczyć opcję Garbage coliect nnuseJfunctions ir opcjach optymalizacji hrtkera Spowoduje to usunięcie wszystkich funkcji, do których nie występuje referencja »• kodzie

spowoduje wygenerowanie ostrzeżenia dotyczącego m iejsca, w którym następuje re­ ferencja do funkcji s ta ra funkcja. wraz z podaniem miejsca, w którym znajduje się jej prototyp: Warning 1 *stara_funkcja' is deprecated (declared at . . / ./GccApplication3.c:43) [•Wdeprecated-declarations] GccApp1ication3.c 54 2 GccAppllcation3 W miejscu, w którym znajduje się prototyp funkcji, należy umieścić komentarz informu­ jący' o naszych zamiarach — przyczynie, dla której funkcja nie powinna być używana, oraz informacje o ewentualnej dacie jej całkowitego usunięcia.

K o n stru k to ry i d e stru k to ry Pojęcia ..konstruktor” i „destruktor” zapewne większości czytelników kojarzą się z języ­ kiem C++, gdzie służą one do konstrukcji lub niszczenia instancji obiektu. Również w C. dzięki rozszerzeniu gcc. możemy uzyskać podobną funkcjonalność. Konstruktor w C++ jest wywoływany podczas tworzenia instancji obiektu, w języku C nic mamy obiek­ tów, ale w pewnym sensie takim globalnym obiektem jest sam a aplikacja. Konstruk­ tor jest więc funkcją, która jest automatycznie wywoływana, zanim sterowanie przejdzie do funkcji main. natomiast destruktor jest wywoływany w chwili, kiedy sterowanie opusz­ cza funkcję main O ile użycie konstruktorów w środowisku em beddetljest celowe i wy­ godne. o tyle ze względu na brak systemu operacyjnego funkcja main nie powinna nigdy się kończyć, w efekcie użycie destruktorów jest raczej bezcelowe Co nam daje użycie konstruktora? Przede wszystkim wygodę i pewność jego wykonania. Jest to wy­

Rozdział 4. ♦ Jak tworzyć lepszy i efektywniejszy kod

115

godne, gdyż konstruktor nie jest wywoływany jaw nie w kodzie aplikacji, za wywoła­ nie odpow iada kod startowy programu C, który znajduje się u bibliotece standardo­ wej. Dzięki temu kom pilator sam zadba o to. aby wywołać w szystkie konstruktor)'. Zaletą użycia konstruktora zamiast jaw nego wywołania funkcji jest jeszcze nieznacz­ ne skrócenie kodu wynikowego. Lisia wywołań konstruktorów' jest tworzona jako ta­ bela wektorów skoków , używana przez kod inicjujący biblioteki standardowej. Konstruktor)' możemy więc wykorzystać do automatycznej micjalizacji kodu. np. urzą­ dzeń peryferyjnych. Ma to szczególne znaczenie przy tworzeniu bibliotek — zam ie­ niając funkcję inicjałizacyjną biblioteki na konstruktor, użytkownik biblioteki nie musi sam dbać o jej wywołanie, w elekcie możliwość popełnienia błędu polegającego na użyciu niezamiejowanej biblioteki jest eliminowana. Konstruktorów warto tez używać do imcjalizacji zm iennych globalnych. Konstruktor)' deklaruje sic, dodając do nazwy funkcji atry but _a ttrib u te _ _ ( (c o n s tru c to r)), np.: votd 1 n it() _ a t t n b u t e _ ((con stru ctor)):

deklaruje funkcję o nazwie i n i t , która zostanie wykonana przed głównym kodem aplikacji — przykład znajduje się w katalogu P o k ła d y . K odC K o m tm klo iy W efekcie wykonanie kodu: void i n i t O _ a t t n b u t e _ ((con stru ctor)): void 1n1t{)

PORTA_OUT=Oxff: }

Int naln(void)

{

•*hi le ( l)

) spowoduje automatyczne wykonanie funkcji i n i t . w cfckeic zainicjowanie rejestru PORTA OUT wartością OxFF W aplikacji może występować dowolna liczba konstruktorów, w takiej sytuacji zostaną one wykonane po kolei W efekcie, jeśli w kodzie będą de­ klaracje dwóch konstruktorów': void in it O _a ttrib u te _ ((con stru ctor)): void i n i t i o _ a t t n b u t e _ ((con stru ctor)):

to obydw ie funkcje zostaną autom atycznie wykonane. A w jakiej kolejności? Na to pytanie nic da się odpow iedzieć, bo kolejność w ykonania konstruktorów zalczy od kolejności ich definicji w kodzie. W przypadku, kiedy konstruktor)' deklarow ane są w różnych modułach programu, kolejność ta może się zmieniać.

Wskazówka

Pa m ię taj, że k o le jn o ść w ywoływania kon stru kto ró w je s t n ie o k re ś lo n a . W e fe k c ie m u­ s z ą być o n e n a p is a n e tak, aby ich popraw ne w ykonanie n ie zależa ło od w cześn ie j w ykonanego kod u

Co prawda gee określa możliwość definiowania priorytetów konstruktorów poprzez do­ danie opcjonalnego parametru liczbowego, lecz avr-gcc nie wspiera tej funkcjonalności

Rozdział 5.

Jak uporządkować chaos, czyli złożone typy danych i listy W dalszych rozdziałach książki zostaną pokazane liczne przy kłady wykorzystujące złożone typy danych — listy, drzewa i stosy. Nie są to co praw da elementy bezpo­ średnio związane z mikrokontrolerami AV R/XM EG A . lecz zrozum ienie ich funkcjo­ nowania znacznie ułatwia pisanie własnych programów. C zym więc są owe złożone typy danych*' W języku C oprócz prostych typów danych mamy do dyspozycji typy złożone (ang. compositc Jata typei). Powstają one poprzez zdefiniow anie now ego typu. w którego skład wchodzi jeden lub więcej typów prostych. Często używanymi typami złożonymi są tablice i struktury (unie) Tablice um ożliw iają przechow yw anie w ielu wartości tego samego typu. z kolei struktury um ożliw iają łączenie typów w celu reprezentacji bar­ dziej złożonych danych Złożone typy m ogą być traktowane ja k o pojedyncze obiekty (tak ja k typy proste), możemy także uzyskać dostęp do ich elem entów składowych — będących typami prostymi lub złożonymi. W arto się z nimi zapoznać, gdyż są one często w ykorzystyw ane w pisanych progra­ mach. szczególnie w programach dla XMKGA Dzięki bardzo uporządkowanej prze­ strzeni I() tego mikrokontrolera dostęp do instancji układów peryferyjnych może odby­ wać się za pośrednictwem struktur, co czyni kod bardziej przejrzystym i uniwersalnym. W tym rozdziale zapoznasz się z podstawami teoretycznym i stosowania zloZonych typów' danych, a w kolejnym opiszę, jak w yglądają struktury używane do dostępu do przestrzeni IO mikrokontrolera XM liGA

118

AVR. Praktyczne projekty

Tablice Najprostszym typem złożonym są tablice. Składają się one z kolekcji elem entów o ty­ pie prostym lub złożonym. Co ważne, w przypadku tablicy każdy jej element ma taki sam typ. Poszczególne elementy identyfikowane są za pomocą indeksu — numeru pozycji. Indeksy numerowane są od zera. to znaczy, ze tablica 10-clcmcnlowa posiada elementy o indeksach 0 - 9 .

WsUrdwka

N a le ży p a m ię ta ć , że k o m p ila to ry Języka C n ie sp ra w d za ją p o p ra w n o śc i in d e k s u , w efekcie odwołanie się do elem entu o nieistniejącym in deksie nie je s t sygnalizowane jako błąd. N a program iście ciąży odpow iedzialność za spraw dzanie popraw ności in­ d e ksó w .

Tablice mogą być kolekcją typów prostych: 1nt ć [1 0 ]:

Mogą tez. składać się z elementów o typie /.łożonym, a także z elementów będących tablicami — w ten sposób można tworzyć tablice wielowymiarowe: int a[10][10]: tworzy dwuwymiarową tablicę, której elementy są typu in t. Elementy tablicy można inicjalizować przez przypisanie tak jak zwykle zmienne: a[0][0]-10: ale można tez je inicjalizować w chwili deklaracji — co je st szczególnie wygodne w przypadku tablic umieszczonych w pamięci FLASH: In t a[2][2] = {{0.01. 10 .1). <1.0>. < 1.1»:

Jak widzimy, kolejne elementy, którymi jest inicjalizowana tablica, um ieszczone są w nawiasach klamrowych Tablice można także deklarować jako typ niekompletny: Int a[]: co deklaruje tablice elementów o typie in t. lecz bez podania, ile elementów wchodzi w skład tablicy. Liczba elementów może być ustalana automatycznie przez kompila­ tor na etapie kompilacji programu: char a [ ] - “ T e s t":

Ponieważ tablica a jest inicjow ana przy deklaracji, kompilator może wyliczyć liczbę jej elementów. Ile ich będzie w tym przypadku? Szybka, aczkolwiek błędna odpo­ wiedź brzmi 4 — tyle ile liter ma łańcuch inicjujący. Pamiętamy jednak, ze łańcuchy w języku C są przechowywane w postaci ASCIIZ — każdy łańcuch jest zakończony terminatorem o kodzie 0 (NUL). Stąd też tablica a ma 5 elementów. Natomiast definicja: char a [4 ]= "T e $ t":

Rozdział 5. ♦ Jak uporządkować chaos, czyli złożone typy danych i listy

119

spowoduje utworzenie tablicy 4-elcmentowej, a powstały łańcuch nie będzie zakoń­ czony znakiem NULL — w efekcie nie jest to poprawny łańcuch znakowy i nie można na nim operować np za pom ocą funkcji zadeklarowanych w nagłówku siring.h Nazwa tablicy jest jednocześnie wskaźnikiem do jej pierw szego elementu. char a[4]-~T est": char *ptr*a:

Stąd tez element tablicy moZna indeksować poprzez deielerencję wskaźnika o odpo­ wiednim typie: p t r [ l ] = ’b ' :

Powyższe wyrażenie spowoduje zmianę wartości elementu tablicy a o indeksie 1. Oczy­ wiście możemy tworzyć wskaźniki na dowolne elementy tablicy: char *ptr=Ł a[l]:

spowoduje utworzenie wskaźnika na element o indeksie 1 W tym jednak przypadku musimy jaw nie skorzystać z operatora Apobierającego adres elem entu

Wskazówka

Poniew aż nazwa tablicy je s t tak napraw dę w skaźnikiem na elem enty o określonym ty­ pie, przekazując nazwę tablicy jak o argum ent wywołania funkcji, przekazujem y w skaź­ nik na ta b lic ę — w e fe kc ie nie je s t tw orzona lo k aln a kopia d a n ych tablicy w funkcji.

Na przykład wywołując funkcję vo id s trch g (ch a r t x t [ ] >

i tx t[0 ]-0 :

ł w ten sposób: char a [ 4 ] - “ TestM: s trc h g (a ):

moglibyśmy spodziewać się. Ze w funkcji streh g zostanie utworzona lokalna kopia tablicy a — nic bardziej mylnego. Przekazany do funkcji zostanie jedynie wskaźnik na a. w efekcie wszelkie modyfikacje elem entów tablicy' przez przekazany wskaźnik będą dotyczyły samej tablicy a

S tru k tu ry W języku C każda zmienna musi posiadać określony typ. Zazwyczaj istniejące typy proste są wystarczające do opisu zmiennej, niemniej czasam i opis wymaga zastoso­ wania bardziej zlozonej struktur)' danych Na przykład opisując pojazd, potrzebujemy informacji o jego położeniu, prędkości, numerze rejestracyjnym ltd Widać więc ja ­ sno. Zc informacji tych nic da się zapisać w postaci typu prostego. W tym celu możemy posłużyć się kilkoma zmiennymi, np :

Rozdział 5. ♦ Jak uporządkować chaos, czyli złożone typy danych i listy

121

Aby nie pisać za każdym razem s tr u ć t zmienna, m ożem y użyć znanego nam słowa kluczowego typedef: ty p e d e f s tru c t in t

położenie

x. y:

'prędkość

in t v;

char r e je s tr a c ja [8 ]: ) pojazd:

/far rejestracyjny pojazdu

Jeśli będziemy chcieli przechowywać informacje o np 10 pojazdach, lo deklarację zmiennej samochód łatwo można zmienić na tablicę s tru c t pojazd samochod[10]:

Utworzona tablica będzie zawierała 10 elem entów o typie pojazd, z których każdy ma własne pola x, y, v, r e je s tr a c ja I tak jeśli będziemy chcieli odw ołać się do pojazdu o indeksie 4. wystarczy poniższy kod sam ochcd[4].x-0: samochcd[4].y»0:

Jak widać, organizacja danych w struktury znacznie zwiększa przejrzystość kodu. Oczywiście polami struktury mogą być nic tylko zmienne o typach prostych, możemy także użyć typów złożonych, w tym innych struktur Dla przykładu zdefiniujmy typ ciężarówka, który oprócz informacji zaw artych w połach typu pojazd zaw iera także informację o maksymalnej masie pojazdu ty p e d e f s tr u c t ciezarcwka

{ s tr u c t pojazd samochód: In t nasa:

1: W efekcie stworzyliśmy nowy typ zlozony posiadający pole o nazwie masa zawierające masę ciężarówki oraz pole o nazwie samochód, które z kolei zaw iera pola charaktery­ styczne dla typu pojazd Dostęp do takich pól odbywa się następująco: s tru c t ciężarówka vo lv o : volvo.masa=10: v o lv o . samochód. v -9 0 :

Jak widzimy, operator referencji ( .) został wykorzystany dw ukrotnie, raz do selekcji pola typu ciężarówka, za drugim razem do selekcji pola typu pojazd, reprezentowanego przez pole o nazwie samochód. W pokazanym przykładzie stworzenie struktury ciężarówka wykorzystującej strukturę pojazd wiązało się z utworzeniem dodatkowego pola samochód — nic jest to wygodne rozwiązanie, gdyż do struktury pojazd musimy się odwoływać, podając nazwę pola Nie­ stety języ k C nie obsługuje tzw . dziedziczenia s tru k tu r, w przeciw ieństw ie do ję ­ zyka C++. Jednak firma Microsoft wprowadziła rozszerzenie języka C o tzw. struktury anonimowe Dzięki temu rozszerzeniu nasza struktura ciężarówka może wyglądać tak:

122

AVR. Praktyczne projekty

typ e d e f s tru c t

{ in t x. y: i n t v: char r e je $ tr a c ja [8 ]: } pojazd:

//położenie //prędkość

//nr rejestracyjnypojazdu

typedef s tru c t

{ pojazd: i n t masa: } ciężarówka:

//Struktura anonimowa

Do pól takiej struktury można się łatwo odwoływać c ię ż a r ó w k a v o lv o : v o lv o .v = l0 0 :

Jak widzimy, struktura ciężarówka zachowuje się tak. jakby pola slrukluiy pojazd były bezpośrednio w mej zadeklarowane W ten sposób możemy zrealizow ać coś. co przy­ pomina znane z C + + dziedziczenie1. Niemniej takie rozszerzenie jest charakterystyczne dla kompilatora C firmy Microsoft. Używany przez nas gee (i avr-gcc) nie obsługuje takich rozszerzeń języka, chyba ze... nakażemy mu ich używ anie odpowiednim para­ metrem kompilatora. Aby avr-gcc rozpoznawał pokazane pow yżej struktury*i2, musi­ my w czasie jego wywołania przekazać mu param etr -fms-eatensions Informuje on kompilator. Ze ma wykorzystywać rozszerzenia języka C znane z kompilatora fumy M icrosoft. W jaki sposób to uczynić? Jeśli sami tworzymy skrypt Makefile, to doda­ jem y to jako kolejny parametr wywołania kompilatora, natomiast korzystając z Atmel Studio, należy wybrać Project Properties. a następnie Toolchahi/A TR/GNU C Compiler i Afiscellaneous i dodać wymagany param etr (rysunek 5.1). R y s u n e k 5 .1 .

Dodanie wsparcia dla anonimowy ch struktur wewnątrz definicji innych struktur. Aby kompilator rozpoznawał tego typu konstrukcje językowe, nalefy w polu Other Jlags dodać opcję -fms-extensions

1 W ANSI C jedyną możliwością realizacji tego typu ..dziedziczenia” było zastosowanie makrodcfinicji

i preprocesora. " Inne sposoby w ykorzystania struktur anonim ow ych są bezpośrednio w spierane przez avr-gcc i nie w ym agają żadnych dodatkow ych param etrów w yw ołania kom pilatora.

Rozdział 5. ♦ Jak uporządkować chaos, czyli złożone typy danych i listy

123

Deep copy i shallow copy Na strukturach możemy w ykonyw ać praktycznie te same operacje co na zmiennych o typach prostych, możemy np. przypisać w artość jednej zm iennej innej zmiennej: ciężarówka c l. c2: cl=c2: Powyższe powoduje przypisanie zmiennej c l o typie ciężarówka wartości zmiennej c2. To znacz)', że w szystkie pola zmiennej c l będą miały taką samą wartość jak pola zmiennej c2. Operacja taka odbywa się poprzez skopiowanie obszaru pamięci zajmowa­ nego przez c2 do obszaru zajm owanego przez c l, czego możem y dokonać pośrednio w następujący sposób memcpydcl. &c2. sizeof(ctezarowka): Jak widać, taka operacja w przypadku struktur zawierających szereg pól jest czasochłon­ na. a także ..pam ięciochlonna” . Należy więc z takich operacji korzystać ostrożnie. Szczególną ostrożność należy zachow ać w przypadku struktur zaw ierających wskaź­ niki. np.: struct te st { Int x: tnt *y: } z l. 22: 1nt c=10: z2.y-Sc: zl=z2: zl.*y-5: W elekcie powyższych operacji zm ienna z l będzie miała identyczną zawartość jak zm ienna z2 Jednak jednym z pół struktur) t e s t je st w skaźnik na zm ienną o typie in t. W skaźnikowi temu dla zm iennej z2 przypisujemy adres zm iennej y. Po wykonaniu operacji zl=z2 wartości pól z l.y i z2.y będą sobie równe. W efekcie oba pola będą wskazywały na tę samą zmienną c. Dzięki temu po wykonaniu operacji z l. *y=5 zmien­ na c zmieni w artość na 5 Może to prowadzić czasam i do problem ów , lecz praw dziwe problemy pojaw ią się w sytuacji, kiedy korzystamy z dynam icznej alokacji pamięci:

22.y=nalloc(sl2e o f(in t)): zl«z2: free(z2.y): Najpierw przydzieliliśm y dynam icznie pam ięć (malloc). a następnie ją zwolniliśmy (free). Jednak w m iędzyczasie przypisaliśm y zm iennej z l w artość pól zm iennej z2. a także pola z2.y. Jeśli gdzieś w programie wykonamy operację f r e e ( z l.y ) . to taka operacja spowoduje błąd w ykonania programu (doprowadzi do uszkodzenia sterty), gdyż obszar pamięci wskazywany przez z l.y został ju ż wcześniej zwolniony (w trakcie wywołania fre e (z 2 .y )).

124

0

WsUrówb

AVR. Praktyczne projekty

Pam iętajm y, ze w trakcie wykonywania operacji przypisania nie s ą kopiow ane obszary pa m ię ci w skazyw ane przez w skaźn iki. P ro gra m ista m u si sa m za d b a ć o prawidłowe k o p io w a n ie ta k ic h pół.

Przeanalizujmy jeszcze jeden przykład. Mamy strukturę punkt: struct punkt { int x. y. z: }:

Struktura ta ma tr/y pola: x. y i z. Tworzymy dwie zm ienne, pl i p2. a następnie chcemy, aby zmienna pl miała w artość taką jak p2: struct punkt pl. p2-{1.2.3}: P1-P2:

Zgodnie z oczekiwaniami kom pilator wygeneruje poprawny kod. w efekcie wartość pól zmiennej pl będzie taka sama jak wartość pól zmiennej p2. & Wikarówka

Kopiow anie pól struktury (lub innego obiektu), polegające na prostym przepisaniu war­ to ś c i pól z jed nej Instancji do drugiej, nazyw a s ię kop io w a n ie m płytkim (ang. shallow

copy).

Do tej por)r wszystko działa dobrze. Zastanówmy się w ięc nad kolejnym przykładem. Tym razem nasza struktura wygląda tak: struct rekord < char wiek: char *imie: char *nazwtsko: ): Oprócz pola wiek o typie i n t zawiera ona dwa wskaźniki na typ c h a r. Spróbujmy więc zainicjować zm ienną o typie rek o rd static struct rekord recl: recl.wiek=35: recl.imie-strdup(“Jan"): recl.nazwisko=strdup("Kowalski"):

Pola m ie i nazw isko w skazują na kopie łańcuchów „ Jan " i „K ow alski". Spróbujmy w ięc utworzyć kopię naszego rekordu: struct rekord rec2=rect:

Pozornie wszystko jest w porządku, wszystkie pola zmiennej rec2 są identyczno z polami zmiennej r e c l Ale czy rzeczywiście tak powinno być? Oczywiście nie. Pola im ię i nazwisko to wskaźniki, oczywiście dwa różne wskaźniki m ogą wskazywać na ten sam obszar pamięci, lecz taka sytuacja rodzi problemy. Co w sytuacji, gdy usuniemy zmienną rec2? Aby nic doszło do wycieku pamięci, musimy zwolnić alokowaną dyna­ micznie pamięć przydzieloną polom unie i nazw isko

Rozdział 5. ♦ Jak uporządkować chaos, czyli złożone typy danych i listy

125

fre e (re c 2 .in ie > : fre e (re c2 .n a zw isk o ):

1 tu się pojaw ia problem — zwalniając pam ięć przydzieloną polom zmiennej rec2, jednocześnie zwolniliśmy pamięć przydzieloną polom zmiennej recl! W elekcie warto­ ści pól imię i nazwisko w skazują na nicprzydzielony im obszar pamięci — stąd ju z mały krok do katastrofy '. Wszystkiemu winne jest płytkie kopiowanie. Język C++ dys­ ponuje wygodnymi mechanizm am i pokonania tego typu problem ów (implementacja konstruktora kopiującego obiektu), niestety w C musimy sobie radzić trochę naokoło.

W sJuiów b

Przede w szystkim pam iętaj, że kopiow anie jakiejkolw iek struktury zawierającej w skaź­ niki wymaga kopiow ania głębokiego (ang. decp copj). Użycie w tym przypadku operatora przypisan ia (=) prow adzi do kata stro fa ln ych problem ów .

Jak więc kopiow ać struktury (czy ogólnie obiekty) zaw ierające wskaźniki na pamięć alokow aną dynamicznie? Przede wszystkim musimy znać strukturę takiego złożonego typu. Musimy tez napisać w łasną funkcję kopiującą, np. taką ja k poniższa: void rec_copy(struct rekord *dst. struci rekord *$rc) { dst->wiek=src->wiek: dst -> i mi e -s t rdup ( s rc - >i mie >: //sirdnp tworzy kopię łańcucha znakowego. dst->nazw1sko=strdup(src->na2w lsko) : //alokująciUa niego/Koritęć ) Funkcja la tworzy kopie pól unie i nazwisko w ten sposób. Zc alokuje dla nich osobną pamięć i kopiuje do niej wartości z rekordu źródłow ego (funkcja biblioteczna strdup załatwia problem tw orzenia duplikatów łańcuchów). W efekcie wywołania rec_copy(&rec2. Łrecl): rec2 będzie zawierało w łasną kopię danych zmiennej recl. K opiow anie głębokie w ym ag a zn ajo m o ści s tru k tu ry d a n y ch przech o w y w an y ch w obiekcie, w efekcie w ym aga specyficznych d la o b iek tu fu n k cji kopiujących. Niestety język C nic wymusza na program iście korzystania z nich. co m oże prowa­ dzić do błędów (w przeciwieństwie do języka C-H-, w którym przypisanie wywołuje konstruktor kopiujący obiektu, lecz ciągle na programiście spoczywa konieczność jego stworzenia — domyślny konstniktor zapewnia tylko płytkie kopiow anie obiektu).

Wskazówka

W yjątkiem od o m ó w io n e j z a s a d y j e s t tw o rze n ie d u p lik a tó w o b ie k tó w zaw ie rających w s k a ź n ik i n a d a n e zn a jd u ją c e s ię w p a m ię c i F L A S H (z d e fin io w a n e z atryb utem PROCHEM). W przypadku ta kich stru ktur nie je s t w ym agane k o p io w a n ie g łę b o k ie — w skaźnik w skazujący n a za só b w pam ięci FLASH nigdy nie je s t zw alniany, stąd w sk a ­ zyw ana przez n ieg o p a m ię ć za w sze za w ie ra pop raw ne da n e .

W arto też pamiętać, żc pomimo iż na strukturach można przeprowadzać te sainc o p e­ racje co na typach prostych, m e jest możliwa operacja porów nyw ania dwóch struktur: 3

Katastrofa właściwie już nastąpiła, mały krok dzieli nas od ujawnienia sięjcj skutków.

126

AVR. Praktyczne projekty

1f(cl—c2) {...} mc jest popraw ną operacją języka C Aby porównać ze sobą dwie struktury, możemy wykorzystać funkcję memepy: iftmencpyt&cl. &c2. sizeof(ciezarowka))~0)

Wskaźniki i struktury Strukturami o w iele wygodniej jest się posługiwać przy uży ciu wskaźników. Dzięki temu można sprawnie przekazywać stmktuiy jako parametry funkcji, można też umknąć wielu niepotrzebnych operacji kopiowania pól struktury Definicja wskaźnika na strukturę jest podobna do definicji zwykłej zmiennej: ciężarówka *c: Taka definicja powoduje stworzenie wskaźnika na strukturę ciężarówka (zdefiniowaną wcześniej), lecz nie powoduje przydzielenia pamięci wymaganej do przechowywania pól tej struktury. Tak w ięc operacja c->aiasa=10: spowoduje nieprawidłowe działanie programu (oczywiście pomimo braku jakichkolwiek ostrzeżeń ze strony kompilatora). W arto na to zwrócić uwagę, gdyż jest to jeden z ty­ powych błędów popełnianych przy wykorzystaniu wskaźników na struktury Co więcej, nieprawidłowe działanie programu nic musi się objawiać natychmiast. Kompilator nie zgłosi nam żadnego problemu (taki zapis jest semantycznie poprawny), zostanie po prostu nadpisana przypadkowa komórka pamięci. Aby można było odwoływać się do struktur) przez laki w skaźnik, musi on zostać za­ inicjowany. Możemy go zainicjować, przypisując mu adres struktury: ciężarówka s. *c: c=&s: c->masa-10: W tym przypadku wskaźnik c wskazuje na zm ienną s. operacja c->masa powoduje dzięki temu zmianę pola masa zmiennej s. Wskaźnik możemy także zainicjow ać, korzystając z dynamicznej alokacji pamięci: c-malloctsizeof(ciezarcwka)): P a m ię tać należy, ze tak przydzieloną pam ięć należy zw olnić za pom ocą funkcji fre e . Wskazówka

Przy okazji poznaliśmy sposób, w jaki należy odwoływ ać się do pól struktury z zastoso­ waniem wskaźników — należy w tym celu użyć operatora dcrcfcrencji

Rozdział 5. ♦ Jak uporządkować chaos, czyli złożone typy danych i listy

127

W skaźnik na strukturę można także zainicjalizować stałym adresem — tak się dzieje w przypadku struktur odzwierciedlających rejestry sprzętowe procesora Istnieją one niezależnie od programu, a ich adresy są z góiy znane, stąd definiowanie instancji tego typu struktur wygląda nieco inaczej

Wikarówka

Należy pam iętać, ze je ś li struktura odzw ierciedla za só b sprzętow y, to m u si zo sta ć za ­ deklarow ana z m odyfikatorem v o l a t i l e , aby poinform ow ać kom pilato r o n iezależno ści sta n u z a s o b u o d se k w e n c ji program u.

Dla przykładu odwołania do zasobów IO zdefiniowane w plikach io.h dla danego typu procesora m ają postać jak poniżej: #def1ne VPORTO

(*(VFORT_t * ) 0x0010) /♦ VirtuałPort O •/

Oczywiście zamiast definicji preprocesora moglibyśmy po prostu zdefiniować odpo­ w iednią zmienną.

Struktury anonimowe W cześniej pokazano szczególny przykład użycia struktury anonimowej. Przyjrzyjmy się jeszcze przez chwilę nieco szczegółowiej tego typu ..tworom". Niektóre kompilatory języka C (w tym avr-gcc) w spierają rozszerzenie języka C. jakim są struktury i unie anonimowe'1. Tego typu stru ktu ry s ą w sp ie ra n e przez now y sta n d a rd ję z y k a C l i . Wskazówka

Struktury takie (lub unie) deklaruje się w ewnątrz innej struktury, np : s tr u c t kolo

{ 1nt promień:

Struct (

/ Struktura attonimowa

m t y: in t x:

): }: Jak widzimy, w ewnątrz struktury kolo umieszczona została druga struktura, bez podanej nazwy. Dzięki temu dostęp do pól takiej struktury odbyw a się bez podania tej nazwy — w efekcie pola struktury zostają jakby bezpośrednio umieszczone w struktu­ rze kolo Dostęp do nich odbywa się więc następująco s tru c t kolo k:

k.x-0: k.pronierr*0: 1 Pokazane poniżej wykorzystanie unn anonimowych nic wymaga zmiany* jakichkolw iek opcji kompilacji Tego typu rozszerzenie jest w prost wspierane przez avr-gcc.

128

AVR. Praktyczne projekty

Stosowanie struktur anonimowych jest wygodne, gdyż skraca pisanie, lecz poza tym nic ma żadnych innych korzyści z ich stosowania. W efekcie pow yższą strukturę kolo można by zdefiniować klasycznie: struct kolo i int praniem struct ( int y: int x: ) punkt: }: lub: struct pkt { int y: 1nt x: ): struct kolo int prom en: struct pkt punkt: 1: W obu przypadkach odwołanie do struktury pkt następuje poprzez podanie nazwy pola o takim typie w strukturze kolo: struct kolo k: k.punkt.x«0: W podobny sposób możemy tw orzyć anonimowe unie.

Inicjalizacja pól struktury Pola struktury możno inicjalizować tak. jak to pokazano w poprzednich przykładach: ciężarówka c: c.masa=10: M ożna też je inicjalizować od razu w trakcie deklarowania zmiennej: ciężarówka c « {.masa=0. .sar»ochDd.x=0. .sanochod.ys 0 | :

W przypadku, kiedy inicjujemy od razu wszystkie pola struktury, możemy pominąć ich nazwy i podać tylko ciąg inicjalizacyjny: struct pkt 1 int y: int x: }: struct pkt punkt*(l.l):

Rozdział 5. ♦ Jak uporządkować chaos, czyli złożone typy danych i listy

129

Jak widzimy, wartości kolejnych pól są rozdzielone przecinkami, a całość jest ujęta w nawiasy klamrowe. W podobny sposób możemy inicjalizować struktury, których pola są również strukturami: struct pkt { tnt y: int x: }: struct kolo { int promień: struct pkt punkt: >:■ struct kolo c={10. (1.2}}: W tym przypadku wartości pól struktury pkt będącej typem pola punkt struktury kolo umieszczamy w nawiasach klamrowy ch w inicjałizator/.c struktury kolo

Unie Unie są bardzo podobne do struktur, jedyna różnica polega na tym. ż.c każde pole unii posiada ten sam adres — offset każdego pola jest rów ny 0 W efekcie wielkość unii jest determinowana w ielkością najdłuższego z jej pól. Unie ułatw iają dostęp do części wiclobaj (owych struktur danych. Dla przykładu w mikrokontrolerach AVR typ cał­ kowity in t zajmuje 2 bajty Aby odwołać się do młodszego i starszego bajtu takiej zmiennej, można wykorzystać operacje arytmetyczne: in t X"100: char h t= x » 8 : char lo -x & OxFF:

W elekcie zmienna hi będzie zawierała starszy bajt zmiennej x. a zmienna lo jej młodszy bajt To samo możemy osiągnąć za pomocą unii: typedef unton

I

int x: struct < char h i: char lo :

1: } integer: Zdefiniowaliśmy unię, w ramach której mamy pole o nazwie x przechowujące wartość zmiennej typu in teg er oraz anonimową strukturę zawierającą pola hi i lo Ponieważ struktura jest zadeklarowana w ramach unii. w iec jej offset wynosi 0 — zajmuje ona dokładnie ten sam obszar pamięci co wcześniej zadeklarowane pole o nazwie x Dzięki temu wchodzące w skład tej struktury I-bajtowe pola hi i lo zostaną umieszczone w pa­ mięci w miejscach odpow iednio starszego i młodszego bajtu reprezentującego pole x. W efekcie do tych bajtów można się wygodnie odwoływać:

130

AVR. Praktyczne projekty

integer x-{10): char lo=x.lo: char h i-x.hi: w skulck czego zmienna lo będzie lak jak poprzednio zaw ierała młodszy, a zmienna hi starszy bajt zmiennej x. N ależy pod kreślić, że tego typu zm iany w program ie zw iększa ją jedynie je g o czytelno ść, zazwyczaj nie m ają je d n a k żadnego wpływu na w ygenerow any kod asem blerow y. W arto też pam iętać, że pokazane za sto so w a n ie unii je s t wrazlrwe n a s p o só b ro zm ieszczenia danych w p a m ię ci — czy k o m p ila to r ro zm ie szcza Je, p o czą w szy od n a jsta rsze g o bajtu (big-endian), czy o d n a jm ło d sze g o [littte-endian). W e fe k c ie ta k i k o d j e s t ś c iś le zw iąza n y ze sp rz ę te m (i użytym ko m p ila to re m ).

Wskazówka

Pola bitowe Czasami do przechow yw ania danych nic potrzebujemy w ielokrotności 8-bitów, lecz. wystarczy nam 1 bil (dla zmienny cli przechowujących tylko dwa stany), lub leż chcemy odzwierciedlić w strukturze jakiś zasób sprzętowy (rejestr) składający się z kilku bitów W tym celu można posłużyć się polami bitowymi. Dla każdego pola bitowego określa się jego długość (w bilach), tak jak (o zostało pokazane poniżej: struct b itfie ld \ char flaga : 1 char lic z n ik : 4 char pole : 7 }:

Liczby podane po dwukropku (:) określają długość pola w bitiieh Tego typu struktury są zazwyczaj przechowywane wf pamięci w postaci upakowanej — powyższa struktura zajm ie jedynie 2 bajty pam ięci, gdyż łącznie do jej reprezentacji potrzebnych jest za­ ledwie 12 bitów. Każde pole rozpoczynać się będzie zaraz po końcu pola poprzedniego W efekcie struktura b i t f i e l d będzie reprezentow ana w pam ięci, tak jak to pokazano na rysunku 5.2.

Starszy bajt 15

14

13

12

11

-

-

-

-

pole

M łodszy bajt 10

9

8

7

6

5

4 licznik

3

2

1

0 flaga

R y s u n e k 5 .2 . O dzw ierciedlenie .struktury h n /ie ld u* pom ięci. Z nakiem - o zn a czo n o bit}' niew ykorzystane

Co ważne, przy odwoływaniu się do poszczególnych poi kompilator sam zadba o wygene­ rowanie poprawnego kodu dostępu do danego pola. Dzięki tem u program ista nie musi mozolnie wyliczać masek bitowych, a powstały program jest o wiele bardziej uniwersalny — zm iana wielkości pola bitow ego nic w ym aga jakiejkolw iek zmiany w- kodzie

AVR. Praktyczne projekty

136

Czasami tworzy się listy, które nie mają końca t początku — ostatni element takiej listy zawiera wskaźnik na element pierwszy i vice versa. Jest to czasam i wygodne, szcze­ gólnie gdy lista jest wykorzystywana jako bufor (rysunek 5.4) lub jest listą jednokie­ runkow ą— nie trzeba wtedy przechowywać adresu początku listy.

R y s u n e k 5 .4 . N a górze przedstaw iono prostą listę jednokierunkow ą, każdy w ęzeł zaw iera w skaźnik do kolejnego węzła listy. W skaźnik w ęzła ostatniego m a w artość N U I c o sygnalizuje koniec listy. P o n iżej p rzedstaw iono listę kołow ą — elem ent ostatni lisiV (który' m e j e s t w żaden sposób w yróżniony> zaw iera w skaźnik n a elem ent p ierw szy

Listy jednokierunkowe Najprostszym przykładem listy jest lista jednokierunkowa. Każdy węzeł listy zawiera pole danych oraz wskaźnik do kolejnego węzła — ostatni węzeł zawiera wskaźnik o war­ tości NULL lub wskaźnik na pierwszy element listy w przypadku list kołowych Każdy element listy zawiera oprócz danych tylko jeden w skaźnik, stąd też listy to cechują się minimalnym wzrostem zapotrzebowania na pamięć w stosunku do zwykłych tablic. Lista laka wymaga także jednej zmiennej przechowującej adres początku listy (w przypad­ ku list kołowych może to być adres dowolnego węzła listy). W efekcie dodawanie elementów do listy od strony jej początku jest bardzo efektyw ne, niestety dodawanie elem entów do końca listy jest skrajnie nieefektywne — wymaga to przejścia przez wszystkie elementy w celu znalezienia węzła końcowego. Sytuację można uproście, jeśli oprócz wskaźnika na początek listy przechowywany będzie także wskaźnik jej końca. Ponieważ lista jest listą jednokierunkową, łatwo jest znaleźć adres kolejnych elem entów listy, niemniej jednak znalezienie adresu elem entu poprzedzającego jest czasochłonne i wymaga przejrzenia wszystkich węzłów, począwszy od początku listy. Wynika z tego. ze listy jednokierunkowe nadają się do przechowywania niewielkiej liczby dynamicznie alokowanych danych lub też dowolnej liczby, o ile dostęp do nich jest sekwencyjny.

Wskazówka

Spójrzm y n a przykładow ą im p lem entację listy jed nokieru nkow ej — przykład znajduje s ię w kata lo gu PtzykSady/COT/Lista-jednoktetunkowa.

Jak wcześniej wspominano, węzeł listy jednokierunkowej zaw iera dw a pola — pole da­ nych oraz pole l^ędąee wskaźnikiem na kolejny węzeł Stąd też najprościej zadeklarować odpow iednią strukturę

Rozdział 5. ♦ Jak uporządkować chaos, czyli złożone typy danych i listy

137

s tr u c t node

{ n o d e d a ta d a ta : s tr u c t node * n e x t:

//Pole danych //Wskatmk do następnego węzła

}: Ponieważ: nasza lista może pizechowywać dane o różnych typach, to aby zapewnić uni­ wersalność tworzonej struktury danych zdefiniowany został nowy typ o nazwie node_data. który domyślnie odpowiada typowi in t. ale może on być dowolnym typem, a tak/.e lypem złożonym: ty pede f I nt node_data:

Domyślnie lista przechowuje wartości o typie int

Do operowania na liście potrzebujemy minimalnego zestawu funkcji umożliwiających dodawanie nowego elementu listy, usuwanie go, policzenie liczby elementów czy po­ branie elementu o wskazanym indeksie. Spróbujmy po kolei napisać funkcje zarzą­ dzające listą Najpierw spróbujemy dodać element do listy Funkcja ta jako argument przyjmuje adres listy, do której chcemy dodać element, oraz dodawany element: void s ll_ a p p e n d (s tru c t node **q. node_data num)

1 s t r u c t node *twip » * q.*r: 1f (*q==NULL) //lasta me ma żadnego elementu i

temp - ( s t r u c t node*)nal l oc( s i zeof( s t r u c t node)): temp->data=nu7i: temp->next-NULL: *q-temp: //Będzie on pierwszym elementem listy | else

//Stwórz nowy węzeł

( ntii le(terrp->next '-NULL) temp-temp->next: //Znajttiostatni element r * ( s t r u c t nodeMmal loc< si zeof( s t r u c t node)): //Stwórz nowy węzeł r->data=num: r->next-NULL: temp*>next-r: /-‘D odaj węzeł do list}'

) ) Warto zwrócić uwagę na ciekawy zapis stru c t node **q — co to takiego? Jest to wskaź­ nik na wskaźnik — z pozoru zapis taki wydaje się bezsensowny, lecz ułatwia nam operowanie na liście Jak pamiętamy. szczególnym przypadkiem jest sytuacja, w której lista jest pusta — nic zawiera żadnych elementów, a więc wskaźnik na element po­ czątkowy ma wartość NULL W takiej sytuacji dodanie pierw szego elementu zmienia także wskaźnik na element początkowy, musimy więc mieć możliwość jego zmiany. Gdybyśmy po prostu przekazali wskaźnik na listę, to w wyniku dcrcfcrencji otrzymali­ byśmy w artość NULL, z którą nic nie dałoby się zrobić. Poprawny wskaźnik na w skaź­ nik nigdy me może mieć wartości NULL — jest to przecież istniejąca zmienna, w naszym przypadku jest to zmienna wskazująca na pierwszy element listy. Stąd tez modyfikując taki wskaźnik, w istocie modyfikujemy zmienną wskazującą na pierwszy element listy — uzyskujemy w ten sposób to. o co nam chodziło. Sama funkcja dodaw ania nic robi nie szczególnego — po prostu tworzy nowy węzeł, a następnie dodaje go do listy — ponieważ węzeł dodawany jest jako ostatni, jego pole next ma wartość IIULL. Jak pamiętamy, takie dodaw anie ma jedną poważną wadę

138

AVR. Praktyczne projekty

— wymaga iteracji po wszystkich węzłach listy, stąd proces ten jest tym wolniejszy, im dluzsza jest lista. Rozwiązaniem jest dodanie drugiego wskaźnika — wskazujące­ go koniec listy, w efekcie niepotrzebna będzie iteracja po kolejnych jej elementach Innym rozwiązaniem jest dodawanie kolejnych elementów na początek listy — taka operacja jest niezwykle szybka. Jednak w święcie mikrokontrolerów' XMKGA. w któ­ rym dysponujemy niewielką ilością pamięci, liczba stworzonych węzłów nie będzie raczej imponująca, stąd też narzuty czasowe są właściwie pomijalne. Skoro mamy funkcję dodającą elementy, przyda się też funkcja je usuw ająca: bool s i l deleteC struct n o d e *^ . node data num)

{

struct node *old.*temp=*q: bool flag=false:

whi Iedata**“rum) /'Czy znaleziono właściwy element? { 1f (terrp=*q) /Czy- znaleziony element jest pierwszym elementem listy? *q«terrp->next: //Jeśli tai-, to musimy zmienić referencję do pierwszego elementu e Ise o 1d->next-teiTp->next: //Usuwamyelement f ree (t CTip): //Zwalniamy przydzieloną mu pomieć flag-true: } else Nastę

old=tefrp: tenp-tefnp->next:

) I return flag: Ponieważ może się zdarzyć, że usuwany element jest pierw szym elementem listy, po­ dobnie jak w przypadku funkcji dodającej węzły, do funkcji usuwającej przekazywa­ ny jest w skaźnik na wskaźnik, co umożliwia modyfikację w skaźnika na pierwszy węzeł listy. Funkcja usuwająca dokonuje iteracji po wszystkich elementach listy aż do na­ potkania elementu poszukiwanego — jeśli go znajdzie, to usuwa go z listy. Usunięcie to polega na zmianie wskaźnika next elementu poprzedniego, lak aby wskazywał na element kolejny po elemencie usuwanym W ten sposób wyłączony element można usunąć poprzez zwolnienie przy dzielonej mu pamięci funkcją f ree Jeśli podany ele­ ment nic został znaleziony, funkcja zwraca wartość fal se Kolejną niezbędną funkcją jest funkcja zwracająca element o podanym indeksie: struct node *sll getnedetstruct node *q. int n)

{

int cnt=0: while(q»-NULL)

(

1

Rozdział 5. ♦ Jak uporządkować chaos, czyli złożone typy danych i listy

139

if(cnt--n) return q: q=q->next: ^♦cnt: > return NULI: } Funkcja la dokonuje po prosili n iteracji, począwszy od pierw szego elem entu listy, w efekcie zwraca wskaźnik na element n lub HULL jeśli lista nie ma tylu elementów. Ostatnia funkcja będzie zwracała liczbę elementów listy: int sil count(struct node wq) 1 int cnt-0: *h1lenext: return ent: ł Jest ona bardzo podobna do funkcji zwracającej element n. z tym że iteracja następuje do momentu natrafienia na koniec listy (kolejne pole next ma wartość NULL). Mając te podstawowe funkcje, zobaczmy, jak w praktyce sprawuje się lista jednokie­ runkowa. Przeanalizujmy więc działanie przykładowego programu testowego: struct rx>de *sII-NULL: //NaszaUsta sll_append(Ssll. 1): sll_append(&sl1. 2): sll_dppend(&sll. 3): volat1le Int cnt=sll_count(sl1): sll_delete(&slI. 1): sll_delete(&slI. 2): sll_delete(&sll. 3): cnt-sll_count(slI): Powyższy program najpierw tworzy listę, do której wskaźnik będzie przechowywany w zmiennej s il Następnie dodawane są 3 elementy o wartościach 1. 2 i 3. Sprawdzamy, ile elementów znajduje się na liście — warto zwrócić uwagę na użyty modyfikator v o la tile Ponieważ zmienna ent nie jest nigdzie wykorzystywana, normalnie kompila­ tor by ją usunął. Dzięki v o la tile nie może tego zrobić, a my będziemy mogli podejrzeć jej wartość w symulatorze. W kolejnym etapie dodane wcześniej elementy są usuwane. Powyższy przykład można uruchomić w symulatorze Atmel Studio poprzez wybór symulacji i jej uruchomienie (D ebugStatri D ebuggingand break lub Alt+F5). Wygląd okienka podglądu po dodaniu 3 pierwszych elementów pokazano na rysunku 5.5. Kolejne operacje możemy śledzić po naciśnięciu klawisza FIO {Debug Step over). co po­ woduje wykonanie kolejnych linii kodu. W okienku podglądu (W atek) będziemy obserwować zmieniającą się strukturę listy w zależności od dodawanych i usuwanych elementów.

140

AVR. Praktyczne projekty

Rysunek 5.5. Lista sił po dodania trzech elementów opisanych przykładzie. Harto zauważyć, że kolejne pola data zawierają dodane elementy, a pola nest zawierają wskaźniki do kolejnych węzłów listy. Ostatni węzeł ma pole ne.rt o wartości jVULL

Listy dwukierunkowe Pewną odmianą list są listy dwukierunkowe. Są one zupełnie podobne do list jedno­ kierunkowych. z tym 2e oprócz wskaźnika na następny węzeł zawierają także wskaźnik na węzeł poprzedzający. W efekcie bardzo efektywnie można przemieszczać się po węzłach zarówno w kierunku końca, jak i początku listy (w liście jednokierunkowej efektywnie można się przemieszczać wyłącznie w kierunku końca listy). Jednak jak to zawsze bywa, musimy zapłacić za to pewną cenę — jest nią konieczność przechowy­ wania w każdym elemencie listy drugiego wskaźnika. Prowadzi to oczywiście do zwięk­ szenia zapotrzebowania na pamięć — o kolejnej 2 bajty na węzeł. .Strukturę takiej listy pokazano na rysunku 5.6

Rysunek 5.6. Struktura listy dwukierunkowej. Pola ne.rt wskazują na kolejny węzeł listy, a pola prev na poprzedni. Pole ne.rt ostatniego węzła ma wartość bfUIJL, podobnie ja k pole prev pierwszego węzła

K od tego przykładu znajduje s ię w k a ta lo g u Przyklady/C DT/Lisla-dw ukientnkowa. Wikarówka

Węzeł listy dwukierunkowej Wiko nieznacznie różni się od w ęzła listy jednokierunkowej: struct rx>de ł nodedata data: struct node *next: struct node *prev: }:

//Pole danych //Wskaźnik do następnego węzła // Wskaźnik do poprzedniego węzła

Rozdział 5. ♦ Jak uporządkować chaos, czyli złożone typy danych i listy

141

Jak widzimy, pojawiło się dodatkowe pole prev zawierające wskaźnik do węzła poprze­ dzającego. w elekcie nieznacznie wzrósł obszar pamięci zajęty przez strukturę. Dlatego nieznacznie musimy tez zmodyfikować funkcje odpowiedzialne za dodawanie i usuwanie węzła listy — muszą one utrzymywać prawidłowy stan pól next i prev poszczególnych węzłów. Oto jak może wyglądać dodawanie węzła: votd d ll_ a p p e n d (s tru c t node **q . node data num)

1 stru ct

node * te n p = * q . * r :

1f ( *q--NULl >

{ tem p -

(stru ct

//Lista me ma żadnego elementu node*)nall o e t s i z e o f ( s t r u c t

node> ):

/ Stwórz nowy węzeł

temp->data=nun: temp*>next-NULl: temp*>prev-NULL: /'Z pewnością mc mamypoprzednika *q=temp: //Będzie on pierwszy m elementem listy 1 else

{

h tlile (te rrp -> n e xt l=NULL) tenp=temp->next: Znajdź ostatni element r = ( s tr u c t n o d e *)m a lla c(stze a f(stru ct node)): //Stwórz nowy węzeł r->data-num: r*>next=NULL: r • >prev=temp: //Wskaźnik na poprzedni element temp->next=r: Dodaj węzeł do listy

) ) Zmiany, jak widzimy, są właściwie ..kosmetyczne ’. W przypadku dodawania pierwszego elementu listy ustawiana jest wartość pola prev na MIIIL (element ten nie ma poprzednika). W przypadku dodawania elementu do końca listy jego pole prev musi wskazywać na element, który do tej pory byl elementem ostatnim — i to tyle. A jak wygląda kasowanie węzła? Pokazano to na rysunku 5 7. Wę*eł

Rysunek 5.7. D odaw anie usuw anie elem entu do listV dwukierunkowej, fl stosunku do listy jedn o kieru n ko w ej należy zadbać dodatkow o o praw idłow ą w artość p ó l p rev sąsiadujących węzłów Jak widać, odpowiednia funkcja wymaga tylko niew ielkich zmian w stosunku do ka­ sowania elementu z listy jednokierunkowej: bool d ll_ d e le te ( s tru c t node**q. node_data num)

{ s tru c t node *old.*temp-*q: wh1 le(tetnp'=NULL) //I te r a c ja p o e le m e n ta c h listy

146

AVR. Praktyczne projekty

s tr u c t node *prev-NULL. '‘ n e rt: while
{

♦*cnt: r>ext-xl l_NextMocte(q. p re v ): prev=q: q=next:

} re tu rn c n t:

}

Inne m o ż liw o ś c i o p ty m a liz a c ji Nasza lista zajmuje niew ielką ilość pamięci (tylko 2 bajty na wskaźnik), ale możemy wprowadzić jeszcze jedną m atą optymalizację. Wskaźniki w avr-gcc są 16-bitowc. co umożliw ia bezpośrednie adresowanie 64 kI3 pamięci, jednak jeśli adresy przydzielane kolejnym węzłom nie będą się różniły o więcej niz 256 bajtów , to zawsze najstarsze 8 bitów wskaźnika d if p t r będzie mieć wartość 0. Dzieje się tak. ponieważ przepro­ wadzamy operację alternatywy wykluczającej, a najstarsze 8 bilów wskaźnika zawsze będzie mieć laką samą wartość, a jak pamiętamy A A A = 0. Dzięki temu możemy zmniejszyć wskaźnik do 8 bitów Problem jednak w tym. Ze avr-gcc nie obsługuje 8bitowych wskaźników Nie stanowi to jednak żadnego problemu, gdyż nasz „okrojo­ ny” wskaźnik możemy trzymać w innym typie, np. u in t8 _ t, i następnie go rzutować na 16-bitowy typ wskaźnikowy, pamiętając jednak o odtworzeniu pełnego 16-bilowcgo adresu Najstarszych 8 bitów adresu jest równych najstarszym 8 bitom adresu bieżą­ cego węzła. Po takiej optym alizacji każdy węzeł w stosunku do np tablicy ma tylko 1 nadmiarowy bajt, ceną za to jest konieczność wykonania paru szybkich, dodatko­ wych operacji arytmetycznych M usimy jednak zagwarantować, aby różnica pomię­ dzy kolejnymi adresami węzłów była mniejsza niz 256 bajtów — na tak małych mikro­ kontrolerach. dysponujących stosunkowo niewielką ilością pamięci SRAM. właściwie mamy pewność, zc ten warunek jest spełniony. Jedyne, co może nam ..popsuć” to założenie, to sytuacja, w której pomiędzy kolejnymi alokacjami pamięci dla węzłów coś zaalokujc dynamicznie duży (>256 bajtów) obszar pamięci. Jednak w większości przypadków alokacja dynamiczna jest całkowicie pod kontrolą programisty (w końcu rzadko na AVR uruchamiamy duży. wielowątkowy system operacyjny), dzięki czemu możemy zagwarantować spełnienie zalozeń.

J e s z c z e bard ziej zło żo n e lis ty Jak zwykle każdy problem możemy dowolnie komplikować. Jeśli typ nodedata struktury node będzie aliasem struktury node (lub jej pochodnej), to nasza lista przestanie być strukturą liniową, a za to będzie mogła się rozgałęziać (rysunek 5.9). Co więcej, owe rozgałęzienia również będą mogły się rozgałęziać. Co nam to daje9 Na pozór tworzymy tylko bardzo skomplikowany obiekt, a tak naprawdę będzie to dynamiczny odpowiednik t ab Iicy w ie Io wy ni ia ro wej.

Rozdział 5. ♦ Jak uporządkować chaos, czyli złożone typy danych i listy

147

R y s u n e k 5 .9 . Przy kła d realizacji w ielow ym iarow ej listy. K olejne odgałęzienia m ogą reprezentow ać np. kolejne wymiary tablicy

Jakie jest zastosowanie obiektów tego typu? Przede wszystkim ich zastosowanie wynika z ich ważnej zalety — stosunkowo niewielkiego zapotrzebowania na pamięć. Niewielkie­ go oczywiście w porównaniu z. tablicą wielowymiarową. Przeanalizujmy to na przy­ kładzie. Załóżmy, zc piszemy moduł realizujący obsługę urządzeń podłączonych do magistrali 1-wire. W ramach tej magistrali możemy przyłączyć różnego typu urządze­ nia termometry cyfrowe, przetworniki A DC, przełączniki itd Informacje o urządzeniach podłączonych do magistrali możemy więc przechowywać w postaci klasycznej tabli­ cy dwuwymiarowej — jeden wymiar będzie określał typ urządzenia, a drugi będzie zawierał identyfikatory kolejnych urządzeń 1-wire. Biorąc pod uwagę, że mamy co naj­ mniej 5 różnych typów urządzeń, a dla każdego typu bliżej nieokreśloną liczbę wystą­ pień, to nasza tablica musi mieć co najmniej 54ti elementów. W zależności od wielkości magistrali // musi być odpowiednio bezpieczną w artością (musimy mieć gwarancję, zc urządzeń danego typu nic będzie więcej niż n). Stąd też dla u równego np. 15 mamy dwuwymiarową tablicę składającą się z 75 elementów. W praktyce znakomita większość elementów będzie pusta, z kolei jeśli ktoś przyłączy np. 16 termometrów, to pojaw i się problem. Widzimy, zc klasyczna tablica jest mało efektywnym rozwiązaniem. Co innego lista Jej podstawową zaletą jest to. żc mc musimy tracić pamięci na przechowywanie pustych elementów. W efekcie liczba węzłów będzie równa liczbie rzeczywiście przyłączonych do magistrali urządzeń. Stąd też jeśli magistrala będzie składać się tyl­ ko z 15 termometrów, to utworzonych zostanie 15 węzłów (a nie 75 elementów, z czego 60 pustych). Jeszcze lepszym zastosowaniem takich rozgałęzionych list jest wykorzy­ stanie ich do przechowywania informacji o elementach menu lub elementach interfejsu graficznego użytkownika. Jak widzimy, listy wielowymiarowe umożliwiają także re­ prezentację zależności pomiędzy obiektami — kolejności ich wystąpienia lub hierarchii.

148

AVR. Praktyczne projekty

B u fo ry B ufor lo wydzielony obszar pamięci służący do czasowego przechowywania danych Bufory stosuje się w szędzie tam, gdzie dane spływ ają z inną szybkością niz. szybkość ich przetwarzania. Jeśli dane spływ ają wolniej, niż może je przetw arzać procesor (np. są przesyłane za pomocą wolnych interfejsów typu RS232). program musiałby czekać na kolejną porcję danych do przetworzenia, w tym czasie niepotrzebnie zajm ując pro­ cesor. Zastosow anie bufora spowoduje. Ze procesor zajmie się przetwarzaniem za­ wartych w nim danych, dopiero kiedy będzie ich odpow iednia ilość, a w m iędzycza­ sie może zajm ować się czym ś innym (lub po prostu spać. dzięki czemu oszczędzamy energię). Z drugiej strony bufory są przydatne także w sytuacji, w której dane spływają szybciej, niż jesteśmy w stanieje przetwarzać W takiej sytuacji można je przechowywać w buforze, gdzie będą oczekiwały na przetworzenie. Zastosow anie bufora w takiej sytuacji spowoduje, że nie utracimy danych — w szystkie zostaną odebrane Oczy w i­ ście metoda ta zakłada. Ze dane są nadsyłane bardzo szybko* ale w pakietach m iesz­ czących się w buforze. Pomiędzy pakietami musi minąć wystarczający czas, aby CPU mógł przetworzyć poprzedni pakiet danych. Jeśli dane będą napływały szybciej, niz CPU będzie je z bufora pobierał, to wystąpi sytuacja, w której bufor się przepełni (ang. buffer owerjlow). W efekcie nie będzie miejsca na kolejne dane. W takiej sytuacji są możliwe różne rozwiązania ♦ zw iększenie bufora (przy założeniu, ze w końcu pomiędzy napływającymi danymi wystąpi przerwa umożliwiająca ich pobranie z bufora i przetworzenie): ♦ zasygnalizujemy błąd nadm iaru i kolejne dane będziemy po prostu ignorować (tak zachow uje się w iększość buforów ukladówr peryferyjnych AVR/XM EGA): ♦ nadpiszemy stare dane w buforze nowymi (utworzymy b u fo r cykliczny). Możliw a jest także odw rotna sytuacja — bufor jest pusty (CPU pobiera dane znacznie szybciej, niż napływają nowe) — ang buffer u n d e m m W takiej sytuacji CPU musi po prostu poczekać, aż napłyną kolejne dane Sytuacja ta w łaściw ie me jest problematyczna, z dwom a wyjątkami: ♦ przetworzone dane muszą być wysyłane w regularnych odstępach, w przypadku braku danych następuje zakłócenie transmisji: ♦ procesor czeka na now ą porcję danych, blokując cały program. Ta druga sytuacja jest bardzo charakterystyczna dla początkujących programistów (nie­ stety „zaawansowani** leż często popełniają ten błąd). Przyjrzyjmy się bliżej wybranym typom buforów.

Bufor pierścieniowy B ufor pierścieniowy (ang ring buffer. circu/ar buffer) to rodzaj buforu, w którym ko­ niec połączony jest z początkiem, w efekcie tworzy się struktura na kształt pierścienia (stąd nazwa). Poniew aż bufor ten nie ma początku i końca, nie ma takZe wskaźników

Rozdział 5. ♦ Jak uporządkować chaos, czyli złożone typy danych i listy

149

na te elementy. Zamiast lego posługujemy się dwoma wskaźnikami — wskaźnikiem określającym bieżącą pozycję do odczytu i bieżącą pozycję do zapisu (rysunek 5 10). Tu pojawia się jednak mały problem — jak stwierdzić, czy w buforze znajdują się ja ­ kieś dane? Najprościej sprawdzić to poprzez porównanie wskaźników odczytu i zapi­ su — jeśli wskazują na różne elementy buforu, to znaczy, że bufor zawiera elementy do odczytu (m e jest pusty). Niestety w ten sposób nie możemy stwierdzić, czy bufor jest pusty, czy pełny — w obu przypadkach wskaźniki odczytu i zapisu są sobie równe Problem len można obejść na kilka sposobów — można wstawić dodatkowy element i przyjmować, zc bufor jest pełny, jeśli został w nim tylko jeden wolny element. Inną możliwością jest wstawienie do buforu na pustych pozycjach specjalnego znacznika określającego pozycję wolną. Jeśli posługujemy się wskaźnikami, to takim naturalnym kandydatem jest wartość wskaźnika równa MULL — jeśli wskaźnik odczytu i zapisu są sobie równe, a jednocześnie wskazywany przez nie element ma wartość NULL. to bufor jest pusty, w przeciwnym przypadku — jest pełny. Stąd też jeśli możemy wprowadzić jakąś wyróżnioną wartość, jest to preferowane rozwiązanie. Jeśli nie — mamy jeszcze jedną prostą możliwość — wprowadzenie dodatkowej zmiennej, określającej liczbę elementów znajdujących się w buforze Jeśli licznik ten ma wartość 0, to znaczy, że bufor jest pusty. Jest to niezwykle proste i skuteczne rozwiązanie. R y s u n e k 5 .1 0 .

Struktura bufora pierścieniowego. Element}' bufora tworzą układ m c posiadający początku ani końca. Zam iast tego nniiny dwa wskaźniki je d e n wskazuje element, który zostanie zw rócony p o d cza s operacji odczy tu, a drugi wskazuje element, do którego nastąpi zapis podczas operacji zapisu

Operacja zapisu elementu do bufora wiąże się jedynie zc zmianą wartości wskaźnika zapi­ su. tak aby wskazywał na kolejny element (i ewentualnie zwiększeniem licznika ele­ mentów w buforze), z kolei operacja odczytu to tylko zwiększenie wskaźnika odczytu i zmniejszenie licznika elementów Jak widzimy, w obu przypadkach wskaźniki po operacji wskazują na kolejny element bufora Dzięki temu żadna z operacji nie wiąże się z czasochłonnym przepisywaniem elementów' i każda z nich przebiega niezwykle szybko. Bufor pierścieniowy znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie mamy określoną maksymalną liczbę elementów, jakie mogą się znaleźć w buforze, np. do implementacji różnych kolejek Bufor pierścieniowy, w przeciwieństwie do list. nic wymaga dyna­ micznej alokacji pamięci, co jest dużą zaletą w małych systemach embedded. Ponie­ waż zajmuje ciągły obszar pamięci, można go łatwo zaimplementować z użyciem tablic, w efekcie czas dostępu do poszczególnych elementów bufora jest stały i krótki. Bufor tego typu nadaje się do realizacji operacji wstawiania na jednym końcu bufora i po­ bierania danych z tego samego łub drugiego końca. Tego typu operacje są realizowa­ ne szybko i prosto Natomiast operacje pobierania dowolnego elementu (elementów' luebędącyeh na końcach bufora) są wysoce nieefektywne i niełatwe do przeprowadzenia.

150

AVR. Praktyczne projekty

W ym agają one kopiow ania sporych obszarów pam ięci (proporcjonalnych do w ielkości bufora), co w ięcej, jeśli do bufora dostęp następuje z. różnych „w ątków ” program u, to o p eracje te m u sz ą być przeprow adzane w sposób ato m o w y , c o blokuje p ro ceso r na dluzszy czas. W efekcie podczas realizacji tego typu dostępu pow inniśm y unikać b u fo ­ rów kołow ych. Przejdźm y do im plem entacji przykładow ego bufora. K od przykładu znajduje się w ka­ talogu P rzyklady/C D T /R ingB itffer. P rzede w szystkim lak ja k poprzednio zaczniem y od d efin icji typu, który będzie repre­ zentow ał poszczególne elem enty bufora: typedef uint8_t CB_Element:

//Typ elementów w buforze

Z m ien iając pow yższy typ. łatw o m ożem y d o sto so w ać b u fo r do w łasnych potrzeb. D ru g ą p o trzeb n ą d e fin ic ją je st d efin icja sym bolu o k reślająceg o m ak sy m aln ą liczbę elem entów w buforze: rdefine CB_MAXTRANS 10

//Maksymalna liczba elementów bufora

M ając te definicje, przejdźm y do struktury zaw ierającej w szy stk ie elem enty p o trzeb ­ ne do realizacji bufora: typedef stru c t { CB_EI ement e 1ements[CB_MAXTRANS]: //Elementy bufora Ui nt8_t Beg: //Pierwszy element bufora ui nt8_t Count: //I.tczba elementów w buforze } ClrcBuffer: Pierw sze pole elem ents je st tablicą, która zaw iera elem en ty bufora. Pole Beg zaw iera indeks pola, z którego nastąpi odczyt elem entu, a Count z aw iera inform ację o liczbie elem entów w buforze. Count m a w artość 0. je śli bufor jest pusty, i w arto ść ró w n ą CB_MAXTRANS. je śli bufor jest pełny. M am y ju z w szystkie p o trzeb n e struktury danych, kolej na im plem entację potrzebnych funkcji. Funkcje spraw dzające, czy b u fo r je st peł­ ny, czy pusty, s ą proste — b a z u ją o n e na spraw dzeniu w arto ści pola Count: s ta tic Inllne bool cb_IsFuI1(CircBuffer *cb) { return cb->Count — CB_MAXTRAMS: } s ta tic inllne bool cb_lsEmpty(CircBuffer *cb) { return cb->Count *■ 0: I R ó w nie prosta jest funkcja dodająca elem ent do bufora: bool cb_Add(CircBuffer *cb. CB_EIement elem) { ATOMIC_BL0CK(ATOM1CRESTORESTATE) < i f (cb_I sFul 1Beg ♦ cb->Count) % CB_MAXTRANS:

Rozdział 5. ♦ Jak uporządkować chaos, czyli złożone typy danych i listy

cb * > elem ents[end] ■ elem: ++cb->Count:

151

/D o d a j transakcją //Liczba elem entów »»• buforze

} re tu rn tru e :

//W szystko OK

} P ow yższa funkcja spraw dza, czy kolejka jest pełna — je śli tak. to zw raca w artość f a ls e . a elem ent nie je st w staw iany do kolejki. D zięki tem u elem enty zn ajd u jące się w buforze nie są nadpisyw ane now ym i C ala o p eracja zam knięta jest w sekcji atom o­ wej — bufory kołow e w ykorzystyw ane są do realizacji różnego typu kolejek, w efekcie dostęp do nich następuje w program ie głów nym i w p rzerw an iach lub innych w ątkach program u. Stąd leZ im plem entacja pow yższych funkcji m u si być realizow ana w taki sposób, aby m ogły o n e być w yk o n y w an e w spółbieżnie. Pozostaje je sz c ze napisać funkcję odczy tu ją c ą k o lejn e elem enty : CB_E 1ełTient cb_Read(CircBuffer *cb) {' CB_Element elem: ATOMIC_BL0CK(ATOM IC_RESTORESTATE) { i f ( cb_ I sEmpty (Cb)) return 0: //Bufor pusty, nie m ożna zwrócić elementu elem = cb->elements[cb->Beg]: cb->Beg = (cb->8eg ♦ 1) % CB_MAXTRANS: - - Cb - >Count: //Zmniejszamy liczbę elementów pozostałych }

//w buforze

return elem:

F unkcja zw raca elem ent z bufora lub 0. je śli nie m a w ięcej elem entów . P o n iew aż funkcja operuje na strukturach d anych zw iązanych z b uforem , do k tórych d o stęp m o ­ że odbyw ać się w innym w ątku program u (np. w funkcji obsługi przerw ania), k ry ­ tyczne elem enty ujęte są w sekcję atom owrą. Jak w idzim y, im plem entacja bufora pierścieniow ego je st niezw ykle prosta. Ten prosty m echanizm buforow y m a liczne zastosow ania, k tóre z o sta n ą p o k azan e w kolejnych rozdziałach.

Kolejki FIFO/LIFO P okazane w cześniej struktury danych, w tym w szczeg ó ln o ści bufory pierścieniow e, d o sk o n ale n a d a ją się do im p lem en tacji b u fo ró w ty p u F IF O (ang. F irst i n .ftr s i o u t) i L IF O (ang. L a st in. fir s t out). W kolejce typu FIFO elem en t, który został um iesz­ czony ja k o pierw szy, ja k o pierw szy je st z niej pobierany (ry su n ek 5.11). T ego typu kolejki w ykorzystyw ane s ą do realizacji buforów przy w szelk ich przesyłach danych, np. poprzez interfejs U S A R T , a także do przechow yw ania kom unikatów ', kolejek ro z­ kazów ltd. W poprzednim przykładzie pokazany bufor pierścieniow y byl przykładem kolejki typu FIFO — elem ent, który ja k o pierw szy do n iej w chodził, także jak o pierwszy ją opuszczał. W efekcie w tego typu kolejkach każdy elem ent zostanie „obsłu­ żony” w kolejności, w jak iej w chodził do kolejki.

152

AVR. Praktyczne projekty

Rysunek 5 .1 1 . Przykład kolejki typu FIFO i UFO. IVpierwszym etapie do kolejki u kładamy kolejne elementy- składające się na łańcuch znakowy• ..KOLEJKA W przypadku kolejki typu FIFO element pierwszy opuści kolejkę jako pierwszy', po pobraniu danych otrzymamy wyjściowy łańcuch znakowy ., KOLEJKA W przypadku kolejki IJFO jako pierwszy zostanie zwrócony element ostatnio włożony do kolejki, w efekcie nasz łańcuch znakowy zostanie odwrócony i otrzymamy łańcuch „AKJELOK" Drugim typem kolejki są kolejki typu U F O . W takiej strukturze element, który ostat­ nio został w łożony do kolejki, pierwszy z niej wychodzi. W efekcie taką kolejkę m o­ żem y porównać do stosu książek poukładanych jedna na drugiej. W ygodny dostęp mamy do książki na szczycie (ostatnio odłożonej), natomiast aby dostać się do głębiej położonych książek, należ)' najpierw zdjąć ze stosu książki odłożone później. Kolejki LIFO stosuje się w szęd zie tam, gdzie najważniejszy jest ostatnio przesłany elem ent, a także do realizacji znanej nam już struktury, jaką jest stos mikroprocesora.

S to s Stos jest strukturą wykorzystującą zasadę działania kolejki LIFO. Element ostatnio odłożony na stosie jest jednocześnie elem entem, który zostanie jako pierwszy zw ró­ cony. Stos ma zastosowanie w szędzie tam, gdzie najważniejszy jest ostatnio odłożony element, a w cześniejsze elementy mają mniejszą wagę. Stos jest te 2 podstawową strukturą danych używaną przez mikrokontroler oraz kompilator. W szelkie zmienne lokalne funkcji tworzone są na stosie mikrokontrolera. Program realizujący obsługę stosu znajduje się w katalogu Przy kłady/CD T/Stack. Jak zw ykle zaczniemy od definicji podstawowych elem entów związanych z realizacją stosu: #defilie STACK_MAXELEMENTS 15 //Maksymalna liczba elementów na stosie typedef uint8_t Stack_elefnent: //Co odkładamy na stosie typedef stru ct { Stack_element Stack[STACK_MAXELEMENTS]: //Miejsce na stos int top: //Wskaźnik stosu } Stack:

Rozdział 5. ♦ Jak uporządkować chaos, czyli złożone typy danych i listy

153

Struktura Stack zaw iera dw a pola. Jedno, o nazw ie Stack, to po prostu tablica o liezbie elem entów rów nej m aksym alnej liezbie elem en tó w , ja k ie m o g ą zo stać od ło żo n e na stos. Pole top to w skaźnik stosu — w skazuje ono na pierw szy w olny elem ent na stosie. D o obsługi stosu tradycyjnie uży w a się dw óch lu n k cji — push. której zadaniem je st odłożenie elem entu na stos. o raz pop. której zadaniem je st p o b ran ie elem entu z e stosu. Ich realizacja je s t n iezw ykle prosta: void stack_push(Stack *S. Stack_element val) { S->Stack[S->top]»val: (S->top)++: //Zw iększ wskaźnik stosu ) Stack element stack_pop(Stack *S) { (S->tOp)--: //Zmniejsz wskaźnik stosu return <$->Stack[S->tOp]): //Zw róć ostatni element ) Z auw ażm y, ze o dkładanie elem entu na stos polega n ajp ierw na w p isan iu go do tablicy Stack, do elem en tu o indeksie rów nym b ieżącem u w sk aźn ik o w i stosu, a następnie dopiero je st zw iększany w skaźnik stosu. Z kolei pobieranie elem entu ze stosu przebiega w o dw rotnej k o lejności. O bie fu n k c je nie sp raw d zają, czy s to s je s t p u sty , czy pełny, w e fek cie s ą podatne na błędy, je śli liczba p o b ieran y ch e lem en tó w je s t w iększa niż liczba elem entów w cześniej odłożonych na stosie lub też. je śli odłożym y więcej elem en­ tów, niż w ynosi p o jem ność stosu. S pójrzm y, ja k nasz stos działa (w tym eelu m ożna u ru ch o m ić przykładow y program w sym ulatorze — A łt+ F 5 — i prześledzić kolejne instrukcje, naciskając klaw isz FIO): Stack Stos: in t main(void) { Stack_ In 11 ( is to s ):

W ła ś c iw ie niepotrzebne. gdyż zm ienne globalne są automatycznie //zerow ane

stack_push(&Stos. 1): stack_push(&Stos. 2): stack_push(&Stos. 3): stack_push(&Stos. 4): V01a t 11e S ta t i C Ui n t8 _ t va 1: //w ia ttle stanc zapobiega optymalizacji zmiennej val va1-stack_pop(& Stos): v a l-stack_pop(& S tos): va1-stack_pop(& $tos): vaI=stack_pop(&Stos):

} Pierw sza instrukcja program u inicjalizuje stos (zeruje w skaźnik stosu top) — poniew aż je d n ak w naszym przykładzie S to s je st z m ie n n ą globalną, je s t o n a autom atycznie ini­ cjow ana na zero w czasie startu program u, w ięc funkcję sta c k _ i m t m ożem y pom inąć. N astępne instrukcje odkładają na stos w artości 1. 2. 3 i 4. a następnie je pobierają. P o­ niew aż stos jest przykładem kolejki U F O . w ięc ostatnio odłożony elem ent będzie pobrany ja k o pierw szy, w efek cie pobierzem y elem enty w o dw rotnej kolejności: 4. 3. 2 i 1.

Rozdział 6. ♦ Koniec bałaganu, czyli o nazwach rejestrów i układów peryferyjnych

register8_ t reglster8_ t register8_ t reglster8_ t register8_ t reglster8_ t register8_ t register8_ t r e g ls t e r a t ) P0RT_t:

reserved OxOF: ♦ Pm PINOCTRL / • Pm PIMCTRl PIN2C1HL /♦ Pm * Pm PIN3CTRL PIN4CTRL /♦ Pm PIN5CTRL /* Pm • Pm PIN6CTRL PIN7CTRL /• P m

157

O Control Register V / Contro! Register * 2 Contro! Register • / 3 Contro! Register * 4 Contro! Register • / 5 Contro! Register V 6 Contro! Register *■' 7 Contro!Register • '

Powyższy typ definiuje nową strukturę o nazwie PORT t. w skład której wchodzą rejestry konfigurujące port IG mikrokontrolera Struktura ta jest uniw ersalna i może służyć do opisu dowolnego portu (instancji modułu) 10. Aby odnieść się do konkretnego portu, musimy stworzyć instancję powyższej struktury, która będzie zawierała adres bazowy modułu id e fin e #define *d e fin e id e fin e id e fln e *d e fin e id c-fin e *d e fin e ^d e fin e #define #def1ne

PORTA PORTB PORTO PORTD PORTE PORTF PORTU PORTJ PORTK PORTO PORTR

(•(PORT t (•(PO RTt (•(PORT t <*(P0RT~t (• (P C P Jt {*(P0RT~t (*(PCftT_l (•(PORT t (*(P0RT_t (•(PORT l (*(P0RT~t

*) 0x0600) *) 0x0620) *) 0x0640) *) 0x0660) *) 0x0680) *) Ox06AO) *) 0xO6EO) •) 0x0700) *) 0x0720) *) 0x0700) •) 0xO7E0)

•P o rtA •/

'R o n ił •/ • Port C • • Port D V • Port E ♦ / • Port F V / • Port H • / f* Port J •/ . * Port K • / /• P o r tO V /* Port R •/

Powyższe linie definiują instancje portów mikrokontrolera X M E G A I28A 1. nadając im odpowiednie adres) bazowe w przestrzeni adresowej mikrokontrolera.

W sU rów b

Tego typu definicje zostają automatycznie dołączone do programu w chwili załączenia nagłówka io.h. W programie będą dostępne (będą widoczne) tylko te definicje, któ­ re odnoszą się do użytego mikrokontrolera. Definicje zasobów nieobecnych w wybra­ nym mikrokontrolerze nie będą dostępne. Dzięki powyższym definicjom możemy łatwo odwoływać się do rejestrów kontrolnych wybranego portu: PCRTE.OUT-0xFE: PORTF.OUT=0xAA:

Powyższy kod nadaje rejestrowi OUT portu E wartość OxFE, a rejestrowi OUT portu F wartość OxAA W ten sposób łatwo możemy odwoływać się do dowolnie wybranej instan­ cji konkretnego modułu procesora. Ale laki typ opisu układu peryferyjnego ma jesz­ cze jedną zaletę. Widać to w yraźnie, gdy wykorzystujemy funkcje inicjujące pracę danej instancji modułu. votd U$ART_ln11
1 u$art-*CTRLB=USART_RXEN_bn | USART_TXEM_bm: Odblokuj odbiornik i nadajnik usart->CTRLC-USART~CH$IZE 88IT gc:~ i/Długość ramki

1

158

AVR. Praktyczne projekty

Powyższa funkcja konfiguruje moduł USART o adresie podanym jako argument jej wywołania. W efekcie tę samą funkcję możemy wykorzystać wielokrotnie do konfi­ guracji dowolnego portu U SA RT: USART_ I n i t (AUSARTCO) ; //Konfiguruj usort CO USART Inlt(iU S A R T C l): '/Konfiguruj usartCJ

Dzięki temu możemy lepiej wykorzystać kod — wystarcz)' przekazać do funkcji ad­ res bazowy instancji modułu, do którego ma się odwoływać. W podobny sposób mo­ żemy napisać „wspólne" funkcje obsługi, przekazując im tylko jako argument wy­ wołania adres bazowy instancji modułu W arto zauważyć, że realizacja podobnego kodu w innych rodzinach mikrokontrolerów A VR byłaby o wiele trudniejsza, a często wręcz niemożliwa. Tworzenie takich funkcji nadaje im tez dużą uniwersalność — nic są one powiązane z żadną konkretną instancją modułu — powiązanie takie następuje dopiero w chwili przekazania argumentu będącego adresem bazowym instancji mo­ dułu. na której mają operow ać. W szystkie rejestry opisujące porty IO mikrokontrolera są 8-bitowc. jednak niektóre moduły zaw ierają rejestry 16-. a nawet 32-bilowc. Do takich rejestrów można odwo­ ływać się poprzez ich 8-bitowe części, dla rejestrów 16-bitowych poprzez dodanie sufiksu H lub L określającego odpowiednio starszą lub młodszą połowę 16-bitowego re­ jestru. Do rejestrów 32-bitowych można odwoływać się. podając indeks określający bajt 32-bitowego rejestru, do którego się odwołujemy Indeks o odpowiada najmłodszemu bajtow i, indeks 3 najstarszemu. Drugą możliwością odwołania się do wiclobąjtowych rejestrów jest po prostu pominięcie sufiksu (L lub H) lub indeksu i bezpośrednie z a ­ adresowanie pełnego 16- lub 32-bitowcgo rejestru Dla przykładu struktura opisująca kanał kontrolera DMA typedef s tr u c t CMA_CH_struct

< re g is te r8 _ t CTRLA: / ĄChannei Controi */ reg I Ster8_t CTRLB: /* Channei Controi V re g is te r8 _ t ADDRCTRL: / • Address Contro! •/ reg i s te r8 _ t TR1GSRC: / • Channei Trtgger Source V WORDREGISTER(TRFCNT) : * ChanneiBłock Transfer Couni *' reg i s t er8 _ t REPCNT: T*<7hannelRepealCount V re g is te r8 _ t reserved_0x07: reg i s te r8 _ t SRCADCR0: / ł Channei Source Address 0 */ re g ls te r8 _ t SRCADDfil: /* Channei Source Address I reg i s te r8 _ t SRCA0CR2: • Channei Source Address 2 ■ re g )s te r8 _ t reserved_OxOB: reg i Ster8_t OESTACORO: / * Channei Destwatton Address 0 * re g is te r8 _ t DESTAC0R1: * ChanneiDcstination Address / • reg i s te r8 _ t OESTADOR2: / * Channei L>cstwanon Address 2 V re g is te r8 t reserved_OxOF: J DMA_CH_t:

zawiera 16-bitowy rejestr TRFCNT. Możemy się do niego odwoływać poprzez jego dw ie 8-bitow’e połowy: TRFCNTH i TRFCNTL, lub od razu do 16-bitowej całości poprzez symbol TRFCNT K om p ilato r sam zad b a o w ygenerow anie odpow iedniej sekw encji dostępu do w ybranego rejestru .

Rozdział 6. ♦ Koniec bałaganu, czyli o nazwach rejestrów i układów peryferyjnych

159

Struktury o p isu ją ce m ikrokontrolery X M EG A Jak już wspomniano, mikrokontrolery rodziny XMEGA posiadają zwielokrotnione pod­ systemy, opisywane przez taki sam zestaw rejestrów kontrolnych Na przykład posia­ dają zazwyczaj po kilka interfejsów SPI, każdy z nich składa się z takich samych reje­ strów. różnią się one jedynie adresem bazowym. W elekcie wygodnie jest opisywać takie podsystemy za pomocą struktur języka C Dla ułatwienia wszystkie struktury opisujące zasoby procesora mają wspólny schemat, według którego są tworzone Każdy podsystem procesora (moduł) ma przyporządkowaną mu strukturę danych — zdefiniowaną jako odrębny typ. Typ ten definiuje strukturę opisującą wszystkie reje­ stry związane z danym modułem Modułem moZe być np. port IG. USART. TWI. SPI, ADC iteł Nazwę typu opisującego dany moduł tworzy się. dodając do angielskiej nazwy modułu sufiks _t. Na przykład typ związany ze strukturą opisującą moduł oscylatora to OSC t. moduł DMA to DfrlA t. a podsystem zdarzeń to EVSY$_t. Określo­ nego w len sposób typu raczej nigdy nie będziemy używać. chyba Ze będziemy tw o­ rzyć w łasne wskaźniki na rejestry opisujące dany moduł, co jest rozwiązaniem rzadko stosowanym — odpowiednie struktury danych są definiowane w pliku nagłówkowym io.h i nie ma potrzeby iełi redefimow ać we własnym programie. Innym wyjątkiem jest pokazane wcześniej przekazywanie tego typu struktur do funkcji — np wspólnych funkcji inicjujących pracę danego modułu Ponieważ procesor zazwyczaj posiada kilka takich samych modulówr (np. kilka portów USART). każdy z nich posiada w łasną instancję struktury opisującej moduł. Opisany wcześniej typ definiuje strukturę opisującą moduł o określonej funkcjonalności Aby uzyskać dostęp do konkretnej instancji modułu, nuleZy posłużyć się instancją kon­ kretnego typu Instancja tw orzona je st autom atycznie d la każdego podsystem u procesora w chw ili dołączenia pliku nagłówkowego io.lty zawierającego definicje w szystkich typów strukturalnych oraz ich instancji dla w ybranego typu procesora.

WsJurówb

Wszystkie definicje związane z rejestrami procesora znajdują się w pliku nagłów­ kowym . Dla przykładu plik io.h definiuje typ strukturalny reprezentujący interfejs USART: typedef stru ct USART struct

{ re g is te r8 _ t reg i s t er8_t re g is te r8 _ t re g is te r8 _ t re g ls te r8 _ t re g is te r8 _ t re g is te r8 _ t reg i St er8_t

} USART_t:

DATA: /• Data Regi ster • STATUS: / • Status Register * reserved_0x02: CTRLA: * Contro! Register A m/ CTRLB: * Contra!Register B • CTRLC: /* Contro! Register C •/ 8AUDCTRLA: *Baud Ratę Contro! Register A * 8AUDCTRLB: • Band Hale Contro! Register li •

160

AVR. Praktyczne projekty

Typ ten (USART_t) definiuje zasoby m odułu U SA RT L ecz procesor posiada typow o 5 - 8 takich modułów (instancji). Aby uzyskać do nich dostęp, należy posłużyć się defini­ cjami określającymi każdą z nich Dwie instancje modułu U SA RT związane z portem c m ają następującą definicję #defm e USARTCO <*(USART_t * ) 0x08A0) fd e fin e USARTC1 < *(U$ART_t * ) 0x08B0)

* Umwrsal Asynchranatis Rccciwr-Transoultor CO • • UniversalAsrmchronousłiecctwr-TransntitterCl *

Jak widzimy, pierw sza instancja modułu USART zw iązana z portem C nazywa się USARTCO. druga instancja — USARTC1 Analogicznie porty U SA R T zw iązane z portem 0 procesora będą posiadały instancje o nazw ach USARTOO i USARTD1 Od razu widzimy tu pew ien schemat W nazwie instancji danego modułu w ystępuje nazwa modułu (w na­ szym przykładzie USART) Jeśli moduł potrafi kom unikow ać się ze światem ze­ wnętrznym, to musi w tym celu w ykorzystywać piny 10 należące do któregoś z por­ tów W efekcie kolejnym członem nazwy jest litera określająca port. przez który wyprowadzone są sygnały zw iązane z daną instancją modułu. Jeśli z danym portem 10 powiązanych jest kilka instancji m odułu, to są one num erow ane kolejno, począw­ szy od zera Stąd też odwołując się do tunera, który w ykorzystuje piny 10 portu 0. możemy łatwo określić nazwę odpow iadającej mu instancji struktury — będzie to TCD. ponieważ jednak z danym portem zw iązanych jest więcej tunerów niż jeden, m u­ simy określić, do którego z nich chcemy się odwołać. I lak tuner 0 będzie reprezen­ towany przez strukturę o nazwie TCDO. a timer 1 przez strukturę TCD1 W ybrane nazwy modułów pokazane zostały u tabeli 6.1.

Wskazówka

Ponieważ instancje modułów procesora realizowane są sprzętowo, jest to szczególny przypadek, kiedy nie są one tworzone w trakcie wykonywania programu tak jak normalne instancje struktur danych. W efekcie ich definicje nie zajmują pamięci ani nie generują żadnego kodu. Powyższe definicje przyporządkow ują tylko sym bolowi zdefiniow anem u za pomocą dyrektywy preprocesora #deftne adres instancji modułu w przestrzeni 10 procesora. Ponieważ instancje te istnieją niezależnie od programu, ich definicja me wiąże się z ja ­ kimkolwiek zwiększeniem długości kodu program u lub zajętości pamięci SRAM Do rejestrów tak określonych instancji m odułów można odw oływ ać się, używając struktur łub predefiniowanych symboli PORTA.D!R«0xff: PORTA_DIR-Oxff:

Obie powyższe instrukcje są równoważne, czyli robią dokładnie to samo. lecz w pewnych sytuacjach koszt ich wykonania może być różny, co jest związane z tym. żc w przypadku wykorzystania struktur kompilator preferuje adresowanie indeksowe, co w pewnych sytu­ acjach skraca kod wynikowy — zostało to om ów ione w poprzednim rozdziale. Jeśli do rejestru instancji modułu chcemy odwołać się bezpośrednio, z pominięciem związanej z mm struktury, to należy zamienić operator wy bom pola ( .) na znak podkreślenia (_)

Rozdział 6. ♦ Koniec bałaganu, czyli o nazwach rejestrów i układów peryferyjnych

161

Tabela 6.1. Przykłady nazw modułów i związanych z mmi typów Nazwa modułu

Symbol

Typ

Port wirtualny

VP0RT

VP0RT_t

Moduł kontroli dostępu

CCP

C C Pt

Moduł zegarowy

CLK

CLK_t

Moduł kontroli pobieranej mocy

PR

PR_t

Kontroler trybu pracy MCU

SLEEP

SLEEP_t

Oscylutor

OSC

0SC_t

Walch Dog

WDT

WDT_t

Kontroler przerwań

PMIC

PMIC_t

Konfiguracja portu lO

PORTCFG

P0RTCFG_t

Moduł kryptograficzny

AES

AES_t

Moduł podtrzymywaniu bateryjnego

VBAT

VBAT__t

DMA

DMA t

DMA_CH

DMA_CH_t

System zdarzeń

EVSYS

EVSYS_t

Kontroler NVM

NVM

NVM_t

Przetwornik analogowo-cyfrowy

ADC

ADC_t

Plrzctwromik cyfrowo-analogowy

DAC

DAC_t

Komparator analogowy

AC

AC_t

RTC

RTC t

RTC32

RTC32_t

Moduł TWI

TWI

TWI_t

Pórt IO

PORT

P0RT_t

Timer licznik 0. 1 itd

TC

TCO t.T C l t itd.

Moduł USART

USART

USART_t

Interfejs SPI

SPI

SPI_t

Kontroler DMA

Układ RTC 16- lub 32-hito wt

W efekcie zam iast struktury użyty będzie zwykły sym bol, a kom pilator preferencyjnie użyje adresow ania bezpośredniego1. Tak zdefiniow ane struktury opisujące moduły i ich instancje um ożliw iają odwoływanie się do ich poszczególnych rejestrów

i Jednak ostatecznie wygenerowany kod będzie zalc/al od optymalizatora

162

AVR. Praktyczne projekty

N a z w y re je s tró w N azw y rejestrów w strukturach o p isu jący ch dany m oduł o d p o w iad ają n azw ie rejestru używ anej w no cie katalogow ej p rocesora (nocie opisującej d a n ą rodzinę). I tak rejestr określający kierunek bitów portu IO nosi nazw ę DIR (ang. D a ta D irection R egister) i ma taką sam ą nazw ę w strukturze P O R T t opisującej moduł IO procesora. D ostęp do rejestrów 16-bitow ych m ożna uzyskać poprzez ich 8-bitow e części. M niej znacząca połow a re ­ je stru 16-bitow ego m a sufiks L (ang. L o w \ starsza połow a m a su fik s H (ang. Ilig lt), np. CNTL i CNTH o kreślające m łodszą i starsz ą połow ę rejestru CNT. Z azw yczaj do reje­ strów 16-bitow ych m ożna odw oływ ać się bez w yró żn ien ia ich połów ek, podając po prostu pełną nazw ę rejestru, bez sufiksu. np CNT. W przypadku rejestrów dłuższych niż 16-bitowc. np 32-bitow ych. kolejne 8-bitow e części rejestru posiadają kolejne num ery, począw szy od najm niej znaczącego bajtu, np. SRCADDRO, SCRADDR1 i SRCADDR2 zaw ierają­ ce 24-bitow y adres źródłow y dla transferu D M A D o takicli rejestrów trzeba z ap isy ­ w ać 8-bitow e w artości d o poszczególnych pół struktury' je zaw ierający ch , co w ynika z w ew nętrznej realizacji przesyłu danych do rejestru z w ykorzystaniem niedostępnych dla program isty rejestrów tym czasow ych.

N a zw y b itó w Struktury odzw ierciedlające zasoby p rocesora często zaw ie ra ją pola będące polam i bitow ym i lub Hagami (polam i składającym i się z jednego bilu). Pola bitow e (od 1 bitu w zw yż) odzw iercied lają fragm ent rejestru zw iązany z ja k ą ś o d ręb n ą funkcją. Ich n a ­ zw y odpow iadają nazw om pól zdefiniow anym w nocie katalogow ej rodziny, do której należy użyty procesor. Jeśli pole bitow e składa się z w ięcej niż je d n eg o bitu. to w szystkie je g o dozw olone stany są zd efin io w an e w typie w yliczeniow ym o nazw ie będącej złożeniem nazw y m odułu, rejestru i definiow anego p o la bitow ego (bitu) z sufiksem _enum D o poszczególny ch elem entów tak zd efin io w an eg o typu d o d aje się na­ zw ę konfiguracji z sufiksem _gc (ang. gnoup conjigurafion — konfiguracja grupy bilów). Na przykład kom parator analogowy zaw iera rejestr w yboru w ejść analogow ych połączo­ nych z w ejściam i kom paratora (rejestr ACOMUXCTRL). Stąd też odpow iedni typ w yliczenio­ wy nazyw a się AC_MUXPOS_enum (MUXP0S to nazw a pola bitow ego dla w ejścia nieodw racającego), a poszczególne elem enty tego typu m a ją su fik s _ g c . np. AC_MUXPOS_PINO_gc. Inny przykład to z eg a r R T C pro ceso ra X M E G A opisy w an y p rzez strukturę RTC t, której jed n y m z pól jest pole CTRL będące rejestrem kontrolnym układu R TC . W reje­ strze tym znajduje się 3-bilow e pole o nazw ie PRESCALER. określające w artość preskalera dla układu R TC . W szystkie stany tego pola zd efin io w an e s ą w typie w yliczeniow ym RTC_PRE$CALER_t. którego definicja w ygląda następująco: typedef enum RTC_PRESCALER_enum { RTC_PRESCALER_OFF gc = < 0 x 0 0 « 0 ). / • RTC Off •/ RTC_PRESCALER_DIvT_gc - {0x01 « 0 ). /* RTC Cłock */ RTC_PRESCALER_DlV2_gc - < 0 x 0 2 « 0 ). /* RTC Clock / 2 •/ RTCPRESCALERJD IV8_gc - < 0 x 0 3 « 0 ). /• RTC Clock / 8 •/

Rozdział 6. ♦ Koniec bałaganu, czyli o nazwach rejestrów i układów peryferyjnych

RTC_PRESCALER_D 1V16_gc - ( 0x0 4 « 0 > . RTC PRESCALEft_DI\'64 gc = (0 x0 5 « 0 > . RTClPRESCALERJ 1V256_gc - <0 x 0 6 « 0 ). RTC PRESCALER_D IV1024_gc = ( 0 x 0 7 « 0 ).

163

/ • RTCClock/1 6 V /♦ RTC Clock / 64 ♦/ /♦ RTC Clock / 256 V / • RTC Clock /1024 V

) RTC_PRESCALER_t: Dzięki tem u m ożem y łatwo określić w łaściw y preskaler dla układu RTC w następują­ cy sposób: RTC.CTRl-RTC_PRESCALER_DlV2_gc:

co wybiera podział przez 2 zegara taktującego RTC. N iceo bardziej skom plikow any jest dostęp do rejestrów , k tóre zaw ierają kilka różnych bitów konfiguracyjnych łub pól bitow ych (tak jak w przypadku opisanego wcześniej rejestru kontroli multipleksera komparatora analogowego). Innym przykładem takiego Złożonego rejestru je st rejestr INTCTRL (ang. R eal Time C o u n ter In lerru p t C ontrol Register) układu RTC (w ystępujący zresztą w w ielu innych m odułach m ogących ge­ nerow ać przerw ania) zaw ierający 2-bitow e poła COMPINTLVL i 0VFINTLVL D ozw olo­ ne w artości tych pól są zdefiniow ane w typach w yliczeniow ych RTC_COMPINTLVL_t i RTC_OVFINTLVL_t. W artości w pisyw ane do rejestru INTCTRL m uszą w ięc być sumą bitow ą obu typów w yliczeniow ych, np.: RTC.lNTCTRL*RTC_COMPlMTLVL_HI_gc | RTC_OVFINTLVL_HI_gc:

Jeśli nic chcem y jednocześnie zm ieniać stanu obu pól bitow ych, m usim y dokonać operacji sum ow ania logicznego z poprzednią zaw artością rejestru INTCTRL — dzięki temu zm ianie ulegną w yłącznie bity pola, do którego się odw ołujem y, pozostałe pola bitow e się nic zm ienią Aby takie sum ow anie jednak było popraw ne, w cześniej nale­ ży zam askow ać (w yzerow ać) bity pola bitow ego, do którego chcemy dokonać zapisu. W tym celu potrzebna jest nam je g o m aska bitowa. M aska ta jest zdefiniow ana w p li­ ku io.h, posiada nazw ę taką sam ą jak nazw a m askow anego pola bitowego, z tym ze zam iast sufiksu _gc posiada sufiks _gm (ang. gro n p m ask — m aska pola bitow ego) lub _bm (ang. bil m ask — m aska dla pojedynczego bitu). D zięki temu możemy uzyskać łatwo dostęp do interesujących nas bitów bez m odyfikowania innych, np.: RTC. 1NTCTRL=(RTC. INTCTRL & -RTC_COMPINTLVL_gin> | RTC_CCMPIHTLVL_HI_gc:

Symbol RTC_COMPINTLVL_gm zaw iera m askę bitową, która odpow iada bitom COMPIHT L V L [1 :0 ] rejestru INTCTRL. Aby te bity w yzerow ać, musimy tę m askę zanegow ać — odpow iednie bity będą miały w artość 0. a w szystkie pozostałe w artość 1 Po tej o p e­ racji m ożem y w ykonać w łaściw e m askow anie za pom ocą operacji iloczynu bitow ego z oryginalną w artością rejestru INTCTRL, dzięki czem u w artość pozostałych pól nie ulegnie zm ianie. Na końcu dzięki operacji sumy bitow ej w pisujem y do tego rejestru now ą w artość pola COMPINTLVL Nie należy mylić operacji bitowych języka C (&, | i -) z operacjami logicznymi (&&. 11). Wskazówka

Rejestry procesora, które nie są związane z konkretnymi modułami, nie s ą reprezen­ towane poprzez struktury, lecz s ą dostępne bezpośrednio jako symbole o typie zwią­ zanym z długością rejestru
Rozdział 6. ♦ Koniec bałaganu, czyli o nazwach rejestrów i układów peryferyjnych

RTC_PRESCALER_DIV16_gc - ( 0x04«0). RTC_PRESCALER_D1V64_gc = ( 0x05«0). RTC_PRESCALER~01V256_gc = (0x06«0). RTC PRESCALER DIV]024 gc - (0x07«0). } RTC_PRESCALER_t7

163

/• RTCClock/16 V /♦ RTC Clock / 64 V /♦ RTC Clock / 256 V /♦ RTC Clock/1024 V

D /ięk i tem u m ożem y łatwo określić w łaściw y preskalcr dla układu RTC w następują­ cy sposób: RTC.CTRl=RTC_PRESCALER_DIV2_gc: co w ybiera podział przez 2 zegara taktującego RTC. N ieco bardziej skom plikow any jest dostęp do rejestrów , k tó re zaw ierają kilka różnych bitów konfiguracyjnych lub pól bitow ych (tak jak w przypadku opisanego w cześniej rejestru kontroli m ultipleksera kom paratora analogowego). Innym przykładem takiego złożonego rejestru je st rejestr INTCTRL (ang. R e a l Time C o itn ler In ter n ip ! C o n tro / Register) układu RTC (w ystępujący zresztą w w ielu innych m odułach m ogących ge­ nerow ać przerw ania) zaw ierający 2-bitow e pola COMPIMTLYL i OVFINTLVL D o zw o lo ­ ne w artości tych pól są zdefiniow ane w typach w yliczeniow ych RTC_COMPINTLVL_t i RTC_OVFINTLVL_t. W artości w pisyw ane do rejestru INTCTRL m uszą w ięc być sum ą bitow ą obu typów w yliczeniow ych, np : RTC. IMTCTRl-RTC_COMPINTLVL_HI_gc | RTC_OVFIHTLVL_Hl_gc; Jeśli nie chcem y jednocześnie zm ieniać stanu obu pól bitow ych, m usim y dokonać operacji sum ow ania logicznego z poprzednią zaw artością rejestru INTCTRL — dzięki tem u zm ianie ulegną w yłącznie bity pola, do którego się odw ołujem y, pozostałe pola bitow e się nie zmienią. Aby takie sum ow anie jed n ak było popraw ne, w cześniej nale­ ży zam askow ać (w yzerow ać) bity pola bitow ego, do którego chcem y dokonać zapisu. W tym celu potrzebna jest nam jeg o m aska bitowa. M aska la jest zdefiniow ana w p li­ ku io.h. posiada nazw ę taką sam ą jak nazw a m askow anego pola bitow ego, z tym Ze zam iast sufiksu _gc posiada sufiks _gm (ang. gro u p m a sk — m aska pola bitow ego) lub _bm (ang. bit m ask — m aska dla pojedynczego bitu). D zięki tem u m ożem y uzyskać łatw o dostęp do interesujących n as bitów' bez m odyfikow ania innych, np.: RTC.IMTCTRL=(RTC.INTCTRL & -RTC_COMPINTLVL_gn) | RTC_COMPINTLVL_HI_gc: Symbol RTC_COMPINTLVL_gm zaw iera m askę bitow ą, która odpow iada bilom COMPINTLVL [1:0] rejestru INTCTRL. Aby te bity w yzerow ać, m usim y tę m askę zanegow ać — odpow iednie bity będą miały w artość 0. a w szystkie pozostałe wrartość 1. Po tej o p e­ racji m ożem y w ykonać w łaściw e maskow anie za pom ocą operacji iloczynu bitow ego z o ry ginalną w artością rejestru INTCTRL. dzięki czem u w artość pozostałych pól nie ulegnie zm ianie. Na końcu dzięki operacji sum y bitow ej w pisujem y do tego rejestru now ą w artość pola COMPINTLYL. N ie n a le ży m ylić o p e ra cji bitow ych ję zy k a C (&, | i -) z o p e ra c ja m i logicznym i (&&, j |). Wskazówka

R e je stry p ro c e so ra , k tó re n ie s ą zw ią za n e z k o n kre tn ym i m o d u ła m i, n ie s ą re p re ze n ­ to w an e po p rzez struktury, le c z s ą d o s tę p n e b e zp o ś re d n io ja k o sy m b o le o typie zw ią­ zanym z d łu g o ś c ią re je stru ( u in t 8 _ t , u i n t l ó t).

Rozdział 6. ♦ Koniec bałaganu, czyli o nazwach rejestrów i układów peryferyjnych

165

W elekcie łatw o możemy w ybrać jed en z sym boli odpow iadający naszym intencjom. Zazw yczaj brak takiego okna podpow iedzi świadczy o tym . że w pisywany przez nas sym bol nie istn ie je — jest w ięc błędny. O prócz podpow iedzi IDE bardzo przydatnym plikiem jest plik io.h dołączany praktycznie do każdego projektu. Sam plik nagłów ­ kowy nie jest za bardzo ciekaw y — jedyne, co zaw iera, to kod preprocesora o dpo­ w iedzialny za w łączenie w program ie pliku nagłów kow ego zaw ierającego definicje sym boli w łaściw e dla użytego w projekcie m ikrokontrolera. Np. dla m ikrokontrolera X M EG A 256A 3BU w łączenie pliku io .h spow oduje w łączenie pliku iox256aSbu.h, zaw ierającego definicje symboli specyficzne dla tego M CU .

Wskazówka

Pamiętaj, aby nigdy bezpośrednio nie załączać do programu pliku nagłówkowego cha­ rakterystycznego dla użytego MCU. Spowoduje to błąd kompilacji — zawsze należy w tym celu używać pliku io.h, a zastosowany mikrokontroler zdefiniować we właściwo­ ściach projektu. Plik specyficzny dla użytego mikrokontrolera zostanie dołączony automatycznie. Po pierw szej kompilacji w Solution Exp!orer po rozwinięciu gałęzi D ependencies zauw a­ żymy. że jedną z zależności projektu jest zależność od pliku definiującego potrzebne sym bole — rysunek 6.3.

Rysunek 6.3. Plik zawierający symbole związane z utytym MCU zostanie dołączony do projektu automatycznie na pokazanym rysunku jest to pbk iox256a2bu.lt

Po co nam ten plik? Poniew aż zaw iera on w szystkie zdefiniow ane sym bole, a w raz z komentarzami dotyczącymi ich funkcji jest to podstawowe żjódlo pomocy dla progra­ misty W arto więc w tworzonym projekcie sobie je zostawić stale otwarte — jeśli zapo­ mnimy nazwy jakiegoś symbolu czy zasobu, to bez problemu znajdziemy ją w tym pliku.

Wskazówka

Pamiętaj jednak, aby nigdy nie modyfikować tego pliku ani jakiegokolwiek innego pliku z biblioteki AVR-libc.

166

AVR. Praktyczne projekty

Zc w zględu na czytelność kodu nic należy leż do m odyfikacji poszczególnych reje­ strów używ ać literałów liczbowych Spójrzm y na kod: DMA.CTRl=0x8b:

Co konfiguruje pow yższa linia? Z pewnością odnosi się do rejestru kontrolnego syste­ mu DM A, ale nic w ięcej na ten tem at m e możemy pow iedzieć, chyba że podany lite­ rał zam ienim y na w artość binarną i m ozolnie porównam y z inform acjam i dostępnym i w nocie katalogowej użytej rodziny X M EGA Taki zapis jest bardzo podatny na błędy, l en sam kod możemy zapisać lak: DMA.CTRL=DMA_ENABLE_bm | DMA_DBUFN0DE_CH23_gc | CWA_PRIMODE_CH0123_gc:

W tym przypadku od razu widać, jak konfigurujemy moduł DMA. Nie tylko zapis ten jest łatwiejszy' do zrozum ienia dla człow ieka, ale łatw o możemy też sprawdzić, czy konfi­ guracja jest w łaściw a, i w przyszłości ją zmienić.

Wikarówka

P a m ię ta j, ab y z a w s z e p o s łu g iw a ć s ię p re d e fin io w a n y m i s y m b o la m i o d z w ie rc ie d la ­ ją c y m i z a s o b y m ik ro k o n tro le ra , a u n ik a ć s to s o w a n ia lite ra łó w liczb o w y ch .

Jeśli po przeczytaniu tego rozdziału odczuwasz pewien zamęt i zniechęcenie, nie przejmuj się. Analizując kody pokazane w kolejnych rozdziałach po przeczytaniu informacji o po­ szczególnych podsy stem ach m ikrokontrolera z pew nością zam vażysz. ze początkowy chaos minął, a nazew nictw o i użyte sym bole staną się jasn e i przejrzyste.

Rozdział 7.

Lepiej i prościej, czyli porty IO procesora na sterydach Procesory XM EGA podobnie jak inne mikrokontrolery rodziny AVR dysponują szere­ giem portów w ejścia-w yjścia (ang. Inpul-output poris), które m o g ą być w ykorzystane przez programistę w dowolny sposób. W przeciwieństwie do innych procesorów AVR w XM EGA możliwości konfiguracji są o wiele większe, co niestety wiąże się z koniecz­ nością w prow adzenia dodatkow ych rejestrów' konfiguracyjnych i na początku m oże wydawać się nadmiernie skomplikowane. Jednak ponieważ porty IO są podstawowym interfejsem kom unikacyjnym pomiędzy m ikrokontrolerem a św iatem zew nętrznym , ta dodatków a elastyczność wprowadzona w XMHGA jest niezwykle pożądana i umożliwia uzyskanie efektów , dla których inne A V R -y w ym agają zastosow ania elem entów ze­ w nętrznych

Wskazówka

D la o s ó b zaczyn ających s to s o w a ć X M E G A z a m ia s t innych AVR-ów d o b ra w ia d o m o ś ć je s t ta k a , że z portów 10 m o żn a w za s a d zie korzy sta ć w d o k ła d n ie ta k i s a m s p o s ó b ja k w pop rzed n ich m o d e la ch AVR. W praw dzie w ten s p o s ó b n ie u zy sk a m y za a w a n so w a ­ nych funkcji portów , le cz zy sk a m y n a p ro sto cie konfiguracji, c o m a zn a cze n ie n a po­ czątkow ym e ta p ie n a u k i.

Dodatkowe funkcje dostępne są poprzez oddzielne rejestry konfiguracyjne i dopóki ich nic zm ieniam y, porty zachow ują się w sposób zbliżony do znanego zc starszych m i­ krokontrolerów'. Stan każdego pinu portu IO moZe być konfigurowany niezależnie od stanu pozostałych pinów. W skład każdego portu wchodzi m aksym alnie 8 pinów reprezentow anych przez 8 bitów danego portu. M ikrokontrolery X M EGA posiadają w zależności od ilości pi­ nów w obudow ie zm ienną ilość portów IO oznaczanych kolejnym i literam i alfabetu, począw szy od A. Tak w ięc pierw szy port nosi nazw ę PORTA, drugi PORTB itd. W ram ach każdego portu poszczególne piny teZ posiadają sw oje oznaczenia. M ożem y się do nich

AVR. Praktyczne projekty

168

odw oływ ać num erycznie, podając num er pinu (0 - 7) lub je g o m askę (będącą kolejną potęgą liczby 2). M ożem y także w tym celu posłużyć się predefiniow anym i w pliku io.h sym bolam i.

Wskazówka

P o m ię d z y p ro c e s o ra m i X M E G A a in n y m i p ro c e s o ra m i is t n ie ją is to tn e ró żn ic e w s p o ­ s o b ie d e fin io w a n ia p o rtó w . N a le ż y n a n ie z w ró c ić u w a g ę przy p r z e n o s z e n iu p ro ­ g ra m ó w .

W p ro c e so ra c h A V R innych niż X M E G A p in y k ażd eg o p o rtu z aw ie ra ły nazw ę p o rtu , do k tó reg o się o d n o szą, n p . p in y p o rtu A były n azy w an e PAO - PA7. W X M E GA sy m b o l p in u nie z a w ie ra w n azw ie p o r tu , do k tó re g o się o d n o si. Z a to w s p o ­ sób sztu c z n y ro z ró ż n io n o p in y re je s tr u d a n y c h , re je s tr u k ie ru n k u i re je s tr u w e j­ ściow ego p o r tu , n a z w a n e o d p o w ie d n io PORTO - P 0 R T 7 , DDO - DD7 i PINO - P IN 7 . P o n iew aż w szystkie te sym bole zaw ie ra ją ta k ie sam e p rz y p o rz ą d k o w a n ia sy m b o lu do n u m e ru p in u , w p ro g ra m ie m o ż n a się do p o szczeg ó ln y ch bitów rejestró w d a ­ nego p o rtu o d w o ły w ać p o p rz e z d o w o ln ą z p o w yższych e ty k ie t. P okazane w cześniej sym bole zaw ierają tylko num er pinu portu A by zam ienić je na m askę bitow ą, która zazw yczaj je st w ykorzystyw ana przy dostępie do rejestrów IO danego portu, należy się posłużyć predefiniow anym m ak rem _BV(nr pinu) lub o p era­ cjam i przesunięć bitow ych. PORTA_OUT=_BV( PORTO): PORTA_OUT=T«PORTO:

Pow yższy kod w obu przypadkach ustaw i bit num er 0 portu A. T en sam efekt m ożem y uzyskać, podając bezpośrednio num er bitu lub jeg o m askę bitow ą: PORTA_OUT-1«2: PORTA_OUT=4:

Jednak stosow anie sym boli je st zn acznie czy telniejsze i ułatw ia dokonyw anie póź­ niejszych zm ian w program ie.

P in y w e jś c io w e i w y jś c io w e K ażdy pin IO m oże niezależnie być zdefiniow any ja k o pin w ejściow y (jest to dom yślny stan pinu) lub w yjściow y. Pin zdefiniow any ja k o w ejścio w y je st w stanie w ysokiej im pcdancji — o p ó r w ejściow y takiego pinu je st bardzo w ysoki (rzędu setek M O). D zięki tem u do tak ustaw ionego pinu m ożem y bezpiecznie podłączyć sygnał, którego napięcie m ieści się w zakresie napięć zasilających procesor.

Wskazówka

P a m ię ta j, ż e po r e s e c ie p ro c e s o ra w s z y s tk ie piny 10 s ą u s ta w io n e ja k o w e jś c ia b e z p o d c ią g a n ia d o Vcc lu b GND.

Rozdział 7. ♦ Lepiej i prościej, czyli porty 10 procesora na sterydach

169

Do pinu skonfigurowanego jako wejście można bezpiecznie podłączyć sygnał o napięciu z zakresu GND - f cc. Ze względu na budowę portu IO nie należy przekraczać lego zakresu Każdy pin IO jest chroniony za pomocą diod, które są integralnym elementem struktury scalonej (rysunek 7.1). R y s u n e k 7 .1 .

Diod}' zabezpieczające port IO mikrokontrolera. Ich podstawowym zadaniem jest ochrona mikrokontrolera przed „szpilkami" napięcia. Dla napięć wyższych od napięcia zasilania mikrokontrolera przewodzi górna dioda (D2). dla napięć niższych niż GND przewodzi dolna dioda (DI). Powoduje to, że ładunki elektryczne poprzez te diody są efektywnie odprowadzane do zasilania, chroniąc w ten sposób strukturę scaloną Przekroczenie podanego zakresu o więcej niż napięcie przewodzenia takiej ochronnej diody (typowo wynosi ono ok. 0,6 V) powoduje, że zaczyna przez nią płynąć prąd do I cc (jeśli podamy napięcie w yższe niż I cc) lub do masy (jeśli podamy napięcie niż­ sze niż GND). Typowo wartość tego prądu nic powinna przekraczać 0,5 mA — jest to maksymalny dopuszczalny prąd przewodzenia tych diod. Jeśli go przekroczymy, to straty na złączu takiej diody mogą spowodować jej uszkodzenie, a co za tym idzie — także uszkodzenie procesora.

Wskazówka

J e ś li d o p u szcza ln y prąd tych w ew nętrznych diod je s t niew ystarczający, to port m ożem y d o d a tk o w o z a b e z p ie c z y ć ze w n ętrzn y m i d io d a m i. N a le ży przy tym p a m ię ta ć , aby ich n a p ię c ie p rze w o d ze n ia było n iżs z e n iż d io d w bud ow anych, a w ię c w pra ktyce należy u żyć d io d S c h o ttk y 'e g o .

Te wewnętrzne diody zabezpieczające wykorzystuje się czasami celow o do obniżenia napięcia przyłożonego do danego pinu IO do wartości bezpiecznych (rysunek 7.2). Przy­ kładając do pinu napięcie o potencjale przekraczającym napięcie zasilające procesor, należy szeregowo z pinem umieścić rezystor ograniczający prąd do wartości tolerowa­ nej przez diody zabezpieczające. Wartość takiego rezystora możemy wyliczyć z równania: R>=(1-1 cc)/0,0005 lub dla napięć poniżej potencjału masy R >=(GND- f V 0,0005, gdzie I' to przyłożone napięcie, a 0,0005 to maksymalny prąd przewodzenia wbudo­ wanej diody (czyli 0,5 mA). Zgodnie z prawem Ohma przepływający przez taki rezystor prąd spowoduje spadek napięcia proporcjonalny do prądu i wartości rezystora (U -R*I). Dzięki temu napięcie na danym pinie IO nie przekrocz)' wartości Vcc-K).6V i nie będzie niższe niż G N D -0.6 V. Napięcia przekraczające podane wartości zostaną „obcięte". Jeśli takie zachowanie nic jest pożądane i chcemy proporcjonalnie zmniejszyć napięcie, powinniśmy zasto­ sować dzielnik rezystancyjny.

170

AVR. Praktyczne projekty

Rysunek 7.2. Wpływ diod zabezpieczających procesor na napięcie panujące na pinie IO. ('iągla linia obrazuje napięcie podane na wejście rezystora ograniczającego prąd (Rl), Unia przerywana obrazuje napięcie panujące na wejściu procesora W arto też w spom nieć o w ydajności prądow ej pinów IO skonfigurow anych jak o w yj­ ście. Inform acje na ten tem at znajdziem y w nocie katalogow ej użytego m ikrokontro­ lera. w sekcji E lecihcal characteńslics. Limitem prądu płynącego z lub do pinu jest war­ tość 20 - 25 mA Jej przekroczenie może uszkodzić mikrokontroler Wrarto też pamiętać, że takiego m aksym alnego prądu me m ożem y pobierać z dow olnej liczby pinów IO. Dla procesora posiadającego zaledw ie 64 takie piny daw ałoby to teoretyczny limit pobieranego prądu rów ny 64*20 mA. czyli 1280 mA. O czyw iście takiego prądu nie m ożem y pobierać. W sekcji A bsolute m axitm tw ratings m ożem y przeczytać, że m ak­ sym alny prąd pinu J cc lub O.YD wynosi 200 mA. W efekcie prąd 20 mA m ożem y pobierać z nie więcej niż 10 pinów IO, prąd 10 mA z nie w ięcej m z 20 pinów IO itd.

Wskazówka

W ie le o s ó b ignoruje te z a le c e n ia i p rze kracza param etry m a k s y m a ln e m ikro ko ntro lera. U kła d y ta k za p ro je k to w a n e m o g ą d z ia ła ć , a le n ie m u s z ą . P rz e k ra c z a ją c param etry d o p u sz c z a ln e d e k la ro w a n e przez p ro d u ce n ta układu , w k ra c z a s z w o b sza r, w którym m o ż e z d a rzy ć s ię w s z y s tk o , a u k ła d b ę d z ie k o m p le tn ie n ie p rze w id y w a ln y .

Jeśli z jakiegoś pow odu podane dopuszczalne w artości prądów lub napięć są niew y­ starczające, należy użyć jednego ż układów pokazanych w dalszej części tego i w kolej­ nych rozdziałach. W arto leż pam iętać, że w m iarę zw iększania poboru prądu z pinu jeg o napięcie dla stanu w ysokiego m aleje, a dla stanu niskiego rośnie. Stw arza to pro­ blem przy sterow aniu innymi układam i cyfrow ym i, ale także rodzi problem y przy ste­ row aniu tak prostym i układam i jak LED -y, objaw iając się nierów nom iernym ich św ieceniem lub zależnością intensyw ności św iecenia od liczby w łączonych diod

Rozdział 7. ♦ Lepiej i prościej, czyli porty 10 procesora na sterydach

171

K o n w e rs ja p o z io m ó w lo g ic z n y c h p o m ię d z y u k ła d a m i p ra c u ją c y m i z ró żn y m i n a p ię c ia m i z a s ila ją c y m i Zanim przejdziemy do dalszego poznawania możliwości pinów 10 procesorów XM EGA, zastanów m y się nad m ożliw ościam i ich łączenia z układam i pracującym i z różnym i napięciam i zasilającym i, c o je st jed n y m z częściej spotykanych problem ów . Procesor}' rodziny X M E G A zasilane są napięciem m aksym alnie 3.3 V, stąd też praw ­ dopodobnie pojawi się potrzeba łączenia ich z innymi układami pracującymi z napięciem zasilającym rów nym 5 V. Będzie to w ym agało zbudow ania odpow iedniego konwertera napięć. Jego budowa zależ}' od tego. czy łączność z układem jest jednokierunkow a, czy dwukierunkowa. Obecnie występuje tendencja do obniżania napięć zasilających, z kolei procesor}' X M E G A m ogą pracow ać przy szerokim w achlarzu napięć, s tą d też n a jle ­ piej d o stosow ać n ap ięcie z a sila n ia p ro c e so ra do p o zio m ó w to le ro w a n y c h pr/.ez. in n e z a sto so w a n e u k ład y . Jeśli jed n ak nie je st to m ożliw e, m usim y zastosow ać o d ­ pow iednie konw ertery napięć. Aby popraw ne połączenie d w ó ch urządzeń (układów scalonych) było m ożliw e, m u szą być spełnione następujące w arunki: ♦ napięcie w stanie w ysokim nadajnika m usi być w ięk sze niz m inim alne napięcie stanu w ysokiego odbiornika; ♦ napięcie w stanie niskim nadajnika musi być m niejsze n iż m aksym alne napięcie rozpoznaw ane przez odbiornik jak o stan niski; ♦ napięcie w yjściow e nadajnika nie m oże przekraczać m aksym alnego dopuszczalnego napięcia dla w ejścia odbiornika. Poniżej zostaną pokazane różne typow e schem aty połączeń pom iędzy układam i pra­ cującym i z różnym i napięciam i.

Łączenie wyjścia procesora z układem pracującym z napięciem 5 V Jest to najprostsze do zrealizow ania połączenie. Port p rocesora ustaw iony jest jak o w yjście podłączone do układu pracującego z w yższym napięciem zasilającym W takiej sytuacji, o ile poziom w ysoki generow any p rzez procesor m ieści się w zakresie napięć rozpoznaw anych jak o poziom wysoki przez układ pracujący w dom enie 5 V. w yjście procesora m ożem y połączyć z w ejściem układu pracującego z w yższym napięciem bez­ pośrednio (rysunek 7.3). W ten sposób możem y bezpośrednio połączyć w yjście XM EGA zasilane napięciem 3,3 V z układem logicznym zasilanym n apięciem 5 V.

172

AVR. Praktyczne projekty

Rysunek 7.3. Dopuszczalne poziomy napiąć wejściowych w ukłuciach wykonanych w typowych technologiach scalonych dla najpowszechniej występujących napięć zasilających Jeśli poziom wysoki generowany przez procesor jesl niewystarczający dla prawidłowego wysterowania układu pracującego z w yższym napięciem zasilającym, musimy rozbu­ dować układ o odpowiedni konwerter. Jeden z prostszych tego typu układów pokazany jest na rysunku 7.4. Rysunek 7.4. Konwersja poziomów logicznych z domeny pracującej przy niższy m napięciu do domeny pracującej z napięciem wyższym. Rezystor R 0 wartości typowo mieszczącej się u przedziale 1 - JO kQ ma za zadanie zwiększać napięcie panujące na wyjściu drirera ir stanie wysokim, dzięki czemu otlbiornik może prawidłowo rozpoznać ten stan

+3V3

+5V

Układ ten ma podstawową zaletę, jaką jest prostota. Jako driver można zastosować pin portu 10 procesora, a odbiornikiem jest po prostu wejście drugiego układu. Cały kon­ werter składa się z zaledwie jednego elementu, jakim jest rezystor R. Pokazany układ jest prosty, ale ma kilka wad. Przede wszystkim w stanie niskim na wyjściu przez re­ zystor R będzie płynął prąd wynoszący 5 V/R dla R=1 kil. dla każdego takiego wyj­ ścia będzie pobierany dodatkowy prąd wynoszący aż 5 mA! Jeśli w yjście jest w stanie niskim tylko okresowo, to takie zachow anie m oże być akceptow alne, lecz jeśli posia­ damy więcej tak sterowanych w yjść, które co gorsza zw ykle znajdują się w stanie ni­ skim. to sumaryczny pobierany prąd staje się bardzo duży. Prąd ten dodatkowo obciąża wyjście bufora. Druga wada wynika z biernego charakteru, w jaki realizowane jest pod­ ciąganie do 5 V. Ponieważ przy zmianie stanu z O na 1 stan wysoki wymuszany jest częściow o przez prąd płynący przez rezystor /?, szybkość narastania zbocza jest ogra­ niczona (rysunek 7.5).

Rozdział 7. ♦ Lepiej i prościej, czyli porty 10 procesora na sterydach

173

R y s u n e k 7 . 5 . Zmiana sianu z 0 na I związana je s t z ograniczeniem szybkości narastania zbocza, co wynika z częściowo biernego charakteru tego procesu (po przekroczeniu napięcia 3.3 I' dalszy jego wzrost warunkuje m j łącznie prąd płynący przez rezystor. Zmiana z 1 na 0 przebiega szybko, gdyż prąd wyjścioMy drtrera jest wymuszany przez załączony tranzystor układu wyjściowego. Pogrubioną limą pokazano sygnał rzeczywistym linią przerywaną sygnał idealny

Skutkiem tego jest ograniczenie maksymalnej szybkości, z jaką może działać taki kon­ werter. Jest ona zależna od wartości rezystora (im jesi ona mniejsza, tym szybciej układ m oże być przełączany) oraz od obciążenia w noszonego przez odbiornik (im jest ono większe, tym szybkość narastania zbocza jest wolniejsza, ograniczając maksymalną częstotliw ość przełączania). O czyw iście wartości rezystora R nie m ożemy dow olnie zmniejszać — prąd płynący przez ten rezystor w stanie niskim nie m oże za bardzo obciążać wyjścia układu W praktyce układ len spisuje się dobrze dla częstotliw ości do około 10 MI Iz. Układ ten ma jeszcze jedną wadę — nadajnik musi posiadać wyj­ ścia tolerujące podwyższone napięcie na nich panujące. N ależy pam iętać, że piny IO X M E G A tolerują napięcia cło 3,6 V.

B u fo ry ty p u o p e n -d ra in Odmianą przedstawionego układu jest sytuacja, w której bufor układu w yjściowego jest typu open-drain. Bufor tego typu aktywnie generuje w yłącznie stan niski, stan wysoki jest realizowany pasywnie za pom ocą zewnętrznego rezystora Zazwyczaj scalone bu­ fory typu open-drain akceptują na wyjściu napięcia znacznie przekraczające napięcie zasilania samej struktury scalonej (np. popularne bufory tego typu serii 74 akceptują napięcia aż do 30 V). eo ma też zastosow anie w sterowaniu innych urządzeń. Bufor tego typu można wykorzystać do translacji poziom ów zarówno do napięć w yższych, jak i do napięć niższych. Należy jednak pamiętać, że o ile cza s opadania sygnału dla tego typu układów jest bardzo krótki, to czas narastania jest determinowany przez wartość rezystora podciągającego (im jego rezystancja jest niższa, tym krótszy czas narastania zbocza). Czas narastania ulega znacznemu wydłużeniu przy obciążeniu pojemnościowym wyjścia. Zaletą stosowania buforów typu open-drain jest możliwość konwersji także do domen pracujących z w yższym napięciem , ale przede wszystkim znacznie mniejsze obciążenie bufora — przez rezystor podciągający (ang. Puli up ) płynie duży prąd w yłącznie wr stanie niskim.

174

Wskazówka

AVR. Praktyczne projekty

X M E G A m a m o żliw o ś ć sko n fig u ro w an ia pinu w yjściow ego ja k o open drain, le cz należy p a m ię ta ć , ze d la ta k ie g o pin u m e m o że m y p rze k ro czy ć n a p ię c ia 3 ,6 V.

Zastosowanie aktywnego konwertera R ozw iązaniem problem u ograniczonej szybkości przełączania jest zastosow anie sca­ lonych konwerterów. Cechują sic one tym, że posiadają dwa napięcia zasilające, równe napięciu każdej dom eny zasilania (rysunek 7.6). Przeprow adzają one aktyw nie proces konw ersji napięcia i m ogą pracow ać z częstotliw ościam i setek MI Iz. N ajczęściej sto­ suje się tu dw ukierunkow e bufory serii 74LV C 3245. 74LV C C 3245. 74LV C4245. 74LV C C 4245 pracujące dla napięć 3,3 - 5 V oraz 7 4 A V C 164245 i 74H ST L 12I2 pracujące przy poziom ach napięć 1.8 - 3.3 V. Układy te są konw erteram i dw ukierun­ kowymi; kiedy dokonujemy konwersji tylko w jednym kierunku, odpow iednie wejście w yboru kierunku m ożem y ustaw ić na stale. Układ taki cechuje się kilkom a zaletam i:

♦ uniwersalnością, um ożliw iającą dw ukierunkow ą translację praktycznie pom iędzy dow olnym i jX)ziomumi napięć; ♦ aktyw nym w ym uszaniem poziom ów logicznych, w efekcie szybką pracą, ograniczoną w yłącznie technologią w ykonania konw ertera; ♦ zazwyczaj jeden konw erter scalony potrafi konw ertow ać poziomy kilku (4 - 16) sygnałów cyfrow ych, co ma szczególne znaczenie przy konw ersji sygnałów tw orzących szerokie m agistrale (np. linii adresow ych lub danych).

Rysunek 7.6. Translacja poziomów napięć pomiędzy' różnymi domenami zasilania realizowana przez scalony bufor

Konwersja z napięcia wyższego na niższe Część układów scalonych posiada wejścia tolerujące napięcia w yzsze niz napięcie zasi­ lania układu (np. część układów zasilanych napięciem 3,3 V toleruje na w ejściach na­ pięcie 5 V). W takiej sytuacji oba układy m ożem y połączyć bezpośrednio. Jeśli tak nic jest, to innym prostym rozw iązaniem tego typu problem u jest w ykorzystanie w budow anych w w iększość układów' diod zabezpieczających (rysunek 7.7). M ają one za zadanie chronić w ysokoim pedancyjne w-ejście układu scalonego przed m ogącym i je uszkodzić szpilkam i napięcia.

Rozdział 7. ♦ Lepiej i prościej, czyli porty 10 procesora na sterydach

175

Rysunek 7.7. Połączenie układu zasilanego wyższym napięciem z układem zasilanym napięciem niższym (np. mikrokontrolerem X \ fEGA) ir sytuacji, w której układ zasilany napięciem niższym ma wbudowane ir strukturę diody zabezpieczające. Pamiętać jednak należy, że wejście posiada pewną pasożytniczą pojemność (na rysunku ok. 20 pF). która z rezystorem ograniczającym prąd tworzy układ RC działający ja k filtr Gdy napięcie na w ejściu układu przekracza w artość n ap ięcia zasilającego pow iększo­ n ą o spadek napięcia na w budow anej diodzie (zw ykle m ieszczący się w granicach 0,3 - 0,6 V), zaczyna ona przew odzić, pow odując znaczny przepływ prądu od w ejścia do źródła zasilania układu. T y p o w o d io d y z a b e z p ie c z a ją c e w e jśc ia m a ją b a rd z o n ie ­ w ielkie d o p u szc z aln e n ap ięcie przew o d zen ia (n p . d la w ięk szo ści m ik ro k o n tro le ­ rów A V R w ynosi o no zaledw ie 0,5 m A )t a b y w ięc nie u szk o d zić d io d y , należy o g ra n ic zy ć p rą d m a k sy m a ln y p o p rz e z zasto so w an ie szereg o w eg o re z y sto ra . Jego rezystancję należy tak dobrać, aby była ona w yższa niż: R > f l V U T - Vcc-VJ)/If gdzie I'O U T to napięcie w yjściow e układu zasilanego w yższym napięciem , l e c to napięcie zasilania układu, ł / l o napięcie przew odzenia diody zabezpieczającej, a I f to prąd maksymalny tej diody. Dla 1'OUT=5 1* lcc= 3 ,3 I \ \J= 0,6 V i /f= 0,5 mA rezystor ten pow inien m ieć w artość w ięk szą niż 2,2 k£l. Przepływ ający przez rezystor prąd, zgodnie z praw em O hm a, pow oduje na nim spadek napięcia, wr efekcie napięcie na wejściu układu nic przekracza napięcia zasilania pow iększonego o napięcie przew odzenia w budow anej diody zabezpieczającej. Pokazane rozw iązanie jest proste, posiada je d ­ nak niew ielką wadę. W ejście układu cyfrow ego posiada pew n ą niew ielką pojem ność pasożytniczą, w ynoszącą około 1 0 - 2 0 pF. Pow oduje ona. w raz z rezystorem o g ran i­ czającym prąd, powstanie filtra, który ogranicza szybkość narastania i opadania zboczy (rysunek 7.8), w efekcie ogranicza m aksym alną często tliw o ść przełączania sygnału. Jednak stała czasow a takiego Filtra je st na tyle niew ielka, z e w w iększości typow ych sytuacji nie stanow i to problem u i układ taki m oże popraw nie pracow ać z częstotli­ w ościam i sięgającym i kilku MI Iz. Zaletą takiego konw ertera jest jego niesamowita prostota — w ym aga zaledw ie szerego­ wego rezystora Jednak pam iętajm y, że w szystkie napięcia w yższe niż napięcie zasilania odbiornika zostaną obcięte do poziomu napięcia zasilania odbiornika plus napięcie prze­ w odzenia diody zabezpieczającej (rysunek 7.2). Zastosow anie zewnętrznych diod może umożliwić zm niejszenie wartości szeregowego rezystora, a w efekcie zwiększyć pasmo przenoszonego sygnału, jednak pow oduje to istotnie w ięk sze obciążenie nadajnika

176

AVR. Praktyczne projekty

Rysunek 7.8. Przebieg prostokątny o amplitudzie 5 I ' (górny wykres) doprowadzony został poprzez rezystor 2.-I kQ do wejścia procesora W !EG A zasilanego napięciem 5.3 I'. Napięcie zostało obcięte do 3,3 1' za pomocą diody zabezpieczającej wejście, niestety pojemność pasożytnicza wejścia wraz z szeregowym rezystorem ograniczającym prąd spowodowała znaczne zmniejszenie szybkości narastania i opadania zboczy sygnału, deformując doprowadzony przebieg prostokątny (dolny wykres). Powoduje to znaczne ograniczenie maksymalnej częstotliwości doprowadzonego przebiegu

Dzielnik rezystorowy Innym często pokazywanym rozwiązaniem jest zastosowanie dzielnika rezystorowe­ go. Jego zadaniem jest obniżenie napięcia na wyjściu. Dzielnik taki zbudowany jest z dwóch rezystorów (rysunek 7.9). Napięcie na wyjściu dzielnika równe jest napięciu wejściowemu pomnożonemu przez stosunek rezystancji R2/(RI+R2):

Rysunek 7.9. Dzielnik rezystorowy. Napięcie wyjściowe jest zawsze mniejsze niż napięcie na wejściu dzielnika

Rozdział 7. ♦ Lepiej i prościej, czyli porty 10 procesora na sterydach

177

Układ ten ma podobne ograniczenia jak układ pokazany wcześniej — rezystory dzielnika w raz z pojem nościam i pasożytniczym i tw orzą filtr, który' ogranicza m aks)'m a Iną czę­ stotliw ość przełączania sygnału. W praktyce m ieści się o n a w granicach 3 - 6 MI Iz. Przy w yższych częstotliw ościach zbocza sygnały są tak zniekształcone, żc me jest m ożliw e popraw ne przenoszenie sygnałów cyfrow ych (rysunek 7.10). D zielniki sto­ suje się często w sytuacji, gdy napięcie w ejściow e o dużej am plitudzie chcem y podać na wejście analogowe procesora, np. wejście przetwornika cyfrowo-analogowego. Jego zaletą jest to. Ze proporcjonalnie zm niejsza napięcie w ejściow e, nie pow odując jego obcięcia do pew nego poziomu tak jak układ prezentow any w cześniej. Zniekształcenia przebiegu możemy uniknąć, dopasow ując układ za pom ocą kondensatorów umieszczo­ nych rów nolegle do rezystorów'. Jednak teoria za tym stojąca daleko w ykracza poza zakres tej książki.

R y s u n e k 7 .1 0 . Przebieg o amplitudzie 5 f *(górny przebieg) i jego kształt na wejścia procesora .WfEGA o poziomie obniżonym iłzielnikiem rezystancyjnym. Widzimy, że przebieg uległ znacznemu zniekształceniu, które dla vy,ższycłt częstotliwości może uniemożliwić poprawną pracę układu

Użycie do konwersji napięć buforów scalonych K onw ersja napięć w dół za pom ocą buforów scalonych jest o w iele prostsza niż poka­ zana w cześniej konw ersja z napięcia niższego na w yższe. D o takiej konw ersji m ożna wykorzystać dowolny układ posiadający wejścia tolerujące w yższe napięcie, np. więk­ szość układów serii 74LV C lub 74LV ĆX . Przykładem m oże być np. układ 74LV C 08. będący 4-krotną bramką AND. Łącząc oba wejścia bramki A N D , tworzymy zwykły bu­ for. Układ ten m oże być zasilany napięciem w przedziale 1,65 - 3,6 V, lecz je g o wej­ ścia tolerują napięcia aż do 5?5 V. Zasilając w ięc laki bufor z dom eny zasilania cechującej

178

AVR. Praktyczne projekty

się niższym napięciom , m ożem y go użyć do konw ersji p o ziom ów logicznych z do­ m eny zasilania cechującej się w yższym napięciem . Z aletą u życia scalonych konw erte­ rów jest ich duża szybkość pracy rów na szybkości charakterystycznej dla danej rodzi­ ny układów (rysunek 7.11). W efekcie w ykorzystanie takich scalonych buforów jest zdecydow anie zalecanym rozw iązaniem N ależy pam iętać, ż e tego typu układy są tak­ że produkow ane w m iniaturow ych obudow ach zaw ierających tylko jed en konw erter, co um ożliw ia zaoszczędzenie m iejsca na płytce, gdy konw ertujem y tylko je d en lub dw a sygnały.

R ysunek 7 .1 1 . Przebieg sygnału prostokątnego (górny przebiegł doprowadzony został do bufora 7-łIA’C 125 zasilanego napięciem 3 I' (dolny przebiegł. Widzimy, że przebieg nie je st zniekształcony, co umożliwia konwersję sygnałów o dużych częstotliwościach

Bufor dwukierunkowy stosowany w magistralach typu open drain Stosunkow o pow szechnie w ykorzystyw ane są dw ukierunkow e m agistrale posiadające stan recesyw ny w ym uszany poprzez rezy sto r podciągający. Stan aktyw ny m agistrali w ym uszany je st aktyw nie poprzez tranzystor nadajnika. P rzykładem takiej m agistrali jest m agistrala I2C — stan niski jest na niej w ym uszany aktyw nie p o przez nadajnik, stan recesyw ny 1 je st w ym uszany poprzez rezystor podciągający. W raz ze zm ianą technologii produkcji układów scalonych coraz częściej spotykam y się z układam i I2C pracującym i z napięciam i 5 V lub 3.3 V. W takich m ieszanych m agistralach najpro­ ściej jest zastosow ać układy, które m ają w ejścia tolerujące napięcie 5 V (rysunek 7.12). W’ takiej sytuacji w stanie spoczynku na m agistrali panuje napięcie 5 V dostarczane poprzez rezystory podciągające R N apięcie to jest praw idłow o rozpoznaw ane ja k o stan

180

AVR. Praktyczne projekty

Układ ten działa w następujący sposób: ♦ Jeśli magistrala jest w stanie recesywnym (wysokim), to napięcie GS tranzystora jest bliskie 0 V. w efekcie tranzystor nie przewodzi. Napięcie po obu stronach magistrali jest wymuszane piv.cz rezystory podciągające, stąd po jednej stronie wynosi ono 3.3 V. a po drugiej 5 V. ♦ Jeśli po stronie 3.3 V zostanie wymuszony stan niski, to napięcie GS tranzystora wzrośnie, powodując jego otwarcie. W efekcie przez tranzystor popłynie prąd powodujący wymuszenie stanu niskiego także w części magistrali zasilanej napięciem 5 V. ♦ Ostatnią sytuacją jest sytuacja, w której stan niski jest wymuszany po stronie zasilanej napięciem 5 V. Poniew aż tranzystor MOSFET posiada pasożytniczą diodę spolaryzowaną tak. jak to pokazano na rysunku 7.14. zaczyna ona przew odzić, co powoduje obniżenie napięcia panującego na źródle tranzystora. W efekcie rośnie napięcie G S i tranzystor zaczyna przewodzić, dalej obniżając napięcie źródła.

C z ę ść o n iżs z y m n a p ię c iu

C z ę ś ć o w y ż s z y m n a p ię c iu

Rysunek 7.14. Konwersja poziomów dla sytuacji, w której możliwe jest odłączenie napięcia wyższego (w powyższym przykładzie 5 V) Zaletą pokazanego układu jest także ochrona magistrali pr/.ed szpilkami napięcia powsta­ jącymi w jej drugiej części Należy jednak zapewnić, aby takie szpilki nic były większe niż dopuszczalne napięcie drenu tranzystora. Pokazany układ wymaga, aby w- trakcie pracy obie części magistrali były zasilane. Układ taki pozwala tylko, aby strona zasilana napięciem niższym była pozbawiona zasilania (tranzystor po prostu będzie zablokowany, odcinając część niskonapięciową). Aby zastosowany bufor pracował poprawnie, musimy wybrać odpowiednie tranzystory N-MOSFET. Muszą one spełniać następujące warunki: ♦ I G S w zakresie 0,1 - 2 V, przy czym im niższe, tym lepiej: ♦ rezystancja po w łączeniu tranzystora dla Vos=2,5 V nie większa niż 100 U dla prądu co najmniej 3 mA. Niespełnienie tego warunku znacznie spowolni pracę magistrali.

Rozdział 7. ♦ Lepiej i prościej, czyli porty 10 procesora na sterydach

181

Jak w idzim y, w praktyce należy zastosow ać tranzystory M O SFET tzw. logie level (LL-M OSFET). Rozbudowując pokazany układ, możemy także zapewnić je g o popraw ną pracę w sytu­ acji. w której odłączone zostanie napięcie w yższe (czyli w naszym przykładzie 5 V). W takiej sytuacji układ należy rozbudow ać o dodatkow e tranzystory, których bramki połączone są z napięciem wyższym (5 V). a dreny połączone s ą z drenami tranzystorów 77 i T2 (rysunek 7.14).

K o n tro la nad p o rta m i p r o c e s o r a W iemy już, jak elektrycznie połączyć m ikrokontroler z otoczeniem , czas przyjrzeć się. jakim i dysponujem y możliwościam i konfiguracji portów . Stan portów IO proce­ sora można kontrolować za pom ocą kilku rejestrów zaw ierających jeg o bieżącą kon­ figurację oraz stan. Każdy pin IO może pracow ać w dw óch podstaw ow ych stanach: ♦ M oże być w ejściem (tak jest dom yślnie). Z tak skonfigurow anego pinu m ożna odczytyw ać inform acje, które odzw ierciedlają poziom logiczny panujący na odpow iadającym mu w yprow adzeniu procesora w chw ili odczytu. ♦ Może być wyjściem. W takiej sytuacji stan pinu (niski lub w ysoki) określa się za pom ocą dodatkow ego rejestru przechow ującego stan poszczególnych pinów portu. Inform acja odczytana z pinu skonfigurow anego jak o wyjście zaw sze odpow iada inform acji, która wcześniej do tego pinu została zapisana. M ikrokontrolery XM EGA oferują oczyw iście znacznie w iększe m ożliw ości konfigu­ racyjne. które zostaną dokładnie om ów ione w dalszej części. Podstaw owa struktura opisująca stan portu IO pokazana została w rozdziale 6. — jest to struktura P0RT_t. Jak widzimy, rejestr kontrolny IO w stosunku do innych procesorów' AVR8 jest bardzo rozbudowany.

Wskazówka

O s o b y p rz e c h o d z ą c e z u ży w an ia X M E G A n a in n e m o d e le A V R pow inny z a p a m ię ta ć , że o d p o w ie d n ik ie m re je stru PORT j e s t p o le OUT, re je stru DDR p o le DIR, a rejestru PIN p o le IN. P o z o s ta łe re je stry n ie m a ją s w o ic h o d p o w ie d n ik ó w w e w cze ś n ie jszy ch m o d e la c h AVR.

Prześledźmy więc, jakie możliwości dają nam powyższe rejestry konfiguracyjne. Poni­ żej zostaną opisane przykłady leh zastosow ania, z w yjątkiem rejestrów zw iązanych z przerw aniam i — te zostaną dokładniej opisane w rozdziale 10. ..Przerw ania i kon­ troler przerw ań”

182

AVR. Praktyczne projekty

P in y w e jś c io w e i w y jś c io w e K ierunek danego pinu określa rejestr DIR (ang. D irection — kierunek) związany z por­ tem. do którego należy dany pin. Bity tego rejestru o w artości 1 określają, że dany pin będzie w yjściem , natomiast bity o wartości 0 (dom yślnej) pow odują, że dany pin będzie w ejściem . Pin IO ustaw iony ja k o w yjście m oże być źródłem prądu lub pobierać prąd o natężeniu do ok. 20 - 25 mA.

Wskazówka

N a le ży je d n a k p rze strze g ać, aby ca łkow ity prąd po b ierany p rze z p ro ce so r nie prze kra­ c z a ł 2 0 0 m A — sz c z e g ó ły m o ż n a z n a le ź ć w n o ta ch k a ta lo g o w y ch użytego p ro c e so ra .

Po wybraniu kierunku danego pinu IO w przypadku pinu będącego wejściem jego stan odczytujem y z rejestru IN.

Wskazówka

P ro g ra m iści sto s u n k o w o c z ę s to p o p ełn ia ją błąd, próbując o d czy ta ć sta n pinu z portu OUT. S ta n tego portu przechow uje w a rto ść w p is a n ą d o n ieg o p o d c za s konfiguracji portu, a n ie a k tu a ln y s ta n p in ó w w e jśc io w y c h .

Z kolei stan pinów wyjściowych możemy zm ieniać poprzez rejestr o nazwie OUT. Stan pi­ nów IO ustawionych jako wyjścia odpowiada stanowi poszczególnych bitów rejestru OUT

Wskazówka

W p rze ciw ie ń stw ie d o innych p ro ce so ró w A V R bity o w a rto ści 1 w re je strze OUT d la pi­ nów u staw io nych ja k o w e jśc ia n ie aktyw ują p o d cią g a n ia d o Vcc. Aby to o s ią g n ą ć , m u ­ sim y s k o r z y s ta ć z re je s tró w k o n tro ln y c h zw ią z a n y c h z d a n y m p in e m .

Poniższy przykład ilustruje w prosty sposób zasady korzystania z wyżej wymienionych rejestrów . Jego zadaniem jest spraw dzanie, który z przycisków jest w ciśnięty, a na­ stępnie zapalanie odpow iadającej mu diody I.KD. Schemat testow ego układu pokazany je st na rysunku 7.15 (osoby posługujące się X plained ja k zw ykle nic nie m uszą robie). K od przykładu znajduje się w katalogu P rzykłady/P orty IO FO-kłan isz-dioda. Posiadając ju ż zm ontow any układ elektroniczny, m ożem y p rzejść do przykładow ego program u. P rogram ten będzie odczytyw ał stan przycisków (a w ięc odpow iedniego pola IN struktury opisującej p o rt1), a następnie po prostu przekazyw ał w ynik d o pola OUT struktury opisującej port, do którego podłączone są diody LHD. Poniew aż w module X plaincd przyciski s ą podłączone częściow o do portu D m ikrokontrolera, a częściow o do portu R, nieco skomplikuje nam to program, ale przy okazji umożliwi pokazanie, w jaki sposób posługiw ać się operacjam i bitowymi:

1 Zc względu na trywialność przykładu posłużymy się definicjami umożliwiającymi bezpośredni dostęp do rejestru, a nie strukturami opisującymi rejestry IO.

188

AVR. Praktyczne projekty

R y s u n e k 7 .1 6 .

Dwa podstawowe sposoby podłączenia przycisków (przełączników) do wejścia portu KSIĘGA. Rezy story R 9 i RIO to wewnętrzne rezystory poi!ciągające, aktywowane programowo. Zamiast nich możemy także zastosować rezystory zewnętrzne. W takiej sytuacji pin procesora konfigurujemy ja ko wejście bez aktywacji wewnętrznych rezystorów (Jest to domyślna konfiguracja pinu)

W pokazanym wcześniej przykładzie włączenie rezystorów podciągających do i cc za­ pewniało polecenie: P0RTD_PINOCTRL=PORT_OPC_PULLUP_gc:

Rezystory podciągające można aktywować dla pinu ustawionego jako wyjście w trybie wired-AND łub wired-OR. Dzięki temu można w prosty sposób realizować magistrale, w których występuje stan recesywny. Jednak wartości tych rezystorów wynoszące typowo 20 kQ są zbyt duże dla realizacji magistral 1-wire lub I2C — dla ich realizacji zazwyczaj wymagane jest podłączenie zewnętrznych rezystorów o wyliczonej rezystancji (typowo m ieszczącej się w przedziale 2.2 - 4.7 kLI).

Konfiguracja bus k e ep e r Jest to konfiguracja wykorzystywana dla pinów wejściowych. Stan takich pinów wymu­ szany jest przez układ zewnętrzny. Jeśli jednak układ zewnętrzny w pewnej chwili prze­ staje wysterowywać pin. jego stan staje się nieustalony. Aby zapobiec powstawaniu takich stanów nieustalonych, wprowadzono konfigurację b u s keeper. W tym trybie pin „pamięta” ostatni stan przed chw ilą odłączenia układu zewnętrznego i przejścia go w stan wysokiej impedancji. T ego typu konfigurację zazw yczaj w ykorzystuje się dla pinów łączonych z układam i posiadających w yjścia trójstanow c — np. układam i pam ięci. Pozwala to zredukować pobór mocy w przypadku, kiedy układ podłączony do pinu przechodzi w stan wysokiej impedancji, pozwala także unikać stanów nieustalonych, co w pewnych sytuacjach upraszcza program. Konfigurację tę wybiera się poprzez wpisanie do rejestru PINnCTRL wartości zdefiniowanej w stałej PORT_OPC_BUSKEEPER_gc. np.: P0RTD_PINOCTRl«PORT_OPC_BUSKEEPER_gc:

Rozdział 7. ♦ Lepiej i prościej, czyli porty 10 procesora na sterydach

189

Konfiguracja wired-AND W tym typie konfiguracji pin IO pracuje w konfiguracji otw artego drenu (ang. open drani), będącego odpowiednikiem konfiguracji znanej z układów bipolarnych — otwarte­ go kolektora (ang. open collector) — rysunek 7.17.

R y s u n e k 7 . 1 7 . Różne typy konfiguracji wyjścia pinu IO. Pierwszy to konfiguracja totem-pole. w której stan wysoki uzyskuje się dzięki włączeniu tranzystora Q2. a niski dzięki włączeniu tranzystora QI. W konfiguracji wired-AND u- buforze wyjściowym stale wyłączonyje st górny tranzystor, przewodzić może tylko tranzystor 03. W efekcie na wyjściu możemy wymusić stan niski, .stan wysoki jest wymuszany pasywnie przez rezystor I ii ir chwili wyłączenia tranzystora 03. Dokładnie odwrotnie dzieje się u przypadku wykorzy stania konfiguracji wired-OR

W trybie tym pin zachowuje się tak, jakbyśmy mogli sterować tylko jednym z dwóch tranzystorów stanowiących bufor w yjściow y — a konkretnie tranzystorem, którego źródło (ang. soitrce) podłączone jest do mas)' W efekcie dla pinu ustawionego jako w yjście wartość 0 odpowiadającego mu bitu w rejestrze OUT powoduje w ystawienie 0 logicznego na odpowiednim pinie procesora. Z kolei w pisanie 1 na odpowiednią po­ zycję rejestru OUT powoduje odcięcie takiego pinu — dla układu zewnętrznego za­ chowuje się on tak. jakby został przełączony na w ejście — jest w stanie wysokiej impedancji. Taka konfiguracja pinu ułatwia implementację magistral, w których stanem dominującym jest poziom niski, a recesywnym poziom w ysoki. Dzięki temu można łączyć razem kilka w yjść tego typu bez obaw y o powstanie konfliktu w sytuacji, gdy w yjścia będą reprezentowane przez różne poziomy logiczne. Przykładem magistrali tego typu jest magistrala 1-wirc.

Wskazówka

W p rzy p a d k u k o n fig u ra c ji wired-AND lu b wired-OR m o ż n a a k ty w o w a ć w e w n ę trzn e re z y s to ry p o d c ią g a ją c e do Vcc lu b GND. D z ię k i te m u w p rzy p a d k u z w o ln ie n ia pin u (p o p rz e z w p is a n ie d o re je s tru OUT w a r to ś c i 1} je g o s ta n j e s t w y m u s z a n y p rz e z w e ­ w n ę trzn y re z y s to r p o d c ią g a ją c y .

Dla konfiguracji wired-AND ma sens włączanie iezystora podciągającego do / cc, a w przy­ padku konfiguracji wired-OR ma sens włączanie rezystora podciągającego do GND.

190

Wikarówka

AVR. Praktyczne projekty

W p rzy p a d k u k o n fig u ra c ji wired-AND lu b wired-OR piny w y jś c io w e p ro c e s o ra m o ż e z e s o b ą zw ie ra ć . J e ś li je d n a k c h c e m y to w y k o rz y s ta ć , n a le ż y p a m ię ta ć o ty m , aby n a jp ie rw w yb rać o d p o w ie d n ią k o n fig u ra c ję p in ó w w re je s trz e PINnCTRL, a d o p ie ro p o te m u s ta w ia ć je ja k o piny w yjścio w e . O d w ró c e n ie k o le jn o ś c i m o ż e s p o w o d o w a ć p rze p ływ z n a c z n e g o p rą d u p rze z p o rt 10 p ro c e s o r a , a w e fe k c ie je g o u s z k o d z e n ie .

Przeanalizujmy tę konfigurację na prostym przykładzie (Przykłady Porty 1() wired-AND). Najpierw .skonfigurujemy dwa piny portu F (0 i l)jak o wyjścia w konfiguracji wired-AND: PORTFPINOCTRL“PORT_OPC WIREDANDPULL gc: PORTF PINlCTRt»PORT~OPC~WIREDAHDPULlj} C : PORTF~DIR-Oxff:

W kolejnym etapie napiszem y krótki program , który generuje lalę prostokątną na w yjściach 0 i 1 portu F. nieznacznie przesuniętą w czasie: w h lle (l)

{

PORTF_OUT=0xO3: //Ustaw bity 0 i / portu F _ d e 1 a y jn s(l): PORTF_OUT-OxO 1: //U staw b u 0 _ d e 1 a y jn s(l): PORTF_OUT-Ox02: //U staw b u l _delay m s(l):

f Na rysunku 7.18 pokazano zrzut z oscyloskopu, pokazujący przebiegi na pinach 0 i 1. oraz przebieg sygnału pow stając)' w w yniku sum ow ania dw óch pow yższych — w tym celu piny 0 i 1 portu F zostały ze so b ą połączone. Jak w idzim y, aby po połączeniu obu pinów panował stan wysoki, oba piny m uszą być w stanie wysokim. Jeśli którykolwiek będzie w stanie niskim , to na wyjściu będzie panował rów nież stan niski. W ten sposób m ożna bez jakichkolw iek dodatkow ych elem entów realizow ać funkcję logiczną AND Jednak nic nie jest za darm o — taka konfiguracja w pływ a na czas narastania zbocza, a w efekcie na m aksym alną częstotliw ość pracy. Stan niski jest w ym uszany aktyw nie poprzez w łączony ..dolny,f tranzystor portu — port w tym stan ie m oże dostarczyć k il­ kadziesiąt mA prądu. Jednak stan w ysoki jest w ym uszany p rz e z rezystor podciągają­ cy do le c . Jako taki rezystor m ożna w ykorzystać w ew nętrzny rezystor lub rezystor zew nętrzny. Jednak w ydajność prądow a w yjścia w stanie w ysokim jest bardzo ograni­ czona. co pow oduje pow olne przeładow yw anie pojem ności dołączonej do portu (np. pojem ności całego połączenia w ynoszącej zazw yczaj kilka —kilkanaście pF) i pow ol­ ne narastanie napięcia, co pokazuje oscylogram z rysunku 7.19. Jak w idzim y, powrót do stanu w ysokiego przy nieobeiążonym w yjściu trwa aż 4 - 6 p s — dla podciągania zrealizow anego za pom ocą w ew nętrznego rezystora i zasilania 3,3 V N atom iast czas opadania realizow any aktyw nie trwa zaledw ie kilka ns, a w ięc praw ie 1000-krotnie krócej. Pow oduje to. że tak zrealizow ane m agistrale nie m o g ą działać z dużymi szybko­ ściami, w praktyce częstotliw ością graniczną jest kilkaset k H z do kilku MHz.

Rozdział 7. ♦ Lepiej i prościej, czyli porty 10 procesora na sterydach

Wskazówka

193

Pa m ię taj, że kon fig uracja pinu 10 wpływa nie tylko n a s p o s ó b , w ja k i d ziała port 10 m ikro ko ntro lera. W sytuacji, gdy w ykorzystujem y inny układ peryferyjny p o sia d a ją cy w sp ó ln e w yprow adzenie z konfigurow anym pinem , je g o za ch o w a n ie będ zie także determ in ow ane konfiguracją pinu 10.

Daje to duże możliwości, możemy w ten sposób np. sumować sygnały PWM. uzyskując bardziej złożone przebiegi, możemy wprowadzać inwersje sygnału lub wymuszać konfigurację wired-AND lub wired-OR dla wyjść układów peryferyjnych. Należy też pam iętać, że aby m ożna było w yprow adzić sygnał g enerow any w innym u k ła­ dzie peryferyjnym na pin p o rtu IO , pin ten m usi być skonfigurow any jak o w yj­ ściowy. W przeciwieństwie do innych rodzin AVR układy peryferyjne XMEGA nigdy nie przejmują automatycznie kontroli nad sam ą konfiguracją pinu IO.

Kontrola szybkości opadania i narastania zboczy XMł-XiA dysponują jeszcze jedną unikatową możliwością konfiguracji pinów IO — włączeniem układu limitującego szybkość opadania i narastania zboczy sygnału. .lego aktywacja powoduje, że slromość zboczy dla pinu skonfigurowanego jako wyjście maleje, ich czas wydłuża się o 50 - 150%. Jak wiemy, duża szybkość opadania i nara­ stania zboczy może być problemem w niektórych systemach — generuje ona zakłócenia o szerokim w idmie, a takZe zjawisko over~ i under-shoolów podczas przełączania sta­ nu portu. Mozę mieć to bardzo niekorzystny wpływ, szczególnie przy implementacji wolniejszych interfejsów lub stosowaniu linii długich przy braku odpowiedniego ich dopasowania. Najczęściej problem ten przejawia się przekłamaniami odczytu danych. Ograniczanie szybkości zmian sygnału zmniejsza także emisję EMC. Wcześniejsze mo­ dele AVR automatycznie włączały układ limitujący dla wybranych pinów IO. np. tych. na których implementowany był sprzętowy interfejs I2C (TWI). W XMEGA możemy to robić programowo dla dowolnego pinu. Układ len warto włączać przy implementa­ cji takiełi interfejsów jak I2C, 1-wire. wolniejszych wersji SPI. a także dla pinów wyko­ rzystywanych do podłączenia wolniejszych wyświetlaczy LCD (np. alfanumerycz­ nych). co ułatwi icłi bezproblemowe podłączenie za pomocą dłuższych przewodów' łączących. Włączenie tego układu powinno także zredukow ać zakłócenia generowane w trakcie przełączania stanu pinów. Funkcję tę można włączyć poprzez ustawienie najstarszego bitu portu kontrolnego pinu IO (PINnCTRL). W tym celu można posłużyć się predefiniowanymi definicjami PORT_$RlEN_bm lub PORT_SRLEN_bp określającymi odpowiednio maskę lub numer bitu kontrolnego SRLEłL np.: PORTE_PINOCTRL=PORT_$RlEN_bm:

Powyższa linia ustaw ia bit SRLEN dla pinu nr 0 portu E. ograniczając dla niego szybkość narastania i opadania zboczy.

Kontrola zdarzeń związanych z pinem W rejestrze kontrolnym pinu znajduje się 3-bitowe pole ISC (ang. Input/Sense Confignraiion). Jego w artość determinuje sposób, w jaki dany pin generuje zdarzenia i przerw ania (czym są zdarzenia i jak je wykorzystywać, dowiesz się z rozdziału 11.). Pole to także

198

AVR. Praktyczne projekty

T o znaczy. Ze jeśli stan rejestru OUT pow iązanego z portem w ynosi np. OxAA. to odczyt rejestrów OUTTGL. OUTCLR i OUTSET ró w n ież zw róci w artość OxAA. D la zilustrow ania użycia tych funkcji napiszm y prosty program : int main(void) {

P0RTE_D IR-OxFF:

//Port F. jest wyjściem

whlle(l) {

PORTE OUTTGL=OxFF:

//Zmień stan wyjścia porta E na przeciwny

) } Jak w idzim y, w nieskończonej pętli w pisujem y do rejestru PORTE OUTTGL w artość OxFF. c o spow oduje przy każdym zap isie zm ian ę w artości rejestru P0RTE_0UT na przeciw ny (dom yślna zaw arto ść tego portu to 0x00, a w ięc uzyskam y naprzem iennie w artości 0x00 i 0xFF). C o w ażne, w ygenerow any kod asem blerow y będzie w sposób atom owy zm ieniał w szystkie bity portu E: 218: 21a: 21e: 222:

8f 80 80 fd

ef 93 80 06 93 87 06 cf

ld i s ts s ts rjn p

r24. 0xFF 0x0680. r24 0x0687. r24 .-6

; Ustaw wszystkie piny porta F. jako wyjścia

; U'pisz OxFF do rejestru OUTTGl. porta E : Nieskończona pętla

W ygenerow any kod zm ieniający stan rejestru OUT portu jest zn ac z n ie krótszy niż kod z w ykorzystaniem m akra AT0MIC BL0CK. w dodatku do popraw nego działania nie wymaga blokow ania przerw ań. Istnienie rejestrów o sufiksach SET i CLR ułatw ia także m an ipulacje na pinach portów IO polegające na zm ianie ich kierunku lub stanu. Aby klasycznie wyzerować na przykład dw a najm łodsze bity (piny) portu E. należałoby w ykonać instrukcję: PORTE_OUTŻ-ObllllllOO:

Pozornie w ydaje się to prostą operacją, jednak aby ją w ykonać, procesor m usi odczytać rejestr OUT portu E. w yzerow ać dw a najm łodsze bity za p o m o c ą operacji iloczynu bi­ towego. a następnie um ieścić w rejestrze OUT now ą zaw artość, co przekłada się na n a­ stępujące instrukcje asem blerow e: 224: 228: 22a:

80 91 84 06 8c 7 f 80 93 84 06

lds andi s ts

r24. 0x0684 r2 4 . 0xFC 0x0684. r24

; odczytaj rejestr OUT

; wyzeruj dwa najmłodsze bity : zapisz jego nowa zawartość

To samo możemy uzyskać pozornie podobną instrukcją: P0RTE_OUTCLR=0b00000011:

Jednak tym razem wygenerowany kod będzie nie tylko w ykonyw any w sposób atomowy, ale będzie także znacznie krótszy: 220: 230 :

93 eO 90 93 86 0 6

ld i s ts

r25. 0x03 0x0686. r25

; Wyzeruj dwa najmlotisze bityzuZycicm rejestru CIJZ

Rozdział 7. ♦ Lepiej i prościej, czyli porty 10 procesora na sterydach

Wskazówka

199

Pam iętaj, że korzystając z rejestrów TGL, SET i CLR, przypisaną im funkcję aktywuje się poprzez w p isa n ie w a rto śc i 1 na pozycję o d p ow ia d a ją cą m odyfikow anem u pinow i 10.

Aby uaktywnić funkcję zerowania bitów przypisaną rejestrowi CLR. tak jak w powyższym przykładzie należy- na pozycje odpow iadające zerow anym bitom (w naszym przykła­ dzie pozycje O i 1) w pisać w artość 1. W efekcie odpow iednikiem operacji m askow ania bitów przeprow adzanej z w ykorzystaniem operatora &jest o p eracja zapisu d o rejestru 0 sufiksie CLR. stąd tez: PORTA.OUTS=Obl1110000: jest rów now ażne operacji: PORTA.OUTCLR-ObOOOOll11: /. kolei zapis do rejestru o sufiksie SET je st rów now ażny operacji ustaw iania bilów: PORTA.0UT|"Obli110000: 1 jest tym sam ym co: PORTA.OUTSET-ObllllOOOO: Z kolei zapis do rejeslm TGL odpow iada wykonaniu operacji alternatywy wykluczającej: PORTA.OUT-=Obll110000: i jest tym sam ym co: PORTA.OUTTGL=Obll110000: U żyw anie rejestró w CLR. SET i TGL n ie ty lk o d aje nam ato m o w o ść przeprow adzonej operacji, ale także zn aczn ie skraca kod; m ik ro k o n tro ler zam iast g en ero w ać ty p o w ą operację RM W , dokonuje tylko prostej operacji zapisu rojestni. Prowadzi to do co najmniej 3-kroincgo skrócenia kodu.

Wikarówka

Podob ne rejestry SET, CLR i TGL istnieją także dla innych układów peryferyjnych, np. liczn ikó w , tam g d zie a tom ow o m o d yfika cja bitów je s t n ie zb ę d n a . J e ś li dany układ peryferyjny nie p o s ia d a ta kic h rejestrów , to zaw sze m ożem y po służyć s ię operacjam i atom ow ej m o d yfika cji p a m ię ci (LAC, LAS, LAT) o p is a n y m i w d a ls z e j c z ę ś c i k s ią ż k i.

A lte rn a ty w n e fu n k cje pinu Większość pinów- IO może posiadać także alternatywne funkcje związane z wykorzysta­ niem danego pinu jako wejścia lub wyjścia jednego z podsystemów- mikrokontrolera (interfejs pamięci, porty komunikacyjne, limery). W łączenie tych podsystemów- dla danych pinów- powoduje częściowe ograniczenie funkcji danego pinu jako ogólnego pinu IO. W takiej sytuacji układ peryferyjny procesora częściow o odpowiada za sterowa­ nie takim pinem, lecz ciągle konieczne jest właściwe ustaw ienie np. kierunku danego pinu lub określenie trybu jego pracy.

AVR. Praktyczne projekty

200

Wskazówka

To zachow anie je s t w dużej m ierze o dm ienne w stosunku do w cześniejszych pro ce so ­ rów AVR, w których w łączenie danego podsystem u zazwyczaj powodowało przejecie ca łkow ite j kon tro li nad zw iązanym z nim pinem 10.

Podejście zastosowane w mikrokontrolerach XMEGA zwiększa możliwości konfigura­ cyjne oraz elastyczność, lecz musimy pamiętać. Ze oprócz konfiguracji danego mo­ dułu niezbędna jest także właściwa konfiguracja portu IO związanego z danym pinem. Należy także pam iętać, że w sy tu acji, kiedy dany pin je s t w spółdzielony przez kilka podsystem ów peryferyjnych m ik ro k o n tro le ra , w d a n ej chwili aktyw ny m o­ że być tylko je d en z nich. Aktywacja więcej niż jednego z nich powoduje pojawienie się na pinie IO sygnału będącego sumą logiczną wyjść poszczególnych układów pery­ feryjnych. Czasami jest to bardzo pożądana właściwość.

P o rty w irtu a ln e M ikrokontrolery XMEGA posiadają wiele urządzeń peryferyjnych, których rejestry konfiguracyjne są zm apowanc do przestrzeni adresowej mikrokontrolera. AVR dys­ ponują specjalnymi instrukcjami asemblera (CBI/SBI/SBIS/SBIC/IN /O U T) umożliwiają­ cymi operowanie w wydzielonej przestrzeni adresowej IO. lecz adres bajtu, na którym wykonywana jest taka operacja, musi mieścić się w zakresie 0 - 31. Instrukcje takie kodowano są przez jedno słowo, a wykonywane są w czasie jednego taktu zegara. Oprócz szybkości umożliwia to modyfikację rejestrów- IO w sposób atomowy, bez konieczno­ ści wyłączania przerwań, co ma znaczenie dla program ów , które m odyfikują dany rejestr zarów no w programie, jak i w procedurach obsługi przerwań. Jednak procesory XMEGA dysponują szeregiem portów IO. w efekcie ich adresy nie mieszczą się w 32bajtowej przestrzeni adresowej instrukcji CBI/SBI. Aby rozwiązać len problem, twórcy XMEGA wprowadzili tzw. porty w irtu aln c 32-bąjlowa przestrzeń adresowa umożli­ wia jednoczesne zmapowanie części rejestrów czterech dowolnie wybranych portów IO. w efekcie twoizone są cztery nowe porty o nazwach VP0RT0. VP0RT1. VP0RT2 i VP0RT3. Porty tc można w sposób dowolny powiązać z dowolnymi portami IO mikrokontrolera. W efekcie operacje wykonywane na porcie wirtualnym będą w rzeczywistości doty­ czyły powiązanego z nim portu rzeczywistego. Port wirtualny mapuje tylko wybrane rejestry portu rzeczywistego: DIR, OUT, IN oraz INTFLAGS, umożliwiając dostęp do poszcze­ gólnych bitów tych rejestrów za pomocą wcześniej w ym ienionych instrukcji. Pow o­ duje to znaczne skrócenie kodu i przyśpieszenie jego wykonywania, co widać szcze­ gólnie wtedy, gdy mamy ciąg instrukcji odwołujących się do danego rejestru. Zanim będziemy mogli odwoływać się popr/.ez port wirtualny do rejestrów portu rze­ czy w islego. musimy dokonać pomiędzy nimi powiązania Pow iązania tego można doko­ nać za pomocą rejestrów VPCTRLA i VPCTRLB należących do grupy rejestrów kontrolnych portówf (do tej samej grupy należy wspomniany wcześniej rejestr MPCMASK). Każdy z tych rejestrów podzielony jest na dwie 4-bitowc połowy, z których każda określa powiąza­ nie rejestru rzeczywistego z rejestrem wirtualnym. Połówki rejestrów’ kontrolnych można indywidualnie maskować za pomocą symbolu PORTCFG_VPnMAP_gm. gdzie n to numer portu wirtualnego (0 - 3). Strukturę tych portów pokazano na rysunku 7.4.

Rozdział 7. ♦ Lepiej i prościej, czyli porty 10 procesora na sterydach

203

Jak widzimy, kom pilator zam iast dwóch zapisów do rejestru P0RTE_0UTTGL w ygene­ rował tylko jeden — efektem czego rejestr PORTE OUT zaw iera niepraw idłow ą wartość. Jednak tak jak pokazano powyżej, zadeklarowanie funkcji w rite out z wykorzystaniem modyfikatora v o la tile gwarantuje wygenerowanie popraw nego kodu: 21e: 224: 228:

Wskazówka

8 f ef 80 93 87 06 80 93 87 06

Id i s ts s ts

r24. OxFF 0x0687. r24 0x0687. r24

; zapis do PORTE OUTTGI. : zapis do PORTEJDL TTGL

Więcej o roli modyfikatora v o la tile dowiesz się z rozdziału 10. poświęconego ob­ słudze przerwań. Do funkcji możemy przekazywać także cale struktury opisujące grupy rejestrów. Jest to o tyle wygodne, że mamy dostęp do wszystkich rejestrów związanych z danym ukła­ dem peryferyjnym, a co za tym idzie do pełnych możliwości jego konfiguracji. Co ważne — ponieważ przekazujemy parametr w postaci w skaźnika, to niezależnie od lego. czy przekazujemy wskaźnik na strukturę, czy w skaźnik do konkretnego rejestru, przekazanie argumentu generuje podobny kod. Prześledźmy to na przykładzie: v o id w r lte o u t structCPORT t * p o rt)

//Przekazanie struktury. a nic konkretnego rejestru

{ port->DIR=OxFF: port->OUT»OxOO:

} W powyższym przykładzie napisana została funkcja, która potrafi dowolny port IO mikrokontrolera skonfigurować jako wyjście w* stanie niskim. Aby to było możliwe, musi ona się odwoływać do dwóch rejestrów kontrolnych — rejestrów' 01R oraz OUT związanych z danym portem. Stąd leż port. na którym ma ona operować, zostaje do niej przekazany w postaci struktury, a nie konkretnego rejestru: w rite_out_struct(S PO R TE):

Wskaźnik do zmiennej PORTE o typie P0RT_t został przekazany do funkcji w r ite _ o u t_ dzięki czemu w funkcji możemy łatwo odwoływać się do dowolnego pola struktury PORT t . a więc do dowolnego rejestru skojarzonego z portem E mikrokontrolera (lub dowolnym innym, przekazanym jako argument funkcji). stru c t,

W dalszej ezęśei książki zostaną pokazane liczne przykłady w ykorzystujące opisane powyżej mechanizmy dostępu do portu. Zanim to jednak nastąpi, m usisz poznać kilka innych niezwykle ważnych układów pety feryjnych mikrokontrolera XMEGA.

R e m a p o w a n ie w yjść IO Niektóre mikrokontrolery XM EGA (serii A 3, C. E) posiadają związany z portem IO specjalny rejestr REMAP Rejestr ten umożliwia zmianę przyporządkowania wyjść układów peryferyjnych (SPl, USART. timerów') do poszczególnych pinów w' ramach portu IO. Bity tego rejestru odpow iadają poszczególnym układom peryferyjnym , i lak bit:

204

AVR. Praktyczne projekty

♦ PORT SPI_bm — przełącza piny SCA' i MOS/, lak aby bez zmian połączeń elektrycznych jako interfejs SPI można było wykorzystać interfejs USART. Dzięki temu do obsługi SPI zarówno w trybie master. jak i slave można wykorzystać DMA. ♦ PORTUSARTObm — remapuje piny interfejsu USARTO związanego z portem z pinów [0 —31 na piny [4 —7J. ♦ P0RT_TC0D_bm — remapuje wyjście sygnału limera OCOD z pinu P3 na pin P7 porlu. ♦ PORT TCOC bm— remapuje wyjście sygnału Umera OCOC v. pinu P2 na pin P6 portu. ♦ P0RT_TC0B_bm — remapuje wyjście sygnału limera OCOJi v. pinu P l na pin P5 portu. ♦ P0RT_TC0A_b
Wskazówka

N a le ży p a m ię ta ć , że m o ż liw o ś ć re m a p o w a n ia nie dotyczy w sz y s tk ic h portów 10, nie m a m o ż liw o ś c i re m a p o w a n ia pinów w o b rę b ie portu A i B, n a to m ia s t zazw yczaj m ożna zm ie n ia ć m a po w anie w o b rę b ie portów C - F i kolejnych, je ś li m ikrokontroler m a ich w ięcej.

Remapowania dokonujemy poprzez zapis odpowiedniej wartości do portu REMAP po­ w iązanego z danym portem IO: PORTC_REMAP=FORT_TCOA_bm:

powoduje zmapowanic wyjścia TCOA limera z pinu PO na pin P4 tego samego portu. Ponieważ zazwyczaj z danym portem IO powiązane są dwa timery, rcmapowanie wyjść timera 0 prowadzi do konfliktu z wyjściami timera 1 (o ile oba wyjścia są aktywne). Aby ten problem rozwiązać, takie rcmapowanie powoduje, że na wyjściu IO pojawia się sygnał będący sumą (OR ) obu sygnałów. Daje to programiście ciekaw ą możliwość generowania złożonych przebiegów, np. modulowania przebiegu PWM innym przebie­ giem. co znajduje zastosowanie np. do modulacji sygnału wykorzystywanego wf trans­ misji w podczerwieni — tysunek 7.20. OCOA

OC1A

O CA

Rysunek 7.20. /.łożenie dwóch przebiegów— górnyjest generowany przez timer 0. a środkowy przez Umer /. /rcmapowanie wyjścia OCOA powoduje, ze pokrywa się ono z wyjściem O d A. w efekcie na pittie P4 portu będziemy obserwowali przebieg (OCA) będący sumą obu powyższych. Jeśli chcemy, aby stanem nieaktywnym był stan niski, należy włączyć bit 1S\ ’E N rejestru kontrolnego portu powiązanego z pinem P4. Analogiczne sumowanie możemy uzyskać dla pozostałych wyjść Umerów

Rozdział 8.

Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci W XM EGA dostępem do różnych obszarów pamięci nieulotnej zajm uje się kontroler NVM (ang. non-vołatiłe niem oty control/er). Jest on wykorzystywany do przeprowadza­ nia operacji na pamięci FLASH oraz EEPROM, znacznie rozszerzając możliwości o s ­ iowania na łych typach pamięci w stosunku do innych rodzin m ikrokontrolerów AVR.

Wskazówka

Dzięki bibliotece AVR-Iibc i zdefiniowanym w niej funkcjom, których prototypy znajdują s ię w plikach nagłówkowych p g m s p a c e .h i e e p r o m .h , m ożem y do pam ięci nieulotnej odwoływać s ię w tak i sa m s p o s ó b ja k w innych rodzinach m ikrokontrolerów AVR.

Oczyw iście kontroler NVM ma o w iele w iększe m ożliw ości, w arto w ięc poznać go nieco bliżej. K ontroler ten realizuje polecenia za pom ocą rejestrów dostępnych dla programisty. Są to trzy 8-bitow c rejestry adresowe, przechow ujące łącznie 24-bitowv adres w przestrzeni adresowej m ikrokontrolera (rejestry ADDRO - ADDR2), trzy rejestry danych (OATAO - DATA2 przechow ujące 24-bitowe dane), rejestr poleceń (CMD) określa­ jący typ realizow anego polecenia, dw a rejestry kontrolne (CTRLA i CTRLB). rejestr stanu (STATUS) i rejestr konfiguracji przerw ań (INTCTRL). W szystkie polecenia realizow ane przez kontroler N V M m ożna podzielić na polecenia zw iązane z obsługą pamięci FLA SH , pamięci EEPRO M i specjalnych obszarów pam ięci: sygnatury użytkow nika, sygnatury M CU oraz lock ifu seb itó w . W w iększości przypadków dostęp do kontrolera NVM niezależnie od realizow anego polecenia w ygląda podobnie i składa się z kilku etapów: ±. O czekiw anie na zakończenie poprzedniej operacji. 2. Załadowanie niezbędnych danych do rejestrów adresowych i danych kontrolera. 3. Z aład o w an ie do rejestru CMO p o lecenia d o realizacji.

206

AVR. Praktyczne projekty

4. O dblokowanie rejestru ochrony IO popizcz zapis do rejestru CCP wartości 0x08 5. Z lecenie realizacji polecenia p o p izez ustaw ienie bitu CMDEX rejestru CTRLA kontrolera NVM . O peracja ta musi o d b y ć się w czasie 4 taktów zegara od operacji zezw olenia na zm ianę IO. 6. O pcjonalnego odczekania na zakończenie operacji, co sygnalizuje w yzerow ana flaga MVMBUSY rejestru stanu (STATUS). Przejdźm y zatem do om ów ienia poszczególnych grup poleceń kontrolera N V M .

Wskazówka

W wielu mikrokontrolerach rodziny XM EGA kontroler NVM posiada pewne błędy unie­ m ożliwiające wykorzystanie wszystkich jego funkcji lub znacznie utrudniające ich wy­ korzystanie. Je śli nie korzystasz z funkcji udostępnionych przez AVRIibc lub ASF, zawsze spraw dź erratę użytego m ikrokontrolera. Nowsze rewizje kontrolerów są pozbawione błędów.

P a m ię ć EEP R O M i zw iązan e z nią o p e ra cje XMEGA, podobnie jak inne mikrokontrolery rodziny AVR. dysponują pam ięcią niculotną typu EEPROM. Zanim zostanie omówiony dostęp do lego typu pamięci, warto sobie przypomnieć parę szczegółów technicznych związanych z jej budową, które wpływają na jej zastosowanie. Pamięć EEPROM (ang. Electrically-Erasable Programniobie Rcad-O nly M em ory) jest odm ianą pamięci nieulotnej, to znaczy, Ze po wyłą­ czeniu zasilania jej zawartość nie jest tracona. Jednakże w przeciwieństwie do pamięci FLASH, która ma podobne właściwości, dostęp do EEPROM jest nieco łatwiejszy — możemy indywidualnie przeprogramowywać pojedyncze komórki pamięci EEPROM, w przypadku pamięci FLASH programowanie odbywa się stronami i nie ma możliwo­ ści bezpośredniej zmiany zawartości mniejszej liczby kom órek niż strona. W ielkość strony zależy od typu mikrokontrolera i może wynosić aż. 256 bajtów. Wróćmy jed ­ nak do pamięci EEPROM. Do przechowywania informacji w tym typie pamięci sto­ suje się tranzystory MOS z pływ ającą bram ką (ang. Jloating-gate M OSFEl'). Nazwa bierze się stąd. ż.c bramka tranzystora nic jest elektrycznie połączona z żadnym ele­ mentem — jest otoczona w arstw ą izolatora uniemożliwiającego przepływ ładunków pomiędzy bmmką a innym elementem układu. Ładunek zgromadzony w bramce tranzystora FGMOS jest „uwięziony” i bez specjalnych działań nie może się zmieniać. W efekcie tranzystor pamięta ostatni stan, w jakim się znalazł, nadaje się w ięc do przechowywania bilu informacji. l aki tranzystor może znajdować się w dwóch stanach — włączonym i wyłączonym Aby zmienić stan tranzystora, potrzeba specjalnych działań — musimy j a ­ koś wstrzyknąć lub pobrać ładunek z izolowanej bramki tranzystora. Jest to możliwe dzięki istnieniu zjawiska tunelowania i wstrzykiwania ładunków — wr efekcie w pewnych warunkach ładunki mogą przeniknąć przez warstwę izolatora otaczającego bramkę. Stąd też pamięć EEPROM wykonuje dwie podstawowe operacje — pierwsza to kasowa­ nie polegające na wstrzykiwaniu gorących nośników w obszar bramki tranzystora

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

207

FG M OS, w efekcie czego następuje kasowanie pamięci — w szystkie bity pamięci przyj­ m ują stan 1. D ruga operacja w ykorzystuje zjaw isko tunelow ania, w efekcie zm ieniony ładunek bram ki pow oduje, że reprezentow any p rzez m ego bit zm ienia w artość na 0. N iestety proces w strzykiw ania ładunków w ym aga odpow iedniego potencjału, co po ­ w oduje stopniow ą degradację w arstw y izolatora (uw ięzienie w niej elektronów ) i po ­ gorszenie właściwości pamięciowych tranzystora. W efekcie pam ięć EEPROM można kasować ograniczoną liczbę razy, zwy kle od około 100 tysięcy do kilku milionów razy. W XMKGA producent gwarantuje eo najmniej 100 tys zapisów , chociaż, w typowych w a­ runkach je st to znacznie więcej. Z kolei proces program ow ania bitu (zm iany stanu z 1 na 0) nie je st dla pam ięci destrukcyjny, m ożem y go w ięc w ykonyw ać do w o ln ą ilość razy. Tak sam o niedestrukcyjny jest odczyt — kom órka pam ięci EE PR O M m oże być odczytyw ana praktycznie dow olną liczbę razy.

Wskazówka

Pam iętaj, że w odniesieniu do pam ięci EEPRO M i FLASH słow o „ska so w an y” oznacza s ta n bitu równy 1, a „zaprogram ow an y” o zn a cza bit o w a rto ś c i 0. T erm in o log ia ta je s t częstym źródłem pom yłek, szcze g ó ln ie dotyczących f u s e b i t ó w .

Pam ięć EE PR O M m oże ulegać dw óm typom aw arii. Pierw szy zw iązany jest ze stop­ niow ym pogarszaniem w arstw y izolatora otaczającego p ły w ającą bram kę. W efekcie uw ięzione w tej w arstw ie elektrony tw o rzą pole elektryczne, które sum uje się z polem elektrycznym bram ki, co w pływ a na stan tranzystora. W efek cie zm niejsza się różnica potencjałów' charakterystyczna dla stanu 1 i 0. a stany te stają się nicrozróżnialne. Po odpowiedniej liczbie cykli kasowania pam ięć nie może być ponow nie skasowana, a więc jej bity zaczynają przybierać w artość 0.

Wskazówka

N iem ożno ść skasow ania pam ięci (ustaw ienia jej bitów w s ta n 1) je s t charakterystycz­ na d la p rzekro czen ia m aksym a ln e j liczby cykli za p isu .

Drugi typ awarii związany jest z powolnym wypływem ładunków przez w arstwę izolatora otaczającego bram kę. W efekcie ładunek bram ki ulega zm ian ie i pam ięć się rozprogramow uje (poszczególne bity zm ien iają stan na 1). Proces ten je s t w dużym stopniu zależny od temperatury i dram atycznie przyśpiesza w raz z jej wzrostem. Producenci po­ dają tzw. czas retencji (ang. data reten/ion) dla kilku tem peratur otoczenia. C zas ten dla XM HGA w tem peraturze 25°C w ynosi około 100 lat, ale w tem peraturze 85°C skraca się do 20 lat. Ponieważ bity pamięci EEPROM pogrupowane są w bajty, a bajty są najm niejszą porcją kom órek pam ięci, do jakiej m ożem y się odw oływ ać, pro ces kasow ania pam ięci o d ­ byw a się bajtam i, podobnie ja k zapis. Leez w X M EG A p ro c e s kasow ania i zapisu m ożna rozdzielić, w efekcie je d n ą kom órkę pam ięci E E P R O M m ożna zapisyw ać kil­ ka razy pomiędzy' operacjam i kasow ania. Jakie to m a znaezenie praktyczne, zostanie pokazane w dalszej części rozdziału N a początek zajm ijm y się czym ś prostym — d o ­ stępem do EE PR O M z poziom u A V R -libc.

208

AVR. Praktyczne projekty

Dostęp do EEPROM z poziomu AVR-libc AJ R -libc definiuje funkcje um ożliw iające wygodny dostęp do wbudowanej w procesor pam ięci EEPR O M Prototypy tych funkcji znajdują się w pliku nagłów kow ym . U dostępnione funkcje bazują na m eto d zie po o lin g u — przed d o k o ­ naniem zapisu spraw dzany jest bit NVM_BUSY rejestru stanu kontrolera NVM . Jeśli nic jest on w yzerow any, to znaczy, że kontroler N V M je st zajęty. W efekcie w yw ołanie funkcji umożliw iających zap is do pam ięci EE PR O M jest b ard zo czasochłonne i m oże w ynieść naw et kilka ms. Funkcje operujące na pam ięci EK PRO M m odyfikują także rejestry IO kontrolera N V M i należy zachow ać d u ż ą ostrożność, je śli rejestry te m o­ dyfikujem y także w e w łasnym kodzie. Przed odw ołaniem się do kontrolera N V M należy spraw dzić, czy kontroler nie je st zajęty.

✓

Pamiętaj

W szystkie funkcje zd efin iow a n e w < a v r /e e p r o m .h > n ie s ą fu nkcjam i r e e n tr a n t, nie m ożna w ięc ich sto so w a ć w program ie i funkcjach obsługi przerwań (pomijając pew­ ne s p e cja ln e za b ie g i u m o żliw ia ją ce ta k ie w spółdziałanie).

B ib lio tek a A V R -lib c w ż ad e n sp o só b nie w sp ie ra o p e ra c ji n a p am ięci E E P R O M re a lizo w a n y c h z a p o m o cą p rz e rw a ń . Jeśli takow ych potrzebujesz, tr/.eba bazow ać na innych rozw iązaniach (jedno z takich rozw iązań zo stan ie pokazane w dalszej czę­ ści rozdziału). D odatkow o w szystkie funkcje realizujące zapis do pam ięci EE PR O M dokonują tego łącznic z o peracją kasow ania Jeśli w ym agane są inne tryby dokony­ w ania zapisu, np. w celu zrealizow ania w ea r leveling, m usim y w ykorzystać w łasne funkcje. Jednakże w znakom itej w iększości przypadków' m ożem y korzystać z funkcji zdefiniow anych w bibliotece A l 7?-libc. Planując w ykorzystanie w budow anej pam ięci EEPR O M , napotykam y dw a problem y. Pierw szy problem spraw ia um ieszczenie inte­ resujących nas danych w tej pam ięci, drugi — sposób dostępu do nich.

D e k la r a c je d a n y c h w p a m ię c i E E P R O M N iezależnie, czy k o rz y sta m y z fu n k c ji b ib lio te c zn y c h , czy p la n u je m y sam i n a p i­ sać fu n k c je o b słu g i E E P R O M p o p rz e z b e zp o śre d n i d o stę p do k o n tro le ra N V M , rozm ieszczenie danych w pam ięci E E P R O M i zw iązanc z ty m k o n stru k cje ję zy k a C są ta k ie sam e. Dane wf pam ięci EEPR O M m ożem y um ieszczać na kilka sposobów. M ożemy przygotow ać plik zawierający obraz pam ięci i w ykorzystać go do zaprogra­ m owania procesora. Sposób ten jest m ało w ygodny i niezbyt uniw ersalny. Lepszym rozw iązaniem jest w ykorzystanie m ożliw ości definiow ania sekcji linkera. Biblioteka A I Ii-libc definiuje specjalną sekcję o nazw ie eeprom. w szelkie dane do niej należące zo­ staną um ieszczone w pam ięci EE PR O M — dom yślnie zo stan ie z nich utw orzony plik w form acie IntelHHX, który posłuży program atorow i do zaprogram ow ania pam ięci EEPROM . Jeśli chcem y, aby dana zm ienna została um ieszczona w pam ięci EEPRO M . to należy do jej deklaracji dodać odpow iedni atrybut: __a t t r i b u t e __((se c t1 o n (".e e p ro m ")))

W pliku nagłów kow ym ceprom .h um ieszczono dla uproszczenia definicję EEMEM. która jest rów now ażna pow yższem u zapisow i. Aby zaw artość zm iennej znalazła się w p a ­ m ięci EEPR O M . m usim y j ą zdefiniow ać następująco:

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

209

int zimenna EEMEM - 100: lub: EEMEM 1nt zmienna - 100:

Wskazówka

Zm ienne odwołujące s ię do pam ięci EEPRO M m uszą być zadeklarow ane jako zm ienne glo balne. J e s t to zw iązane z ograniczeniem gcc, które przyjmuje atrybuty se kcji wy­ łą czn ie d la zm iennych globalnych.

Próba zadeklarow ania takiej zm iennej lokalnie zakończy się błędem : error: sectlon attrlbute cannot be speclfied for local varlables

Zauw ażm y, że w przypadku zm iennych um ieszczanych w pam ięci EEPRO M deklara­ cja zmiennej musi być powiązana z jej iniejalizacją — m usim y zdefiniować zmienną. Poniższy ciąg instrukcji: EEMEM in t zmienna: zmienna=10:

zostanie skom pilow any popraw nie, lecz jeśli spojrzym y na w ygenerow any kod asem ­ blerowy: zmienna -255: 138: 8 f ef lS a : 90 eO ISc: 90 93 05 00 80 93 04 00 190:

ld i 1d1 s ts s ts

r24. 0xFF r25. 0x00 0x0005. r25 0x0004. r24

: 255 :0

okaże się. Ze jest on niepraw idłow y. K om pilator nie w ie. Ze EEPROM jest specjalną przestrzenią adresow ą procesora i doslęp do niej w ym aga w ygenerow ania innych in­ strukcji, niż gdyby zm ienna znalazła się w pam ięci SRAM W efekcie powyższy kod nie tylko nie przypisuje zm iennej zmienna w artości 255, lecz pow oduje nadpisanie da­ nych w obszarze pam ięci SRA M niczarezcrwow anym dla zm iennej. W efekcie dzia­ łanie program u będzie nieprzew idyw alne.

Wskazówka

D o stę p d o zm iennych przechowywanych w pa m ięci E E P R O M wym aga specjalnych funkcji. Nigdy nie odwołuj s ię d o ta k ich zm iennych za p o m o cą standardow ych o p e ­ ratorów języka C. W dalszej c zę śc i rozdziału zo sta n ie om ów ione rozszerzenie języka — nazw ane p rzestrzenie adresow e, je d n a k na razie nie w sp ie ra ją on e przestrzeni zw iązanej z p a m ię cią EEPRO M .

W pamięci EEPROM możemy przechowywać także złożone typy danych, m in. łańcuchy: EEMEM char te k s t[]-"T e k s t w EEPROM":

oraz slruklurv: s tru c t xy

{ }:

in t x: in t y:

s tru c t xy EEMEM punkt={12.20}:

AVR. Praktyczne projekty

210

F u n k c je r e a liz u ją c e d o s tę p d o p a m ię c i E E P R O M Standardowe operatory języka C są nieprzydatne do operow ania na zmiennych um iesz­ czonych w pamięci EEPROM. Aby uzyskać dostęp do danych zawartych w tych zmien­ nych. musimy posłużyć się funkcjami zdefiniowanymi w bibliotece A 17i-libc. Umożli­ wiają one odczyt i zapis pojedynczych bajtów i bloków pamięci. Dla wygody zdefiniowano także funkcje umożliwiające odczyt i zapis prostych typów danych języka C. takich jak: word (typy signed i unsigned in t), dword (typy signed i unsigned long) oraz flo a t. Zaw sze jednym z param etrów w yw ołania tych funkcji je s t adres komórki pam ięci EEPR O M . z której ma nastąpić odczyt lub do której chcem y zapisać dane. A dres ten możemy uzyskać dzięki operatorow i ?< Funkcje operujące na pamięci EEPROM może­ my podzielić na trzy kategorie: ♦ funkcje odczytujące dane z pamięci EEPROM: eeprom_read_byte. eeprom_read_word. eeprom_read_dword. eeprom_read_f1oat i eeprom_read_block: ♦ funkcje zapisujące dane do pamięci EEPROM: eeprom_wri te_byte. eeprom_write_word. eeprom_write_dword. eeprom_write_float i eeprom_write_block: ♦ funkcje m odyfikujące dane w pamięci EEPRO M : eepromupdatebyte. eeprom_update_word, eeprom_update_dword, eeprom_update_float i eeprom_update_block. Korzystając z niżej opisanych funkcji dostępu do EEPROM . m ożem y spotkać się z na­ stępującym ostrzeżeń iem : Warning

p o in te r ta rg e ts in passing argument 1 o f *__ee*Ar_word_xl28al' d if f e r in

s-signcdness C -K pointer-sign]

lu b Warning expected *utnt8_t ** but argument 1$ o f type 'char **

Oba ostrzeżenia powstają na skutek różnicy pomiędzy typem argumentu, jakiego spo­ dziew ają się poniższe funkcje (są to typy bez znaku unsigned). a argum entam i, jakie dostarczam y. Na przykład: char x EEHEM - 10: eeprcm_wr1te_byte(Sx. 10):

spow oduje w ygenerow anie ostrzeżenia.

Wskazówka

Tego typu ostrzeżenia m ożem y zignorować, chociaż nie je s t to zalecane. Sam e w s o ­ bie są on e nieszkodliw e, ale w program ie, w którym w ystępują d zie s ią tk i tego typu ostrze że ń , trudniej b ędzie zidentyfikow ać o strze że n ia poten cja ln ie w ażne d la pro­ gram isty.

Aby się ich pozbyć, należy zastosow ać jawne rzutow anie typów , np.: eepremj*ritej>yte((uint8_t*)8x. 10): spow oduje, że funkcja eeprom_wri te_ b y te otrzym a w artość adresu o spodziew anym typie w skaźnika na u in t8 _ t. Przy stosow aniu jaw nego rzutow ania kom pilator w ie. że jest to św iadom y zam ysł program isty, nie generuje w ięc ostrzeżenia.

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

211

O dczyt z pam ięci EE P R O M

Odczyt z pamięci EEPROM odbyw a się za pom ocą funkcji, których ogólna postać w ygląda następująco: eeprcm_read_typ(const typ *adres): gdzie typ jest jednym z wyrażeń: byte. word. dword lub f lo a t. Istnieje także funkcja um ożliwiająca odczyt bloku pamięci EEPROM , w tym w ypadku dodatkowo należy podać wskaźnik do pamięci SRAM. gdzie znajdą się odczytane dane. oraz liczbę od­ czytywanych bajtów: void read_eepron_blocM vold *miejsce przeznaczenia, const void *adres_wJEEPROH. s iz e jt I iczba_bajtów):

Funkcja ta umożliwia odczytanie dowolnej liczby bajtów z pamięci EEPROM , jest więc przydatna przy operowaniu na niestandardowych typach danych. W ykorzystanie funkcji operujących na pamięci EEPROM ilustruje przykład: EEMEM Int x-1234: 1nt a-eeprcmj-eadjvord(&x):

Zdefiniowaliśmy zmienną x. która znajduje się w pamięci EEPROM . a jej wartość wy­ nosi 1234. Ponieważ standardowe operatory języka C na takich zm iennych nie działają prawidłowo, nie można więc wykonać przypisania in t a=x; (jakkolw iek kompilator nie zgłosi błędu, to z przyczyn ju z wymienionych operacja taka nie zadziała prawidło­ wo). Stąd do odczytania wartości zmiennej x użyło funkcji eeprom read word. jak o ar­ gument podając adres zmiennej x. Typ in t na m ikrokontrolerach AVR jest 16-bitowy. stąd użycie funkcji eeprom_read_word.

Wskazówka

Pam iętajm y, że jak o argum ent powyższych funkcji zawsze podajem y adres zmiennej um ieszczonej w pam ięci EEPRO M , nigdy nie w artość.

Wcześniej zdefiniowaliśmy zmienną punkt o typie xy Do odczytania zmiennych o typach złożonych najwygodniej jest posłużyć się funkcją eeprom_read_block: struct zy pkt: eeprcm_read_block(Sp*t. Ipunkt. sizeof(pwn*t)): Zadeklarowaliśmy zm ienną p k t o typie xy. która będzie zawierała odczytaną wartość zmiennej punkt znajdującej się w pamięci EEPROM. Co prawda w naszym przykładzie dokładnie wiemy, że długość struktury xy wynosi 4 bajty (dw ie zm ienne o typie in t), lecz bezpieczniej jest używać operatora siz e o f() zwracającego długość typu lub zmiennej Dzięki temu jeśli kiedyś zmienimy definicję typu xy. nic będziemy musieli m artwić się korektą długości odczytywanego bloku bajtów. Z a p is danych do p a m ięci EE P R O M

Ogólna postać funkcji dokonujących zapisu do pamięci EEPROM wygląda następująco: void eeprom_write_typ(typ *zmienna_w_EEPROM. typ dane):

AVR. Praktyczne projekty

212

gdzie podobnie ja k w przypadku funkcji odczytujących dane ty p mozc być wyrażeniem byte. word. dword lub f lo a t. Istnieje także funkcja um ożliw iająca zapisyw anie bloku danych: v o id e e p ro m _ w rite b lo c k tc o n s t v o id *źródło. v o id *adres_w_EEPROM. s i z e t

ilo ś ć ):

Jej zastosow anie jest podobne do analogicznej funkcji um ożliw iającej odczyt danych z EEPRO M . Zupełnie podobnie w ygląda także oporow anie na tych funkcjach: e e p re m w ri te_w ord(Sx. a ): eeprcm _w rite_block(& pw n*t.

Ipkt. sizeof (punkt)):

Pierwsze polecenie zapisuje do zmiennej znajdującej się w pam ięci EEPROM wartość zm iennej a. drugie z kolei zapisuje dane ze zm iennej p k t d o zm iennej w EE PR O M o nazw ie punkt. M od yfiko w a n ie danych w p a m ię ci E E P R O M

Funkcje um ożliw iające zapis do pam ięci EEPRO M dokonują zapisu przy każdym wywołaniu. Pamiętamy jednak, ze każdy zapis wiąże się z przeprowadzeniem operacji kasowania, co nie tylko wydłuża zapis, ale przede wszystkim skraca żyw otność lej pa­ mięci. Jeśli może zdarzyć się sytuacja, w której zapisyw ana zm ienna i zm ienna w p a ­ mięci EEPR O M m ogą mieć taką sam ą w artość, to zapis n ie je st konieczny. W takiej sytuacji w arto w ykorzystać grupę instrukcji w arunkow o dokonujących zapisu. D zia­ łają one w' len sposób, że przed zapisem now ego bajtu n ajpierw odczytyw ana jest jego poprzednia w artość z pamięci EEPROM i porów nyw ana z now o zapisyw aną. Jeśli obie są takie sam e. to zapis nie jest w ykonyw any. Dzięki tem u w ydłużam y żyw otność pam ięci oraz przyśpieszam y w ykonyw anie funkcji. O gólna postać tych funkcji po ­ dobna je st do poprzednich: vo1d eeprom _update_typ(typ *zmienna_w_£EPROM. typ dane): v o id eeprom_update_block(const v o id *żródło. v o id *adres _w_EEPROH. s i z e t

ilo ś ć ):

Z. tych funkcji możem y korzystać w każdej sytuacji, czas pośw ięcony na dodatkow y odczyt danych z EEPR O M i ich porów nanie jest bez znaczenia w porów naniu z cza­ sem pośw ięconym na zapis (ten drugi jest zw ykle tysiące razy dłuższy).

Inne fu n k c je o p e r u ją c e n a E E P R O M Funkcje zapisu i odczytu pam ięci EEPR O M na w stępie spraw dzają, czy pam ięć nie jest zajęta o peracją zapisu. Jeśli tak. to najpierw czekają na je j zakończenie. Poniew aż proces zapisu do pam ięci EEPR O M jest niezw ykle pow olny, m oże to w prow adzać długie opóźnienia. W każdej chw ili możem y spraw dzić, czy aktualnie nic odbyw a sic zapis do pamięci za pom ocą funkcji eeprom _is_ready(). Funkcja ta zw raca tru e . jeżeli aktualnie pam ięć EEPROM nie jest zapisyw ana (kontroler N V M nie jest zajęty). M o­ żemy także w strzym ać dalsze wykonywanie programu do ezasu zakończenia bieżącego zapisu za pom ocą funkcji eeprom_busy_waitOFunkcja eeprom _is_ready() je st w ykorzystyw ana przez w szystkie w cześniejsze funk­ cje operujące na pam ięci EEPR O M O granicza się ona do spraw dzenia stanu bitu BUSY rejestru stanu kontrolera N V M . a poniew aż bit ten jest ustaw iony, gdy kontroler jest

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

213

zajęty, to niezależnie od realizowanego polecenia nie ma obaw (w przeciwieństwie do wcześniejszych rodzin AVR). ze operacje na EEPROM będą interferowaly z innymi operacjami, np. na pamięci FLASH.

Dostęp do EEPROM za pomocą bezpośredniego dostępu do kontrolera NVM Do tej pory poznaliśm y proste i skuteczne metody odw oływ ania się do pam ięci EEPROM, lecz XMHGA oferuje znacznie więcej ponad to, co oferują funkcje zawarte w AVR-libc. Niestety wykorzystanie tych dodatkowych możliwości wiąże się z ko­ niecznością bezpośredniego dostępu do kontrolera NVM — n ie jest to jednak zadanie trudne, o czym za chw ilę się przekonasz. Jakie płyną zalety z dostępu do EEPROM bezpośrednio poprzez kontroler NVM ? Jest ich kilka. Pierw sza i chyba najważniejsza to możliwość /.mapowania pamięci EEPROM w przestrzeń adresow ą mikrokontrole­ ra. dzięki czemu do lej pamięci możemy odw oływ ać się tak ja k do pamięci SRAM — z pominięciem funkcji odczytu danych zadeklarowanych w nagłówku ceprom, h. Kolej­ na to możliwość programowania pamięci stronami, co znacznie skraca czas potrzebny na zapis, a ostatnia to możliwość rozdzielenia operacji zapisu i kasowania bitów, co ma zastosowanie w różnych algorytmach w ear !eveling. Prześledźmy te dodatkowe funkcje po kolei.

M a p o w a n ie E E P R O M w o b s z a r a d re s o w y S R A M Możliwość mapowania pamięci EEPROM w przestrzeń adresow ą RAM to jedna z naj­ ciekawszych cech kontrolera NVM. W len sposób obszar pamięci EEPROM o długo­ ści maksym alnie 4 kB można zm apować w przestrzeń adresow ą 0x1000 - 0x1 FFF. Dzięki temu komórki pamięci EEPROM stają się dostępne bezpośrednio, bez koniecz­ ności wykonywania czasochłonnych operacji związanych z konfiguracją kontrolera NVM. Skraca to czas dostępu do takiej komórki dla operacji odczytu do 3 taktów* z e ­ gara. Nie tylko podnosi to efektywność, ale także skraca i upraszcza kod programu. W celu odczytu komórki pamięci nie musimy posługiwać się funkcjami o prototypach zadeklarowanych w nagłówku ceprom.h. Spróbujmy w ięc skonfigurować kontroler do pracy w tym trybie.

Uwjga

O d b lo k o w a n ie m a p o w a n ia E E P R O M w o b s z a r R A M bloku je m o ż liw o ś ć d o s tę p u do k o m ó re k p a m ię c i E E P R O M p o p rzez re je stry k o n tro le ra N V M . Fun kcje d o s tę p u do EEPR O M u d o stępn io ne w nagłówku eeprotn.h również korzystają z m apow ania pam ięci i m o g ą stw a rza ć problem y. W e fe k c ie n ie należy m ie s z a ć o b u s p o s o b ó w d o s tę p u do p a m ię ci.

M apowanie pamięci EEPROM włącza się poprzez ustawienie bitu EEMAPEN rejestru CTRLB: NVM_CTRLB | »NVM_EEMAPEN_bm:

/r/.mapuj EEPROM do R. IM

Od tego momentu pamięć EEPROM jest dostępna, począwszy od adresu określonego symbolem MAPPED_EEPR0M_START (dla XM EGA128AI jest to adres 0x1000). W ielkość

214

AVR. Praktyczne projekty

dostępnej pamięci jest określona przez symbol MAPPED_EEPROM_SIZE. O ile jednak odczyt lej pamięci odbyw a się dokładnie tak samo jak pamięci RAM . o tyle zapis do niej musi nastąpić poprzez wykonanie dodatkowych poleceń kontrolera NVM.

Wskazówka

Z a p is pod zm a p o w a n y a d re s p a m ię c i E E P R O M o dbyw a s ię d o b u fo ra , a n ie do sa m e j p a m ię ci.

Pamięć HEPROM podzielona jest na strony, których wielkość jest zależna od typu mikro­ kontrolera. Dla XMEGA128A1 w ielkość strony wynosi 32 bajty, generalnie wielkość la jest zawarta w symbolu o nazwie EEPROM PAGE SIZE. Jednocześnie moZna zapisywać wyłącznie bajty wchodzące w skład jednej strony. Jest to mimo wszystko dosyć wygodne. gdyZ operacja zapisu strony trwa tyle samo czasu co operacja zapisu pojedynczego bajtu pamięci EEPROM. W efekcie zapisując stromuni. osiągamy duZe zyski czasowe. NaleZy jednak pam iętać o pewnych niuansach zw iązanych z takim dostępem do pa­ mięci. Odczyt komórki pamięci powoduje odczytanie całej strony, w której ta kom ór­ ka się znajduje (rysunek 8.1) i um ieszczenie jej w specjalnym buforze. Jakakolwiek modyfikacja wiąże się z m odyfikacją wartości w yłącznie w buforze, a nie w pamięci EEPROM . Zm odyfikow ane komórki pamięci są oznaczane i zapisyw ane do pamięci EEPROM pod wskazany num er strony przez kontroler NVM po realizacji polecenia zapisu strony. R y s u n e k 8 .1 .

EEPROM

Odczyt komórki pamięci EEPROM powoduje odczytanie zawierającej ją strony i umieszczenie je j u- buforze. Podczas zapisu zmodyfikowane komórki pamięci są zapisywane z powrotem do pamięci pod wskazany adres strony, który nie musi być tym samym adresem, z którego dane zostały wcześniej odczytane (przerywana linia)

Spróbujmy przeanalizować wykorzystanie mapowania pamięci na podstaw ie prostego programu znajdującego się w katalogu P rzykłady/N \'M /E E P R O \i-R j\M . W programie tym najpierw włączane jest mapow anie pam ięci EEPROM W szystkie dalsze operacje odbywają się w ięc przy ustawionym bicie EEMAPEH W celu dostępu do tak zmapowanej pamięci w ykorzystamy wskaźnik: char *EEPR0M-(char*)KAPPED_EEPROM_START:

//Początekzmapowanej pamięci łiE]*RO\I

W arto zauważyć, ze nie możemy po prostu zdefiniować zmiennej w tym obszarze pa­ mięci — zw ykle zm ienne zostałyby um ieszczone, począwszy od adresu 0x2000 (po­ czątek pamięci RAM), a zmienne zdefiniowane z atrybutem EEMEM zostałyby um iesz­ czone, począwszy od adresu 0x0000 (początek pamięci lii-PRO M ). Aby umieścić zmienną, począwszy od adresu zajmowanego przez zm apow aną pamięć EEPROM , na­ leżałoby utworzyć nową sekcję programu i określić jej początek. Prościej jednak użyć wskaźników. Dzięki zdefiniowanemu wskaźnikowi możemy się odwołać do dowolnej komórki pamięci EEPROM: x=*EEPR0M:

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

215

co spowoduje od czyi komórki pamięci EEPROM zmapowancj pod adres MAPPED_EEPROM_ START (klóry odpowiada kom órce pamięci EEPROM o adresie 0). W arto zauważyć, że powyższe przypisanie jest poprawne wyłącznie wtedy, kiedy m apowanie jest włączone. W taki sposób możemy odczytać dow olną komórkę pamięci, wystarczy do wskaźnika dodać adres odczytywanej komórki: x=*(EEPR0M+l): Jak widać, odczyt jest prosty i niezw ykłe wygodny — przebiega dokładnie tak samo jak odczyt dowolnej komórki pamięci SRAM Co więcej, tak zm apowana pamięć EEPROM jest dostępna dla wszystkich funkcji, w tym funkcji meroepy czy s p rin tf. Umieszczone w niej dane stają się w p ro st dostępne dla ap lik acji użytkow nika, bez p ośrednictw a fu n k cji z nagłów ka eeprom.lt W przypadku zapisu do lak zm apow a­ ncj pamięci sytuacja nie jest ju ż taka piękna, niemniej zapis do EEPROM odbywa się rzadko — trzeba pamiętać, że jest to pamięć o ograniczonej liczbie cykli kasowania. Operacja: ♦ EEPROM-IO: *
wydaje się przebiegać poprawnie, a wykonany po niej odczyt spod zapisywanych wcześniej adresów zwraca now ą wartość. W ydawałoby się w ięc. że osiągnęliśmy cel — zmodyfikowaliśmy w ten sposób zaw artość pamięci EEPROM . Nie bardziej m yl­ nego. W szelkie odczyty i zapisy tej pamięci (także w sytuacji, w której jest ona zm a­ powana w przestrzeń adresow ą RAM ) odbyw ają się za pom ocą bufora. To, co udało nam się do tej pory uzyskać, to modyfikacja zawartości tego bufora. Ale modyfikacja taka nie jest równoznaczna z zapisem do pamięci. Aby zachow ać zmodyfikowane w artości, musimy skorzystać z poleceń kontrolera NVM. instruując go. aby dokonał zapisu zmodyfikowanej strony pamięci EEPROM. W tym celu musimy go odpowiednio skonfigurować. Przede wszy stkim należ) w rejestrach adresowych kontrolera umieścić num er zapisywanej strony pamięci: NVM. ADDR0=0: NVM.ADDR1"0: NVM.ADDR2=0:

//Tylko 12 bitów ma znaczenie

W naszym przypadku zapisywaliśmy stronę o adresie 0.

Wskazówka

Pam iętaj, że do rejestrów adresow ych w pisyw any je s t num er stro n y pam ięci, a nie ad­ re s zap isy w an ej ko m ó rki.

Ponieważ mikrokontrolery XMEGA dysponują maksymalnie 4 kB pamięci EEPROM. tylko 12 bitów z 24-bitowcgo rejestru adresowego ma znaczenie. Stan pozostałych (nie­ używanych bitów) jest bez znaczenia. Stąd też w przypadku zapisu pamięci EEPROM możemy pominąć zapis do rejestru adresowego ADDR2 — je g o wartość jest w tym przypadku bez znaczenia. Podobnie bez znaczenia jest stan najmłodszych bitów adresu, określających num er bajtu na stronie. Dla XMEGA128A1 strona ma długość 32 baj­ tów. stąd w artość 5 najmłodszych bitów może być dow olna (rysunek 8.2).

216

AVR. Praktyczne projekty

R y s u n e k 8 .2 .

Organizacjo adresu zapisywanej strony pamięci. Stan bitów rejestrów adresouych kontrolera NI H/ oznaczonych jako x je st bez znaczenia

AD0R1

ADDR2 7

6

X

X

5

4

3

2

1 0

7

6

5

4

X

X

X

X

X

x

x

X

X

3

ADD RO 2

1 0

7

6

A d re s stro n y

5

4

3| 2

1 0

X

X | X | X | X

Po określeniu wartości rejestrów adresowych należy w pisać do rejestru poleceń kon­ trolera NVM żądaną komendę: NVM.CMD* NVM_CMD_ERASE_WRITE_EEPROM_PAGE_gc: //Zapis strony W naszym przypadku będzie to polecenie skasowania i zapisu strony pamięci EEPROM. Przed jeg o wykonaniem należy zezw olić na zmianę rejestru chronionego i wydać kontrolerowi NVM polecenie wykonania komendy: CPU_CCP-CCP_10REG_gc: NVM. CTRLA=NVM_CMDEX_bm:

//Zezwól na wykonanie polecenia //Wykonaj polecenie

Przed kolejnym odwołaniem się do kontrolera lub jego zasobów należy' zaczekać na zakończenie wykonywania polecenia: whi 1e (NVM.STATUS & NVM_NVMBUSY_bm): //Poczekaj na koniec operacji W ten sposób strona pamięci EEPROM została zapisana, a kontroler jest gotow y do realizacji kolejnego polecenia.

Wskazówka

Z a p is o w i u le g a ją w y łą c zn ie te k o m ó rk i p a m ię c i E E P R O M , k tó ry c h z a w a rto ś ć w b u fo ­ rze z o s ta ła z m o d y fik o w a n a .

Podczas zapisu nie należy przekraczać granicy strony. Jeśli wykonamy sekwencję in­ strukcji: ♦EEPROM-10: *(EEPR0M+l)=n: *(EEPR0M+2)=12: *(EEPR0M+32)»15: //Zapispoza stroną to zapisane będą jedynie bajty 0 - 2 (w artości 1 0 . 11 i 1 2 ) , zapis pod adres zostanie zignorowany i ta wartość nie pojaw i się w pamięci EEPROM

EEPROM+32

W iem y juz, jak korzystać z mapowania pamięci EEPROM. ale posługiwanie się adre­ sami komórek pamięci nic jest rozw iązaniem optymalnym N a szczęście m ożemy so ­ bie nieco ułatwić życie, odpowiednio organizując dane w pam ięci. Uważny czytelnik z pew nością zauw ażył, ż e przeszkodą w w ygodnym korzystaniu z mapowania jest offset pomiędzy początkiem adresaci i komórek pamięci EEPROM (0x0000) a począt­ kiem obszaru, na który ta pamięć jest mapowana (typowo 0x1000). W’ efekcie definiując zm ienną w pamięci EEPROM: int ezmienna EEMEM -100: po pobraniu jej adresu uzyskamy wartość 0 (|eśli nie ma innych zmiennych do umieszcze­ nia w EEPROM zadeklarowanych w cześniej) Po /.mapowaniu pamięci nie m ożemy po prostu posłużyć się naturalnym zapisem: e zmienna=120:

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

217

poniew aż adres lej zm iennej w ynosi 0, zapis now ej w artości odbyłby się do kom órki pam ięci o adresie 0 (co odpow iada jed n em u z rejestrów m ikrokontrolera) zam iast do kom órki o adresie 0x1000. czeg o byśm y oczekiw ali. N iestety problem ten nie m a p ro ­ stego rozw iązania, a w każdym razie rozw iązania prostego i jednocześnie eleganckiego. Jedną z możliwości jest przesunięcie sekcji .eeprom. tak aby rozpoczynała się od adresu 0 x1 0 0 0 (MAPPED_EEPR0M_$TART). dzięki czem u w szystkie zm ien n e zostaną um ieszczone od tego adresu. W tym celu należy zm odyfikow ać skrypt linkera lub po prostu w opcjach projektu wybrać nowy adres segmentu pamięci EEPROM (0x811000 zamiast 0x810000). R ozw iązanie to je st proste, lecz m a dw ie wady. Pierw sza — podczas odw oływ ania się do zm iennych zdefiniow anych w przesuniętej sekcji .e e p ro m za pom ocą funkcji z n a ­ głów ka eeprom .h należy odejm ow ać przesunięcie, czyli adres 0 x1 0 0 0 ); druga — m u ­ sim y zm odyfikow ać utw orzony plik e lf (z którego pow stanie plik z zaw artością p a ­ m ięci EE PR O M o rozszerzeniu .eep). Program atory o czek u ją, ze EE PR O M zaczyna się od adresu 0x0000. a m e 0x1000. stąd też m usim y po kom pilacji te adresy zm ienić poleceniem ; a v r-o b jc o p y --chang e -se ctio n -vm a .eeprom=0x810000 < t a r g e t > . e lf

Pow oduje on o przyw rócenie praw idłow ych adresów pam ięci w pliku z danym i dla EE PR O M (adresy w program ie pozostają niezm ienione). P ro ces ten m ożem y zau to ­ m atyzow ać. m odyfikując skry pt \ia k e fi\e . Jednak rozw iązanie to jest raczej skom pli­ kow ane. M ożem y nasz problem rozw iązać też w inny sposób. W poprzednim przykładzie do adresow ania EE PR O M zm apow anego w obszar pa­ m ięci RA M użyliśm y w skaźnika. K oncepcję tę m ożem y nieznacznie rozw inąć, / d e ­ finiujm y interesującą nas zm ien n ą w obszarze EEPRO M ; I n t zmienna3 EEMEM - 10:

Jak się do niej odw ołać, jeśli je st zmapowrana w o b szar R A M ? M ożem y posłużyć się w tym celu w skaźnikam i. Zdefiniujm y w skaźnik na początek zm apow anego obszaru EEPR O M : char ( * const pEEP)-(char*)OxlOOO:

Pow yższy zap is w ydaje się na pierw szy rzut oka dosyć zawfily , w arto w ięc przeanali­ zow ać, co on oznacza — definiujem y w skaźnik na typ char, przy czym sam w skaźnik (a nie w skazyw ane przez niego dane) jest zdefiniow any z m odyfikatorem const. Dzięki tem u nic m ożem y zm ienić w artości naszego w skaźnika. M a to znaczenie z dw óch pow odów . Pierw szy je st prozaiczny — unikam y w ten sp o só b m ożliw ości popełnie­ nia błędu polegającego na przypadkow ej zm ianie w artości w skaźnika. T ego typu błąd w program ie byłby trudny do w ykrycia, lecz skoro w skaźnik je st c o n st. to w ykryciem ew entualnego problem u zajm ie się kom pilator. D rugi p o w ó d je st nieco „ukryty” . Jak pam iętam y, zaw sze należy w szelkim i sposobam i przekazyw ać kom pilatorow i m ak­ sym alną ilość inform acji o pisanym kodzie. D zięki tem u. Ze kom pilator wie. Ze w ar­ tość w skaźnika nie m oże się zm ieniać, traktuje ten w skaźnik jak stalą, taką sam ą jak w przypadku, gdybyśm y podali literał liczbowy. Jak pam iętam y, jeśli kom pilator ma w yrażenie, którego w szystkie elem enty są znane na etapie kom pilacji, to zam iast w y­ liczeń um ieszczonych w kodzie um ieszcza w kodzie w ynikow ym w yliczoną w artość na etapie kom pilacji. W efekcie kod się skraca i optym alizuje. N a razie m amy jeden

218

AVR. Praktyczne projekty

elem ent układanki — w skaźnik; tera/, potrzebujem y je sz c z e drugiego elem entu — w yrażenia. B ędzie nim zm ienna, do której się odw ołujem y: i n t y = * ( ( in t* ) ( p E E P ♦ (in t)S z m ie n n a 3 )):

P ow yższy zapis instruuje kom pilator, że d o zm iennej pE E P (będącej w skaźnikiem do początku /m ap o w an eg o obszam E E PR O M ) m a dodać adres zm iennej zm ienna3 — po­ niew aż zm ienne są um ieszczane w E E PR O M . począw szy o d adresu 0. adres zm iennej je s t jed n o cześn ie je j przesunięciem {offsetem ) w pam ięci. Stąd też do adresu zm iennej w ystarczy dodać adres początku obszaru, w który /m a p o w a n y je st E E PR O M . i uzy­ skam y adres zm iennej w tym obszarze. Tu w łaśnie potrzebny jest w cześniejszy m ody­ fikator c o n s t Poniew aż adres zm iennej w EE PR O M jest stalą, a dzięki m odyfikatorow i c o n s t w skaźnik pEEP też je st stalą, kom pilator zam iast generow ać kod w yliczający wartość w yrażenia pEEP + (in t)S z m ie n n a 3 . umieszcza po prostu w artość w yliczoną na etapie kom pilacji. W efekcie generow any je st optym alny kod: 1nt y -* ((1 n t* )(p E E P ♦ (1 n t)& z m ie n n a 3 )): 00000142 LOS R24.0x1000 Load d lr e c t from data space 00000144 LOS R25.0x1001 Load d ir e c t from data space

W ażny jest jeszcze drugi elem ent — rzutow anie (in t* ). Z m ienna y jest o typie in t. natom iast d o m yślnie nasz w skaźnik pEEP m a typ c h a r R zu to w an ie je st niezbędne, gdyż bez niego odczytana z pam ięci byłaby w artość c h a r. k tóra następnie byłaby pro­ m ow ana do typu in t. D zięki rzutow aniu kom pilator praw idłow o odczytuje wrartość typu in t. A dlaczego nasz w skaźnik je st o typie c h a r? W brew pozorom typ w skaźnika je st niezw ykle istotny z e w zględu na arytm etykę w skaźników . D odanie w artości do w skaźnika pow oduje tak napraw dę zw iększenie je g o w artości o podaną liczbę pom no­ żo n ą przez w artość w yrażenia s i z e o f ( typ wskaźnika) Jeśli w ięc w skaźnik byłby typu in t i dodalibyśm y do niego offset zm iennej, to zostałby on n ajpierw pom nożony przez 2 ( i n t na A V R m a 2 bajty) i tak w yliczona w artość zostałaby dodana do w artości w skaź­ nika — w efekcie uzyskalibyśm y błędny adres. M iało być prościej, a powyższy przykład w ydaje się dosyć zaw iły, w dodatku ciągle sporo zależy od program isty, w konsekw encji np. pom yłka przy rzutow aniu m oże calkow icie zepsuć nasze w ysiłki. Zobaczm y limy sposób. Z różnych powodów- w arto zm ienne m a­ ją ce znaleźć się w E E PR O M um ieścić w strukturze ja k o jej p o la . np.: s tru c t

{ i n t zralennal: I n t zratenna2: } EEPROM EEMEM:

Z astosow anie struktury gw arantuje nam o k reślo n ą k o lejn o ść zm iennych w pam ięci, c o je st niezw ykle istotne w przypadku pam ięci E E PR O M . szczególnie w sytuacji, gdy aplikacja użytkow nika m oże być uaktualniana np. za p o m o cą bootloadera Przy okazji takiego deklarow ania zm iennych m ożem y jed n o cześn ie o siąg n ąć to. o co nam chodzi — łatwy dostęp zarów no przez funkcje z nagłów ka eeprom .h. ja k i poprzez m apow anie E E PR O M . Spójrzm y na poniższy przykład: s tru c t

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

219

1nt zm iennal: In t zmlenna2: } * co n st pEEPRQM=(void*>0x1000. EEPROM EEMEM = {1 0 .2 0 } :

W pokazanym przykładzie zdefiniowano w pamięci EEPROM zm ienną EEPROM. która posiada dwa pola o nazw ie z m ie n n a l i zm ienna2. Przy okazji zdefiniow ano wskaźnik o identycznym typie jak struktura, micjując go adresem 0x1000. czyli początkiem obszaru pamięci, w który m oZe być zmapowany EEPROM — zmienna pEEPROM. Dzięki wskaź­ nikowi pEEPROM o takim samym typie jak zmienna EEPROM m ożem y się odw oływ ać do pól struktury bez konieczności rzutowania typów: pEEPROM->Z0iie n n a l- lO l:

Jak widzimy, tym razem zapis jest naprawdę prosty i wygodny. Jednocześnie nie nie stoi na przeszkodzie, aby za pom ocą zmiennej EEPROM odw oływ ać się do pamięci w spo­ sób klasyczny: eeprom_write_word(SEEPR0M.zmiennal. 101):

T e c h n ik i w e a r le v e lin g Producent gwarantuje, że każdą kom órkę pamięci EEPRO M m ożem y zapisać co najmniej 80 000 razy (ale tylko 30 tys. razy w tem peraturze 85°C ). Jed n ak czasam i w artość ta m oże okazać się za mała. M ożem y ją zw iększyć, pośw ięcając dodatkow e kom órki pa­ mięci EE PR O M na przechow yw anie danych. O gólnie zw iększając liczbę kom órek przeznaczonych na zapis zm iennej n razy, zw iększam y tak że n razy liczbę możliwych zapisów'. Niestety, techniki w ear Icve/ing nie są zaim plem entow ane w A IR -lib c . W tym podrozdziale zostaną pokazane dw ie z nich, co przy okazji zilu stru je zasady posługi­ w ania się pam ięcią EEPR O M . Najpierw rozw ażm y prosty przypadek. Z ałóżm y, że chcem y przechow ać zm ienną o typie unsigned in t. Standardow e gw arantow ane 80 000 zapisów nam nie w ystarcza, ale obliczyliśm y. Ze w trakcie okresu eksploatacji p ro ­ jektow anego urządzenia liczba zapisów' do pam ięci E E P R O M naszej zm iennej nie przekroczy 800 000. Co więcej, w iem y. Ze nasza zm ienna nigdy nie przyjm uje wartości 0xFFFF W szystkie inne w artości dla zm iennej są dozw olone. Z tą w iedzą m ożem y rozw iązać nasz problem , implementując bufor cykliczny. Poniew a ż nasza zmienna z pew no­ ścią m e przyjm ie w artości 0xFFFF, m ożem y tę liczbę w ykorzystać jako w skażuik wolnej pozycji w buforze (tak się dobrze składa. Ze 0xFFFF będą m iały skasow ane kom órki pam ięci EEPR O M ). Przykładow a im plem entacja przedstaw ionego algorytm u je st następująca (kod przy­ kładu znajduje się w katalogu P rzykla d y/N \ ’\ I/w e a r-le v e lin g 1): r d e fin e ILE WYDŁUŻYĆ 10 EEMEM unsigned 1nt bufor[ILE_WYDLUZYC]: vo1d s k a s u j_ b u fo r()

{ I n t i= 0 : while(i
AVR. Praktyczne projekty

220

} v o id zapisz bufor(un$ igned in t w artość)

{ 1nt 1-0: wh11e((1»-O xFFFF)) 1-m *:

i f ( i==ILE_WYDLUZYC) skasuj_bufor<): eeproai w rite _ w o rd (S b u fo r[U IL E WYDŁUŻYĆ], w a rto ś ć ):

} unsigned i n t o d c z y ta j b u fo rO { in t i- 0 : unsigned i n t wartosc=eeprcm read w o rd (& b u fo r[i]): whMe((i ,-0xFFFF))

{ wartosc-eeprom read w o r d ( fib u fo r [i]) :

1++: } re tu rn w arto ść:

} Na początku zadeklarowaliśmy tablicę przechow ującą wartości zapisywanej zmiennej. Ponieważ pamięć KKPROM domyślnie zawiera wartości 0xFF. nie musimy jej inicjalizo­ wać. Stworzyliśmy dw ie funkcje um ożliw iające w ygodny dostęp do danych: pierw ­ sza, zapisz bufor, zapisuje w pamięci KUPROM podaną p rzez nas w artość, druga, odczytaj bufor. zw raca w artość wcześniej zapisaną. Przyjrzyjm y się dokładniej, jak wygląda procedura zapisu. W pierwszym etapie szukamy wolnej |x>zycji w tablicy bufor — wolna pozycja sygnalizowana jest odczytaniem wartości 0xFFFF. Po jej napotkaniu d o ­ konujemy operacji zapisu za pom ocą poznanej ju ż funkcji eeprom_write_word. Jeśli cała tablica bufor jest już wypełniona danymi, to wywołujemy procedurę s k a s u jb u fo r. której celem jest w pisanie wartości 0xFFFF do w szystkich pozycji bufora. Dopiero potem na pozycję o indeksie 0 w pisyw ana jest nowa w artość (zmienna i w przypadku zapełnienia bufora będzie miała wartość równą ILE_WY0LUZYC, co po operacji modulo da 0). W idzimy w ięc. że każda pozycja tablicy bufor będzie zapisyw ana ILEWYDLUZYC razy mniej niż licz.ba wywołań funkcji zapisz bufor. Spowoduje to odpowiednie zwiększenie liczby możliwych zapisów'. Odczytanie wcześniej zapisanych danych nie stanowi proble­ mu. Poszukujem y ostatniej zapisanej pozycji (następna po nici m a w artość 0xFFFF lub i ==ILE_WYDLUZYC) i zwracamy j ą ja k o wynik funkcji. Pew nym uspraw nieniem będzie wykorzystanie możliwości kontrolera NVM związanych z kasowaniem komórek pamięci KKPROM. Umożliwi to skrócenie całego procesu, lecz w ym aga napisania własnych funkcji obsługi KKPROM. Powyższy przykład był prosty, gdyż jedną z wartości zapisywanej zmiennej mogliśmy w ykorzystać jak o w skaźnik wolnej pozycji w buforze. Nie zaw sze jednak mamy do czynienia z tak kom fortow ą sytuacją. Jeśli żadna w artość zm iennej nic może posłużyć jako wyróżnik wolnej pozycji w buforze, to możemy stworzyć drugi bufor, który będzie zawierał wskaźnik wolnej pozycji w buforze, w którym przechowujemy wartość intere­ sującej nas zmiennej (przykład znajduje się wr katalogu PrzykIad)’/WM '\vear-leveHng2y. * d e fin e ILE WYDŁUŻYĆ 10 EEMEM unsigned in t bufor[ILE_WYDLUZYC]:

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

221

EEMEM unslgned cher wskaznikfILE_WYDLUZYC]: void skasuj_wskaznik() { Int l»0: while(fILE_WYDLUZYC]. wartość): } unslgned int odczytaj buforo { int 1=0: unsigned int warto$c=eepran_read_Kord(£bufor[ł]): while((i
Rozdzielenie kasowania i zapisu pamięci W XMKGA. podobnie jak w innych now szych mikrokontrolerach AVR. istnieje możli­ wość rozdzielenia kasow ania i zapisu pamięci. Daje to dw ie w ażne korzyści: ♦ skraca czas trw ania zapisu mniej więcej dw ukrotnie (nic jest wymagana czasochłonna operacja kasowania, którą można w ykonać wcześniej): ♦ umożliwia wielokrotny zapis do tej samej komórki pamięci bez skracania jej żyw otności.

AVR. Praktyczne projekty

222

Rozdzielając operację kasowania i zapisu komórki pamięci, należy pamiętać, że w cza ­ sie zapisu można wyłącznie zm ieniać wartość bitów z 1 na 0. zm iana z 0 na 1 wymaga przeprow adzenia operacji kasow ania.

Wskazówka

Siad też laki rozdzielny proces kasowania i odczytu można wykorzystać do implementacji technik w ear fevelitig. Proces kasowania i zapisu strony pam ięci EEPROM jest też czasochłonny — oba łącznic trw ają około 12 ms. co jest z punktu widzenia mikro­ kontrolera praktycznie wiecznością. Co prawda czasu lego nie możemy skrócić, ale możemy go podzielić na dwa osobne procesy — kasow anie (około 6 ms) i zapis (też około 6 ms). Stąd też mając wcześniej skasowane komórki pamięci, sam proces zapisu można dw ukrotnie przyśpieszyć. Aby skorzystać z tych m ożliw ości, warto zapoznać się z poleceniami kontrolera NVM dotyczącymi pamięci EEPRO M (tabela 8.1). T a b e la 8.3L Opis komend jVJ A / dotyczących pamięci EEPROM P o leceni©

Sym bol

O p e ra c ja

0x06

MVM_CMD_READ_EEPR0M_gc

O d czytu je w skazaną kom órkę pam ięci E E P R O M . O d czy t inicjuje w ykonanie polecenia.

0x30

HVM_CMD_ERASE_EEPR0M_gc

Kasuje wskazane: w buforze lokacje pamięci E E P R O M na podanej stronie pam ięci.

0x32

HVM_CMD_ERASE_EEPROM_PAGE_gc

Kasuje stronę pam ięci E E P R O M wskazaną przez rejestr adresow y A00R (zaw iera on adres kom órki, która leży na żądanej stronic).

0x33

MVM_CMD_LOAD_EEPR0M_BUFFER_gc

(W czytuje bajt z. pam ięci w trybie IO. O d czy t in icju je o d czy t rejestru DATA0.

0x34

NVM_CMD_WRITE_E E PR0M_ PAG E_gc

Zapisuje bufor pam ięci do wskazanej strony pam ięci E E P R O M . Zapisyw ane są w yłączn ic ko m ó rki, które zostały zm ienione w buforze.

0x35

MVM_CMD_ERASE_WRITE_EEPROM_PAGE_gc

D zia ła tak ja k poprzednie polecenie, z tym że zapisyw ana strona pam ięci E E P R O M jest w cześniej kasowana.

0x36

HVM_CMD_ERASE_EEPROM_BUFFER_gc

Kasuje zaw artość bufora strony pam ięci.

Jak widzimy, kontroler NVM dysponuje operacjami wykonującymi łącznie kasowanie i zapis (NVM_CMD_ERA$E_WRITE_EEPR0M_PAGE_gc). ale operacje tc możemy także rozdzielić na kasowanie (HVM_CMD_ERASE_E EPR0M_PAGE_gc) i zapis (NVM_CMD_WRITE_ EE PR0M_PAG E_g c ). W arto też zwrócić uw agę na polecenie NVM_CMD_ERASE_EEPROM_gc — kasuje ono wskazane komórki pamięci EEPROM leżące w obrębie jednej strony pamięci. Warto pamiętać, że czas kasowania i zapisu jednej strony trwa niezależnie od liczby zm ie­ nianych w ramach strony bajtów i jest zawsze taki sam. Stąd też dysponując powyższym poleceniem, możemy skasować jednocześnie wiele bajtów, oszczędzając cenny czas.

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

223

K a s o w a n ie w y b ra n y c h b a jtó w s tro n y Jedną z wygodnych opcji jest rów noczesne kasow anie w ybranych bajtów, co znacznie skraca cały czas dostępu do pam ięci EEPROM . Spójrzmy na poniższy przykład: s tru c t

{

in t zm iennal: in t zmienna2: char t e k s t[ ] : } * cc n s t pEEPR0M-(vo1d')0xl000. EEPROM EEMEM -{10.20. “ Test EEPROM"}:

W znany ju z nam sposób um ieszczono w pam ięci EEPRO M kilka zm iennych i przy­ porządkowano im początkowe wartości Powiedzmy, że chcielibyśmy skasować wartość pól o nazwach zmiennal i zmienna2 — na przykład w celu realizacji późniejszego zapi­ su. Ponieważ każde pole zajm uje obszar 2 bajtów, łącznie m amy do skasowania 4 bajty — warto więc je skasować razem w jednej operacji. Jak zw ykle zaczniemy od zm a [Ki­ wani a pamięci EEPRO M w obszar pam ięci RAM: NVM_CTRLB|=NVM_EEMAPEN_bm:

Od tej chwili operacje na /.mapowanej pamięci będą się odbywały poprzez bufor o wiel­ kości równej jednej stronie pamięci EEPROM . T eraz sytuacja jest prosta — musimy w skazać, które komórki bufora zostaną skasowane, w tym celu do w ybranych kom ó­ rek bufora należ)' dokonać zapisu, przy czym zapisyw ana w artość je st bez znaczenia. Z apis służy w yłącznie do oznaczenia kom órek, które zostaną skasowane. Jak wiemy, operacja kasow ania polega na ustawieniu w szystkich bitów zapisyw anego baj tu. stąd w artość w pisyw ana do bufora może być dowolna: p£EPROM->zmienna1-0: pEEPROM->zmienna2“ 0:

Zapisu dokonaliśm y poprzez sposób odpow iednie komórki sowania. W kolejnym etapie tak aby w skazyw ał na stronę wania bajty:

zm ianę pól struktury, które chcem y skasować. W ten pamięci zostaną zaznaczona jako przeznaczone do ska­ musimy uaktualnić rejestr adresow y kontrolera NVM. pamięci, na której znajdują się przeznaczone do skaso­

NVM.ADDR0“ 3EEPR0M.zmiennal: NVM.AODRl-((int)&EEPRCM.zmiennal) » NVM.ADDR2-0:

3:

Aby określić położenie strony, w ykorzystano adres odpow iednich pól zmiennej EEPROM — odzw ierciedla ona adresy w ew nątrz pamięci EEPR O M . a nie zm apow anego obszaru, w efekcie adres ten bezpośrednio określa num er strony pamięci. Naj­ starsze 8 bilów rejestru adresow ego jest zerow anych — operacja ta nie jest konieczna, gdyż jak pam iętam y, kontroler NVM po prostu ignoruje niew ykorzystane bity adre­ sowe — ich stan m oże być dow olny. Ostatnim etapem je st nakazanie kontrolerowi wykonania polecenia kasow ania strony pam ięci EEPROM : NVM.CMO-NVM_CMD_ERASE_EEPROM_gc: CPU_CCP-CCP_I0REG_gc: //Zezwól na wykonanie polecenia NVM. CTRLA=NVM_CMDEX_bm: //Wykonaj polecenie

224

AVR. Praktyczne projekty

Jak pam iętam y, rejestr CTRLA jest chroniony przed o p eracjam i IO . stąd też najpierw m usim y odblokow ać zezw olenie na nic.

Wskazówka

Po d a n y s p o s ó b je s t wygodny, m u sim y p a m ię ta ć tylko o je d n e j w ażnej rzeczy — k a ­ so w a n e bajty p a m ię c i E E P R O M m u s z ą n a le ż e ć do tej s a m e j stro n y p a m ię ci. O dw o­ łu ją c s ię d o p a m ię c i po p rzez stru ktu ry (czy zm ie n n e ), m u s im y zag w aran to w a ć, że zm ienne w ielobajtow e nie będ ą przekraczały granicy stron. J e ś li nie m ożem y tego z a ­ gw arantow ać, to o p e ra c ję k a s o w a n ia (a p ó źn iej za p isu ) m u s im y p o d zie lić n a dw ie lub w ięcej niezależnych operacji. Ja k w pływać na ro zm ie szcze n ie zm iennych w pa­ m ię ci, d o w ie s z s ię , c zy ta ją c d a ls z ą c z ę ś ć tego rozdziału.

Operacja kasowania trwa około 6 ms, w tym czasie kontroler NVM jest zajęty i nic może wykonywać innych poleceń. Stąd też przed kolejną operacją trzeba poczekać na zakończenie aktualnie w ykonyw anego polecenia: while(NVM.STATUS & NVMJIVMBUSY_bffl>:

Dostęp do EEPROM z wykorzystaniem tokenów Pamięć EEPROM jest wykorzystywana jako pamięć przechow ująca dane stosunkowo rzadko ulegające zmianie. Wiele aplikacji przechowuje w jej obszarze zmienne zaw ie­ rające konfigurację i parametry początkow e programu. Aby jednak dostać się do nich. musimy znać ich adres, nie jest to sprawa trudna w ramach jednej aplikacji — o właściw e adres>* dba sam kom pilator i nie musimy sobie tym zaprzątać głowy. A co w sytuacji, gdy EEPROM zawiera dane zarów no dla aplikacji, jak i np. bootloaclera? Wtedy m u­ simy z jednej strony zagwarantować rozdzielenie danych obu aplikacji — np. przyjąć arbitralnie, że aplikacja użytkow nika zajm uje obszar adresow y EEPROM od 0 do n. a adresy od n do końca pamięci przydzielone są kodowi bootloaclera. Jest to proste rozwiązanie, wymaga tylko przesunięcia sekcji .eeprom w kodzie bootloaclera, ale nie gwarantuje nam . Ze aplikacja nie skasuje danych bootloaclera lub po prostu ich nie nadpisze — poniew aż kontroli nad pam ięcią wr takiej sytuacji nie może ju ż spraw o­ w ać kompilator, musimy sami zadbać, aby ustalone reguły były respektowane. Jest to jakieś rozwiązanie. Ale co w sytuacji, w której bootloac/er uaktualnia aplikację użyt­ kownika? Jeśli nowa aplikacja przy okazji wczytuje w łasną w ersję danych do pamięci EEPROM , to nie ma problemu, poza drobnostką — w cześniejsze ustawienia użyt­ kownika. np. parametr)* konfiguracyjne, zostaną utracone i po aktualizacji czeka nas (czasami żm udny) proces konfiguracji. Jeśli jednak EEPROM przy uaktualnieniu nie jest nadpisywany, to musimy zagw arantow ać, aby adres)* używ ane w* nowej aplikacji były zgodne z adrcsacją używ aną w* poprzedniej. Gdy korzystam y ze struktur)*, której pola są zmiennymi przechowywanym i w* EEPROM . to spraw a jest stosunkowo prosta — musimy zagwarantow ać, aby nowe pola danych zostały zadeklarow ane po starych. W zw iązku z tym deklaracja w „starym kodzie” : struct { int zmiennal: int zmienna2: } EEPROM:

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

225

a następnie w „nowym": s tr u c t

{ char te k s tC IO ]: i n t zm iennal: in t zmienna2:

}: spowoduje przesunięcie wszystkich adresów zmiennych i w efekcie błędne ich od­ czytyw anie Z pamięci Stąd teZ w nowej aplikacji w celu zachow ania kompatybilności z poprzednią pow yższe pola należy zadeklarow ać następująco: s tr u c t

<

in t zm iennal: in t zmienna2: char te k s tC IO ]:

}: W ten sposób pola znane w ..starej” aplikacji będą miały to sam e adresy. Można także posłużyć się rozw iązaniem bardziej uniw ersalnym — tokenam i. Każdej zmiennej w pamięci EEPROM można przypisać jak ąś nazwę, dla w ygody może to być nazwa zrozum iała dla programisty. W tedy zamiast odwoływać się d o zmiennych poprzez ich adresy, będziemy odw oływ ać się do nich poprzez token — pole opisu zmiennej. W a­ dą takiego rozwiązania jest duży wzrost zapotrzebowania na pam ięć EEPROM (musi ona pomieścić nic tylko sam e zmienne, ale także tokeny). N ie jest to jednak wada poważna, rzadko się zdarza, aby aplikacja w ykorzystywała •większy obszar pamięci EEPROM. Za to zyskujemy potężną zaletę — rozmieszczenie danych w EEPROM jest zupełnie niezależne od aplikacji i kompilatora, wszelkie adresy są generowane w trakcie działania programu na podstawie danych zaw artych w EEPROM . Kody przykładu znajdują się w katalogu Przyklady/N l Wt/EEPROA/-tokeny. Musimy ustalić, w jaki sposób dane przechowywane w pam ięci EEPROM będą zor­ ganizowano (rysunek 8.3). Pojedynczy rekord będzie składał się z trzech pól — je d ­ nego (Len) przechowującego długość całego rekordu, pola przechow ującego nazw ę zw iązaną z danym rekordem i pola zaw ierającego dane. Stąd też najkrótszy rekord będzie zajmował 4 bajty pamięci — 1 bajt zajęty na długość rekordu. 2 bajty na token i 1 bajt na same dane. W ydaje się. że ta forma reprezentacji danych zw iązana jest z du ­ żym marnotrawstwem pamięci, ale obliczenia dla dłuższych rekordów danych nie są ju ż tak niekorzystne. W dodatku jeśli mamy do dyspozycji pamięć, to dlaczego z niej nic korzystać. Pisanie aplikacji, w której z dostępnych np. 4 kB EEPROM wykorzystu­ jemy 20 bajtów, nic nam nie daje. R y s u n e k 8 .3 .

S in ik tura danych tr p a m ięc i lilii*ROM Role L en zaw iera długość rekordu (m aksym alnie 255 bajtów ). L en o w artości 0 x F F w skazuje na koniec danych. Rola Token zawierają n a zw y tokenów zw iązanych z danym i i są ła ń cu ch a m i teksto w ym i w fo r m a c ie ASCII'/., a p o le D a n e zaw iera dane binarne

0x0000

Len

TokenO

Dane

Le n

Tokenl

Dane

Len

Token2

Dane

Len

Token3

Dane

0xFF

226

AVR. Praktyczne projekty

Nasza przykładowa biblioteka realizująca opisany dostęp do EEPROM będzie zawierała funkcje publiczne realizujące podstawowe operacje takie jak dodanie lub zmiana klucza, usunięcie go lub pobranie jego wartości, oraz funkcje prywatne, które będą w ykorzy­ stywane w ewnętrznie przez bibliotekę. Jak wiemy, język C nie umożliwia bezpośred­ nio realizacji kontroli dostępu, stąd teZ w pliku nagłówkowym, który należy dołączyć do aplikacji wykorzystującej naszą bibliotekę, umieszczone zostaną w yłącznie proto­ typy funkcji publicznych. Prototypy pozostałych funkcji nie będą w ięc widoczne dla aplikacji. Dodatkowo pokazana biblioteka będzie realizow ała dostęp do EEPROM. wykorzystując tryb mapowania tej pamięci w obszar SRAM . Dzięki temu wiele ope­ racji będzie przebiegało sprawniej, z wykorzystaniem m ożliwości zapisu EEPROM stronami. W ekstremalnych przypadkach przyśpiesza to zapis nawet ponad 30 razy. Przystąpmy w ięc do realizacji biblioteki. Pierwsza funkcja, jak a jest potrzebna, to funkcja odpowiedzialna za inicjalizację biblioteki: s t a t ic in lln e v o id EEPROMReg In 1 t( )

{

//Zainicjuj obsługę pamięci

wti1 le(H VM . STATUS & NVM_NVH8U$Y_bni): //Zaczekaj na koniec poprzednich operacji N IW NVM CTRLB | =NVM EEMAPEN bm: //Zmapuj EEI*ROM w obszar R/W{. co uprości odwołania do pamięci

) Jak widać, funkcja ta. zdefiniowana w nagłówku EEPROAHoken.//, ogranicza się tylko do włączenia mapowania EEPROM w przestrzeń adresową SRAM. Dzięki temu dostęp do tej pamięci będzie się odbywał tak jak do pamięci SRAM. W tym samym pliku zdefiniowano także pozostałe funkcje publiczne, odpow iedzialne za komunikację z pam ięcią EEPROM: bool EEPROMReg_AddRegEntry(const char *regname. v o id *re g va lu e . u in t8 _ t s iz e ):

//Dodaj/iitwórz nowy rekord v o id *EEPROMReg_GetRegEntry(const char *regnarce. u in t8 _ t * s iz e ) : //Zwraca adres pola

//danych wskazanego rekordu v o id EEPROKReg_DelRegEntry(const char *regname):

//Skasujrekord

Funkcje te w celu dostępu do klucza (tokenu) używ ają parametru regname. określające­ go nazwę klucza. Dane przechowywane w EEPROM będą dzięki temu jednoznacznie identyfikowane. Na przykład wywołanie: in t em l-1: EEPRCttReg_AddRegEntry(PSTR(''Test~>. &eml. s iz e o f(e m l)):

spowoduje utworzenie nowego klucza o nazwie “Test" i przypisanie mu wartości zmiennej eml. Ostatnim parametrem funkcji jest długość obszaru pamięci zajmowanego przez zapisywaną zmienną. Jeśli wskazany klucz istnieje, to powyższa funkcja zmody­ fikuje tylko przypisaną mu wartość. Przypisaną do klucza wartość można pobrać następująco: int ile : i n t *adr-EEPROMReg_GetRegEntry(PSTR(“ T e s t" ). & ile ) :

Podany w skaźnik adr będzie wskazywał na obszar pamięci EEPROM (zm apowancj w przestrzeń SRAM), w którym przechowywane są dane zw iązane z podanym kluczem. Poprzez dercfcrcncję adresu (*adr) można uzyskać wartość klucza. Stąd istotne jest.

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

227

aby typ w skaźnika odpow iadał typowi przechowywanej w e wskazanym kluczu w ar­ tości. Pom ocnicza zm ienna ile . będąca ostatnim argum entem , po w ywołaniu funkcji zaw ierać będzie długość w bajtach pola danych. Ostatnia funkcja: EEPRCKRegJte1RegEntry ( PSTR<"T est" )) :

kasuje z pamięci wskazany klucz. Przejdźmy więc do implementacji. Kody pow yższych funkcji znajdują się w pliku EEPROM Token.c. O prócz wcześniej opisanych funkcji znajdują się w nim także kody pew nych funkcji pomocniczych. Pierwsza jest funkcja realizująca w ybrane polecenie kontrolera NVM: vo1d EEPROKReg_CmdExec(NVM CHD t end) { NVM. CMD-cr>d: //Polecenie kontrolera CPU_CCP=CCP_IOREG_gc: //Zezwól na jego wykonanie NYM.CTRUWWM CKOEX bn>: //Wykonajpolecenie while(NVM. STATUS i ŃVM NVHBU$Y bm): //Zaczekaj. aZ się zakończy

} Jak pam iętam y, przed wykonaniem polecenia należy zezw olić na zapis rejestru CTRLA kontrolera poprzez wpisanie kodu odblokowującego do rejestru CCP. Ponieważ polece­ nia kontrolera zw iązane z pam ięcią EEPROM m ogą być w ykonyw ane przez dłuższy czas, stąd po zleceniu realizacji polecenia funkcja w pętli oczekuje na jego zakończenie. D rugą ciekaw ą funkcją jest funkcja EEPROMReg_MoveEEPROMBlock. Funkcja ta przesuwa blok składający się z le n bajtów' z adresu źródłowego do adresu docelowego. Co ważne, kiedy przesyłane bloki nakładają się. funkcja ta zapewnia ich przesianie w taki sposób, aby dane nie uległy uszkodzeniu — rysunek 8.4. R y s u n e k 8 .4 .

K opiow anie nakładających się bloków p a m ięc i m o że czasam i prow adzić do błędów. X a pokazanym przykładzie kopiow any J e st błok pamięci, począw szy o d adresu src. d o adresu dst. p rzy czym d st Zezy w obrębie kopiow anego bloku. J e ś li kop iow anie rozpocznie się o d src. to efektem będzie uszkodzenie danych - obszar zaznaczony kropkam i zo sta n ie sko p io w a n y podw ó jn ie. A b y p o p ra w n ie sko p io w a ć taki błok pam ięci, n a leży rozpocząć p ro ce s o d końca. »• kierunku zm niejszających się adresów

src

Aby popraw nie skopiować nakładające się bloki pamięci, to w zależności od relacji pomiędzy początkami obszarów poszczególnych bloków kopiow anie należy wykonać z inkrcmentacją lub dckremcntacją adresów'. W efekcie pow stają dw ie funkcje kopiujące

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

231

EEPROMReg_MoveEEPROMBlock(addr*prevslze. a d d r-*p re v s iz e -s iz e -l. I le ) : eepro
)

eeprom_wr I te_by te ( addr- a ct s 1z e . a cts 1ze*s i ze) :

//Zapisz nową długość rekordu

} Ponieważ funkcja EEPROMReg_AddRegEntry wykorzystuje funkcje z nagłówka ceprom.h. które w yłączają mapowanie pamięci KHPROM. po jej zakończeniu należy mapowanie przywrócić.

Wikarówka

Pam iętaj, że w szystkie funkcje z nagłów ka eeprom.h kasu ją bit HVM_EEMAPEII_bm reje­ stru CTRLB k o n tro le ra N V M . W e fe k c ie m a p o w a n ie p a m ię c i je s t w yłączone. W arto też pam iętać, że funkcje te nie cze ka ją n a w yzerowanie flagi NVM_NVMBU$Y_bm rejestru STATUS kontrolera NVM . Program ista m u si zapew nić, aby w c z a s ie , kiedy flaga ta je s t u s ta w io n a , program n ie pró b ow ał k o rzy sta ć z k o n tro le ra N V M .

Funkcja EEPROMReg AddRegEntry w celu dodania nowego klucza korzysta z funkcji EEPROMReg_CreateRegEntry. W arto zwrócić uwagę na deklarację tej funkcji: bool EEPROKReg_CreateRegEntry(con$t char *regnare. u in t8 _ t s iz e . u in t8 _ t * *a d d r):

Jak widać, jej ostatnim parametrem jest u in t8 _ t **addi-----w ten sposób definiowany jest wskaźnik na wskaźnik na typ u in t8 _ t. Dlaczego lak dziw nie? Dzięki takiej dekla­ racji mamy możliwość zm ieniać nie tylko wartość danego w skaźnika, ale także sam wskaźnik. Jest to niezwykle istotne, gdyż funkcja ta zw rotnie modyfikuje param etr addr. tak aby wskazywał na adres nowo utworzonego rekordu. Aby uzyskać ten adres, funkcja najpierw znajduje pierwszy' wolny bajt pamięci EEPROM, a następnie sprawdza, czy tworzony rekord mieści się w pozostałej pamięci: *addr-EEPRCMReg_GetFtrstAvailPos( )*1: if((*addr==(void*)-l) || ((int)(>addr*size)>=HAPPED_EEPRCfuS_EKD)) return false: //Błąd - brak miejsca w pamięci

D erelerencja wskaźnika a d d r (*addr) powoduje. Ze operujem y na wskaźniku na typ u in t8 _ t (uint8_t*>. Po sprawdzeniu ilości dostępnego miejsca tworzony jest nowy rekord: ( *addr ) - •MAPPED_EEPROM_START: //Pomtsze funkcje ulywają adresowania w przestrzeni KUPROM do c=pgra_read_byte_near($regname[ I ndex]) : ecprocn_w rite _byte(*addr*index.c): 1ndex++:

// Odczytaj token z FIj \SH //Zapiszgo wEEPROM

} wh11e(c!-0): (*addr)--: eeprcłn_wrłte_byte(*addr.slze ♦ 1ndex ♦ 1):

eeprcm_write_byte(*addr + size + index +1. OxFF):

//Znacznikkońcałtsty

Do tworzenia nowego wpisu w ykorzystywane są funkcje z nagłów ka eeprom .h — jak pamiętamy, funkcje te w yłączają mapow anie pamięci KHPROM, stąd też po wykonaniu powyższego kodu musimy je przywrócić: whi 1c(NVM. STATUS & NVM NVMBUSY brn): //Zaczekaj na koniec poprzednich operacji NVM_CTRLB| -NVM_EEHAPEN~bra: ~//Włącz mapowanie EEPROM ( *addr)*=MAPPED_EEPROM_START: //Dalej korzystamy z adresu w zmapowanej przestrzeni

232

AVR. Praktyczne projekty

Przed m odyfikacją rejestru kontrolnego należy poczekać na zakończenie poprzedniej operacji (w tym przypadku zapisu do pam ięci EEPRO M ), w przeciw nym razie kolejne polecenie zostanie zignorow ane przez kontroler. Pozostaje nam jeszcze zaim plem entow anie funkcji um ożliw iających odczyt w artości pow iązanej zc w skazanym kluczem i skasow anie klucza. Funkcję odczytu realizuje funkcja EEPROMReg G e tR e g E n try. Jej im plem entacja je st niezw ykle prosta: u i nt8_t *addr=EEPROMReg_GetReg 11 eni( regname): //Znajdź rekord if((size _ t)a d d r= = -l) return NULI: //Nie ma rekordu *size=*addr - EEPROMReg_GetLastStrAddr(&addr)-l: //Znajdźpole danych return addr:

W yszukuje ona podany klucz za p o m ocą znanej ju ż fu n k cji EEPROMReg_GetRegItem. a następnie w yszukuje adres pierw szego bajtu pola danych. O statnia funkcja EEPROMReg D e lR e g E n try kasuje wrskazany rekord — jej budow a jest bardzo podobna do poprzedniej funkcji: u i n t8 _ t *addr=EEPROMReg_GetReg11wi(regname): i f ( addr==( v o i d*) -1) r e t u r n : //Nic znaleziono podanego wpisu u in t8 _ t re c s iz e = *a d d r: u ln t8 _ t *e n d o fre g = (u in t8 _ t* ) ( ( 1 nt)EEPROMReg_GetFi rs tA va 1 1Pos( ) - rees i ze):

//Picnrsza dostępna pozycja (koniec danych) EEPR0MReg_MoveEEPR0M8lo c k (addr ♦ re e s ize . addr. endofreg-addr+1): //Usuń dziurę p o rekordzie

Jak w idać, po znalezieniu rekordu jest on usuwany p oprzez przesunięcie kolejnych rekordów w jego miejsce. D ysponując pow yższym i funkcjam i, w bardzo uniw ersalny sposób m ożem y odw oły­ w ać się do danych zgrom adzonych w pam ięci EEPRO M . W efekcie ich w spółdziele­ nie poprzez kod aplikacji i np. bootloader je st niezw ykle łatw e. A plikaeja nie musi dysponow ać adresem danych w pam ięci, w ystarczy, że program ista będzie posługiwał się pow iązanym z danym i kluczem . Poniew aż nazw a klucza m oże być dow olnym łańcuchem , w efekcie kluczom m ożna nadaw ać znaczące nazw y, np.: adrl-EEPROMReg_GetRegEntry(PSTR("Temperatura T l" ) . &l l e) : adr2-EEPR0MReg_GetRegEntry(PSTR("Teniperatura T2"). 1e ) :

W zrost objętości danych w pam ięci EEPR O M jest w w ielu przypadkach akceptow al­ n ą c en ą za osiągniętą uniw ersalność.

EEPROM i aw aria zasilania Pam ięć EEPR O M służy do przechow yw ania w artości zm iennych pom iędzy kolejny­ mi uruchom ieniam i aplikacji. W przypadku, kiedy te zm ienne są dosyć często m ody­ fikow ane w aplikacji, pow staje pew ien problem — ciągły zapis now ych w artości do pamięci EEPROM szybko doprowadzi do jej uszkodzenia (jak pamiętamy, liczba zapisów jest ograniczona). Istnieje kilka w yjść z takiej sytuacji:

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

233

♦ zastosow anie pokazanych w cześniej technik w ear levełing, zw iększających liczbę dozw olonych zapisów , ♦ zastosow anie zew nętrznej pam ięci FR A M lub podtrzym yw anej bateryjnie pam ięci SR A M . ♦ detekcja aw arii zasilania i zapisanie kopii roboczych zm iennych przechow yw anych w pam ięci SR A M m ikrokontrolera d o pam ięci EE PR O M tuz przed zakończeniem działania program u. Techniki w ear lerełing umożliwiają zw iększenie liczby zapisów o kilka rzędów wielkości, lecz nie są dobrym rozw iązaniem w sytuacji, w której dana zm ienna je s t często z ap i­ syw ana. Z ew nętrzna pam ięć, np. FR A M . jest rozw iązaniem dobrym , lecz w ym aga z a ­ stosow ania dodatkow ego układu scalonego (koszy, m iejsce na płytce, kom plikacja układu), a dostęp do niej je st utrudniony — kom unikacja odbyw a się za pom ocą je d ­ nego z interfejsów IO (np. I2C lub SPI). co w ym aga jego oprogram ow ania i w łaściwej obsługi w program ie. W takiej sytuacji atrakcyjną m ożliw ością je st strategia p o leg a­ ją ca na skopiow aniu zm iennej z pam ięci EE PR O M do SR A M . W trakcie życia pro­ gram u taką zm ienną m ożem y dow olnie m odyfikow ać. Jedyne, co m usim y zrobić, to zapisać taką zm ien n ą ponow nie do pam ięci E E PR O M tuz p rzed w yłączeniem układu — zanikiem zasilania. R ealizacja tego pom ysłu w ym aga połączenia rozw iązań sprzętow ych i program ow ych, niem niej jest prosta w realizacji. Zanim jednak przejdziem y do praktycznej realizacji, w arto chw ilę się zastanow ić, jakie param etry m usi spełniać układ zasilający, aby program m iał szansę zapisać w artość zm iennej do pam ięci EEPR O M . Jak pam iętam y, zapis tej pam ięci je st czasochłonny — w przypadku XMHGA128A1 kasow anie i zapis trw ają łącznie 12 ms. W arto jednak pam iętać o dw óch spraw ach: ♦ wr X M E G A operacje kasow ania i zapisu m ożna rozdzielić, w efekcie zapis do w cześniej skasow anej kom órki pam ięci m oże być o połow ę krótszy; ♦ niezależnie od tego, czy zapisujem y p o jed y n czą kom órkę pam ięci EEPR O M , czy całą stronę, operacja trwa dokładnie tyle samo. W ynika z tego, że zapisując stronam i, w tym sam ym czasie m ożem y zapisać o w iele w ięcej danych. W’ efekcie jeśli liczba danych do zapisu nie przekracza jednej strony pam ięci EEPR O M (dla XM KGA128A1 są to 32 bajty), do realizacji zapisu takich zm iennych m usim y zapew nić podtrzym anie zasilania procesora na czas ok o ło 6 - 1 2 ms. N ie jest to dużo i jak się okazuje, w arunek ten je st prosty do spełnienia. M usim y tylko zapew nić m oż­ liw ie w czesne w ykrycie sytuacji, w której n apięcie zanika, u także w ystarczający czas je g o podtrzym ania. Zacznijm y od tego drugiego. W gotow ym urządzeniu elek tro n icz­ nym na pobór prądu przez układ składa się po b ó r prądu p rzez m ikrokontroler oraz przez resztę układu elektronicznego. O ile prąd pobierany p rzez m ikrokontroler m o ­ żem y z d u żą dokładnością oszacow ać na podstaw ie not katalogow ych, o tyle prąd po ­ bierany przez resztę układu jest zm ienny i często w ielokrotnie w iększy niż prąd pobie­ rany przez m ikrokontroler. Aby w ięc łatw o było zapew nić w y starczającą ilość energii dla m ikrokontrolera, po detekcji aw arii zasilania należy zadbać, aby reszta układu nie pobierała energii z e źródła podtrzym ującego zasilanie M C U . Jak długo m ożem y p o d ­ trzym yw ać zasilanie m ikrokontrolera? N a to pytanie odpow ie nam rysunek 8.5.

234

AVR. Praktyczne projekty

S t a łe c z a s o w e (T)

Rysunek 8.5. Napięcie na kondensatorze podczas rozładowania obniża się zależnie od prądu rozładowania (określanego wartością oporu R fClJ) oraz pojemności kondensatora (C //'/.). 11artość RC to tzw stała czasowa. Po upływie czasu równego jednej stałej czasowej napięcie na kondensatorze obniża się do 37% napięcia wyjściowego. ,Ya pokazanym przykładzie napięcie obniż}- się z 10 f *do 8 l 'po upływie czasu równego 0.22 T Jeśli założym y, Ze napięcie na kondensatorze nie pow inno o b niżyć się poniżej 0.8 na­ pięcia wyjściowego, to dysponujemy czasem 0,22 T. Stała czasow a T zależy od pojemno­ ści kondensatora (która ze w zględów praktycznych je st ograniczona do kilkuset pF) i w artości R. Ile to R w ynosi? Tu znow u z pom ocą przychodzi nam nota katalogow a procesora. W sekcji D C Characteristics wybranego procesora widzimy, że dla f cc = 3 V i f = 32 M H z pobierany prąd w ynosi 20 m A (plus prąd p obierany z pinów IO p ro ce­ sora). W sp osób nie do końca poprawmy m ożem y w y liczy ć rezystancję zastępczą M CU — R = y. Stąd w naszym przypadku R = 150 Q . Jest to pew ne przybliżenie, a pokazane w yliczenia nie są do końca popraw ne, um o żliw iają jed n ak zo rien to w a­ nie się co do rzędów wielkości potrzebnych nam param etrów . Stąd też dla C — 100 pF i R = 150 LI stała czasow a R C = 15 ms, a 0,22 R C - 3,3 m s. Jak w idzim y, dysponu­ jem y czasem niewystarczającym do zapisania naw et jednego bajtu EEPROM . Jak w y­ brnąć z takiej sytuacji? M ożemy zw iększyć pojem ność; je j zw iększenie do 1000 pF da nam czas 33 m s. eo jest w ystarczające. Jednak um ieszczanie tak dużych konden­ satorów może być niepraktyczne. D rugą m ożliw ością jest zm niejszenie prądu pobie­ ranego przez MCU. W tej samej nocie widzimy, że dla podanych parametrów obniżenie taktowania do 2 M H z pow oduje zm niejszenie poboru prądu do m aksym alnie 1,6 mA, a w ięc możemy wydłużyć w ten sposób T ponad 12-krotnie. Mało tego, w trybie idle pobierany prąd to m aksym alnie 0.65 mA. a więc jest ponad 30 razy mniejszy niż w yj­ ściowy. To znaczy, Ze stosując kondensator 100 pF, uzyskam y możliwość podtrzym a­ nia zasilania przez około 100 ms. Jest to czas zupełnie w ystarczający do zapisu sporej

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

239

nia program od modelu zastosowanego MCU. Spróbujmy zdefiniow ać w ten sposób parę zmiennych: i n t Dane EEMEM __ a t t r i b u t e __ ( ( a l i g n e d ( E E P R O M _ P A G E _ S ! Z E ) ) ) : i n t T e m p e r a t u r a EEHEH __a t t r i b u t e __ <( a 1 lg n e d ( E E P R O M _ P A G E _ S I Z E ) ) ) : i n t P1D_P EEKEH __ a t t r i b u t e __ ( ( a li g n c d ( E E P R O M _ P A G E _ S I Z E ) T ) :

Zmienne te zostaną rozmieszczone w pamięci, tak jak pokazano poniżej (informacja o rozmieszczeniu pochodzi z wygenerowanego przez kom pilator pliku map): .e e p ro m

0 x0 0 8 1 0 0 0 0 0x00810000 0x00810020 0x00810040

0xa0 A w a r i a Z a s i l a n i a . o PI0_P Tem peratura Dane

Jak widzimy, każda zmienna została umieszczona na oddzielnej stronie pamięci. Nie­ stety pokazane zmienne są krótkie, zajm ują zaledwie po dwa bajty pamięci, w elekcie pozostałe komórki na stronie pozostają wolne. Jest to nie tylko marnotrawstwo pa­ mięci. ale przede wszystkim tracimy w ten sposób zyski z zapisu stronami — aby zacho­ wać wartość podanych zmiennych, musimy zapisać trzy strony, pomimo Ze wszystkie zmienne zmieściłyby się na jednej stronie pamięci. Jak to poprawić? Tu z pomocą przychodzą nam struktury. Jak pamiętamy, w przypadku struktur linker nic ma wiciu opcji i w szczególności nie może zmieniać kolejności pól. a kolejne pola rozmiesz­ czane są pod kolejnymi adresami. Poprawiony kod moZe w yglądać lak: stru ct

{ i n t Dane: i n t T em peratura: in t PI0_P:

//... itd. do max S2 bajtów } DaneEEPROM EEMEM __ a t t r i b u t e __ ( ( a l ł g n e d ( E E P R O M _ P A G E _ S I Z E ) ) ) :

//Umieśćstrukturę

//w EEPROSf. wyrównując dogranie}’strony Tym razem poszczególne pola umieszczone są pod kolejnymi adresami, a całość struktury rozpoczyna się na granicy strony: .eeprom

0x00810000 0x00810000

0x40 A w ariaZ asilania.o DaneEEPROM

Jedyne, o czym musimy pamiętać, to aby długość struktury nie przekroczyła długości strony pamięci (jeśli przekracza, to należy odpowiednio zmodyfikować procedury zapisu).

Wskazówka

P a m ię ta j, że atrybuty nie m ogą być przypisyw ane typom zd e fin io w a n ym w języku C (słowo kluczow e typedef). C o prawda kom pilator nie zgłosi żadnych zastrzeżeń, ale ta k a k o n stru k cja n ie m u si działać.

Stąd też definicja typu: typedef s t r u c t { in t Dane: in t Temperatura: in t PI0_P:

240

AVR. Praktyczno projekty

//... tid. do max 52 bajtów

} OaneStrona HEMEM _attrtbute_((ahgned(EEPR 0M _PA G E_SI2E)) ) :

w starszych wersjach gcc kompiluje się poprawnie, ale w nowszych będzie generowała błąd: E rro r

1

s e c tio n a t t r l b u t e not allcw ed fo r 'O aneStrona'

P rzy kła d Dysponując wszystkimi potrzebnymi informacjami, możemy przystąpić do praktycznej realizacji automatycznego przechowywania danych po awarii zasilania. Kod przykładu znajduje się w katalogu PrzykUuły/Kl M /Aworia/.asilatiia. Poniższy kod przy kładu jest dostosowany do modułu X p lain cd l2 8 A l, lecz w swojej koncepcji bazuje na rozwiązaniu przedstawionym na schemacie 8.6. Moduł Xplained ma pomiędzy gniazdem USB a złączem JTAG 2-pinową zworkę. Służy ona do rozłą­ czenia zasilania i wpięcia amperomierza, dzięki czemu m ożna monitorować pobór prądu przez moduł. Zworkę tę można wykorzystać do wpięcia układu podtrzymujące­ go zasilanie. Pin znajdujący się bliżej gniazda USB to pin wyjściowy z regulatora 3.3 V (I'CC P3J’3 \ pin bliższy złączu JTAG rozprowadza to napięcie na resztę modułu (IV C \1C U P31'3). Pomiędzy te piny należy wpiąć spolaryzowaną w kierunku przewodzenia diodę — anodę do f 'CC P 3 f '3. a katodę do l'C C _XtC U _P3\m 3. Dodat­ kowo pomiędzy katodę diody a masę należy wpiąć kondensator, np. 470 pF/10 V2. Pin 1 złącza J 2 należy połączyć z anodą diody. Osoby korzystające z innych rozwią­ zań powinny kierować się schematem 8.6, pamiętając. Ze do detekcji zasilania użyty został pin PAO portu A. Po wykonaniu niezbędnych połączeń możemy przystąpić do implementacji funkcji awaryjnego zapisu. Najpierw stwórzmy strukturę przechowującą nasze newralgiczne dane: typedef s tr u c t { in t Dane: in t Temperatura: in t PID_P: //... ud. d o niax 52 bajtów

} OaneStrona:

Na pokazanym przykładzie są to trzy zmienne o typie in t. Teraz musimy stworzyć kod odpowiedzialny za inicjalizację tych zmiennych: OaneStrona OaneEEPROK EEMEH __attribute__((aligned(E£PROM_PAGE_$IZE)>) //Umieść //stru ktu rę u-E E P R O M w yrów nując d o g ra n ic y strony

- { .Dane-Oxaabb. .Teeperatura-O xac. . PID_P-0xl0):

2 Napięcie pracy kondensatom nic jest istotne. Można zastosować kondensatory na napięcie 63 V lub wyższe. Podobnie pojemność może się zmieniać — autor jednak nic testował tego przykładu z kondensatorem elektrolitycznym o mniejszej pojemności. Nie należy używać przesadnie dużych kondensatorów — pojemności większe niż 1500 pF mogą przy włączaniu generować impuls prądowy, który zresetuje magistralę USB. z której jest zasilany moduł.

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

241

Pow yższa linia spow oduje w ygenerow anie pliku o rozszerzeniu cep, który zaw iera początkow ą w artość pam ięci EEPRO M . Poniew aż zm ienne te chcemy często m ody­ fikować, stw orzym y ich kopię w pam ięci SRAM m ikrokontrolera: DaneStrona DaneSRAH: //Kopia danych w SRAM

Podczas startu program u oryginał z EEPRO M m usi zostać skopiow any do SRAM Zapew ni nam to w yw ołanie prostej funkcji kopiującej: v o id Data i n i t O

{ EEPROM MapEnt): //Włącz mapowanie EEPROM memcpyTsDaneSRAM. (void*)((int)&DaneEEPROM + KAPPEO_EEPROM_START). Si ZCOf (D a n eS tro n a)): / / P m włączonym mapowaniu EEPROM je st w przestrzeni adresowej M CU

) W arto zw rócić uw agę na dziw aczne rzutow anie drugiego argum entu funkcji memepy. P rzede w szystkim aby ułatw ić sobie ży cie i w ykorzystać standardow e funkcje ko­ piujące, pow yższa funkcja w łącza m apow anie EE PR O M w o b szar SRAM (funkcja EEPROM_MapEn()). Pow oduje to. że zm ienne i struktury zdefiniow ane w pamięci EEPROM są dostępne, począwszy od adresu MAPPED_EEPROM_START Stąd też konieczność dodania tego adresu jak o o ffsetu do adresu struktury w EE PR O M Poniew aż arytm e­ tyka w skaźników kieruje się w łasnym i praw am i, należy zrzutow ać w skaźnik na zw y­ kły typ (in t). dzięki czemu operacja dodawania przebiegnie zgodnie z oczekiwaniami3. W ten sposób możemy swobodnie operować na kopii zawartości EEPROM Musimy je d ­ nak zadbać, aby przy awarii zasilania (lub po prostu wyłączeniu układu) kopia w SRAM została przeniesiona do EEPROM . W tym celu w ykorzystam y kom parator analogowy ACA ACO. W ejście dodatnie kom paratora za pom ocą m ultipleksera zostanie zroutow ane na pin PAO (a jak pamiętamy, pin ten jest połączony z anodą diody odcinającej zasilanie od reszty układu). N atom iast w ejście ujem ne zostanie podłączone do w ew nętrznego skaleni (funkcja A C _ i n i t( ) ) : ACA CTRLB=63: //Napięcie skatera - f cc ACA~ACOMUXCTRL=AC_MUXPOS_PINO_gc | AC_KUXMEG_SCALER_gc:

Skaler został ustawiony na m aksym alną wartość. wr efekcie w ejście ujemne jest podłą­ czone do I 'cc. N onnalnie potencjał tego w ejścia je st niższy niż potencjał w ejścia do­ datniego (o spadek napięcia na diodzie) i w yjście kom paratora jest w stanie w ysokim. D o sygnalizacji aw arii zasilania w ykorzystane zostanie przerw anie komparatora, będzie ono generowane w yłącznic w sytuacji, kiedy w yjście kom paratora zm ieni stan z w yso­ kiego na niski: ACA_ACOCTRl=AC_ INTMODE_FALl ING_gc | ACJNTLVL_HI_gc | AC_ENABLE_bm: //Przerwania na //zboczu opadającym, wysoki priorytet

Przerwaniu temu nadano najwyższy priorytet, dzięki czemu będzie ono mogło przery­ w ać przerw ania o niższym priorytecie. Pozostaje nam jeszcze napisanie funkcji obsługi przerw ania, której zadaniem będzie przepisanie sUuktuiy ze SRAM do EEPROM . Ciekaw a je st definicja i początek tej funkcji: ISR(ACA_ACO_vect. ISR_NAKED)1

1 Dodawanie wartości do wskaźnika (w) powoduje dodanie liczby w^slzeof [wskaźnik).

242

AVR. Praktyczne projekty

.Tak w idzim y, funkcja ta została zdefiniowana z atrybutem ISR_NAKED, w efekcie kom pi­ lator nie generuje prologu ani epilogu tej funkcji. Poniew aż funkcja ta nigdy nie w raca do m iejsca, w którym przerw ane zostało w ykonyw anie program u — w końcu zanika zasilanie i dalsze w ykonyw anie kodu n ie m a sensu — niepotrzebne je st przechow y­ wanie wartości rejestrów mikrokontrolera. Dzięki temu możem y zaoszczędzić kilkadzie­ siąt bajtów pam ięci. C iało funkcji m a za zadanie zapisać n asze zm ienne do EHPROM: EEPROM_MapEn(): //Włącz mapowanie EEPROM EEPROMReg_CmdExec(NVM_CMD_ERASE_EEPROM_BUFFER_gc) : //Skasuj bufor EEPROSt - ewentualne //wcześniejsze zapisy/odczyty będą bez znaczenia MVM.ADDR0=(si ze_t)XDaneEEPROM: NVM.ADDR1=(size_t)&DaneEEPROM » 8: NVM.ADDR2»0: memepy((voId * )((1 n t )&DaneEEPROM ♦ MAPPED_EEPROM_START). SDaneSRAM. s I zeof (D aneS trona) ) : //Skopiuj dane EEPROMReg_CmdExec(NVM_CMD_ERASE_WR 1TE_EEPROM_PAGE_gc) : //Zapisz stronę

W tym celu w ykorzystano znany ju ż zapis stronam i. P oniew aż przerw anie może być wywołane w dowolnym momencie wykonywania programu, m c znamy stanu kontrolera N V M Bezpiecznie jest w ięc założyć, że musim y go popraw nie zainicjow ać — w łą­ czyć m apow anie pam ięci EEPR O M , ustaw ić odpow iednio rejestry adresow e i w yczy­ ścić bufor zapisu. D opiero po przeprow adzeniu tych operacji m ożem y zapisać stronę pam ięci zaw ierającą strukturę z danym i. Funkcja ta kończy się instrukcją: whi le ( 1 ): //Juz mc więcej m e robimy

która pow oduje, że pow rót z przerw ania nigdy nie nastąpi. Poniew aż układ jest odłą­ czany od zasilania, nie więcej w ykonyw ane nie będzie i pow rót nie m a sensu. Z d ru ­ giej strony, jeśli nastąpi chw ilow y zanik zasilania, który spow oduje uruchom ienie pow yższego przerw ania, ale zaraz potem zasilanie zostanie przyw rócone, to program skończy w nieskończonej pętli i m ikrokontroler się zaw iesi. Jak tem u zaradzić? Taka konstrukcja pętli w ym agałaby użycia układu nadzorującego (np. W ałchdog). Układ W atchdog w ykryje tę sytuację i zreseluje m ikrokontroler. P a m ię ta j, ab y w y k o rzy stu ją c p o w yższy k o d , w łą c zy ć W atchdog. Wskazówka

D ru g ą rz e c z ą , o ja k ie j n a le ż y p a m ię ta ć , j e s t w y łą c z e n ie lu b u s ta w ie n ie o d p o w ie d ­ n io n is k ie g o n a p ię c ia u k ła d u BO D .

Jeśli napięcie B O D będzie w ysokie, m oże spow odow ać zresetow anie M CU . zanim pow yższa funkcja dokona zapisu CEPROM . Przed rozpoczęciem zapisu w arto też obniżyć taktow anie M CU — dzięki temu będzie on pobierał m niejszy prąd, co um ożliw i zastosow anie m niejszego kondensatora pod­ trzym ującego. Podobnie należy zadbać, aby piny IO m ikrokontrolera nie zasilały in­ nych układów — najlepiej ustaw ie je jak o w ejścia. Spróbujmy przetestow ać nasze rozwiązanie. W tym celu naciskam y A lt+ F 5. c o spow o­ duje zaprogramowanie układu i wczytanie początkowych w artości do pamięci EHPROM. N astępnie m ożem y przerw ać sesję debugera. notując w cześniej zaw artość pam ięci

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

243

KEPROM (D ebugW indow s/M eniory), i w ybrać M em ory: l i i i PRO M . Pow inniśm y z o ­ baczyć zaw artość pam ięci ja k na rysunku 8.10. R y s u n e k 8 .1 0 .

Zawartość pamięci EEPROMpo uruchomieniu testowego programu

Następnie przeryw amy sesję debugera i odłączamy zasilanie od modułu Xplained. W tym celu musimy najpierw odłączyć kabel od złącza programującego, a następnie wyciągamy kabel USB zasilający moduł. Po chwili ponow nie podłączam y kabel USB i przew ód JTAG. W AS klikam y ikonę D evice Program tning (pam iętaj, aby w żadnym wypadku nie rozpoczynać sesji debugera — spow oduje ona ponow ne w czytanie początkowej zawartości EEPROM). W zakładce Memories. w sekcji EEPRO M , klikamy Re a d i wska­ zujemy plik, do którego m a zostać zapisana zaw artość pam ięci EEPROM . Plik len m ożem y otw orzyć np. w notatniku. Jego zaw artość będzie inna: :10000000CD4B34121102000000000000000000007F : 1 OOOIOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOEO

Jak w idzim y, zaw artość EE PR O M zm ieniła się i pam ięć ta zaw iera teraz now ą w ar­ tość struktur)' DaneSRAM W arto zastanow ić się, dlaczego w czasie testów' odłączaliśm y od m odułu X plam ed nic tylko zasilanie, ale także kabel program ujący. M ożem y jeszcze raz przeprow adzić opisany test, ale tym razem nie odłączając kabla programującego. Okaże się, ze przerwa­ nie komparatora nie zostało wykonane i zmienione wartości struktury DaneSRAM nie zostały zapisane do EEPRO M . D laczego? M usimy pam iętać, że m ikrokontrolery X M EGA są bardzo energooszczędne, a do działania w ym agają niew ielkiej ilości prądu.

Wskazówka

P rą d b u fo ró w w yjścio w yc h p ro g ra m a to ra j e s t w y s ta rc z a ją c y do z a s ile n ia m ik ro k o n ­ tro le ra . S tą d te ż przy p o d łą czo n y m z łą c z u p ro g ra m o w a n ia m ik ro k o n tro le r m o ż e być z a s ila n y p a s o ż y tn ic z o z p ro g ra m a to ra !

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

251

D o s tę p d o d a n y c h le ż ą c y c h p o w y że j g r a n ic y 6 4 k B Aby pokonać ograniczenia związane z 16-bitową adresacją i w konsekwencji ogranicze­ niom przestrzeni adresowej do pierwszych 64 kB. w prowadzono funkcje umożliwiające odczyt w artości z pam ięci FLA SH pow yżej granicy 64 kB. Funkcje te posiadają sufilcs _ fa r: ♦ pgm _read_byte_far(odres) ♦ pgm_read_word_far (adres) ♦ pgm_read_dword_far (adres) ♦ pgm _read_float_far (adres) I tak odpow iednikiem funkcji pgm_read_byte jest pgm _read_byte_far itd.

Wskazówka

W p ro g ra m ie m o ż n a k o rz y s ta ć z fu n k c ji p o s ia d a ją c y c h s u f ik s _ f a r n ie z a le ż n ie o d m ie jsc a , w którym położone s ą odczytyw ane da n e . N a leży je d n a k p a m ię ta ć, że funkcje te w yk o rzy stu ją d łu ż s z e i w o ln ie js z e in s tru k c je a s e m b le r a ELPM, n ie m a w ię c s e n s u używ ać ich w pro g ram ach, w których da n e i kod program u m ie s z c z ą s ię w pierw szych 6 4 k B p a m ię c i F LA S H .

F unkcje te w ym agają podania 24-bilow ogo adresu o d czytyw anych danych. Jak go uzyskać? Standardow y operato r pobierania adresu (&) potrafi zw racać w yłącznic ad­ resy 16-bitowe. Aby pobrać pełny 24-bitowy adres, należy posłużyć się makrem p g m _ g et_ far_ ad d ress(zo r), gdzie var to nazw a zm iennej, do której chcem y uzyskać dostęp. Stąd też dostęp do zm iennej um ieszczonej pow yżej granicy 64 kB uzyskam y w następujący sposób: const char y PROSMEM - 20:

char yr-pgjn_read_byte_far(pgm_get_far_address(y)):

Wskazówka

W przypadku u ży cia fu n k cji z s u fik s e m _ f a r n ie w o ln o używ ać o p e ra to ra & — w yjąt­ k ie m od tej reguły je s t użycie a v r - g c c w w ersji 4 .7 i w yższej. W tej w ersji k o m p ila to ra o p e ra to r & z w ra c a 2 4 -b lto w y a d re s arg u m e n tu .

P r z e s y ła n ie d a n y c h p o m ię d z y p a m ię c ią F L A S H i S R A M Pokazane wcześniej makra umożliwiały odczyt danych o wielkości odpowiadającej jxxlstawowym typom zm iennych. W przypadku zm iennych o w iększej długości, np. łań­ cuchów tekstowych lub bloków danych binarnych, w ygodniej jest posługiwać się funk­ cjami przesyłania bloków pamięci. Funkcje te to odpow iedniki funkcji zdefiniow anych w bibliotece standardow ej, różnią się one od nich jedynie sufiksem _P I tak o dpo­ w iednikiem funkcji memepy jest menicpy P. a stre p y — s tr c p y P . Co w ażne, funkcje te są w sianie operować w yłącznie na pierwszych 64 kB pamięci FLASH. Jeśli przesyłany blok pamięci znajduje się powyżej lej granicy, należy stosow ać funkcje / sufiksem _PF.

252

Wskazówka

AVR. Praktyczne projekty

W przypadku w szystkich funkcji z tej grupy (niezależn ie od tego , czy p o sia d a ją o n e sufik s _P, czy _PF) a d re s docelow y kop iow anego bloku leży w o b rę b ie pierw szych 6 4 k B p a m ię c i S R A M . W m ik ro k o n tro le ra c h X M E G A , m o g ą cy ch p o s ia d a ć a ż 2 4 M B p a ­ m ię c i R A M , fu n k c je te n ie u m o ż liw ia ją pełnej a d re s a c ji p a m ię c i R A M .

Dla przykładu: aby skopiow ać łańcuch tekstowy znajdujący się w pam ięci FLA SH do zm iennej znajdującej się w SRA M . możem y posłuży ć się funkcją: const char PROGMEM ml[]="Otworz~: //Zmienna weFLslSH Char napi S[8]: //Miejsce na kopię »r SR.-IM s t rcpy_P( nap i s . ml): //Kopiowanie

D o s tę p d o F L A S H w k o m p ila to rz e avr-g cc 4 .7 i w y ższ y c h — n am ed a d d r e s s s p a c e s Uwaga

W szystkie inform acje zaw arte w tym podrozdziale dotyczą k o m p ila to ra a v r -g c c w w ersji 4 .7 .0 lub w yższej. W e w cześn ie jszy ch w ersja ch k o m p ila to ra p o k a za n e poniżej rozw ią­ z a n ia n ie b ę d ą d z ia ła ć .

W chwili pisania książki Atmcl Studio było dostarczane z avr-gcc w wersji 4.6.x, która nie wspiera rozszerzeń znanych jako nazwane przestrzenie adresowe (ang. N am ed address spaces). Skorzystanie z tych przykładów będzie w ym agało w łasnoręcznej kom pilacji kom pilatora (i jeg o patchow ania), m ożna tez spróbow ać skorzystać z dostępnych w er­ sji testow ych toolcham a firm y AtmelL K orzystanie z atrybutu progmem rozw iązuje problem um ieszczania danych w pamięci FL A SH m ikrokontrolera, lecz w ym aga użycia specjalnych funkcji um ożliw iających dostęp do tej pamięci (wcześniej opisanych makr z pliku pgmspacc.h). Jest to niewygodne i prow adzi do częstych błędów. Dla przykładu przeanalizujm y poniższy kod: rinclude in t mainO < const char *txt=PSTR(“To je s t w pamięci FLASH”): char znak=txt[0]: } Spodziew alibyśm y się. Ze zm ienna znak będzie zaw ierać kod litery ' T' — pierw szego znaku ciągu, na który w skazuje w skaźnik tx t. Nic bardziej mylnego. K om pilator nic nie wie o tym . że w skaźnik t x t w skazuje na pam ięć FLA SH , a m e SRA M . w efekcie generuje instrukcje odczytujące pam ięć SRAM Praw idłow o powyższy kod pow inien w yglądać następująco: 5 5 Być może w chwili, gdy czytasz tę książkę, dostępna jest już wersjo ioolchaina z pełnym wsparciem dla named address spaces.

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

253

F ln c lu d e const char *tx t-P S T R (” To J e s t w pamięci FLASH“ ) : i n t m ainO { ch a r znak-pgm read b y t e ( & t x t [ 0 ] ) :

) A by odczytać pam ięć w skazyw aną przez w skaźnik t x t . należy uZyć specjalnego m a­ kra pgm re a d b y te Jednak aby rozw iązać pokazany problem autom atycznie, twórcy języka C w ym yślili rozw iązanie, jak im są nazw ane przestrzenie adresowe. W skrócie: inform ują one kom pilator o tym . w jakim obszarze pamięci znajduje się zm ienna, do której się odw ołujem y w program ie. Dzięki tem u kom pilator moZe w ygenerow ać od­ pow iednie instrukcje, zależnie od obszaru zaw ierającego dan e, do których chcem y uzyskać dostęp. O becnie wsparcie dla nazw anych przestrzeni adresowych dla A V R je st dopiero w fazie testów , a jeg o funkcjonalność je st dostępna, począw szy od gcc w w ersji 4.7.0. D efi­ niując zm ienną, należy określić, w jakim obszarze pamięci się ona znajduje. Jeśli tego nie zrobim y, kom pilator przyjm ie, że zm ienna w skazuje n a obszar pam ięci SRAM m ikrokontrolera lub się w nim znajduje. Aby w skazyw ała ona na pam ięć FLA SH . należy do definicji zm iennej dodać s u f ik s __fla s h (sufiks poprzedzony jest dw om a znakam i podkreślenia), np.: const char __fla s h * t x t :

Powyższa lima definiuje w skaźnik na typ c h a r. wskazując)' na obszar pam ięci FLASH. N azw ane przestrzenie adresow e rozw iązują też problem dostępu do adresów leżących powyżej granicy 64 kB za pom ocą 16-bitowego w skaźnika. W tym celu zdefiniow ane zostały dodatkow e przestrzenie adresow e, które odpow iad ają sekcjom program u o na­ zwach .p rogm em X .da ta. gdzie X to num er sekcji6 W efekcie poszczególne przestrzenie odpow iadają następującym sekcjom ♦ __fl ash — sekcja .progm em .data — odpowiadająca adresom 0x0000 - 0x0FFFF, ♦ __f 1a s h l — sekcja . p ro g m e m l.d a ta — odpowiadająca adresom 0 x 1 0 0 0 0 - 0xlFFFF. ♦ __f 1ash2 — sekcja . progmem2. d a ta — odpowiadająca adresom 0x20000 - 0x2FFFF. ♦ __f 1ash3 — sekcja . progmem3. d a ta — odpowiadająca adresom 0x30000 - 0x3FFFF; ♦ __f 1ash4 — sekcja . progm em 4.data — odpowiadająca adresom 0 x 4 0 0 0 0 - 0x4FFFF. ♦ __f 1ash5 — sekcja . progm em 5.data — odpowiadająca adresom 0x50000 - 0x5FFFF. Próba odw ołania się do sekcji zw iązanej z adresam i FLA SH niedostępnym i w danym modelu A W spowoduje wystąpienie błędu. I tak dla X M LGA128A1, który posiada ..tyl­ ko” 128 kB FLA SH , odw ołanie się do p rzestrzen i__flash 3 i w yższych spowoduje błąd: E rro r

1

v a ria b le

t x t 3 ‘ uses address space '__flash3* beyond fla s h o f *atxmegal28ar

<( S z c z e g ó łó w dotyczą cych sekcji program u d o w ie sz się z k sią żki Język C dla m ikrokontrolerów . U li. O d

podstaw do zaawansowanych aplikacji.

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

24c: 24e:

80 81 80 93 02 20

Id s ts

255

r24. Z 0x2002. r24

W skaźnik p tr jest wskaźnikiem w domyślnej przestrzeni adresow ej, w elekcie jego dereferencja pow oduje odczyt pamięci SRAM. Pokazana definicja wskaźnika tx t pow oduje, Ze co prawda wskazuje on na pamięć FLASH, lecz sam wskaźnik znajduje się w pamięci SRAM mikrokontrolera. Takie zachowanie jest pożądane, jeśli wskaźnik jest w programie zmieniany i w efekcie wska­ zuje na różne obszary pamięci FLASII Jeśli jednak przez cały czas życia programu wskazuje on na to samo m iejsce, to lepiej go umieścić w pam ięci FLASH. const char __fla s h * const __fla s h t x t :

Powyższa linia definiuje wskaźnik znajdujący się w p rz e strze n i__fla sh . wskazujący na dane leżące w lej samej przestrzeni Ponieważ dane i sam wskaźnik me mogą ulegać zm ianie (są stałym i), w ym agane jest zdefiniow anie zarów no sam ego w skaźnika, jak i wskazywanych przez niego danych z użyciem modyfikatora const — stąd też wystę­ puj e on w powyższej definicji dwukrotnie. Oczywiście pow yższa definicja ma nie­ wielki sens — skoro wskaźnik nie może się zmieniać, a nie przypisaliśmy mu wartości początkowej, to jest on bezużyteczny, o czym informuje nas kompilator: Warning

l

u n lm tta U z e d var1able * t x t ' pot in to program nemory area [-W u n ln ltla llz e d ]

Spróbujmy go w ięc zainicjow ać tak. aby wskazywał np na łańcuch tekstowy. Jak pamię­ tamy z poprzednich podrozdziałów, aby łańcuch został umieszczony w pamięci FLASH, musimy użyć specjalnej makrodelinicji PSTR Podobnie musimy postąpić, wykorzystując przestrzenie adresowe. W tym celu dla ułatwienia warto sobie stworzyć odpowiednie m akro (analogiczne do PSTR) frdefine PGM_$TR<)() ((c o n s t

fla s h c h a r t]) { X })

Powyższe makro w ykorzystuje rozszerzenie w ystępujące w standardzie C99 — tzw. literały złożone (ang com poundliterak) Zc względu na wygodę ich użycia warto się tm przyjrzeć nieco bliżej

L ite ra ły zło żo n e Literały złożone um ożliw iają utworzenie tym czasow ego obiektu o wskazanym typie i czasie życia zależnym od bloku, w którym taka definicja się znajduje. Semantycznie literały złożone definiuje się poprzez określenie typu oraz um ieszczenie w nawiasach klamrowych wartości początkowych obiektu: char z l= (c h a r) { 1 } :

Powyższe polecenie twrorzy literał złożony o typie char i przypisuje jego w artość zmiennej z l. W ydawać by się mogło, żc sens ich istnienia jest niew ielki, skoro prościej napisać po prostu char z l= l;. W tym przypadku istotnie tak jest. lecz ju z w poniższym przy­ kładzie: s tr u c t l i t in t x:

256

AVR. Praktyczne projekty

in t y :

}: votd t e s t{ s tr u c t l i t x ) :

użycie literału złożonego ułatwia nam utworzenie tymczasowego obiektu bodącego argumentem funkcji te s t: t e s t ( ( s t r u c t 1lt ) { 1 0 . 2 0 } ) :

Jak widzimy, struktura l i t została utworzona w czasie wywołania funkcji. W efekcie udało się uniknąć niepotrzebnego tworzenia zmiennej tymczasowej, która posłużyłaby wyłącznie do przekazania wartości argumentu funkcji t e s t Powyższy przykład łatwo jest zamienić na kod mewy korzy stująey literałów złożonych, lecz ułatwiają one tworzenie także innych konstrukcji, takich jak pokazane wcześniej m akro P6M STR Wiemy już. w jaki sposób powyższe makro działa, warto w ięc wrócić do problemu, jakim jest umieszczenie łańcuchów znakowych w pamięci FLASH. W tym celu w y­ starczy zdefiniować odpow iedni wskaźnik i przypisać mu adres utworzonego literału mieszanego: const char _ f l a s h * const __fIa s h t x t - PGH_STR("Test"):

Tym razem utworzyliśmy i zainicjowaliśmy w skaźnik tx t. przy czym zarówno wskaźnik, jak i wskazywana przez niego wartość znajdują się w pamięci FLASH.

Wskazówka

W a żne je s t, ab y zarów no w d e fin icji w sk a źn ik a , ja k i w po k aza n y m m a krze P6M STR użyte z o sta ły te s a m e p rze strze n ie ad reso w e.

Powyższe makro umieszcza łańcuch w przestrzeni_fla s h . jeśli zdefiniujemy wskaźnik na m ną przestrzeli, konstrukcja taka zakończy się błędem: const c h a r __fla s h l * const __fla s h t x t = PGM_STRC'Test“ ) : E rro r 1 i n i t i a l i z e r elenent is not ccmputable a t łoad tim e

W arto jednak podkreślić, ze sam wskaźnik może leżeć w innej przestrzeni adresow ej niż wskazywany przez niego łańcuch, stąd konstrukcja const char __fla s h * const __fla s h l t x t - PGM_STR('Test“ ) :

jest poprawna i prowadzi do zdefiniowania wskaźnika wskazującego na łańcuch leżący w przestrzeni _ f la s h , przy czym sam wskaźnik znajdzie się w przestrzeni _ f l a s h l W podobny sposób możemy zdefiniować tablicę w skaźników na łańcuchy tekstowe: const

f 1ash char * const

fla s h tbl[]=(P G M _S TR rcpen"). FGM_STR(” Close">.

PGM_$TRrNełT)}: Jednak makro PGM STR nic działa, jeśli umieścimy je wewnątrz funkcji. Co wtedy? W ta­ kim przypadku możemy użyć znanego nam ju ż makra PSTR, którego definicja wygląda tak jak poniżej (jest ono definiow ane w nagłówku pgm.space.hy. t d e fin e PSTR(s) ((c o n s t PROCHEM char * ) ( s ) )

Rozdział 8. ♦ Kontroler NVM — jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

257

Z kolei m akro PSTR nie działa poza ciałem funkcji. W ynika lo z pew nego przeoczenia w standardzie języka C. dotyczącego rozszerzeń związanych z przestrzeniami adresowy­ mi. Jednak dla programisty waZne jest. Ze oba m akra nieco inaczej definiują dostęp do literału M akro PSTR sprow adza się do definicji c o n s t c h a r *s , podczas gdy makro PGM STR definiuje wynik jak o c h a r s [ ] Tak więc różnica pom iędzy obom a makrami sprow adza się do różnicy pom iędzy następującym i definicjami: char * t x t = “ T e s t": char t x t [ ] = ’ T e s t":

Pierwsza definiuje wskaźnik wskazujący na nienazwaną tablicę, druga definiuje tablicę o typie c h a r. O ile różnica pom iędzy nimi je st subtelna, to w praktyce ze względu na standard języka C sprowadza się do jednego — makra PSTR n ie można stosow ać poza funkcją, natom iast m akro PGM STR nic m oże być stosow ane w ew nątrz funkcji Podobnie w pamięci FLASH możemy umieszczać np tablico (umieszczanie w niej typów prostych ma niewielki sens. gdyż ten sam efekt uzyskamy, nie korzystając z przestrzeni nazw w ogóle). I tak: const Int _f1ash val[] = (123 . 234 . 345}: spowoduje umieszczenie tablicy val w pamięci FLASH związanej z przestrzenią_fla s h W arto dodać, żc odw ołanie się do elem entów takiej tablicy w w ielu przypadkach nic generuje żadnego kodu — wiedząc, że pow yższa tablica zaw iera elem enty będące stałymi, kompilator po prostu zastępuje odwołania do poszczególnych elementów stałymi znanymi w czasie kompilacji Tablica taka nie zajmuje cennej pamięci SRAM, a dostęp do niej jest szybszy.

P rz e s trz e ń a d r e s o w a __m e m x Ostatnią przestrzenią adresową jest przestrzeli _menix Unifikuje ona dostęp do pamięci FLASH i SRAM m ikrokontrolera, znacznie ułatw iając program ow anie Przestrzeli ta w ykorzystuje 24-bitowe wskaźniki o specjalnej „konstrukcji**. N ajstarszy bit takiego wskaźnika określa typ pamięci, do której się on odwołuje. Jeśli jego w artość wynosi o, to wskaźnik (pozostałe 23 bity) określa adres w obrębie pam ięci FLA SH , natomiast jeśli bil ten m a wartość l, to najm łodsze 16 bitów określa adres w obrębie pamięci SRAM Stąd tez funkcja: char g e t_ ch a r(co n st _m «nx char * p t r )

{ re tu rn * p t r :

1 zw róci poprawny rezultat, niezależnie od tego. czy w skaźnik p t r będzie w skazyw ał na dane w pam ięci FLA SH , czy SRAM Poniew aż za pom ocą takiego wskaźnika można zaadresować cały obszar FLASH, nic ma potrzeby wydzielania w nim odrębnych przestrzeni adresowych po 64 kB Dzięki temu w skaźniki lego typu nic są w rażliw e na problemy związane z przekraczaniem granicy 64 kB Jednak cen ą za uniwersalność jest znacznie dłuższy kod (konieczność sprawdzenia, czy wskaźnik odwołuje się do SRAM. czy FL A SH ) oraz w ykorzystanie w celu dostępu do FLASH dłuższej instrukcji ELPM.

258

AVR. Praktyczne projekty

W ykorzystując pokazaną wcześniej funkcję g e t c h a r . możemy się łatwo przekonać, jak uniwersalnym narzędziem jest wykorzystanie przestrzeni__ memx: const char _nem x *txt» PSTRCtest"): //Łańcuch znajdzie się ir pamięci FLASH znak-get_char ( t x t ) : //Zostanie poprawnie odczytany kod litery Y t x t - ‘ w5kazm ka": //Teraz wskaźnik wskazuje na literał w pamięci SR.LM z n a k -g e t_ c h a r(tx t) : //Ponownieprmridłowo zostanie odczytań)'kod litery V

Jak widzimy, dzięki _ m etn x nie musimy tworzyć oddzielnych funkcji operujących na pa­ mięci FLASH lub SRAM. co znacznie upraszcza kod. umożliwia także uniknięcie wielu błędów.

Typy 24-bitow e P o n iż s z e przykłady d zia ła ją w yłączn ie w k o m p ila to rze a v r - g c c 4 .7 lub now szym . Wskazówka

K onsekwencją używania pokazanych wcześniej 24-bitowych wskaźników o atrybucie _memx jest konieczność stworzenia 24-bitowcj arytmetyki. To z kolei umożliwia uogól­ nienie nowych typów na 24-bitowe typy całkowite: ♦ _uint24 — 24-bilowy typ całkowity, bez znaku; ♦ __int24 — 24-bitowy typ całkowity ze znakiem Typy te warto wykorzystywać wszędzie tam. gdzie klasyczne typy 16-bitowc są zbyt mało pojemne, a zastosowanie typu 32-bitowego byłoby marnotrawstwem. Zakres typu _uint24 to od 0 do 16777215. a typu _ i n t 2 4 — od -8388608 do 8388607.

Rozdział 9.

Potrzebuję więcej mocy — słów kilka o konfiguracji zegara W m ikrokontrolerach X M EG A znacznie rozszerzono m ożliw ości konfiguracji zegara taktującego poszczególne podsystem y procesora. Tak jak w poprzednich m ikrokon­ trolerach AVR mamy do dyspozycji wewnętrzny generator R C o częstotliwości 2 M Hz oraz m ożliw ość podłączenia zew nętrznego kwarcu, kwarcu zegarkow ego (32 768 Hz) lub rezonatora ceram icznego Tak sam o jak w poprzednich m odelach możem y także podać na odpowiednie wejście (ATM/./) gotowy przebieg zegarowy. To, co uległo zm ia­ nie. to dodanie układu PLI. m nożącego w ybrany zegar przez podaną w artość (w z a ­ kresie 1 - 31). rozszerzono także możliwość podziału zegara za pom ocą w budow a­ nych preskakrów M ożliwość mnożenia i dzielenia zegara pow oduje, że program ista może programowo, w trakcie działania procesora, zmieniać częstotliwość zegara taktu­ jącego w szerokich granicach Taka możliwość istniała także w poprzednich modelach A V R. lecz w X M EGA m ożliw ości konfiguracji są bardziej elastyczne, a pew ne pod­ systemy. m in interfejs pam ięci zew nętrznej i tunery, m ogą pracow ać z w yższą czę­ stotliw ością niż rdzeń CPU. W efekcie możemy połączyć energooszczędność z brakiem ograniczeń zw iązanych z np. zm niejszoną rozdzielczością licznika/tim cra. Co bardzo istotne, poprawiono także stabilność w ewnętrznego generatora RC. w efek­ cie procesory X M EG A nie potrzebują zew nętrznego kw arcu do uzyskania sta­ bilnej częstotliwości wym aganej dla popraw ncj pracy układu USART Dzięki temu procesor bez problemu m oże w ym ieniać dane z kom puterem poprzez interfejs RS232 i pochodne przy taktow aniu z w ew nętrznego generatora. Praca taka. jakkolw iek moż­ liwa, była niezalecana w e wcześniejszych m odelach AVR Podobnie w ykorzystując niektóre tryby pracy interfejsu USB. w który w yposażone s ą niektóre XM EGA, nic musim y stosować zew nętrznego kwarcu. Jednak w stosunku do generatorów RC sto­ sowanych w poprzednich AVR-ach w XMEGA generator len cechuje się nieco większym jiite re m . w efekcie w takich zastosow aniach ja k np generow anie obrazu w ideo m u­ simy użyć zew nętrznego rezonatora kwarcowego.

AVR. Praktyczne projekty

260

Bardzo istotną zm ianą jest także zmiana sposobu wyboru zegara taktującego. Użytkow­ nikom procesorów AVR z pewnością znane są problemy z wyborem zegara w poprzed­ nich modelach — nieprawidłowe ustawienie bilów konfiguracyjnych (tzw fusebitów) powodowało, że procesor mógł zostać zablokowany, gdyż próbow ał startować z wy­ branym nieprawidłowym (nieistniejącym) źródłem zegara. Ratunkiem w takiej sytuacji było podanie zew nętrznego przebiegu zegarowego. W XM RGA ten problem rozwią­ zano w bardzo eleganeki sposób — procesory tc zawsze startują, korzystając z w e­ wnętrznego zegara o częstotliwości 2 MHz. a za konfigurację zegara odpowiedzialny jest sam program. Dzięki temu nie trzeba ju ż ustawiać bitów konfigurujących zegar, przez co zyskano w iększą elastyczność i wyeliminowano potencjalne źródło proble­ mów W przypadku niepraw idłow o ustaw ionego zegara procesor zawsze będzie moż­ na przeprogramować. Dodatkowo dodano układy nadzorujące pracę niektórych oscylatorów, dzięki czemu w przypadku ich awarii procesor przełącza się na inne źródło przebiegu zegarowego, a awaria jest sygnalizowana poprzez zgłoszenie specjalnego przerwania nicmaskowałncgo. Niestety jak to zw ykle bywa. za laką elastyczność musimy zapłacić pew ną cenę. Jest m ą zdecydowanie bardziej rozbudowany zestaw rejestrówr odpowiedzialnych za kon­ figurację układu zegarowego. W rozdziale tym szeroko opisano konfigurację układów zegarowych procesora. W pierwszej jeg o części pokazano nieco teorii i ogólną charakterystykę różnych źródeł zegara, w drugiej — przykłady jego programowej konfiguracji. Czytelnicy chcący od razu przejść ..do czynu” m ogą zacząć czytanie tego rozdziału od połowy. W arto zauważyć, ze w w ielu przypadkach zupełnie nie m a potrzeby zm ieniać d o m yśl­ nych ustaw ień zegara (czyli wewnętrzny generator R C 2 MHz). W ię k szo ść przykładów z tej k s ią ż k i b azuje na tym d o m y śln y m u s ta w ie n iu , co je s t zu p e łn ie w ysta rcza ją ce .

R e je stry k o n tro ln e zeg arów Dosyć nietypowo, zanim przejdziemy do om awiania rodzajów oscylatorów występu­ jących w XM EGA, zaczniemy od omówienia ich rejestrów' kontrolnych. Ułatwi to zrozum ienie kodu zaprezentowanego w dalszej części rozdziału. XMKGA dysponuje kilkoma generatorami zegara, każdy z m eh można włączyć poprzez ustawienie odpowiadającego mu bitu zezwolenia w rejestrze kontrolnym CTRL (ang. O scilh to r Contro! Register). jest on zdefiniowany w strukturze OSC jako OSC.CTRL Jego cztery najmłodsze bity urucham iają odpow iednio ♦ bit nr 0 — wewnętrzny generator RC o częstotliwości 2 MI Iz (stała 0SC_RC2MEN_bai), ♦ bit nr 1 — wewnętrzny generator RC o częstotliwości 32 M H z (stała 0SC_RC32MEH_bm).

Rozdział 9. ♦ Potrzebuję więcej mocy — słów kilka o konfiguracji zegara

261

♦ bit nr 2 — wewnętrzny generator RC o częstotliwości 32 ki Iz (stała 0SC_RC22KEN_bm), ♦ bit nr 3 — zewnętrzny generator kwarcowy o częstotliw ości 0 - 1 6 M Hz (stała 0SC_X0SCEN_bm).

Wskazówka

Z a w sze m u s i być o d b lo ko w a n e przynajm niej je d n o źródło sygn ału zegarow ego, po sta rc ie m ikrokontrolera odblokow any je s t w yłącznie w ew nętrzny gen erator RC 2 MHz.

Rejestr ten posiada także piąty bit. którego ustawienie urucham ia układ PLL (stała 0SC_PLLEN_bni). Zanim jednak PLL uruchomimy, musimy go odpowiednio skonfiguro­ wać, co zostanie opisane w dalszej części rozdziału. Aby uruchom ić pożądany przez nas generator, wystarcz)' ustawić odpow iadający mu bit rejestru kontrolnego: 05C .C 7 R L

=

0SC_RC32H£M_bm:

/ / Włączwewnętrznygenerator R C 3 2 M Hz

Jak widać, jednocześnie można uruchom ić jeden lub więcej generatorów. Dom yślnie procesor startuje z uruchom ionym w ew nętrznym generatorem RC o częstotliw ości 2 M Hz. stąd też domyślna wartość OSC.CTRL wynosi 0SC_RC2MEN_bm. czyli 1. Zanim oscylacje danego generatora się ustabilizują i będzie on mógł być w ykorzystany do taktowania procesora lub pętli PLL. mija pewien czas. zależny od budowy generatora. G otow ość do pracy danego generatora sygnalizuje ustaw iony odpow iadający mu bit rejestru STATUS (ang. O sciłła to rS ta tu s Register) — w strukturze OSC.STATUS. K olej­ ność bitów tego rejestni odpow iada kolejności bitów rejestru kontrolnego, do bada­ nia stanu tego rejestru możemy posłużyć się stałymi, które um ożliw iają odblokowanie danego generatora, lub predefiniowanymi stałymi 0SC_RC2MRDY bm, 0SC_RC32MRDY_bm, 0$C _R C 32K R D Y _bm ł O SC JK O SC R D Y_bm i (>SCJ>LLRDY_bm W powyższym przykładzie włączony został wew nętrzny generator RC o częstotliw ości 32 MI Iz, z a ­ nim jednak będzie m ożna z niego skorzystać, musimy poczekać na ustabilizowanie się jego oscylacji, co możemy osiągnąć w następując)' sposób: fc łiile

( 1(OSC .STATUS A OSC_RC32MRDY_btn>):

/ / Czekaj na ustabilizowanie się generatora

Powyższy kod jest prosty, lecz posiada pew ną w adę — jeśli w ystartowanie w ybrane­ go oscylatora będzie niemożliwe (np ze względu na brak lub uszkodzenie kw arcu), to program będzie czekał w nieskończonej pętli, spraw iając wrażenie, jakby procesor nie działał poprawnie. Stąd też warto powyższy kod w zbogacić o m ożliw ość przerwania, je ś li w zadanym czasie badany oscylator nie wystartował bool m i e n()

{

OSC.CTRL = OSC_XOSCEN_bai: /AWączzewnętrznygenerairtrkwarcowy u in t8 _ t czas=255: wh i Ie ( ( 1(OSC. STATUS & OSC_XOSCRDY_bm)) && ( -- c z a s )) / / Czekaj na ustabilizowanie się

/ / generatora

delayjns(l): re tu rn czas:

ł

//Jatse. jeśli generator w e wystartował, tnie. jeśli jest OK

262

AVR. Praktyczne projekty

Powyższy kod odblokowuje oscylator kwarcowy (przykład ten znajduje się w katalo­ gu Przyklady/OSC/OSCSel) i jeśli nic uda się uzyskać oscylacji w ciągu 255 m s (co sygnalizuje flaga 0SC_X0SCRDY_bm). to funkcja zwraca wartość fa ls e . w przeciwnym razie zwracana jest wartość true. W artość ta może być w ykorzystana w dalszej części programu do wyboru alternatywnego źródła zegara lub sygnalizacji błędu Zewnętrzny generator kwarcowy, podobnie jak PLL. w ym aga przed włączeniem do­ datkowej konfiguracji, która zostanie pokazana w dalszej części rozdziału

Wskazówki

Aby p ro c e so r fu nkcjo n ow ał pop raw nie, m u si być w łączon y przynajm niej je d e n o scy ­ lator. Z drugiej stro n y każdy w łączony o sc y la to r p o b ie ra n ie w ie lk ą ilo ś ć prądu, stą d te ż w a p lik a c ja c h , w których p o b ie ra n a m o c m a zn a cze n ie , n a le ży d o b rze przem y­ ś le ć , co b ę d zie źródłem ze g a ra d la p ro ce so ra .

N ależy pam iętać, że w iększa częstotliw ość przebiegu ta k tu ją c e g o z je d n e j strony przyśpiesza w ykonyw anie p ro g ra m u , z drugiej je d n a k w iqżc się ze zw iększonym poborem p rą d u . W trakcie normalnej pracy możemy przełączać źródła zegara, m o­ żemy także włączać i wyłączać poszczególne oscylatory w zależności od potrzeb pro­ gramu

K o n fig u ra cja ze g a ra Jak wspomniano, konfiguracja układu zegarowego XMEGA jest stosunkowo zawiła (stąd tez została omówiona dopiero w tej części książki). Lecz nawet błędne skonfigu­ rowanie zegara mc stwarza jakichkolw iek problemów — wystarcz)' popraw ić błędny fragment programu Niezależnie od tego. jak skonfigurujemy procesor, nic da się go w ten sposób ani zablokow ać, ani uszkodzić Stanowi to istotną zaletę w stosunku do innych mikrokontrolerów AVR. Jest też druga dobra w iadom ość — jeśli domyślna konfiguracja i taktow anie proeesora częstotliw ością 2 MI Iz je st wystarczające (w ięk­ szość przykładów z tej książki bazuje na tym zegarze), to całą konfigurację możemy pominąć — procesor pod tym względem jest gotowy do pracy. Jeśli jednak domyślna konfiguracja jest niewystarczająca, to możemy ją w każdej chwili zmienić. Zmiany takie przeprow adza się w kilku etapach: ♦ uruchomienie i ew entualnie konfiguracja wybranego generatora zegarowego, ♦ konfiguracja układu PLL i prcskalcrów zegara. ♦ wybranie źródłu zegara dla CPU i innych układów peryferyjnych. Większość układów peiyferyjnych (z wyjątkiem np układu RTC) jest taktowana z tego samego źródła zegara co CPU. Jedyna różnica polega na tym. że część układów pery­ feryjnych (m in. rozszerzenie AW EX, interfejs EBI) m ogą pracować z częstotliwością wyższą niz CPU (odpow iednio 4 łub 2 razy). Pracę taką umożliwia odpowiednia konfi­ guracja prcskalcrów Ii i C zegara.

Rozdział 9. ♦ Potrzebuję więcej mocy — słów kilka o konfiguracji zegara

263

Źródła zegara XMEGA posiada kilka różnych, wbudowanych źjódel sygnału zegarowego, które m ogą być w ykorzystywane do taktowania różnych podsystem ów procesora Dzięki temu programowo można dobrać źródło sygnału zegarow ego najlepiej odpowiadające aplikacji W przypadku aplikacji, dla których kluczowy je st niski pobór energii, mo­ żemy skorzystać z zegara o niskiej częstotliwości i dokładności, ale za to pobierającego do swojego działania mało energii. Jeśli dokładność jest dla nas istotna, możemy w y­ brać układ zegarowy, który cechuje się nieco wyższym poborem energii, ale zapewnia w iększą dokładność. Tylko aplikacje wymagające w yjątkow o stabilnego zegara będą wymagały podłączenia zew nętrznego kwarcu. W elekcie cały układ elektroniczny nam się upraszcza, a jego budowa staje się tańsza.

Wskazówka

Pam iętaj, aby niepotrzebnie n ie podłączać zew nętrznego kwarcu. Tylko nieliczne ap li­ kacje, w ym a g a jące b a rd zo precyzyjnego o d m ie rza n ia c z a s u , b ę d ą go w ym agały.

Jeśli więc budujesz układ wymieniający dane po RS232, 1-wire, dokładność wewnętrz­ nego generatora RC będzie dla Ciebie zupełnie wystarczająca. Jeśli jednak w budo­ wanym układzie potrzebna jest funkcja zegara czasu rzeczywistego (RTC). to zastoso­ wany zewnętrzny kwarc zegarkowy (32 76X H z) możemy w ykorzystać do kalibracji wewnętrznych generatorów'. Zadanie to automatycznie realizuje omówiony w dalszej części układ DFLL. Zobaczmy w ięc. jakie źródła zegara mamy do dyspozycji w XM EGA.

G e n e ra to r 3 2 k H z o u ltra n is k im p o b o rze m o c y Jest to wbudowany generator, który generuje przebieg o częstotliw ości ok. 32 ki Iz lub 1 kHz (po wykorzystaniu preskalera o stopniu podziału 32). o niezbyt dużej dokładności, lecz za to zużywa on minimalną ilość energii (typowo I pA). Nie wymaga podłączenia jakichkolw iek elementów zewnętrznych i jest automatycznie uruchamiany w sytuacji, w której wybierzemy go jako źródło zegara dla danego podsystem u Jest to szczegól­ nie interesujący generator dla aplikacji, które przez większość czasu nie wymagają dużej mocy obliczeniowej ani stabilnego taktowania, a dla których kluczowa jest mi­ nimalizacja poboru energii. G enerator ten może być źródłem zegara dla CPU oraz układu RTC i jest uruchamiany automatycznie, jeśli procesor lub RTC z niego korzystają.

W e w n ę trzn y g e n e ra to r 3 2 7 6 8 Hz Jest to też generator RC niewymagający jakichkolwiek elementów zewnętrznych, któiy może być wykorzystywany do taktowania wszystkich podsystemów procesora. Cechuje się on znacznie w iększą stabilnością niż poprzedni generator (±0,5%). jednak jest to okupione nieco większym poborem energii (30 pA). Generator ten jest fabrycznie prekahbrowany, jeśli zajdzie taka potrzeba, można go także kalibrować programowo W tym celu posiada rejestr kalibracyjny, któiy można w ykorzystać do zmiany w pewnym przedziale częstotliwości jego pracy. Generator ten możemy uruchomić w następujący sposób:

264

AVR. Praktyczne projekty

bool RS32fc_en() < OSC.CTRL | - 0$C_RC32KEN_bn: //Włącz generator S2k UU* re tu rn OSC_walt_for_rdy(OSC RC32KEN_fc> && ( - - c z a s ) ) //C zekaj na ustabilizowanie stę generatora _će Iay_«is(1): re tu rn c z a s : //Jalse. jeśli generator me wystartował, tm e.jeśltje st OK

) Jeśli oscylacje nic ustabilizują sic w ciągu 255 ms. funkcja zw raca fa ls e . Funkcja OSC w ait fo r rdy w ykorzystuje fakt. Ze m aska bitowa zw iązana z włączeniem w y­ branego oscylatora pokrywa się z m aską bitową w rejestrze zawierającym stan wybra­ nego oscylatora Stąd tez tę sam ą definicję można w ykorzystać i do uruchomienia oscylatora, i do sprawdzenia jego stanu.

G e n e ra to r R C 3 2 M H z Jest to generator generujący przebieg o częstotliwości 32 MI Iz, którego dokładność można regulować za pom ocą cyfrowej pętli sprzężenia (D FLL). Pobiera on znacząco większy prąd (ok. 395 jliA). a jego dokładność mieści się w granicach ±1,5% . Posiada on własny rejestr kalibracyjny umożliwiający dosyć precyzyjną regulację częstotliwości M ożemy go uruchomić w następujący sposób bool RC32M_en(> { OSC.CTRL 1= OSC RC32MEN_bri: //Włącz generator RC 32 A1Hz return OSC wait for_rdy?0SC RC32HEN fc
WsJuiówb

Jeśli generator ten służy Jako źródło przebiegu zegarowego dla PLL, to jego często­ tliwość je st automatycznie dzielona przez 4, w efekcie na wejście układu PLL trafia przebieg o częstotliwości 8 MHz. W ykorzystując układ D FLL, możemy zw iększyć dokładność tego zegara do poniżej

0,2% . G e n e ra to r R C 2 M H z Jest to podstawowy generator przebiegu zegarow ego, dom yślnie wykorzystywany do taktowania CPU po rcsecic Zużyw a on około 120 pA . a je g o fabryczna dokładność mieści się w granicach ±1,5%. Posiada on rejestr kalibracyjny umożliwiający jego kalibrację. Podobnie jak w przypadku generatora RC 32 M H z w artość kalibracyjna jest do niego ładowana w czasie resetu procesora, wartość tę możem y także zmieniać

Rozdział 9. ♦ Potrzebuję więcej mocy — słów kilka o konfiguracji zegara

265

z poziom u aplikacji. Jego uruchom ienie nie je st w ym agane, gdyż je st on dom yślnie w łączony. W każdej chw ili m ożem y go w yłączyć i pon o w n ie w łączy ć p o p rzez w p i­ sanie stałej 0SC_RC2MEN_bm do rejestru OSC.CTRL.

Wskazówka

Je d n a k aby go w yłączyć, m u sim y n a jp ie rw w łączyć inny g e n e ra to r i sk o n fig u ro w a ć p ro c e so r ta k , ab y z te g o now ego g e n e ra to ra korzy sta ł. N ie j e s t m o żliw e w yłą cze n ie g e n e ra to ra b ę d ą c e g o źródłem p rze b ieg u ze g a ro w e g o ta k tu ją c e g o p ro ce so r.

Z e w n ę trz n e g e n e ra to ry z e g a ro w e Oprócz wewnętrznych generatorów RC XMEGA umożliwia także podłączenie zewnętrz­ nych generatorów, najczęściej kwarcowych, umożliwiających uzyskanie o wiele sta­ bilniejszego przebiegu zegarow ego W w iększości przypadków ich użycie nie jest ko­ nieczne. przydają się one w yłącznie w aplikacjach precyzyjnie odm ierzających czas lub korzystających z interfejsów asynchronicznych o dużej prędkości. Specyficznym pow odem zastosow ania generatora kw arcow ego jest uniknięcie jitlcru zw iązanego z w ew nętrznym i generatorami RC Zjaw isko to powoduje, że poszczególne okresy generatora losowo zm ieniają się w zakresie kilku, kilkunastu ns, pomimo ze długo­ okresowa stabilność przebiegu jest całkiem niezła. Zjaw isko jittcni może czasami przeszkadzać, lecz są to sytuacje wyjątkowe W procesorach dysponujących interfej­ sem USB zew nętrzne generatory kw arcow e są niezbędne d la uzyskania najw yższych szybkości działania tego interfejsu. Dla trybów o niższej szybkości wystarczający jest wewnętrzny generator RC.

Wikarówka

S zczeg óln ie o so b y w cześniej korzystające z Innych rodzin AVR powinny zw rócić uwagę n a to. ze w zn a k o m ite j w ię k s z o ś c i przypadków u ży cie ze w n ę trzn e g o kw a rcu dla X M E G A m e je s t potrzebne.

G enerator kwarcow y

Podobnie jak inne procesory AVR, także mikrokontrolery XMRGA oferują możliwość przyłączenia zew nętrznego kwarcu. Dzięki temu uzyskujemy maksymalną, łatwo do­ stępną w waninkach amatorskich stabilność częstotliwości zegara. Zewnętrzny kwarc podłączamy do wy prowadzeń XTA L I \ X T A L 2 m ikrokontrolera (tzw. kw arce zegar­ kowe należy podłączyć do wyprowadzeń TOSC1 i TOSC2+ co zostanie dokładniej om ówione w dalszej części). W niektórych m ikrokontrolerach wyprow adzenia AT. 1/. i TOSC są w yprow adzone łącznic, to znaczy, zc jednocześnie możemy użyć tylko jednego rodzaju kwarcu.

Wskazówka

P a m ię ta j, że p o m im o iż m a k s y m a ln a c z ę s to tliw o ś ć pracy X M E G A w yn o si 3 2 M H z, do w yp row ad zeń XTAL1 i XTAL2 m o że m y p o d łą czyć kw arc o m a k s y m a ln e j c z ę s to ­ tliw o ś c i 1 6 M H z. W yższą c z ę s to tliw o ś ć ta k to w a n ia m o żn a u z y s k a ć , s to s u ją c PLL.

K w arce o w yższych częstotliwościach są zwykle kwarcami overłono%vymi, to znaczy. Ze wyższa częstotliw ość oscylacji jest uzyskiwana poprzez w zbudzenie kwarcu do oscylacji na wyższej harmonicznej (np. 2. 3 itd.). Wymaga to specjalnie zaprojektowanego

266

AVR. Praktyczne projekty

generatora kwarcowego. W efekcie podłączenie takiego kw arcu do procesora X M EGA zazw yczaj prow adzi do jego w zb u d zen ia się na częstotliw ości po d staw o w ej, a nic ovcrtonow cj i p ra c y n a niższej częstotliw ości. Ze w zględu na istnienie układu PLL oraz preskalerów zegara mamy możliwość wyko­ rzystania kwarców o szerokim zakresie częstotliwości. Pożądaną częstotliwość taktowania CPU można uzyskać poprzez mnożenie w układzie PLL i podział w układzie preskalera częstotliwości użytego kwarcu.

Wikarówka

Pam iętajm y, ze w w ielu przypadkach o prócz kw arcu potrzebne s ą także kondensatory (rysunek 9.1). Częstym błędem o só b początkujących je s t ich pom ijanie — w zależn o ­ ś c i od m o d e lu użytego kw arcu i s p o s o b u je g o p o d łą cze n ia u k ła d ta k i m o że d zia ła ć, le cz nie m u si i n ie j e s t zaleca n y. W a rto ść użytych k o n d e n sa to ró w zależy od użytego kw a rcu i zazw yczaj m ie ś c i s ię w p rze d zia le 6 - 1 5 pF.

PDI-CLK/RE

R y s u n e k 9 .1 .

Pod/ączenic zewnętrznego kwarcu do mikrokontrolera. Pamiętajmy, ahy podłącZ) ć także dwa kondensatory pomiędzy piny ATAL a masę — nie zajmują one dużo miejsca, nie są tez drogie, a mogą nam zaoszczędzić wielu kłopotów

PR0(XTAL2) PR1(XTAL1)

W artość takich kondensatorów mozc być dobrana eksperym entalnie, można ją także wyliczyć, znając parametry użytego kwarcu.

Zasady w ykorzystania zew nętrznego kw arcu Każdy kwarc dla uzyskania dokładnej częstotliwości zgodnej z deklarow aną przez producenta wymaga dołączenia pewnej pojemności. Zw ykle ta pojemność mieści się u zakresie kilku pF. Podłączając kwarc do mikrokontrolera, musimy wziąć pod uwagę pojemności wejścia pinów A TALJ i 2. pojemności wyprow adzeme/obudow a układu oraz. pojem ność ścieżek łączących procesor z kwarcem (ta ostatnia powinna być m oż­ liwie najmniejsza). Zazwyczaj pojemność ścieżek łączący ch jest dużo mniejsza niż l pF i może zostać pom inięta. Pojem ność w ejścia XT AL procesora wynosi ok. 4,44 pF, a pojemność wyprow adzeme/obudow a ok 0.27 pF. lak w ięc łącznic pojemność zw iązana z wyprowadzeniem X I A L wynosi 4 .7 1 pF. Pojemność tę należy- odliczyć od pojemności obciążenia przewidzianej dla danego kw arcu Dla kwarcu o danym obciążeniu wyno­ szącym Cx wartość wymaganych kondensatorów powinna w ynieść:

C =2C -C

,

gdzie Crf to wartość zewnętrznego kondensatora, C , to w artość deklarowana przez pro­ ducenta kwarcu będąca jego zalecaną pojemnością obciążającą, a C\, to wyliczona wcze­ śniej pojemność wejścia AT A L (czyli 4 ,7 1 pF). Dla kwarcu o zalecanej pojemności obciążenia 8 pF każdy z kondensatorów powinien mieć w ięc wartość 11.29 pF. Parnię* tajmy jednak, ze kondensatory zwykle są produkowane z tolerancjami sięgającymi 20%, w efekcie w yliczoną wartość należy traktować jako orientacyjną Kondensatory z za­ kresu 8 - 1 2 pF będą się równie dobrze nadawały.

Rozdział 9. ♦ Potrzebuję więcej mocy — słów kilka o konfiguracji zegara

267

O to kilka zasad praw idłow ego rozm ieszczenia kw arcu i m ikrokontrolera, które m ogą nam zaoszczędzić w ielu problem ów (rysunek 9.2): ♦ Obok kw arcu i kondensatorów obciążających nic należy prowadzić innych sygnałów o dużych częstotliw ościach ani ścieżek przew odzących znaczne prądy. M ogą one w yw ołać sprzężenie pojem nościow e i w elekcie zakłócać się nawzajem. Ma to szczególne znaczenie dla generatorów pracujących przy minimalnej mocy. np. generatorów układów R FC (ang. real-linte c/ocJc). Zakłócenia zew nętrzne m ogą być odbierane jako dodatkow e oscylacje. w efekcie obserwujemy niedokładność pracy zegara. ♦ G enerator dobrze je st otoczyć polem masy, a w przypadku obwodu dw ustronnego dobrze je st masę „rozlać** pod elem entam i generatora oraz procesorem C o ważne, przez takie płaszczyzny m asy nie powinny przepływać znaczne prądy ani prądy pow rotne z interfejsów pracujących z dużą częstotliw ością, np USB. ♦ K ondensatory obciążające powinny być blisko nóżek kw arcu i procesora. M uszą to być stabilne kondensatory (N PO lub COG). ♦ Ścieżki łączące kwarc oraz w ejścia \ T A L I i X T A L 2 pow inny być możliwie m aksym alnie od siebie oddalone — redukuje to pojem ności pasożytnicze pomiędzy nimi i popraw ia stabilność pracy generatora R y s u n e k 9 .2 .

Zasado projektowania PCB dla kwarcu. Ścieżki łączące kwarc z procesorem powinny być moi!iwie najkrótsze Niedopuszczalne jest stosowanie u tych miejscach prze/otek. Potł kwarcem i kondensatorami pow inna znajdować się pow ierzchnia masy. ekranująca układ przed zakłóceniami

W sJuzow U

Pa m ię taj, ze pow yższe zasad y s ą za le ce n ia m i, których warto przestrzeg ać. N aw et je ś li do tej pory p ro je k to w a łe ś u kła d y n ie zg o d n ie z n im i, a o n e d zia ła ły , n ie j e s t to ar­ g u m e n te m n a rz e c z ich n ie p rze s trze g a n ia .

Aby skorzystać z zew nętrznego generatora kw arcow ego, n ie w ystarczy go w łączyć w rejestrze kontrolnym (OSC.CTRL) — zanim to zrobim y, musim y w łaściwie skonfigu­ rować sam generator. Konfigurację tę przeprowadza się poprzez odpowiednie usta­ w ienie rejestru kontrolnego generatorów zew nętrznych X0SCCTRL (ang X O SC Contro! R egister) — 0SC.X0SCCTRL. Rejestr ten kontroluje dw a oscylatory — dla zew nętrznego kwarcu podłączonego do wyprowadzeń X T A L ł i XTAL2 oraz dla kwarcu podłączonego

AVR. Praktyczne projekty

268

d o w yprow adzeń TOSC (kw arc 32 768 I Iz). K onfiguracja g eneratora ogranicza się do w yboru częstotliw ości uży teg o rezonatora oraz czasu je g o startu. D o d yspozycji m a­ my następujące częstotliw ości: ♦

0 .4 - 2 M l Iz. Stała 0SC_FRQRANGE_04T02_gc;

♦ 2 - 9 Ml Iz, stała 0SC_FRQRAM6E_2T09_gc; ♦ 9 - 1 2 M H z, stała 0SC_FRQRANGE_9T012_gc: ♦ i 12 - 16 Ml Iz, stała 0SC_FRQRANGE_12T016j j c . D odatkow o m ożem y w ybrać cza s startu generatora: ♦ 1 tysiąc cykli, stała OSC_XOSCSEL_XTAL_lKCLKjjc: ♦ 16 tysięcy cykli, stała 0SC_X0SCSEL_XTAL_16KCLK_gc. ♦ 256 tysięcy cykli, stała 0SC_X0SC$EL_XTAL_256KCLK_gc. Na przykład: jeśli chcem y w ybrać zew nętrzny kw arc o częstotliw ości 16 M H z. z c z a ­ sem startu 16 ty s cykli, do rejestru kontrolnego w pisujem y OSC.XOSCCTRL | - 0SC_FRC«ANGEJ2T016_gc | OSC_XOSCSEl_XTAl_I6KCU_gc:

//Wybterz zakres częstotliwości kwarcu i czas startu P am iętajm y, Ze jeżeli w cześniej ustaw ialiśm y inne w artości tego rejestru, to pola 0SC_FRQRAN6E i 0SC_X0SCSEL należy najpierw w yzerow ać, w efekcie zapis nam się nieco kom plikuje: OSC.XOSCCTRL = (0SC.X0SCCTRL & -<0SC FftORAHGE gn | OSC XOSCSEL_gn)) | 0SC_FRGRAV3E_12T016_gc | 0SC_X0SCSELjTAL_16KĆU_gc:

Posłużyliśm y się tu m askam i bitow ym i (suliksy _gm) m askującym i odpow iednie pola bitow e rejestru kontrolnego. W arto pam iętać. Ze przy stosow aniu kw arcu, szczególnie kw arcu zegarkow ego. waZna je st je g o zastępcza rezystancja szeregow a (E S R ) D la P R S ró w n eg o 6 0 k i l obciążenie nic pow inno przekraczać 6.5 pF. a dla ESR 35 kO obciążenie nic pow inno być w yższe n iż 9 pF. W yższe w artości m ogą uniem ożliw ić start generatora

Z e w n ę trz n e źró d ło ze g a ra C zasam i w budow anym układzie posiadam y inne źródła przeb ieg u zegarow ego, które możem y w ykorzystać do taktow ania procesora Taki gotow y d o w ykorzystania przebieg zegarow y m ożem y podłączyć do w ejścia X T A L I. dzięki czem u w ejście X T A L2 p ozo­ staje niew ykorzystane i m oże być użyte ja k o dodatkow y pin lO o g ó ln eg o przeznacze­ nia Ź ródło takie konfiguruje się tak sam o ja k d la zew nętrzn eg o kw arcu, z tym ze do rejestru k ontrolnego X0SCCTRL w pisuje się stalą OSC_XOSCSEL_EXTCLK_gc: 0SC.X0SCCTRL |= 0SC_X0SCSEL_EXTCU_gc:

C zas startu dla takiego generatora w ynosi 6 tak tó w zegara

Rozdział 9. ♦ Potrzebuję więcej mocy — słów kilka o konfiguracji zegara

269

Użytkownicy płytki X plaincd XM1£GA128A1 w sytuacji, w której potrzebują stabil­ nego źródła generatora, m uszą skorzystać w łaśnie z generatora zewnętrznego, dopro­ w adzając jego przebieg na w ejście A T A L I. Producent tych m odułów nie przewidział m iejsca dla zew nętrznego kw arcu (na płytce znajduje się w yłącznie kwarc zegarko­ wy). Zazwyczaj nie stanowi to problemu, gdyż kw arc zegarkow y można w ykorzystać do kalibracji innych układów^ taktujących mikrokontroler. Z drugiej strony zewnętrzne źródło zegara w raz z układem PLL i prcskalcrami staje się bardzo ciekaw ą opcją tak­ towania m ikrokontrolera XM1£GA ze względu na to. że coraz więcej różnych m odu­ łów może być wykorzystanych jako źródła przebiegu zegarow ego W efekcie nie m u­ simy stosować dodatkowych generatorów kwarcowych. Zm niejsza to cenę układu, ale przede wszystkim pow oduje oszczędność miejsca na płytce drukow anej.

G e n e ra to r k w a rc o w y 3 2 7 6 8 Hz Podobnie jak w w ielu innych m ikrokontrolerach rodziny A V R możemy także jako źródło zegara w ykorzystać zewnętrzny kwarc zegarkow y o częstotliw ości 32 768 Hz. Podłącza się go pod w ejścia TO SC I i TOSC2. a zasady jego- podłączania są takie sa­ me jak dla kwarców o wyższych częstotliw ościach (rysunek 9 3). W tym przypadku należy zwrócić szczególną uwagę na prowadzenie masy i ścieżek sygnałowych, gdyż przesłuchy z tych linii m ogą być w idziane przez procesor ja k o dodatkowe impulsy zegarow e, w elekcie powodują niepraw idłow e zliczanie czasu przez układ RTC pro­ cesora Jest to szczególnie istotne, zważywszy na fakt, że je st to generator projekto­ wany tak. aby zuzywal jak najmniej mocy, w efekcie jest szczególnie wrażliwy na za­ kłócenia.

Wskazówka

N a le ży te ż p a m ię ta ć , że p o p u la rn e k w a rce o c z ę s to tliw o ś c i 3 2 7 6 8 H z (tzw. kw ar­ c e ze ga rko w e) c e c h u ją s ię sto s u n k o w o sła b y m i p a ra m e tra m i, m a ją m n ie js z ą niż in n e k w a rc e d o k ła d n o ś ć i s ą d o s to s o w a n e do p ra cy w te m p e ra tu rze o k o ło 2 0 C.

Rysunek 9 .3 . Podłączenie kwarcu zegarkowego do wyprowadzeń TOSCI i TOSC2 ntikrokontrołero

Generator ten wykorzystuje rejestr konfiguracyjny X0SCSEL. aby go uruchomić, należ) w pisać do niego stałą 0SC_X0$CSEL_32KHz_gc. dodatkowo m ożna zredukow ać moc po­ bieraną przez ten generator poprzez ustaw ienie bitu X32KLPM (ang C rystał O scitlalor 3 2 . 7 6 X k tlz Low P ow er M odę) — stała OSC_X32KLPM_bm 0$C.XOSCCTRL |- OSC_XOSC$EL 32KHz_gc | 0SC_X32KLPM_bm:

Pełna funkcja urucham iająca ten generator wygląda następująco: bool XTAL32k_en<)

{ 0SC.X0SCCTRI - 0SC_X0SCSEl_32KHz_gc | 0SC_X32KLPMJm: /W ,b ie r z kwarc zegarkowy // i tryb niskiej mocy

270

AVR. Praktyczne projekty

OSC.CTRL ■ OSC_XOSCEN_bm: //Włącz zewnętrzny generator kwarcowy retu rn OSC_wait_for_rdy(OSC X0SCEN bm): //Zaczekaj najego poprawny start

} Pow yższa funkcja zw raca f a l se. jeśli generatora nie udało się uruchom ić

O c h r o n a re je s tr ó w 10 Aby uniknąć przypadkow ej zm iany konfiguracji rejestrów zw iązanych z konfiguracją zegara, część z nich jest specjalnie chroniona przez rejestr ochrony zm iany konfigura­ cji CCP (ang. C onjiguration C hangę P rotection R egister). A by zm ienić zaw artość tak chronionych rejestrów , należ)' najpierw odblokow ać laką m ożliw ość poprzez w pisa­ nie odpow iedniej w artości do rejestru CCP Dla zm iany konfiguracji zegara należy do rejestru CCP w pisać w artość 0xD8 (predefiniow any sym bol CCP_IOREG_gc). Po tej ope­ racji w ciągu 4 najbliższych taktów zegara m ożna zm ienić konfigurację chronionego rejestru. Jeśli zm iana nie zostanie dokonana w ciągu 4 taktów , rejestr CCP zm ieni swoją wartość i dokonanie zmiany nic będzie możliwe. C o w ażne, po wpisaniu wartości 0xD8 do rejestru C C P procesor nie przyjm uje przerw ań — ponow ne przyjęcie przerw ań będzie możliw e dopiero po upływ ie 4 taktów zegara. D zięki tem u p ro ­ gram ista nic m usi zam ykać fragm entów zm ieniających konfigurację rejestrów ch ro ­ nionych w sekcjach atom ow ych, co oszczędza czas i skraca kod W szystkie przerw ania, które zostały zgłoszone w trakcie zm iany rejestrów chronionych, zo stan ą obsłużone w kolejności zależnej o d ich priorytetu po upływ ie 4 taktów. N a przykład kod: CPU_CCP- CCP_10REG_gc: CLK. CTRL-CLK_SCLKSEL_PLL_gc:

//Odblokuj zmianę konfiguracji //Wybierz PIJ.

powoduje przełączenie taktow ania CPU na wyjście z układu PLL (który to układ w cze­ śniej m usi zostać popraw nie skonfigurow any).

Odblokowywanie źródła zegara D o tej por>’ udało nam się uruchomić interesujący nas generator zegarowy, co umożliwia jego wykorzystanie do taktowania mikrokontrolera i jego układów peryferyjnych. Dzięki temu możemy przejść do kolejnego etapu konfiguracji — wybrania odpowiedniego m nożnika i preskalera, dzięki czem u C PU i układy p ery fery jn e będą taktow ane tak. ja k sobie lego ty czy m y .

Układ PLL U kład PLL je st pętlą synchronizacji fazy (ang p h a sc lo e k e d loop). która um ożliw ia pom nożenie zegara dostarczonego na jeg o w ejście przez w artość całkow itą w zakresie 1 - 31. W efekcie uty skujemy zegar o takiej samej lub w yższej częstotliwości, zgodny w łazić z zegarem wejściowym. Uzyskany na wyjściu PLL przebieg może posłużyć jako źródło zegara dla prcskałcrów'.

Rozdział 9. ♦ Potrzebuję więcej mocy — słów kilka o konfiguracji zegara

Wskazówka

271

Pa m ię taj, że n ieza le żn ie od c z ę s to tliw o ś c i ze g a ra n a w e jściu d la popraw nej pracy P L L c z ę s to tliw o ś ć w y jśc io w a z e g a ra m u s i w y n o s ić c o n a jm n ie j 1 0 M H z.

Stąd tez źródłem zegara dla PLL m ogą być w ew nętrzne generatory RC o częstotliwości 2 MI Iz lub 32 MI Iz (len ostatni przed podaniem na PLL jest autom atycznie dzielony przez 4, czyli na PLL w chodzi sygnał o częstotliw ości 8 M H z), a także zew nętrzny generator kwarcowy (pod warunkiem że jego częstotliwość jest większa niż 10 M Ilz/31. czyli w yższa niż ok. 0.4 MI Iz). G eneratory 32 768 Hz i 1 k H z nic m ogą być źró ­ dłem zegara dla PL L , gdyż naw et jego m aksym alny m nożnik x31 nie umożliw ia uzyskania na wyjściu minimalnej częstotliwości w ym aganej dla poprawnej pracy, czyli 10 M Hz. A by uruchom ić PLL. należy przestrzegać pewnej kolejności: ♦ najpierw należy w łączyć dane źródło zegara (jego generator) i poczekać na uzyskanie stabilnych oscylacji; ♦ następnie należ)* określić m nożnik PLL i w ybrać dane źródło jako źródło referencyjne dla PLL; ♦ przed w łączeniem należy odczekać na ustabilizow anie się oscylacji. C zas stabilizacji jest zależny od typu w ybranego generatora. Po tych etapach m ożna odblokow ać PLL.

Wskazówka

Przed z m ia n ą je g o k o n fig u ra cji n a le ży p o n o w n ie za b lo k o w a ć P L L i ro zp o czą ć je g o k o n fig u ra cję o d p ie rw s z e g o kroku.

Ź ródło zegara dla PLL oraz m nożnik ustala się poprzez konfigurację rejestru PLLCTRL (ang. P LL controI register). Bity 6 i 7 tego rejestru o k reślają źródło zegara dla PLL (tabela 9.1), z kolei bity 0 - 4 określają m nożnik dla PLL ( 0 - 3 1 ) . Sygnał zegarow y doprow adzony do PLL zostanie przem nożony przez podany m nożnik. T abela 9 .1 . Wybór źródła zegara dla PLL CLKSRC[1:0]

Symbol

Źródło zeg ara PLL

00

0SC_PLLSRC_RC2M_gc

W ewnętrzny RC 2 Ml Iz

01

-

-

10

OSC_PLLSRC_RC32M_gc

W ewnętrzny RC 32 MII/.

11

0SC_PLLSRC_X0SC_gc

Zewnętrzne źródło zegara

Wskazówka

N a le ż y p a m ię ta ć , że c z ę s to tliw o ś ć n a w y jściu p ę tli P L L n ie m o ż e być n iż s z a n iż 1 0 M H z i w y ż s z a n iż 2 0 0 M H z.

272

AVR. Praktyczne projekty

Poniższy przykład ilustruje użycie PLL: v o id SelectPlt(OSC_PLLSRC t s rc . u in t8 t m u lt)

{ mu It&«OSC_PLLFAC_gm: 05C. PllCTRL=src | m u lt: 05C. CTRL | =OSC_PLlEN_bm: 0SC_wait f o r rdy(0SC PLLROY bm):

//Ustaw źródło i mnożnik PU . /W łą cz układ PLL //Poczeka; na ustabilizowanie się PLL

) Funkcja S e le c tP L L przyjmuje jako pierwszy argument źródło zegara (tak jak w tabeli 9.1). a jako drugi m nożnik dla układu PLL w zakresie 1 —31. W artości te są zapisyw ane do rejestru PLLCTRL, a następnie odblokow yw any je st układ PLL. Na końcu znana nam ju ż funkcja OSC w a it f o r rd y czeka, aż oscylacje układu się ustabilizują, c o sygnali­ zuje ustaw iona Haga OSC_PLLRDY_bm rejestru OSC.STATUS. P ow yższą funkcję możem y w ykorzystać w następujący sposób: SelectPLL(0SC_PLLSRC_RC2M_gc. 1 5 ):

co spow oduje w łączenie układu PLL m nożącego zeg ar z w ew n ętrzn eg o generatora 2 MI Iz razy 15. co da nam w efekcie częstotliwość na w y jściu PLL rów ną 30 MI Iz. Po­ wyższa funkcja zakłada, że generator RC 2 M Hz nie został wcześniej zablokowany.

DFLL Układ DFLL (ang. D igitalfrequency locked loop) jest wykorzystyw any do kalibracji źró­ dła zegara za pom ocą innego zegara, o stabilniejszym przebiegu. Jako przebiegu re­ ferencyjnego można użyć wewnętrznego kalibrowanego zegara o częstotliwości 32 768 I Iz lub. co m a w iększy sens, zew nętrznego zegara 32 768 1Iz realizow anego za pom o­ cą kw arcu zegarkow ego. Dzięki tem u m ożna w ykalibrow ać w ew nętrzne generatory RC do w ym aganej dokładności określonej dokładnością źródła referencyjnego zegara

Wskazówka

W e w n ę trzn y g e n e ra to r re fe re n cy jn y m a d o k ła d n o ś ć ± 0,5% , n a to m ia s t p o z o s ta łe g e n e ra to ry m a ją d o k ła d n o ś ć po k a lib ra cji fabrycznej ±1,5% . a ich s t a b iln o ś ć w z a ­ le ż n o ś c i od te m p era tu ry i n a p ię c ia z a s ila n ia je s t g o rsza niż g e n e ra to ra R C 3 2 7 6 8 Hz.

Stąd w aplikacjach w ym agających w iększej stabilności zegara m ożna go użyć do k a ­ libracji pozostałych źródeł zegara. Podobnie jeśli do układu podłączono zew nętrzny kw arc zegarkow y 32 768 H z (tak jak to jest np. w m odule X plained) lub zew nętrzny przebieg w zorcow y o takiej częstotliw ości, to możem y go użyć do kalibracji w ew nętrz­ nych generatorów RC (opcja ta dostępna jest w yłącznie dla generatorów' 2 i 32 MI Iz)1. Dzięki temu dokładność w ew nętrznych generatorów będzie odpow iadać dokładności użytego generatora kw arcow ego (jednak ich stabilność oczyw iście pozostanie mniejsza, będą także cechow ały się w iększym jitterem ). M a to szczególne znaczenie w aplika­ cjach, w których procesor narażony jest na znaczne w ahania n apięcia lub tem peratury, w zw iązku z czym nie jest m ożliw a prosta, jednopunktowa kalibracja generatorów RC.

i

Pozostałe generatory można skalibrować programowo za pomocą ich rejestrów kalibracyjnych.

Rozdział 9. ♦ Potrzebuję więcej mocy — słów kilka o konfiguracji zegara

273

Kalibrację laką m ożna przeprow adzić program owo — podobnie jak w e w cześniejszych m odelach A V R Jednak projektanci X M E G A udostępnili sprzętow ą m ożliw ość kali­ bracji zegara przebiegiem referencyjnym . W tym celu stw orzono układ D FLL, który po w łączeniu na bieżąco porów nuje przebieg generowany przez generatory 2 i 32 Ml Iz z przebiegiem referencyjnym , a w szelkie odchyłki natychm iast koryguje. G eneratory R C 2 i 32 M H z po siad ają zw iązane z nim i rejestry kalibraeyjne CALA i CALB tworzące w sumie 13-bitowy rejestr przechowujący w artość kalibracyjną dla da­ nego oscylatora. W artości kalibraeyjne są przepisyw ane do tych rejestrów w trakcie resetu procesora z bajtów kalibracyjnych określanych w trakcie procesu produkcji m ikrokontrolera. Rejestry te odpow iadają znanym z procesorów A TM ega rejestrom OSCAL Zw iększanie w artości rejestru pow oduje zw iększenie częstotliw ości generatora i odw rotnie — jej zm niejszenie pow oduje zm niejszenie częstotliw ości. Z układem DFLL zw iązane są także rejestry COMPO - C0MP2 tworzące razem 24-bilowy rejestr po ­ rów nania W takcie procesu kalibracji układ D FLL zlicza im pulsy kalibrow anego ge­ neratora przypadające na jeden okres generatora w zorcow ego, a następnie porów nuje uzyskaną w artość z rejestrem COMP Jeśli w artość jest m niejsza, to zw iększa o jeden w artość rejestru CALA; jeśli w iększa, to w artość rejestru CALA o jeden zm niejsza. Dzięki tem u po pew nym czasie ustala się ścisła relacja pom iędzy w arto ścią rejestru COMP a często tliw o ścią generatora RC i generatora w zorcow ego. R elacja ta jest określana wzorem: COMP = — ^

— ,

Fc a l ' 3 2

gdzie CO M P to wartość rejestru COMP. F r c to częstotliwość generatora RC, a l:rAL to czę­ stotliwość generatora wzorcowego — generatora RC 32 768 I Iz, generatora kwarcowego 32 768 H z lub przebiegu doprow adzonego do w ejścia IO S C 2 .

Wskazówka

N ie k tó re m ik ro k o n tro le ry p o s ia d a ją 2 4 -b ito w y re je s tr COMP, w in n y ch re je s tr te n m a ty lk o 1 6 bitów . W p rzyp a d ku m ik ro k o n tro le ró w z 2 4 -b ito w y m re je s tre m COMP na j­ m ło d sz y c h 8 b itó w j e s t b e z z n a c z e n ia , a w y lic z o n ą w a r to ś ć COMP n a le ż y w p is a ć do re je s tru C0MP1 i C0MP2.

D ostarczony przebieg zegarow y je st porów nyw any z przebiegiem w zorcow ym (który najpierw jest dzielony przez 32. a w ięc dla standardow ych generatorów na w ejście D FLL doprow adzany je st przebieg o częstotliw ości 1kHz). N ależ)’ pam iętać. Ze układ D FL L ma m ożliw ość zm iany w yłącznie rejestru CALA. w artość rejestru CALB m oże być zm ieniana jedynie przez program istę. W efekcie układ D FLL m oże zm ieniać często­ tliwość generatora RC tylko w stosunkow o niew ielkim zakresie, w ynoszącym kilka­ set kH z. W iększe zm iany uzyskam y, preprogram ując rejestr CALB. dzięki którem u m o­ żem y uzyskać zm iany częstotliw ości w ynoszące naw et ponad I M Hz. Stąd też układ DFLL nadaje się do precyzyjnego dostrojenia generatora R C , w iększe zm iany należ)' w prow adzać poprzez program ow ą kalibrację rejestru CALB, a następnie precyzyjne do­ strojenie przez autom atyczny układ DFLL. Po tym w stępie przejdźm y do pokazania, ja k w praktyce w ygląda w ykorzystanie układu D FLL. U kład len dom yślnie jest w yłączony, a przed je g o w łączeniem należ)’

274

AVR. Praktyczne projekty

go odpow iednio skonfigurować. Przede wszystkim układ ten wymaga, aby włączone było źródło zegara referencyjnego, a także oscylator, który będzie kalibrowany. Oba oscylatory włączane są tak. jak to zostało pokazane we wcześniejszej części rozdziału. Po ich włączeniu możemy przystąpić do dalszej konfiguracji DFLL. Kolejnym krokiem jest wybór źródła referencyjnego. W większości m ikrokontrolerów X M E(iA źródłem referencyjnym może być wewnętrzny generator RC lub zewnętrzny generator kwarcowy o częstotliwości 32 768 Hz. W niektórych m ikrokontrolerach, dla układu DFLL zwią­ zanego z oscylatorem 32 MHz, źródłem zegara referencyjnego może być interfejs USB Domyślnym źródłem zegara referencyjnego jest wewnętrzny generator RC 32 768 Hz. Dla obu układów' DFLL źródło referencyjne może być w ybierane niezależnie poprzez konfigurację rejestru OSC.DFLLCTRL. Instrukcja: OSC. DFLLCTRl|«0SC_RC2MCREF_bn;

wybiera dla DFLL związanego z oscylatorem RC 2 MI Iz zewnętrzne źródło referencyj­ ne, natomiast instrukcja: O S C . D FLLC T R L|-0 S C _ R C 3 2 M C R EF_ bm :

robi to samo dla DFLL zw iązanego z generatorem RC 32 M l Iz W yzerowanie bitów 0SC_RC2MCREF_bm lub 0SC_RC32MCREF_bm wybiera dla odpow iedniego układu D FLL jako źródło referencyjne wewnętrzny generator RC 32 768 Hz. Po wy borze źródła referencyjnego możemy zm ienić ustaw ienia rejestrów porównania COMPO - 2

W skuówb

R eje stry te s ą ła d o w a n e d o m y śln ie w a rto śc ia m i o k re ś la ją c y m i id ea ln y s to s u n e k czę sto tliw o ści d la generatorów 2 i 3 2 M H z w sto su n k u do w zorca, jakim je s t przebieg o c z ę sto tliw o śc i 3 2 7 6 8 Hz. J e ś li nie ch ce m y zm ie n ia ć d o m y śln e j c z ę sto tliw o śc i k a ­ librow an ych g e n era to ró w , to n ie n a le ży z m ie n ia ć w a rto śc i re je stru COMP.

Ostatnim krokiem jest uruchomienie układu DFLL dla w ybranego generatora poprzez ustaw ienie bitu ENABLE rejestru kontrolnego DFLL. D la układu DFLL zw iązanego z generatorem RC 2 M Hz instrukcja włączająca DI;LL w ygląda tak jak poniżej: DFLLRC2M_CTRL=DFLL_ENABLE_bn;

Podobnie wygląda w łączenie DFLL dla generator RC 32 Ml Iz: DFLLRC32M_CTRL=DFLL_ENABLE_bn:

U w jg j

N ie k tó re m o d e le X M E G A (w tym w yko rzystyw an y X M E G A 1 2 8 A 1 ) p o s ia d a ją błąd w u k ła d zie D F LL, który pow oduje, że do ich popraw nej p ra cy m u szą być w łączon e o b a układy DFLL. W e fe kc ie d la kalibracji generatora RC 2 lub 3 2 M H z obydw a g e n e ra ­ tory m u s z ą być ta k że w łączo n e. B łą d ten dotyczy m .ln. u żyte g o w m o d u le X p la in e d p ro c e so ra X M E G A 1 2 8 A 1 .

W praktyce jeg o uciążliwość jest niewielka — po w łączeniu obu układów następuje prawidłowa automatyczna kalibracja obu generatorów RC W nowszych seriach XMEGA błąd ten poprawiono i układ DFLL pracuje zgodnie z opisem zawartym w nocie ka­ talogowej procesora.

Rozdział 9. ♦ Potrzebuję więcej mocy — słów kilka o konfiguracji zegara

275

K a lib r a c ja g e n e ra to ra R C 3 2 7 6 8 k H z Ten generator nie posiada zw iązanego z nim układu DFLL» posiada natom iast rejestr kalibracyjny o nazwie RC32KCAL (OSC_RC32KCAL), który przechow uje 8-bitowy kalibrator Rejestr ten w czasie resetu jest preladow any w artością kal i bracyjną. która gwarantuje, ze częstotliwość tego generatora RC będzie wynosić 32 768 H z ±0.5% (dla zasilania 3 V). Rejestr ten m ożna wykorzystać do programowej kalibracji generatora, jeśli dysponuje­ my stabilniejszym przebiegiem w zorcowym

Układ m onitorow ania zegara zew nętrznego Jedną z awarii, jakie m ogą się zdarzyć w system ie m ikroprocesorow ym , jest awaria ge­ neratora przebiegu zegarowego, np. na skutek uszkodzenia kwarcu lub jednego z konden­ satorów obciążających M ikrokontrolery X M EGA potrafią w yjść z takiej opresji dzięki układow i m onitorującem u zewnętrzny przebieg zegarow y.

WsUibwb

U kład m o n ito ru ją cy je s t d o m y ś ln ie zab lo ko w an y, przed u ży cie m m u s i być program o­ w o o d b lo ko w an y. R a z o d b lo ko w an y, układ te n n ie m o że z o s ta ć pon ow nie za b lo k o ­ wany. A by to było m o żliw e , p ro c e s o r m u s i z o s ta ć zre se to w a n y .

W przypadku wykrycia awarii zew nętrznego generatora przebiegu zegarowego procesor autom atycznie przełącza się na w ew nętrzny generator RC o częstotliw ości 2 MHz. W szystkie rejestry' kontrolne układu zegarow ego przyjm ują sw oje dom yślne w artości, dzięki czemu procesor jest taktowany tak jak po otrzymaniu sygnału resei. Zadziałaniu tego układu tow arzyszy ustaw ienie flagi X0SCFDIF" oraz w ygenerow anie przerw ania niem askow alnego o w ektorze 0SC_X0SCF_vect.

WsUzówb

Przerw anie NMI nie je s t gen erow ane w sytuacji, w której u szko d zo n y generator nie był źró d łe m z e g a ra ta k tu ją c e g o p ro ce so r.

U kładu m o n ito ru jąceg o nie należy w łączać, jeśli m ik ro k o n tro le r je s t ta k to w a n y zew n ętrzn y m zeg arem o częstotliw ości poniżej 32 768 H z — spow oduje to niepra­ widłowe działanie układu monitorującego i przełączenie procesora na zegar RC. Układ m onitorujący jest autom atycznie blokowany w trybach uśpienia procesora — dzięki temu brak zegara w tych trybach nic jest sygnalizow any jako jego uszkodzenie. Układ m onitorow ania w łącza się poprzez ustaw ienie bitu X0SCFDEM rejestru X0SCFAIL. Aby zmienić w artość lego rejestru, należy wcześniej zezw olić na zm ianę w rejestrze ochrony konfiguracji W ykrycie braku zegara powoduje ustaw ienie bitu X0SCFDIF reje­ stru X0SCFDEH oraz wygenerow anie przerw ania niem askow alnego. Bit X0SCFDIF m ożna skasow ać poprzez w pisanie pod jego adres I, jednak stan tego bitu nie ma w pływ u na dalsze działanie układu m onitorującego, a także na zgłaszanie kolejnych przerwań.

" Akurat w XMEGAI28A1 na skutek błędu Haga ta jcsl automatycznie zerowana w czasie wejścia w przerwanie NMI. jednak wobec tylko jednego źródła lego przerwania jest to bez znaczenia

AVR. Praktyczne projekty

276

Działanie tego układu dobrze demonstruje przedstawiony poniżej kod programu (znaj­ duje się on w katalogu Przyklady/O SC O SCFAIL).

W skazówka

Aby zad e m o n stro w ać użycie układu m onitorującego, należy do w e jścia XTAL1 p ro ce so ­ ra do p row ad zić przebieg pro stokątny o c z ę sto tliw o śc i ok. 2 M H z. W m o d u le X pla in e d X M E G A 1 2 8 A 1 je s t on d o s tę p n y n a p in ie nr 8 złą cza J3.

Program demonstracyjny będzie działał w następujący sposób. Domyślnie jako źródło taktowania procesora wybrany zostanie zewnętrzny przebieg zegarowy doprowadzony do wejścia A7A L I, przebieg ten zostanie pomnożony w układzie PLL razy 8. w efekcie procesor ładzie taktowany zegarem 32 MI Iz (dla przebiegu wejściowego równego 4 Ml łz): CXCLK en<): // Odblokuj zegar zewnętrzny doprowadzony do.YTALI SeI ectPIL (OSC.PLLSRCJCOSC.gc . 1 0 ) : //F X TA Lt- 4 M l Iz • 8 - S2M U z CPU_CCP=CCP_IOP.EG_gc: //Odblokuj zmianę konfiguracji CLK. Cm-CLK_$CLKSEl_PLL_gc: //Wybierz PLL

Teraz należy odblokow ać układ delekcji uszkodzenia zegara: asm volati le ("nop’):

CPtl_CCP=CCP_ IOP.EG_gc: OSC.X0SCFA ll-OSC_XOSCFDEN_bn:

//Niezbędne dla zachowania Jtmmgów dostępu do portu //Odblokuj zmianę konfiguracji //Włącz monitorowanie zegara

Zw róćm y uw agę na poprzedzającą instrukcję HOP. Pow yższa sekwencja wykonywana jest luz po wcześniejszej, wybierającej źródło taktowania zegara CPU. O bie zmiany (zmiana źródła zegara i włączenie monitora zegara) wymagają zezwolenia — wpisania odpowiedniej wartości do rejestru zezwolenia na zmianę konfiguracji CPU CCP Zezwole­ nie lo jest ważne przez 4 lakly zegara, jednak w pisanie now ego zezwolenia do rejestru CPU CPP me przedłuża lego czasu. W efekcie kolejne zmiany w artości dowolnego rejestru chronionego nie mogą odbywać się częściej niż co 4 takty zegara CPU. Zasada ta dotyczy wszystkich rejestrów chronionych. Ponieważ powyższa sekwencja instrukcji powoduje, że do kolejnego zapisu mijają zaledwie 3 takty, niezbędne jest dodanie instrukcji opóźniają­ cej — jej brak spowoduje niemożność zapisu do rejestru 0SC.X0SCFAIL, w efekcie mo­ nitor zegara nie zostanie odblokowany. Odblokowanie monitora w przypadku wykrycia problemów z zegarem spowoduje w y­ generowanie przerwania niemaskowalnego. stąd też obow iązkow o musimy zdefinio­ wać funkcję jego obsługi: ISR(OSC_XOSCF_vect) { PORTE .OUT=OxOF: )

//Zmień sposób migania diod

Powyższa funkcja spow oduje zmianę sposobu migania diod znajdujących się w module Xplained (lub dołączonych do portu E mikrokontrolera) po wykryciu problemu z zegarem. Rzeczywista funkcja obsługi powinna poinformować w jakiś sposób użytkownika o pro­ blemie sprzętowym Dodajmy jeszcze jakąś funkcję informującą o sposobie taktowania procesora. Najprościej będzie wykorzystać diody LLD. poniższa funkcja spowoduje, że l^ędą one migały (dla taktowania zegarem zewnętrznym), a po wykiyciu błędu sposób ich świecenia ulegnie zmianie:

Rozdział 9. ♦ Potrzebuję więcej mocy — słów kilka o konfiguracji zegara

PORTE.DIR-0xFF:

277

/W s z y s tk ie p in y są wyjściem

whtle(l) {

PORTE.OUTTGL=OxFF:

_deley_msU00): //Opóźnienie lOOms dlaFC PU -32M H s. Jłu 2 S tH z-i.6 s

ł Jeśli chociaż na chwilę odłączymy od mikrokontrolera zewnętrzny przebieg taktujący, to zauważymy zmianę sposobu świecenia podłączonych diod LED, a procesor przej­ dzie na wewnętrzne taktowanie 2 MHz.

Zmiana źródła zegara i jego częstotliwości Jak wcześniej wspomniano, XMEGA może być taktowana z kilku źródeł zegara, które można w sposób dowolny wybierać programowo. Po resecie domyślnie wybrany jest wewnętrzny generator RC o częstotliwości 2 M Hz. lecz źródło to możemy w każdej chwili zmienić za pomocą rejestru CTRL (ang. System clock controł register). Jego 3 naj­ młodsze bity określają źródło zegara, zgodnie z tabelą 9 2. Tabela 9.2. Możliwe do wyboru źródła zegara dla procesora XMEGA SCKSEL(2:0]

Symbol

Zegar

Opis

000

CLK_SCLKSEL_RC2M_gc

RC 2 MHz

Wewnętrzny generator 2 MI Iz

001

CLK_SCLKSEL_RC32M_gc

RC 32 MHz

Wewnętrzny generator 32 MHz

010

CLK_SCLKSEL_RC32K_gc

RC 32 kHz

Wewnętrzny generator 32 kłlz

011

CLK_SCLKSEL_X0SC_gc

xosc

100

CLK_SCLKSEL_PLL_gc

PLL

Generator zewnętrzny lub zewnętrzny kwarc Pętla PLL

Rejestr CTRL jest chroniony przed zapisem za pomocą opisanego wcześniej układu ochro­ ny konfiguracji. Zmiana źródła zegara taktującego trwa dwa cykle zegarowe starego źródła i 2 cykle zegarowe nowego źródła Przykładowo: aby jako źródło zegara wybrać wewnętrzny generator RC o częstotliwości 32 MHz, należy wykonać sekwencję pole­ ceń (sam generator musi być wcześniej włączony, a jego oscylacje muszą być stabilne): CPL)_CCP=CCP I0REG gc; CIK7cTRI-CLKJCLKŚEL_RC32M_gc:

Wskazówka

//Odblokuj zntiatiękonfiguracji /W ybierz gem rotor RC SZUH:

Pam iętaj, ze przed w yborem danego zegara ja k o źródła przebiegu zegarow ego dla M C U m u si ono z o sta ć w łączone, a jego o scylacje m u szą być sta b iln e (odpow iedni b it Ready rejestru sta n u m u si być ustaw iony).

Blokowanie ustawień zegara Jeśli aplikacja podczas swojego działania nie zmienia konfiguracji zegara (jest ona ustawiana tylko raz podczas inicjalizacji aplikacji), wybraną konfigurację możemy za­ blokować na stale — wr ten sposób unikniemy przypadkowych zmian konfiguracji na

Rozdział 9. ♦ Potrzebuję więcej mocy — słów kilka o konfiguracji zegara

FORTE. DI R*0xFF:

277

//Wtsystkie ptny są wyjściem

tahtleU) {

PORTE.OUTTGL=OxFF:

_delay_m s(100): J/Opótmenie lOOms dla FCPU-32MHz. dla 2UHz-i. 6x

} Jeśli chociaż nu chwilę odłączymy od mikrokontrolera zewnętrzny przebieg taktujący, to zauważymy zmianę sposobu świecenia podłączonych diod LED. a procesor przej­ dzie na wewnętrzne taktowanie 2 MHz.

Zmiana źródła zegara i jego częstotliwości .lak wcześniej wspomniano, XMEGA może być taktowana z kilku źródeł zegara, które można w sposób dowolny wybierać programowo. Po resecie domyślnie wybrany jest wewnętrzny generator RC o częstotliwości 2 MHz. lecz. źródło to możemy w każdej chwili zmienić za pomocą rejestru CTRL (ang System clock controI register). Jego 3 naj­ młodsze bity określają źródło zegara, zgodnie z tabelą 9 2. Tabela 9.2. Sioiliwe do wyboru źródła zegara dla procesora XMEGA SCKSEL[2:0]

Symbol

Zegar

Opis

000

CLK_$CLKSEL_RC2M_gc

RC 2 MI Iz

Wewnętrzny generator 2 MI Iz

001

CLK_SCLKSEL_RC32M_gc

RC 32 MHz

Wewnętrzny generator 32 MHz

010

CLK_SCLKSEL_RC32K_gc

RC 32 kHz

Wewnętrzny generator 32 kHz

011

CLK_SCLKSEL_X0SC_gc

XOSC

Generator zewnętrzny lub zewnętrzny kwaic

100

CLKSCLKSELPLLgc

PLL

Pętlu PLL

Rejestr CTRL jest chroniony przed zapisem za pomocą opisanego wcześniej układu ochro­ ny konfiguracji. Zm iana źródła zegara taktującego trwa dw a cykle zegarowe starego źródła i 2 cykle zegarowe nowego źródła Przykładowa: aby jako źródło zegara wybrać wewnętrzny generator RC o częstotliwości 32 MHz, należy wykonać sekwencję pole­ ceń (sam generator musi być wcześniej włączony, a jego oscylacje muszą być stabilne):

CPU_CCP=CCP_IOREG g c : CLK.CTRL“CLK_$CLKŚEL_RC32M_gc;

Wskazówka

//Odblokuj zmianękanfigurocjt //Wybierz generator RC SZ Wf z

Pa m ię taj, ze przed w yborem daneg o zegara ja k o źródła przebiegu zegarow ego dla M C U m u si ono z o s ta ć w łączone, a jeg o o scy lacje m u szą b y ć sta b iln e (odpow iedni b it Ready rejestru sta n u m u si być ustaw iony).

Blokowanie ustawień zegara Jeśli aplikacja podczas swojego działania nie zmienia konfiguracji zegara (jest ona ustawiana tylko raz podczas inicjalizacji aplikacji), wybraną konfigurację możemy za­ blokować na stale — w ten sposób unikniemy przypadkowych zmian konfiguracji na

Rozdział 9. ♦ Potrzebuję więcej mocy — słów kilka o konfiguracji zegara

279

R y s u n e k 9 .4 .

Przykładowy' preskaler. P rzebieg zegarow y C I.K doprow adzony d o wejścia je s t dzielony przez je d e n z 7 stopni p o działu (2. 4, 8, 16, 32. 6-1 i 128). a następnie je d e n z przebiegów je s t doprow adzany do wyjścia (Cl.Ko), p rzeb ieg wybiera się sygnałam i SELO - S E L 2 sterującym i m ultiplekserem

♦ C LK per — jest to zegar taktujący większość układów peryferyjnych procesora. Zawsze ma taką sam ą częstotliwość jak C IK cp u , różnica pi'*lega na tym. żc może być niezależnie wyłączany, co wykorzystuje się w różnych trybach oszczędzania energii. ♦ CLKper2 — jest to zegar taktujący niektóre podsystemy procesora, m.in. interfejs zewnętrznej pamięci RAM Zegar ten jest sy nchroniczny w stosunku do CKI.cptt. lecz może być od niego dwukrotnie szybszy, dzięki temu wymienione urządzenia peryferyjne m ogą pracować szybciej ♦ C L K perj — jest to zegar taktujący niektóre peryferia procesora, mogące pracować z częstotliwością nawet czterokrotnie w iększą niż rdzeń A VR Do tych peryferii zalicza się ni in rozszerzenia tunerów, dzięki czemu można generować przebiegi o wysokich częstotliwościach, co m a szczególne znaczenie w trybie PWM. Istnieje jeszcze dodatkowy zegar, asynchroniczny w stosunku do wcześniej wymienio­ nych — Cl.Kasy — służy on do taktowania układu RTC z zewnętrznego generatora kw arcow ego 32 768 Hz lub preskalow anego wewnętrznego generatora 32 768 Hz. Dzięki temu peryferia taktowane tym zegarem mogą pracować nawet w trybie uśpienia pro­ cesora Ponieważ jest to zegar asynchroniczny w stosunku do zegara taktującego inne podsystemy procesora, dostęp do peryferii taktowanych przez C LK asy wymaga spe­ cjalnych metod opisanych w rozdziale 15. „Układy zegarowe w praktyce”. Zegary taktujące rdzeń procesora oraz peryferia mogą mieć taką samą lub różną często­ tliwość w zależności od konfiguracji prcskalerów . Ze względu n a obecność PLL i moż­ liwość wyłączenia niektórych stopni preskalera (poprzez w ybranie stopnia podziału równego 1) istnieje możliwość programowego przctaklowania procesora lub tylko ukladówr peryferyjnych.

280

Ifr WsJurówka

AVR. Praktyczne projekty

Należy jednak pamiętać, że m i m o iż pr o g r a m o w o m o ż n a doprowadzić d o poszczegók nych p o d s y s t e m ó w zegar o częstotliwości spoza specyfikacji procesora, to m e m a gwarancji, ze w takiej sytuacji przetaktowany po ds ys te m będzie prawidłowo pracował.

Preskaler zegara X M liCA jest 3-stopniowy — składa się z preskalerów oznaczonych A , B \ C (rysunek 9.5). Zegar doprowadzony do pierwszego preskalera (.4) moZc być

podzielony przez kolejne potęgi liczby dw a w zakresie od 1 do 512. W yjście z tego preskalera jest jednocześnie wyjściem zegara C K L p e r 4 służącego do taktowania pod­ systemów pracujących z częstotliwością maksymalnie 4-krotnic w iększą niż zegar taktujący rdzeń ( C L K c p u ). Kolejny preskaler {B ) jest taktowany z wyjścia poprzed­ niego i ma możliw ość podziału zegara przez 1. 2 lub 4. a jeg o wyjście śluzy do takto­ wania preskalera C . jest także źródłem zegara dla podsystemów' taktow anych zegarem C L K p e r 2 . Podsystemy te pracują z częstotliwością m aksym alnie dwukrotnie większą niż C L K c p u . Ostatni preskaler ma możliwość podziału zegara wejściowego tylko przez 1 lub 2 i jest źródłem zegara C L K c p u i C IJC per.

WybOf je g a r a

R y s u n e k 9 .5 . H’,X.\łEG A trzy p reska łery po łą czo n e są ze xoht( kaskadow o W yjście każdego z n ic h je s i jed n o cześn ie w yjściem sygnału zegarow ego taktującego wybrane układy peryferyjne m ikrokontrolera

W szystkie trzy preskalcry konfiguruje się za pomocą jednego rejestru PSCTRL (ang. PSADIV[4:0] i PSBCDIV PSAD1V kontroluje stopień podziału w preskalerze A (tabela 9.3), a co za tym idzie — częstotliwość C L K p e r d . natomiast PSBCDIV kontroluje stopień podziału preskalera B i C (tabela 9.4).

s y s te m c ło c k p r e s c a ł e r r e g is te r ) Jest on podzielony na dw ie części

I tak zapis: CU_PSCTRL-CLK_P$ADlVJ6_gc | CU_PSBC01V_l_2_gc:

powoduje wybranie stopnia podziału równego 16 w preskalerze .4. brak podziału w preskalerze B i podział przez 2 w preskalerze C W efekcie CPU będzie taktowany przebiegiem wejściowym podzielonym przez 32.

Rozdział 9. ♦ Potrzebuję więcej mocy — słów kilka o konfiguracji zegara

281

T a b e la 9 .3 . Stopień podziału zegara »• preskałerze A P S A D IV |4 :0 1

Sym bol

S to p ie ń p o d zia łu

00000

CLK_PSADIV_l_gc

1

00001

CLK_PSADIV_2_gc

2

00011

CLK_PSADIV_4_gc

4

00101

CLK_PSADIV_8_gc

8

00111

C LK_PSADIV_16_gc

16

01001

CLK_PSADlV_32_gc

32

01101

CLK_PSADlV_64_gc

64

01111

CLK_PSADIV_128_gc

128

10001

C LK_PSADIV_2 5 6_gc

256

C LK_PSADIV_512_gc

512

T a b e la 9 .4 . Konfiguracja preskałerów B i C P S B C D IV (1 :0 ]

Sym bol

P o d z ia ł w p re s k a łe rz e B

P o d z ia ł w p re sk a łe rze C

00

CLK_PSBCDIV_l_l_gc

1

1

01

CLK_PSBCDIV_l_2_gc

1

2

10

CLK_PSBCDIV_4_l_gc

4

1

11

C LK_ PSBC DIV_2_2_gc

2

2

Uwagi XMl:GA moZe pracować z maksymalną częstotliwością wynoszącą 32 M H z Pozornie nic wydaje się to być dużo. jednak w żle zaprojektowanych układacli może to stwa­ rzać istotne problemy. W arto zastanowić się. czy w każdym przypadku tak wysoka częstotliwość pracy jest nam potrzebna. Wiele przykładów z tej książki wykorzystuje domyślny generator 2 MHz, a prawdopodobnie w niewielu tylko zastosowaniach większe częstotliwości taktowania będą przydatne. W arto pamiętać, zc do poprawnej pracy wymagane jest także, aby układy zewnętrzne, z którymi łączymy mikrokontroler, wspierały tak wysokie częstotliwości pracy. Nic jest to takie oczyw iste, gdyż dużo ukła­ dów rodziny 74HC i 74HCT. szczególnie przy obniżonym poniżej 3 V napięciu zasilania (dla rodziny HC), ma na tyle długie czasy przełączania, że stają się one niewystarczające dla prawidłowego działania. W efekcie zmuszeni jesteśmy korzystać z droższych i trud­ niej dostępnych układów rodziny Al 1CT i AITC. Wyzsza częstotliwość pracy to także wyż­ sze zapotrzebowanie na energię samego procesora, ale także układów z nim współpracu­ jących. Ale to także wyzsza podatność na zakłócenia, stąd tez. projektując układy pracujące z takimi częstotliwościami, musimy wziąć pod uwagę kilka ważnych wskazówek.

282

AVR. Praktyczne projekty

Kondensatory odsprzęgające C) konieczności zastosowania kondensatorów odsprzęgających była ju z mowa, warto pamiętać, zc każdy układ scalony powinien mieć własny kondensator odsprzęgający. podobnie jeśli zastosowany układ ma więcej niż jedno wejście zasilające, to każde z nich powinno posiadać własny kondensator odsprzęgający. Zazwyczaj w tej roli stosuje się warstwowe kondensatory o pojemności 47 - 100 nF cechujące się małym ESR. W apli­ kacjach. w których pobór prądu jest znaczny, dodatkowo dodaje się kondensatory elektrolityczne 4 7 - 1 0 0 pF. tzw. Iow ESR Kondensatory te powinny być umieszczone jak najbliżej nóżek zasilania, a pomiędzy kondensatorem a pinem zasilania nie powinno być przelotki (rysunek 9.6).

R ysunek 9 .6 . R ysunek p o lew ej — błędne połączenie kondensatora odsprzęgające g o C 1. Pom iędzy m ikrokontrolerem a kondensatorem znajdują się przelotki, zm ieniające w łości w ości ścieżek łączących E w en tu a ln e przelotki n o le iy um ieścić tak ja k na rysunku z p ra w ej strony, ścieżka łącząca kondensator z m ikrokontrolerem m a dzięki tem u m inim alną długość i rezy stancję

Jak widać na rysunku 9.7, w przypadku dużych m ikrokontrolerów w obudow ach 100nózkowych praktycznie nie obejdzie się bez konieczności zastosowania płytki co najmniej dwustronnej. Ewentualne przelotki łączące kondensatory odsprzęgające należy umieścić lak. aby pomiędzy kondensatorem a mikrokontrolerem leh nie było. R ysunek 9 .7 . Rozm ieszczenie kondensatorów

odsprzęgających ii’ p rz\p a d k u m ikrokontrolera

XMEGAI28.il. P o tl m ikrokontrolerem dobrze j e s t um ieścić płaszczyznę m a sy (na rysunku jed n o lic ie w yszarzone tło)

Rozdział 9. ♦ Potrzebuję więcej mocy — słów kilka o konfiguracji zegara

283

Prowadząc ścieżki masy i zasilania, należy pamiętać, aby miały one odpowiednią grubość, a także aby prow adziły do układu m ożliw ie najprostszą drogą. Stąd też najlepiej jest płaszczyzny zasilania rozlewać po całej płytce, pam iętając jednak, aby poszczególne pola były ze sobą dobrze połączone. Niedopuszczalna jest sytuacja, w której poszczególne pola zasilania połączone są pojedynczą ścieżką o nieznacznej grubości. W przypadku wykorzystania ADC i innych komponentów analogowych należy pamiętać o rozdzieleniu zasilania części analogowej i cyfrowej. Dzięki temu będzie łatwiej filtrować zasilanie części analogowej, nie będą do niej przedostawać się też zakłócenia o szerokim spektrum generowane w części cyfrowej urządzenia Podobnie jeśli w urządzeniu wyokizystujemy elem enty pobierające znaczną moc, należy' doprow adzić do nich oddzielne zasilanie. W arto pamiętać, ż.c ścieżki zasiniania m ogą stanow ić też istotne źródło zakłóceń Stąd też obok ścieżek przew odzących znaczne prądy nie należy prow adzić sygnałów , szczególnie analogow ych. D oprow adzi to do indukow ania się w nich zakłóceń Prow adząc zasilanie, należy pamiętać, aby prowadzić je w topologii gwiazdy — od jednego punktu niezależne ścieżki do każdego odbiornika, nie należy prowadzić zasilania szeregow o poprzez kolejne odbiorniki. Spow oduje to przepływ całego prądu przez pojedynczą ścieżkę i pogorszy warunki zasilania. W arto też pamiętać, że ścieżki, którymi przesyłamy sygnały o częstotliwości kilku - kilkunastu MI Iz, powinny być jak najkrótsze, w arto zbadać ich przebieg, szczególnie kiedy korzystamy z autoroutera — nawet na płytce o rozm iarach 10 na 10 cm potrafi on prow adzić ścieżki naokoło: ich długość m oże sięgać 30 cm i więcej. W arto leż otaczać polem masy ścieżki i szczególnie w rażliw e lub mogące generować zakłócenia fragm enty układu Takim polem warto otoczyć okolice generatorów zegara, w tym generatora RTC — jest on szczególnie wrażliwy na zakłócenia.

Rozdział 10.

Przerwania i kontroler przerwań P rz e rw a n ia Przerwania są jednym z najważniejszych elementów w święcie mikrokontrolerów, z dru­ giej strony ich poprawne wykorzystanie i oprogramowanie nastręcza najwięcej trudności. Rozdział ten w iększość z nich pow inien w yjaśnić i zachęcić nas do szerokiego stoso­ wania narzędzia, które w łaściw ie w ykorzystane daje niesam ow ite m ożliw ości. Jest to o tyle istotne, że przykłady znajdujące się w kolejnych rozdziałach w znakomitej większo­ ści bazują na przerw aniach.

Czym są przerwania? N a to pytanie najprościej odpowiedzieć, pokazując przykład z życia codziennego. W y­ obraź sobie, że grasz w sw oją ulubioną grę i nagle dzw oni telefon. W tym m om encie istnieją dw ie możliwości: 1. Zignorow anie telefonu (brak odpow iedzi na przerw anie). 2. O debranie telefonu (obsługa przerwania). Jednak trudno jest jednocześnie skupić się na dw óch różnych rzeczach (np. grze we w ciągającą grę i rozmowie przez telefon). Trzeba więc je zrobić sekwencyjnie — prze­ rwać grę, zatrzym ać j ą w pewnym punkcie (np. zapisać stan gry), a następnie odebrać telefon i rozpocząć rozm owę. Po jej zakończeniu m ożna w rócić do przerwanej gry, odtw arzając jej stan np. z zapisanego pliku na dysku. D okładnie tak samo w ygląda obsługa przerwań w święcie mikrokontrolerów. Ponieważ C PU mikrokontrolera XMEGA w danym czasie potrafi realizow ać tylko jed en w ątek, na czas przerw ania jeg o w yko­ nanie musi zostać przerwane, a jeg o stan zapisany. Dzięki tem u procesor będzie mógł rozpocząć realizację innego wątku (obsługi przerw ania) — rysunek 10.1.

286

AVR. Praktyczne projekty

Rysunek 1 0 .1 . Po otrzymaniu sygnału przerwania procesor przerywa bieżący wątek i rozpoczyna funkcją obsługi przerwania. Po je j zakończeniu wraca do przerwanego wcześniej wątku

P ro g ra m

F u n k c je o b s łu g i

g łó w n y

p rze rw a ń

W prawdziwym świecie potrzebujemy na zmianę wykonywanego zadania pewien czas (zapisanie gry i podniesienie słuchawki), także m ikrokontroler potrzebuje trochę czasu na obsłużenie przerwania. Czas ten — nazywany czasem latencji (ang. Latency time) — je st mu potrzebny na dokończenie aktualnie w ykonyw anej instrukcji oraz zapisanie stanu bieżącego w ątku (autom atycznie zapisyw any je st w yłącznie rejestr stosu SP), dzięki temu po zakończeniu obsługi przerwania będzie mógł go wznowić. Z drugiej strony funkcja obsługi przerw ania (ISR, ang. Interrupt handler/service routine) też potrze­ buje trochę czasu — w tak zw anym prologu funkcji (generow anym autom atycznie przez kom pilator) zapisyw ane s ą w szystkie rejestry procesora, które funkcja zmienia. Przed jej zakończeniem ich stan jest odtw arzany w czasie w ykonyw ania tzw. epilogu funkcji (on rów nież je st generow any autom atycznie przez kom pilator). Dzięki temu przerw any w ątek je st w znaw iany w dokładnie takim sam ym stanic, w jakim został przerwany — a więc z jego punktu widzenia procesor zachow uje się tak, jakby prze­ rwania w ogóle nie było.

Wskazówka

P a m ię ta j, że k o m p ila to r g e n e ru je w yłączn ie kod za ch o w u ją cy sta n rejestró w p ro c e s o ­ ra. J e ś li fu n k c ja z m ie n i s ta n tzw . re je stró w 10 lu b p a m ię c i, to n ie z o s ta n ie on o d ­ tw o rzo n y po w yjściu z fu n k c ji o b s łu g i prze rw an ia.

Przerwania maskowalne W róćm y jeszcze do przedstaw ionej wcześniej analogii. W chw ili zgłoszenia przerw a­ nia (usłyszenia dzwonka telefonu) mamy możliwość zignorow ania tego sygnału (żąda­ nia przerw ania, ang. Interrupt reąuest) lub rozpoczęcia czynności przygotow ujących do obsługi tego zdarzenia. Podobny wybór ma także procesor. Przerwania m ożna za­ blokować całkowicie, co jest realizowane poprzez w yzerow anie specjalnej flagi (I, ang. Interrupt) rejestru stanu procesora instrukcją CLI (w języku C jej odpow iednikiem jest m akrodefinicja c li ()); m ożna je także odblokow ać instrukcją asem blera SEI (w C jej odpowiednikiem je st sei ()). Przerwania, które możem y blokow ać, nazywane są p rze­ rw an iam i m askow a lny mi

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

Wskazówka

287

P o z a b lo k o w a n iu p rze rw a ń n ie b ę d ą o n e o b s łu g iw a n e , le c z c ią g le p r o c e s o r b ę d z ie za p a m ię ty w a ł fa kt, że o d p o w ie d n ie ż ą d a n ia z o s ta ły z g ło s z o n e , z o s ta n ą o n e zre a lizo ­ w a n e z a ra z po o d b lo k o w a n iu p rze rw ań .

Przypomina to trochę sytuację, w której grając, co prawda nie odebraliśm y telefonu, ale zerknęliśm y, aby spraw dzić, kto dzw onił. Po zakończeniu g ry (o ile będziem y o tym ciągle pam iętać) m ożem y do takiej osoby oddzw onić. D okładnie tak sam o zachow ują się żądania przerwań w sytuacji, gdy przerw ania są zablokow ane — zostaną one zreali­ zow ane w chwili, w której obsługa przerw ań zostanie ponow nie w łączona. Jednak pro­ cesor ma ograniczone zdolności do zapamiętywania żądań przerwań. Zazwyczaj z każ­ dym źródłem przerw ań zw iązana je st flaga określająca, czy dane żądanie w ystąpiło, czy nie. Jedna flaga przechow ująca inform ację bitow ą nie je s t w stanie zapam iętać, ile żądań przerw ań z danego źródła zostało zgłoszonych — w efekcie jeśli żądań było w ięcej niż jedno, po odblokow aniu przerw ań zostanie zrealizow ane w yłącznie jed n o — o pozostałych procesor ,^zapomni”. Wracając do naszej analogii, sytuacja wygląda tak, jakby osoba o danym num erze telefonu dzwoniła do nas w ielokrotnie. N iezależnie od tego, ile razy zadzw oni, to i tak oddzw onim y w yłącznie raz.

Przerwania niemaskowalne Jednak przerw ania w życiu codziennym m ają ró żn ą w agę. O ile m ożem y zignorow ać dzw oniący telefon, to nie pow inniśm y zignorow ać np. inform acji z naszego U PS-a, że kończy się zasilanie i kom puter za chw ilę zostanie w yłączony. Zignorow anie takiego ostrzeżenia może zakończyć się katastrofą (np. niezapisaniem stanu gry i utratą dotych­ czasowych osiągnięć). Mikrokontrolery XM EGA również dysponują taką „gorącą linią” — są to tak zw ane przerw ania niem askow alne (N M I, ang. N on-m askable interrupts). Jak sam a nazw a w skazuje, przerw ań tego typu nie da się zablokow ać. Ich w ystąpienie je st zw iązane z zajściem jakich ś krytycznych zdarzeń, które nie m ogą pozostać bez obsługi. Dla X M EG A jedynym takim krytycznym zdarzeniem je st uszkodzenie ze­ w nętrznego rezonatora kw arcow ego, co pow oduje utratę źródła sygnału zegarow ego. Co praw da procesor X M EG A ciągle potrafi w takich okolicznościach praw idłow o działać, lecz program pow inien podjąć jak ieś działania — np. poinform ow ać użyt­ kow nika o uszkodzeniu części układu elektronicznego.

Źródła przerwań W m ikrokontrolerach X M E G A każdy układ peryferyjny m oże być źródłem jednego lub więcej przerw ań. N ajczęściej w ykorzystyw ane są przerw ania generow ane przez: ♦ porty IO (określony poziom logiczny na pinie IO lub je g o zm iana); ♦ A D C (zakończenie konw ersji, określony w ynik porów nania uzyskanej w artości ze w zorcem ); ♦ tim ery (przerw ania przepełnienia licznika, osiągnięcie p rzez licznik określonej w artości lub reakcja na zdarzenie zew nętrzne);

288

AVR. Praktyczne projekty

♦ interfejsy kom unikacyjne (U SA R T, SPI, I2C) określające w ysłanie lub odebranie porcji danych; ♦ DMA — określające gotow ość na transfer kolejnej porcji danych. Inne układy peryferyjne, takie jak kontroler pamięci EEPR O M , FLASH, moduł krypto­ graficzny i inne, rów nież m ogą być źródłem przerw ań. A by móc z nich skorzystać, m usim y przeprow adzić kilka etapów zw iązanych z ich konfiguracją.

K o n fig u ra c ja i o b s łu g a p rze rw a ń Podsystem przerw ań to układ, który w stosunku do innych rodzin A V R uległ olbrzy­ mim zm ianom . Dzięki tem u X M EG A dysponują uniw ersalnym kontrolerem , zdolnym realizow ać przerw ania o różnych priorytetach, a także rozstrzygać konflikty pom iędzy przerw aniam i zgłaszanym i jednocześnie. D obre zapoznanie się z podsystem em PM IC (ang. Program m able m ulti-level interrupt controller) i um iejętność w łaściw ego w y­ korzystania i zrozum ienia przerw ań gw arantuje sukces w św iecie m ikrokontrolerów . A by odblokow ać przerw ania w X M EG A , m usim y spełnić kilka w arunków : ♦ należy napisać funkcję obsługi przerw ania i pow iązać j a z odpow iednim w ektorem przerw ania; ♦ należy ustalić poziom i odblokow ać m ożliw ość zgłaszania przerw ania przez w ybrany układ peryferyjny; ♦ należy zezw olić na dany poziom przerw ań w kontrolerze PM IC; ♦ należy odblokow ać globalną flagę zezw olenia na przerw ania. W idzim y, że procedura ta je st w ieloetapow a i pozornie skom plikow ana, jed n ak aby osiągnąć sukces z przerw aniam i, należy dobrze przem yśleć każdy z w ym ienionych kro­ ków. W dalszej części rozdziału zostaną szerzej om ów ione poszczególne punkty zw ią­ zane z konfiguracją i obsługą przerw ań. W dalszej części książki zostaną też pokazane liczne przykłady praktycznego użycia przerw ań.

Czas odpowiedzi na żądanie przerwania Pomiędzy zajściem zdarzenia w yw ołującego przerw anie a je g o obsługą przez m ikro­ kontroler m ija pew ien czas. Jest on zależny od aktualnego stanu m ikrokontrolera (od tego, ja k ą realizuje instrukcję). W zw iązku z tym czas odpow iedzi nie je st stały, co w pew nych zastosow aniach m oże m ieć znaczenie. Jeśli czas odpow iedzi musi być stały, m usim y zastosow ać specjalne techniki. W X M EG A od chwili zgłoszenia prze­ rwania do chwili wejścia do funkcji jeg o obsługi m ija co najmniej 8 cykli, z czego 5 cy­ kli zajm uje odłożenie na stosie adresu pow rotu, a kolejne 3 cykle zajm uje w ykonanie instiukcji skoku znajdującej się pod adresem danego w ektora przerw ania do funkcji

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

289

obsługi przerwania. Kiedy procesor w chwili zgłoszenia przerw ania wykonuje in­ strukcję zajm ującą więcej niż jeden cykl, to przed wejściem w przerwanie instrukcja ta jest najpierw kończona, co wydłuża czas potrzebny do w ejścia do funkcji obsługi prze­ rwania. Każda funkcja obsługi przerw ania musi kończyć się specjalną instrukcją asem blera RETI — dzięki temu PM IC wie, że realizacja odpow iedniej funkcji uległa zakończeniu, i może przygotow ać się do obsługi kolejnego przerwania.

Wskazówka

K o m p ilu ją c kod o b słu g i przerw ania w ję zy k u C, k o m p ila to r s a m za d b a o w ła ściw e za k o ń cze n ie funkcji o bsługi przerw ania. Je d n ak w ym aga to użycia sp e cja ln e g o m akra ISR, in fo rm u ją c e g o k o m p ila to r, że m a d o c z y n ie n ia z fu n k c ją o b s łu g i prze rw an ia.

W yjście z funkcji obsługi przerw ania trwa kolejne 5 cykli — w tym czasie procesor pobiera ze stosu adres powrotu i ładuje go do licznika rozkazów oraz odtwarza wartość wskaźnika stosu.

Funkcja obsługi przerwania Przed odblokowaniem danego przerwania musimy określić funkcję, która będzie odpo­ wiadać za jego obsługę. Funkcje obsługi przerwań, tzw. handlery (ang. Interrupt sernice routines, interrupt handlers), m uszą być „opakowane” w specjalne atrybuty informujące kompilator, że jest to specjalna funkcja i należy j ą skompilować w inny sposób niż zwykłe funkcje języka C. Ponieważ standard języka C nie definiuje sposobu, w jaki m ają być przez kom pilator traktow ane takie funkcje, ani nawet nie określa, w jaki sposób je w yróżnić, każdy kom pilator cechuje się nieco innym podejściem . Aby nic wchodzić w zbędne szczegóły, w ystarczy pow iedzieć, że avr-gcc w ym aga, aby funkcje obsługi przerw ań były w yróżnione atrybutem in te r r u p t, w ym agającym kilku parametrów, m.in. numeru wektora przerwań, z którym dana funkcja zostanie pow iązana. Jednak AVR-libc w prow adza w ygodne makro o nazwie ISR. Dzięki temu w najprostszym przypadku funkcję obsługi przerw ania definiuje się poprzez podanie nazwy wektora przerw ania, którego obsługą ma zająć się pisana funkcja: ISRCTCCO 0VF_vect)

{ 1 f(A C A _ S T A T U S & AC ACOSTATE bm) PORTA.OUTSET-ObOlOOO OOO: e l s e PORTA.OUTCLR-ObOlOOOOOO:

} Pow yższy przykładow y kod będzie w ywoływany, zawsze kiedy wrystąpi przerw anie nadm iaru timera TCCO1.

Wskazówka

Pam iętaj, że funkcje obsługi przerw ań nie w ym agają w cze śn ie jsze g o utw orzenia proto­ typu funkcji. Nigdy w ięc ich prototypów nie u m ie szcza s ię w p lika ch nagłówkowych.

Należy też zawsze sprawdzić popraw ność pisowni makra ISR — zam iana literek spo­ w oduje, że kom pilator skom piluje kod, tworząc funkcję dom yślną, jednak nie będzie to funkcja obsługi przerw ania i nic zostanie ona pow iązana z odpowiednim wektorem. i

O ile odblokujem y ta k ą m ożliw ość.

290

AVR. Praktyczne projekty

W cfckcic program nic będzie działał zgodnie z założeniam i. Jeśli na przykład zm ie­ nim y pokazaną w cześniej funkcję na: I R S (T C C O _ O V F _ v e c t)

{ if( A C A _ S T A T U S & AC_ACO STATE_bm ) PO R TA.O U TSET= 0b0100000O : e l s e P O R T A.0 U T C LR = 0 b0 1 0 0 0 0 0 0 :

} to otrzym am y tylko ostrzeżenia: W a r n in g W a r n in g W a r n in g

1 2 3

r e t u r n t y p e d e f a u l t s t o ' i n t ' [ e n a b le d b y d e f a u l t ] t y p e c f ' _ v e c t o r _ 1 4 ' d e f a u l t s t o ' i n t ' [ e n a b le d b y d e f a u l t ] c o n t r c l r e a c h e s en d o f n o n - v o id f u r e t i o n [ - W r e t u r n - t y p e ]

Dzieje się tak, ponieważ kompilator tworzy dom yślną funkcję, a funkcje takie w języku C zw racają jeden w ynik o typie in t. Takie ostrzeżenia łatw o przegapić, tym bardziej źc jeśli program składa się z wielu plików źródłowych, zostaną one w ygenerowane w y­ łącznie w sytuacji, gdy kom pilow any je st plik zaw ierający pow yższą definicję.

Wskazówka

J e s t to je s z c z e je d e n pow ód, ab y p is a ć program y ta k , aby po k o m p ila cji było za w sze O b łę d ó w i O o s trz e ż e ń . J e ś li n ie b ę d z ie m y s ię trzy m a ć te j z a s a d y , to w g ą s z c z u in n ych o s trz e ż e ń p o ja w ie n ie s ię ta k ie g o ja k p o w y ższe ła tw o p rze o czy ć. W ykrycie m ie js c a b łę d n e g o d z ia ła n ia p ro g ra m u b ę d z ie e k s tr e m a ln ie tru d n e .

Jak w idzim y, każda funkcja obsługi przerw ania pow iązana je s t z tzw. w ektorem prze­ rwania. Każdy układ m ogący generow ać przerw anie posiada przeznaczony w yłącznie dla niego w ektor przerw ania. Jeśli układ peryferyjny może generow ać kilka typów przerw ań, to zazw yczaj posiada oddzielne w ektory dla każdego typu.

Wektory przerwań U kłady peryferyjne posiadają przypisane im tzw. w ektory obsługi przerw ań (ang. ISR vectors). Każdy podsystem posiada jeden lub więcej takich w ektorów . Zgłoszenie prze­ rwania pow oduje w yw ołanie funkcji obsługi przerw ania (ISR ) pow iązanej z jego w ektorem (rysunek 10.2). Rysunek 10 .2 . Zgłoszenie przerwania (1RQ2) powoduje przerwanie aktualnego wątku i odczytanie wektora przerwania z nim powiązanego (ISR2_vect). Wektor ten zawiera adres funkcji obsługi przerwania (ISR2). Po je j zakończeniu wznawiane je st wykonywanie przerwanego wątku

P ro g ra m g łó w n y

W e k to ry fu n kcji ob słu g i

Funkcje ob słu g i przerw a ń

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

291

W szystkie w ektory są zgrupow ane razem , tw orząc tzw . tablicę w ektorów przerw ań (ang. Interrupt vector table, IVT). Tablica ta rozpoczyna się na początku pamięci FLASH (od adresu 0x0002), ale je j początek m oże być zm ieniony n a początek sekcji tzw. bootloadera — w ydzielonego obszaru pam ięci, w którym rezyduje program um ożliw iają­ cy zm ianę pozostałej części pam ięci FL A SH — w celu np. uaktualnienia znajdującej się w niej aplikacji. Tabelę w ektorów przerw ań m ożem y przenieść do obszaru bootloadera, ustaw iając bit IVSEL rejestru kontrolnego PMIC (PMICCTRL) — rysunek 10.3. BO OTRST=l IVSEL=0) IVT

FLASH 0x0000

RESET v e ct ISR1 v e ct ISR2 v e ct

0x0002

B O O TR S T= l IVSEL=1) IVT

BOOTRST=0 IVSE L=0) IVT

| RESET_vect ISR1 v e ct ISR2 vect

...

...

IS R (n -l) vect ISR(n) v e ct

IS R (n -l) vect ISR(n)_vect

B o o t lo a d e r B o o t lo a d e r ♦ 0 x 0 0 0 2

BOOTRST=0 IVSEL=1) IVT

| RESET v e c t | ISR1_ y e c t ISR2 v e ct

RESET vect ISR1 vect ISR2 v e ct

...

...

IS R (n -l) vect ISR(n) v e ct

IS R (n -l) v e ct ISR(n) vect

Rysunek 1 0 .3 . Położenie wektora RESET i tablicy wektorów przerwań (IVT) w zależności od ustawienia fusebitu BOOTRST i bitu konfiguracyjnego IVSEL Tu jednak m ogą kryć się pew ne problem y. O tóż bit konfiguracyjny IVSEL je st chroniony przed zm ian ą za po m o cą znanego ju ż nam rejestru ochrony konfiguracji CCP. A by go zm ienić, m usim y w cześniej do rejestru CCP w pisać odpow iedni kod odblokow ujący — w artość 0xD8 lub sym bolicznie CPPIOREGgc. Jednak zm ieniając bit IVSEL, nic chcem y zmieniać stanu innych bitów tego rejestru. W tym celu naturalna wydaje się być sekwencja: CCP-CCP_IOREG_gc; PMIC_CTRL | =PMIC_I VSEL_txn;

//Odblokuj możliwość zmiany IVSEL //Przenieś IVT w obszar normalnej pamięci FLASH

N iestety pow yższy kod, o czym łatwo m ożem y się przekonać w symulatorze, nie spow o­ duje zm iany stanu bitu IVSEL. Przyczyna tego staje się ja śn iejsz a po przeanalizow aniu w ygenerow anego dla pow yższych instrukcji kodu asem blerow ego: CCP-CCP I0REG_gc: //Odblokuj możliwość zmiany IVSEL 226: 94 bf out 0x34. r25 ; 52 PMIC_CTRL | -PMIC_IVSEL_bm; //Przenieś IVT w obszar normalnej pamięci FLASH 80 81 ld r24. 2 228: 22a: 80 64 ori r24. 0x40 ; 64 22c: 80 83 st Z. r24 Rejestr CCP po odblokowaniu zezwala na zm ianę konfiguracji rejestru IO w czasie m ak­ sym alnie 4 kolejnych cykli zegara. N iestety kod zm ien iający stan IVSEL trw a znacznie

292

AVR. Praktyczne projekty

dłużej, w efekcie zmiana jest nieskuteczna. M usimy więc nieco zmodyfikować sposób zm iany stanu IVSEL: U in t8 _ t tmp=PMIC_CTRL | PMIC_IVSEL_błn: //Przenieś IVT w obszar bootloadera CCP-CCP_10REG_gc: //Odblokuj możliwość zmiany IVSEL PMIC_CTRL=tmp;

Tym razem now a w artość w pisyw ana do rejestru PMIC CTRL została przygotow ana przed wpisaniem zezwolenia na zmianę konfiguracji do rejestru CCP. W efekcie wygenerowany kod działa praw idłow o i m ieści się w lim icie czterech cykli: u in t8 t tmp-PMIC CTRL 1 PMIC IVSEL bm: //Przenieś IVT w obszar 162 218: e2 ea r30. 0xA2 1d i 21a: fO eO r31. 0x00 .0 1d i 21c: 80 81 r24. Z ld o ri r24. 0x40 64 21e: 80 64 //Odblokuj możliwość zmiany LVSF.I. CCP-CCP ICREG gc: 220: 98 ed 216 ld i r25. 0xD8 0x34. r25 222: 94 b f out 52 PMIC CTRl-tmp: 224: 80 83 Z. r24 st

W podobny sposób m ożem y także skasow ać bit IVSEL: tmp=PMIC_CTRL&-PMIC_I VSEL_bm: //Przenieś IVT w obszar normalnej pamięci FLASH CCP“ CCP_ IOREG g c ; //Odblokuj możliwość zmiany IVSEL PMIC_CTRL-tmp:

Pow iązanie pom iędzy w ektorem przerw ania a funkcją obsługi przerw ania dokonyw ane je st na etapie konsolidacji program u. A by to było m ożliw e, ja k o argum ent m akra ISR m usim y podać popraw ną nazw ę w ektora przerw ania, dzięki czem u linker w ygeneruje kod odpow iedzialny za w yw ołanie naszej funkcji.

Puste wektory przerwań K a ż d e o d b lo k o w a n e p rz e rw a n ie m u s i p o s ia d a ć fu n k c ję je o b s łu g u ją c ą . Wskazówka

Stąd też nigdy nie pow inniśm y odblokow yw ać przerw ania, je śli z je g o w ektorem nie jest pow iązana żadna funkcja obsługi. Dom yślnie A VR-libc dba, aby z każdym niew y­ korzystanym w ektorem pow iązana była prosta funkcja obsługi. Funkcja ta o etykiecie __bad i n t e r r u p t ma prostą budow ę: 0000023e <__b a d _ in te rru p t> : 23e: Oc 94 00 00 jmp

0

: 0x0 <

ve ctors>

Jak w idzim y, jej zadaniem je st skok pod adres w ektora resetu procesora. W efekcie jeśli odblokujemy przerwanie, dla którego nie ma funkcji go obsługującej, kontrolę przej­ m ie dom yślna funkcja. Stąd też jeśli takie przerw anie zostanie obsłużone, to spowoduje ono reset procesora. Jest to jak ieś rozw iązanie, lecz nie je st o n o zbyt optym alne — ta­ kie zachow anie tak naprawdę nie prow adzi do resetu, lecz do rozpoczęcia w ykonyw ania program u od now a. N ic je st to w stanic rozw iązać problem u, a naw et potencjalnie

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

293

m oże problem nasilić — w w yniku takiej inicjalizacji nie je s t przyw racany stan po ­ czątkow y urządzeń peryferyjnych, w tym urządzeń m ogących generow ać przerw ania. W złożonych program ach m oże prow adzić to do kom pletnej katastrofy. O czyw iście w popraw nie napisanym program ie nigdy nie pow inno dojść do sytuacji, w której od­ blokowane jest przerwanie bez funkcji jego obsługi. Lecz wystarczy pomylić się w nazwie w ektora lub zastosow ać niew łaściw y w ektor, aby popaść w problem y. Jak je rozw ią­ zać? T u znow u z pom ocą przychodzi nam A V R -libc. U m ożliw ia ona im plem entację w łasnej dom yślnej funkcji obsługi przerw ań, w tym celu n ależy ją tylko zdefiniow ać: IS R (B A D IS R _ v e ct)

{

//Tu należy umieścić własną domyślną obsługę

) Tak zdefiniow ana funkcja będzie w yw oływ ana w sytuacji, w której brakuje w łaściwej funkcji obsługi przerw ania. M ożem y w niej zdefiniow ać sposób reakcji na taką błęd­ n ą sytuację, np. zasygnalizow anie w ja k iś sposób problem u lub w ysłanie inform acji do program isty o zaistniałej sytuacji. Funkcja taka ma szczególne znaczenie na etapie debugow ania kodu, kiedy tego typu błędy m ogą się zdarzyć. Jej w łaściw a im plem en­ tacja m oże zaoszczędzić nam sporo czasu przy debugow aniu kodu stw arzającego problem na przykład na skutek błędnie zapisanego w ektora przerw ania.

Puste przerwania W pew nych sytuacjach odblokow ujem y przerw anie, lecz w cale nie chcem y go obsłu­ giw ać. D laczego? W yw ołanie przerw ania ma zw ykle jed en istotny skutek — w ejście do funkcji je g o obsługi kasuje flagę zw iązaną z danym przerw aniem . I czasam i ska­ sow anie tej w łaśnie flagi je st istotne. O czyw istym rozw iązaniem je st zdefiniow anie funkcji obsługi niezaw ierającej żadnych instrukcji: ISR( TCCO_CCA_vect) { } :

N ic je st to jednak dobre rozw iązanie — kom pilator dla tak zdefiniow anej funkcji ob ­ sługi w ygeneruje m inim alny prolog i epilog: I S R ( T C C O _ C C A _ v e c t) { } :

25c 25e 260 262 264 266 268 26a 26c 26e

If Of Of Of 11 Of Of Of lf 18

92 92 b6 92 24 90 be 90 90 95

push rl push rO in rO. 0 x3 f push rO eor r l. r l pop rO out 0 x 3 f. rO pop rO rl pop re t i

Tw órcy A V R -libc przew idzieli tę sytuację i zdefiniow ali specjalne m akro, które jak o argum ent przyjm uje nazw ę w ektora: EMPTY_INTERRUPT(TCCO_CCA_vect):

294

AVR. Praktyczne projekty

Tak w ygenerow any kod ciągle nie je st optym alny, ale je st zdecydow anie lepszy niż poprzedni: E M PT Y _ IN T E R R U PT ( T C C O _ C C A _ ve c t ) : 262:

18 95

re ti

W tym przypadku obsługa przerw ania składa się z dw óch instrukcji — jmp/rjmp um ieszczonej pod adresem w ektora oraz r e t i kończącej przerw anie. D alsza optym a­ lizacja w ym agałaby bezpośredniej ingerencji w podstaw ow e funkcje biblioteki i za­ zwyczaj nie ma większego sensu. W arto je d n a k pam iętać, że wy konanie naw et pustej fu n k c ji o b sługi p rz e rw a n ia z a jm u je p a rę ta k tó w p ro c e so ra .

Współdzielenie kodu przez przerwania Czasami zdarza się, że ten sam kod obsługi przerwania m ożem y wykorzystać dla różnych przerw ań. W takiej sytuacji zgodnie z duchem języ k a C pow inniśm y w spółdzielony kod um ieścić w zewnętrznej funkcji, którą będziem y w yw oływ ać z obu funkcji obsługi przerw ania, np.: v o i d sha re d _ c o d e { )

//K o d w spółdzielony p rzez dw ie fu n kcje

{ } I S R ( T C C O _ C C A _ v e c t)

{ sh a re d _ cc d e ():

}: I S R ( T C C O _ C C B _ v e c t)

{ sh a re d _ cc d e ():

}: W idzim y, że obie funkcje obsługi w ykorzystują ten sam kod. R ozw iązanie to je st jak najbardziej popraw ne, lecz niezbyt optym alne. D laczego? Po pierw sze, nasza funkcja shared code m oże zostać osadzona w m iejscu w yw ołania, c o w ydłuży w ygenerow any kod. Jeśli z kolei nie zostanie osadzona, to zostanie w ygenerow ane jej w yw ołanie ze w szystkim i tego konsekw encjam i (czas potrzebny na skoki, konieczność zachow ania stanu niektórych rejestrów ). W obu sytuacjach zostaną w ygenerow ane osobne prologi i epilogi funkcji, które ja k w idzieliśm y na poprzednich przykładach, byw ają długie. Czyli obie sytuacje nie są optym alne. T u znow u m am y rozw iązanie eleganckie. Zakła­ dając, że m am y zdefiniow aną funkcję obsługi przerw ania o w ektorze TCCO_CCA_vect, a funkcja o w ektorze TCCO_CCB_vect je st identyczna, m ożem y j ą zdefiniować, w ykorzy­ stując m ożliw ość tw orzenia aliasów: I S R ( T C C 0 _ C C B _ v e c t. I$ R _ A L I A S O F ( T C C O _ C C A _ v e c t) ) :

A lias pow oduje, że dw a w ektory przerw ań w skazują na tę sam ą funkcję, nie są w ięc generowane oddzielne prologi i epilogi, a powstały kod jest optymalny. W naszym przy­ padku oba użyte w ektory b ęd ą w skazyw ać na tę sam ą funkcję obsługi, dzięki um iesz­ czeniu w tabeli w ektorów przerw ań instrukcji skoku do tego sam ego handlera: 40: 44:

0 c 94 3 1 01 0 c 9 4 3 1 01

jm p jm p

0x262 0x262

; 0x262 < __ vector_16> ; 0x262 <__ vector_l6>

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

295

Atrybut naked i obsługa przerwań w asemblerze Procedura obsługi przerw ania pow inna być m ożliw ie najkrótsza. Z apew nia to bez­ problem ow ą obsługę przerw ań. A by m ieć p ełn ą kontrolę n ad kodem w ygenerow anym przez kom pilator, czasam i trzeba napisać procedurę obsługi przerw ania w asem blerze. Kod asem blerow y m ożem y dodać ja k o krótką w staw kę w procedurze obsługi prze­ rw ania napisanej w języ k u C lub m ożem y c ałą funkcję napisać w asem blerze. N ajpro­ ściej w tym celu w ykorzystać w budow any w kom pilator ję zy k a C asembler. N apisanie ciała funkcji w asem blerze nie daje nam jed n ak kontroli n a d tw orzonym autom atycz­ nie prologiem i epilogiem funkcji, którego celem je st zachow anie stanu w szystkich używ anych rejestrów procesora, w tym szczególnie rejestru stanu procesora (ang. Flags). M ożem y zabronić kom pilatorow i tw orzenia prologu i epilogu, stosując atrybut ISR_NAKED, który je s t zdefiniow any następująco: #

d e f in e

IS R _N A KED

__ a t t r i b u t e __ ( ( n a k e d ) )

Po napotkaniu funkcji z atrybutem naked kom pilator przestaje generow ać dla niej prolog i epilog, o zachow anie stanu rejestrów i ich odtw orzenie musi w ięc zadbać pro­ gram ista. K onsekw encją braku epilogu je st także brak g enerow ania instrukcji pow rotu z przerw ania — r e t i, m usim y sam i zadbać o je j dodanie. Poniew aż pisząc w języ k u C , nie m am y kontroli nad tym , ja k ie rejestry w ykorzysta kom pilator po zdefiniow aniu tego atrybutu, m am y dw ie opcje praw idłow ego napisania funkcji obsługi przerw ania: 1. M ożem y w prologu zacho w ać stan w szy stk ich rejestró w i w epilogu je odtw orzyć. N ie daje nam to jed n ak żadnej przew agi n ad pozostaw ieniem tego zadania kom pilatorow i, a w ięc rozw iązania tego nigdy nie stosujem y. 2. C ałe ciało funkcji będzie napisane w asem blerze, na sto s odkładam y w yłącznie te rejestry, których stan zm odyfikow aliśm y. W idzim y w ięc, źc stosując funkcję z atrybutem naked, w praktyce m usim y całe ciało funkcji napisać w asem blerze2. G en eraln ie w arto pisać w a se m b lerze bardzo krótkie i proste funkcje, które są krytyczne czasow o. D la d łuższych zysk pod po stacią skró­ cenia kodu i skrócenia czasu w ykonania funkcji zw ykle je s t nieistotny. Dla zilustro­ w ania użycia atrybutu naked przeanalizujem y następujący kod: u in t 8 _ t

lic z n ik ;

IS R ( T C C O _ C C A _ v e c t)

{ + + lic z n ik :

}: Stw orzyliśm y p ro stą funkcję, której zadaniem je st po prostu inkrcm entacja zm iennej 1 ic zn i k. Jednak kom pilator generuje dla niej stosunkow o d ługi kod:

2 Jak od każdej reguły, także od tej istnieją wyjątki, kiedy wy korzy stujemy proste funkcje niemodyfikujące rejestrów mikrokontrolera.

296

AVR. Praktyczne projekty

262 l f 92 264 Of 92 266 0 f b6 268 Of 92 26a 11 24 26c 8 f 93 + + 1 ic z n ik : 26e 80 91 05 20 272 8f 5f 274 80 93 05 20

push rl push rO in rO. 0 x 3 f push rO eor r l. r l push r24 ld s subi s ts

r24. 0x2005 r24. 0xFF 0x2005. r24

278 27 a 27c 27e 280 282

pop pop out pop pop re ti

r24 rO 0 x 3 f. rO rO rl

8f Of Of Of lf 18

91 90 be 90 90 95

;

D laczego? W ynika to z założeń ABI kom pilatora. My jed n ak m ożem y lepiej napisać tę funkcję. O ile sam a inkrem entacja zm iennej je st zrealizow ana w sposób optym alny, to problem em je st prolog i epilog funkcji. Stosując atrybut ISR NAKED, m ożem y całą funkcję napisać w asem blerze: ISR( TCCO_CCA_vect. ISR_NAKED)

{ asm v o la t ile ( "push r l \ n \ t " " in r l . 0 x3 f \ n \ t " "push r24 \ n \ t " " ld s r2 4 . lic z n ik \ n \ t " " in c r24 \ n \ t " " s ts lic z n ik . r24 \ n \ t " "pop r24 \ n \ t " "o u t 0 x 3 f. r l \ n \ t " "pop r l \n \t" " re ti \n \t"

): }: W tym przypadku napisaliśmy całą funkcję sami, co nieznacznie j ą skróciło. Ale obsługę przerwania możem y napisać, nie tylko korzystając z w budow anego asemblera; możemy ją um ieścić w osobnym pliku z kodem asem blerow ym (z rozszerzeniem .5). W tym celu w ystarczy dodać do projektu now y plik (w ybieram y plik asem blera), po czym w pisujem y jeg o zawartość: # in c lu d e < a v r /in te r r u p t.h > .g lo b a l TCCO_CCA_vect TCCO_CCA_vect: push r l 1n r l . 0x3f push r24 ld s r24. lic z n ik in c r24 s ts lic z n ik . r24 pop r24

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

□ut pop

297

0 x 3 f. r l rl re t i

Jak w idzim y, do naszego pliku należy dołączyć nagłów ek interrupt.h zaw ierający de­ finicję w ektorów przerw ań (opcjonalnie w arto też dołączyć nagłów ek io.h, co da nam m ożliw ość odw oływ ania się do nazw sym bolicznych rejestrów ). W ektor przerw ania, z którym chcemy powiązać naszą funkcję, nazywa się TCCO_CCA_vect, lecz nie wystarczy zdefiniow ać takiej etykiety. A by była ona w idoczna dla linkera, m usim y uczynić ją etykietą publiczną, co zapewnia słowo .global. Nasz plik zostanie skompilowany z uży­ ciem asem blera i autom atycznie dołączony. W arto jednak zauw ażyć, że niezależnie od tego, czy kod generuje kom pilator, czy sami go tw orzym y, różnica często je st nie­ w ielka lub w ręcz pom ijalna. A im bardziej skom plikow ana je st funkcja obsługi prze­ rwania, tym zazw yczaj m niejszy zysk płynie z jej napisania w asem blerze.

Wskazówka

N ie używ aj w s ta w e k w a s e m b le rz e , j e ś li n ie m a s z n a p ra w d ę d o b rych po w o dó w , by to ro b ić . U tw o rzo n y k o d j e s t m a ło czy te ln y i tru d n o p r z e n ie ś ć g o n a in n y m ik ro k o n ­ tro le r. R z a d k o te ż z y s k c z a s o w y j e s t is to tn y w k o n te k ś c ie c a łe j a p lik a c ji.

Poziomy przerwań X M EGA dysponuje trzema poziomami przerwań umożliwiającymi podzielenie genero­ wanych przerw ań ze w zględu na istotność. Dla każdego źródła przerw ań m oże być określony jeden z trzech poziom ów poprzez złożenie prefiksu określającego źródło przerwań z sufiksem podanym w tabeli 10.1. I tak dla przykładu: przerwania związane z błędem DMA m ają prefiks DMA CH ERR, do którego dodajemy sufiks związany z wybra­ nym poziom em przerw ań, np. INTLVL_L0_gc, co daje nam DMA_CH_ERRINTLVL_LO_gc. Tabela 1 0 .1 . Poziomy przerwań mikrokontrolera XMEGA Poziom przerwania

Symbol

Opis

0

INTLVL_OFF_gc

Dane przerwanie jest wyłączone

1

INTLVL_LO_gc

Przerwanie o niskim priorytecie

2

INTLVL_MED_gc

Przerwanie o średnim priorytecie

3

INTLVt_HI_gc

Przerwanie o wysokim priorytecie

Przerw ania tego sam ego poziom u nie m ogą się w zajem nie przeryw ać (rysunek 10.4). Kolejne przerwanie tego samego poziomu zostanie obsłużone dopiero w chwili zakoń­ czenia aktualnie w ykonyw anego przerwania. Przerw ania o w yższym poziom ie m ogą przeryw ać przerw ania o poziom ie niższym (rysunek 10.5). Odwrotna sytuacja jest niemożliwa. To znaczy, że np. przerwanie o po­ ziomie średnim może zostać przerw ane przez przerw anie o poziom ie w ysokim , ale zgłoszone przerw anie o poziom ie niskim , zanim zostanie obsłużone, musi poczekać na zakończenie obsługi aktualnie w ykonyw anego przerw ania o poziom ie średnim lub w ysokim. Przerw ania o wysokim poziom ie nic nie je st w stanie przerw ać — z w yjąt­ kiem tzw. przerw ania niem askow alnego (NXU)y o którym dow iesz się nieco później.

AVR. Praktyczne projekty

298

Rysunek 1 0 .4 . Przerwania 1RQl i IRQ2 są przerwaniami tego samego poziomu. Żądanie przerwania 1RQ2 zostanie obsłużone dopiero w chwili zakończenia funkcji obsługi wcześniejszego przerwania (funkcja ISRł). Po zakończeniu obu funkcji obsługi (ISRł i ISR2) wznowione zostanie wykonywanie głównego wątku

Program

P ro g ra m g łó w n y

Funkcje obsługi

Funkcje o b słu g i

F u n kcje o b słu g i p rze rw a ń

Funkcje obsługi

Rysunek 10 .5 . Poziomy przerwań. Przerwanie o wyższym poziomie (ISR2, JSR3) może przerwać wykonywanie przerwania o poziomie niższym. Odwrotna sytuacja je st niemożliwa i kolejne przerwanie ISRł musi poczekać, aż zakończy się obsługa wcześniejszych przerwań

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

299

K ażdy podsystem X M E G A m ogący generow ać przerw ania posiada rejestr kontrolu­ ją c y poziom przerw ania, o nazw ie INTCTRL. Jeśli układ peryferyjny m oże zgłaszać więcej przerwań, to rejestrów je kontrolujących jest więcej — zazwyczaj dwa, o nazwach INTCTRLA i INTCTRLB, co um ożliw ia teoretycznie przechow yw anie inform acji o pozio­ m ie 8 różnych przerw ań. R ejestry te zaw ierają dw ubitow e pola — w artość 0 oznacza zablokow anie m ożliw ości zgłoszenia przerw ania, a w artości 1 - 3 określają poziom przerwania (najwyższy poziom to 3). Stąd też aby odblokować przerwania przepełnienia tim era CO i nadać im najw yższy poziom , należy w pisać do rejestru: TCCO.INTCTRLA=TC OVFINTLVL HI gc:

Od tej chwili timer będzie zgłaszał przerwania nadmiaru, co nie znaczy, że będą one ob­ służone — zależy to jeszcze od konfiguracji podsystem u P M IC . Z każdym przerw a­ niem zw iązana je st flaga sygnalizująca jeg o żądanie. Flaga taka m oże być kasow ana program ow o lub sprzętow o w m om encie obsłużenia (w ejścia do funkcji obsługi) przerw ania. Flagi przerw ań zw iązanych z danym układem peryferyjnym zgrupow ane s ą zazw yczaj w jednym rejestrze układu peryferyjnego o nazw ie INTFLAGS.

Wskazówka

K ie d y d a n e p rze rw a n ie n ie j e s t o b s łu g iw a n e (je s t w y łą c zo n e ), o d p o w ia d a ją c a m u fla g a c ią g le j e s t u s ta w ia n a w c h w ili, w któ re j d a n e p rz e rw a n ie m o g ło b y z o s ta ć w y­ g e n e ro w a n e , le c z n ie j e s t k a s o w a n a . S tą d te ż fla g i n ie u ży w a n y c h p rze rw a ń c z ę s to m a ją w a r to ś ć 1.

Flagę pow iązaną z nieobsługiw anym przerw aniem m ożem y skasow ać poprzez zapis w artości 1 do reprezentującego j ą bitu. Po takiej operacji flaga pozostaje skasow ana do m om entu ponow nego zajścia zdarzenia potencjalnie m ogącego w ygenerow ać przerw anie. W iększość flag m oże być także kasow ana w chw ili realizacji dostępu do pow iązanego z flagą układu przez kontroler DM A. Lecz n ie w szy stk ie flagi są p rz e z k o n tro le r D M A z m ie n ian e , ta k im isto tn y m w y ją tk ie m je s t flag a n a d m ia ru (0VF) tim e ra . Flagi m ają jeszcze jedn o zastosow anie. W chw ili zajścia zdarzenia generują­ cego przerw anie dana flaga je st ustaw iana i pozostaje ustaw iona do m om entu je g o ob­ sługi lub programowego skasowania. Dzięki temu nawet jeśli dane przerwanie zostanie zablokowane i w efekcie nie będzie mogło zostać obsłużone, to ustawienie odpowiadają­ cej mu flagi będzie sygnalizowało kontrolerowi przerwań żądanie jego obsługi. W efekcie gdy tylko dane przerw anie zostanie odblokow ane, spow oduje to je g o natychm iastow e zgłoszenie i w yw ołanie odpow iedniej funkcji obsługi. Stąd też funkcja obsługi prze­ rwania może być wywołana w stosunku do pojawienia się żądania z dużym opóźnieniem. W efekcie jej w yw ołanie m oże stracić sens. W takiej sytuacji przed odblokow aniem danego przerw ania w arto w cześniej skasow ać o dpow iadającą mu flagę. Z faktu, że inform acja o żądaniu przerw ania zapisyw ana je s t w postaci flagi, w ynika jeszcze jed n a ważna rzecz. Jeśli od m om entu zgłoszenia pierw szego żądania do chw ili je g o obsługi pojaw i się w ięcej żądań, to zostaną one zgubione, w efekcie m im o w ielokrotnych żądań przerw anie zostanie obsłużone jed n o k ro tn ie — m ikrokontroler nie m a m ożliw ości stw ierdzenia, ile razy zgłaszane było żądanie. Jak w idzim y, każdy układ peryferyjny m a w łasne rejestry' kontrolne odpow iedzialne za m ożliw ość odblokow ania przerw ań i określenia ich poziom u. Jednak aby przerwania

300

AVR. Praktyczne projekty

danego poziom u mogły być obsługiw ane, należy taką m ożliw ość odblokow ać w kon­ trolerze PM IC. M ożna tego dokonać, ustaw iając jeden z bitów kontrolnych (HILVLEN, MEDLVLEN lub L0LVLEN) rejestru kontrolnego (PMIC.CTRL): P M IC _ C T R l |-P M IC _ L C L V L E N _ b m : PM IC_CT RL j -PM IC_M EO LV LEN _bm : P M IC _ C lR L |= P M lC _ H IL V L L N _ b m :

Wskazówka

//Odblokujprzerwania o niskim poziomie //Odblokujprzerwania o średnim poziomie //Odblokuj przerwania o wysokim poziomie

J e ś li p rze rw a n ie d a n e g o p o zio m u w k o n tro le rze P M IC n ie b ę d z ie o d b lo k o w a n e , to p o m im o że z o s ta n ie o n o zg ło szo n e przez u kła d peryferyjny, n ie z o s ta n ie o b s łu żo n e .

K ontroler PM IC kontroluje w yłącznic poziom przerwania, n ic je st dla niego istotne jeg o źródło. Stąd też jeśli odblokujem y kilka przerw ań tego sam ego poziom u w róż­ nych układach peryferyjnych, to w szystkie one będą pod kontrolą tego sam ego bitu kontrolera PMIC. Dzięki temu łatwo możem y odblokow ać lub zablokow ać zgłaszanie przerw ań danego poziomu.

Przerywanie przerwań Jak wcześniej w spom niano, przerw anie o wyższym poziom ie może przerw ać w yko­ nyw anie funkcji obsługi przerw ania o poziom ie niższym. W przeciw ieństw ie jednak do innych mikrokontrolerów' AVR przerw ania o tym sam ym poziom ie nie m ogą się nawzajem przeryw ać. Jest to zw iązane z tym, że po wejściu w funkcję obsługi prze­ rwania danego poziomu m ikrokontroler ustawia odpow iednie bity rejestru stanu kon­ trolera PM IC (PMIC.STATUS — bity HILVLEX, MEDLVLEX lub L0LVLEX), które pozostają ustawione, dopóki nie zostanie w ykonana instrukcja RETI zw iązana z danym pozio­ mem przerwań. Pośrednio takie zachow anie ma jeszcze je d n ą konsekw encję makrodefinicja ISR przyjm uje jeden z opcjonalnych param etrów : ♦ ISR NOBLOCK — pow odujące po w ejściu do funkcji obsługi przerw ania natychm iastow e ich odblokow anie, co um ożliw ia przerw anie funkcji obsługi przerwania; ♦ ISR BLOCK — je st dom yślnym zachow aniem — funkcja obsługi przerw ania je st w ykonyw ana z zablokow anym i przerw aniam i i dzięki tem u sam a jest nieprzeryw alna.

Wskazówka

Z e w zględu n a d zia ła n ie ko n tro lera P M IC w X M E G A m a kro ISR_N0BL0CK nie za d zia ła ta k , ja k byśm y te g o o c z e k iw a li, n ie m a w ię c s e n s u używ ać te g o ro zsze rze n ia .

Na przykład funkcja: IS R (T C C O _ C C A _ v e c t. IS R _ N 0 B L0C K )

{ y -T C C 0 _ C C A :

}:

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

301

zostanie skom pilow ana do postaci: ISR( TCCO_CCA_vect. 1$R_NOBLCCK)

{ 262: 264: 266: 268:

78 lf Of Of

94 92 92 b6

sei push rl push rO in rO. 0x3f

; 63

Początkowa instrukcja sei w X M EG A jest w tym przypadku kom pletnie bez znaczenia — zezwolenie na kolejne przerwania tego samego poziomu zależy od kontrolera PMIC, a nic od flagi I rejestru stanu mikrokontrolera. W efekcie jej w ykonanie jest tylko stratą czasu. System przerwań w XMEGA nie zmienia stanu bitu I rejestru stanu procesora, w związku z tym dodanie instrukcji SEI na początku funkcji obsługi przerw ania nic nie zmienia. Podobną funkcjonalność (tj. m ożliw ość przeryw ania funkcji obsługi przerw ania przez przerw anie o tym sam ym poziom ie) m ożna uzyskać, stosując pew ne kruczki. A m ia­ now icie m usim y zasym ulow ać w ykonanie instrukcji RETI, jed n ak w taki sposób, aby nie zakończyć bieżącej funkcji obsługi przerwania. Rozwiązaniem jest krótka wstawka asem blerowa: asm volatile('*R JM P L _ 2 X -\n \t" "L IX - : B "R E T I\n \t" “ L_2X-: " "RCALL L _ lX = \n \t"

Jej działanie je st następujące. Pierwsza instrukcja skoku (RJMP) omija kolejną instrukcję (RETI), następnie je st w ykonyw ana instrukcja RCALL odkładająca na stosie adres po­ w rotu — czyli kolejnej instrukcji program u — i następuje skok do instrukcji RETI — efektem je j działania je s t skok do instrukcji po instrukcji RCALL, która j ą w yw ołała, a efektem ubocznym oszukanie kontrolera PMIC. Sądzi on, że bieżąca funkcja obsługi przerw ania się zakończyła (w ykonana została instrukcja pow rotu z przerw ania RETI), w ięc kasuje odpow iednią flagę rejestru statusu kontrolera. O d tej chw ili kolejne prze­ rw ania tego sam ego poziom u co bieżąco obsługiw ane będą przyjm ow ane. Powyższy kod m ożem y um ieścić w dow olnym m iejscu funkcji obsługi przerw ania, której chce­ m y dać m ożliw ość przeryw ania, lecz ze w zględów praktycznych pow inien to być sam początek jej obsługi, np.: ISR( TCCl_OVF_vect)

{ asm v o la tile ("R J M P L _ 2 X -\n \t" "L IX - : " "R E T I\n \t" "L_2X-: " "RCALL L_lX =\n\C * : : ) :

//Dalszy ciąg instrukcji obsługi przerwania }

302

AVR. Praktyczne projekty

Jednak ja k każde oszustw o także to przedstaw ione pow yżej m a krótkie nogi. Problem pojaw i się w m om encie, kiedy pow yższą sztuczkę zastosujem y w przypadku prze­ rwań w yższego poziom u (poziom u średniego lub w ysokiego). Pow yższa w staw ka spow oduje odblokow anie m ożliw ości przyjm ow ania kolejnych przerw ań tego sam ego poziom u, lecz jeśli przerw anie o poziom ie średnim lub w ysokim przerw ało przerw anie o poziom ie niskim, a odblokow aliśm y, korzystając z pow yższego kruczka przerwania, to po pow rocie z funkcji obsługi przerw ania o w yższym priorytecie zostaną także od ­ blokow ane przerw ania o priorytecie niższym pow odem będzie dw ukrotne w yko­ nanie rozkazu RETI — raz w naszej w staw ce asem blerow ej, a drugi raz podczas praw ­ dziw ego zakończenia funkcji obsługi przerw ania o w yższym priorytecie. O czyw iście ten problem też m ożem y rozw iązać, pisząc w łasny epilog funkcji obsługi przerw ania kończący się instrukcją RET, a nie RETI, lecz czyni to całe rozw iązanie mało eleganckim. Z drugiej strony w ielopoziom ow y system przerw ań dostępn y w X M E G A pow o­ duje, że stosow anie rozwiązań ży wcem przeniesionych z innych rodzin A V R , gdzie przerw ania były jedn opoziom ow e (co zazw yczaj p op raw ian o, stosując m akro N0_BL0CK), jest wr większości przypadków niepotrzebne. Zanim więc zaczniesz stoso­ wać pokazane powyżej sztuczki, dobrze się zastanów, czy jest to naprawdę niezbęd­ ne. Z azw yczaj w takiej sytuacji w ystarczy rozbicie przerw ań na kilka poziom ów .

P r io r y te t y p rze rw a ń X M E G A dysponuje nie tylko poziom am i, ale także tzw. priorytetam i przerw ań. Dla przerw ań N M I oraz przerw ań o poziom ie w ysokim i średnim zaw sze używ ane są tzw. priorytety statyczne. To znaczy, że w sytuacji, w której jed n o cześn ie zgłoszonych je st kilka przerw ań (lub kilka przerw ań oczekuje na sw o ją obsługę), najpierw obsługiw a­ ne je st przerw anie o niższym w ektorze przerw ania w tablicy w ektorów przerw ań. Dla przerw ań o priorytecie niskim procesor m oże reagow ać w sposób bardziej elastyczny. Dla tego poziom u przerw ań możem y wybrać priorytet statyczny, analogiczny do prio­ rytetu statycznego przerwań wyższych poziomów, lub priorytet dynamiczny — o priory­ tecie przerw ania w takiej sytuacji decyduje algorytm round-robin.

Priorytet dynamiczny Priorytet statyczny jest prosty, ma jednak istotną wadę — często zgłaszane przerwanie o w ysokim priorytecie m oże uniem ożliw ić o bsługę p rzerw ań o priorytetach n iż­ szych. Aby uniknąć takiej sytuacji, wprowadzono priorytet dynamiczny. W tym schema­ cie ostatnio obsłużone przerw anie o trzym uje najn iższy p rio ry tet, a przerw anie o ko ­ lejnym w ektorze priorytet najwyższy. Po jego obsłużeniu najwyższy priorytet zyskuje przerwanie o kolejnym w ektorze itd. W efekcie żadne pojedyncze przerw anie nic je st w stanie dom inow ać — każde w pewmym m om encie będzie m iało najw yższy priorytet (rysunek 10.6).

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

303

W ektory funkcji obsługi przerwań

Przerwanie

ISRl_vect ISR2 vect

ISRl vect ISR2_vect

... ...

...

IRQ(x-l) IRQ(x) IRQ(x+l)

... N a jn iż s z y p r io r y t e t N a jw y ż s z y p r io r y t e t

IRQ(x-l) IRQ(x) IRQ(x+l)

N a jn iż s z y p r io r y t e t N a jw y ż s z y p r io r y t e t

... ...

ISR(n-l)_vect ISR(n)_vect

ISR(n-l)_vect ISR(n)_vect

R y s u n e k 1 0 .6 . Z asadza działania priorytetów przerw a ń w trybie dynam icznym . P o odebraniu zgłoszenia p rzerw a n ia p rzerw a n ie dostaje p rio ry te t najniższy. P rzerw anie o kolejnym w ekto rze zysk u je p rio rytet najw yższy, ko lejne nieco n iższy itd.

Aby móc zrealizować priorytet dynamiczny, X M EGA dysponuje specjalnym rejestrem INTPRI (ang. PM IC Priority Register). Jego domyślna w artość to zero, natomiast w try­ bie z dynam icznym i priorytetam i przechow uje on adres w ektora ostatnio obsłużonego przerwania. W efekcie przerwania o wektorach wyższych n iż w ektor zawarty w INTPRI m ają priorytet w yższy, a przerw ania o w ektorach m niejszych m ają priorytet niższy. Rejestr ten m ożem y także zapisyw ać, co um ożliw ia program ow e określenie priorytetu kolejnych przerw ań. Jednak je st to m ożliw ość raczej rzadko w ykorzystyw ana. Poten­ cjalnie ciekaw sza je st inna m ożliw ość. M ianow icie w przypadku w yłączenia priory­ tetów dynam icznych i przyw rócenia priorytetów statycznych dla przerw ań niskiego poziomu rejestr ten w pew nym stopniu określa priorytet przerw ania. A nalogicznie jak w trybie dynam icznym przerw ania o w ektorach w yższych n iż w ektor zaw arty w tym rejestrze m ają priorytet w yższy, a przerw ania o w ektorach niższych m ają priorytet niższy. Różnica polega w ięc w yłącznie na tym, żc w trybie statycznym w artość reje­ stru INTPRI nie jest automatycznie uaktualniana w artością w ektora ostatnio obsłużonego przerw ania. Stw arza to w ięc m ożliw ość przynajm niej częściow ej zm iany priorytetów przerwań. Priorytet dynamiczny przerwań w ybiera się poprzez u staw ienie bitu RREN (ang. Roundrobin Schedtding Enable) rejestru kontrolnego: PMIC_CTRL | “PMIC_RREN_bm:

//Odblokuj dynamiczne priorytety przerwań

Globalna flaga zezwolenia na przerwanie Podobnie jak inne A V R-y, także X M EG A dysponują g lo b aln ą flagą zezw olenia na przerwania, znajdującą się w rejestrze stanu procesora (flaga I). A by podsystem PMIC

304

AVR. Praktyczne projekty

mógł obsługiwać żądania przerwań, flaga ta musi zostać ustaw iona instrukcją s e i( ) , natomiast jej skasowanie instrukcją cl i () powoduje zablokowanie wszystkich przerwań.

Wskazówka

J e d n a k w p rz e c iw ie ń s tw ie d o in n ych m ik ro k o n tro le ró w A V R w e jś c ie do fu n k c ji o b ­ słu g i p rze rw a n ia n ie p o w o d u je u s ta w ie n ia fla g i I i b lo k o w a n ia przerw ań. O tym , czy k o le jn e p rze rw a n ia b ę d ą przyjęte, czy n ie, d e cy d u je p o d s y s te m P M IC .

W program ie praktycznie nigdy nie będziem y m usieli zm ieniać stanu tej flagi. Po­ niew aż procesor po resecie ma tę flagę w yzerow aną, praktycznie jedynym m iejscem , gdzie jaw nie będziem y ją zm ieniać, je st początek program u w ykorzystującego prze­ rwania — po inicjałizacji poszczególnych podsystem ów przerw ania będziem y odblo­ kowywać instrukcją sei (). Instrukcji c li () właściwie nigdy nie powinniśmy stosować jaw nie. Jest ona niejaw nie w ykonyw ana w trakcie realizacji tzw. sekcji atom ow ych, o których dow iesz się więcej z dalszej części rozdziału. W efekcie każdy program w ykorzystujący przerw ania inicjuje je w typow y sposób: 1. K onfiguracja przerw ań w układach peryferyjnych. 2. O dblokow anie w ym aganych poziom ów przerw ań w kontrolerze PMIC. 3. W ykonanie m akra sei () odblokow ującego przerw ania globalnie.

P rz e rw a n ie n ie m a s k o w a ln e Przerwania niemaskowalne (NMI, ang. Non-maskable interrup/s) cechują się najwyższym priorytetem , nie m ożna ich także zablokow ać (zam askow ać) — stąd nazw a przerw a­ nia. Przerw ania niem askow alne służą do sygnalizacji pew nych krytycznych zdarzeń, jak np. zanik zasilania czy uszkodzenie jakiegoś w ażnego elem entu procesora lub ukła­ du elektronicznego. Przerwania te nie są typow o w ykorzystyw ane — zamiast z nich pow inniśm y korzystać ze zw ykłych przerw ań m askow alnych. X M EG A dysponują tylko jednym źródłem przerw ań NM I — przerw anie takie je s t generow ane w chwili wykrycia uszkodzenia generatora kwarcowego, co prowadzi do wygenerowania przerwa­ nia o wektorze OSCF_INT_vect. Funkcja obsługi tego przerwania powinna zadbać o przełą­ czenie generatorów zegara i ich ponow ne skonfigurow anie oraz zasygnalizow ać użyt­ kow nikow i pow ażną aw arię układu elektronicznego.

R e je s tr s ta n u k o n tro le ra p rze rw a ń K ontroler przerw ań ma w łasny rejestr stanu (STATUS — ang. P M IC Status Register). Zawiera on bity informacyjne informujące o aktualnym stanie przerwań, lecz w większo­ ści aplikacji prawdopodobnie płynące z tego informacje są zbędne. Ustawienie odpowied­ nich flag tego rejestru (NMIEX, H ILVLEX, MEDLVLEX i L0LVLEX) sygnalizuje, że przerw ania o odpow iadającym tym flagom poziom ie s ą aktualnie w ykonyw ane. Po zakończeniu ich obsługi stosow ne flagi są kasow ane (dokładniej są kasow ane w chwili w ykonania związanej z danym poziom em przerw ań instrukcji RETI).

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

305

M o d y fik a t o r v o la t ile Słowo kluczow e v o la tile je st m odyfikatorem , którego m ożem y użyć do poinstruow a­ nia kom pilatora, ja k m a traktow ać p o d an ą zm ienną. Jego użycie je s t szczególnie czę­ ste w program ow aniu system ów czasu rzeczyw istego i m ikrokontrolerów . M odyfikator ten przysparza często problem ów osobom początkującym lub osobom , które w cze­ śniej pracow ały na w iększych kom puterach, gdzie stosuje się go rzadko. Jego brak prow adzi do „dziw acznego” zachow ania program u.

✓

Pamiętaj

J e ś li Twój p ro g ra m ś w ie tn ie d zia ła z w y łą czo n ą o p ty m a liz a c ją (-00), a po je j w łą c ze ­ niu p rz e sta je , to je d n ą z n a jc z ę s ts z y c h przyczyn ta k ie g o z a c h o w a n ia j e s t b ra k u życia s ło w a k lu c z o w e g o v o l a t i l e ta m , g d z ie j e s t to n ie z b ę d n e .

Przeanalizujm y przykład: char a: ISR(TCCO_CCB_vect)

{

a++:

} i n t m ainO

{

a-0: w h ile (a — 0) {}:

} Program ten po skom pilow aniu z w y łączo n ą optym alizacją działa praw idłow o, po jej w łączeniu ku naszem u zaskoczeniu program nigdy nie o p u szcza pętli w hile, pom im o że zm ienna a je st praw idłow o inkrem entow ana w p ro ced u rze obsługi tim era. Problem leży w łaśnie w braku m odyfikatora v o l a t i 1 e dla zm iennej a. Jego dodanie pow oduje, że zgodnie z naszymi oczekiw aniam i za każdym razem zm ienna a pobierana je st z pamięci i testow any je st w arunek zakończenia pętli. C zym zatem je s t słow o kluczow e, od któ­ rego tyle zależy? N ajogólniej pisząc, v o la t i le w skazuje kom pilatorow i, że zm ien ­ na zadeklarow ana z tym m odyfikatorem m oże być m od yfikow an a w sposób niew ynikający bezpośrednio z otaczającego kodu. Przy odw ołaniu do takiej zm iennej kom pilator zaw sze będzie pobierał je j w artość z pam ięci, unikając tw orzenia je j kopii np. w rejestrach procesora. E fektem ubocznym je st w ydłużenie kodu, gdyż zm ienna zadeklarow ana z tym atrybutem przy każdej operacji będzie odczytyw ana z pamięci, a następnie now a w artość będzie natychm iast ponow nie zapisyw ana.

Wskazówka

D o d a n ie m o d y fik a to ra v o l a t i l e j e s t n ie z b ę d n e w s y tu a c ji, k ie d y z m ie n n a g lo b a ln a j e s t m o d y fik o w a n a w p ro ce d u rze o b s łu g i p rze rw a n ia i ja k ie jk o lw ie k in nej c z ę ś c i kod u lu b k ie d y jej w a rto ś ć m o ż e z m ie n ia ć s ię w s p o s ó b n ie w y n ik a ją c y b e z p o ś re d n io z wy­ k o n yw a n e g o k o d u , ja k to m a m ie js c e w p rzy p a d k u re je s tró w u k ła d ó w p e ryfe ryjn ych .

306

AVR. Praktyczne projekty

Ten drugi przypadek obejm uje głów nie zm ienne, które odzw ierciedlają rejestry sprzętowe, np. rejestry IO procesora. Dla przykładu stan rejestru PORT. IN procesora za­ leży od części sprzętowej układu, a nie od w ykonyw anego program u w języku C. K aż­ dorazowo przy odw ołaniu do takiego portu kom pilator pow inien w ygenerow ać kod pobierający je g o n o w ą w artość, a nie używ ać w artości poprzednio odczytanej. Stąd też dostęp do rejestrów procesora odbyw a się za pom ocą predefiniow anych makr, które są rozw ijane do definicji podobnej do przedstaw ionej poniżej: ( * ( v o la t i1 e u in t8 _ t *)(m etn_addr))

Powoduje ona, że zm ienna traktow ana je st ja k o w skaźnik na zasób sprzętowy, do które­ go chcem y uzyskać dostęp. M odyfikator v o l a t i l e pow oduje, że kom pilator, napoty­ kając taką konstrukcję, każdorazow o będzie pobierał n ow ą w artość z rejestru IO lub w skazanego m iejsca w pamięci. M odyfikator ten m ożem y dodaw ać także do złożonych typów danych. W przypadku struktury zadeklarowanej z m odyfikatorem v o la tile autom atycznie każde jej pole za­ chow uje się tak, ja k b y było zdefiniow ane z tym m odyfikatorem . Jeśli w iem y, że zm ienne o danym typie zaw sze b ęd ą w ym agały atrybutu v o l a t i l e , to lepiej um ieścić go w deklaracji struktury. Uchroni to program istę przed przypadkow ym opuszczeniem słow a kluczow ego v o la tile , co spow odow ałoby niepraw idłow e działanie program u. M a to jed n ak w adę polegającą na niem ożności zadeklarow ania zm iennej o podanym typie bez modyfikatora vol a ti 1e, co — ja k za chwilę zobaczym y — czasami bywa przy­ datne. M ożemy więc zadeklarować strukturę normalnie, pamiętając, aby przy zmiennych tego w ym agających dodaw ać m odyfikator v o la tile . M ożem y także zadeklarow ać dw ie w ersje struktury, je d n ą bez m odyfikatorem vol a ti 1e, a d ru g ą z m odyfikatorem : s t r u c t 10

{

//P ola struktury

}: ty p e d e f v o la t1 le s t r u c t 10 I0_v: 10 z m ie n n a _ n ie v o la tile : I0_v z m ie n n a _ v o la tile :

W pow yższym przykładzie zadeklarow aliśm y dw a typy: je d en 10, a drugi I0_v, będący taką sam ą strukturą, ale zm ienna zadeklarow ana za jej pom ocą będzie miała dodatkowo m odyfikator vol a ti 1e. M odyfikator v o l a t i l e „w yłącza” optym alizację dotyczącą zm iennej zadeklarow anej za je g o pom ocą, a w ięc odw ołania do niej stają się bardzo kosztow ne, zarów no pod w zględem czasu egzekucji program u, ja k i liczby potrzebnych do tego instrukcji (a więc objętości generow anego kodu). W procedurze obsługi przerw ania lub w bloku kry­ tycznym , w którym przerw ania są zablokow ane i m am y pew ność, że nic nie zm odyfi­ kuje naszej zm iennej poza głów nym ciągiem instrukcji, m oglibyśm y chw ilow o „w y­ łączyć” działanie m odyfikatora v o la tile . N iestety, standard języ k a C nie przew iduje takiej m ożliw ości. Jednak łatw o m ożem y tego dokonać, stosując sztuczkę polegającą na przypisaniu w artości zm iennej zadeklarow anej z m odyfikatorem v o l a t i l e do innej zm iennej, bez tego m odyfikatora. N astępnie operacje przeprow adzam y na tak utw o­ rzonej zm iennej pom ocniczej, której o stateczną w artość z pow rotem przepisujem y do pierw szej zm iennej. Ilustruje to przykład:

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

v o la t ile

307

in t x;

A T O M IC _ B LO C K (A T C M IC _ R E S T O R E _ ST A T E )

{ i n t x tm p -x : tm p x * = tn p x : t m p x « - l: x -tm p x :

}: W powyższym przykładzie zmienna x jest zm ienną o atrybucie vol a ti 1e. Przeprowadzone na niej operacje są w sekcji krytycznej, w której przerw ania są zablokow ane. M am y więc gw arancję, że nic poza ciągiem instrukcji w tej sekcji nie zm odyfikuje zm iennej x. Stąd też w celu w ygenerow ania optym alnego kodu przepisaliśm y w artość zm iennej x do zm iennej tym czasow ej, tmpx, na której prow adzim y d alsze operacje, a ich w ynik z pow rotem przepisujem y do zm iennej x. Zazw yczaj utw orzenie takiej „sztucznej” zmiennej służącej w yłącznie do oszukania kom pilatora je st w ykryw ane przez optym ali­ zator, w efekcie żadna dodatkow a zm ienna nic je st tw orzona, a po prostu odw ołania do zm iennej z atrybutem v o l a t i l e traktow ane są tak, ja k b y tego atrybutu nic było. O prócz sekcji krytycznych m iejscem , gdzie m ożem y b ezpiecznie posłużyć się pow yższą sztuczką, są procedury obsługi przerw ań, o ile zm ienna używ ana jest w yłącznie w przerw aniach tego sam ego poziom u. D om yślnie procedury obsługi przerw ań tego sam ego poziom u naw zajem się blokują, nie m a w ięc obaw y, że zm ienna zmieni swój stan w sposób niewynikający z realizowanego kodu. Jeśli zmienna v o la tile w skazuje na zasób sprzętow y m ogący ulec zm ianie w trakcie w ykonyw ania kodu pro­ gram u, to oczyw iście jej przypisanie do zm iennej pom ocniczej pow oduje „zam roże­ nie” stanu tego zasobu w zm iennej pom ocniczej.

Zmiana kolejności instrukcji M odyfikator v o l a t i l e ma je szcze jed n o zastosow anie. N orm alnie optym alizator m oże przestaw iać w yrażenia, aby zapew nić optym alny przebieg program u, np. sekw encja: in t

x*-10:

x= y+ 2: x-s+ 2 :

w cale nie musi zostać w ykonana w kolejności, w jakiej j ą zapisaliśm y. W ynik program u będzie dokładnie taki sam , niezależnie, czy najpierw w ykonam y operację x=y+2, czy x=s+2. W zw iązku z tym optym alizator przestaw i kolejność tych w yrażeń tak, aby otrzym ać krótszy lub szybszy kod w ynikow y. M odyfikator v o l a t i l e uniem ożliw ia optym alizatorow i zm ianę kolejności operacji, dzięki czem u w yk o n y w an e są one w takiej kolejności, w jakiej pojaw iają się w kompilowanym programie. Dobrym przykła­ dem w ykorzystującym tę w łaściw ość są rejestry IO procesora. Ich definicje zaw ierają m odyfikator v o l a t i l e , dzięki czem u optym alizator nie zm ienia kolejności podanych instrukcji. W rezultacie ciąg instrukcji: PORTA. O IT -O : PO RTA.O U “ = O xFF: PORTA. O IT -O :

308

AVR. Praktyczne projekty

zawsze zostanie wykonany w podanej kolejności. Bez tego modyfikatora optymalizator stw ierdziłby, że pow yższe trzy instrukcje m ożna zredukow ać do ostatniej, a więc na porcie nie pojaw iłaby się przejściow o w artość OxFF.

A to m o w o ś ć d o stę p u d o d a n y ch W paragrafie poświęconym m odyfikatorowi v o la tile rozw ażaliśm y działanie nastę­ pującego kodu: v o la t ile char a: ISR(TCCO_CCB_vect)

{

a++:

} i n t m ainO

{

a=0; w h ile ( a = 0 ) { } :

} Zastanówmy się, czy gdyby zmienić typ zmiennej a z typu char na np. typ in t, to czy program również wykonywałby się prawidłowo? Pozornie tak, ale zobaczmy, jak w ta­ kim przypadku je st realizow ana pętla while(a==0) {};. O kazuje się, że porów nanie to realizow ane je st „na raty” : w h ile ( a - O ) { } ; d2: 80 91 02 01 d6: 90 91 03 01 da: 89 2b dc: d l f3

ld s r24. 0x2002 ld s r25. 0x2003 o r r2 4 . r25 breq .-1 2 ; Oxd2

N ajpierw odczytyw ana je st starsza część 16-bitowej zm iennej, a następnie młodsza. Co jeśli przerw anie tim era nastąpi pom iędzy tymi operacjam i? W przypadku kiedy a zaw ierało 0 i pętla pow inna zostać przerwana, kolejne przerw anie może zm ienić jej stan na 1 i w arunek nie będzie spełniony. Podobnie w poniższym przykładzie: i n t a: ISR(TCC0_CCB_vect)

{ a++:

} i n t m ainO

{ a™0: w h ile ( l)

{

a++:

}: }

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

309

inkrem cntacja zm iennej a czasam i będzie prow adziła do niepraw idłow ych wyników. A by tem u zapobiec, m usim y zapew nić, aby operacje przeprow adzone na zm iennej a były atomowe, to znaczy aby niemożliwe było ich przerwanie. A VR-lihc dostarcza wy­ godnych narzędzi do realizacji atomowego dostępu do zmiennych czy zamykania całych bloków instrukcji w sekcje atomowe. Funkcje tego typu znajdują się w pliku nagłówko­ wym . W pliku tym znajduje się m akrodefinicja ATOMIC BLOCK(typ), która przyjm uje dodatkow y param etr określający sposób je j działania. Param etr ten przybiera następujące postaci: ♦ AT0MIC_F0RCE0N ♦ ATOMIC_RESTORESTATE ♦ N0NAT0MIC_F0RCE0FF N ajczęściej w ykorzystujem y opcję ATOMIC_RESTORESTATE, pow odującą zapam iętanie przed w ejściem do sekcji krytycznej globalnej flagi zezw olenia na przerw ania, zablo­ kow anie przerw ań, w ykonanie kodu z sekcji i na końcu przyw rócenie stanu flagi ze­ zw olenia na przerw anie. W zw iązku z tym jeśli przed w ejściem do sekcji krytycznej przerw ania są zablokow ane, to po jej opuszczeniu rów nież zostaną zablokow ane. Jeśli były w łączone, to po opuszczeniu sekcji zostaną w łączone. W niektórych sytuacjach w iem y jednak, jaki je st zastany stan flagi zezw olenia na przerw ania, nic m usim y więc go zapam iętyw ać. W takiej sytuacji m ożem y zastosow ać param etr ATOMIC FORCEON, pow odujący, żc po opuszczeniu sekcji krytycznej przerw ania będą odblokow ane, lub rzadziej NONATOMIC_FORCEOFF, pow odujący, że przerw ania po opuszczeniu sekcji pozo­ staną zablokow ane. N asz przykładow y kod w ykorzystujący m akrodefinicję ATOMIC_BLOCK w ygląda więc następująco: i n t a: ISR(TCCO_CCB_vect)

{ a++:

} i n t mainO

{

...inicjalizacja PMJC i odblokowanie przerwań s e i( ) : a«0: w h ile ( l)

{ ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON)

{ a++:

}: }: } W ykorzystaliśm y tu param etr ATOMIC FORCEON, gdyż stan flagi zezw olenia na prze­ rw anie je st znany.

310

Wskazówka

AVR. Praktyczne projekty

M a k ro d e fin ic ja s e i () po w inn a być w yko rzystyw an a ty lk o ra z w p ro g ra m ie , do o d ­ b lo k o w a n ia przerw ań. N ig dy n ie p o w in n a z a jś ć sy tu a cja , w któ re j k o n ie c zn e byłoby w yk o rzy sta n ie m a k ro d e fin ic ji c l i ().

Gdy testujemy warunek logiczny pętli, tak ja k w pierwszym przykładzie, nie jest moż­ liwe wykorzystanie makrodefinicji ATOMIC BLOCK. Aby taki program działał poprawnie, m usim y w sposób atom ow y przepisać zaw artość licznika d o zm iennej pom ocniczej, a następnie w pętli testować tę zmienną: v o la t ile

c h a r a:

I S R ( T C C O _ C C B _ v e c t)

{ a++:

} 1 n t m a 1 n ()

{ a=0: 1 n t tm p a -O ; w h ile ( t m p a = - 0 )

{ AT OMIC_B LOC K ( ATOMIC_FORC EON)

{ tm pa= a:

}: }: } W tym przypadku operację porównania wykonujemy na kopii zmiennej a, nie zachodzi więc obawa, że zostanie ona niespodziewanie zmodyfikowana. Zauważmy, że operacja przypisania zmiennej tmpa wartości zmiennej a nie jest w mikroprocesorach AVR ope­ racją atom ową, stąd zachodzi konieczność zastosow ania m akrodefinicji ATOMIC BLOCK.

Wskazówka

O so b y zn a ją c e a s e m b le r m ik ro p ro ce s o ró w A V R z p e w n o ś c ią w tym m o m e n c ie z a ­ p ro te stu ją . N ie k tó re a rch ite k tu ry A V R m a ją z a im p le m e n to w a n ą w yko nyw aną a to ­ m ow o in strukcję MOVW R d ,R r. N ie stety, p iszą c w języku w y so k ie g o poziom u, ja k im je s t język C , nie m am y gw arancji, że in stru kcja tmpa=a z o s ta n ie za m ie n io n a na wy­ konyw aną a to m o w o in stru k c ję a s e m b le ra MOVW.

W sytuacji, kiedy w dużej sekcji krytycznej chcemy czasowo zezwolić na nieatomowe wy­ konywanie niektórych instrukcji, użyteczna może okazać się makrodefinicja NONATOMIC_ BŁOCK(typ). Jej param etry są identyczne jak w przypadku m akra ATOMICBLOCK. M akrodefinicja ATOMIC BLOCK ingeruje w globalną flagę zezw olenia na przerwanie, stąd też w sekcjach atomowych wszystkie przerwania są blokow'ane\ Nie zawsze jest to wymagane i pożądane. Jeśli na przykład do jakiejś zmiennej dostęp następuje w kodzie aplikacji i kodzie przerw ania określonego poziomu, to w ystarczy, że na czas dostępu 3 Z wyjątkiem przerwań NMI.

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

311

do niej zablokujem y w yłącznie dany poziom przerw ań lub w ręcz dane źródło prze­ rwań. W efekcie procesor będzie m ógł obsługiw ać przerw ania pozostałych poziom ów w sposób niezakłócony. Niestety makrodefinicje dostarczane przez AVR-libc nie udo­ stępniają takiej funkcjonalności, z drugiej strony w ykorzystyw anie takich sztuczek prow adzi do pow stania kodu bardzo w rażliw ego na błędy.

Instrukcje atom ow ej modyfikacji pam ięci Pod tym nieco enigmatycznym pojęciem pokazane zostaną now e instrukcje asemblera, ja ­ kimi dysponuje rdzeń XMEGA należących do drugiej generacji tych procesorów. W sto­ sunku do X M EGA pierwszej generacji (serie A oraz D) rdzeń X M EGA drugiej gene­ racji (serie A U , B, C, E) realizuje cztery now e instrukcje: ♦ XCH realizującą instrukcję w ym iany pom iędzy rejestrem procesora a kom órką pamięci adresow aną przez rejestr indeksow y Z; ♦ LAS realizującą instrukcję ustaw iania w skazanych bitów w kom órce pamięci adresow anej przez rejestr Z, przy czym poprzednia w artość tej komórki zostaje przepisana do w skazanego rejestru CPU; ♦ LAC realizująca operację podobną do LAS, z tym że w skazany bit jest kasowany; ♦ LAT realizującą podobne operacje, z tym że dany bit ulega zmianie na przeciwny. Dla przykładu instrukcja LAS w sposób atomowy realizuje następującą sekwencję poleceń: LAS Z. Rx: Tmp-(Z) (Z)= Tmp | Rx Rx=Trrp

w efekcie Rx zawiera poprzednią wartość komórki pamięci wskazywanej przez (Z), a ko­ mórka pam ięci w skazyw ana przez (Z) zaw iera sumę b ito w ą swojej poprzedniej w ar­ tości i Rx. A by m óc w y k o rzy stać te in s tru k c je , o p ró c z o d p o w ied n ieg o rd z e n ia C P U m usim y wy korzystać w m iarę now ą w ersję toolchaina — są one dostępne, począwszy od w ersji av r-g cc 4.6.2 u d o stęp n io n ej p rz e z firm ę A tm el (A VR T oolchain 8 Bit, Version: 3.4.1.830 — G C C 4.6.2). Do czego te instrukcje możemy wykorzystać? Przede wszystkim realizowana przez nic operacja je st operacją atom ow ą, co natychm iast czyni je obiektem zainteresow ania wc w szystkich zastosow aniach, w których w sposób atom ow y m usim y zm ieniać stan ja ­ kiejś flagi. M a to zastosow anie przy program ow aniu w spółbieżnym , gdzie dostęp do danego zasobu m oże obyw ać się w kilku w ątkach. Instrukcje te um ożliw iają w ięc stw orzenie tzw. sem aforów binarnych i ułatw iają tw orzenie ich rozw inięcia — sem a­ forów zliczających. Stąd też konstrukcja typu: i f ( ! ( f la g i & 1)) //Czy dostęp do zasobu je st wolny? (/Jaga wyzerowana)

{ )

f la g i |=1; //Zakaż dostępu do zasobu innym procesom ... ciąg dalszy instrukcji wykonywanych, jeśli flaga nie była ustawiona...

312

AVR. Praktyczne projekty

którą należy w ykonyw ać atom ow o, co w ym aga najczęściej zablokow ania przerw ań, może zostać znacznie uproszczona — można j ą zrealizować z a pom ocą jednej instrukcji asem blera — w tym przypadku LAS.

Wskazówka

P o n ie w a ż ję z y k C n ie d y sp o n u je s k ła d n ią u m o ż liw ia ją c ą im p le m e n ta c ję te g o typu z a d a ń , a je d n o c z e ś n ie g w a ra n tu ją cą w y k o rzy sta n ie a to m o w e g o d o s tę p u d o d anych, o d p o w ie d n ie przykłady z a im p le m e n tu je m y przyn a jm n ie j c z ę ś c io w o w a s e m b le rz e .

N asze w staw ki zaim plem entujem y ja k o krótkie funkcje ję zy k a C, które w łatw y spo­ sób udostępnią funkcjonalność now ych instrukcji dla program ów napisanych w tym języku. Dla przykładu zajm ijm y się instrukcją LAS (im plem entacja LAC i LAT je st taka sama). Instrukcja ta operuje na kom órce pam ięci w skazyw anej przez rejestr indekso­ w y Z. Jako drugi argum ent w ystępuje dow olny rejestr (RO - R31), który zaw iera m askę bitową. Po wykonaniu operacji rejestr ten będzie zawierał poprzednią wartość komórki w skazyw anej przez Z. Inform acje te um ożliw ią nam stw orzenie stosownej funkcji: u in t8 _ t A sm _LA S (volatile u in t8 _ t * f la g . u in t8 _ t va1)

{ asm v o la t1 le ( " la s X a l. %0" : " + r" ( v a l) : "e " ( f la g ) ) : re tu rn v a l:

} N asza funkcja ja k o argum enty przyjm uje adres kom órki, k tórą w sposób atom ow y chcemy zmodyfikować, oraz maskę bitową, z którą sumować będziemy wartość komórki przechow ującej sem afory. Funkcja ta zw raca poprzednią w artość tej komórki pamięci. Jak pamiętamy, zapis ”e" oznacza, że zmienna fla g znajduje się w jednym z rejestrów indeksow ych. Poniew aż LAS/LAC/LAT w ym aga, aby był to rejestr Z, m usim y to w ym u­ sić poprzez zapis la s %al — %al spow oduje, że drugi argum ent z listy argum entów słow a kluczow ego asm (a w ięc zm ienna f 1ag) zostanie um ieszczony w rejestrze Z. Po­ niew aż instrukcje te m odyfikują swój drugi operand — argum ent funkcji — zm ienną fla g zadeklarow ano z m odyfikatorem v o la tile . Dzięki tem u kom pilator w ie, że w artość kom órki pamięci w skazyw anej przez fla g może ulec zm ianie i jeśli je st ona przechow yw ana w rejestrach w czasie wykonania funkcji, to zostanie odczytana po­ nownie. Takie rozw iązanie je st efektyw niejsze niż tw orzenie listy m odyfikow anych w artości, która m usiałaby zaw ierać "memory", w efekcie czego w szelkie w artości od­ czytane z pam ięci, a um ieszczone w rejestrach m usiałyby zostać ponow nie odczytane. Jednak instrukcje te m odyfikują także swój drugi argum ent — przekazyw any rejestr, stąd też je st on na liście operandów w yjściow ych z określeniem "+r" (v a l), co jak w iem y, oznacza, że operand taki je st um ieszczony w dow olnym rejestrze, przy czym instrukcje asem blera nie tylko go odczytują, ale także m odyfikują. Jest to istotne, gdyż bez informacji o m odyfikacji tego operandu kom pilator w ram ach optym alizacji nie przeładow yw ałby rejestru reprezentującego w artość val pom iędzy kolejnym i in­ strukcjam i, w efekcie czego pow stałby niepraw idłow y kod. Poniew aż nasza funkcja je st krótka — składa się zaledw ie z jednej instrukcji (oraz opcjonalnie instrukcji generow anych przez kom pilator służących do załadow ania w artości val i adresu zm iennej fla g ), w arto zadbać, aby nie było tw orzone w yw ołanie do niej, lecz była ona osadzana w m iejscu wywołania:

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

313

uint8_t Asm_LAS(volatile uint8_t *flag. uint8_t val) _ a t t r ib u t e _ ( ( a lw a y s _ 1 n lin e ) ) :

Jak widzimy, zadba o to atrybut always inl ine. Spróbujmy zobaczyć, jak nasze instrukcje działają w praktyce — kod znajduje się w ka­ talogu Przyklady/Przerxvania/LAx. Prosty kod ilustrujący w ykorzystanie tych funkcji może w yglądać tak: Asm_LA$(&flagi. Asm_LAS(&flagi. Asm LAC(&f1a g i . Asm_LAT(&flagi.

1): 1): 1): 3):

i spowoduje on w ygenerow anie następującego kodu asem blerow ego: asm v o la t1 le ( " la s Sal. *0" : "+r" (val) : ”e" ( fla g ) ) : 25c eO eO 25e fO e2 260 81 eO 262 98 2 f 264 95 93 266 98 2 f 268 95 93 re tu rn v a l:

Id1 ld i ld i mov las mov las

r30. 0x00 r31. 0x20 r24. 0x01 r25. r24 Z. r25 r25. r24 Z. r25

;0 ; 32 ; 1

u in t8 _ t Asm _LAC(volatile u in t8 _ t * f la g . u in t8 _ t v a l)

{ asm v o la t ile ( " la c S a l. *0" : "+ r" ( v a l) : "e" ( f la g ) ) : 26a: 86 93 la c Z. r24 re tu rn v a l:

} u in t8 _ t A sm _LA T(volatile u in t8 _ t * f la g . u in t8 _ t v a l)

{ asm v o la t1 le ( " l a l S a l. *0'* : " + r" ( v a l) : "e" ( f la g ) ) : 26c: 83 eO ld i r24. 0x03 ;3 26e: 87 93 la t Z. r24

W arto ja k o sam odzielne ćw iczenie prześledzić działanie tego kodu w sym ulatorze, a także sprawdzić, jak zm iana typu operandów w instrukcji asm wpływa na popraw ­ ność generowanego kodu asemblerowego. Instrukcje tego typu możem y w ykorzystać także jako szybsze i krótsze alternatywy dla operacji bitowych — &, | i /s. W takiej sytuacji nie wykorzystujemy zwracanej przez pokazane funkcje wartości. Co nam to daje? Typowe operacje bitowe są operacjami RM W , w efekcie prosta operacja: X | =3;

ustawiająca dwa najmłodsze bity zmiennej X wymaga jej załadowania do rejestru, w y­ konania operacji sumy logicznej i przeładowania wyniku do komórki pamięci, w której zm ienna ta je st przechow yw ana. Dzięki zastosow aniu instrukcji LAx cała operacja jest krótsza i szybsza.

314

AVR. Praktyczne projekty

Dostęp do wielobajtowych rejestrów 10 M ikrokontrolery X M EGA podobnie ja k w cześniejsze w ersje m ikrokontrolerów AVR ze w zględu na sw oją 8-bitow ą budow ę nie są w stanie w sposób atom ow y uzyskać dostępu do danych dłuższych niż 8 bitów. W przypadku w ielobajtow ych zmiennych możemy ten problem rozwiązać, zamykając instrukcje realizujące dostęp do zmiennych w bloki atom owe. W arto pamiętać, że podobnie sytuacja ma się w przypadku dostępu do w ielobajtow ych rejestrów IO. Dostęp do w szelkich rejestrów o długości większej niż 8 bitów odbyw a się sekw encyjnie bajt po bajcie. Rodzi to pew ne problemy. Aby zapis do całego rejestru wykonywał się w tym samym czasie, co jest istotne w przypad­ ku np. rejestrów CNT timerów, w prow adzono rejestry tym czasow e, z których wartość przepisyw ana je st do w łaściw ego rejestru w chwrili zapisu najstarszego bajtu rejestru. Rejestr tym czasow y jest zaw sze w spólny dla w szystkich w ielobajtow ych rejestrów IO danej instancji modułu. To znaczy, żc np. tim ery CO i Cl posiadają oddzielne rejestry tym czasow e, lecz w ramach instancji modułu, np. tim era CO, w szystkie jego 16-bitowe rejestry współdzielą ten sam rejestr tymczasowy. Jakie to niesie konsekwencje, zostało szerzej om ów ione w rozdziale 12. „Tim ery i liczniki” . W arto jednak pamiętać, żc te same problem y w ystępują dla w szystkich układów peryferyjnych posiadających wielobajtowe rejestry IO.

Wskazówka

W e fe kcie należy zachow ać szczegó ln ą o stro żn o ść, je ś li do danego układu peryfe­ ryjnego odwołujemy się w aplikacji i w funkcji obsługi przerwania. W takiej sytuacji od­ wołania do wszystkich rejestrów dłuższych niż 8-bitowe m uszą być realizowane w sp o­ só b atom owy — np. ujęte w blok ATOMICBLOCK.

Nieprzestrzeganie tej zasady doprowadzi do błędnych zapisów i (lub) odczytów z danego układu peryferyjnego i w konsekwencji nieprzew idyw alnego działania aplikacji.

F u n k cje re e n tra n t Kod reentrant to kod, który może być w ykonyw any jednocześnie z dw óch lub więcej wątków. Co prawda kojarzy się to z systemami w ielozadaniow ym i, ale w pewnych w arunkach sytuacja taka może w ystępow ać także podczas program ow ania na AVR bez. obecności systemu operacyjnego. Funkcja może zostać ponownie wywołana przed zakończeniem jej działania w dwóch sytuacjach: ♦ W przypadku funkcji rekurcncyjnych — jednak w tym w ypadku miejsce przerw ania funkcji je st dokładnie znane. ♦ W przypadku funkcji wyw oływ anych w procedurze obsługi przerwań w tym wypadku miejsce przerw ania funkcji przez przerw anie jest nieprzew idyw alne, co stw arza pew ne kłopoty. Podczas w ykonyw ania procedury obsługi przerw ania istnieje m ożliw ość wywołania innych funkcji, może więc dojść do sytuacji, w której w ykonyw ana funkcja jest prze­ rywana, a następnie w yw oływ ana ponow nie z procedury obsługi przerwania. M usimy

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

315

sobie zdawać spraw ę z tego, że nie każda funkcja może być bezpiecznie w yw oływ ana w sytuacji, w której jej poprzednie wywołanie nie zostało zakończone. Problem funk­ cji reentrant zw ykle nie dotyka funkcji, które operują w yłącznie na zm iennych lokal­ nych. Zm ienne takie tw orzone są na stosie i każde w yw ołanie funkcji operuje na swojej lokalnej kopii zmiennych. W yjątkiem od tej reguły są zm ienne lokalne zade­ klarow ane z m odyfikatorem s t a t i c . W tym przypadku istnieje tylko jedna kopia zm iennej, która z punktu w idzenia funkcji zachow uje się ja k zm ienna globalna. Z de­ cydowanie „niebezpieczne” są funkcje operujące na danych zewnętrznych — zmien­ nych globalnych lub w skaźnikach do w spółdzielonych zasobów lub danych statycz­ nych. Z pew nością kłopoty spraw ią funkcje, które odw ołują się bezpośrednio do zasobów sprzętowych: funkcje wysyłające dane przez magistrale procesora, realizujące transm isje I2C, 1-wire, SPI itd. Aby mogły być bezpiecznie w yw oływ ane z procedury obsługi przerw ania, m uszą być napisane w specjalny sposób. Zdecydow ana większość funkcji w A VR-libc je st reentrant, w yjątkiem są funkcje po­ kazane w tabeli 10.2. Tabela 1 0 .2 . Funkcje biblioteki A VR-libc, które nie są reentrant Funkcja

Problem

Rozwiązanie

ran d (), random()

Używają zmiennych globalnych

Użyj wersji reentrant ran d _ r(), random_r()

s tr to d ( ) , s t r t o l (), s t r t o u l ()

Używają zmiennej globalnej errno

Funkcje są reentrant, jeśli aplikacja nie korzysta z kodów błędów zwracanych w ermo lub są one chronione makrem AT0MIC_BL0CK

m allo c(), r e a llo c ( ) , c a llo c ( ) , fre e ()

Używają stosu i innych struktur globalnych do zarządzania pamięcią

Ochrona za pomocą AT0MIC_BL0CK lub napisanie własnych funkcji zarządzających pamięcią

fdevopen(), fc lo s e ()

Używają funkcji cal 1oc () i fre e ()

jw.

eeprom_*(), boot_*()

Używają rejestrów IO

jw.

p r in t f (), p rin tf_ P (), v p r in tf ( ) , v p rin tf_ P (), p u ts (), puts_P()

Zmieniają globalny strumień std o u t

jw. Użycie innych podobnych funkcji, jak s p r in tf (), s p ri n tf_ P (), s n p rin tf (), s n p rin tf_ P (), v s p r in tf (), v s p rin tf_ P (), v s n p r in tf (), v sn p rin tf_ P (),je st bezpieczne

f p r i n t f ( ) , fp rin tf_ P (), v f p r in tf ( ) , v fp rin tf_ P (), fp u ts (), fputs_P()

Problem występuje tylko wtedy, gdy jako argument podany jest ten sam strumień o typie FILE

Strumień podany jako argument wywołania musi być różny dla kolejnych wywołań

a s s e r t( )

Wywołuje funkcję f p r i n t f ()

c le a r e r r ( )

Zmienia argument FILE

jw. jw.

316

AVR. Praktyczne projekty

Tabela 10.2. Funkcje biblioteki A VR-libc, które nie są reenfront (ciąg doiszy) Funkcja

Problem

Rozwiązanie

ge tch ar(), g e ts()

Korzysta ze strumienia globalnego s td i n

jw. Aczkolwiek czytanie ze STDIN w różnych wątkach nie ma sensu.

fg e t c ( ) , u n getc(), fg e t s ( ) , s c a n f(), scanf_P(), fs c a n f (), fs c a n f_ P (),

Problem występuje tylko wtedy, gdy jako argument podany jest ten sam strumień o typie FILE

jw.

v s c a n f (), y f s c a n f (), vfsca n f_ P (), fread()

Jak widać, w wielu przypadkach rozwiązaniem problemu funkcji reentrant jest w y­ woływanie ich jako operacji atomowych, np.: ATOMIC_BL0CK(ATOMIC_RESTCRESTATE)

{ vo1d *p tr-m a llo c (1 0 0 ):

} W ten sposób mamy gwarancję, że funkcja mai loc nic zostanie przerwana i wywołana ponownie np. w procedurze obsługi przerwania. Rozw iązanie to jest efektywne, jeśli możemy pozwolić sobie na zablokowanie obsługi przerwań na czas wywołania takiej funkcji.

Wskazówka

Najbezpieczniej je st jednak unikać wywołania w procedurze obsługi przerwania funkcji, co do których nie je ste śm y pewni, że są one funkcjam i r e e n tr a n t.

R e je stry IO o g ó ln e g o p rz e z n a c z e n ia Podobnie jak inne modele AVR, także X M F . G A jest w yposażona w tzw. rejestry IO ogólnego przeznaczenia (ang. General Purpose IO Registers), w skrócie GPIOR. Rejestry te nie są powiązane z żadnym układem peryferyjnym i nie pełnią żadnej specjalnej funkcji. W X M E G A znajdują się one w przestrzeni IO , począw szy od adresu 0x0000 aż do adresu 0x000F, stąd też mamy dostęp do 16 ośm iobitow ych rejestrów. Ich szczególna przydatność wynika z istnienia w asemblerze A V R specjalnych instrukcji SBI/CBI umożliwiających atomowy, zajmujący 1 takt zegara dostęp do poszczególnych bitów tych rejestrów. Jest to szczególnie cenne, gdy chcem y przekazywać jakieś in­ formacje lub dane pomiędzy programem a funkcjami obsługi przerwań. W tym celu wygodnie jest się posłużyć rejestrami GPIOR. Dostęp do tych rejestrów odbywa się po­ przez ich nazwy (GPI0R0 - GPI0RF) w taki sam sposób jak do zmiennych lub innych rejestrów IO, np.: GPIOR1-10:

Rozdział 10. ♦ Przerwania i kontroler przerwań

317

powoduje przypisanie rejestrowi GPI0R1 wartości 10. Stąd też rejestry GPIOR możemy traktować jako 16 predefiniowanych 8-bajtowych zmiennych. Korzyści ze stosowania tych rejestrów w pełni ujawniają się przy dostępie do poszczególnych ich bitów, dla przykładu ustawienie bitu: GPI0R1|-1:

Może wygenerować prostą instrukcję: GPI0R1|=1: 3cc: 08 9a

Wskazówka

sbi

0x01. 0

;/

Aby to było m o żliw e, m u si być w łączo n a o p ty m a liza cja . P a m ię ta j te ż, że k o m p ila to r m oże w ygenerow ać o ptym alny kod i zazw yczaj w tym przypadku go generuje, je d n a k p o n ie w a ż p isz e m y w języku w y so k ie g o po zio m u , n ie m a g w a ra n cji c o do s p o s o b u , w ja k i k o m p ila to r w ygeneruje kod ase m b le ro w y .

Niemniej jeśli spróbujemy ustawić jednocześnie 2 bity: GPI0R1|—3:

to zostanie wygenerowana normalna sekwencja instrukcji: 3ce: 3d0: 3d2:

81 b l 83 60 81 b9

in o ri out

r24. 0x01 r24. 0x03 0x01. r24

; l

;3 ; /

Dlaczego? W ynika to z faktu, źc instrukcje CBI/SBI m ogą zmieniać stan wyłącznic jednego bitu. Jeśli chcemy zmienić naraz kilka bitów, należy użyć omówionych wcze­ śniej instrukcji atomowej modyfikacji pamięci (o ile użyta X M EG A nimi dysponuje). Ich użycie: Asm_LAS(&GPI0Rl. 3 ):

co praw da w ygeneruje ciąg instrukcji, ale sama m odyfikacja rejestru przebiegnie w sposób atomowy. Zmienne GPIOR możemy grupować, tworząc zmienne 2-, 4- i wielobajtowe. W tym celu wystarczy użyć zwykłego rzutowania typów, np.: v o la t ile u in tl6 _ t *wsk=(uintl6_t*)&G PI0R2: *wsk=Oxaaff:

Wskazówka

P o w yższe za d zia ła po p raw n ie z k o m p ila to re m a v r - g c c w w e rsji 4 .7 .2 i w yższych. N iż s z e w e rsje zaw ie rają błąd po w o dujący w yg en ero w an ie n ie p o p ra w n e g o kodu.

Rejestry GPIOR często traktuje się jako zbiór flag — w takiej sytuacji odwołujemy się do poszczególnych bitów rejestru, więc wygodnie jest zdefiniować odpowiednią strukturę: typ e d e f s tr u c t

{ bool bO : 1: bool b l : 1: bool b2 : 1:

318

AVR. Praktyczne projekty

bool b3 bool b4 bool b5 bool b6 bool b7 } v o la t ile

: 1: : 1: : 1: : 1: : 1: 10:

Posiadając taką definicję struktury, możem y j ą przypisać dow olnem u rejestrowi: 10 * const fla g 1 -(I0 *)& G P I0 l:

Zmienna fla g i będzie zawierała 8 flag, do których dostęp odbywać się będzie atomowo. Ale nasza struktura nie musi zawierać w yłącznie flag, m ożem y um ieścić w niej do­ w olne pola: s tr u c t

{

bool bO : 1: bool b l : 1: bool b2 : 1:

u in t8 _ t lic z n ik : u 1 n tl6 _ t adres: } v o la t ile * const GPI0-(void*)SGPI0R0;

Zm ienna GPIO zostanie autom atycznie zainicjow ana tak, aby w skazyw ać na początek obszaru GPIO, w efekcie maksymalna długość struktury' może wynosić aż 16 bajtów. Po­ kazana struktura zajm uje 3 bajty, gdyż pole 1i czni k jest w yrów nane do granicy bajtu.

Rozdział 11.

System zdarzeń System zdarzeń (ang. Event system) to jedna z najciekawszych nowych funkcjonalności dostępnych w w iększości m ikrokontrolerów XM EGA. Jest to program ow alny system , za pom ocą którego m ożna połączyć dw a lub więcej układów peryferyjnych, z których jeden jest generatorem tzw. zdarzeń (ang. Events), a reszta je st ich odbiornikiem /.d a ­ rzeniem je st zm iana stanu układu peryferyjnego będącego źródłem zdarzenia (ang. E vent sonree). W iększość układów peryferyjnych posiada predefiniow aną listę zd a­ rzeń. W ybrane zdarzenie moZna przekazyw ać za pom ocą jed n eg o z X kanałów zda­ rzeń (ang. E vent cham ie łs), który będzie służył jako pośrednik pomiędzy układem ge­ nerującym zdarzenie a układem reagującym na nie. Z kolei inny układ peryferyjny moZe być odbiornikiem zdarzenia poprzez połączenie go z kanałem , do którego przy­ porządkowany został generator zdarzeń (rysunek 11.1). 'l aka budowa umożliwia bardzo elastyczne połączenie ze sobą różnych układów' peryferyjnych.

Rysunek 1 1 .1 . System zdarzeń umożliwia elastyczne połączenie ze sobą układu generującego zdarzenia z układami mogącymi je odbierać. .Va pokazanym przykładzie zdarzenie nadmiaru tunera 0 generuje zdarzenie, które można połączyć z jednym z 8 dostępnych kanałów (na rysunku połączono je z kanałem 0 — ciągła strzałkaf. Wszystkie układy, które nasłuchują zdarzeń na tym kanale, mogą być jego otłbiormkami. Na pokazanym rysunku mamy dwa odbiorniki układ DMA, u- którym zdarzenie może inicjować transfer porcji danych, oraz inny Umer. który zlicza zdarzenia wyslęjmjące w kanale 0

320

Wskazówka

AVR. Praktyczne projekty

D any k a n a ł m o że p o s ia d a ć w yłączn ie je d n o źró d ło zd a rze ń , a le ich o d b io rc ą m o że być d o w o ln a lic z b a u k ła d ó w peryferyjnych. W d a lsz e j c z ę ś c i k s ią ż k i s y ste m zdarzeń je s t w ykorzystyw any w licznych przykładach, s tą d p o n iżej p rz e d sta w io n o tylko p o d sta w o w e in fo rm a cje o tym u k ła d zie . W ielu s z c z e g ó łó w d o w ie s z s ię z le ktu ry d a ls z e j c z ę ś c i k s ią ż k i.

R e je str m u ltip le k s e ra k an ału zd a rze ń Jak w spom niano, X M EGA dysponuje ośmioma niezależnym i kanałami zdarzeń, to znaczy, ze w danym m om encie możemy w ykorzystać m aksym alnie 8 1 różnych ukła­ dów generujących zdarzenia. Układ peryferyjny generujący zdarzenia wiąże się z wy­ branym kanałem zdarzeń za pom ocą rejestru multipleksera CHnMUX (ang. Eveni channel n m ultiplexer register). Jest to osiem 8-bitow ych rejestrów , po jednym rejestrze na kanał W artość tego rejestru określa układ peryferyjny pow iązany z w ybranym kana­ łem. a w przypadku układów peryferyjnych generujących różne zdarzenia (np. limery) określa także, jak ie konkretnie zdarzenie będzie pow iązane z danym kanałem zdarzeń. W szystkie m ożliw e zdarzenia przedstaw ia tabela 11.1.

Wskazówka

W sy tu a c ji, w któ rej d a n y u k ła d peryferyjny n ie w y stę p u je w w ybranym p ro c e s o rz e X M E G A , g e n e ro w a n e przez n ie g o zd a rz e n ia o c z y w iś c ie ta k ż e n ie w ystę p u ją .

1 tak np. połączenie zdarzenia przepełnienia timera 0 zw iązanego z portem C z kana­ łem CHI system u zdarzeń następuje po wydaniu polecenia: EVSYS_CH1MUX=EVSYS_CHMUX_TCCO_OVF_gc:

Poniew aż timer może być taktowany poprzez kanał zdarzeń, takie połączenie można wykorzystać do kaskadowego łączenia tunerów, co daje możliwość utworzenia Umerów o liczbie bitów 32. 48. 64 i więcej. Przeanalizujmy takie połączenie na poniższym przy­ kładzie (znajduje się on w katalogu PrzykIadyievent_system TC C O O IT T C C 1): EVSYS CH1MUX=EVSYS CHHUX TCCO 0VF gc: TCC0.PER=9: TCCO. CTRLA-TC_CLKSEL_D1V4_gc: TCC1. CTRLA=TC_CLK$EL_EVCHl_gc:

//Połącz TCCO ovfz kanałem CHI //Preskater TCCO to CLKSYS //Sygnał zegarowy dla TCCl pochodzi z CHI

W powyższym kodzie CO jest taktowany z zegara system ow ego podzielonego przez 4. zdarzenie przepełnienia timera CO jest sygnalizow ane w kannie 1. Kanał ten jest je d ­ nocześnie źródłem zegara dla timera C 7, w efekcie jeg o licznik zwiększa się każdora­ zow o po przepełnieniu timera CO. Uzyskujem y wńcc kaskadow e połączenie dwóch timerów. Za pom ocą rejestru PER timera ( '0 ograniczono jego zliczanie do 10 impulsów.

1 Liczba kanałów zależna jest od zastosowanej rodziny mikrokontrolerów XMEGA. Maksymalnie wynosi 8. lecz może ieh być tylko 4 lub system ten może w ogóle nie występować.

Rozdział 11. ♦ System zdarzeń

321

Tabela 1 1 .1 . Z darzenia generow ane p rzez p o d system y p eryferyjne p ro c eso ra .W1EGA. Z a p is A B oznacza zdarzenie generow ane niezależnie p rzez u k ła d peryferyjn y A lub B, za p is 0 7 oznacza zdarzenie generow ane n ie z a le żn e p rzez w ybrany k a n a ł układu / teryfe r y jn e g o Jtib p in IO Z darzenie

D e finicja

Z naczenie

Brak zdarzenia

EVSYS_CHMUX_OFF_gc

Kanał w yłączony

EVSYS_CHMUX_RTC_OVF_gc

P rzepełnienie RTC

EVSYS_CHMUX_RTC_CMP_gc

C om parc m nich w RTC

EVSYS_CHMUX_ACA/B_CH0/l_gc

K om parator analogow y A B kanał 0 l

EVSYS_CHMUX_ACA/B_VJ I M_gc

O kno kom paratora A B

A DC

EVSYS_CHMUX_ADCA/B_CH0-3_gc

K oniec konw ersji A D C A B dla kanału 0 d o 3

P in p o rtu IO

EVSYS_CHMUX_P0RTA-F_PIH0-7_gc

Z darzenie zw iązane z pinem t) - 7 portu A - F

Z eg ar system ow y

EVSYS_CHMUX_PRESCALER_n_gc

Sygnał zegarow y po preskalerze. n jest rów n e kolejnym potęgom liczby 2. o d 1 do 32768

EVSYS_CHMUX_TCC-FO/l_OVF_gc

N adm iar tim era 0 lub 1zw iązanego z poiłem C - F

EVSYS_CHMUX_TCC-FO/l_ERR_gc

B łąd tim era 0 - 1 zw iązanego z portem C - F

EVSYS_CHMUX_TCC-F0/1_CCA-D_gc

C om parc m atch kanału A D dla tim era 0 - 1 zw iązanego z portem C - F. D la tim era 1 w ystępują w yłącznie kanały A B

U kład R TC

K om parator analogow y

T im cr

Uruchamiając w sym ulatorze przykładowy kod. w arto prześledzić dokładnie jego działanie, wykonując kolejne instrukcje NOP i obserwując licznik CNT Umera CO i C l Z pew nością zauważym y, że po zmianie CNT z 9 na o w TC CO wartość licznika CNT t imera C I nie od razu zmienia się na o jeden większą. Zm iana ta następuje po dwóch taktach zegara (wykonaniu kolejnych dwóch instrukcji HOP). W efekcie składając w ar­ tość rejestrów CNT obu timerów przez dwa takty, uzyskalibyśmy następującą sekwencję zmian: 08. 09. 00. 10 W idzim y, że odczytując w m iędzyczasie oba liczniki, możemy odczytać nieprawidłową w artość — po 09 przez dwa takty odczytamy wartość 00. Błąd ten jest spow odow any czasem propagacji zdarzenia przez system zdarzeń, który typowo wynosi dwa takty zegara C LK PE R. W pewnych sytuacjach musimy brać pod uwagę ten błąd i wprowadzać odpowiednie działania korygujące (więcej na ten te­ mat dow iesz się z rozdziału 12. „Tunery i liczniki”). Czas trwania zdarzenia, z wyjątkiem zdarzeń zw iązanych z pinami IO, wynosi jeden takt zegara CLKPER.

322

AVR. Praktyczne projekty

Z a a w a n so w a n e fu n k cje k an ału zd a rze ń System zdarzeń lo nic tylko bierny pośrednik przekazujący sygnał pomiędzy układa­ mi peryferyjnym i procesora Układ ten może przeprow adzać także pew ne operacje zw iązane z przekazyw anym i zdarzeniami. D w ie typow e operacje to filtrow anie oraz dekodow anie sygnału kwadra turo wego. dzięki czemu m ożna len system w ykorzystać jak o dekoder kodu G raya stosowanego w różnego typu cnkodcrach.

Wskazówki

W s z y s tk ie fu n k c je s p e c ja ln e w yb iera s ię p o p rzez re je str k o n tro ln y d a n e g o k a n a łu CHnCTRL (ang. Even( Channel n C ontrol Register).

Filtr cyfrowy Najprostszą funkcją dodatkową kanału systemu zdarzeń jest cyfrow y filtr sygnału. Jego aktywacja powoduje, żc aby dany sygnał mógł zostać przekazany przez kanał zdarzeń, musi się utrzymywać przez wybraną z zakresu od I do 8 liczbę taktów zegara CLKPER. Jakakolw iek zm iana sygnału w tym czasie pow oduje, Ze nie w ygeneruje on zdarzenia Filtr cyfrowy aktywuje się poprzez w pisanie w artości w ybierającej daną wartość filtra do rejestru kontrolnego: EV$YS_CH1CTRL-EV$YS_D IGF I LT__lSAMPLE_gc:

Dzięki temu możemy w yelim inow ać przypadkowe zakłócenia, które mogłyby zostać odebrane jako zdarzenia Filtr ten stosuje się wyłącznie w sytuacji, w której kanał zdarzeń połączony je st z pinem 10 procesora mogącym generow ać zdarzenia w sposób ciągły.

Wska2 ów ki

P a m ię ta j, a b y n igdy n ie aktyw ow ać te g o filtra , je ś li źró d łe m zd a rze ń j e s t in ny niż porty 10 u kła d peryferyjny. S p o w o d u je to z a b lo k o w a n ie z g ła s z a n ia zdarzeń.

Jak pam iętam y, zdarzenie jest sygnalizow ane przez jeden takt zegara CLKPER. stąd tez w łączenie filtra obejm ującego więcej niz jeden takt spow oduje niem ożność zgło­ szenia zdarzenia. W ykorzystanie takiego filtra może pom óc w zniw elow aniu wpływu przypadkowych, krótkotrwałych zakłóceń, jednak maksymalny czas filtrowania, równy 8 cyklom zegara, uniem ożliwia jego w ykorzystanie do filtrow ania sygnałów pocho­ dzących od np. przycisków’, których drgania zazw yczaj m ają czas trw ania równy m ili­ sekundom. czyli tysiącom taktów zegara.

Dekoder kwadraturowy O wiele ciekawszą funkcjonalnością kanału zdarzeń jest wykorzystanie go do dekodo­ wania sygnału zenkoderów posługujących się kodem Graya

Rozdział U . ♦ System zdarzeń

W U urów U

323

D ekod er kwadraturowy m ożna uruchom ić w yłącznie dla kan ałó w 0 , 2 i 4 \ W spółdziała on z a w sz e z d w o m a s ą s ia d u ją c y m i ze s o b ą p in a m i p ro c e s o ra . J a k o piny b ę d ą c e w e jśc ie m d e k o d e ra m o g ą p o słu ży ć d o w o ln e s ą s ie d n ie pary pinów .

Odblokowanie dekodera kwadraturowego uzyskamy poprzez ustawienie bitu QDEN (ang. O uadralure Dc co dc Enable) odpow iedniego rejestru kontrolnego (0. 2 lub 4). Spró­ bujmy zobaczyć, ja k wygląda je g o wykorzystanie, na podstaw ie prostego przykładu, w którym w ykorzystany zostanie zwykły enkoder obrotowy.

P o d łą c z e n ie e n k o d e ra o b ro to w e g o K o d te g o przykładu zna jduje s ię w k a ta lo g u P rzyklady/Evont_system /Q DEC.

W skazówka

Enkoder obrotowy jest popularnym elementem umożliwiającym zrealizowanie w bardzo wygodny sposób interakcji z użytkownikiem. W iększość stosow anych enkoderów po­ siada dwa w yjścia (A i B) określające aktualną pozy cję enkodera kodow aną w kodzie Graya Kod ten jest odm ianą kodu binarnego, dla którego kolejne wartości różnią się w yłącznie stanem jednego bitu (kolejne wartości kodu będą więc wyglądać następu­ jąco: 00. 10. 11.01 itd ). D odatkowo enkodcr>r takie są często wyposażone w przy cisk um ożliw iający np. potw ierdzenie wyboru. W iększość enkoderów posiada w yjścia A i B typu opcn-collector, to znaczy, że w jednym ze stanów są one zwierane np. do masy (doprowadzonej na specjalne w ejście C O M enkodera), a w drugim pozostają rozwar­ te. Zachowują się więc dokładnie tak samo jak przyciski. W ym usza to zastosowanie zewnętrznych rezystorów ustalających stan wyjścia w sytuacji, w klórci dany styk enko­ dera jest rozwarty Zdarzają się enkoder)' z wyjściami typu push-ptdl, dla tego typu w yjść stan jest ustalony w obu pozycjach — raz. jest to stan niski, a raz wysoki. Nie­ które enkoder)- oprócz wyjść A i B posiadają także w yjścia A ‘ i B ’ — stan tych w yjść jest negacją w yjść A i B Dzięki temu dysponujem y w yjściem różnicowym, którego sygnał jest mniej podatny na zakłócenia, łatwiej jest więc przesyłać go na większe odle­ głości. Sygnał wyjściowy enkodera zwykle zakodowany jest w kodzie Graya. Ponie­ waż sygnały na wyjściu B są przesunięte w fazie o 90° w stosunku do sygnału na wyj­ ściu A . możliwe jest określenie kierunku obrotu enkodera (lewo. prawo) — rysunek 11.2 Enkoder)- m ają ściśle określoną liczbę impulsów przypadających na jeden pełny ob ­ rót. W artość ta mieści się w szerokich granicach, od kilku d o kilkunastu tysięcy im­ pulsów na obrót. Im w ięcej impulsów przypada na jeden pełny obrót enkodera. z tym większą precyzją możemy zmierzyć kąt obrotu Jednak w naszym przykładzie, gdzie chcem y wykorzystać enkoder tylko d o ustaw ienia pożądanej wartości na w yśw ietla­ czu. nie potrzebujemy bardzo precyzyjnych i co za tym idzie drogich enkoderów. Prędkość obrotu enkodera możem y w yliczyć z częstotliw ości sygnału A lub B. oba sygnały są natomiast potrzebne dla określenia kierunku obrotu. Kierunek obrotu moż­ na określić na podstawie obserwow anej sekwencji zmian sygnału na wyjściach A i B — tabela 11.2.

" Oczywiście o ile występują one w wybranym modelu XMEGA.

Rozdział 11. ♦ System zdarzeń

WiUiówb

325

Istnieją in ne typy e n k o d e ró w , m .ln. e n k o d e ry o ptyczn e , k tó re po zb aw io n e s ą tej wady. Je d n ak ich c e n a zn ie ch ęca do sto so w a n ia ich w z a s to so w a n ia c h am atorskich.

W iększość enkoderów. podobnie jak zw ykle przyciski, podczas obrotu zwiera i roz­ wiera wyjścia A i B do specjalnego wejścia oznaczonego jako COSI. Jeśli wejście C O S! podłączymy do masy. to obrót enkodera spowoduje. Ze na wyjściach A i B będzie­ my obserwować naprzemiennie stan niski i stan wysokiej impedancji (rozwarcia). Stąd też, podobnie ja k w p rz y p a d k u zw ykłych przycisków , n iezbędne jest stosow anie rezystorów podciągających, w ym uszających stan w ysoki w chw ili ro zw arcia w y j­ ścia enkodera. Dostępne enkodery cechują się także zmienną liczbą impulsów generowanych przy przej­ ściu pomiędzy' kolejnymi stanami stabilnymi. Zw ykle dostępne enkodery po obrocie do kolejnej pozycji stabilnej (czemu towarzyszy charakterystyczny przeskok i ..klik") generują cztery przejścia Dostępne są także enkodery generujące w takiej sytuacji tylko dwa lub jedno przejście. Takie działanie enkodera należy uwzględnić, pisząc program sterujący. W przeciwnym razie enkoder może sprawiać wrażenie, jakby gubił impulsy (generuje np tylko jedno przejście zamiast czterech, jakich oczekuje pro­ gram), lub działa niestabilnie (generuje cztery impulsy pomiędzy pozycjami, podczas gdy program oczekuje tylko jednego) Obsługę enkoderów znacznie upraszcza wykorzystanie sprzętowego dekodera kwadra* turowego, zaimplementowanego w systemie zdarzeń procesorów XMF.GA. Dla zilu­ strowania możliwości sprzętowej obsługi enkoderów przez XMEGA zmontujmy układ jak na schemacie 11.3. X P L A IN E D

PCO (O CO A/SO A) P C liO C Q B .,XCKG.,S C L ) PC2(O CO Cff?XD D } PC3(O CO D rrXD O > P C 4 (O C 1 A fS S ) P C 5 (O C 1B /M 0 S l/X C K 1 ) P C 0 (M IS O .n X D 1 ) P C 7 rS C K fT X D 1 /C L K O /E V O |

Rysunek 1 1 .3 . Podłączenie enkodera doX\IEGA128A / (poprawej) łub modułu.YPłained (po lewej> Wyjścia A i B enkodera łączymy odpowiednio z pinem CO i C l portu C. przycisk z pinem CS. W przypadku wykorzystania modułu XPłained enkoder łączymy z pinami złącza J4 o numerach takich jak pokazane na powyższym schemacie Aby móc obserwować wynik, procesor (lub moduł XPIained) możemy podłączyć do LCD alianumciyczncgo. co umożliwi nam odczyt bieżącej pozycji. Schemat podłączenia LCD alfanumerycznego został pokazany na rysunku 11.4. Enkoder, podobnie jak przyciski, okresowo zw iera wyjścia A lub B do masy. a okresowo pozostają one rozwarte. Aby w takiej sytuacji zapewnić określony stan na wejściach procesora, musimy zastosować rezystory podciągające (połączone pomiędzy wyjście enkodera a Ccc). Możemy także skorzystać z rezystorów wbudowanych w port — wystarczy je uaktywnić w rejestrze konfiguracyjnym portu — stąd na schematach nie pokazano zewnętrznych rezystorów podciągających. M ając zm ontow any układ elektroniczny, m ożem y przystąpić do napisania odpow iedniego program u W pierw szej kolejności należy odpow iednio skonfigurow ać piny procesora połączone z wyjściami A i B enkodera:

326

AVR. Praktyczne projekty

PORTCFG_MPCMASK-ObOOOO0111: //'Zapisz non ą konfigurację do pinów 0 1 I PORTC_pTnOCTRL=PORT_I$C_LEVEL_9C | POftT_OPC_PULLUP_gc: //Zdaizerue generuje niski poziom Dis*

DIS6

TUXOR 1«X2 R2

T l)X G R 16X2 R2

Vee

Voo

Rysunek 11.4. Połączenie IjCD z mikrokontrolerem. Po lewej podłączenie do mikrokontrolera XKtEGA. po prawej podłączenie do modułu XPłained. Sa schematach pokazano takie opcjonalne sposoby podłączenia pinu f cc otłpowiedzialnego za regulację kontrastu LCD Wartość wpisana do rejestru MPCMASK — jak pamiętamy — powoduje powielenie operacji zapisu do rejestru kontrolnego portu na wszystkie piny, których odpowiadające im bity rejestru MPCMASK są ustawione (w powyższym przykładzie l>ędą to piny PCO - PC 2). Aby piny mogły być źródłem zdarzeń dla dekodera, musimy je ustawić tak, aby były

Rozdział 11. ♦ System zdarzeń

327

transparcntnc dla systemu zdarzeń (PORT_isc_iEVEL_gc). dodatkow o włączony został rezystor podciągający do I cc (PORT_OPC_PULLUP_gc). dzięki czemu nic ma potrzeb)- stosowa­ nia rezystora zewnętrznego. Kolejnym etapem będzie skonfigurowanie limem, lak aby mógł dekodować i zliczać obroty cnkodcm W tym celu wykorzystamy lim er TCCO: TCCO_CTRLA-TC_CLK$EL_D I Vl_gc:

//TCCO taktowam-: CLKPER //UTącz actionja ko QjDECr kanału CHO

TCCO_CTRLD-TC_EVACT_QDEC_gc | TC_EVSEL_CHO_gc:

Timer będzie taktowany z CLKPłiR, dzięki czemu będzie mógł zliczać nawet bardzo krótkie impulsy, dodatkowo dzięki rejestrowi kontrolnemu CTRLD wybrano jedną z funkcji specjalnych, jaką jest praca jako licznik dekodera kwadralurowcgo (TC_EVACT_QDEC_gc). połączonego z kanałem zdarzeń CHO (TC_EVSEL_CHO_gc). N a koniec pozostaje nam podłączenie odpowiednich pinów portu, do którego jest podłączony enkoder z licznikiem, za pom ocą system u zdarzeń: EVSY$_CHOMUX-EVSYS_CHNUX PORTC PI HO gc: //PCObęttic źródłem z Jarzeń EVSYS_CHOCTRl=EVSYS_QDEN_l>n | EVSYS_D IGFI LT_2SAMPLES_gc:

//Odblokuj dekoder / kwadr a!nrowy dla CHO

Kanał CHO został połączony z pinem PCO i autom atycznie z pinem P C I, do których podłączone są wyjścia A i /i enkodera (PC2 służy do ewentualnego podłączenia wyjścia przycisku zw iązanego z enkoderem i pozostaje bez wpływu na pracę dekodera kw a­ dralurowcgo). Aby uaktywnić dekoder kw adraturowy. musimy skorzystać zc specjalnej funkcji kanału, wybieranej w rejestrze kontrolnym CHOCTRL Dodatkowo uaktywniono drugą funkcję — filtrowania cyfrowego, w efekcie sygnał, aby został użyty, musi utrzy­ mywać się na pinie przez co najmniej 2 takty zegara M ożna oczyw iście wybrać inne filtry, lecz w przypadku enkodera obrotow ego jest to bez większego znaczenia — okres drgań styków m echanicznych i tak jest w ielokrotnie dłuższy niż maksymalny czas filtrowania sygnału, który możem y ustawić w rejestrze kontrolnym. Pozostaje jeszcze sprawdzenie efektu naszych prac. W tym celu posłużym y się prostym wy­ świetlaczem LCD, na którym będzie wyświetlana aktualna wartość licznika tunera CO fcbłleO)

{

tf(TCCO_CMT'=cnt)

{ cnt-TCCO_CMT: ito a ( c n t/4 . b u fo r. 10): lc d _ c ls ( ) : lc d _ p u tte x t(b u fo r ) :

//Konwersja wartości C .\T na tekst Skasuj led /•Wyświetl wartoić na LCD

dery m ogą na jeden przeskok generow ać zm ienną liczbę im pulsów , uzyskaną wartość Z licznika należy podzielić przez liczbę im pulsów generow anych na jeden przeskok Typowe enkoder)' generują 4 impulsy pomiędzy stanami stabilnym i, stąd tez w artość licznika w powyższym kodzie jest dzielona przez 4. Po uruchom ieniu programu, krę­ cąc pokrętłem enkodera. powinniśmy zaobserw ow ać zm ianę w yśw ietlanej na w y­ świetlaczu liczby Podczas obrotu w jednym kierunku pow inna się ona zwiększać, po zm ianie kierunku obrotu będzie się ona zm niejszać P o n ie w a ż im p u ls y są zliczane

Rozdział 11. ♦ System zdarzeń

331

Enkoder kwadraturowy z indeksem Niektóre enkodery posiadają dodatkowy sygnał tzw. indeksu. Sygnał ten jest generowa­ ny przez enkoder w chwili, kiedy osiąga on zadaną pozycje, np. pozycję początkową. Dzięki temu można precyzyjnie określić pozycję enkodera. a nic tylko jego prze­ mieszczanie, tak jak w przypadku enkoderów bez indeksu.

Wskazówka

K o d p o n iż sz y c h p rzy k ła d ó w zn a jd u je s ię w k a ta lo g u P rzykla d y/E ve n t_ systo m / QDECIndex. P o łą cze n ie e n k o d e ra z pro ce so re m w ygląda ta k s a m o ja k w poprzednim p rzykła d zie , z tym że w yjście in d e k s o w e łą czym y z pine m 2 p o rtu C.

XMEGA wspiera tego typu enkodery, a tryb absolutny pracy dekodera można wybrać, ustawiając bit QDIEM (ang Ouadrature Decode index etiable) rejestru CHnCTRL Wybierając typ enkodera z indeksem, należ)' także określić kom binację sygnałów, dla których aktywowany jest sygnał indeksu Pozycję tę określa się za pom ocą bitów QDIRM[1:0] (ang Ouadrature decode index recognition modę) tego sam ego rejestru Pozycja ta jest niezw ykle istotna, gdyż do wyzerowania powiązanego z dekoderem licznika w y­ magane jest zajście dwóch okoliczności: ♦ wysoki stan sygnału indeksu (to możemy zm ienić za pom ocą bitu IHVEN rejestru kontrolnego pinu IO). ♦ stan bitów QDIRM musi odpow iadać stanowi sygnałów A i B enkodera. Jeśli warunki te nic są spełnione, a także jeśli licznik tunera w momencie aktywacji sygnału indeksu nie w skazuje wartości o, to zostanie zasygnalizowany błąd (ustaw iony bit ERRIF tunera), a także opcjonalnie zostanie w ygenerow ane przerwanie.

Wskazówka

W c z a s ie n o rm a ln e j pracy e n k o d e ra sy tu a cja ta k a n ie p o w in n a m ie ć m ie js c a — św ia d c zy o n a o b łędnej k o n fig u ra cji program u lub o b łędnej pracy e n k o d e ra.

Z tego powodu W trybie pracy z enkoderem i indeksem ważne jest właściwe ustaw ienie rejestru PER tinicra współpracującego z. dekoderem . Jego wartość mu­ si być rów na liczbie impulsów generow anych p r/ez enkoder na jeden pełny obrót. W przeciwnym razie wartość rejestru CHT po pełnym obrocie enkodera i aktywacji sy­ gnału indeksu nie będzie równa o i zostanie zgłoszony błąd O czyw iście błąd ten mo­ żemy zignorować, lecz w takiej sytuacji stracimy możliwość automatycznego wykrywania uszkodzenia enkodera, a także traci się wtedy sens stosow ania enkodera z indeksem — wartość licznika CMT nie będzie po kolejnych obrotach odpow iadała absolutnej po­ zycji enkodera. Aby skorzystać z enkodera z wyjściem indeksu, należy oprócz konfiguracji wejść podłączonych do sygnałów' A i B enkodera odpow iednio skonfigurow ać także w ejście indeksu W tym celu należy odpowiedni pui IO skonfigurow ać jako wejście, a w rejestrze kontrolnym wybrać, aby zdarzenia były generowane dla obu zboczy sygnału

PORTC_PIN2CTRL=PORT_I$C_BGTHEC<3ES_gc | PORT_OPC_PULLUP_gc: /Wejiaeindeksu -z d a rzenia / / d la obu zbocz}'

332

WsUiówkj

AVR. Praktyczne projekty

Pamiętajmy, że o ile piny połączone z sygnałami A I B m uszą być sąsiednim i pi­ nami wybranego portu, to pin połączony z wyjściem indeksu może być dowolnym pinem, nawet Innego portu 10. Kolejnym etapem jest skonfigurow anie systemu zdarzeń Jeśli ja k o dekoder kw adraturowy w ykorzystamy kanni to z indeksem będzie zw iązany kanał ;M-/ Stąd tez poniew aż do dekodow ania sygnału w ykorzystano kanał CHO. kanałem odpow iedzial­ nym za indeks będzie kanał CHI. Musimy go w ięc pow iązać z pinem podłączonym do w yjścia indeksowego: EVSYS_CHlML)X=£VSYS_CIIMUX_P0RTC_PlN2_gc:

Musimy także odpowiednio skonfigurować kanał CHO. a dokładniej odblokować w nim funkcje odpow iedzialne za rozpoznanie sygnału indeksu: EVSYS_CHOCTRL=EVSYS_QD£N_t>n | EVSYS_GOIEN_bn | EVSYS_DIGFILT_2SAHPLES_gc:

Pozostaje jeszcze określić położenie enkodera, czyli stan sygnałów A i H w chwili, kiedy w yjście indeksu jest aktywne. Stan ten zależy od użytego enkodera. W poniższym przykładzie przyjęto, że w chwili aktywacji indeksu (osiągnięcia przez enkoder pozycji początkow ej) sta n /! i # je st równy 0: EVSYS_CHOCTRL|=EVSYS_C01 RM_00_gc:

Konfiguracja wszystkich innych funkcji, w lym tunera, wygląda tak samo jak dla enkodera bez wyjścia indeksowego. Pamiętać tylko musimy, że rejestr CNT użytego timera bę­ dzie w skazyw ał pozycję absolutną enkodera. a nie liczbę w ygenerow anych im pulsów (pod w arunkiem popraw nej konfiguracji rejestru PER)

Programowe sterowanie zdarzeniami Zdarzeniami można także sterować programowo, w ten sposób symulując wystąpienie sytuacji związanych z zajściem danego zdarzenia. Ma to pew ne znaczenie w czasie debugowania kodu. kiedy to dzięki program ow em u generow aniu zdarzeń możemy zasymulow ać pew ne sytuacje. M ożna tę możliwość w ykorzystać także w innych celach.

Wskazówka

Co ważne, zdarzenie generowane programowo zachowuje się tak sam o jak zdarzenie wygenerowane przez układ peryferyjny, a jego czas trwania wynosi jeden takt CLKPER. Do program ow ego generowania zdarzeń śluzą dwa rejestry: DATA i STROBĘ Każdy bit obu rejestrów określa stan jednego kanału zdarzeń Rit 0 powiązany je st w ięc z kanałem CHO, bil 1 z kanałem CHI ild. Połączenie odpow iadających bilów obu rejestrów określa typ generow anego zdarzenia zgodnie z tabela 11.3.

Rozdział 11. ♦ System zdarzeń

T a b e la 1 1 .3 .

333

G e iu ro w a iiie p ro g ra m o w e zd a rzeń

STRO BĘ

DATA

Z d a rz o n io

A k c jo

0

0

Urok

Urok

0

1

Zdarzenie 1

Brak

l

0

Z.darze nic 2

Zgłoszenie zdarzenia

1

1

Zdarzenie 3

Zgłoszenie zdarzenia

Juk widzimy, zdarzenie jest zgłaszane do systemu zdarzeń, jeśli odpowiedni bit rcjcstm STROBĘ ma wa ilość 1 Pozostałe kombinacje sygnałów STROBĘ i DATA używane są in.in. do realizowania funkcji dekodera kwndrnturowego. Dlii aktywnego bitu w reje­ strze STROBĘ stan bitu w rejestrze DATA umożliwia wygenerowanie dwóch różnych zdarzeń, co ma znaczenie dla tunerów, /.darzenie z ustawionym bilem DATA generuje zdarzenie zwiększające o jeden stan licznika limem, a z. wyzerowanym hitem OATA powoduje zmniejszenie o jeden wartości licznika3.

W ila ita ti

Z darzen ie zo sta je w ygenerow ane w chw ili za p isu rejestru STROBĘ, stą d te ż d la zd a ­ rzeń złożonych, d la których w ażny je s t także sta n re je stru OATA, nałoży najpieiw odpow iednio uzupełnić rejestr DATA. a dopiero potom w yw ołać zdarzonio, ustaw iając odp ow iedn i b it (bity) re jo slru STROBĘ.

Na przykład sekwencja: £VSYS_OATA=t: £VSY$_$TR0BE» 1 :

Miyjgęnenj :
|)owoduje wygenerowanie zdarzenia dla kanału CHO (ustawiamy bil numer 0 rejestru STROBĘ). Jeśli typ zdarzenia nic ma znaczenia, to możemy pominąć zapis do rojestm DATA

Zdarzenia jako sygnały steru jące układam i zewnętrznym i Zdarzenia możemy wykorzystać do realizacji jeszcze jednej ciekawej funkcji — jest nią możliwość sterowania i synchronizacji z. pracą mikrokontrolera różnych układów zewnętrznych. Możliwość taka została pokazana w praktyce w rozdziale Id., poświę­ conym I.HD-om i sterowaniu matrycą LUD. Aby można było za pomocą zdarzeń stero­ wne układami zewnętrzny nu. wybrany kanał systemu zdarzeń należy wyprowadzić na poit l() mikrokontrolera 1

1 Użyty l i c / J i i k musi l»yó odpowiednio skonfigurowany, w przeciwnym ta/ic każde /darzenie będzie zwiększać lub zmniejszać jego stan.

334

WsJuzówka

AVR. Praktyczne projekty

P a m ię ta j, ze w ię k s z o ś ć zd a rze ń trw a tylko Jeden ta k t CLKper , w e fe k c ie ste ro w a n y u kła d ze w n ętrzn y m u s i być n a tyle szy b k i, aby n a ta k ie zd a rz e n ie zare a g o w a ć.

W starszej generacji mikrokontrolerów X M EGA (m.in. X M EG A 128A 1) na w yjście IO można w yprow adzić w yłącznic sy gnał z kanału zdarzeń 0. w dodatku wyjściem tym jest zawsze pin nr 7 w ybranego portu (PORTC. PORTO lub PORTE). W takiej sytuacji poż.ądaną konfigurację wybiera się poprzez zapis do rejestru CLKEV0UT: PORTCFG_CLKEYOUT=PORTCFG_EVOUT_PC7_gc:

co spowoduje w yprow adzenie w yjścia kanału 0 na pin nr 7 PORTC. Aby sygnał z ka­ nału zdarzeń pojawił się na wyjściu, pin ten musi być oczyw iście skonfigurowany ja ­ ko wyjście. Nowsze generacje (np. XM KGA128A)U) dysponują dodatkowo możliwo­ ścią w yboru pinu IO. na którym pojawi się w yjście kanału 0 — może to być pin nr 7 (tak jak w starszych egzem plarzach) lub pin nr *4: PORTCFG_CLKEVOUT-PORTCFG_EVOUT_PC7_gc | PORTCFG_CLKEVP[N_PlH4_gc:

Jak w idzim y, aby odblokow ać tak ą konfigurację, musim y w ybrać m ożliw ość w y­ prow adzenia sygnału z kanału zdarzeń na pin IO. a dodatkow o ustaw ie bit P0RTCFG_ CLKEVPIH_PIN4_gc w celu przeniesienia wyjścia z pinu nr 7 na pin nr 4. Dodatkowo mo­ żemy wybrać, który kanał zdarzeń chcemy wyprowadzić na pin wyjściowy (w now­ szych XMEGA może być to dowolny kanał 0 - 7): FORTCFG_EVOUTSEl=PORTCFG_EVOUTSEl_l_gc: //Wybierz kanał zda,zeń

Powyższe spowoduje w yprow adzenie na pin 4 portu PORTC kanału nr 1

WsJurówU

D om yślnym sta n e m pinu reprezen tująceg o k an ał zda rze ń je s t sta n n isk i. Z d a rze n ie p o w o duje p rz e jśc ie w yjścia w s ta n w y so k i n a c z a s je d n e g o ta k tu CLKper, po czym pin po w raca d o sta n u n isk ie g o . J e ś li ch ce m y u zy sk a ć o d w ro tn e za ch o w a n ie , należy użyć b itu k o n fig u ra c ji pinu INVEN.

Inne funkcje rejestru Niejako przy okazji w ario w spom nieć o innych funkcjach rejestru CLKEV0UT. U m ożli­ wia on w yprow adzenie na pin IO w ybranego portu (C, D lub F.) jednego z zegarów (zawsze będzie to pin nr 7 wybranego portu IO): ♦ C LK per ( PORTCFG_CLKOUTSEL_CLKlX_gc), ♦ C LK per2 (PORTCFG_CLKOUTSEL_CLKlX_gc). ♦ CLKper-t (PORTCFG_CLKOUTSEL_CLKlX_gc). Na przykład PORTCFG_CLKEYQUT-PDRTCFG_CLKQUTSEt_ClK1X_gc | PORTCFG_CLKOUT_PE7_gc:

pow oduje wyprowadzenie na pin 7 PORTE sygnału zegara C LK per

Rozdział 11. ♦ System zdarzeń

335

Ostatnią możliwością jest wyprowadzenie na pin 6 PORTC sygnału taktującego układ RTC: PORTCFG_CLKEVOUT-PORTCFG_RTCOUT_fc
Wskazówka

W arto je d n a k zw ró cić uw agę, że je ś li w yprow adzim y sygnał CLKpcr4. to p o ten cjalnie n a w yjściu pojawi s ię przebieg o c zę sto tliw o ści naw et 1 2 8 M H z. N aw et je ś li wypro­ w adzim y „tylko* k a n a ł s y s te m u zd a rze ń , to pojaw ią s ię im p u ls y o s z e r o k o ś c i za le ­ dw ie 3 1 ,2 5 n s (dla ta kto w an ia 3 2 M H z) — n a k ła d a to du że w ym agania w sto su n k u d o u k ła d ó w ta kto w an ych (sterow anych) ta k im i p rze b ieg am i.

Rozdział 12.

Timery i liczniki W w iciu przykładach do lej książki w ykorzystywane są tunery — nic bez powodu. Jest to jeden z nielicznych układów peryferyjnych, które są wykorzystywane praktycznie w każdym programie. Ich przydatność jest tak duża, ze naprawdę trudno sobie wyobrazić jakikolwiek sensowny program bez ich użycia. Osoby przechodzące na używanie XMEGA zamiast innych A VR-ów z pewnością ucieszy fakt. żc XMHGA posiada nic tylko więcej liczników (typowo X i więcej), ale są one także bardziej rozbudowane, oferują większą funkcjonalność, a przy tym... są prostsze w obsłudze. Jak to m ożliw e? Przede w szyst­ kim w prow adzono kilka rozwiązań ograniczających liczbę try bów pracy licznika bez ograniczenia jeg o funkcjonalności, uporządkowany został także zestaw rejestrów kontrolnych. W efekcie użycie liczników w X M EGA stało się praw dziw ą przyjem no­ ścią — co je st bardzo dobre, bo im więcej będziemy z liczników korzystać, tym lepiej dla pisanej aplikacji. Poniew aż jak w spom niano, praktycznie żadna aplikacja nic m o­ że obyć się bez licznika, w dalszej części książki pojaw ią sic dziesiątki przykładów ich użycia, stąd też w tym rozdziale pokazane zostaną tylko niektóre, podstaw ow e przykłady konfiguracji liczników, pewne niuanse związane z ich wykorzystaniem pojaw ią się w kodach przykładów 'znajdujących się w kolejnych rozdziałach.

C o to je s t lic z n ik ? Czym są więc ow e wspaniałe liczniki? W dużym skrócie można powiedzieć, że to układy, które zliczają nadchodzące impulsy. Z lego opisu bynajmniej m e wynika, jak potężnym narzędziem m ogą one stać się w rękach dośw iadczonego program isty N ajw iększą zaletą licznika jest to, ze zlicza on impulsy niezależnie od działania programu W efekcie wykony w'anie programu nie ma wpływu na licznik — może on więc służyć do odliczania czasu. Ale to nic wszystko. Do tej prostej funkcji dodane są pew ne funkcje dodatkowe: 1. Możliwość wyboru źródła zliczanych impulsów W XM EGA tych źródeł może być sporo, może to być jeden z. dostępnych zegarów', może to być podsystem zdarzeń lub sygnał podany na jed n o z w ejść m ikrokontrolera. M oże to nawet być inny licznik Dzięki temu możem y łączyć liczniki kaskadow o, a sygnał zegarowy licznika dzielić przy użyciu tzw preskalerów — układów

338

AVR. Praktyczne projekty

dzielących analogicznych do tych. z. którymi spotkaliśmy się w rozdziale 9. przy okazji konfiguracji zegarów systemowych. 2. Możliwość porównania stanu licznika z jednym z rejestrów porównania (CCA - CCD. o czym będzie za chwilę). Efektem takiego porównania może być zmiana stanu pinu IO. u ygenerow unie zdarzenia dla innego podsystemu lub wygenerowanie przerwania. Umożliwia to generowanie przebiegów o różnym współczynniku wypełnienia, realizację opóźnień czy generowanie im pulsów o zadanym czasie trwania. 3. M ożliwość generowania przebiegu o zadanej częstotliw ości. Rejestr CNT licznika jest porównywany z rejestrem określającym jeg o okres (PER): porów nanie to moż.c generować dowolne zdarzenie. 4. Sam licznik może zliczać w górę lub w dół 5. Zdarzenie zew nętrzne może zostać przechw ycone, a m om ent jeg o wystąpienia (w artość rejestru licznika CNT) może zostać zachowany Dzięki temu możemy precyzyjnie (z dokładnością do jednego taktu zegara) określić moment zajścia w ybranego zdarzenia bez angażowania w to programu. 6. Z licznikiem pow iązane są pew ne specjalne funkcje takie jak funkcja dekodera kw adraturow ego — co wykorzystywaliśmy ju ż do obsługi enkodera obrotowego — generowanie przebiegów o wysokiej rozdzielczości (układ A\VeX) czy przebiegów sterujących pólmostkami i m ostkami II. silnikami BLDC. układów wstawiania czasu martwego Jak widzimy, liczba zastosowań licznika jest ogrom na i praw dopodobnie ograniczona wyłącznie naszą wyobraźnią. X M EGA dysponują pięciom a typami liczników, przy czym w ramach jednej rodziny dysponujemy zazwyczaj dwoma typami liczników. Poszczególne typy są do siebie bar­ dzo podobne, zazwyczaj różnice są niew ielkie i sprow adzają się do liczby dostępnych kanałów porównań (2 lub 4) lub długości licznika (X lub 16 bitów ). Lecz niezależnie od typu każdy licznik cechuje się podobną budow ą ogólną.

Wikarówka

W X M E G A — w przeciw ieństw ie d o w cześniejszych rodzin AVR — w szystkie liczniki są 16-bitow e z o p c jo n a ln ą m o ż liw o ś c ią p o d z ie le n ia k a żd e g o n a dw a lic z n ik i 8-bitow e.

Ź ró d ła ze g a ra i p re s k a le r Domyślnie tuner jest wyłączony — to znaczy, że na jego wejście zegarowe nic jest poda­ wany przebieg zegarowy. Aby włączyć Umer. należy podać na jego wejście przebieg ż wy­ branego źródła. Pam iętaj, aby najpierw skonfigurow ać tim er, a dopiero potem w łączyć d la niego zegar. Wskazówka

Rozdział 12. ♦ Timery i liczniki

339

l ulaj zaczynamy od zegara, bo jest to związane z funkcjonalną budow ą licznika Źródłem zegara dla timera może być zegar CLKPER lub jego wartość podzielona przez 2. 4. 8. 64. 256 lub 1024. D odatkow o źródłem zegara może być podsystem zdarzeń, a za jego po­ średnictwem praktycznie każdy inny podsystem XMIiGA. w tym dowolny pin IO czy też inny timer Źródłem zdarzeń dla podsystemu zdarzeń może być sygnał zegarowy CLKPER, który zanim trafi do podsystemu zdarzeń, przechodzi przez dodatkowy preskaler. Stopień podziału tego prcskalcra możemy wybierać w zakresie 2“. gdzie n mieści się w przedziale 0 - 1 5 W elekcie możem y dzielić C LK PER przez do w o ln ą w artość będącą potęgą liczby 2 z zakresu 1 - 32 768 W tym trybie najpierw musimy skonfigurować wybrany kanał podsystemu zdarzeń, a następnie wybrać go jako w ejście zegarow e timera

EVSYS_CHCMUX=EVSY$_CHMUX_PRE$CALER_8192_gc: //Podział CLKPER S192 na kam ie 0 TCCO_CTRLA=TC_CLKSEL_EVCHO_gc: " //Wybierz kanał 0 jako źródłozegara

Jeśli chcemy uzyskać podział mcbędący potęgą liczby dwa. możemy w tym celu użyć ti­ mera. system u zdarzeń i... tim era Pierw szy tim er podzieli nam doprow adzony do nie­ go przebieg przez dow olną w artość z zakresu 1 - 65 536. a następnie przekaże impuls po podziale przez system zdarzeń do timera docelow ego (rysunek 12.1).

R y s u n e k 1 2 . 1 . Tuner XMEGA wożę być taktowany przebiegiem o dowolnym stopniu podziała, w tym celu musimy wykorzystać jeden z timerów jako programowalny’preskaler. z którego wyjście będzie źródłem przebiega zegarowego dla kolejnego tunera

Taki sposób podziału ilustruje poniższy przykład: TCCO .CTRtB-TC_W3MDDE_M0W’to l_ g c: //Tryb pracy Umera - podstawowy TCCO .PER-10: //Stopieńpodziału - dowolna liczba z zakresu 0 - 65535 TCCO.CTRLA=TC_CLXSEL_D I V l_gc: //Źródłoprzebiegu zegarowego EV$Y$_CHOMUX-EV$Y$_CHHUX_TCCO_OVF_gc: /K anał 0 będzie przekazywał zdaizema nadmiaru z TCCO TCC1 .CTRLB*TC_U'GM3DE_HCRM^L_gc: “ TCC1. CTRLA-TC_CLKSEL_EVCHO_gc: /'Źródłem zegara jest kanał 0 systemu zdaizeń

W powyższym przykładzie timer TCCOjest taktowany przebiegiem C LK per (ale oczyw i­ ście możem y w ybrać dla niego dow olne ż.ródlo zegara), poniew aż dzięki rejestrowi PER ograniczyliśmy maksym alną zliczaną wartość do 10, co 11 taktów zegara dojdzie do przepełnienia W ygeneruje to zdarzenie przekazywane przez kanał 0 systemu zdarzeń Kanał ten jest z kolei źródłem zegara dla timera TCC1, w efekcie timer ten jest taktowany przebiegiem o częstotliw ości C LK per ! I .

Wskazówka

P o n ie w aż źródłem zdarzeń m oże być inny układ peryferyjny b ą d ź pin 10, w e fe k c ie tim e r m o ż e z lic z a ć Im p u lsy p o c h o d z ą c e z d o w o ln e g o źró dła.

W yboru zegara dokonuje się, konfigurując rejestr kontrolny CTRLA zw iązany z danym timerem I lak przebieg taktujący timer wyłączamy poleceniem : TCCO_CTRLA-TC_CLKSEL_OFF_gc:

340

AVR. Praktyczne projekty

a włączymy go. laktując przebiegiem CLKPER podzielonym przez 8 za pomocą: TCC0_CTRLA=TC_CLXSEL_DIV8_gc:

Podobnie jak o źródło zegara możemy wybrać jeden z 8 dostępnych kanałów zdarzeń: TCCO_CTRLA=TC_CLXSEL_EVCHO_gc:

wybiera jako źródło kanał 0. W efekcie każde zdarzenie zgłoszone na wybranym kanale zostanie zliczone Jeśli źródłem zegara jest C LKPER, to możemy na tim er podać ten przebieg zegarowy podzielony przez 2. 4. 8. 64. 256 lub 1024 Po co to robić? Tim eiy, którymi dysponuje­ my. posiadają liczniki 8- lub 16-bitowc (chociaż można je łączyć kaskadowo w celu uzyskania dłuższego licznika) To znaczy, ze maksymalnie po 256 lub 65 536 okresach przebiegu zegarow ego licznik się przepełni. Jeśli w ykorzystujem y licznik do odm ie­ rzania czasu lub generowania przebiegu o zadanej częstotliwości i podamy sygnał CLKPER o częstotliwości 2 M Hz (wartość domyślna), to 16-bitowy licznik przepełni się po 65 536*1/2 000 000 Hz. czyli po około 32 m s Jeśli chcemy wydłużyć ten czas. musimy zm niejszyć częstotliwość przebiegu taktującego timer. M ożemy to osiągnąć, zm niejszając CLKPER (ale wtedy tez zmieniamy częstotliwość taktowania rdzenia procesora) albo stosując właśnie prcskalcr Jeśli wstępnie podzielimy przebieg przez 256. to odmierzany odcinek czasu nam się 256 razy wydłuży. Oczyw iście jak zawsze musimy za to zapłacić — tym razem ceną będzie zmniejszenie rozdzielczości licznika W efekcie odmierzony czas się wydłuży, ale także proporcjonalnie zmniejszy' się rozdzielczość W prowadzenie prcskalera w iąże się z pewnym problemem Prcskalcr jest po prostu licznikiem, z którego pobieramy sygnał zegarowy przez jedno z wyjść Jednak w chwili w łączenia zegara stan prcskalera jest nieznany, w elekcie je śli w ybierzemy prcskalcr 256. to pierwszy impuls może pojawić się po czasie 1 - 256 okresów zegara CLKPER. oczyw iście kolejne impulsy będą pojawiać się dokładnie co 256 taktów CLKPER. P a m ię ta j, ze w X M E G A n ie m a m o żliw o ś c i k a s o w a n ia p re sk a le ra . W iLuów ka

Potencjalnie może to spowodować deformację pierwszego generowanego impulsu przez timer. Elekt ten nie wystąpi, jeśli nie korzystamy z prcskalera (ustawiamy stopień po­ działu na 1). Jeśli takie działanie je st niepożądane, to ja k o p resk aler m ożem y wy­ korzystać inny tim er.

Typy i fu n k c je liczn ików Tym. co odróżnia X M EG A od innych rodzin AVR, jest uporządkowana przestrzeń IO układów peryferyjnych Aby z jednej strony zachow ać uniw ersalność kodu. a z drugiej udostępnić różne liczniki o wyspecjalizowanych funkcjach, w szystkie układy timerów XMEGA podzielono na pięć typów. W ramach typu niezależnie od rodzaju w ykorzy­ stywanego kontrolera XMECiA w szelkie funkcje licznika są identyczne, identycznie w yglądają także ich rejestry IO To znaczy, że jeśli nasz program korzysta z licznika

342

AVR. Praktyczne projekty

wektorze. Jednak wartość maksymalną, do której zlicza licznik, można zmieniać nieza­ leżnie od trybu jego pracy. W tym celu należy wykorzystać rejestr PER (ang period). Jeśli wartość CNTjest równa wartości rejestru PER, to licznik jest zerowany, w efekcie licz­ nik zlicza PER+1 impulsów lub inaczej — dzieli zegar wejściowy przez (PER+1). W przy­ padku liczników 16-bitowych oba rejestry składają się z dw óch 8-bitowych połówek (starszej CNTR/PERH i młodszej CNTL/PERL). lecz nie musimy się tym przejmować — kompilator sam zadba o wygenerowania odpowiednich sekwencji dostępu do rejestrów. Jedyne, o czym w arto wiedzieć, to że operacja taka nie jest operacją atom ową Zapis do rejestru CNT lub PER m a natychmiastowy skutek, niezależnie od stanu licznika W pew­ nych okolicznościach natychm iastowe uaktualnienie rejestrów licznika nie jest pożą­ dane — zmiana PER spowoduje zniekształcenie aktualnie generowanego impulsu. Aby temu zapobiec, rejestr ton ma rejestr buforowy PERBUF. Wartość zapisana do tego rejestru zostanie przepisana do rejestru PER przy kolejnym zdarzeniu — zdarzeniem tym może być osiągnięcie przez licznik cnt wartości m aksym alnej (równej PER) w przypadku, kiedy jest on inkrementowany, lub 0 w przypadku, kiedy jest o n dekrementowany.

T ryb y p ra c y lic z n ik a Najwięcej różnych trybów pracy oferuje licznik typu 0/1. Jest to licznik 16-bitowy. m ogący pracow ać w sześciu różnych trybach, przy czym cztery z nich zw iązane są z generow aniem różnego typu przebiegów PW M i drobnym i różnicami zw iązanym i z generowaniem zdarzeń licznika Każdy z ty cli trybów jest dostosow any do nieco in­ nych zadań. Tryb podstaw ow y

Jest to najprostszy tryb pracy licznika. W tym trybie rejestr CNT zlicza w górę lub w dól impuls)’ zegarowe. Jednocześnie jak w każdym innym trybie jego wartość jest stale porównywana m in. z rejestrem PER — jeśli porównanie wypada pozytywnie, to w następ­ nym kroku licznik jest zerowany (przy zliczaniu w górę) lub ładowany jest wartością PER (przy zliczaniu w dól i osiągnięciu zera). Oprócz rejestru PER w trybie podstaw o­ wym licznik CNT porównywany jest z rejestrami CCA - CCD (rysunek 12 2). w zależności od wyniku porównania ustawiane są Hagi rejestru INTFLAGS — Hagi TC0_0VFIF_bm oraz TC0_CCAIF_bm - TCO_CCDIF_bm

Wskazówka

Pa m ię taj, że flagi te. p o d ob nie ja k in ne flagi przerw ań, s ą w yłączn ie u staw ia n e ; aby zo stały w yzerowane, należy za p isa ć na odpow iednią pozycję w a rto ść 1 lub odblokow ać odpow iednie przerwanie — w m o m e n cie w ejścia do funkcji je g o obsługi flaga zo sta n ie sk a s o w a n a . Flagi te k a su je ta k że tra n s fe r O M A z i d o o d p o w ie d n ie g o rejestru.

Mimo zc jest to najprostszy tryb pracy*, jest on też najczęściej wykorzystywany. Spójrzmy, w jaki sposób zainicjować licznik do pracy w tym trybie; TCCO.CTP.LB=TC_UGMDDE_NCRMĄL_gc: //Tryb pracy podstawowy TCCO .CTRLFSET=TCO D1R bm: TCC0.CTRLA-TC_CLK5EL_D I V8_gc:

//O pcjonalnezliczanie w dół //CLKPE& 8

Ustawiając bit TCO DIR bin rejestru CTRLFSET. możemy uzyskać zliczanie licznika w dól.

Rozdział 12. ♦ Timery i liczniki

343

Top

2dari«(tio p c f ów nanU Z d jo c r to natfm iJfu 2
2d a u o n lc nadm iaru 2d j r j c n c 7CCO.OVT_voct

p c ró n w jn la Z d jr; rrr « nadm iaru TCCO_CC*_-.c« TCCO_OVF_v«
Rysunek 12.2. Licznik tunera zlicza impulsy zegarowe. W chwili kiedyjego wartość jest równa wartości rejestrów CCx lub PER ustawiane są odpowiednie /lagi i ewentualnie mogą być generowane odpowiadające im przerwania Jak widzimy, tryb ten nadaje się do generowania przebiegu o okresie zależnym od rejestru PER czy też rejestracji zdarzeń zewnętrznych i przypisywania im markerów czasowych, o czym będzie za chwilę. W trybie tym możemy też generować przerwania w chwili przepełnienia lub niedopełnienia licznika lub w chw ili, kiedy rejestr CMT jest równy jednemu z rejestrów porównania CCA - CCD Tryb ten wykorzystuje się także przy pracy tunera jako dekoder kwadraturowy. Tryb pomiaru okresu lub szero ko ści impulsu

Jest to drugi tryb pracy timera. W trybie tym (TC_WGMODE_FRQ_gc) mierzony jest okres lub szerokość im pulsu doprow adzonego do dowolnego w ybranego pinu IO.

Wskazówka

Licznik m oże m ierzyć tylko param etry jed n e g o z sygnałów doprow adzonych do kanałów przechwytywania CCA-CCD. J e ś li odblokujem y w ięcej niż jed e n kanał, to wynik będzie przedstaw iał najkrótszy o k re s doprow adzonych przebiegów I zazwyczaj będ zie pozba­ wiony s e n s u .

Z każdym tunerem skojarzone są 2 - 4 rejestry' ccx. W trybie pomiaru okresu impulsu licznik jest zerowany po nadejściu zbocza narastającego impulsu, po czym kontynuuje zliczanie do napotkania kolejnego zbocza narastającego (rysunek 12.3). W trybie pomiaru szerokości im pulsu pierwsze zbocze narastające lak jak poprzednio kasuje licznik, natomiast następujące po nim zbocze opadające powoduje przepisanie CNT do rejestru CCA — rysunek 12 4.

344

AVR. Praktyczne projekty

Rysunek 12.3. Zasada pomiaru okresu (częstotliwości). Zbocze narastające (lab opadające, jeśli włączymy bil IN I'EN danego pinu) powoduje kasowanie siana licznika (rejestru CNT) z wcześniejszym przepisaniem jego zawartości do wybranego rejestru kanalii fCCA - CCD). W efekcie wybrany rejestr CCx zawiera okres doprowadzonego przebiega

Rysunek 12.4. Tryb pomiaru szerokości impulsu Zbocze narastające powoduje wyzerowanie CNT, zbocze opadające powoduje przepisanie wartości CNT do rejestru CCA Przykładow a konfiguracja do pom iaru okresu im pulsu w ygląda następująco: TCCO .Cm&-TC_WGMDDE_FRQ_gc | TC0_CCAENJ x n : TCCO. CTP.LD=TC_EVACT_FRQ_gC | TC_EVSEL_CHO_gc: EV$Y$_CHGMUX»EV$YS_CHMUX_P0RTC_PIM7_gc: PORTC_P I N7CTRt-P0RT_ I SC_BOTHECGES_gc: TCCO .CTRLA-TC_CLX$EL_Dl V l_ g c:

//Pomiar okrętu, wymk u kanale CCA //Pomiar okresu, sygnał z kanału CHO M ie r z m y okres sygnału i m pinie PIN C 7 Zdarzenie wywołują oba zbocza /'Zegar tunera

Powyższy kod mierzy okres impulsu doprow adzonego do pinu PINC7, okres znajdzie się w rejestrze cca.

346

AVR. Praktyczne projekty

P rzechw ytyw an ie zdarzeń w ym aga, aby liczn ik p raco w ał w try b ie pod staw ow ym . Wikarówka

Zdarzenia, którym nadawane są markery czasowe dostępne w rejestrach CCA - CCO. do­ prowadzane sj\ do tunera przez podsystem zdarzeń. Dzięki temu m ogą być to zdarzenia generowane przez dowolny układ peryferyjny X M EG A , a w szczególności dowolny pin 10. Każdy tuner posiada tylko jeden rejestr konfiguracji związany z podsystemem zdarzeń (CTRLD). Jeśli więc korzystamy z więcej niż jednego kanału przechwytywania, należy wybrać kanał zdarzeń związany z rejestrem CCA. Z kolejnymi rejestrami (CCB-CCD) automatycznie powiązane zostaną kolejne kanały zdarzeń W efekcie w przypadku odblo­ kowania kolejnych kanałów timera źródłem zdarzeń dla nich są kolejne kanały pod­ systemu zdarzeń, zatem dla CCA mamy kanał n. dla CCB kanał n+1. dla CCC kanał n+2. a dla CCD kanał n*3 W artości kanałów brane są m odulo liczba kanałów , stąd tez następnym kanałem po kanale nr 7 jest kanał nr O

Wskazówka

X M E G A , w p rzeciw ieństw ie do innych m o d e li AVR , nie m a d e d yko w anych pinów , na któ re podaje s ię przechwytywany sygnał. T a ką funkcję d zięk i po d syste m o w i zdarzeń m o że sp e łn ia ć dow olny pin 10f a ta kże dow olny układ peryferyjny m ogący g en ero w ać zd a rze n ia .

F>o konfiguracji podsystemu zdarzeń dostarczającego przechwytywany sygnał do timera musimy także odblokować tę funkcję w samym tunerze. O dblokow uje się ją nieza­ leżnie dla każdego z czterech (dwóch w przy padku timera ty pu 1) kanalóyy.

Wskazówka

Pam iętaj, że tim er m o że pracow ać alb o w trybie przechwytywania, albo w trybie gene­ row ania P W M . W danej chw ili tim e r n ie m o że łą czy ć tych d w ó c h fu n k c ji1.

Spróbujmy więc skonfigurować timer do pracy w tym try bie. Dla przykładu skonfi­ gurujemy tuner lak. aby przechwytywał zdarzenia związane z pinami O i 1 PORTE M ar­ kery- czasowe z nimi /.yyiązanc będą znajdowały się w rejestrach CCA i CCB timera. Najpierw inicjujemy piny. do których doprowadzimy badany sygnał, w tym celu usta­ wiamy je jak o wejścia (właściwie nie musimy lego robić, gdyż je st to domyślna kon­ figuracja pinów): PORTE.DIRCLR»PINO_bn | PINl_bm:

N astępnie musimy określić, jakiego typu zdarzenie chcemy przechw ycić Tylko trzy­ m ają sens — narastające zbocze sygnału, opadające zbocze sy gnału albo oba zbocza. W arto zauważyć, Ze nie ma sensu wyzwalanie poziomem sygnału — taka konfiguracja prowadzi do ciągłego gcneroyyania zdarzenia, w efekcie kolejne nadpisuje poprzednie az do zapełnienia bufora Poza szczególnymi przypadkami (tip. autopowtarzanie kla­ wiszy) takiej konfiguracji się nie stosuje. W naszym przy kładzie zdarzenie będzie generowalo dow olne zbocze sygnału (PORT_ISC_BOTHEDGES_gc) POR7CFG_MPCMASK=PlNO_bm | PI Nl bm: P0R7T ,P|NOCTRL-FORT_ISC_BOTHECGES_gc:

Zdarzenie na k
1Wyjątkiem są timery typu 4 5 dostępne w rodzinie XMBGA serii E

Rozdział 12. ♦ Timery i liczniki

347

K olejną czynnością, ja k ą musimy w ykonać, jest konfiguracja układu zdarzeń, tak aby pow iązać w ybrane kanały z interesującym i nas zdarzeniam i na pinie IO. Ponieważ w przypadku przechwytywania wielokanałowego timer wymaga, aby z kolejnymi ka­ nałami były zw iązane kolejne linie podsystemu zdarzeń, wykorzystamy kanały 0 i 1 podsystemu zdarzeń. Kanały te wiążemy z pinem 0 i 1 w ybranego portu (w naszym przypadku PIMEO i FINE!): EVSYS_CHOMUX“ EVSYS_CHMJ X_PDRTE_P I H0_gc: //CHO - z Jarzenia z PIKEO EVSYS"CH 1MUX=£VSY$“ CHWJX~P0RTE~P IHl~gc : //CHI - zdarzenia z PINE1

O statnią czynnością jest konfiguracja timera. Pr/.ede w szystkim musimy odblokow ać m ożliw ość przechw ytyw ania zdarzeń, jak pam iętam y, jest lo m ożliw e w yłącznie w trybie podstawowym pracy Umera Odblokujemy kanały A i B: TCCO .CTRLB-TC_U'GMDDE_MCflMAL_gc | TCO_CCAEN_bm | TCO_CCBEM_bm: //Trybpracypodstawowy.

■odblokuj kanały CCA i CĆli

Na kolejnym etapie musimy je powiązać z odpowiednimi kanałami podsystemu zdarzeń — tymi samym i, do których będzie doprowadzony sygnał z pinów IO TCCO.CTRLD=TC_EVACT_CAPT_gc | TC_EYSEL_CHO_gc:

//Odblokuj przechwytywanie zdarzeń //dla kanafów 0-1

Na końcu pozostaje nam odblokow anie timera i w ybranie zadanej rozdzielczości TCCO .CTP.LA=TC_CLK$EL_DI V8_gc:

//Preskaler CLfCPER'8

Wybraliśmy preskaler dzielący- przez 8. a więc rozdzielczość naszego markera czasowego wyniesie 8 taktów zegara CLKPER. Od tego momentu każde zdarzenie, jakie wystąpi na pinach 0 i 1 PORTE, zostanie opatrzone markerem czasowym , który możemy odczytać z rejestrów CCA i CCB Ale to nie w szy stko. Przypuśćmy, ze chcemy mierzy ć szerokość impulsu (rysunek 12.5). Krótki Impuls czasowy

czasowy

Rysunek 12.5. U trybie przechwytywania dzięki rejestrom buforowym możemy mierzyć bardzo krótkie odcinki czasowe, praktycznie porównywalne do częstotliwości taktowania timera Pierwsze zdarzenie powwhije zapis markera czasowego do rejestru CC AB UF i CCA. a kolejne zapis do rejestru CC.IBCF. w efekcie w rejestrze CCA BUF znajdzie się kolejny marker, a ir CCA pierwszy. Dzięki temu program nie zgubi impulsów, o ile oczywiście do kolejnych upłynie czas wystarczający do odczytania rejestrów CCA i CC ABCF W przy padku kiedy mierzone impulsy są bardzo krótkie (są porów nyw alne do okresu zegara CLKPER), kolejny impuls nadpisywałby poprzednią wartość rejestru CCA Aby temu zapobiec, wprowadzono mechanizm buforowy w ykorzystujący 2 -pozycyjną kolejkę FIFO składającą się z rejestrów CCn i CCnBUF. gdzie n to A. B. C lub D W efekcie

348

AVR. Praktyczne projekty

dw a szybkie, sąsiadujące ze sobą przejścia nie zoslaną zgubione i program będzie miał szansę je zarejestrować. Oczywiście w takiej sytuacji kolejne przejścia m uszą wystąpić z takim opóźnieniem, aby była możliwość zachowania obu rejestrów. Fakt za­ rejestrowania dw óch zdarzeń, a nie jednego, możemy spraw dzić, odczytując rejestry CTRLGCLR/CTRLGSET (przy odczycie oba zwracają to samo). Ustawienie któregoś z bitów TCO_CCnBV_bm w skazuje na to. że rejestr buforowy zaw iera m ną wartość niż odpow ia­ dający mu rejestr CCn. w elekcie znajdują sie tam dwa markery czasowe. Przechwytywane zdarzenia mogą także generować przerwania Z każdym kanałem zwią­ zany jest osobny wektor przerwania — od TCCO_CCA_vect do TCCO_CCD_vect. W elekcie program może wywoływać jakąś funkcję w odpowiedzi na zdarzenie. Należy jednak pamiętać, żc czas. jaki upływa do wywołania przerwania, to 4 - 6 taktów' CLK. dodat­ kowo potrzebujemy czasu na prolog funkcji, jej wykonanie i epilog. W efekcie prze­ rwania me nadają się za bardzo do przechw ytyw ania zdarzeń występujących często (w praktyce częściej niz co kilkadziesiąt, kilkaset taktów C LKCPU ). Aby przechw y­ tywać zdarzenia występujące bardzo często, możemy w ykorzystać drugi podsystem XM EGA — układ DM A Transfer DMA może być inicjowany przechwyconym zda­ rzeniem. w efekcie wartość rejestrów CCn możemy automatycznie przepisać do wskaza­ nego obszaru pamięci RAM Proces len jest niezw ykle efektyw ny (transfer DM A jed ­ nego bajtu trwa około 4 taktów zegara) i zupełnie nie angażuje CPU Tryby generow ania przebiegu P W M

Timer posiada dwa tryby generowania przebiegu PWM, tzw. tryb single stopę, w którym licznik zawsze zlicza tylko w jednym kierunku, oraz tryb d u a l stopę, w który m licznik zlicza w górę do wartości m aksym alnej, po czym w dól do 0 — tryb ten odpowiada trybom z korekcją fazy znanym z w cześniejszych modeli A VR W trybie single stopę (TC_VJGMODE_SS_gc) zdarzenie updaie generowane jest zawsze po osiągnięciu przez licznik zera. W trybach dual stopę zdarzenie updaie może być generow ane po osiągnięciu przez licznik w artości PER (TC_WGMODE_DS_T_gc). po osiągnięciu przez licznik wartości 0 (TC_WGMODE_DS_B_gc) lub w obu sytuacjach (TC_WGMODE_DS_TB_gc) — rysunek 12.6. Pożądany tryb pracy licznika wybieramy, w pisując je d n ą z wym ienionych wcześniej stałych do rejestru CTRLB tunera, np.: TCCO.C7RLB*TC_WGMDDEJ)$_TB_gc:

w ybiera tryb dual stopę, w którym zdarzenia następują po osiągnięciu 0 i wartości szczytowej (PER). W trybie single stopę częstotliwość generowanego przebiegu PWM wynosi fPWM = a rozdzielczość PW M wynosi res = lug1f^

,

|*ł>- W trybie d u a t stopę częstotliw ość ge­

nerow anego przebiegu jest praktycznie dw ukrotnie m niejsza i wynosi fp WM — \;C!k- . Lł\ gdzie f a j ; to częstotliw ość doprowadzona do timera (z uw zględnieniem ewentualnego prcskalcra).

Rozdział 12. ♦ Timery i liczniki

349

Rysunek 12.6. Tryby generowania PWM u góry tryb single s/ope. którym licznik zlicza zawsze otf 0 do wartości określonej przez PER. Osiągnięcie wartości 0 generuje zdarzenie updaie. które min. ustawia stan wyjścia OCx. jeśli C\T=CCx. stan wyjścia zmienia się na 0. *i' efekcie rejestr CCx określa szertdcość generowanego impulsu. II’trybie dna! slope (dolny schemat) licznik zlicza o<10 do wartości PER po czym zlicza z powrotem do zera. Każdorazowo kiedy C .\T =~CCx stan wyjścia OCx zmienia się na przeciwny. n efekcie generowany impulsjest zawsze rozłożony sy metrycznie względem zdarzeń npdate. Niestety w tym trybie prac}- częstotliwość generowanego przebiegujest dwukrotnie niższa (licznik ma
350

AVR. Praktyczne projekty

Piny w yjścio w e liczn ik a O ile wejściem licznika może być poprzez system zdarzeń dowolny pin IO. o tyle w yj­ ścia licznika (wyjścia kanałów PW M ) s ą przypisane do określonych pinów IO portu Na rysunku 12 7 pokazano sposób wyprowadzenia pinówr liczników TCO i TCl na po­ szczególne piny powiązanego portu IO. W sytuacji, w któiej dany pin będzie ustawiony jako wyjściowy, a dany licznik będzie miał odblokow aną funkcję generowania prze­ biegu (bity TCO_CCAEH_bm - TCO_CCDEH_bm dla tunera 0 i TCl_CCAEH_bm - TCl_CCBEłJ_bm dla timcra 1) w trybie generowania PWM. na wyjściu danego portu pojaw i się generow any przebieg R y s u n e k 1 2 .7 .

Przyporządkowanie liczników pinom IO portów. Licznik 0 związany z portem zawsze jest przyporządkowany pinom 0 - 3 , a licznik I pinom 4 - 5

Domyślne mapowanie wyjść Umerów 0 i 1 związanych z portem IO można w niektó­ rych mikrokontrolerach zm ieniać — możliwość zmiany dotyczy wy łącznic timcra 0. w elekcie poszczególne wyjścia (A - D) przy porządkowane bitom 0 - 3 portu możemy indywidualnie rcmapować na bity 4 —7 portu

W sJuidwki

M o żliw o ść rem apow am a dotyczy w yłącznie now szych m ikrokontrolerów X M EG A , po­ cząw szy od se rii A 1U . M ikro kon tro lery se rii A l , a w ięc np. X M E G A 1 2 8 A 1 , nie m ają m o żliw o ści re m a p o w a n ia w yjść tim erów .

Rcmapować można indywidualnie poszczególne kanały, w tym celu należy ustawić bity PORT_TCOA_bm - P0RT_TC0D_bm w rejestrze REMAP. np. PORTC .REMP-PORT_TCOA_bm:

powoduje przełączenie wyjścia A Umera TCO z pinu 0 na pin 4. Rcmapowanic powoduje mały problem — potencjalnie możemy odblokować wyjścia PW M dwóch timerów na tym samym pinie Dla przy kładu powyższe rcmapowanic wyjścia Az pinu 0 na 4 i odblo­ kowanie wyjścia A Umera TCl spowoduje, ze dwa wyjścia timerów będą korzystały z tego samego pinu. Lecz bez obaw. nie złego się nie stanie. W takiej sytuacji wyjście pinu będzie miało stan będący sumą logiczną wyjść kanałów timerów TCO i TCl Stwarza to możliwość modulacji przebiegu generowanego przez jeden z timerów przebiegiem

Rozdział 12. ♦ Timery i liczniki

351

generowanym przez drugi tuner. Musimy tylko zapamiętać, ze jeśli wyjście któregokol­ wiek z Umerów tworzących taką ..parę” będzie w stanic 1. to na pinie też będzie panował stan 1. Przykłady użycia takiej konfiguracji i szczegółow e je j w yjaśnienie znajduje się w rozdziale 19. ..Wykorzystanie podczerwieni do transmisji danych” Stan pinu wyj­ ściowego jest sum ą logiczną doprow adzonych do niego sygnałów także w sytuacji, w której odblokujem y w ięcej niż jeden układ peryferyjny zw iązany z danym pi­ nem IO.

Licznik typu 2 Licznik typu 2 nie jest osobnym typem układu peryferyjnego dostępnego w XM LGA. jest to raczej jeden z trybów pracy licznika typu 0/1. U m ożliwia on zam ianę licznika typu 0, który jest licznikiem 16-bitowym. na dwa liczniki K-bitowe. Co nam to daje? W try­ bie 8-bitowym licznik może pracować praktycznie tylko w trybie single slopc. w którym — jak pamiętamy — inożc on generować przebiegi PWM o regulowanym programowo w ypełnieniu L>la licznika typuO mamy „tylko” cztery kanały PW M . dla licznika typu 2 takich kanałów mamy aż 8. Co prawda ich rozdzielczość je st tylko 8-bitowa (ale możemy ją w polni wykorzy stać za jx>mocą podsystemu Hi-Res), niemniej w wielu zastosowaniach. u który ch liczy się liczba kanałów PW M . a nie ich rozdzielczość, jest to zaleta Ponieważ zazwyczaj XMEGA dysponuje 4 licznikami typu 0. umożliw ia to utwo­ rzenie az 32 kanałów PWM. co w praktyce jest wystarczające w większości zastosowań %% WsUrówka

P o m im o uw zględnienia w n o cie katalogow ej m ikrokontrolerów se rii A l / 2 / 3 / 4 możliw o ści pracy liczn ika typu TCO w trybie split, X M E G A A l / 2 / 3 / 4 . w tym X M E G A 1 2 8 A 1 , n ie um ożliw ia w ybrania tego trybu pracy — do stę pny Je st je d y n ie tryb 8-bitowy. w któ­ rym po prostu sta rsze połowy rejestrów 16-bltow ych s ą ignorow ane. 2 se rii A m ożli­ w o ść pracy w trybie sp lit posiad ają m ikrokontrolery X M E G A s e rii A 1 / 2 / 3 / 4 U , czyli wy­ p o sażo n e d o d a tk o w o w in te rfe js U S B . Wynika z tego, że niestety w przypadku X M E G A m e m ożem y bezgranicznie wierzyć w noty k a ta lo g o w e . P o d tym w zg lę d e m zn a c z n ie le p iej w yp ad ają in fo rm a c je z a m ie s z c z o n e w s to s o w n y c h p lik a c h nagłów kow ych, a przed e w szy stk im o p is re je stró w d o s tę p n y w Atm el S tu d io w trybie sym ulacji. O p isy m ikrokontrolerów w trybie sym ulacji do kładn ie o d d a ją z a c h o w a n ie i fu n k cje m ik ro k o n tro le ra , w p rzy p a d k u p ro b le m ó w s y m u la to r daje zazw yczaj ro zstrzy g a ją cą od p ow ie d ź.

Licznik typu 0/1 m oże pracować w dw óch trybach: ♦ Trybie bajtowym (TCO BfTEM bm). w którym bardziej znacząca połow a CNT (CNTH) jest równa zero — poza ograniczeniom maksymalnej wartości, do której zlicza licznik, tryb ten w łaściwie nic nic wnosi: potencjalnym zyskiem jest w yłącznic skrócenie czasu dostępu do rejestrów IO licznika — efektywnie stają się one 8-bitowe. Tryb ten je st dostępny w e w szystkich m ikrokontrolerach XMEGA. ♦ Trybie dzielonym (TC_BYTEM_SPLITMODE_gc). w którym licznik zachow uje się jak dwa osobne liczniki 8-bitowc. Tryb ten dostępny je st w X M EG A serii AU i nowszych.

354

AVR. Praktyczne projekty

CM T-0

CN T-0

Rysunek 12.9. Trybjednoczesnego pomiaru szerokości impulsu i okresu Zbocze narastające powoduje wyzerowanie licznika, kolejne zbocze opadające powoduje przepisanie stanu licznika C.YT do rejestru CCB, kolejne zbocze narastające powoduje przepisanie CAT do CCA i wyzerowanie CAT. co inicjuje kolejny pomiar

B u fo ro w a n ie Tunery w XM EGA posiadają hardziej przem yślaną budowę. Przede w szystkim każdy istotny z punktu w idzenia funkcji tim era rejestr posiada swój bufor (rejestry buforowe posiadają sufiks BUF). Tak więc w bufor wyposażony jest rejestr okresu PER (PERBUF). a także rejestry porównania i przechwytywania CCx (CCxBUF). W artość z rejestru bufo­ rowego jest w artością tym czasow ą, niem ającą Żadnego w pływ u na działanie licznika. Lecz wartość z bufora jest przepisywana do odpow iadającego m u rejestru licznika po zajściu ściśle określonego zdarzenia — zdarzeniem tym m oże być osiągnięcie przez licznik wartości m aksym alnej, zera lub oba zdarzenia naraz Co nam to daje? Przede wszystkim zmiany stanu licznika następują w ściśle określonych punktach czasowych, są one synchronizow ane w ybranym zdarzeniem licznika W efekcie generując np. zm ienne przebiegi PW M . me musimy, tak jak to było w poprzednich modelach AVR. m artw ić się synchronizacją zapisu do rejestru licznika, co było procesem czasochłon­ nych i niepotrzebnie angażującym program. O becnie do rejestru buforowego możemy dokonać zapisu w dowolnej chwili, a jeg o w artość zostanie przepisana do licznika w e właściwym m om encie (w chwili zajścia zdarzenia update).

WsJuiówfca

Pam iętaj, że z a p is do rejestrów tim era, np. CMT, PER, CCx, n a ty ch m ia st wpływa na jego d zia ła n ie .

Rozdział 12. ♦ Timery i liczniki

357

ne poprzez ustawienie odpowiadającej mu Hagi TCO_CCABV_bm w rejestrze kontrolnym CTRLG. Jeśli bufor ulegnie zapełnieniu, kolejne zdarzenia n ic będą przechwytywane, zostaną one po prostu zignorow ane, stąd teZ w Żadnym przypadku w poprawnie napi­ sanym programie nie należy dopuszczać do takiej sytuacji. W tym kontekście warto więc rozw ażyć realn ą m ożliw ą do uzyskania częstotliw ość odczytu rejestrów CCx W sytuacji, w której wykorzystujemy przerwanie, jest to jed en odczyt na kilkadziesiąt lub kilkaset taktów zegara Dlaczego tak rzadko? Powodem jest konieczność genero­ wania prologu i epilogu funkcji obsługi przerwania, których w ykonanie zajm uje sporo czasu Nawet pisząc odpowiednią funkcję w asemblerze, musim y sobie zdawać spra­ wę. Zc samo w ejście do funkcji obsługi przerw ania trwa co najmniej 6 taktów zegara W takiej sytuacji atrakcyjnym rozwiązaniem jest w ykorzystanie DMA. Jednak i tu napotykamy pewne ograniczenia. Teoretyczna szybkość odczytu możliwa do uzyskania z w ykorzystaniem DMA to jeden odczyt co 4 takty zegara, poniew aż rejestry CCx są 16-bitowe, wymaga to dwóch transferów, co trwa co najmniej 8 taktów zegara Jeśli przechwytywane zdarzenia wystąpią częściej, a dokładniej jeśli więcej niż dwa zda­ rzenia wystąpią w odstępie mniejszym niz 8 taktów zegara, to trzecie i kolejne zdarzenia zostaną zgubione. A to teZ przy zaloZeniu. że w trakcie transferu DMA CPU nic odwołuje się do pamięci SRAM lub przestrzeni IO. M usimy pam iętać, że DMA współdzieli magistralę z CPU, w przypadku konfliktu pierwszeństwo ma CPU, wstrzym ując transfer DMA. W takiej sytuacji transfer wydłuża się z 4 do maksym alnie 6 taktów, w efekcie transfer zawartości CCx z użyciem DMA może wydłużyć się aż do 12 taktów zegara Sytuacja wygląda jeszcze gorzej, jeśli w ykorzystujemy kilka kanałów DMA — niemniej wtedy możemy wybranem u kanałowi nadać najwyższy priorytet.

K o n tro la nad liczn ik ie m Każdy licznik posiada specjalny rejestr CTRLF. który dostępny jest dzięki dwóm rejestrom um ożliw iającym jego atom ow ą m odyfikację — CTRLFCLR i CTRLFSET. Oba rejestry w czasie odczytu zwracają tę samą w artość, lecz pierwszy powoduje skasowanie w ska­ zanych bitów CTRLF. a drugi ich ustawienie. Rejestr ten daje nam kontrolę nad pewnymi funkcjami licznika. Bit TCn_DIR_bm umożliwia kontrolę nad kierunkiem zliczania W trybie dtial słope kontrolę nad tym bitem posiada licznik, w pozostałych trybach możemy zmieniać jego stan. kontrolując kierunek zliczania. Normalnie bit ten jest wyzerowany, a licznik zlicza w górę. jego ustawienie powoduje zm ianę kierunku zliczania, które odbyw a się w dól. Bit TCn LUPD bai powoduje zablokowanie zdarzeń npdaie — w efekcie zdarzenia takie nie pow odują przepisania wartości rejestrów buforowych do rejestrów' licznika Bit ten wykorzystuje się w sytuacji, w której chcemy zsynchronizować stan rejestrów licznika, np. podczas konfiguracji podsystemu AW eX. K olejną m ożliw ością jest w ydanie licznikow i prostych kom end. D w ie z nich (TC CMDJJPDATE gc i TC CMD RESTART gc) można wydać w dow olnej chwili Pow odują one odpow iednio wym uszenie zajścia zdarzenia update lub restart licznika polegający na wyzerowaniu rejestru CNT i bitu kierunku zliczania (TCn DIR bm). Z kolei polecenie

358

AVR. Praktyczne projekty

TC_CMO_RESET_gc możemy wydać wyłącznie w sytuacji, kiedy licznik jest zablokowany (nie ma określonego źródła przebiegu zegarowego) i pow oduje powrót wszystkich reje­ strów licznika do wartości początkowych.

K a s k a d o w e łą c z e n ie liczn ik ó w Jedną z ciekawszych możliwości, ja k ie posiadają liczniki XM1£GA. jest możliwość ich kaskadow ego łącznia, w efekcie łącząc dwa 16-bitowc liczniki uzyskamy licznik 32-bitowy. do którego możemy dołączyć kolejny 16-bilowy licznik i uzyskać licznik 48-bilowy itd. K onfiguracja tego typu wym aga, aby zdarzenie nadmiaru (0VF) danego licznika było sygnałem zegarowym dla kolejnego licznika. M ożemy to uzyskać, łącząc liczniki z wykorzystaniem podsystem u zdarzeń: EVSYS CHGMUX-EVSYS_CHMUX TCCO OVF gc: TCC1.CTRLA=TC CLKSEL EVCH0 gcT TCCO.CTPLA-TCICUCSELIDIV2_gc:

W powyższej konfiguracji zdarzenie nadmiaru licznika TCCO jest roulow anc z w yko­ rzystaniem kanału 0 podsystemu zdarzeń Kanał len jest wykorzystywany jako wejście zegarow e dla licznika TCC1. W elekcie oba liczniki tw orzą jeden 32-bitowy licznik. Tu jednak pojawia się mały problem. Musimy odczytać 32-bitową wartość, która po­ wstanie ze złożenia dwóch 16-bitowych odczytów w artości CNT obu liczników. Problem w tym, że nie możemy jed n ą instrukcją odczytać obu wartości CNT, w efekcie mamy tu typowy problem związany z atomowośeią dostępu. Jeśli w czasie odczytu licznik zliczy jakiś impuls, to uzyskana 32-bitowa w artość CNT będzie nieprawidłow a. Jak ten problem rozwiązać? Rozwiązanie proste to zatrzym ać na czas odczytu CNT liczniki poprzez od­ cięcie impulsów zegarow ych N iem niej takie rozw iązanie w znakomitej większości przypadków jest nieakceptowane Dmga możliwość jest nieco bardziej skomplikowana, lecz za to nie wymaga zatrzym yw ania licznika Kod przykładu znajduje się w katalogu Przykłady T u n e ry K askada Aby przechwycić 32-bitow ą wartość licznika (lub dow olną większą), wykorzystamy w łaśnie tryb przechw ytyw ania (TC_EVACT_CAPT_gc). Jak pam iętam y, w tym trybie zda­ rzenie pow oduje przepisanie aktualnej wartości licznika do jednego z rejestrów CCx. my wykorzystamy rejestr CCA Ponieważ jest to funkcja realizowana sprzętowo, w łaściw ie nic ma problemu z atom ow ośeią Pojawia się za to inny problem . Zdarzenie roulow ane do starszego timera (zliczającego hity 1 6 - 3 1 ) jest opóźnione o jeden takt CLKper w stosunku do timera zliczającego bity 0 - 1 5 . Aby temu zaradzić, rejestr CTRLD za­ wiera specjalny bit TCO_EVDLY_bm. który powoduje opóźnienie zdarzenia przechwycenia o 1 takt CLKper. w elekcie przechw ycona wartość jest popraw na. W jaki sposób syn­ chronicznie wywołać zdarzenie przechw ycenia? Oczyw iście wykorzystując podsys­ tem zdarzeń. W naszym przykładzie zdarzenie w kanale 1 wywoła przechw ycenie wartości CNT i zapisanie jej w rejestrach CCA obu tunerów. Zacznijm y od konfiguracji liczników:

360

AVR. Praktyczne projekty

W sU riw U

S e k w e n cja d o stę p u do w ielobajtow ych rejestrów , p o czą w szy o d n a jm ło d szeg o bajtu rejestru, a skończyw szy n a najstarszym , je s t jed yną popraw ną sekw encją dla w szyst­ kich re je stró w d łu ższych n iż 1 b a j t Z a s a d a ta dotyczy w s z y s tk ic h u k ła d ó w peryfe­ ryjnych X M E G A .

Poniew aż rejestr TEMP jest współdzielony przez w szystkie rejestry' danego licznika, nie można sekwencji dostępu do rejestrów przeplatać, np. sekw encja odczytu: TCCO.CMTL: TCCO.PERL: TCCO.CNTH;

jest nieprawidłowa. Zw rócona w ostatniej operacji wartość CNTH będzie tak naprawdę w artością rejestru PERH Stąd tez najlepiej odwoływać się naraz do całych 16-bitowych rejestrów, przerzucając pracę na kompilator.

Wikarówka

Pro b le m y te nie do tyczą tim e ra pracująceg o ja k o tim e r 8-bitow y o raz tim e ra w trybie po d ziału n a d w a tim ery typu 2. W tym trybie re je stry s ą 8 -b ito w e I n ie w ym agają p o ś re d n ic tw a w p o s ta c i re je stru TEMP.

Podobna zasada dotyczy sytuacji, w której zapisujemy 16-bitowy rejestr. Przy czym podczas zapisu młodszy' bajt najpierw ląduje w TEMP. a właściwy zapis do rejestru od­ bywa się w chwili zapisu jego starszej połowy. Taka forma dostępu do rejestrów o długości większej niz bajt m a jeszcze jedną pow ażną implikację Jak widzimy, dostęp do 16-bitowego rejestru wymaga dwóch operacji: od­ czytu i zapisu, me jest więc dostępem atomowym. Normalnie nie stwarza to problemu, problem pojawia się w sytuacji, w której dostęp do danego układu peryferyjnego (nie tylko timera) następuje w programie i funkcji obsługi przerwania, a także w dwóch przerwaniach różniących się priory tetem W takiej sytuacji operacja dostępu do rejestru może zostać przerwana, a po zakończeniu dostępu w obsłudze przerw ania wartość rejestru TEMP nie zostanie odtworzona — funkcja obsługi przerw ania nie ma takiej możliwości — rysunek 12 11. x=TCC0_CNT; 3b 4:80 91 20 0 8 Idsr24, 0 x 0 8 2 0

T iM P fc C N T H ___ ___ _ ISRITCC0 C C A v ect) (

3 b 8 :9 0 91 21 0 8 Idsr25, 0 x 0 8 2 1 * 3 b c:8 0 9 3 00 2 0 sts0 x2 0 0 0 , r2 4 3c0 :9 0 9 3 01 2 0 sts0 x2 0 0 1 , r25

y= TCC0_C CA;

\ v

3 3 0 :8 0 9 1 28 0 8 Idsr24, 0x0 8 2 8 3 3 4 :9 0 9 1 29 0 8 Idsr25, 0x082 9

X

3 3 8 :8 0 9 3 02 20 sts0 x2 0 0 2 , r24 33 c:9 0 9 3 0 3 20 sts0 x2 0 0 3 , r25 ł

Rysunek 1 2 .1 1 . Dostęji do 16-hitowych rejestrów wymaga co najmniej dwóch instrukcji asemblera, nie jest więc atomowy. W efekcie jeśli zostanie przerwany, afunkcja obsługi przerwania będzie próbowała uzyskać dostąp do innego 16-bitowego rejestru należącego do tego samego modułu, pojawi się problem. Po powrocie rejestr TEMP w naszym przykładzie będzie zawierał wartość CCAłl. a nie ja k się tego spodziewa program - CNTH. W efekcie zmienna x będzie zawierała nieprawidłową wartość

Rozdział 12. ♦ Timery i liczniki

361

.lak zaradzić tego typu problemom? Jeśli spodziewamy się. Ze do tej samej instancji układu peryferyjnego dostęp będzie także w przenvaniu. wszelkie operacje na 16-biłowyeh rejestrach lego modułu należy zamknąć w bloki atomowe (ATOMIC_BLOCK). Warto o tym pamiętać, gdyż tego typu błędy są ekstremalnie trudne do wykrycia, a objawiają się losowo, co prowadzi do nieprawidłowego i nieprzewidywalnego działania programu.

W yk o rzysta n ie PW M do g en e ro w an ia sygnałów an alogow ych Co prawda mikrokontroler)’ XMEGA posiadają jedno lub dwa wyjścia analogowe prze­ twornika DAC. lecz do generowania sygnałów analogowych możemy wykorzystać także timery w trybach PWM. Oprócz stosowania sprzętowego PWM można także reali­ zować tę funkcję w sposób programowy, co jednak znacznie obciąża procesor. PWM polega na modulacji szerokości impulsu, w elekcie uzyskujemy przebieg o zazwy­ czaj stałej częstotliwości, różniący się wypełnieniem, które może zmieniać się w grani­ cach 0 - ](M)%. Dla w y p ełn ien ia 0 % n a w yjściu m am y n a p ięcie stale » m in im aln ej m ożliw ej w a rto ś c i (zazw yczaj 0V)» d la p rz e b ieg u o w y p e łn ien iu 100% n a w yjściu u zy sk u jem y n ap ięcie stałe o m a k sy m aln e j w a rto śc i (zw y k łe zb liżo n ej do Vcc). Dla pośrednich współczynników w ypełnienia uzyskujem y napięcie pom iędzy GND a Vcc. Aby to jednak było możliwe, na wyjściu PWM procesora musimy umieścić filtr dolnoprzcpustowy. który zamieni sygnał cyfrowy na sygnał analogowy o zmiennej amplitudzie (ry sunek 12.12). R y s u n e k 1 2 .1 2 .

Filtr da!naprzepustawy RC. Wartości elementów R2 i C l I należy dobrać zgotlme z opisem w tekście. Bufor ICIA jest opcjonalny, jego zadaniem jest uniezależnienie napięcia wyjściowegofiltra od obciążenia Podstawowymi elementami takiego filtra jest rezystor R2 i kondensator C II. Wartości tych elementów determinują jego parametry, w efekcie należy je dobrać w zależności od pożądanej charakterystyki filtra. Pokazany na rysunku wzmacniacz operacyjny pracuje ze wzmocnieniem równym 1, w rezultacie stanowi on tylko bufor — jego rola polega na obniżeniu impcdancji wyjściowej filtra, dzięki czemu jego charakterystyka nic zależy od obciążenia — a więc wejścia układu, do którego podłączymy wyjście filtra. W niektórych przypadkach (kiedy wyjście podłączamy d o wejścia układu o wy­ sokiej impedaneji) zastosowanie bufora IC IA nie jest konieczne. Wróćmy jednak do właściwego dobom wartości elementów RC. Sygnał PWM ma za­ zwyczaj stalą częstotliwość, a więc stały okres, wynoszący T Transformata Fouriera takiego sygnału pokazuje, że posiada on jeden wyraźny pik dla częstotliwości / T oraz mniejsze piki dla częstotliwości K T. gdzie K to kolejne liczby naturalne. Te dodatkowe piki stanowią szum. którego chcemy się pozbyć. Ponieważ odpowiadają one wyższym

362

AVR. Praktyczne projekty

częstotliwościom niz częstotliwość podstawowa przebiegu ( / 7'), musimy zastosować filtr dolnoprzcpustowy (filtr. który obcina częstotliwości w y ż s ze niz zadana). Skonslniowanic fillni o odpowiednio stromej charakterystyce byłoby dosyć skomplikowane i kosztowne, jednak w naszych zastosowaniach zwykle nie jest to konieczne, stąd tez wystarczający jest prosty filtr RC. Aby dobrać wartości elem entów R i C. musimy określić szerokość pasma filtra Dla uproszczenia przyjmijmy, ze pomiędzy częstotliwo­ ścią przebiegu PW M a pasmem sygnału istnieje zależność: FpWM =

K

• F

j k w i. u .

gdzie A' jest dużo większe od 1 To ile jest większe, zależy od pożądanej charakterystyki filtra I tak: jeśli chcemy za pomocą PW M odtworzyć sygnał analogowy odpowiadający mowie ludzkiej, to w zupełności wystarczy nam pasmo 4 ki 1z, stąd tez dla A' = 5 w y­ magana częstotliwość PWM będzie wynosić 20 kl Iz Oczy wiście A' możemy zwiększy ć, uzyskując poprawę jakości głosu, podobnie możemy zwiększyć pasmo filtra Ogranicze­ niem jest tu jedynie maksymalna możliwa do uzyskania w procesorze częstotliwość PWM oraz... rozsądek Wartość elementów R C możemy policzyć ze wzoru:

gdzie/ to szerokość wykorzystywanego pasma. I tak d l a / = 4 kH z wyliczona wartość elem entów wynosi np. R = 4 k i l i C ® 10 nF (zauważmy. Ze wartości tych elementów mogą być różne, byle tylko było spełnione pokazane wcześniej równanie) Same wartości elementów nie są krytyczne i m ogą nieznacznie się różnić od wyliczonych — utworzony filtr nie ma bardzo stromej cha­ rakterystyki i niewielkie zmiany wartości R i C nie będą miały dużego znaczenia (ry ­ sunek 12 13). Dla pokazanej wartości elementów tłumienie filtra dla/ = 4 kHz wyniesie -3 dB, natomiast dla głównej częstotliwości zakłócającej równej częstotliwości PWM 20 kHz (A' = 5) wyniesie: tłum /en/e = -1 0 * lo g (l + (iŁnfRC)*) lub Cłumfcnfc = —20 • log A czy li około -14dB . a w ięc nic za w iele. W efekcie jakość uzyskanego dźw ięku może nic być najlepsza. Aby ją poprawić, najprościej jest zwiększyć częstotliwość przebiegu PWM, co zwiększy odstęp pomiędzy pasmem a głównym pikiem zakłóceń (stała K) i polepszy* tłumienie filtra. Pokazany filtr jest filtrem pierwszego rzędu o charakterystyce -2 0 dB/dckadę. to znaczy. Ze jeśli częstotliwość PWM będzie się różnić 10-krotnic w stosunku do częstotliwości granicznej filtra (wybranego pasma), to tłumienie takiej częstotliwości wyniesie 20 dB. Zwiększając więc częstotliwość przebiegu PWM (wartość A), możemy łatwo polepszy ć wyniki.

Rozdział 12. ♦ Timery i liczniki

363

Rysunek 12.13. Tłumienie filtra dołnoprzepustowego ir zależności od częstotliwości. Dla wyliczone/ częstotliwości -/ kilz tłumienie wynosi 3 dli, dla częstotliwości większej o dekadę (-W kllz/ wynosi 20 dli Oczywiście oprócz częstotliwości (co wpłynie na pokazany wcześniej współczynnik A*) można także zwiększy ć izędowość filtra I tak dla filtra II rzędu składającego się z dwóch szeregowo umieszczonych filtrów RC uzyskamy nachylenie charakterystyki filtra dwu­ krotnie większe, a w ięc -4 0 dB na dekadę.

Przykład — generowanie napięcia o zmiennej amplitudzie Napięcie o zmiennej amplitudzie w zakresie G \D - J cc możemy wygenerować poprzez ustaw ienie odpowiedniego współczynnika wypełnienia dla użytego kanału PWM Jednak uzyskany sygnał cyfrowy musimy „wygładzić *. W tym celu możemy wykorzystać opisany wcześniej filtr dolnoprzepustowy. Filtr len podłączamy do wykorzystanego do generowania PWM wyjścia mikrokontrolera [wyjścia PWM oznaczone są jako 0Cnx. gdzie n to nr tunera (0 lub 1). a x to użyty kanał (A. B, C lub 0)) W tym celu do w yj­ ścia PWM tunera podłączmy filtr RC, tak jak na schemacie pokazanym na rysunku 12.12. Dla uproszczenia do wyjścia filtra podłączmy multim etr ustaw iony na pomiar napięcia w zakresie 0 - 3 V Mając zmontowany układ elektroniczny, zastanówmy się nad przykładowym oprogramowaniem. Wykorzystamy sprzętowy tuner w trybie ge­ nerowania przebiegu PW M (procesoiy rodziny XMRCiA posiadają ich tak dużo, że prawdopodobnie wyjątkowo rzadko zajdzie potrzeba programowej realizacji PWM):

366

AVR. Praktyczne projekty

u i n t l 6 t w a v e [ ] -{ 3 2 7 6 8 . 3 8 4 5 8 . 4 3 9 7 5 . 4 9 1 5 1 . 5 3 8 3 0 . 5 7 8 6 9 . 6 1 1 4 5 . 6 3 5 5 9 . 65037 *-•65535. 6 5 0 3 7 . 6 3 5 5 9 . 6 1 1 4 5 . 5 7 8 6 9 . 5 3 8 3 0 . 4 9 1 5 1 . 4 3 9 7 5 . -3B458. 3 2 7 6 8 . 2 7 D 7 7 . -2 1 5 6 0 . -1 6 3 8 4 .

W sJuiów U

16384. 11705. 7666. 4 390. 21560. 27077}:

1976. 498. 0 . 498.

1976. 4390. 7666.

1 1 7 0 5.

Z a u w a ż m y , ze niezależnie o d częstotliwości przebiegu sinusoidalnego, jaki c h c e m y uzyskać, wyliczone wartości nie ulegną zmianie — częstotliwość nie m a w p ł y w u n a kształt przebiegu.

Posiadając stablicow anc dane opisujące kształt przebiegu, m ożna przystąpić do konfi­ guracji timera. tak aby generował odpowiedni przebieg PWM W trybie PWM zwykle zależy nam na tym. aby timer był taktowany możliwie duZą częstotliwością, co umożliwi uzyskanie odpowiedniego pasma generowanego przebiegu. W XMEGA timery taktow ane są tym samym przebiegiem zegarowym co rdzeń CPU (dokładniej przebiegiem ( 'LKPER). a więc m ogą pracować z m aksym alną częstotliw ością rów ną 32 M H z (pomijając możliwość stosowania rozszerzenia IliRes). Aby można było uzyskać tak duz.ą czę­ stotliwość pracy timera, rdzeń CPU również musi być taktowany takim przebiegiem. W tym celu możemy użyć np. wewnętrznego generatora R C o częstotliwości 32 Ml Iz lub innego, którego częstotliwość zw iększymy za pom ocą PLL (więcej o konfiguracji zegarów' dowiesz się z rozdziału 9.). Timer będzie pracował w trybie 16-bitowym, bez preskalera, a generowany przebieg PWM pojawi się na pinie 0 portu C (pin 1 złącza J 4 modułu Xplamed): void Tlmer in ltO 1 PDRTC. DI RSET=ObOOO0D01: //PDOfest wbiciem OCaĄ TCC0.CTRLB-TCl_CCAEN_b: //licznik moduło liczba //próbek

370

AVR. Praktyczne projekty

A

Rysunek 1 2 .1 8 . Przebieg trójkątny wy,generowany dla 15 próbek na okres (przebieg A l lub 32 próbek na okres (przebieg lii - podstawy czasu prezentowanych przebiegów są rótne Na szczęście tę nieciekaw ą sytuację możemy łatwo zmienić — kod przykładu znajduje się w katalogu PizykJady 7 i me t y PU \\ 1-przen rani a. Kluczem do rozwiązania są przerwania Tuner może generować przerwanie przepełnie­ nia licznika, które idealnie nadaje się do załadowania kolejnej odczytanej próbki. Dzięki temu unikniemy ciągłego oczekiw ania na opróżnienie bufora — w chwili zgłoszenia przerw ania mamy pew ność, że rejestr buforowy jest pusty — jeg o poprzednia wartość w łaśnie trafiła do CCA Dzięki temu funkcję zmiany rejestru możem y przenieść z pętli głównej programu do funkcji obsługi przerwania

ISRtTCCO 0VF_vect) { s ta tic

u in t8 _ t

cou n ter:

TCCO .C C A B U F = w av e(co u n ter ) : c o u n te r- (co u n ter+ 1 )

i

//Licznikpróbek /zalm lu/ nową próbkę

( s iz e o f(w a v e > /s iz e o f( w a v e [0 ]) ):

//licznik modulo liczba próbek

) Nie musimy ju z czekać na opróżnienie bufora, w chwili w yw ołania z pew nością jest on pusty. Zm ienną counter w skazującą na numer próbki w tablicy wave przeniesiono jak o zm ienną statyczną do ciała funkcji obsługi przerw ania — dzięki temu jej wartość jest zachowywana pomiędzy kolejnymi przerwaniami, a z drugiej strony unikamy defi­ niowania zmiennej globalnej. Sama imcjalizacja timera (funkcja T im er_ in it()) różni się od poprzedniej tylko jedną linią odpow iedzialną za odblokow anie przerw ania nadmiaru:

TCCO. IMTCTRLA-TCO_OVFINTLVL0_bm:

//Przerwanie nadmiaru

Na koniec musimy jeszcze pamiętać, aby odblokow ać przerwania zarówno wr kontrolerze PM IC. jak i globalną Hagę zezw olenia na przerwania:

Rozdział 12. ♦ Timery i liczniki

373

ISRCTCCO 0VF_vect)

<1 Niemniej w takiej sytuacji procesor będzie okresowo w yw oływ ał tę nic nie robiącą funkcję, a jak na początku wspom niano, celem jest generowanie przebiegu zupełnie bez udziału procesora. Na szczęście takie nietypow e zachow anie dotyczy wyłącznie zdarzenia przepełnienia licznika Inne zdarzenia zw iązane z timerami nie w ym agają do swojego działania odblokowanych przerwań. Stąd tez do wyzwalania transferu DMA wykorzystane zostanie zdarzenie związane z. rów nością rejestrów CCA i CNT (idea całe­ go transferu została pokazana na rysunku 12 19): CtfA.CHO. TR1GSRC=CttA_CH_TRl6SRC_TCC0_CCA_gc: / 'Zdaizentem inCHu/uj«r{Ci»»jest ewni match dla CCA Tablica

Rysunek 12.19. Zdarzenie porównania CCA z C.YJgeneruje sygnał wyzwalającyjeden transfer w trybie hnrst Dj\ i A il' efekcie (iwu baj Iowa próbka z tablicy próbek (ware) zostanie przetransferowana do rejestru CCABUb". skąd po wygenerowaniu zdarzeniu Ul*DATli tunera traf do rejestru C"CA. określając szerokość impulsu PWM Zauważmy, że dokładna chwila, w której odbędzie się transfer próbki do rejestru CCABUF. jest bez znaczenia, gdyż zawartość tego rejestru zostanie przepisana do rejestru CCA dopiero przy następnym cyklu timora — generowany przebieg ze względu na wykorzy­ stanie rejestru buforowego jest „spóźniony" o jeden cykl w stosunku do aktualnie transfe­ rowanej próbki (rysunek 12.20). Dzięki temu niezależnie od dokładnego momentu transferu DMA generowany przebieg nic będzie zaburzony. Po skonfigurowaniu w szystkich rejestrów czas na wiclki finał, czyli odblokowanie kanału DMA. od lego momentu generowanie przebiegu PWM żyje własnym życiem: CMA.CHO.CTRLA=CW_CH_£NABLE_bm | DHń_CH_REP£AT_fc
Kanał DMA zestal odblokowany w trybie single shot — to znaczy, że zdarzenie w y­ zwalające w yw oła jeden transfer w trybie hnrst Bez ustaw ienia tego bitu zdaizenie w yzwalające spowodowałoby jak najszybszy transfer całego bloku danych — w efek­ cie całość tablicy wave zostałaby natychmiast wpisana do rejestru CCABUF, co oczyw i­ ście nie spowodowałoby wygenerowania zamierzonego przebiegu

374

AVR. Praktyczne projekty

Top

Rysunek 1 2 .2 0 . Transfer DMA jest inicjowany w chwili, kiedy CCA jest równy CNT. Natomiast przepisanie transferowanych danych do CCA następuje n chwili, kietły CNT = PER. W efekcie transferowane dane określają szerokość impulsu PHM dopiero »*•kolejnym cyklu Po skonfigurowaniu tunera oraz DMA procesor nic więcej nie musi robić, przykład ten pokazuje, jak olbrzymi potencjał kryje się w procesorach XM EGA Zaczynaliśmy od programu, który do generowania prostego przebiegu zużywał 1(K)% czasu procesora, a skończyliśmy programem, który potrafi generować jednocześnie kilka przebiegów (do 4 na jeden kanał DMA), zupełnie nie angażując procesora. W dalszych rozdziałach pokazane zostaną bardziej zaaw ansow ane przykłady generowania dźw ięku bez zna­ czącego udziału procesora

R o z sz e rz e n ie zw ię k szą ją ce ro z d z ie lc z o ś ć Pokazane wcześniej przykłady generowania przebiegów o dow olnym kształcie były proste, ale miały pew ną wadę — wysoka rozdzielczość PW M powodowała znaczne ograniczenie maksymalnej częstotliwości generowanego przebiegu. W efekcie niemoż­ liwe jest uzyskanie jednocześnie dużej rozdzielczości i częstotliwości. Pewnym roz­ wiązaniem jest rozszerzenie zwiększające rozdzielczość (ang. H igh Resohttion Extension) przebiegu PWM Jest to dodatkowy podsystem związany z tunerem Każdy port, który posiada przyporządkowane m u timery. posiada także rozszerzenie HiRcs. Rozszerze­ nie to umożliwia zw iększenie rozdzielczości PW M przy takiej samej częstotliwości generowanego przebiegu lub też przy tej samej rozdzielczości nawet 8-krotne zw ięk­ szenie częstotliwości generowanego przebiegu*1. W efekcie m ożliw ości wykorzystania 1We wszystkich XMEGA można w ten sposób ro/d/.icle/.ość zwiększyć 4-krolnie. w niektórych nawet 8-krotnic

Rozdział 12. ♦ Timery i liczniki

375

PWM znacznie rosną. Spróbujmy więc w praktyce wykorzystać podsystem I IiRes. Nie­ mniej zanim to zrobimy, musimy się o nim dow iedzieć nieco więcej. Pomimo ze sam podsystem I IiRes wydaje się być bardzo prosty (zawiera tylko jeden rejestr kontrolny i nic więcej), jest to podsystem, który wymaga do swojego działania specyficznej konfiguracji Jak pamiętamy z rozdziału 9. o zegarach XMEGA. do dyspozycji mamy specjalny zegar O nazwie CLKperJ. którego częstotliwość może być nawet 4-krotnie wyższa niż często­ tliwość CLKper i CLKcpu, a więc zegarów taktujących układy peryferyjne i rdzeń mikro­ kontrolera CLKper-ł możemy właśnie wykorzystać do taktowania modułu 1IiRes. dzięki czem u przy częstotliw ości C LK per równej 32 M Hz (m aksym alnej dla XM EGA) CLKper4 może m ieć częstotliwość az 128 M Hz i z taką w łaśnie częstotliwością będą taktowane moduły odpowiedzialne za generowanie PWM. Jest jednak mały problem — sam timer nic może pracować powyżej 32 M Hz. jak więc rozw iązać ten problem? Rozwiązanie jest proste i eleganckie W trybie IhR es tuner jest ciągle taktowany z prze­ biegu C LK per (a w ięc 4-krotnic wolniejszego niz CLKper-i). lecz zlicza jednorazow o nic jeden impuls, lecz cztery. W elekcie dwa najmłodsze bity licznika CHT nic ulegają zmianie — dla poprawnej pracy m uszą one wynosić zero A skoro dwa najmłodsze bity CHT m uszą być rów ne zero. to w efekcie dw a najmłodsze bity rejestru PER także.

WsUiówki

P a m ię ta j, ze Je śli k o rz y sta sz z ro zsze rze n ia H IR es, za w sze d w a n a jm ło d sze bity re­ je s tró w CHT i PER m u szą być rów ne zero.

Zasada la nie dotyczy pozostałych rejestrów — a w ięc rejestrów CCA - CCO W ich przy­ padku sprawa wygląda nieco inaczej, aczkolwiek z punktu widzenia programisty jest to tylko ciekawostka. A mianowicie w trybie I IiRes najstarsze 14-bitów rejestrów' CCx jest porównywane z rejestrem CHT timera. natomiast najmłodsze dwa bity są porówny­ wane z licznikiem modułu HiRes Jednak dla programisty jest to bez znaczenia. W efekcie timer zachowuje się tak, jakby był taktow any przebiegiem 4-krotnie szybszym (CLKper-J, a nie CLKper), w efekcie rośnie rozdzielczość PW M lub jeg o częstotliwość. Jest je d ­ nak jeszcze jedna drobna różnica — poza tym. że CHT i PER m uszą być podzielnc przez 4 (czyli dwa najmłodsze bity muszą być wyzerowane), różnica dotyczy jeszcze genero­ wania krótkich impulsów'. Dla CHT równego 0 na wyjściu pojaw ia się na stałe niski po­ ziom. podobnie dla CHT równego PER na wyjściu panuje stale poziom wysoki Stąd tez najniższą w artością CNT. dla której otrzymujemy przebieg, je st 1. Dopiero dla wartości CHT>0 możemy regulować szerokość generow anego impulsu z c zwiększoną rozdzielczo­ ścią W praktyce to ograniczenie nie jest uciążliwe, należ)' tylko o nim pamiętać. Sposób określania szerokości impulsu został pokazany na rysunku 12.21.

WsJuzówfca

Te o re tycznie X M E G A rodziny A. B, C i E m a ją m o żliw o ś ć d o d a tk o w e g o ro zsze rze n ia m odułu H iR e s, tak aby zliczał im pulsy 84trotnie szybciej niż CLKper, co je s t uzyskiw ane poprzez zliczanie obu zboczy zegara CLKper4, lecz o b e cn ie d o s tę p n e układy nie wydają s ię p o s ia d a ć ta kie j opcji.

Według not katalogowych tryb 8-krotnego zw iększenia rozdzielczości dostępny jest po ustawieniu bitu HRPlUS rejestru CTRLA modułu HiRes. jednak wydaje się. że w praktyce ta opcja konfiguracyjna jest niedostępna5. 5

Być może będzie dostępna w XMEGA serii E. lecz w chwili pisania książki nic były one jeszcze dostępne.

376

AVR. Praktyczno projekty

<-------------------------------------------- ------------------O k re s

1

S ze ro k o ść im p u lsu 14 b itó w CCx

2 b ity CCx

Rysunek 12.21. IV tryhie HiRes szerokość impulsu określana jest przez 16 bitów rejestru CCx, przy czym jego / 4 najstarszych bitów porównywanych je st z C.\T. a dwa najmłodsze z licznikiem znajdującym się « module HiRes. Najkrótszy możliwy do wygenerowania impuls ma jeden okres CLKper, powyżej tej granicy rozdzielczość generowanych impulsów możemy określić z dokładnością do jednego okresu CLKper/4 Wiemy juz, jak działa moduł I liRes, spróbujmy go w ięc w ykorzystać — kod przykładu znajduje się w katalogu P rzykłady Timery/HtRes. N asz przykład po prostu odblokuje moduł H iRes zw iązany z Umerami TCC. w elekcie czego zostanie w ygenerow ana fala prostokątna o w spółczynniku w ypełnienia 50% i częstotliwości 4-krolnie w yższej. niż wynikałoby to ze źródła taktowania tunera Aby to było możliwe, najpierw musimy właściwie ustaw ić częstotliwości CLKper4 i CLKper. tak aby CLKper miało 4 -krotnie niższą częstotliwość niż CLKper4. W tym celu XMEGA będziemy taktować z wewnętrznego generatora RC o częstotliwości 32 MI Iz. a przebieg z m ego pomnożym y przez 16 w układzie PLL. co da nam częstotliwość C LK per4 rów ­ ną 128 M Hz Dlaczego tyle? Bo jak pamiętamy, źródło zegara 32 M Hz przed wejściem na PLL jest dzielone przez 4, w elekcie do P IJ. trafia przebieg o częstotliwości 8 MI Iz. który pom nożony przez 16 da nam ow e 128 M Hz. R ealizuje to prosty kod: RC32H en<): SeIectPLl(OSC_PLLSRC_RC32M_gc. 16): Ale to m e w szystko Poniew aż ani rdzeń M CU . ani inne układy peryferyjne nie m ogą być taktow ane tak w ysoką częstotliw ością, stąd tez zanim przełączym y źródło zegara, musimy ustaw ić prcskalery. Prcskalcr zegara A ustawim y na 1. co zapew ni nam brak podziału, w elekcie CLKper4 będzie wynosiło 128 MHz. natom iast prcskalery D i C bę­ d ą dzieliły przebieg przez 2. łączny podział w yniesie w ięc 4. W efekcie C LK per2 w y­ niesie 64 Ml Iz, a C L K per i C LK cpu w yniosą 32 MI Iz, czyli zgodnie ze specyfikacją: CCP=CCP I0REG gc: //Odblokuj możliwość zmiany CLK_PSCTRL-CIK PSAD1V 1 gc | CLK PSBCDIV 2 2_gc: //CLKper4-PLL. CLKper2-PLU2. CCP=CCP I0REG gc: CU. CTRL-CUJCUSEL_PlL_gc:

/AC LK io-PLL4 //Odblokuj możliwość zmiany //Wybierzjakoś źródło zegara PLL

Dopiero teraz możemy przystąpić do konfiguracji HiRes Jego odblokowanie jest proste: HI RESC_CTRLA=HIRES_HREN_TCO_gc: AOdblokuj rozszerzenie HiRes dla TCO Poniew aż H iR es zw iązany jest z portem IO, a do danego portu przypisane są aż 2 tiinery. rozszerzenie możem y odblokow ać dla tunera TCO (HlRES_HREH_TCO_gc), tunera

Rozdział 12. ♦ Timery i liczniki

377

TC1 (HIRES_HREM_TCl_gc) lub obu (HIRES_HREH_BOTH_gc). Po odblokow aniu H iRes m o­

żemy skonfigurować tim er tak. jak zazwyczaj to robimy: FORTC_D IR=P IN0_bm: //Kanał A jest wyjiclent TCC0.PER=0xl00:

TCC0.CTRLB-TC_U'GM3DE_SS_gc | TCO_CCAEN_bm: TCC0.CCA=0x80: TCCO.CTRLA-TC_CLKSEL_OIVl_gc: Jedyna różnica jest taka. że dwa najmłodsze bity rejestru PER m uszą być wyzerowane. I to wszystko, po tych prostych zabiegach rozdzielczość generowanego PW M przy tej samej częstotliwości zwiększa się dwukrotnie.

W sUrówb

Z przyczyn czysto praktycznych zegar taktujący tim er z w łączonym rozszerzeniem taktu­ jem y z TC_CLKSEL_D IVl_gcr a w ięc bez ja kie g o ko lw ie k podziału. J e s t to w ym agane d la popraw nej pracy m o du łu H iR e s, je ś li je d n a k w ykorzystujem y p re s k a le r tim e ra , to n ie m a s e n s u o d b lo ko w yw a ć m o du łu H iR e s.

Tryb HiRes dla licznika typu 2 Zapewne jeszcze ciekawszą możliwością jest wykorzystanie trybu HiRes w połączeniu z licznikiem typu 2 (który powstaje z podzielenia licznika typu 0). Dzięki temu mamy do dyspozycji az 8 kanałów PWM o rozdzielczości 8 bitów każdy, co daje możliwość generow ania PWM o częstotliwości sięgającej 500 kHz. Tego typu konfiguracja znajduje się w przykładzie dostępnym w katalogu Przykłady Timery/HiResS. Nasza konfiguracja wygląda zupełnie podobnie do przykładu pokazanego wcześniej, z tym ze dzielimy timer TCCO na dwa 8-bitowc timery typu 2. co daje nam możliwość wykorzystania az 8 kanałów PWM Przykład ten wykorzystuje XMHGA256A3BU, gdyż XMEGA128A1 nic ma możliwości pracy timera typu 0 w trybie s p lit m o d ę . Skonfigu­ rujmy więc timer: HI RESC_CTRLA=HIRES_HREN_TCO_gc: / O d blokuj rozszerzenie H iR es d la TCO PORTCDIRw255: //p in y 0 -~ to m y jic ia P U 'U TCCO.ĆTRLE=TC_BYTEM_SPLI TM0DE_gc: //P o d z ie l lic z n ik na 2 tim e ry typ u 2 TCCO. PER-0xfc fc : //P E R L iP E R H m ają okres ftcF C TCCO. C7RlB-0xff : /•'Odblokowujemy wszystkie k a n a ły P W M TCCO.CCA=0x2010: TCCO.CC8-Ox4O30: TCCO.CCC=0x6050: TCC0.CCO-0x8070: TCCO. C7P.LA=TC_CLKSEL_D I Vl_gc:

W powyższym przykładzie 8 kanałów timera TCC2 skonfigurow ano nieco „na skróty” Dla skrócenia zapisu wykorzystano fakt. że 8-bitowc rejestry timera TCC2 w spółdzielą przestrzeń IO z 16-bitowymi rejestrami timera TCCO. W elekcie zamiast odwoływać się osobno do mniej i bardziej znaczących bajtów TCC2, wpisywane są od razu wartości do odpowiadającego im 16-bitowego rejestru Stąd też zapis:

378

AVR. Praktyczne projekty

TCCO.CCA-Ox2O10:

Jest równoważny zapisowi: TCC2.lCMPA«0xl0: TCC2.HCMPA=Ox20:

Wskazówka

Warto zauważyć, ze aby m ożna było poprawnie pracować, rejestry PERH i PERL nie mogą zaw ie rać w a rto śc i OxFF.

Jak widzimy, ta prosta konfiguracja zapewnia nam mo/Jiwość skorzystania z az 32 ośmiobilowych kanałów PWM o dużej częstotliwości generowanego przebiegu.

Rozdział 13.

Kontroler DMA Z n a m y j u ż d o s y ć d o b r z e m ik r o k o n tro le ry X M E G A . p o r a w ię c p o k a z a ć , c o o n e n a p ra w d ę p o t r a f ią . J e d n y m z n a jb a r d z i e j i n te r e s u j ą c y c h u k ł a d ó w X M E G A j e s t k o n t r o l e r D M A . W p o w i ą z a n i u z i n n y m i p o d s y s te m a m i, a w s z c z e g ó ln o ś c i z t u n e r a m i , k o n t r o l e r te n s t w a r z a n i e s a m o w i t e m o ż l iw o ś c i o d c ią ż e n ia p r o c e s o r a , d z ię k i c z e m u b ę d z ie o n m ó g ł p o ś w i ę c i ć s w o j e z a s o b y i n n y m z a d a n i o m . W d a ls z e j c z ę ś c i k s ią ż k i p o k a z a n e z o s t a n ą lic z n e p r z y k ł a d y u ż y c i a D M A w a p li k a c j a c h , z a n im j e d n a k z o s t a n ą o n e o m ó w i o n e , m u s is z p o z n a ć n ie c o b u d o w ę te g o ta je m n ic z e g o k o m p o n e n tu . D M A to s k ró t n ie c o e n ig ­ m a ty c z n e j n a z w y o k re ś la ją c e j b e z p o ś re d n i d o s tę p d o p a m ię c i (a n g

access). N a z w a

Direcl niemoty

ta o k r e ś l a , ż e j a k i ś u k ła d p e r y f e r y jn y ( n p A D C . lim e r c z y D A C ) m o ż e

u z y s k a ć d o s t ę p d o p a m i ę c i z p o m in i ę c i e m p r o c e s o r a . P o o d p o w i e d n im s k o n f i g u r o ­ w a n i u D M A t r a n s f e r d a n y c h p o m ię d z y d w o m a u k ła d a m i n ie w y m a g a z a a n g a ż o w a n i a p r o c e s o r a . D z ię k i te m u p r o c e s o r m o ż e z a ją ć s i ę in n y m i z a d a n i a m i . D M A u m o ż liw ia n ie t y lk o o d c i ą ż e n i e p r o c e s o r a , g d y ż n i c m u s i s ię o n a n g a ż o w a ć w p r z e s y ł d a n y c h , a le u m o ż l iw ia ic h p r z e s y ł a n i e z n a c z n i e s z y b c ie j. D la p r z y k ła d u : p r o c e s o r , a b y p r z e s i a ć b lo k d a n y c h , m u s i w y k o n a ć w p ę tli n a s tę p u j ą c e in s tr u k c je :

U: LO R16. Z* ST y*. RL6 ADIW Z. 1 BRNĘ LI

//P obierz 8-btlow e dane t inkrem entuj Z /iZ a p isz dane do Y i g o inkrem entuj //Z w iększ licznik Irans/eru //Jeśli

f~0, to kontynuuj transfer

C o ł ą c z n i e t r w a a ż 6 t a k t ó w z e g a r a i a n g a ż u j e 1 0 0 % c z a s u p r o c e s o r a . S tą d te ż d l a z e ­ g a r a 3 2 M J I z ( m a k s y m a l n y z a le c a n y d l a X M E G A ) o s ią g n i e m y p r z e s y ł r z ę d u 3 2 /6 . c z y li o k . 5 M B /s . U ż y w a j ą c D M A . m o ż n a p r z e s y ł a ć d a n e s z y b c ie j — c o o k o ł o 4 ta k ty C P U ( z a le ż ) ’ to m in o d le g o , c o C P U w d a n y m m o m e n c ie r o b i) , a le p r z e d e w s z y s tk im p rz e sy ł n ie a n g a ż u je C P U . A b y r o z p o c z ą ć k o r z y s t a n ie z D M A . m u s im y z a p o z n a ć s ię z k i lk o m a p o ję c ia m i i s p o s o ­ b e m . w j a k i p r a c u je . K a ż d a k o m p le tn a o p e r a c ja D M A to t r a n s a k c j a

W r a m a c h tr a n s ­

a k c ji r e a l iz o w a n e j e s t k o m p le tn e ż ą d a n i e p r z e s y łu d a n y c h . P o j e j z a k o ń c z e n iu k a n a ł D M A j e s t w o l n y i m o ż n a g o w y k o r z y s t a ć d o p r z e p r o w a d z e n i a k o l e j n e j t r a n s a k c j i. J e ś l i n a p r z y k ła d c h c e m y p r z e s ła ć 2 0 b a jtó w z lo k a liz a c ji A d o lo k a liz a c ji B . to k o m p le t­ n a o p e r a c ja ic h p r z e s i a n i a b ę d z i e t r a n s a k c j ą . J e d n a k t r a n s a k c j a n ie j e s t r e a l i z o w a n a w c a ło ś c i n a ty c h m ia s t, le c z j e s t p o d z ie lo n a n a b l o k i K a ż d a tr a n s a k c ja s k ła d a s ię z o d 1 d o

380

AVR. Praktyczne projekty

255 bloków o długości od I do 65 536 bajtów. Dzięki temu w ramach transakcji mo­ żemy przesiać maksym alnie 255*64 kB danych, a więc 16 MB — jest to dokładnie tyle. ile może maksym alnie zaadresować mikrokontroler XMEGA.

Wskazówka

S p e cja ln e zn a cze n ie m ają tra n sa kcje , w sk ła d których w ch o d zi 0 blokó w — ta kie tra n sa k cje pow odują tra n sm ito w a n ie w n ie s k o ń c z o n o ś ć (d o p ó k i n ie z o s ta n ą pro­ gram ow o przerw ane) te g o sa m e g o bloku danych.

Pozornie brzmi to nonsensownie, lecz lego typu transakcje m ają duże znaczenie Dla przykładu układ ADC stale dostarcza danych, nie ma w ięc sensu po każdym bloku na nowo konfigurować kontrolera DMA. zamiast tego możemy powtórzyć ostatni blok. do czego śluzą właśnie transakcje, dla których liczba bloków wynosi 0. Każdy blok składa się z od 1 do 65 536 bajtów, przy czym blok o maksymalnej długości 65 536 bajtów określany jest przez długość bloku w ynoszącą 0. Ponieważ blok może być stosunkowo długi, to czas jego transferu jest również znaczący. W sytuacji, w której do danego zasobu (np pamięci) jednoczesny dostęp chciałby uzyskać i procesor, i DMA. bloki o takiej długości powodowałyby wstrzymywanie pracy CPU na dłuższy czas Aby lego uniknąć, bloki zostały podzielone na mniejsze fragmenty transferowane w sposób nieprzerwany (taki transfer określany jest jako biust transfer). W sposób nieprzerwany m ogą być transmitowane ciągi składające się z I, 2, 4 lub 8 bajtów. Jeśli procesor (luli inny kanał DM A) chciałby uzyskać dostęp do pamięci w czasie takiego transferu, to zostanie on wstrzymany aż do czasu jeg o ukończenia. Bttrsł transfer ma szczególne znaczenie w przypadku dostępu do rejestrów IO. Generalnie długość takiego transferu powinna być równa ilości bajtów w rejestrze IO, do którego lub z którego odbywa się transfer. Dzięki temu mamy gwarancję, że odczyt lub zapis rejestru następuje w spo­ sób atomowy — raz rozpoczęty dostęp do rejestru nie zostanie przerwany aż do czasu jego zakończenia, nawet w przypadku rejestrów dłuższych niż 1 bajt Stąd też np dla rejestru ADC. który ma 16 bilów, długość transferu hurst powinna wynieść 2 bajty. Jeśli ustawimy ją na 1 bajt. to dostęp do dwóch 8-bilowych połówek rejestru ADC będzie się odbywał w sposób meatomowy, w efekcie zawartość rejestru pomiędzy kolejnymi dostępami może ulec zmianie, co spowoduje odczytanie błędnych danych.

Wskazówka

P a m ię ta j, ze d łu g o ś ć tra n sm ito w a n e g o b lo ku nie za le zy o d d łu g o ś c i b u rst transfer. Burst tra nsfe r o k re ś la tylko, w ja k i s p o s ó b b lo k i b ę d ą p rze sy ła n e .

Co ważne, długość bloku nie musi być w ielokrotnością burst transfer, chociaż zasad­ niczo nie ma sensu, aby nią nie była (poza transferami typu pamięć-pamięć). Z każdym kanałem DMA zw iązane są następujące rejestry ♦ trzy 8-bitowc rejestry SRCADDRO. 1 i 2 określające początek transferowanego bloku danych; ♦ trzy 8-bitowc rejestry DESTADDRO. 1 i 2 określające adres, do którego nastąpi skopiowanie danych. ♦ 16-bitowy rejestr TRFCMT określający długość bloku danych ( 0 - 6 4 kB) — rejestr ten określa liczbę bajtów, jakie pozostały do przelransferow ania dla danego bloku;

Rozdział 13. ♦ Kontroler DMA

381

♦ 8-bilo\vy rejestr REPCNT określający liczbę bloków w ch o d zący ch w skład tran sak cji (l - 255). 0 o k reśla, ż e dany blok b ędzie tran sfero w an y w nieskończoność.

Długość transakcji burst określa się w rejestrze kontrolnym kanału DM A — CTRLA. wpisując do niego jedną z czterech stałych: ♦ DMA_CH_BURSTLEN_lBYTE_gc (0x00) — transfer 1 baj tu. ♦ DMA_CH_BURSTLEN_2BYTE_gc (0x01) — transfer 2 bajtów . ♦ DMA_CH_BUR$TLEN_4BYTE_gc (0x02) — transfer 4 bajtów . ♦ DMA_CH_BURSTLEN_8BYTE_gc (0x03) — transfer 8 bajtów .

Jak widzimy, rejestry adresowe umożliwiają określenie adresu źródłowego i docelowe­ go leżącego w 24-bitowej przestrzeni adresowej procesora W nocie XMHGA i mate­ riałach reklamowych fumy Atmel można przeczytać, ze DMA potrafi transferować dane pomiędzy pamięcią, układami peryferyjnymi i pamięcią EEPROM. Tak naprawdę układ ten potrafi transferować dane wyłącznic pomiędzy obszarami lezącymi w prze­ strzeni adresowej procesora. Poniew aż rejestry IO oraz pam ięć EEPROM lezą w tej przestrzeni, można pomiędzy nimi transferować dane za pom ocą DMA. Jednak takie transfery w żaden sposób nie różnią się od transferów pamięć-pamięć.

Wikarówka

W o b s z a r d o s tę p n y d la D M A n ie d a s ię zm a p o w a ć p a m ię c i F L A S H m ik ro k o n tro le ra , s tę d te z p a m ię ć ta j e s t n ie d o s tę p n a d la D M A.

Zanim przejdziemy do pierwszego przykładu użycia DMA, musimy jeszcze bliżej przyj­ rzeć się konfiguracji rejestrów adresowych. Zarówno rejestr określający adres źródła danych, jak i rejestr określający adres przeznaczenia po każdym transferze mogą być automatycznie modyfikowane przez kontroler DMA Co będzie się z mmi działo, określa rejestr ADDRCTRL Możliwymi operacjami są: ♦ brak zm iany rejestru adresow ego (DMA_CH_SRCDIR_FIXED_gc, DMA_CH_DESTDIR_FIXED_gc) — rejestr ciągle w skazuje n;i tę samą kom órkę pamięci; ♦ inkrem entacja adresu O 1
382

AVR. Praktyczne projekty

Rejestr ADDRCTRL umożliwia także skonfigurow anie momentu przeładowania rejestrów adresowych. Rejestry lc. podobnie jak rejestr TRFCNT, pam iętają pierwotnie wpisane do nich wartości Dzięki temu możliwe jest ich automatyczne przeładowywanie, w efekcie ich wartość jest równa wartości początkowej wpisanej do rejestru. Moment, w którym nastąpi ich przeładowanie, można niezależnie od kreślić dla rejestrów SRCADDR i DESTADDR Rejestr TRFCNT jest przeładowywany w chwili rozpoczęcia transferu kolejnego bloku danych. Przeładowanie może wystąpić w jednym z czterech momentów: ♦ Dom yślną opcją jest brak przeładowania Po zakończeniu przesyłania bloku danych ich stan nie będzie odtwarzany (DMA_CH_SRCRELOAD_NONE_gc i DMA_CH_DESTRELOAD_M0NE_gc). ♦ Przeładowanie następuje w chwili ukończenia transmisji bloku danych ( DMA_CH_SRCREL0AD_BL0CK_gc i DMA_CH_DESTRELOAD_BLOCK_gc) ♦ Przeładowanie następuje w momencie zakończenia transferu typu burs! (DMA_CH_SRCRELOAD_BURST_gc i DMA_CH_DESTRELOAD_BURST_gc) ♦ Przeładowanie następuje po zakończeniu transakcji
Rozdział 13. ♦ Kontroler DMA

383

P rz e sy ła n ie pam ięć-pam ięć Najprostszym trybem pracy DMA jest przesył typu pam ięć-pam ięć Aby skopiować dane pomiędzy dwoma obszarami pamięci (najczęściej będą to tablice), należy ich adres załadować do rejestrów adresowy ch kontrolera DMA: DHA. CHO. SRCA£ORO=(u I n t16 U & s rc i OxFF: DMA.CHO. SRCADOR1- (u i nt16j : >8src » 8 : DHA. CHO. SRCADOR2=0: DHA.CHO.DESTADDRO-(u i n t1 6 _ t)Sdst S OxFF: DHA.CH0.DESTADDRl=(ulntl6 t)& d st » B: DHA.CHO.DESTADDR2-0:

Wikarówka

źródłem danych jesi tablica sre

R ejestry ad re so w e s ą 24-bitow e. aby zo stały u a ktu a ln io n e , m u sim y d o k o n a ć za p isu d o SRCADDR2 lu b DESTADDR2, n a w e t je ś li w pisyw any a d re s j e s t tylko 16-bitow y. B e z za p isu d o n ajstarszych bajtów rejestrów adresow ych nie n a s tą p i p rze p isa n ie Infor­ m a cji z rejestró w tym cza so w ych i zm ia n a a d re su s ię n ie p o w ie d zie .

Po załadowaniu adresów należy określić długość kopiowanego bloku: CMA. CHO. TRFCMT-S i zeof ( sre ):

//Blok ma długość tabhnrsre

Ponieważ tego typu transfery' odbywają się zwykle jednorazowo, a dodatkowo wielkość tablicy w avr-gcc jest ograniczona do 32 767 bajtów, w przypadku kopiowania da­ nych z tablic nigdy nie zajdzie potrzeba korzystania z rejestru powtórzeń REPCNT, stąd tez. nie musimy tego rejestru konfigurować. W przypadku przesyłania bloków pamięci niczachodzących na siebie nic ma znaczenia, czy rejestry adresowe będziemy inkre­ mentować. czy dekrementować, jednak łatwiej jest (dla człow ieka, kompilatorowi jest to obojętne) ładować adresy początków kopiowanych obszarów niż końców W efek­ cie wygodniej jest stosować tryb z inkrem entacją rejestrów adresowych Jeśli transfer jest jednokrotny, to nie ma tez znaczenia m om ent przeładowywani a rejestrów, jednak dobrym nawykiem jest przeładowywać jc po zakończeniu transakcji Stąd konfiguracja rejestru kontrolnego wygląda następująco: CfW.CHO,ADDRCTRL-DMA_CH SRCRElGAD_BLOCK_gc | CMA_CH_SRCDIR_INC_gc | CMA_CH_DE$TDIR_INC_gc | _DMA_CH_DESTRELOAD_BLOCX_gc:

Na tym etapie kontroler DMA jest ju z w łaściwie skonfigurowany, możemy w ięc roz­ począć transfer: CMA.CHO.CTRLA-CM_CH_ENABLE_bin | DHA_CH_TRFREQJxn | CW_CH_BURSTLEN_2BYTE_gc:

Transfer można rozpocząć ..ręcznie” poprzez ustawienie bitu DMA_CH_TRFREQ_bm. zo­ stanie on wyzerowany pił rozpoczęciu transferu, czyli praw ie natychmiast, stąd nie może zostać użyty do badania stanu transmisji DMA Jednocześnie wybrany został tryb bitrst 7. przesyłem dwóch bajtów naraz. W tym przy padku nie ma to większego znaczenia i równie dobrze możemy wybrać tryb b u n t 1-, 4- lub 8-bajtowy. Musimy jednak pa­ miętać. aby nie ustawić bitu SINGLE rejestru CTRLA (DMA_CH_SIIIGLE_bm) Jego ustawienie powoduje, że po inicjacji następuje transfer liczby bajtów określonej trybem burst, transfer kolejnej porcji danych wymaga ponownego ustawienia bitu DMA_CH TRFREQ_bm

384

AVR. Praktyczne projekty

Po rozpoczęciu transferu odbywa się on niezależnie od działania procesora. M ożemy poczekać na jego zakończenie, te stu je stan bitu DMA_CH_EMABLE_bm rejestru CTRLA — jego w yzerow anie będzie świadczyć o zakończeniu transakcji — od tego momentu kanał DMA jest wolny i ntoze zostać użyty do kolejnego transferu: whi le
•*«. Im4w

I

M .ft.

-mii* mmu i N b l l t t r tU M .I • .i i i * ] ,

•tteiite u«».i

tulili •)«•*> t (M

u

trsi;

'i u > < a «»»»i

j «*=

HateUi.UtiM •• Li • ■ .M .N iM M te . M . M r n i M u r* te lte < * « .M .l> ^ i

• to | M

r»

t o I * > o> ^ iiU K łJ a W u

" S n u 1,1 — * ' • mrs?K}& •elu stt) iŁastw?

M

I

m f» # , C K liC ł |

• ’ t~*\ • « i T . u

J U x

I •l*_0*_ICV*1

t

• • • • • — . . ■,

.J l. / fi tt J u l

•ut :•<

V «.CMi.Nł?iCM *<<.to1ła.l)M>1tl| I K ” . t m . i M . n u a a K a n u . t i i i u f i j >> *.

* «* •A • li: • 13 4Db • Mi •» • I* • J*. •* ■4*4 4n 4 ta 4ie 4 IX *W *1* 4>m 4 (TJ

•W 4tm

4 « «»*

l«— « I 1 i Tl' _______ « _______ 1 I *• I* Im

-teJM MOi< to*)M to«lłł to«U« wrOłł »~o«1 -•Ul «*«M WM}«« v«IM —ił* «*a»« **«»»* —*ł»* -"■u

Rysunek 13.1. Stan tablic src t Jst po wykonaniu I u h I u z przy kładu Dane w obu tablicach są takie same

Odwracanie danych Różne Uyby zmiany adresów rejestrów adresowych moZna także wykorzystać do odwra­ cania kolejności danych Jeśli jeden z rejestrów adresowych będzie inkrementowany, a drugi dekrementowany, to efektem przesyłu będzie odwrócenie kolejności danych w ta­ blicy docelowej. Jeśli obie tablice będą się pokrywać, to w elekcie wszystkie elementy tablicy zostaną odwrócone Zobaczmy, jak to wygląda na przykładzie tablic src i d st

Rozdział 13. ♦ Kontroler DMA

385

Konfiguracja kanału DMA wygląda podobnie do poprzedniej, stąd przedstawione zostaną tylko różnice. Pierw sza dotyczy sposobu m iejalizacji rejestru kontrolnego rejestrów adresowych: CM^.CHO.ADDRC7RL-DMA_CH_SRCREtOAD_BLCCK_gc | CWA_CH_SRCDIR_INC_gc | CMA_CH_DESTDIR_DEC_gc | DMA_CH_OESTRELOAO_BLOCX_gc:

W powyższym przykładzie rejestr źródłowy będzie po każdym transferze inkrementowa­ ny, a rejestr docelow y dekrem entow any. Stąd tez rejestr adresu źródła konfigurujem y tak jak w poprzednim przykładzie, tak aby w skazyw ał na pierw szy elem ent tablicy, z kolei rejestr adresu celu ustawiam y na ostatni elem ent tablicy: CMA. CHO.DESTADDRD-( ( u i n t 16 _ t) ( &dst[1 0 ]) - 1 ) & OxFF: CttA.CH0.DESTADDfil-((uintl6 t ) < & d s t[1 0 ]) - l) » 8: CMA. CHO.DESTAD0ft2=0:

Wskazówka

Pa m ię taj, że w języku C o sta tn i e le m e n t ta b licy n-elem entowej m a in d e k s n - 1 . W ynika to z te g o . że in d e k s y s ą n u m e ro w a n e od 0 . a n ie o d 1, ta k ja k w n ie k tó ry c h in n ych Ję zyk a c h p ro g ra m o w a n ia .

Stąd tez ostatni element tablicy d st ma adres &dst [9], a dane m amy zapisać, począwszy od adresu ostatniego bajlu lego elem entu. A dres ten jest o jed en niższy niż adres ko­ lejnego elem entu o indeksie 10. stąd teZ zapis ( ( u m tl6 _ t) (& dst[10] ) - l ) . Zauw ażm y, ze co prawda ostatnim elem entem tablicy d s t jest elem ent o indeksie 9, a nie 10, lecz kom pilator języka C nic spraw dza popraw ności indeksów, stąd m ożem y pobrać adres nieistniejącego elem entu o indeksie 10 W tym przypadku je st to dozw olone, gdyż nic chcemy do tego elem entu się odw oływ ać, a jedynie potrzebujem y jego adresu w celu w yliczenia adresu ostatniego elem entu tablicy. Po rozpoczęciu transferu dane w tablicy d s t będą w kolejności odwróconej w stosunku do danych w tablicy s re (rysunek 13.2). Niemniej nasza radość jest przedwczesna. Pozornie prawidłowy w ynik operacji wynika ze specyficznych danych, którymi została ona zainicjowana. Jako ćwiczenie warto wpisać do tablicy sre liczby większe niż 255 Po odwróceniu tak wypełnionej tablicy okaże się. 2e dane zostały odwrócone pozornie błędnie (tablica sre zawiera elementy o typie u in tl6 _ t) Problem polega na tym , że odw racan e są dane b a jt po bajcie — w efekcie młodszy i sta rsz y b a jt każdego elem en tu tab licy też zo stan ie odw ró co n y . D latego ten tryb przesyłu nadaje się w yłącznie dla danych bajtow ych — m ożna go w ykorzystać np. do odw racania łańcuchów tekstowych

Przesyłanie nakładających się bloków pamięci Do tej pory dane przesyłane były pomiędzy dw om a odrębnym i obszaram i pamięci (jeżyk C gwarantuje takie rozmieszczenie zmiennych, aby żadne z nich się nie nakłada­ ły'). Jednak kiedy dw a bloki pam ięci nakładają się (lak będzie np dla przesłań danych w* obrębie jednej tablicy), kierunek transferu danych zaczyna mieć znaczenie Przykład te­ go w idać na rysunku 13.3.1 1 Wyjątkiem od tej zasady są unie. w których grupa zmiennych zajmuje ten sam obszar pamięci

386

AVR. Praktyczne projekty

»u fto*

| 1». tf-.Mv.ji.il- Ijc; łf^etł • c* umSci

«iut(u.M.cnU i pu_c*.n**.f_k»)ł M

*»Utt-

( W « K T M « ł - | - . l » U I j l i w i r t * .* •!

xu o« •iv«ł*i.i»iMi«.nfc*ł i(*i >»i. *».»!• (> c,M n oi

i u i ,i

-uWBv.o*.tn'k* t

)• Mm

» * .U #

ii

-» «.v “

I

pi « m ti«

n * '\ jy .

i» wrU*>irjnttr*

i i'.to im i'1 1 Utoilf-

r g f f r e f -i?

4 ***;

X» <1*SaC*M**«l

im

4 4 .M ,

fM V łT * V 4 I.|.|—u .lł#i»{4J •• «;

IM.ll* HVUR04|

M .0 4 .( T U ^ .{ ii.l\l.l.ia

|

toil^iM(»rn.i łM » '»*■• h»)i w .tto

i ^ n i Ł ia r

to L M J IfJ M I U lto n -lU lM lIll

I

*• *t*1mUmftSI

/ u > * l 4 «JM U t

/'1^1 ■■(LmK UUlU

\M lt.A »

MJU• »«»'» r^iii^

•*

* pi * HI *M *

XI

n♦ i

w

* XI

♦Xł ♦tol ♦Ul

*PI

♦ HI ♦ PI

-r * • HI Rysunek 13.2. Kolejność danych ir tablicy dsl jest po transferze odwrócona Tablica fllltbl Itransfer

II transfer

III tra n s fe r

IV tra n s fe r

Rysunek 13.3. Transfer danych »•■sytuacji, gdy transferowane hlakt pokrywają się, tnoZe doprowadzić do tego. żc kopiowane dane zostaną uszkodzone Jak widzimy na rysunku, pierwszy i drugi transfer przebiegają poprawnie Jednak kolejne transfery juz. nie — tr/cei bajt nic zawiera oryginalnego wzorca, tylko skopiowany pierw­ szy bajt danych W efekcie zamiast przesunięcia bajtów o dwie pozycje następuje powielenie

Rozdział 13. ♦ Kontroler DMA

387

w całej tablicy dwóch pierwszych bajtów. Aby tego uniknąć, musimy zmienić sposób kopiowania danych. Jedną z możliwości jest użycie pośredniego bufora, do którego sko­ piujemy zawartość tablicy, dzięki temu doprowadzimy do sytuacji, w której mamy niepokrywające się bloki danych, w efekcie możemy je bez problemu przetransferować. Takie rozwiązanie ma dwie oczywiste wady ♦ po pierwsze, potrzebujemy pośredniego bufora o długości równej długości transferowanego bloku. ♦ po drugie, zamiast jednego transferu musimy wykonać dwra. co jest stratą czasu. Lepszym rozwiązaniem jest skorzystanie z możliwości zmiany kierunku rejestrów adre­ sowych Zauw ażmy, Ze jeśli zamiast kopiow ać od początku tablicy, zaczniemy ją ko­ piować od ,.tyłu’\ to przesiane dane będą poprawne (rysunek 13.4).IV Tablica filltbl I transfer

A

B

C

D

E

F

II transfer

A

B

A

D

E

F

G

i

G J — c d

III transfer

A

B

A

B

E

F

G

IV transfer

A

B

C

D

E *

F

G

I transfer

A

—_ B

C

D

E

F

G

II transfer

A

B

C

D

E

D

G

_________________ 1 A B C

D

c

B

c

III transfer IV transfer

A

B

C

y

--------- ---------H 1 H

1

H

v G

J

r^i H

-------------------- ---------F G H _ F

— i G

—— H

F

G

H

» ______________________________________ D G F G H D

G

_ F

i

_ G

i

. H

i

V

IV transfer

A

B

H

R y su n e k 1 3 .4 . O dpow iedni kierunek transferu rozwiązuje problem nakładających się obszarów•pamięci, pokazanym przykładzie wystarczy skopiować blok o d t y ł u “.jednocześnie dekrementując rejestry adresowe

Wskazówka

Pam iętaj, ze jeżeli pierwszy bajt bloku docelow ego znajduje s ię wyżej niż pierwszy bajt b lo ku źródłow ego, to d a n e n a le ży k o p io w a ć, p o czą w szy o d o s ta tn ie g o bajtu bloku, w odw rotnej sytu acji d a n e n a le ży kop io w a ć od p ierw sze g o bajtu.

Zobaczmy w ięc na przykładzie, jak wygląda taki przesył. Mamy tablicę dst (do której wcześniej zostały skopiowane dane w odwróconej kolejności z tablicy sre) i chcemy przesunąć wszystkie elementy o jeden indeks w górę Skoro bloki się pokrywają, a adres początku bloku docelowego jest wyższy niZ bloku źródłow ego, to musimy zastosować kopiow anie od końca z dekrem entacją rejestrów adresowych: CM.CHO.ADDRCTRL-DH4CH SRCRELGADBLOCK gc | CM_CH SftCDIR DEC gc | CM_CH_DESTD IR_DEC_gć 1~CMA_CH_OEŚTRELOAD_BLOCK_gc:"

Rozdział 13. ♦ Kontroler DMA

389

tablicy. T akie działanie jed n ak je st w ykorzystyw ane rzadko, natom iast dosyć często wykorzystuje się len mechanizm do wypełniania bloków pamięci określoną wartością. Je­ śli bloki pamięci są przesunięte o jeden bajt. to efektem kopiow ania będzie wypełnienie bloku pam ięci bajtem o zadanej w artości Zobaczm y, ja k to w ygląda na przykładzie. Tablica f i l i t b l o długości 20 elementów ma zostać wypełniona wartościami odpow ia­ dającymi elem entow i o indeksie 0 f i 11 tb I [ 0]-0xab:

//Całą tablicęfili wypełnimy wartością elementu o indeksie 0

R ozpocznijm y w ięc transfer: DMA. CHO. 7RFCNT=S1zeof(f 111tb 1) - 1: //Blok m u długość tablicy fili •l bajt DMA.CHO. SRCADORO-(u i n t16 t>&fi 11tb I [0] A (UFF: DMA .CHO.SRCADORl*(u i n tl6 t } & f illt b l[ 0 ] » 8 : DMA.CH0.SRCADOR2=0: DMA .CHO. DESTADDRCMu In tl6 t)» f1 1 1 tb l[l] A OxFF: DMA.CH0.DESTADDRl=(ulntl6~t>&fllltbl[l] » 8: DMA.CHO.DESTADDR2-0: DMA.CHO.CTRLA=DMA_CH_EUABLE_bm | CMA_CH_TRFREQ_brri | DMA_CH_BURSHEN_lBYTE_gc:

Ponieważ bloki pokrywają się, a |>o każdym transferze lejestiy adresowe są inkremento­ wane. uzyskam y w ynik taki jak pokazany na rysunku 13.6. Pokazaną lecluukę (zazwyczaj jednak bez wykorzystywania D M A ) w ykorzystuje się do inicjalizacji obszarów pam ięci.

P rz e sy ła n ie pam ięć-rejestr IO W podobny sposób do wcześniej pokazanego m ożna przesyłać dane pomiędzy pam ięcią a rejestrem IO lub rejestrem IO a pamięcią. Jakkolwiek dane m ożna wysyłać lub pobierać z dow olnego rejestru IO (przesyłanie to. jak ju ż w spom niano, niczym się nie różni od przesyłania pamięć-pamięe). to nie w każdym przypadku m a to sens. W przypadku prze­ syłania 1() ma znaczenie długość rejestru IO, do którego dane zapisujem y lub z którego odczytujem y. W przypadku rejestrów IO składających się z w ięcej niż 8 bitów ma także znaczenie kolejność, w jakiej się do rejestru odwołujemy. W poprzednich rozdziałach po­ kazano sposób odw oływ ania się do rejestrów w iclobajtow ych. generalnie odczyt tych rejestrów pow inien następow ać od najstarszego d o najm łodszego bajtu. a zapis odw rot­ nie — to znaczy od bajtu najm łodszego do najstarszego. P odczas odwoływ ania się do rejestrów IO poprzez kontroler D M A zasada ta musi rów nież zostać zachow ana, w prze­ ciwnym razie zapis lub odczyt z rejestru będą niepraw idłow e. Zacznijm y od prostego przypadku, kiedy chcem y skopiow ać porcję danych do portu IO mikrokontrolera (katalog P r z y k ła d y IX\/A Ai E \ l - l ( ) l ). Możemy użyć na przykład |>ortu E. który w m odule X plained m oże sterow ać podłączonym i d o niego diodam i LED Jeśli nie korzystam y z X plaincd, to diody LED należy połączyć z m ikrokontrolerem tak jak na schem acie 13.7

390

AVR. Praktyczne projekty

• ( w i> 4 S « .t ) 4 » '* |l j ł t« * » i

>»*l

9V>.C>« 8«ł’/£C*»-:.ł.<;«_ł !«*•«[•) « ••*»! M . M M1T
m.
r »

I [ w f » T iM fij t o I

tn

t o ł t T ,f * .

H m r.i;

//;rut*0 •?*tefJMVw>t>

jtt.o # .« » r n < « * .f .! « iK 4 ic .K X « a i i

......... :....... . . ■

| w .C K jin tw .a c ^

"Ib* mt «ł

i,

| »

w . c *j u i i i l

......

W . i i x
.t

W M .lM .M L A M W - W lM lt.lim lltb lC * } i * * ••» M t . f M U ir j£ C « '..( .. ! • • - .« « | U l U t M r » .* j M .( N .M U C C U 4 i

*1

lv.(M t* OlflUtbUl) •» I; W.W W*WWi l v ł . i | tr.- c« (M il; 9 ».U « ^lfe* < rA im

i~

m -

| >v. im »e*w.n

i , - , t • ii.* ..

it* -t .

HZMUSal W t* A n trw n fm

w .llr (» M (f> * n t . ł » » u

[rf

i iii^ ł a i J r M » T s 5 M * « -

.1 to l ra

iHtoiym n

*W *PI *Ul «ot ' HI * W * HI * PI *w *w #WJ1 *P«) »* UJl * a«i

* •

#p«j # a»i

fi U n

-fM* —M—•■f -•Jli —M* -***• >*■<«*>«l .«*.1* 4** —-f*

■ I n * J | *#•>!

R ysunek 1 3 .6 . E fekt kopiow ania ta b licy J illłb l: rejestram i adresow ym i ulegającym i inkrem entacji p o k a zth m transferze

Oczywiście jak zwykle potrzebujemy danych do wysiania, musimy skonfigurować port jako wyjście i odblokować kontroler DMA: uint8_t s r c C I O H l. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10}: PORTE. DIR®0xFF: //Port E będzie wyjściem (tam są podłączone diody) CMA. CTRl • DM*\_EMABLE_bm; //Odblokuj kontroler OMA. ronntł rabin,. bez bouble buffermy,

Ponieważ rejestr OUT portu jest rejestrem 8-bitowym. należy do przesy łania wykorzystać 1-bajtowy tryb bnrst. Gdybyśmy wykorzystali np. tryb 2-bajtowy. za każdym razem nad­ pisywany byłby także rejestr sąsiedni Ponieważ rejestr zajmuje tylko 1 bajt. po przesianiu nie zachodzi konieczność jego inkrementacji, stad też nie ma znaczenia, w jakim mo­ mencie rejestr docelowy będzie uaktualniony (jego wartość jest stała). W elekcie rejestr kontrolny kanału DMA 0 powinien przyjmować w artość jak poniżej: OMA.CHO.ADDRCTRL-[HA_CH SRCRELOAO BŁOCK gc | CMA_CH SRCD1RJNC gc | CMA_CH_DESTD!R_FlXE0_gc 1 DHA_CH_DESTRELOAD_BURST_gc:

+3V3

Rozdział 13. ♦ Kontroler DMA

391

P D O (O C O A /S D A ) P D 1 (O C O B /X C K Q /S C L) P D 2 (O C O C /R X D O ) P D 3 (O C O D /T X C O ) P D 4 (O C 1 A /5 5 ) P 0 S ( 0 C 1 B / X C K 1 /M O S I) P 0 6 (R X C 1 /M IS O ) P D 7 ( T X D 1/ S C K / C L K O / E V O )

P K 0 (A Q /A 8/A 1 6> P K 1 (A 1 /A 9 /A 1 7 ) P K 2 (A 2 /A 1 0 /A 1 8 > P K 3 (A 3 /A 1 1 /A 1 9 ) P K 4 (A 4 /A 1 2 /A 2 0 ) P K 5 ( A 5 / A 13 /A 2 2 ) P K 8 ( A 6 / A 14 /A 2 2 ) P K 7 (A 7 /A 1 5 /A 2 3 )

P E O { O C O A /S D A ) P E 1 (O C O e /X C K C /S C L ) P E 2 (O C O O R X D 3 > P E 3 { O C O C n -X D O ) P E 4 (O C 1 A f5 S ) P E 5 ( O C 1 B / X C K 1 /M O S I) P E 6 { R S C 1 /M IS O /T O S C 2 ) P E 7 (T S D 1 /S C K C L K 0 /E V 0 .T 0 $ C 1 )

50 51 -

P Q O (T O S C 1 > P Q 1 (T O S C 2 ) PQ 2 PQ 3

22.

56 57 58

AVCC-A -21 4 A V C C -B

PCH -D ATA

VCC

_5! 74 64

vcc P D t-C L K /R E 3 E T

v v v v

P R 0 (X T A L2 )

c c c c

c c c c

vcc

P R 1 fX T A L 1 >

54 44

34

-21

Rysunek 13.7. Schemat połączenia diod LED z WIEGA Czas załadować adresy startu i docelowy (adres PORTE.OUT) oraz uruchomić transfer: CMA .CHO .TRFCNT-s i zeof( s r e ) : CMA.CMO.$RCADDRO={uintl6_t)&src & OxFF:

CM.CH0.$RWDDRl-(uintl6_t)*src »8: CMA. CHO. SRCADDR2=0:

//B lo k m a d łu g o ść ta b lic y sre

//ź ró d łe m d a n y c h j e s t ta b lic a sre

Cm.CHO.OESTADORO-(uintl6_t)iPO«TE.OUT & OxFF: CM.CHO.DESTADCRl=(u1ntl6_t)4FO«TE.OUT » 8:

CMA.CHO.DESTADCR2-0: Cm.CHO.CTRLA=CW_CH_EHABLE_bm | DHA_CH_TRFREQ_t
Po uruchomieniu powyższego kodu wydaje się, ze działa on popraw nie — w module Xplained zgodnie z oczekiwaniami wszystkie diody z wyjątkiem LE D I i I.ED3 świecą, co odpowiada binarnej reprezentacji liczby 10 — ostatniej wartości z tablicy sre. Jest tylko jeden mały problem — kontroler DMA chce wykonać swoją pracę jak najszybciej (w końcu w tym celu został stworzony), w efekcie wszystkie stany zawarte w tablicy sre są bardzo szybko wysyłane na port E i obserwujemy w yłącznic stan ostatni. Takie działanie niekoniecznie jest tym. czego oczekujemy. Dobrze by było mieć jakąś kon­ trolę nad tempem wysyłania danych, lak aby nie wszystkie były wysyłane jednocześnie, ale by pomiędzy kolejnymi przesyłaniami był jakiś odstęp czasowy. Tu z pomocą przychodzi nam bit S i n g l e rejestru CTRLA kanału DMA (stała D M A _ C H _ S IM G L E _ b ra ) Jego ustawienie zmienia sposób wyzwalania kanału DMA Od tego momentu wyzwolenie kanału nie będzie powodować jak najszybszego zakończenia całej transakcji, lecz za­ kończenie tylko jednego transferu w trybie burst (dla naszej konfiguracji będzie to transfer 1 bajtu). W trybie burst 2-. 4- lub 8-bąjtowym wyzwolenie kanału spowoduje transfer odpowiednio 2. 4 lub 8 bajtów' danych Zobaczmy, jak to działa, na kolejnym

Rozdział 13. ♦ Kontroler DMA

393

Tabela 13.1. Wybrane yryzwałacze używane do inic/ahzacji transferu DSL\ Moduł

Wyzwalacz

Funkcja

Timcr

DMA_CH_TRIGSRC_TCCO_OVF_gc

Zdarzenie nadmiaru timera CO

DMA_CH_TRIGSRC_TCCO_CCA_gc

Zdarzenie compare lubcaptuic timera CO

DMA_CH_TRIGSRC_USARTC0_RXC_gc

Zdarzenie odebrania baj tu danych

DMA_CH_TRIGSRC_USARTCO_DRE_gc

Rejestr nadajnika pusty

SPI

DMA_CH_TRIGSRC_SPIF_gc

Zakończenie transmisji SPI

ADC

DMA_CH_TRIGSRC_ADCA_CH0_gc

Gotowe dane z układu ADC

System zdarzeń

DMA_CH_TRIGSRC_EVSYS_CHO_gc

Oczekujące zdarzenie w kanale 0 podsystemu zdarzeń

USART

WsUzowU

Dokładna lista obsługiwanych zdarzeń zalezy od procesora, po w pisaniu w Atm el Studio 6 lub wyższym przedrostka nazwy zdarzenia (DMA_CH_TRIGSRC_) uzyskam y podpowiedz z wyświetloną listą obsługiwanych zdarzeń, z której możemy wybrać zda­ rzenie na s Interesujące.

W ykorzystując wyzwą bicze, można zrobić to. czego nic udało się zrobić wcześniej — sterować szybkością przepływu danych przez kanał DMA W tym celu wykorzystamy kolejny bardzo przydatny podsy stem procesora — układ tunera Jak pokazano w roz­ dziale 12.. timery mogą służyć m in do odmierzania odcinków czasu Pozostaje tylko połączyć układ tunera z DMA Pozornie wystarczy jako w yzw alacz kanału DMA ustawić moduł t imera, a konkretnie wyzwalacz związany z w ystąpieniem nadmiaru, czyli sy tuacji, gdy licznik tunera ulega przepełnieniu i rozpoczyna ponowne zliczanie od 0. Takim wyzwalaczem może być DMA_CH_TRIGSRC_TCCO_OVF_gc. Problem w tym. zc zdarzenie to jest sygnalizowane tak długo, dopóki związany z nim bit rejestru kon­ trolnego timera m c zostanie wyzerowany. M oże on zostać wyzerowany programowo lub automatycznie w chwili wejścia do funkcji obsługi przerw ania nadmiaru timera. Niestety układ DMA nie potrafi automatycznie kasować lej flagi, w efekcie po zajściu takiego zdarzenia kolejne transfery nastąpią natychmiast, jedy ne, co uzyskamy, to opó/.nicnie pierwszego transferu. Oczywiście można ominąć ty niedogodność, pisząc pustą funkcję obsług przerwania i odblokowując przerwania timera. Niemniej w takiej sytu­ acji procesor niej>otrzebnie traci czas na obsługę przerwania, które zasadniczo nic nie robi. Stąd tego typu wyzwalacz stosuje się praktycznie wyłącznie wtedy, gdy z jakichś przy czy n i tak planujemy wykorzystać przerwania timera. W przeciwnym przypadku mamy do dyspozycji inne rozwiązanie — wykorzystanie systemu zdaizeń Jak pokazano w tabeli 13.1, DMA może być wyzwalany przez zdarzenie powiązane z jednym z kana­ łów podsystemu zdarzeń (ang. Event system).

W skazówka

Pam iętaj, że tylko kanały 0 - 2 podsystem u zdarzeń m ogą wyzwalać DMA. Kanały 3 - 7 nie m ają takiej m ożliw ości.

Powiązanie DMA z kanałem 0 systemu zdarzeń uzyskamy poprzez wykonanie poniższej instrukcji:

Cm.CHO.TRIGSRC-C«A_CH_TRIGSRC_EVSYS_CHO_gc: //Kanał CHO wyzwohDMA

394

AVR. Praktyczne projekty

Musimy jeszcze skonfigurować typ transferu Cm.CHO.CTRLA=Cm_CH_EMABLE_bin | DMA CH BURSTLENJBYTE g c | CMA CH SINGLE bm | CM _CH_REPEAT_bm:~

W ykorzystamy transfer burst o długości 1 bajta (rejestr OUT portu jest 1-bajtowy), zda­ rzenie wyzwoli pojedynczy' transfer, dodatkowo pojaw iła się Haga DMA_CH_REPEAT ben Oznacza ona. Ze transfer będzie powtarzany ilość razy określoną rejestrem REPCNT, jeśli zawiera on 0. to transfer będzie powtarzany w nieskończoność. Jest to dla nas interesu­ jąca opcja — dzięki temu po wysianiu ostatniej próbki z tablicy sre w kolejnym przesia­ niu będzie wysiana próbka nr 0 itd. Do tej pory powiązaliśmy kanał 0 DMA z kanałem 0 systemu zdarzeń, pozostaje jeszcze skonfigurować tuner i powiązać zdarzenie ovetflow z kanałem 0 systemu zdarzeń, dzięki czemu będziemy mogli w yzwolić transfer DMA Zacznijmy od t imera: TCCO.PER=F_CPU /1024: //Okres i sekunda TCCO. CTRLA-TC_CLKSEl_D IVI024_gc: //Prcskalcr I

Timor CO będzie taktowany sygnałem zegarowym wstępnie dzielonym przez 1024 za pomocą preskalcra timera. Za pomocą rejestru PER ograniczono maksym alną wartość, do której zlicza timer, dzięki czemu co około 1 sekundę nastąpi jego przepełnienie ge­ nerujące zdarzenie overfło\v. Pozostaje jeszcze tylko skonfigurować system zdarzeń: EVSYS_CHCMUX-EVSYS_CHWJ X_TCCO _O VF_gc:

W tym momencie kanał CHO został powiązany z timerem CO. W efekcie uzyskamy ciąg zdarzeń pokazany na rysunku 13 8. prowadzący do wyzwolenia kanału 0 DMA. co spo­ woduje przesianie co 1 sekundę nowego bajtu danych do rejestru PORTE. OUT. Kompletny kod przykładu znajduje się w katalogu Przykłady D M A M E W -103. Po uruchomieniu programu powinniśmy zobaczyć kolejno zapalające się diody LEDO - LED7. Zmieniając w artość rejestru PER. możemy zmieniać szybkość, z jaką się zapalają. R y s u n e k 1 3 .8 .

Sposób wyzwalania transferu DMA Po wyzerowaniu C XT timer generuje zdarzenie przekazywane przez system zdarzeń do kanału 0 DMA. co inicjuje kolejny transfer typu burst

T a b lica

T ra n sfe r D M A

Rozdział 13. ♦ Kontroler DMA

395

P ra c a bu fo row a Do lej pory pokazano, w jaki sposób wy korzy siać pojedyncze kanały do przeprowa­ dzenia różnych typów transmisji Dodatkową możliwością jest konfiguracja kanałów DMA do pracy w trybie izw. podwójnego buforowania (ang. Double buffering). W trybie tym dwa kanały DMA (kanał 0 i I lub 2 i 3) łączone są w jeden, umożliwiając)’ naprze­ mienną transmisję z lub do dwóch buforów danych. Tryb ten wykorzystuje się w sytuacji, gdy dane przychodzą lub są wysyłane pakietami W czasie, kiedy aplikacja analizuje odebrane dane, drugi kanał danych zajmuje się odbiorem kolejnej ich porcji do od­ dzielnego bufora. Po zakończeniu odbioru porcji danych kontroler DMA automatycznie przełącza się na drugi kanał. W len sposób można uzyskać wyższą przepustowość prze­ syłu danych oraz zmniejszyć obciążenie CPU zw iązane z koniecznością przełączania buforów Tryb podwójnego buforowania włącza się niezależnie dla kanałów 0 i 1 oraz 2 i 3 poprzez konfigurację rejestru kontrolnego sterownika DMA (DMA.CTRL). Pracę taką dla kanałów 0 i 1 ustawia się. wpisując stalą DMA_DBUFMODE_CH01_gc. dla kanałów 2 i 3 wpisuje się stalą DW_DBUFM0DE_CH23_gc. a tryb ten można odblokować dla wszystkich kanałów stałą DMA_DBUFM0DE_CH01CH23_gc. Prześledźmy ten tryb na prostym przykładzie znajdującym się w katalogu Przykłady/ D \ IA DblBuffer Nasz przykład będzie wysyłał naprzemiennie do rejestru DATA portu USARTCO zawartość dwóch buforów z pamięci SRAM Bufory te zrealizujemy jako tablice zawierające dane do wysłania Zakończenie wysyłania zaw artości jednego z buforów spowoduje przełącze­ nie DMA na kolejny kanał i przesłanie zawartości drugiego bufora. Po tej operacji na­ stąpi ponowne przełączenie kanałów- i lak w nieskończoność. Na razie pominiemy zaw artą w przykładzie konfigurację interfejsu SPI — o mej dowiesz się więcej nieco później. Zajmijmy się konfiguracją DMA W trybie podw ójnego buforowania przede wszystkim potrzebujemy dwóch buforów- z których lub do których transmitowane będą dane. w naszym przykładzie są to dw ic tablice: uint8_t Bufor[10]: //Miejsce na pierwszy-bufor ul flt8_t Rzędy[8]: //Miejsce nu dnigi bufor Teraz musimy skonfigurować kanały DMA Kanał 0 będzie transmitował dane z ta­ blicy Bufor CM.CHO .SRCAD0R0-(uintl6_t.)Bufor & Oxff: CM.CH0.SRCADDRl-((umtl6_t)Bufor » 8) & Oxff: CM.CHO.SRCADDR2-0: CM. CHO. DESTADDft(>=((u 1nt16_t)iUSARTCO DATA} 8 Oxff: Cm.CHO.DESTADCRl-((uintl6lt)SUSARTCOlOATA » 8) & Oxff: CM.CHO.DESTADCft2=0: CMA.CHO.ADDRC7RL-DMA CH SRCRELOAD BŁOCK gc | CM CH SRCD1R INC gc | CM_CH_DESTRELOAD_BURST_gc | CM_ĆH_DESTD1R_F IXED_gc: CM. CHO. TRIGSRO^CMCHJTRlGSRC_USARTCO_DRE_gc: Pusty bufor USART wyzwała zdarzenie CM. CHO. REPCNT-0: //Nieskończona liczba transferów CM .CHO.TRFCHT-si zeof(Bufor): //Trantfcrujemyjako blok wiersz bufora CM. CHO. CTRlA-CM_CH_ENABLE_bm | DMA_CH_S1NGlEJxn | CM_CH_REPEAT_bm | CM_CH_BURSTLEM_lBYTE_gc:

396

AVR. Praktyczne projekty

Jak w idzim y, konfiguracja kanału w ygląda podobnie jak w poprzednich przykładach — załadowaliśmy adres źródła danych (tablica Bufor), jej długość, a także adres prze­ znaczenia (USARTCO DATA — U SA R T, gdyż przykład ten w ykorzystuje port U SA RT w trybie SPI). R ejestr REPCNT zaw iera 0. co w połączeniu z odblokow aniem flagi DflA CH REPEAT bm spow oduje, Ze dane będą transm itow ane w nieskończoność — tu, o czym będzie za chwilę, występuje subtelna różnica w sposobie działania kanału. Nasz kanał jest odblokowany, dzięki czem u po odblokow aniu kontrolera DMA od niego rozpocznie się transfer Teraz pora na konfigurację kanału drugiego: Cm.CHl .$RCADDR0=(uintl6 tJRzedy 4 Oxff: Cm.CHl .SRCADDRl-t(uintl6_t)Rzedy » 3) 4 0xff: CMA.CHI.SRCADDR2=0: OMA .CHI.OESTAODRO*( ( u i nt16_t J40SARTCO DATA) 4 D x ff:

CMA.CH1.DESTADCR1=((utntl6_t)4US^RTC0_DATA » B) 4 Oxff: CMA.CHI.OESTAD0R2-0: CMA.CHI .AODRCTP.L-DHA_CH SRCRElOAD_BlOCK_gc | CMA_CH SRCD1RJNC gc | CMA CM DESTRELOAD BURST gc | Cm CH DESTD1R FIXED_gc: Cm .CHT.tr !GSROCm_CH_TRIGSRC_USARTCQ_DRE_gc: ./pusty bufor USART wyzwala darzenie Cm .CHI. REPCNT=0: //Nieskotkzona liczba transferów Cm.CHI .TRFCNT-sizeof(Rzedy): //Transferujemy'jakobłok wiersz bufora Cm .CHI. CTRLA=Cm_CH_S INGLE_bm | DMA_CH_REPEAT_txn | CMA_CH_BURSTLEM_1BYTEjjc: Konfiguracja tego kanału wygląda jak poprzednia, z tym Ze zmieniliśmy adres źródłowy na adres drugiego bufora (R zędy), ponownie REPCNT jest rów ny 0. co przy włączonym trybie autopowtarzania daje nam nieskończony transfer Drugi kanał nie został jednak odblokowany, w elekcie transfer wr nim zostanie wyzwolony dopiero w chwili zakończe­ nia transferu w kanale CHO Tu jednak pow staje problem — skoro transfer w kanale CHO trwa w nieskończoność, to kanał CHI nigdy nie zostanie wyzwolony. Nic bardziej błędne­ go W trybie podw ójnego buforowania przełączenie kanałów następuje w chw ili za­ kończenia transferu bloku, a nie zakończenia transakcji. W efekcie po przesłaniu bloku o długości równej długości tablicy Bufor nastąpi przełączenie na kanał CHI i transfer zaw artości tablicy Rzędy. Po jego zakończeniu ponow nie nastąpi przełączenie na transfer w kanale CHO i lak w nieskończoność. Gdyby rejestry REPCNT zawierały w artość inną niż 0. przetransmitowana zostałaby określona liczba bajtów', po czym działanie DMA uległoby zakończeniu. Aby prześledzić działanie tego przykładu, musimy jeszcze skonfigurow ać sam kontroler DMA: Cm. CTRL=DMA_ENA8LE_brr | DMA_CeUFM0DE_CH01_gc: //Tryb double buffer dla kanałów 0 1 I Po odblokow amu kontrolera warto prześledzić w symulatorze działanie pokazanego kodu

P rio ry te ty kan ałó w D M A Jeśli dwa lub więcej kanałów DMA Zada dostępu do tej sam ej magistrali, następuje konflikt Konflikt len wygrywa jeden z kanałów DMA. u tym czasie pozostałe oczekują na przydział dostępu do magistrali. Rejestr kontrolny D M A (DMA.CTRL) umożliwia określenie dw óch sposobów' rozstrzygania takich konfliktów — możemy w ykorzystać

Rozdział 13. ♦ Kontroler DMA

397

metodę round robin lub ustalić sztyw ne priorytety. D om yślnym ustawieniem jest tryb rontu/ robin. w którym kanał po zakończeniu transmisji uzyskuje najniższy priorytet, dzięki czemu wszystkie kanały DMA uzyskują równy dostęp d o magistrali. Jeśli trans­ misje w niektórych kanałach powinny mieć wyższy' priorytet, to należy wykorzystać tryb ze sztywnymi priory tetami lub tryb mieszany. W trybie ze sztywnymi priorytetami priorytet kanału zależy od jego numeru. Najwyższy priorytet m a kanał 0. potem 1 .2 i 3. Tryb ten w ybiera się poprzez w pisanie stałej DMA_PRIM0DE_CH0123_gc. Najbardziej uniwersalny jest tryb mieszany. W tym trybie kanał 0 (stała DMA_PRIM0DE_CH0RR123_gc) lub kanały 0 i 1 (stała DMA_PRIM0DE_CH01RR23_gc) m ają najw yższe priorytety, a pozostałe kanały (1 .2 i 3 lub 2 i 3) pracują w trybie round robin.

W U uiów b

W sytuacji kiedy do danej m agistrali je d n o cze śn ie próbuje u zy sk a ć d o s tę p D M A i C P U , za w sze w yższy prio rytet m a C P U .

P rze rw a n ia D M A Każdy kanał DMA moż.e generować dwa rodzaje przerwań — jed n o jest związane z za­ kończeniem transakcji, drugie z wystąpieniem błędu Co ważne, oba przerwania w spół­ dzielą len sam wektor, więc w sytuacji, w której możliwe jest w ystąpienie obu. funkcja obsługi przerw ania musi sprawdzić, która z pow yższych sytuacji zaszła

Błąd transm isji DMA Błąd transmisji DMA może zajść w jednym z trzech przypadków : ♦ próby zapisu do pamięci EEPRO M : ♦ próby odczytu pamięci EEPROM , kiedy procesor je st uśpiony; ♦ zablokow ania kontrolera D M A lub kanału DMA w chw ili aktywnego transferu danych

Wskazówki

P a m ię ta j, że za p o m o c ą D M A m o żn a odczytyw ać zm a p o w a n ą w p rze strze ń a d re so w ą p a m ię ć E E P R O M , le cz n ie m o żn a do niej d o k o n y w a ć z a p is ó w . W s z e lk ie z a p is y d o E E P R O M m u s z ą o d b yw a ć s ię p o p rzez k o n tro le r N V M .

Przerwanie związane z błędem transmisji można odblokować, wpisując pożądany poziom generowanego przerwania do rejestru DMA.CHn.CTRLB — wybrany poziom określa jedna ze stałych DM_CH_ERRIIłTlVL_LO_gc. DM_CH_ERRIHTLVL_MED_gc. DMA_CH_ERRIMTLVL_HI_gc lub DMA_CH_ERRlNTLVL_OFF_gc. Z przerwaniem tym zw iązana jest Haga ERRIF w tym samym rejestrze. Flaga ta nie jest kasowana automatycznie po wejściu do funkcji obsługi przerwania, dzięki czemu można sprawdzić, c o jc wywołało: lSR
398

AVR. Praktyczne projekty

if(DMA.CHO.CTRLB & DKA_CH_ERRIF_bn) { //Przesianie spowodowane błędem DMA OMA.CHO. CTRLB|-DHA_CH_ERRIF_bm: //Skasuj/Jagę //Ciąg dalszy obsługi zdarzenia } } Po wywołaniu przerwania Hagę ERRIF należy skasować programowo, lak jak lo pokazano na powyższym przy kładzie.

Przerwanie końca transakcji Z każdym kanałem DMA związane jest także przerwanie końca transakcji DMA W przy­ padku odblokowania możliwości powtarzania bloków jest ono generowane po każdym zakończeniu transakcji DMA, w przeciwnym przypadku jest o n o generowane po każ­ dym bloku (co w sumie związane jest także z zakończeniem transakcji). Wyjątkiem jest sytuacja, gdy w trybie powtarzania bloków rejestr REPCHT zaw iera 0 — odpowiada lo ciągłemu retransmitowaniu bloków danych. W tym trybie przerw anie końca trans­ akcji jest generowane każdorazowo po zakończeniu transmisji bloku danych. Prze­ rwanie lo odblokowuje się w rejestrze CTRLB poprzez w ybranie pożądanego poziomu przerwania (jedna ze stałych DMA_CH_TRNINTLVL_L0_gc. OMA_CH_TRIIINTLVL_MEO_gc. DMA_CH_TRMINTLVL_HI _gc, DHA_CH_TRMIHTLVL_OFF_gc). Jeśli jednocześnie odblokowane jest przerwanie błędu DMA. w funkcji obsługi przerwania DMA danego kanału musimy sprawdzić źródło przerwania: ISR(DHA CHO vect) < 1f(OKA.CHO.CTRLB i CM_CH_TRNlF_bn) {/'Przerwanie końca transakcji OKA. CHO.CTRLB| =0KA_CH_TRNIFJ>n: Skasuj JJagę /Ciąg dalsz\- obsługi ) ) Flaga ta. podobnie jak Haga EERIF. musi być programow o skasowana, nawet jeśli przerwanie końca transakcji jest jedynym przerwaniem generowanym przez DMA W kolejnych rozdziałach pokazane zostaną liczne przykłady wykorzystania DMA, w tym przykłady wykorzystujące zaawansow ane tryhy pracy tego kontrolera.

Rozdział 14.

LED-y — co z nich można wycisnąć? LED-y. popularnie nazywane diodami świecącymi, niezmiennie cieszą się duZą popular­ nością Jest to element elektroniczny, od którego przygodę rozpoczynała chyba większość osób zajmujących się elektroniką LED-y niezmiennie cieszą się dużą popularnością piko element umożliwiający łatwe uwidocznienie działania programu. W tym rozdziale wyjaśniam, jak sterować LED-atni w nieco hardziej zaawansowanych zastosowaniach, przy maksymalnym wykorzystaniu możliwości sprzętowych, jakie dają mikrokontro­ lery XMEGA. Zaczniemy od sterowania prostymi taśmami LED i realizacji w oparciu o nic ciekawych efektów wizualnych, a skończymy na całkiem zaawansowanym ste­ rowaniu matrycami LED-owymi. które są powszechnie wykorzystywane do tworzenia bauerów reklamowych Jednak celem tego rozdziału jest przede wszystkim pokazanie jeszcze raz, jak korzystać z podstawowego układu peryferyjnego, jakim jest timer, oraz jak łączyć charakterystyczne dla XMEGA podsystemy (tunery. DMA. system zdarzeń), lak aby maksymalnie odciążyć procesor

Taśm y LED-owe Ostatnio coraz większą popularnością cieszą się tzw. taśmy LED. powstające w wyniku równoległego połączenia od kilkudziesięciu do kilku tysięcy LED-ów na elastycznym podłożu Ponieważ diody w takiej taśmie połączone są równolegle i wyprowadzone jest tylko wspólne zasilanie, mc ma możliwości sterowania indywidualnymi diodami, chyba żc rozetniemy taśmę i wyprowadzimy poszczególne elektrody. Nic ma wielkie­ go sensu tego robić dla każdej indywidualnej diody, lecz można pociąć taśmę na krótsze odcinki i sterować nimi indywidualnie

Wskazówka

Alternatyw ą je s t z a k u p w ielo kro tn ie d ro ższej ta śm y z w budow anym i stero w n ik am i d io d , u m ożliw iającym i ich indyw idualne program ow anie.

400

AVR. Praktyczne projekty

Taśma L liD składa się z powtarzających się odcinków o budow ie takiej jak na ry sun­ ku 14.1. Rysunek 1 4 .1 . B udow a łaśm y LED . Zwykle »r ram ach sekcji znajduje się kilka połączonych szeregow o d io d — na pokazanym schem acie są to trzy grupy odpow iadające kolorom po d sta w o w ym (czerw ony — L E D / - L E D 3. zie lo n y — IJZD 4 U iD 6 t niebieski L E D 7 -L E D 9 ). K ażda grupa m a s w ó j w łasny rezystor ograniczający prąd, w ięc taśm ę m ożem y podłączyć bezpośrednio do zasilacza

CM

CC

n tf> co

R

B

Taśmy m ogą występować w różnych wersjach — m ogą być m onochrom atyczne, kiedy wszy stkie diody mają taki sam kolor, lub RGB. kiedy stosowane są trzy rodzaje diod. W efekcie poprzez zmianę intensywności ich świecenia możemy uzyskać pełną gamę barw W zależności od liczby kolorów (monochromatyczne, RGB) taśmy m ają dwa lub cztery wyprowadzenia. Zazwyczaj w przypadku taśm RGB diody posiadają wspólne anody. Istnieją tak/.c taśmy J.F.D z wbudowanymi sterownikami umożliwiającymi indywidualną regulację jasności poszczególnych diod uchodzących w skład taśmy. Daje to ciekawe możliwości tworzenia efektów wizualnych i animacji. Zw ykle w tego typu taśmach stosuje się sterowniki W S28U lub U L I606. Układy te sterowane są poprzez interfejs SPI lub inny interfejs szeregowy, lecz ich w adą jest wielokrotnie wyższa u stosunku do zwykłych taśm cena. Taśmę I.RD zasila się typowo napięciem 12 V (chociaż istnieją także taśmy dostosow a­ ne do zasilania 24 V). Co prawda diody należy zasilać prądowo, ale diody na taśmie posiadają rezystory ograniczające prąd. w związku z tym podłączenie ich do napięcia nominalnego dla taśmy jest bezpieczne Ponieważ taśmy zasilane są napięciem 12 V. a indywidualne diody mają napięcia przewodzenia w zakresie 1 . 5 - 4 V. aby zmniejszyć straty, diody w ramach jednej sekcji łączone są szeregowo, w efekcie ich napięcie prze­ wodzenia sumuje się. eo powoduje mniejsze straty na rezystorze szeregowym (wytra­ camy na nim mniejsze napięcie)

WsUrówta

M a to je d n a k is to tn ą k o n se k w e n cję — w praktyce ta ś m a L E D ca łk o w icie prze staje św ie c ić przy z a s ila n iu tu ż poniżej z a s ila n ia n o m in aln e g o . S tą d te ż ta k ą ta ś m ą po­ w inniśm y sterow ać za pom ocą przebiegu PW M . nigdy sto su ją c szeregow y elem ent, na którym o d k ła d a s ię c z ę ś ć n a p ię cia .

Rozdział 14. ♦ LED-y — co z nich można wycisnąć?

401

Sterowanie za pom ocą przebiegu PWM ma jeszcze jedną zaletę — generuje mniejsze straty mocy na elemencie kluczującym. Stosując taśmy, zazwyczaj wykorzystujemy odcinki o długości od kilku do kilkunastu metrów. Biorąc pod uwagę, że obecnie pro­ dukowane taśmy m ogą zużywać 7 - 1 5 W na inetr. powoduje to konieczność przełą­ czania mocy rzędu dziesiątek, a nawet setek watów Stąd szczególnie dobrze powin­ niśmy dobrać klucz przełączający diody. Z oczywistych przyczyn w roli takiego klucza nic powinno stosować się tranzystorów bipolarnych Tranzystory bipolarne mocy mają napięcie nasy cenia złącza cmiler-koleklor rzędu 1 . 5 - 3 V. Przy koniecz­ ności przełączania prądu rzędu tylko 1 A (co odpowiada sterowaniu taśmą o długości 1 - 2 m etrów) na złączu będzie wydzielać się 1 - 3 W strat! Co prawda przy współ­ czynniku wypełnienia <100% wydzielana moc będzie niższa, ale i tak element będzie się mocno grzał Dnigi powód wynika z charakteru sterowania taśmą Jak pamiętamy, wymaga ona dla uzyskania pełnej jasności zasilania napięciem nominalnym (np. 12 V). a skoro na złączu tranzystora dochodzi do spadku napięcia, zamiast 12 V na taśmę trafi napięcie 9 - 11 V. co z pewnością zredukuje maksymalną jasność, a może nawet uniemożliwić zaświecenie się taśmy. Jakie więc tranzystory stosować? Rozwiązaniem z wyboru jest zastosowanie tranzystorów MOSFET Ponieważ taśmy wielobarwne posiadają wspólną anodę, wygodnie jest zastosować tranzystory M OSFET z kanałem A' połączone z mikrokontrolerem tak jak na rysunku 14.2.

-A1TÓPP

X1-1

PFO(OCOA/SDA1 PF1 (CCOB/XCK(VSCL> P F 2 (O C 0 C /R X DO) PF3(OCCO/TXDOł P F 4 (O C lA JS 5 ) PF5(O C 1B/XCK 1/M O Sf) P F fr;R X D l/M lS O ł PF7(TXD 1/SCK)

PH0(WF)

_5Ł

PH 1(CA5/R r> PH2
_57 _50

PH4{3A(yC5a'A16> PH5t3A1*"C5T/A17) 3)

PH0(CKE*T5?/A161

PH7

X1-2

C zerw ony (R)

X1-3

Zielony (G)

X1-1

Niebieski (B)

GND Q3 IRLZ44N

55

SC 61 52

GND

R y s u n e k 1 4 .2 . P odłączenie taśm y L E D R G B d o m ikrokontrolera /EG A Tranzystory O l - 0 3 to tzw tranzystory M O SF E T z kanałem logicznym (L ogic-lew i M OSFET). Rezystory R l - R S należy dobrać lak. aby nie przekroczyć dopuszczalnego prądu pinu IO IVpraktyce ich wartość mieści się ir granicach 50 150 f l

Nalcż>‘ zw rócić szczególną uw agę na parametry wybieranego tranzystora: ♦ Ciągły prąd drenu (ID — Continuotłs D ram Current) — m usi on być większy niż maksymalny prąd pobierany przez taśmę Przy czym dobrze, jeśli jest on 2-. 3-krotnie większy. P am iętaj, aby w y b ran y elem ent nigdy nie pracow ał przy w artościach granicznych dla niego.

402

AVR. Praktyczne projekty

♦ Napięcie progowe bramki (]'GS(TH) — Gale ThreshoUl l b/fage) — im nizszc. tym lepiej, przy czym napięcie to dla m ikrokontrolera zasilanego napięciem 3.3 V nie pow inno być w yższe niż 1 - 2 V. Zbyt wysokie napięcie progowe uniemożliwi pełne w łączenie tranzystora i zacznie on pracować jako regulowany rezystor, co nie jest korzystne ze względu na straty mocy. ♦ Ładunek bramki lub pojem ność bramki (Gafę charge lub Gale capacifance) — un parametr ten jest niższy, tym lepiej Najlepiej jeśli będzie on poniżej 1 n l\ we współczesnych tranzystorach często osiąga on w artości poniżej 500 pF. Jest to ważny param etr ze względu na możliwość bezpośredniego sterowania z mikrokontrolera. ♦ O pór kanału w stanie w łączenia (R D Son) — to jed en z najistotniejszych param etrów tranzystora. Jest to rezystancja pomiędzy źródłem i drenem w stanie pełnego w łączenia tranzystora. Dla w spółczesnych M OSFET-ów jest on poniżej OJ Q, a dla dobrych tranzystorów poniżej 0.02 Q. Parametr ten bezpośrednio decyduje o stratach na tranzy storze Porównajmy straty dla tranzystora M OSFET z tranzystorem bipolarnym. Jeśli RD Son tranzystora M OSFET wynosi 0.022 LI (takimi parametrami cechuje się proponowany tranzystor IRLZ44N), to przy prądzie drenu 1 A straty statyczne w yniosą P = l 2R, czyli 0.022 W. a więc będą ponad 50 - 100 razy m niejsze niZ w przy padku tranzysto­ ra bipolarnego Jednak nic do końca lak pięknie to wygląda. R D Son jest podawany dla pełnego otwarcia tranzystora, co wymaga napięcia bram ka-źródlo rzędu kilkunastu woltów. Mikrokontroler zasilony napięciem 3,3 V nie jest w stanie tak podnieść napięcia bramki, w elekcie tranzystor otworzy się tylko częściowo i R D S będzie wyższy niż podany w nocie katalogowej. Stąd tez niezwykle w ażne jest. aby dobierać tranzystory lak. aby ich napięcie progowe bramki było m ożliw ie najniższe. W praktyce należy wybierać tranzystory z. tzw. kanałem logicznym (ang. logic-lew ł MOSFET, LL-MOSFET. L2-M OSFET). Tranzystory tc cechują się niskim napięciem progowym i m ogą być sterowane bezpośrednio z wyjścia mikrokontrolera W przypadku tranzystorów MOSFET jest jeszcze jeden problem — jest nim pojem ność bramki. T ypow o wynosi ona od kilkuset pF do około 1.5 nF Należy pamiętać, że tę pojem ność podczas przełączania musi przeładować bufor wyjściowy mikrokontrolera. Jakiego to wymaga prądu ? To zale­ ży od czasu przełączania i pojemności (ładunku bram ki) W ogólnym przypadku prąd len wynosi: .

jq

. . ,

r dv di

/ = — lub I = C — di

Dla ładunku bram ki 63 nC i w ym aganego czasu przełączenia np. 1 ps m usi popłynąć prąd 63 mA. Gdybyśmy jednak chcieli skrócić czas przełączania, to wymagany prąd znacznie by wzrósł, z łatw ością osiągając wartość rzędu kilku amperów M ikrokon­ troler nic może oczywiście takiego prądu dostarczyć. Tak napraw dę nawet owe 63 mA to dla mikrokontrolera zbyt dużo Dla X M E G A 128A 1 maksymalny prąd pinu nic może przekroczyć 20 mA Co więc zrobić? Musimy dodać dodatkowy bufor sterujący bramką tranzystora lub ograniczyć ten prąd, licząc się z wydłużeniem czasu przełączania tran­ zystora (a więc wzrostem strat). Stad tez warto szeregowo do bramki dodać mały rezystor rzędu 40 - 100 O. którego zadaniem będzie ograniczanie prądu bramki i zabezpieczenie pinu IO mikrokontrolera.

404

AVR. Praktyczne projekty

W róćmy do kolorów Jeśli dysponujemy diodą em itującą św iatło monochromatyczne o długości fali zbliżonej do maksimum czułości danego typu czopków, lo włączając ją. wywołamy wrażenie odpowiedniej barwy podstawowej (czerwonej, zielonej lub niebie­ skiej) Regulując intensywność świecenia, zobaczymy. Ze barw a zmienia sw oją inten­ sywność od zera (brak świecenia, czerń) do pewnej wartości maksymalnej w ywołują­ cej maksym alne wrażenie czystego koloru Jeśli zastosujem y dw ie diody, emitujące np. barwę czerw oną i zieloną, to zmieniając ich intensywność, będziemy mogli uzy­ skać w szystkie barwy powstające ze zm ieszania tych barw podstawowych. Dodanie trzeciej diody, emitującej światło niebieskie, umożliwi nam uzyskanie wszystkich barw, jakie może rozróżnić nasze oko. W efekcie każdą barwę możemy rozłożyć na trzy skła­ dowe: R. G i B. Składowe tc wyrażają intensywność danej barwy podstawowej. Dla barwy czerwonej składow e G i B są rów ne zero. dla barwy zielonej składow e R i B są równe zero itd Podobnie jest dla barw powstałych ze zm ieszania barw podstawo­ wych. np. dla barwy żółtej składowe R i G są sobie równe, a składowa B jest równa zero. Przy zastosowaniu takiego zapisu św iatło białe będzie cechow ało się identyczną intensywnością poszczególnych składowych, czyli dla światła białego R = G = B. Zmie­ niając intensywność, uzyskamy różne stopnie szarości, przy czym dla R = G = B = 0 uzyskamy czerń, a dla R = G = B = wartość maksymalna uzyskam y światło białe. Co więcej, jeśli składniki RGB danej barwy podzielimy przez stalą, to uzyskamy identycz­ ną barwę, lecz o mniejszej intensywności, podobnie jeśli składow e pomnożymy przez stałą, lo uzyskamy taką samą barwę, lecz o w iększej intensywności.

Wskazówka

P rzestrzeń barw R G B d efiniu je kolory w s p o s ó b addycyjny, c o szcze g ó ln ie nadaje s ię do o p is u e le m e n tó w e m itu ją cy ch św ia tło . W c e lu o p is u e le m e n tó w o db ijających św ia tło s to s u je s ię su b tra kcy jn ą s k a lę barw (CM YK ).

Ludzkie oko potrafi rozróżnić mniej niż. 256 odcieni koloni podstawowego, czyli roz­ dzielczość. z jaką postrzegamy kolory, to mniej niż. 8 bitów na kolor podstawowy. Łącznie daje nam to mniej niż 24 bity. w efekcie jesteśm y w stanic rozróżnić nieco mniej niż 10 milionów kolorów. Niceo inaczej wygląda sytuacja, jeśli chodzi o odcienie szarości. Tu jest zdecydowanie lepiej i przeciętny człowiek jest w stanie odróżnić ponad 1(K)() poziomów szarości, czyli ponad 10-bitów.

Program sterujący Program sterujący' taśm ą I.F.D jest dosyć prosty. Do sterow ania intensy w nością świe­ cenia diod wykorzystamy przebieg o zmiennym współczynniku wypełnienia Przy od­ powiednio duż.ej częstotliwości (w praktyce ponad 300 Hz) oko mc zauważy migania, a intensywność będzie zależała od w spółczynnika w ypełnienia przebiegu PWM. Paki sposób sterowania jest optymalny, gdyż: ♦ jest prosty — m ikrokontroler posiada timery um ożliw iające sprzętowe generowanie takiego przebiegu, ♦ jest efektywny — klucz sterujący diodami pracuje tylko w dwóch stanach — włączenia lub wyłączenia, w efekcie straty energii są minimalne.

AVR. Praktyczne projekty

406

W przykładowym programie dodana została jeszcze możliwość regulacji intensy wności poszczególnych kolorów za pom ocą przycisków SWO - S il’5 modułu Xplained XMI> GA128AI. W katalogu Przykłady"LED iasm aLED efekty znajduje się drugi przykład, w którym diody św iecą losowo wybranym, zm ieniającym się kolorem W rozdziale 19. „W ykorzystanie podczerwieni do transmisji danych” pokazane zostały programy um ożliwiające odczyt kodów nadawanych przez piloty TV. Możemy spró­ bować wykorzystać praktycznie taką możliwość do sterowania taśmą LED W naszym przykładzie wykorzystamy pilota nadającego w kodzie RC5, lecz bez problemów moż­ na w ykorzystać dow olnego pilota TV. zm ieniając w ykorzystany program dekodujący. Kod pokazanego przykładu znajduje się w katalogu P rzykłady LF.D RGH-Ptlot. Taśma RGB podłączona będzie tak jak na rysunku 14.2. m usim y tylko dodać odbior­ nik pilota, który' podłączy my do pinu PIND2 w yprow adzonego na złączu J3 modułu Xplatncd zgodnie zc schematem 19.3 zam ieszczonym w rozdziale 19 „W ykorzystanie podczerwieni do transmisji danych’*. W stosunku do pokazanych wcześniej przykładów dodanie pilota właściwie nic nic zmienia, jedyne, co musimy dodać, to obsługa klawiszy, co zrealizujem y w pętli głównej: in t n a in (v o id )

< RGB_t t mer_1 n 11 ( ) : //Zainicjuj ster im anie la.i mą RGB 1R_i ni t ( ) : //Zainicjuj obsługę pilota seT(): w h tle ( l)

{ if ( c b IsEnpty(&lR CMD B u f f e r ) = f a l s e ) CB_Elenent ond-cb_Read(liIR_CHD_Buffer} S ObOOl 11111: //Pobierz odebrany kod / / 1 \e\1nij z mego polecenie If(ond< (sIzeof(R G 8)/sizeof(R G B [0])) ) SeTRGB(pgm_read_word(4RGBCcnd].Red). p9 n_read_word(iRG 3[c n d ].G re e n ). P9m_read_word(ARG8[c n d ].B Iu e )):

) I } Kod RC5 ma tę przyjem ną zaletę, że klaw iszom 0 - 9 przyporządkow ane są kolejne liczby z. zakresu 0 - 9, stąd też. odebrany kod po zamaskow aniu bitów zaw ierających nieistotne dla nas informacje (np adres urządzenia) może posłużyć wprosi do indeksów ania tabeli, w której zapisane zostały kolory przyporządkowane poszczególnym klawiszom ty p e d e f s t r u c t

{

u l n t l 6_ t Red: u i n t l 6_ t Green: u i n t l 6 t Blue: } RGB_t:

c o n st RG8_ t PRCGMEM R G B []-((0. 0. 0 ). {1023. 0. 0}. {0. 1023. 0 ). {0. 0. 1023). {1023. 1023. 0 ) . {0. 1023. 1023}. (1023. 0 . 1023}. {1023. 1023. 1023}}:

408

AVR. Praktyczne projekty

Rolę klucza aktywującego dany wyświetlacz spełniają tranz>'stoiy 77 - 77 Kiedy na sterującym tranzystorem pinie IO mikrokontrolera panuje stan niski, tranzystor zo­ staje włączony i prąd z zasilania może płynąć do połączonych anod diod tworzących w yśw ietlacz Kiedy pin jest w stanie wysokim, tranzystor je st zablokowany, a stero­ wany przez niego w yśw ietlacz wyłączony. Teoretycznie wyświetlaczem moglibyśmy sterować bezpośrednio z pinu IO procesora, z pominięciem klucza tranzystorowego. Jednak takie postępowanie nic jest zalecane zc względu na niewielką wydajność prądową pinu IO. W przypadku stosowania większych w yśw ietlaczy, o dużych prądach seg­ m entów . może zajść konieczność stosowania dodatkowych wzmacniaczy prądu po­ szczególnych segmentów. Najłatwiej w tym celu w ykorzystać scalone bufory, dzięki czemu uzyskamy zw artą konstrukcję. Aby wyświetlić cztery cyfry dziesiętne, musimy kolejno aktywować każdy z wyświetla­ czy i na czas je g o aktywacji wystawiać na porcie łączącym m ikrokontroler z segm en­ tami A - G wyświetlacza informację, która na wybranym w yśw ietlaczu ma zostać po­ kazana — rysunek 14.4. A-G.DP

Cyfra A

DISP1

X \

DISP2 DISP3 DISP4

TCCO_OVF_vect

TCCO_CCA_vect

1

Cyfra 1

Cyfra 2

X

Cyfra 3

X

Cyfra

A

X

C v* r a 1

\ // \ // V_xx 1 1_ 1 I I

I

I

I

Rysunek 14.4. Sterow anie multipleksowe wyświetlaczem LED. Poszczególne cyfry są kolejno aktywowane, przy czym tuz przed aktywacją mikrokontroler wystawia na porcie sterującym segmentami informacji; o wyświetlanej cyfrze Przełączanie wyświetlanych cyfr odbywa sit; przy. po wyw ołaniu którego wyświetlacz będzie gaszony. Czas pomiędzy aktywacją cyfiy' a wystąpieniem przerwania TCCO CCA w et określa intensywność świecenia Niejako przy okazji w prosty sposób możemy sterować jasnością w yświetlanych cyfr — w tym celu wystarczy skrócić czas ich świecenia. Oko. które uśrednia widziany ob­ raz, takie skrócenie odbierze jako mniejszą intensywność świecenia. Sterując multipleksowo wyświetlaczem, musimy pamiętać, ze liczby sterowanych w ten sposób cyfr nie możemy bezkarnie zwiększać. W arto zauważyć, ze gdy stosujemy ten typ sterowania, każdy wyświetlacz świeci się tylko przez określony czas. rów ny m aksym alnie 1/n. gdzie n to liczba użytych w yświetlaczy (cyfr). W naszym przykładzie w ykorzystano

Rozdział 14. ♦ LED-y — co z nich można wycisnąć?

411

Jak widzimy, jest ona niezwykle prosta — po zaprogramowanym czasie wyłącza cały wyświetlacz, w ten sposób skracając czas wyświetlania cyfry Funkcja ta, jakkolwiek pro­ sta. generuje całkiem pokaźny kod wynikowy: ISRCTCCO CCA v e c t)

{ 306: lf 92 308: Of 92 30a: Of b6 30c: Of 92 30e: 11 24 310: 8f 93 PORTB_OUTSET-OxOf: 312: Ef eO 314: 80 93 25 06 318: 31a: 31c: 31e: 320: 322:

8f Of Of Of lf 18

91 90 be 90 90 95

push rl push rO in rO. 0x3f :6S push rO eor r l. rl push r24 //Wyłącz wsz}'stkre wyświetlacze ldi r24. OxOF ; 15 sts 0x0625. r24 pop pop out pop pop rett

r24 rO 0x3f. rO rO rl

; 6S

Ponieważ jest ona wywoływana często, warto ją zoptymalizować. W tym celu możemy po­ służyć się małą wstaw ką w asemblerze lub lepiej — zmapować używany rejestr IO w przestrzeń rejestrów wirtualnych, tak jak to pokazano w rozdziale 7. Dzięki temu dostęp do niego będzie się odbywał za pomocą krótkich instrukcji lub instrukcji, które nie ingerują w za­ wartość rejestrów MCU, w efekcie nie zajdzie potrzeba ldi umieszczania na stosie. Mamy już wszystkie potrzebne funkcje, pozostaje jeszcze imcjalizacja wykorzystanych układów peryferyjnych: void lED7$eg_init() { PDRTC_DIR=0xFF: //Port sterujący segmentami P0RTB_DIR-QxOF: //port sterujący wspólnymi elektrodami TCCO.CTRLB=TCO_CCAEN_bm: / Odblokuj compareA TCCO.INTCIRLA-TC_OVFTnTLVL_KEO gc: TCCO. IHTCTRLB-TC_CCAINTLVL_HED_gc: TCCO. PEA,*0x00 f f : //Okres Umera LCD7Seg Sotlntenslty<12B): FMlC_CTRL-PHIC_MEDLVlENJxn: TCCO.CTRLA=TC CLKSEL Dl V8 gc:

Preskaler Umera na 8

) Wykorzystanym przerwaniom nadano średni prioiytet — lecz nic ma to większego znaczenia Korzystanie z powyższej biblioteki jest banalnie proste LED7Seg_i ni t (): s e t():

//Intcjahzacjo btbhotekt //'Włączenieprzerwań

LEDDIGITS[ 0]**1: LEDDlGITS[l]=2:

//Wyświetlane nfry

LE D D IG IT S C 2 3 -3 :

LEDDlGITS[3>4:

412

AVR. Praktyczne projekty

Zm ianę intensywności można uzyskać, wywołując funkcję LCD7Seg_Setlntensity, gdzie im wyższa wartość parametru (0 - 255). tym większa jasność.

Wskazówka

W pow yższej b ib lio te c e wybrano ja k o w a rto ść p re sk a le ra tlm e ra p o d ział przez 8 — daje to w e fe k c ie d la d o m y śln e g o ta k to w a n ia 2 M H z c z ę s to tliw o ś ć przerw ań o ko ło 9 7 6 Hz. D la w yższych c z ę s to tliw o ś c i pracy M C U w arto zw ię k szy ć sto p ie ń podziału — nie m a s e n s u zbyt c z ę s to o d ś w ie ża ć w yśw ie tla cza , c o d o d a tk o w o zw ię k sza ob­ c ią ż e n ie p ro ce so ra.

Licznik LED W poprzednim przykładzie użyliśmy wyświetlaczy 7-segmenlowych do wyświetlenia liczby Teraz spróbujmy zrobić coś nieco bardziej skomplikowanego — licznik odli­ czający od zadanej wartości do O. Będzie to wymagało dodania możliwości ustawienia początkowej wartości licznika — w tym celu posłużymy sic enkoderem obrotowym z dodatkową funkcją przycisku podłączonym według schematu 14.6. O

R y s u n e k 1 4 .6 . D o schematu z n sia iku N.S dołączamy enkoder obrotowy. Wyjścia A i B eukodera należy połączyć z pinami PBO t P li 1, a przycisk z pinem PE2. lic z i .story R 1 R 3 są opcjonalne program obsługi włącza wewnętrzne rezystor)-podciągające, ałe ze względu na ich stosunkowo dużą wartość n środow isku, w ktaiym występuje duży poziom zakłóceń, mogą one okazać się niewystarczające. Ii' takim przypadku warto dodać zewnętrzne rezystory o wartości 2.2 7 k ii

Możliwość obrotu posłuży do ustaw ienia początkowej wartości licznika. Jednak nic mo­ żemy tego zrobić wprost — wykorzystamy lak jak poprzednio wyświetlacz 4-pozycyjny. W elekcie będziemy mogli zapisać liczbę od 0 do 9999. Pomew a2 kręcenie enkoderem aż do chw ili uzyskania 9999 mogłoby być męczącym zadaniem , musimy nieco zmienić podejście do ustaw ienia początkowej wartości Stąd też w celu ustawienia początko­ wej wartości licznika posłużymy się algorytmem pokazanym na rysunku 14 7. Naciśnięcie przycisku eukodera spowoduje zmianę sposobu wyświetlania na LED — licznik prze­ stanie zliczać w dól. a na wyświetlaczu jedna z cyfr zacznie migać (..Ustawianie”). W ar­ tość lej cyfry będziemy mogli zmieniać, naciskając przycisk i trzymając go wciśnięty.

Rozdział 14. ♦ LED-y — co z nich można wycisnąć?

413

jednocześnie kręcąc enkoderem („Zmiana cyfry”). Zm ianę wskazanej pozycji uzy­ skamy, kręcąc po prostu enkoderem, co spowoduje podświetlenie poprzedniej lub następ­ nej cyfry w zależności od kierunku obrotu. Aby przejść do try bu zliczania czasu, w y­ starczy dwukrotnie wcisnąć przycisk enkodera. bez zmiany wartości wskazanej cyfry (fragment „Cyfra zmieniona?* ).

R y s u n e k 1 4 .7 . Algorytm zmiany wartości licznika »r odpowiedzi na sygnały z enkodera

.lak widzimy, całkiem proste sterowanie rozrasta nam się do dosyć złożonego algorytmu sterowania. Jako element interfejsu z użytkownikiem zostanie wykorzystany enkoder obrotowy, szerzej opisany w rozdziale 11., poświęconym systemowi zdarzeń Ponieważ XMEGA dysponuje możliwością sprzętowej obsługi enkodera. zostanie to wykorzystane w poniższym przykładzie Fragmenty kodu związane z realizacją sprzętowej obsługi enkodera pominiemy, gdyż zostały one opisane dokładnie w rozdziale o systemie zdarzeń Kod przykładu znajduje się w katalogu Przyklady/I.F.D 7LFDF.nc. Nasz kod wykorzystuje opisany wcześniej kod obsługi wyświetlania multipleksowego na 4 -pozycyjnym 7-segmentowym w yświetlaczu LED. Kod ten został wzbogacony o dodatkową funkcjonalność związaną z realizacją migania z zaprogramow aną często­ tliwością wskazanej cyfry wyświetlacza. Miganie realizowane jest poprzez naprzemien­ ne jej włączanie i wyłączanie. Pozycja cyfry, która ma migać, zawarta jest w zmiennej LEDBIIHK. jej wartość większa niż liczba pozycji wyświetlacza powoduje. Ze żadna cyfra nic miga. Zmieniony 1‘ragmenl kodu obsługi przerwania odpowiadającego za wyświe­ tlanie cyfr wygląda następująco (TCCO_OVF_vect): IMTMo**; 1 f(( INTNo Z LEOBL INKPER 100 )*■()) 0 n 0 f r - l : if ( ( 0 n 0 f f —0) U (LEDWO—■LED6LINK)) PORTB_OUTSET-OxOf: /W yłączM yśwtcJhcz

414

AVR. Praktyczne projekty

else

< Sho*OnLED(LECOlGITS[LEDNO]): PORTB_OUTCLR=< 1«lEDłiO): /W yb u rz kolejny nyiwteilacz

) Zm ienna IlfTNo jest inkrementowana przy każdym przerwaniu — jeśli jej wartość modulo stała określona w symbolu LEDBLIMKPERIOD jest równa zero, to wskazana cyfra jest lub me jest wyświetlana Dzięki leniu możemy zrealizować miganie wskazanej pozycji z określoną częstotliwością Mamy juz załatwioną obsługę wyświetlania, pozostaje dodać kod odpowiedzialny za obsługę enkodera. Zliczanie liczby obrotów enkodera (lewo, prawo) będzie realizo­ wane sprzętowo Pozostaje więc zrealizowanie obsługi przy cisku enkodera W tym celu wykorzystamy kolejny tuner (TCDO), który będzie generował przerw ania przepełnienia z częstotliw ością około 3 0 1lz. (dla zegara taktującego MCU rów nego 2 Ml Iz) votd TCDDJnltO TCDO. tNTCTRLA-TC_OVFINTLVL_L0 g c :

PH1C_CTRL|-PMIC_LOLVLEN_blT TCDO.CTRLA=TC_CLKSEt DIVI gc : //Preskaler Umera na 8, przerwanie 50 raz^■■''s } Warto zauwazy e. ze przerwanie obsługi enkodera będzie miało niższy priory tet niz pr/erwanie obsługi wyświetlania multipleksowego. Dzięki temu m c będzie ono zaburzało zależności czasowych związanych z multipleksowaniem, co mogłoby spowodować nie­ znaczne migotanie wyświetlanych cyfr. Z drugiej strony niski priory tet tego przerwania i niewielka częstotliwość jego wykonywania nic ma znaczenia dla obsługi enkodera — to co najistotniejsze, czyli zliczanie impulsów tow arzyszących jego obracaniu, jest re­ alizowane sprzętowo, dzięki temu nawet podczas obracania enkodera z duZą prędkością impulsy te nie zostaną zgubione — aktualną pozycję zawsze będzie wskazywał licznik tunera TCC1, który został zaprzęgnięty do sprzętowej obsługi enkodera Cały kod obsługi ustawienia wyświetlacza zawarty będzie w funkcji obsługi przerwania przepełnienia timera TCD0_0VF_vect Funkcja obsługi przerwania, yv której badamy stan przycisku, musi rozróżnić trzy stany: ♦ normalne wyświetlanie, gdy ignorujemy nich obrotoyvy enkodera; ♦ zmieniamy wybór pozycji cyfry, nich enkodera yv lewo i w prawo powoduje zmianę wskazanej pozy cji na kolejną lub poprzednią. ♦ przy cisk jest wciśnięty, a ruch enkodera zmienia cyfrę w yśw ietlaną na wcześniej wy branej pozy ej i. Aby rozróżnić tc trzy- stany, yyykorzystanc zostały dw ie zm ienne — jedna z nich. LEDBLINK. w skazuje w yróżnioną pozycję. Jeśli żadna pozy cja nic jest wyróżniona (nic miga), to znaczy-, że jesteśmy w trybie odliczania czasu i nich obrotoyyy enkodera ma być ignoroyvany. Przełączenie pomiędzy- normalnym w yświetlaniem a ustawianiem wartośei na wyświetlaczu realizowane jest przez wciśnięcie przycisku enkodera: u1nt8_t OldEuttons=Buttons: Buttons&—PIN2_tm:

//Poprzedni stan przycisków /Skasuj pozycję odpowiadającą pinowi

Rozdział 14. ♦ LED-y — co z nich można wycisnąć?

415

Buttons|-(POftTE_lH & PIN2Jbm): //Przepisz stan klawisza do zmiennej Buttons 1 f((B u tto n s & PlM2_bm) AA ((B uttons^O ldB uttons) A PIN2 bm>)

{

if
) el se cnt»ConvBufTolnt(): //Konwersja liczby z wyświetlacza na posiać binarną State=ST_Noth1ng: Tryb wyświetlania z wyróżnieniem pozycji jest sygnalizowany przez wyzerowanie bitu LEDBLINKMARKER zmiennej LEDBLINK W ciśnięcie i zwolnienie przycisku enkodera powoduje naprzemienne przechodzenie z normalnego trybu wyświetlania do try bu ustaw iania wartości i odwrotnie. Zm iana jest dokonywana w chw ili zwolnienia przy ­ cisku Aby moZna było wykryć ten moment, potrzebny jest poprzedni stan przycisku przechowywany w zmiennej Buttons. której wartość porów nyw ana jest z aktualnym stanem przycisku. Dzięki temu stale przytrzymanie przycisku enkodera nie powoduje ciągłych zmian stanu wyświetlacza Musimy jednak wykryć sy tuację, w której przycisk został wciśnięty i zwolniony drugi raz. a w efekcie mamy w yjść z trybu modyfikacji liczby — na diagramie z rysunku 14.7 odpowiada to warunkowi „Cyfra zmieniona?'*. Aby rozróżnić sytuację, w której wcisnęliśmy przycisk i zmienili wskazywaną cyfrę, od sytuacji, w której wcisnęliśmy przycisk, aby wyjść z trybu wprowadzania zmian, musi­ my posłużyć się zm ienną pomocnicza S ta te Jest ona typu wyliczeniowego: enum StateType (ST_Nothing. $T_Btnflotate): s ta tlc enun StateType State=ST_Wothtr>g: Naciśnięcie i zwolnienie przycisku w sytuacji, w której program był w stanie STJtothiny. skutkuje w yjściem z trybu zmian i przejściem do norm alnego trybu w yśw ietlania Z kolei jeśli program by I w stanie STBtnRotate. to zwolnienie przycisku skutkuje tylko przejściem do trybu wyświetlania z wyróżnioną cyfrą, w którym możemy w skazać i zmienić kolejną cyfrę wyświetlacza. Jeśli jesteśmy w normalnym trybie wyświetlania, to na tym obsługa przerwania się kończy: if(LEDBLINK A LEDBL1MKMRKER) return: //niejesteśmy u- trybie z/tuany wartości W przeciwnym razie najpierw musimy policzyć, o ile pozycji zmieniło się położenie enkodera od chw ili ostatniego odczytu: uint!6_t cnt»TCCl_CNT: ulnt!6_t tmp=cnt: int acnt-(cnt-prevcnt>: acnt-acnt /4 : //Dzielimy przez -i. ho enkoder daje -t zmiany stanu na przeskok Liczba pozycji to po prostu różnica pomiędzy bieżącą a poprzednią w artością licznika zliczającego impulsy z enkodera (TCC1_CHT). Różnica ta jest dzielona przez 4. gdyż użyty przez autora enkoder generował 4 impulsy na jedną zmianę pozycji (jest to najczęst­ sza sytuacja) Jeśli dysponujemy innym typem enkodera, należy skorygować podział. Dalsza część kodu przerwania zostanie wykonana wyłącznic w sytuacji, kiedy od po­ przedniego przerwania pozycja enkodera uległa zmianie:

416

AVR. Praktyczne projekty

I f ( a c n t1=0)

//‘C g* od ostatniego razu zmieniło się połatanie enkodera7

Jeśli tak. to w zależności od stanu przycisku enkodera realizowana jest zmiana wskazanej pozycji wyświetlacza I f ( Buttons A P IN2_bn) //Zmieniamypozycję crv cyfrę?

\

ATOMIC BŁOCK(ATOMIC_FORCEOM>

{ LEDBLINK+=acnt: LEOBLINKt-LEDOISPHO:

lub też zmieniana jest wartość wskazywanej pozycji (przycisk jest wciśnięty): e ls e

( LEDDIGIT$[LEDBllNK]-(LEOOlGlT$[LEDBllNK]«acnt>j5lO: Stato=ST_BtnRotate:

/.Zmieniliśmy cyfrę

Po uruchomieniu przykładowego programu możemy za pomocą enkodera ustawić po­ czątkową wartość licznika, która po wyjściu z trybu ustawiania wartości będzie zmniej­ szana do 0 w odstępach mniej więcej 10 ms, co zapewnia fragment funkcji main whlle(l) { i f : if(cnt) --ent: delay ms(10): ) ) Czas odmierzony za pomocą funkcji delay ms nie jest superdokładny, jeśli więc zależy nam na większej precyzji i niewstr/ymywaniu MCU, to możemy posłużyć się kolejnym licznikiem. Nasz program to tylko prosta demonstracja, stąd też pętla główna ma w miarę deterministyczny czas trwania, a wstrzymywanie aplikacji w celu odmierzania czasu nie ma większego znaczenia (i tak wszystkie istotne rzeczy realizowane są w przerwa­ niu). Niemniej w każdej sensownej aplikacji byłby to p rzy k ład złego stylu p ro ­ gram ow ania — do odm ierzania czasu pow inniśm y w ykorzystać tim er. Odliczanie do 0 następuje wyłącznie wtedy, kiedy wyświetlacz nic jest w trybie ustawiania wartości początkowej.

M a try ce LED Wykorzystanie matryc LED jest niezwykle efektownym sposobem prezentacji Składają się one z odpow iednio połączonych LED-ów, tw orzących matryce o różnej wielkości. Co więcej, golowe matryco można łączyć razem Jednak jak łatwo policzyć, nawet w przypadku prostej matrycy LED składającej się z Xx8 punktów do jej budowy wykorzystuje się

419

Rozdział 14. ♦ LED-y — co z nich można wycisnąć?

wyboru CS. Łącznie na pokazanym rysunku, na którym sterujemy dwoma matrycami, potrzebnych by było [2 linii lO mikrokontrolera. Pozornie zysk jest znaczny i takie rozwiązanie wygląda atrakcyjnie. Dla małych matryc istotnie rozwiązanie takie może się sprawdzić, jednak dla większych, gdzie rejestrów zatrzaskowych jest więcej, a sy­ gnały sterujące musimy przekazywać na coraz większe odległości, pojawia się pro­ blem ze względu na gęstość upakowania układów scalonych, jaką możemy uzyskać. Duża liczba równolegle prowadzonych ścieżek z sygnałami cyfrowymi o stromych zboczach zaczyna wzajemnie się zakłócać Co za tym idzie, multiplikując pokazany układ w celu podłączenia większej liczby matryc LED. będziemy borykać się z coraz większymi zakłóceniami i układ będzie trudny do zbudowania z czysto elektrycznych powodów. Jakie jest rozwiązanie tego problemu? Musimy ograniczyć liczbę sygnałów sterujących do minimum, co ułatwi nam ich prawidłowe prowadzenie na obwodzie drukow anym i ekranowanie Jednym z najprostszych interfejsów jest interfejs SPI — wymaga on w tym przypadku zaledwie trzech sygnałów — zegara (SCAT), jednej linii danych (AIOSI) i wspólnego dla wszystkich rejestrów strobu przepisania zawartości do buforów' wyjściowych (Latch. LE). Co prawda interfejs ten jest wolniejszy niż in­ terfejs równoległy, ale jego realizacja jest. jak widać, zdecydowanie prostsza, a spowol­ nienie transmisji nie odgrywa w tym przypadku najmniejszej roli — dane i tak będziemy mogli transmitować o wiele szybciej, niż jest to wymagane do sterow ania matrycą LED. W celu realizacji tego typu interfejsu można posłużyć się układami zatrzasków z szerego­ wym wejściem i równoległym wyjściem, np. układów serii 7-tX.\.X5() 5 — rysunek 14 10. Są one łatwo dostępne i bardzo tanie (cena około 1 zl). ♦

SCK. Latch-

8

MOSI-

rc3 OA 08 OC OD OE Of OG OH OM*

SER SCK< SCL RCK<

C

74HC5950

•< .10 12

.13 GND

Rysunek 14.10. Sterowani? matrycą UZD za pomocą rejestrów z wejściem szeregowym. Rejestry te są połączone kaskadowo, co ogranicza liczbę .ngnalów sterujących do trzech: zegara (SCKi linii danych (MOSI/ i strobu przepisania buforów (Latch)

420

AVR. Praktyczne projekty

Jak widzimy, rejestry szeregowe m ają same zalety — mała liczba wykorzystanych pinów IO. niska cena. Jednak jeśli przyjrzymy się pokazanemu schematowi, to poten­ cjalnie pojaw iają się dwa problemy. Konieczność stosowania rezystorów ograniczają­ cych prąd nie jest wielkim problemem, ale jest nim konieczność stosowania buforów o odpowiedniej wydajności prądowej sterujących kolumnami, ponieważ w przypadku ich niewystarczającej wydajności możemy spotkać się ze zjawiskiem pokazanym na rysunku 14.11.

oooooooo ••oooooo otoooooo otoooooo oooooooo oooooooo OOOOOOOO oooooooo Rysunek 14.11. U’sytuacji. klórej sterownik kolumn mc ma wystarczającej wydajności prądowej, jasność diod zmienia się w zależności od lego. de z nich świeci na pokazanym n siniku diody, które nie świecą, mają kolor biały Zapalanie kolejnych diod powoduje zmianę intensywności świecenia. Aby leniu Zapobiec, bufor kolumny (lub rzędu u- zależności od realizacji) musi mieć wydajność prądową wystarczającą do wysterowania wszystkich diod wchodzących u- skład kolumny (rzędu) Podobny problem dotyczy* także sterownika wierszy (rzędów). Ponieważ wiersze wszyst­ kich matryc są połączone, w efekcie bufor sterujący musi m ieć możliwość dostarcze­ nia prądu rzędu n*ti*If gdzie /? to liczba matryc. X to liczba diod w rzędzie matrycy (ntoZe się zdarzyć. Ze wszystkie będą włączone), / / to prąd przewodzenia diody. Stąd tez już dla 3 matry c i //'zaledw ie 40 mA sterownik wierszy m usi mieć możliwość do ­ starczenia co najmniej 960 m A ' W praktyce jako sterowniki wierszy wykorzystuje się tranzystory MOSFET — odpowiednio dobrane cechują się niską w artością oporu ka­ nału (RD Son). wynoszącą dla nowoczesnych tranzystorów <0.1 Q. W efekcie moc tracona na tranzystorze wynosi /*R, w naszym przypadku <1 (JO mW. Jeśli na przykład w charakterze sterownika kolumn wykorzystalibyśmy tranzystor bipolarny o nawet niewielkim napięciu nasycenia złącza emiter-baza wynoszącym <0.5 V. to moc traco­ na wyniosłaby prawie 0,5 W A przecież typowo spotkamy się ze znacznie większymi prądami. Widzimy wyraźnie, zc budowa sterownika rzędów ma kluczowe znaczenie dla funkcjonowania naszego układu Ale zastanówmy się. czy użyty rejestr 74XXX595 nadaje się do bezpośredniego sterowania matrycą Każdy pin rejestru sterującego ko­ lumną ma za zadanie zasilić tylko jedną diodę. Nic wydaje się to być problemem. Jeśli zajrzymy do noty katalogowej producenta rejestru, w sekcji Lim iting la hie s (wartości ograniczające), czasami nazywanej A bsolute \ia xtm tu n R a lin g (Absolutne parametry maksymalne), znajdziemy informację, żc dla pinu Q x maksymalny prąd może wynieść ±35 mA. Do tej pory wszystko w porządku, jest to zazwyczaj wystarczający prąd do sterowania LED-cm. chociaż zc względu na mulliplcksowanie zapewne chcielibyśmy

Rozdział 14. ♦ LED-y — co z nich można wycisnąć?

421

go zwiększyć w celu kompensacji utraty jasności. Niestety mamy poważniejszy pro­ blem — w tej samej sekcji mamy podany maksymalny prąd pinu zasilania wynoszący 70 mA — stąd tez w ynika. Ze prąd 35 mA możemy pobierać maksym alnie z dwóch wyjść, w przeciwnym razie przekroczymy parametry pracy układu, co może dopro­ wadzić do jego zniszczenia. Skoro układ steruje 8 diodami, a potencjalnie każda może być włączona, to przy maksymalnym prądzie układu 70 mA dozwolony prąd wyjścia wynosi 70 mA/8. czyli 8.75 mA. O wicie za mało. aby uzyskać wystarczającą jasność świecenia przy sterowaniu multipleksowym Co robić? Możemy się poddać i po prostu przyjąć, ze nasza matryca nic bodzie zbyt jasno świecić; możemy (chociaż zdecydowanie nie powinniśmy) zignorować zalecenia producenta układu i przekroczyć dopuszczalne parametry w nadziei. Ze jakoś to będzie, możemy leź zmienić projekt układu Jak w idzimy, potrzebujemy wzmacniacza prądu kolumn Możemy wykorzystać w tym celu tranzystoiy, co jednak komplikuje układ. Możemy też śmiało przy jąć, że nic jesteśmy pierwszymi ani jedynymi osobami, które m ają taki problem Może jest więc jakieś lepsze rozwiązanie? Tym rozwiązaniem są scalone rejestry zawierające bufory specjalnie przy gotowane do sterowania LED-ami. Strona logiczna buforów właściwie w pełni odpowiada układowi 74XXXS95%natomiast cechują się one zwiększoną obciążalnością, sięgającą naw et 2 A na pin. Co więcej, układy te same regulują prąd diody na podstaw ie wartości rezystora referencyjnego, zatem nie ma potrzeby stosowania zew nętrznych rezystorów ograni­ czających prąd poszczególnych diod Przykładem takiego układu jest popularny i tam (poniżej 2 zl za sztukę) układ SCT2024. Spróbujmy w ięc w oparciu o ten układ zbudować sterownik matrycy LED — oczywiście alternatywnie czy telnik może sobie zbudować układ w oparciu o klasyczne rejestry 74XXX595, pamiętając jednak o ograniczeniach prądowy ch i konieczności stosow ania rezystorów ograniczających prąd diod

Projekt PCB i zasilanie W przy padku budowania matryc musimy bardzo przykładać się do poprawnego projek­ towania PCB W układzie płyną duże prądy impulsowe, sięgające nawet dla prostych matryc kilku amperów, stąd też jakiekolw iek błędy szy bko prow adzą do problemów — sterowanie matry cy zaczy na generować spore zakłócenia, pojaw iają się kłopoty z prze­ syłaniem danych do zatizasków ud Pamiętajmy więc. aby przy każdym układzie SCT2024 umieścić jak najbliżej pinów zasilania kondensatory1 100 nF oraz 4.7 - 100 j.il;. który ch zadaniem będzie odsprzęgamc zasilania. Dokładna pojem ność kondensatora elektro­ litycznego nie ma w iększego znaczenia, musi on być dobrany adekwatnie do poboru prądu przez sterowane diody. Podobnie producent zaleca, aby rezy stor regulujący maksymalny prąd diod byl umieszczony jak najbliżej układu scalonego. Niezwykle istotne jest tez prowadzenie ścieżek zasilania. Poyvinny o n e być możliw ie szerokie, lak aby móc przewodzić prądy pobierane przez matry cę. W przy padku większy ch m a­ tryc należy też rozdzielić zasilanie układów SCT2024 od zasilania matryc. Gdy układ SCT2024 włącza diodę poprzez niski poziom napięcia na w yjściu, cały prąd diod pły­ nie przez bufory1 układu do masy1. W clckcic przez w yprow adzenie masy1 płynie bar­ dzo duży prąd, rzędu setek mA, natomiast sam układ poprzez pin 1'cc pobiera tylko niewielki, praktycznie pomijalny prąd Z. kolei matry ca LED poprzez tranzy stor sterują­ cy pobiera znaczny prąd z ł 'cc Stąd też warto rozdzielić zasilanie układu sterownika i matrycy Ponieważ sterowanie pojedynczą matrycą wymaga prądu rzędu kilkuset mA

424

AVR. Praktyczne projekty

sterują kolumnami matryc Wierszami steruje układ 7-11JC'595 poprzez tranzystory P-MOSPET. Tranzystory należy tak dobrać, aby prąd pobierany przez wiersz był mniejszy niż dozwolony prąd drenu tranzystora. W przykładzie wykorzystano tranzystory IR I j\!1.9301 o dopuszczalnym prądzie drenu 3 .6 A . co z nawiązką wystarczy do sterowania nawet większą liczbą matryc. Rezystory na bramce tranzystorów mają za zadanie ograniczyć maksymalny prąd pobierany u- czasie przełączania tranzystora i powinny mieć wartość rzędu od kilkudziesięciu do około 100 f i Z XMEGA doprowadzone są sygnały sterujące MOS/. CLK i LA. W przypadku wykorzystania większej liczby matryc kolejne sterowniki SCT2024 należy połączyć tak jak wcześniejsze. Rezystory R I - R5 regulują prąd diod. należyje dobrać tak, aby nie przekroczyć maksymalnego prądu przewodzenia diotl użytej matrycy. Całość należy zasilić z wydajnego zasilacza, do testów można wykorzystać napięcie 5 I' dostępne w zasilaczu komputerowym (należyje pobierać wprost z przewodów zasilający ch, w żadnym przypadku nie można pobierać zasilania z gniazda USB!). Na schemacie nie zaznaczono niezbędnych kondensatorów odsprzęgających PCO{OCOASDA) PC1 (OCOB/XCK(VSCL} PC2(OC0C/RXD0} PC3(OCOD/TXDO; PC4
16 Do matrycy: I L ______ CLK . MOSI 20

21

22

23_______ LA

SV1

GND

Rysunek 14.13. Połączenie mikrokontrolera z matrycą Sygnały L I. SCK i MOSI są dtwtępne odpowiednio na pinach 7. 2 t -t złącza J1 modułu .Ypłained lub na pinach I, 3 i 7 portu PORTY' mikrokontrolera Jak widzimy, nasz układ ma możliwość sterowania indywidualnymi kolumnami matrycy dzięki temu, zc stanowi on rejestr przesuwny o liczbie bitów równej liczbie sterowa­ nych kolumn Dodatkowe 8 bitów układu 74HC595 służy do wyboru jednego z 8 rzę­ dów matrycy Aby więc sterować rzędem, należy przesłać z mikrokontrolera dane ste­ rujące. W tym celu posłużymy się interfejsem SPI. Jest to szybki interfejs szeregowy, a zastosowane rejestry przesuwne mogą pracować z zegarem sterującym (CLK) rów ­ nym nawet 25 MI Iz. co jest w zupełności wystarczające, biorąc pod uw agę, zc maksymal­ na częstotliwość pracy SPI dla XMEGA równa jest połowic częstotliwości CLKper. a w ięc 16 MHz Kolejne zbocza narastające sygnału CLK pow odują przesunięcie o 1 bit zawartości rejestru, a na zwolnione miejsce wsunięcie nowego bitu (określanego sta­ nem linii MOSI) Bit. który opuszcza rejestr, jest wsuwany do następnego w kolejności rejestru Jednak w suwane dane nie pojaw iają się na wyjściach rejestru od razu — nie byłoby to korzystne, gdyż widzielibyśmy kolejno przesuwające się bity. Aby informacje zawarte w rejestrze pojaw iły się na jego wyjściach równoległych, na chw ilę linia LA

Rozdział 14. ♦ LED-y — co z nich można wycisnąć?

425

(ang. Ijatch enable) musi znaleźć się w stanic wysokim Spowoduje to przepisanie zawar­ tości rejestrów do ich buforów' wyjściowych. Dopiero wtedy przesłane informacje zo­ staną /wizualizowane w postaci stanu diod. Dodatkowo każdy z rejestrów posiada sygnał sterujący wyjściem (OE. G) — jego przejście do stanu wysokiego powoduje. Ze wyjścia rejestrów przechodzą w stan wysokiej impedancji Co prawda w naszym przykładzie tego sygnału nie wykorzystujemy, ale może on zostać użyty do regulacji jasności świece­ nie LED dzięki sterowaniu PWM. Regulacja ta wygląda identycznie jak m c wcześniej po­ kazanym przykładzie regulowania jasności świecenia w yświetlacza 7-segmentowego.

WsJuzowU

W yjścia równoległe układu SCT2024 s ą zanegow ane. To znaczy, ze je ś li n a danej po­ zycji w piszem y 1, to w yjście będzie w sta n ie niskim , a je ś li 0 , to znajdzie się w stanie w ysokim .

Jak widzimy, układ elektryczny jest stosunkowo prosty. Jedyne, co musimy zrobić, to od­ powiednio szybko wysyłać informację o kolejnych rzędach, co zapewni nam wrażenie statycznego obrazu. Sprowadza się to do w ysyłania danych przez interfejs SPI i gene­ rowania sygnału slrobu zapisu.

Sterowanie matrycą Mamy ju ż część sprzętową, pozostaje napisanie programu sterującego — przykład znajduje się w katalogu Przyklady 'LED/Mairyca W naszym przykładzie wykorzystamy oczywiście sprzętowy interfejs SPI. lecz realizo­ wany dosyć nietypowo — w oparem o interfejs USART Nie nic stoi na przeszkodzie, aby wykorzystać w tym celu SPI — różnice pomiędzy nimi w naszej aplikacji są bez zna­ czenia Nasz program musi zawierać bufor, w którym zawarta będzie informacja o pik­ selach obrazu — będzie to coś w rodzaju pamięci w ideo. B ufor ten wygodnie jest zre­ alizować w postaci tablicy: Ui n t8 _ t B u fo r [M_HE 1GHT][M_W170TH+1 ] - { /M iejsce na bufor i adres wiersza

10. {0.

0.0. 0. 0. 0. Obi 1111110). 0.0. 0. 0. 0. Obi 1111101).

{0. 10. {0.

0.0. 0. 0. 0. Obi 1110111). 0.0. 0. 0. 0. Obi 1101111). 0.0. 0. 0. 0. Obi 1011111). 0.0. 0. 0. 0. Obi0111111).

jo.

10. {0.

0.0. 0. 0. 0. Obi 1111011).

0.0. 0. 0. 0. ObO 1111111)):

Zawartość tego bufora jest bez znaczenia, z wy jątkiem wartości umieszczonej w ostatniej kolumnie. W artości te zapisane są w postaci binarnej w celu lepszego pokazania ich funkcji Każdy w iersz tablicy zaw iera opis jednego w iersza m atrycy, stąd mamy ich X (stała M HEIGHT). z kolei wiersz składa się z 6 bajtów opisu, które odpow iadają łącz­ nie 2-ł pikselom matrycy (ponieważ matryca jest dw ukolorow a. każdy piksel do opisu wymaga dwóch bitów). Szerokość matrycy w bajtach zaw arta jest w stałej M_WITDTH Ostatni bajt każdego wiersza me trafi do rejestru sterownika kolumn. lecz do układu 7JHC595, a więc jego wartość będzie określała, któiy wiersz matrycy należy aktywować Aktyw ny w iersz ma na odpow iadającym mu bicie w artość 0, wiersze nieaktywne

426

AVR. Praktyczne projekty

w artość I (sterujemy tranzystorem P-M OSFET, który otw iera niski poziom logiczny bramki ) Dla poprawnego sterow ania każdorazowo należy aktywować tylko jeden wiersz — stąd teZ w artość zero w ystępuje kolejno na bitach bO - b7 odpow iadających w ier­ szom 1 - X użytej matrycy. W artości ostatniej kolumny m atrycy nigdy nie będziemy modyfikowali. Mając dane o tworzonym obrazie, musimy jeszcze odpowiednio szybko wysyłać je do rejestrów przesuwnych i generować sygnał strobu zapisu LA po przesianiu każdego pełnego w iersza A skoro musim y co ś szybko przesyłać, to w orlo pom yśleć o w ykorzystaniu DMA — zapew ni nam to nie tylko szybki przesył, ale co w ażniejsze me będzie angażowało mikrokontrolera Interfejs SP1 ma w ndę. która jest jednocześnie zaletą. Jest to szybki interfejs (m oże pracow ać z częstotliw ością w XM AGA naw et 16 Ml Iz), w efekcie w ysłanie jednego bajtu może trwać zaledw ie 16 taktów zegara Problem w tym. ze co 16 taktów należy do rejestru danych SP1 wpisywać now ą w ar­ tość do wysłania. Ze względu na to. że do dyspozycji mamy niew iele czasu, nic opła­ ca się tego robić w przerwaniach — obsługa prologu i epilogu przerw ania trwałaby znacznie dłużej niż czas. jaki mamy do dyspozycji przy maksymalnym transferze /. dru­ giej strony sekwencyjne ładowanie danych do rejestru tez obciąża procesor, który i tak niew iele jest w stanie w m iędzyczasie zrobić. Tu w łaśnie z pom ocą przychodzi nam DM A — transfer danych do interfejsu SP1 moZo być wyzwalany opróżnieniem bufora, w efekcie następować on będzie autom atycznie Skonfigurujm y więc DMA void OKA initC > I OMA.CHO.SRCADORO-(ui nt16_t>Bufor A Oxff: DMA.CHD.SRCAD0R1=((ulntl6_t)Bufor » B) A Oxff: DMA.CHO.SRCAOOR2®0: DMA.CHD.DESTADDRO-<(uintl6_t)AUSARTCO_DATA) ?, Oxff: DMA.CH0.DESTADDRl-((uintl6 t)&U$ARTC0 DATA » 8) A Oxff: DMA.CHD.DESTADDR2-0: DMA.CHO.ADORCTRL=DKA_CH SRCRELOAD_NO)JC_gc | DMA CH SRCDlRJNC_gc | wCMA CH_DESTRE10AD BURST gc | CMA CH_ÓE$TDlR_FlxED_gc: DMA.OtO. TR16SRC=DHA_CH TR7&$aC_USARTCÓ_DR£_gc: / Pusty bufor USART w yw ala zdarzenie DMA.CHO. REPCNT-M_HETGHT: //Transfer 8 w ierny DMA.CHO. TRFCNT=M_WITDTH*1: / /Transferujemy]oko blok wiersz bufoni DMA.CHO. CTRLA-DMA_CH_S1NGLE_bm | CM_CHjuRSTLEN_lBrTE_gc: DMA.CTRL=DMA_EMABLE_bm: //Odblokuj DMA ) Jak widzimy, adresem źródłowym, skąd następuje transfer, będzie adres naszego bufora, a dane transmitowane ł>ędą do rejestm USARTCO DATA T ransfer będzie wyzwalany Hagą sygnalizującą obecność w olnego miejsca w buforze nadaw czym (znana nam ju ż flaga DRE. wywołująca zdarzenie DMA_CH_TRIGSRC_USARTCO_DRE_gc) Warto zauwaZyć. Ze transfer jest rozdzielony — w jednym bloku transm itow ane są dane dotyczące jednego wier­ sza (plus inform acje o wybranym wierszu m atrycy), natom iast w ramach jednej trans­ akcji transm itowanych jest X bloków (X wierszy matrycy). Dzięki temu rejestr REPCNT zawiera osiem m inus num er aktualnie transm itow anego w iersza W ażne jest jednak. Ze transfer kolejnego bloku nic rozpoczyna się autom atycznie — po zakończeniu transmisji bloku danych przez DMA transfer kolejnego bloku w ym aga ponownego odblokow ania kanału DMA. D laczego? Poniew aż nie ustaw iliśm y flagi REPEAT reje­ stru kontrolnego kanału. Jest to dla nas pożądane, gdyż po przetransferow aniu danych o wierszu musimy w ygenerow ać sygnał slrobu LA w celu przepisania danych na w yj­ ście sterowników. Kolejne dane możemy transm itow ać dopiero po w ygenerowaniu strobu Z-i. w przeciwnym razie zaw artość rejestrów' szeregow ych uległaby zm ianie.

Rozdział 14. ♦ LED-y — co z nich można wycisnąć?

427

zanim ich stan pojawiłby się na wybranym wierszu matrycy, /.a generowanie tego sy­ gnału odpowiedzialne będzie przerwanie nadmiaru Umera. Przerw anie to będzie nic tylko odpowiedzialne za generowanie strobu zapisu, ale będzie umożliwiało także re­ gulację szybkości odświeżania matrycy Kolejne wiersze będą transmitowane z czę­ stotliwością zależną od logo przerwania Konfiguracjo timero realizującego to zadanie jest niezwykle prosta votd T1roer_lnlt<) 1 TCCO. PER"F CPU/ (LEO_REFRE$HRATE*HJłE IGHT): //Ustaw częstotliwość odświeżania wierszy TCCO. I NTCTCIA-TCJ)VF INTLVL_LO_gcf / Włącz przerwanie nadmiaru . //tnicjacjitransfem wiersza TCCO.CTRLA-TC_CLKSEL_D!Vl_gc:

Jak widzimy, okres timera. a co za tym idzie i częstotliw ość przerw ań regulow ane są w artością rejestru PER Zależy ona od wybranej częstotliw ości odśw ieżania (LED_ REFRESHRATE) i liczby wierszy matrycy. A jaką częstotliwość należ)' wybrać? Minimalną, która zapewni brak widocznego migotania związanego ze sterowaniem multiplekso­ wym Co prawda w typowych warunkach wystarczy odśw ieżanie rzędu 50 - 100 I Iz. lecz w niekorzysinych warunkach przy tak niskich częstotliwościach odświeżania może być widoczne migotanie, stąd tez dla bezpieczeństwa wybierzemy 320 Hz. W elekcie przerwania nadmiaru będą generowane z częstotliwością 32<>*X. czyli 2560 Hz Funkcja obsługi przerwania będzie inicjowała transfer kolejnego wiersza danych, a po osiągnię­ ciu ostatniego wiersza przeprowadzi rcimojalizację źródłow ego rejestru adresowego DMA. tak aby wskazywał na początek bufora pamięci wideo ISR(TCCO_OVF_vect) 1 i f(CMA. CHO.REPCMT—0) ( CMA.CHO.REPCNT-M HE1GHT: //Zakończihsmy skan, więc zacinamy od nowa CMA.CHO.SRCADDRQ*re zakłócenia) przesunie zawartość rejestrów przesuwnych Stąd też sygnał L I wygenerujemy zaraz po zakończeniu w ysyłania danych — stan ten sygnalizuje ustawienie Hagi TXCIF rejestru stanu USART (sygnalizującej, że bufor nadaj­ nika jest pusty, a ostatni bit został wysiany) Ustawienie tej Hagi może wygenerować przerwanie

428

AVR. Praktyczne projekty

ISR (USARTCO_B!C_vect)

{ PORTC OUTTGL-PIN7 bm: /'Generujemy impuls Urobii zapisu do rejestru szeregowego PORTC~OUTTGL=P I N7~bm:

Jak widzimy, jego obsługa sprowadza się tylko do wygenerowania strobu zapisu po­ przez chwilową zmianę stanu pinu PC7. co łatwo zrealizować poprzez zapis do rejestru zmiany stanu bitu portu Skonfigurujmy jeszcze interfejs USART do pracy w trybie SP1 void S P I J n l t O

ł

PORTC. Dt RSET=PIN3_bfH | PINI boi: //Ptn TxD >SCKjest wyjściem USARTCO. CTRLA^USART_TXCIMTLVL_LO_gc: ZOdblokuj przerwanie pustego bufora USARTCO. CTRlB-USART_TXEN_bm: //Odblokuj MOSI i tryb podwójnej szybkości USARTCO. C1RLC=USART CMDDE MSP1 g c : Wybierz tryb SPI. MSB najpierw USARTCO.BAUOCTRLA-OT USARTCO. BAUDCTRLB=0: //SCK=F CPU/2

ł Bity będą wysyłane co 2 takty zegara, a nadanie ostatniego bilu wygeneruje opisane wcześniej przerwanie USARTCO_TXC_vect. co spowoduje przepisanie przesłanych danych wiersza do buforów wyjściowych sterowników. w efekcie odpow iednie wysterowanie diod matrycy W naszym prostym przykładzie po uruchomieniu przesuwana po matrycy będzie pionowa linia. Ponieważ matryce mają ograniczoną liczbę kolumn, więc w celu prezentacji większej liczby informacji wyświetlany tekst (dane) przew ija się lak. aby czytający mógł poznać pełną wiadomość Takie przewijanie moZemy zrealizować poprzez prze­ suwanie bitów w pamięci wideo Tu jednak spotykamy się z ograniczeniem języ ka C — na AVR możemy wykorzystać operacje przesunięć bitowych dla ty pów, jeśli jednak dłu­ gość wiersza przekracza długość najdłuższego typu. to standardowe operacje « i » nie za bardzo się przy dadzą. Można je oczywiście poprawić, stosując napisane w C pro­ ste funkcje realizujące przesunięcia, jednak nic będą one za bardzo efektywne. Stąd t e z w przykładzie wykorzystana została prosta wstawka asemblerowa: votd ASM_R0L(ulnt8_l c n t. u l n t S t *buf)

{ _asti____ vo lat i le _ (

— cle" 99 J 1 : H •• ld _ tn p _ r e g _ . Xa0" M roi _ tn p _ re g _ " M s t 4a0*. _tmp_reg__" — dec 11" brnę 11" : "=e" {buf). " * r" (c n t) : "0“ (b u f). "1" (c n t) : T O " ):

}

" \n \t" " \n \t" " \n \t" * '\n \f " \n \f " \n \t" " \n \t"

Rozdział 14. ♦ LED-y — co z nich można wycisnąć?

429

Powyższa funkcja przesuwa w lewo biły we wskazanym buforze (buf), liczba bajtów w buforze określana jest przez zmienną cnt. Kompilator sam zadba o wygenerowanie ko­ du lądującego adres zmiennej buf do rejestru indeksowego, a zmiennej cnt do rejestru określonego symbolem %1 służącego jako licznik bajtów. Po uruchomieniu przykładu na matrycy bidzie przesuwać się pionowa lima o wysokości 8 wierszy, która będzie zmieniała kolor Dlaczego? Musimy przyjrzeć się strukturze in­ formacji zawartej w opisie wiersza matrycy (rysunek 14 14) Dane dla utfŁiiku 74HC595 (wybór wśeriM)

Dane
i_______________________________________ i. f R i 'd y 1

2

3

4

S

KI 6

7

1

H

Ki

K2 O

R

O

n

M g

R

KS 0

W

K7

K6 G

*

G

n

u

o

R

C

Rysunek 1 4 .1 4 . Dane dła poszczególnych wierszy wysyłane są szeregowo,ja ko pierwsze wysyłane są dane do ostatniej matrycy, jako ostatnie dane dla zatrzasku na bierającego wiersze (rzędy) Każdej wyświetlanej kolumnie od/toniadają dna bitVwybierającejeden z czterech możliwych stanów (wyłączenie, czerwony, zielony i żółty) Jak widzimy, każdy piksel dwukolorowcj matrycy opisywany jest przez dwa sąsiednie bity. a przesuwając bity w pamięci obrazu o jedną pozycję, zmieniamy w efekcie ich kolor Aby przesuwać naszą kreskę bez zmiany koloru, należałoby dokonać przesunię­ cia za każdym razem o dwa bity, czyli np dwukrotnie wywołać funkcję ASM ROL Pokazany przykład w dużym stopniu wykorzystuje możliwości układów peryferyjnych XMF*GA i działa całkiem sprawnie. Jednak warto zastanowić się. czy nie można by go usprawnić poprzez wykorzystanie w jeszcze większym stopniu możliwości sprzęto­ wych mikrokontrolera. W pokazanym przykładzie wąskim gardłem jest konieczność wywoływania funkcji obsługi przerwań generujących sygnał strobu Lii Co prawda jego wygenerowanie to dw ie instrukcje asemblera, ale jak pamiętamy, sama obsługa prze­ rwania przez procesor jest kosztowna, podobnie kosztowne jest wykonanie prologu i epilogu funkc|i obsługi przerwania Co prawda możemy ją napisać w asemblerze, ale nie przyniesie to jakiejś dramatycznej poprawy. Zastanówmy się więc. czy takiego ste­ rowania nie można wykonać całkowicie sprzętowo, bez jakiegokolwiek udziału CPU? Na pozór pomysł len wydaje się absurdalny, ale po bliższym przyjrzeniu się paiblemow i okazuje się. że uniwersalność dostępnych w XMEGA układów peryferyjnych jest na tyle duża. że umożliwia sprzętową realizację nawet tak skomplikowanych schematów sterowania Przykładowa koncepcja wykorzystania zasobów sprzętowych XMEGA do sterow ania matrycą została pokazana na rysunku 14 15. Pokazana konfiguracja wykorzystuje Umer TCC1 do generow ania impulsów strobu zapisu. Każdy wiersz, wysyłany do matrycy składa sic z określonej liczby bitów [dokładnie jest to (M_WITDTH*1)*8 bilów] Jeśli liczbę bilów wpiszemy do rejestru PER. to dokładnie po zakończeniu transferu wiersza Umer wygeneruje zdarzenie overflo\v. które możemy wy­ korzystać do generowania sygnału strobu zapisu Jak pamiętamy, zdarzenia z kanałów zdarzeń możemy w prost wyprowadzić na wy brane piny portów- IO. dzięki czemu są one dostępne dla układów' zewnętrznych. Jednocześnie tuner taktowany jest sygnałem zegarowym interfejsu SPI. co zapewnia w łaściwą synchronizację zliczania, w elekcie

430

AVR. Praktyczne projekty

Rysunek 1 4 .1 5 . Koncepcja sterowania matrycą UiD Interfejs US.-IRTpracuje i r trybie SPI, i r przypadku dostępności miejsca vr buforze nadajnika generowanyjest sygnał wyzwalający transfer bajtu z bajora obrazu do bufora nadajnika DMA pracuje w trybie z autopowtarzantem. i r nieskończonejpętli. Generowany-prze: SPI sygnał zegarowy transmitowanyjest przez kanał I systemu zdarzeń do tunera, gdziejest wykorzystywany jako sygnał zegarowy. W efekcie tirner TCC1 zlicza impulsy zegarowe tzlicza wysłane bity K Zakres tunera jest tak dobrany, aby po zliczeniu liczby bitów odpowiadającej liczbie hitów w wierszu generowane było zdarzenie overf1ow Zdarzenie to jest transmitowane przez kanał CHO na pin PJNC7. Ponieważ zdarzenie trwa dokładniejeden takt CLKper. idealnie nadaje sięjako sygnał strobu zapisu zatrzasków impulsy l.E są generowane dokładnie po zakończeniu transferu wiersza. Sama szybkość odświeżania w tym przypadku kontrolowana jest przez szybkość wysyłania danych przez interfejs SPI. Ponieważ transfer danych do matrycy realizow any jest całkowicie przez układy |>eiyfciyjnc mikrokontrolera, jego rola ogranicza się tylko do ich właściwej konfi­ guracji. Przejdźmy więc do realizacji powyższej idei — kod przykładu znajduje się w katalogu Przy kłady U iD AlatrycaEtrobe. Tak jak poprzednio bufor zawierający dane o stanie matrycy znajdzie się w tablicy: u l nt8_t Bufor[M_HE1GHT][M_MITDTH*1]: Ostatni element każdego wiersza zawiera stan zatrzasku wy boru wierszy ( 741IC 595). w efekcie jego wartość jest zdefiniowana tak jak w poprzednim przykładzie. Musimy jeszcze po kolei zainicjować peryferia Zacznijmy od Umera, co zapewni nam poniższa funkcja: vold TlrocrEv_lnlt()

i

TCC1.PER»(M WITDTH+1)*8-1:

//Liczba bitów transmisji

Rozdział 14. ♦ LED-y — co z nich można wycisnąć?

TCC1 .CTRLA-TC_ClK$El_EVCHl_gc: EVSYS_CHOHUX=EVSVS CHMUX TCC10YF gc:

PORTC. DiRSET^PIN7 bm; PORTC.0UTCLR=PlH7_bm:

431

/-Tumrr taktowanyjest z EWHL czyli impulsami //taksującymi transmisję Sf*l /'Jarzenie nadmiaru będzie transmitowane //do E W HO //PC7Jtst wyjściem, na klórjm będzie E ł’ CHO

PORTCFG CLKEV0UT-PCRTCFG_EV(X/T_PC7 gc: //Udostępnij wyjście z ewnt system na PCI PORTCFG”EYOUTSEL=-POfiTCFG_EVOUTSEL Ó gc: //Na PC 7jest kanał El _C7/0 ) Jak widzimy. Umer jcsl skonfigurowany tak. aby przepełnienie następowało po przeiransmitowaniu wszystkich lutów wiersza Zdarzenia nadm iaru transmitowane będą poprzez CHO na pin PIHC7 Jednocześnie impulsami napędzającym i tuner będzie prze­ bieg zegarowy generow any przez układ SPI: votd SP IJnU O { PORTC.OUTCLR=PINl_bm: PORTC.DlRSET=PIH3_bm | PIMl_bfn: //Pm TxD i SCKjest wyjściem PORTC. P!H1C7F.L=P0RT ISC_Rls7fW_gc: //SCK generuje zdarzenie na zboczu narastającym EVSYS_CHlHUX-EySyS_OWUX_PCftTC_PlNl_gc: //Transmitowane cło kanału zdarzeń nr l USARTCO.CTRLB=USART TXEN_bm: //OdblokiyMOS! U5ARTC0. CTP.LC-USART CMODE KSP!_gc: //Wybierz tn b SPI. MStf najpierw USARTCO.BAUDCTRLA=(F_CPU/<
Rozdział 14. ♦ LED-y — co z nich można wycisnąć?

433

Pęlla la jednocześnie przesuw a tekst na matrycy o 2 bity w lewo (jeden piksel) i nn zw olnione miejsce wprowadza inform ację o kolejnej kolum nie w yśw ietlanego tekstu. K olejne trzy linie odpow iedzialne są za zm ianę koloru napisu i opóźnienie pomiędzy kolejnymi przesunięciami currcol=(currcol+l) '£ txtcol: i f(currcoi-"*0) kolor-
Zmteńkolor

I to wszystko — po uruchomieniu przykładu powinniśmy zobaczyć przesuwający się napis. Być może przesuw nie będzie idealny, szczególnie przy większych szybkościach — jest to zw iązane z brakiem podwójnego buforowania pamięci matrycy Problemy tego typu zostaną szerzej omów ione w dalszej części książki .lak dużą m atrycą potrafi sterow ać w tym trybie XMHGA? B ędzie to zależało od w y­ branej częstotliw ości odświeżania i liczby kolorów (m atryca m onochromatyczna, dw ukolorow a lub RGB). Poniew aż SPI może działać m aksym alnie z szybkością rów ­ ną połowie CLKper. stąd też kolejne bity możemy wysyłać z częstotliw ością 16 M H z W efekcie jeśli chcem y zapew nić częstotliw ość odśw ieżania rów ną 300 Hz, zdążym y pomiędzy kolejnymi ramkami w ysiać ponad 6600 bitów. Um ożliwi to sterowanie ty­ loma właśnie kolumnami matrycy m onochromatycznej lub ponad 2200 kolumnami matrycy RGB W idzimy więc, że za pom ocą X M EGA m ożem y zrealizow ać sterow a­ nie całkiem sporym i matrycam i, w dodatku CPU jest praktycznie w olny i może zająć się tw orzeniem efektów , np. animacji Tak naprawdę bez problemu możem y sterować matrycam i nawet 3-krotnic większym i — wystarczy pokazany schemat sterowania zm ultiplikow ać. w ykorzystując kolejne kanały DMA i interfejsy USART/SPI. O czy­ wiście nie musim y tworzyć matryc o wysokości zaledw ie X w ierszy W ystarczy nasze długie wiersze „zawinąć , układając je w kolejne wiersze, zupełnie analogicznie do triku zastosow anego w kontrolerach wyśw ietlaczy alfanum erycznych 4 -w ierszowyeh Z drugiej strony ciągle dysponujem y znacznym nadmiarem m ocy. m oże spróbow ać j ą w ykorzystać do bardziej zaaw ansow anego sterow ania m atrycą?

PWM inaczej, czyli jak uzyskać odcienie kolorów Do tej pory sterowanie m atrycą polegało na w łączeniu lub w yłączeniu odpowiedniej diody Dla m atrycy, której piksele składają się z 2 łub 3 LE D -ów . możemy w ten spo­ sób uzyskać odpow iednio 3 luli X kolorów (+ w yłączenie LED . czyli czerń). Jednak intensyw nością świecenia LED m ożna sterować, w efekcie uzyskując różne natężenie barwy. M ieszając różne natężenia barw podstawowych, m ożna uzyskać wrażenie roż­ nych kolorów. Jeśli nn przykład w użytej matrycy dwu kolorow ej włączymy jednocze­ śnie diodę zieloną i czerw oną, to uzyskamy kolor żółty W ten sposób możem y uzy­ skać praw ie wszy stkie rozpoznaw ane pizez człowieku kolory. W jaki sposób sterow ać intensyw nością barwy? D okładnie tak jak robiliśmy to w cześniej — z w ykorzysta­ niem PW M Jeśli poszczególne diody będą sterow ane przebiegiem o różnym w ypeł­ nieniu. to nasza matry ca ożyje w ieloma kolorami pośrednim i Jak w ięc zrealizować sterowanie? Tu niestety sprzętow e kanały PWM dostępne w XM EGA nam się nie przydadzą — diodami sterujemy za pom ocą pośredniczących rejestrów opartych na

434

AVR. Praktyczne projekty

SCT2024. Co prawda nie wykorzystamy możliwości generowania przebiegu PWM przez timciyr. ale to nic znaczy. ze musimy od razu do sterowania zaprząc procesor Prosty trik pokazany na rysunku 14 16 rozwiąże nam problem sterowania.

Rysunek 14.16. Generowanie przebiegu PUM z wykorzystaniem map bitowych 11' kolejnych punktach czasowych CPU odczytuje bajt danych (kolumnę na pokazanym schemacie) i wysyła jej zawartość na wybrane piny /O. IV efekcie stan wysoki na danym pinie utrzymuje się tak długo, ja k długo na odpowiedniej pozy cji odpowiadający mu bil ma wartość ł l i ten sposób niosemy w prosty sposób uzyskać przebiegi PWM na dowolnej liczbie pinów IO czy tez na dowolnej liczbie wyjść rejestrów szeregowych Kod przykładu oparty na tej zasadzie znajduje się w katalogu Przykłady LED \la tryca inultikoior Aby zrealizować opisany wcześniej sposób sterowania jasnością LED poprze/, zmianę wypełnienia impulsu sterującego, nie musimy zbytnio modyfikować naszego wcześniej­ szego programu Jedyne, co musimy zrobić, to wprowadzić do tablicy przechowującej informacje o tworzonym obrazie dodatkowy wymiar — wartości pikseli w tym wymia­ na: określać będą intensywność koloru W związku z czym definicja naszej tablicy wyglądać będzie tak jak poniżej: u t n t 8 _ t BuforIM _COLOR][H_H£ IGHT][M_MITDTH*1]:

Wprowadziliśmy nowy wymiar M C O LO R określający liczbę możliwych odcieni koloru (szerokość impulsu sterującego) Co ważne, kolor nie jest kodowany poprzez liczbę określającą jego intensywność, lecz przez liczbę jedynek w tym dodatkowym wymiarze tablicy- (rysunek 14.17). Co ciekawe, oprócz dodania nowego wymiaru do tablicy zawierającej dane o obrazie w programie właściwie nic się nie zmieniło Musimy tylko wprowadzić kosmetyczną poprawkę zmieniającą sposób wyliczania wymaganej szybkości transmisji SPI. tak aby uwzględniała liczbę kolorów': USARTCO. BAUDCTRLA- (F_CPU/ ( (M_WITDTH* 1) *M_HE IGHT#8Ul*lED_REFRESHRATE*M_C0L0R >)- 1:

//Oblicz wymagany transfer «•zaleiności od odśwtcionia. wielkości matrycy i liczby katarów

Rozdział 14. ♦ LED-y — co z nich można wycisnąć?

435

Kofuim o D

Płaszczyzna 4

Płaszczyzna 1

2

3

1 1 1 1 1 l i l i i i t i i i i i i i i i / i i

Płaszczyzna 3 i i i i i i i i i

Płaszczyzna 2

1

4

S

6

7

o o oy 6

i o 1 o

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l i l i i

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

K o lu m n a 5

K o lu m n a 6

K o lu m n a 7

n

_ j n ___ f

muiMruw

Rysunek 14.17. Sposób kodowania koloru przy sterowaniu jasnością za pomocą P ifflf Pamięć obrazu składa się z płaszczyzn. Jest ich tył’e, iłe różnych odcieni koloru podstawowego chcemy uzyskać. U’naszym przykładzie -ł płaszczyzny umożliwiają uzyskanie -ł odcieni koloru {plus piąty, czyli brak koloni) Liczba bitów o wartości 1 determinuje szerokość impulsu PWM. a co za tym idziejasność świecenia Każda płaszczyzna to obraz kompletnej ramki obrazu. Xa schemacie obok przedstawiono też przykładowe impulsy generowane przez pokazaną macierz Strzałkami zaznaczono początek ramki Pierwszy impuls powoduje przesłanie zawartości płaszczyzny nr I. ir efekcie stan wszystkich wyjść zmienia się na I {tablica ta zawiera samejedynki). Kolejny impuls powoduje przesłanie zawartości płaszczyzny nr 2 Xa tej płaszczyźnie bit}' odpowiadające kolumnie nr 7 matrycy są wyzerowane, u efekcie sterowane przez nie diody zostaną wyłączone Kolejny impuls przesyła zawartość płaszczyzny nr 3 na tej płaszczyźnie wyłączone są diody kolumny 7 oraz kolumny 6 Stąd tei diody w kolumnie nr 6 świecą o jeden impuls dłużej to 25% dla naszego 4-płaxzczy znów ego sterowania). Czw arty impuls pow oduje przesłanie zawartości płaszczyzny nr 4, na które/ wyłączone są kolumny 7. 6 i 5. W efekcie diody kolumny 7 świecą przez 25% czasu, kolumny 6 przez 50% czasu, a kolumny 5 przez 75% czasu. Proporcjonalnie zmienia się więc obserwowanajasność ich świecenia. Kołę/ny impuls powoduje ponowne przesłanie płaszczyzny nr ł i rozpoczęcie cyklu wyśw ietlania oiłnow a Jak widzimy, im więcej odcieni kolom chcemy uzyskać, tym hardziej zwiększa się roz­ miar tablic)' Bufor, w elekcie musimy przesłać większą liczbę danych i szybciej taktować interfejs SPI Dlatego aby uzyskać wystarczające szybkości przesyłu danych, co zapewni stabilny obraz, zwiększono taktowanie CPU do 32 M H z — dla naszego przykładu jest to przesada, lecz. większe szybkości taktowania m ogą być wym agane do sterowania większymi matrycami LED

Wskazówka

M a k sy m a ln a szy b k o ść przesyłu danych przez SPI w praktyce determ inuje m a ksy ­ m a ln ą m o żliw ą do u z y sk a n ia liczb ę o d c ie n i koloru.

436

AVR. Praktyczne projekty

Co ciekawe, jeśli będziemy sterować matrycą RGB. to wymogi nu pasmo SPI i pa­ mięć na bufor obrazu w zrosną tylko o 1/3. Dla takiej matrycy przy zastosowanej głębi 8-kolorowcj uzyskamy 8A3. czyli 512 kolorów W praktyce je st to liczba wystarczają­ ca do prezentacji dowolnych obrazów, zaw sze tez liczbę kolorów możemy zwiększyć, w tym celu wystarczy zmienić definicję symbolu H COLOR Jak widzimy, zaletą pokazanego sposobu generowania PWM jest możliwość uzyskania praktycznie dowolnej liczby kanałów PWM przy minimalnym zaangażowaniu proce­ sora Jednak płacimy za to cenę. jak ą jest większe zużycie pam ięci, która wymagana jest do przechowania mapy bitowej określającej stan wyjść Po uruchomieniu naszego przykładu każda z 3 matryc pow inna wyśw ietlać nieco inny obraz. Pierwsza powinna pokazać wszystkie 64 kombinacje koloni (dla matrycy 2-kolorowcj). druga i trzecia powinny w yśw ietlać 8 gradientów koloru, odpow iednio czerw onego i zielonego.

Rozdział 15.

Układy zegarowe w praktyce Mikrokontrolery XMHGA dysponująjcdnyin 16-bitowym (serie A . B. D) lub 32-bitowym (podrodzma A 3) układem RTC (ang R eal linie counter). Sam skrót RTC moZe być nieco mylący, gdyż jest kojarzony z układami zegarowymi i kalendarzowymi (ang. R eal linie clock/calendar), podczas gdy X M EG A dysponują tylko układem licznikowym. Jednak funkcjonalność obu typu układów RTC jest podobna i RTC XM EGA po dodaniu nie­ wielkiej ilości kodu doskonale sprawdza się w roli układu kalendarzowego. Zanim je d ­ nak pokazane zostaną kody um ożliw iające użycie układu RTC X M EG A jak o pełno­ prawnego układu kalendarzow ego, zobaczm y, ja k ten układ jest zrealizow any i jakim i m ożliw ościam i dysponuje W przypadku niektórych układów m in, serii A3 mamy do dyspozycji 32-bitowy układ RTC, pozostałe XMEGA dysponują tylko układem 16-bilowym. Dodatkowo serie A3 dyspo­ nują w ejściem podtrzymywania bateryjnego 32-bitowcgo modułu RTC. dzięki czemu w tych procesorach układ zegarowy może być odporny na zaniki zasilania, w efekcie u pełni za­ stępuje zewnętrzne układy RTC. W pozostałych seriach XMF.GA musimy sami zadbać, aby nic doszło do zaniku zasilania, co spow oduje utratę inform acji o czasie. Poza długością układu licznikowego oba układy RTC dysponują podobnymi funkcjami ♦ m ożliw ością w yboru źródła zegara taktującego układ RTC; ♦ program ow alnym preskalciem ; ♦ rejestrem porów nania, klóry m ozc generować przerw anie: ♦ rejestrem określającym okres zegara um ożliw iającym precyzyjną kalibrację układu RTC.

438

AVR. Praktyczne projekty

RTC czy... RTC? Czyść czytelników zapewne od razu pomyśli — po co używać wewnętrznego układu RTC, który trzeba oprogramować, skoro za pary złotych można dodać układ zewnętrzny o pełnej funkcjonalności kalendarza? Oczywiście jak zaw sze w szystko zależy w dużej mierze od indywidualnych upodobań i doświadczeń projektanta układu Lecz w yko­ rzystanie wewnętrznego układu RTC przede wszystkim umożliwia zaoszczędzenie miejsca na płytce (nie musimy dodawać kolejnego układu scalonego wraz z elementami dodatkowymi), co przekłada się nie tylko na mniejsze koszty, ale także na uproszczenie układu (np brak konieczności wykorzystania magistrali I2C do komunikacji z układem RTC) Dodatkowo układ RTC procesora jest bardziej uniwersalny — możemy go wyko­ rzystać do programowania praktycznie dowolnych odcinków czasowy ch. Podobnie kali­ bracja układu RTC procesora przebiega łatw iej dzięki możliwości kalibracji programowej W zewnętrznych układach R TC kalibracja przebiega poprzez dostrojenie trymera, co jednak jest trudne do automatyzacji i mesie ryzyko odstrojenia (w końcu tiym cr to zwykły element mechaniczny, narażony np. na wstrząsy czy zmianę warunków środowi­ ska). Podobnie kwarc zegarkowy służący do generow ania przebiegu wzorcowego dla układu RTC może zostać użyty do kalibracji innych źródeł zegara procesora, co umożliwia zre­ zygnowanie z dodatkowego kw arcu służącego do generowania przebiegu zegarowego taktującego mikrokontroler — znowu możemy uprościć układ, zmniejszyć ilość elem en­ tów zewnętrznych i co za tym idzie cenę gotowego układu — więcej na temat funkcji D F IJ. dowiesz się z rozdziału 9., poświęconego źródłom przebiegu taktującego Pew ną wadą układu RTC procesora jest konieczność zapewnienia zasilania awaryjnego (Z wyjątkiem procesorów serii A T które m ają to rozwiązane sprzętowo) oraz koniecz­ ność programowego wchodzenia w tryb oszczędzania energii Jednocześnie układ RTC procesora pobiera nieznacznie większy prąd w spoczynku, co jednak szczególnie w ukła­ dach budowanych amatorsko nic ma najm niejszego znaczenia — prąd len jest i tak mniejszy niż prąd samorozladownma użytych baterii, w efekcie nie wpływa to znacząco na czas pracy układu W arto pamiętać, ze zewnętrzne układy kalendarzowe też w ym agają oprogramowania (chociażby kom unikacji po I2C oraz pew nego przetw arzania uzyskanych danych), w efekcie użycie wewnętrznego RTC je st lepszym i tańszym rozwiązaniem.

16-bitow y u k ła d RTC 16-bitowy układ RTC występuje we w szystkich rodzinach procesorów XMEGA Ma on podobną budowę niezależnie od procesora, co ułatw ia pisanie uniwersalnego kodu obsługi. Układ ten składa się z kilku modułów (rysunek 15.1). Układ ten składa się z kilku rejestrów określających konfigurację i stan modułu, opisanych w strukturze RTC_t Składa się ona z pól CTRL. STATUS. IMTCTRL, IHTFLAGS, TEMP. CHT. PER i CCMP odpowiadających poszczególnym rejestrom układu RTC. do których możemy się

Rozdział 15. ♦ Układy zegarowe w praktyce

439

Externoi Cłock TOSC1 TOSC2

IEH

32.768kHz Cryslal Osc 32.768kHz Int Osc t 32kHz int U L P (DtV32)

h fl

o < Co N)

O < co

RTCSRC TOPI Overflow

*match7

Cornparu

R y s u n e k 1 5 . 1 . Schemat funtowy 16-fulowego układu R 1V procesorów WtEGA. W jeg o skład wchodzi zegar taktujący, opcjonalny preskaler zegara oraz kifka rejestrów konfiguracyjnych

odwoływać bezpośrednio poprzez symbol RTC Pierwsz\in etapem konfiguracji jest wybór zegara taktującego układ RTC. Do wy bom mamy zewnętrzny kwarc 32 768 Hz. łub zewnętizny zegar podany na wejście TO SC t, wewnętrzny generator RC 32 768 IIz lub wewnętrzny generator 32 ki Iz o niskim poborze mocy.

Wikarówka

Więcej o układach generatorów zegara dla XMEGA dowiesz s ię z rozdziału 9., poświę­ conego źródłom zegara.

Układ zegarowy taktujący licznik układu RTC wybieramy, w pisując jeden z symboli pokazanych w tabeli 15.1 do rejestru kontrolnego układu w yboru zegara RTC (rejestr RTCCTRL) Rejestr ten nie wchodzi w skład samego układu RTC. lecz w skład układu kontroli zegara procesora (struktura CUC_t. symbol CLK)

Wskazówka

Pam iętaj, że aby układ RTC mógł poprawnie działać, wybrane źródło zegara m usi być aktywne.

T a b e la 1 5 .1 .

Źródła zegara układu RTC

W a r t o ś ć lic z b o w a

Sym bol

Ź r ó d ło z e g a r a

0 2

CLK_RTCSRC_ULP_gc

1 ki Iz Z generatora 32 ki Iz ULP

CLK_RTCSRC_TOSC_gc

1024 Hz z kwarcu podłączonego do wejść TOSC

4

CLK_RTC$RC_RCOSC_gc

1 kHz z wewnętrznego oscylatora RC

10

CLK_RTCSRCJT0SC32_gc

32 768 IIz z kwarcu podpiętego pod wejścia TOSC

440

AVR. Praktyczne projekty

W praktyce oznacza to. ze przed wyborem źródła zegara należy to źródło najpierw poprawnie skonfigurować i włączyć. Jak to zrobić, dowiedziałeś się z rozdziału poświęco­ nego konfiguracji zegarów w procesorze XM EGA. Co w ażne, prcskalcry zegara sys­ tem ow ego nie m ają zastosow ania dla RTC — układ ten posiada własny preskaler. niezależny od preskalerów zw iązanych z generowaniem sygnału taktującego moduły peryferyjne i rdzeń procesora Jeśli na przykład chcem y, aby źródłem zegara taktują­ cego RTC był zew nętrzny kwarc zegarkow y, musimy najpierw odblokować związany z nim oscylator ¥ OSC_XOSCCTRLaOSC_XOSCSEL_32KHz_gc: W y b te r z kwarc zegarkowy 0$C_CTRL |=OSC_XOŚCEN_bm: //Odblokuj oscy iator

Jak widać, odblokow anie danego oscylatora wygląda analogicznie jak przy w ykorzy­ staniu go jako źródła zegara taktującego procesor Różnice pojawiają się przy kolejnych krokach. Zegar taktujący RTC wybieramy, wpisując do rejestru RTCCTRl jed n ą z pokazanych w ta­ beli 15 1 stałych, np : CLK_RTCCTRL=CLK_RTCSRC_rOSC_gc:

/,'Zewnętrzny kwarc S2768 J l: dzielony przez S2

W powyższym przykładzie wybraliśmy zewnętrzny oscylator 32 76S I łz (kwarc zegarko­ wy). którego częstotliwość przed podaniem jej na preskaler RTC jest dzielona przez 32 — tak w ięc preskaler jest taktow any przebiegiem o częstotliw ości 1024 Hz. Kolejną rzeczą jest udostępnienie w ybranego oscylatora dla układu RTC — odbyw a się to przez ustaw ienie bitu RTCEN rejestru RTCCTRL CU_RTCCTRL| -ClK_RTCENJwi:

Wskazówka

W łącz wybrany oscylator dla RTC

W powyższym kodzie należy zwrócić uwagę na wykorzystanie operatora sumy bitowej (|) przy dostępie do rejestru kontrolnego. Dzięki temu wpisanie nowej wartości nie zmieni bitów odpowiedzialnych za wcześniej dokonany wybór oscylatora. Dla w ybranego oscylatora musimy pam iętać o podłączeniu zew nętrznego kw arcu (ry­ sunek 15.2).

R ysunek 1 5 .2 . Podłączenie zewnętrznego kwarcu zegarkowego do wyprowadzeń TOSCł t 7WSC2 mikrokontrolera Kondensatory C l - C2 są opcjonalne, dobiera się je «• zależności o/ł typu użytego kwarcu. Typowo ich wartość mieści się u- przedziale S J6 pF. Należy bardzo starannie zaprojektować tę część układu jest ona niezwykle wrażliwa na zakłócenia, stąd tez wokół kwarcu nie powinno się prow adzić ścieżek przewodzących duże prądy (szczególnie impulsowe)

442

AVR. Praktyczne projekty

są pizcchouywane w tymczasowych buforach. Dopiero zapis do starczych połówek powyższych rejestrów aktywuje proces synchronizacji — jednocześnie cala 16-bitowa wartość tymczasowa jest przepisywana do odpowiedniego rejestru RTC. Umożliwia to uaktualnianie odpowiednich rejestrów w trakcie jednego taktu zegara RTC

Wsluzówkj

P ro ce su synchronizacji nie aktywuje zap isu do starszej połowy rejestru PER — aby jego w a rto ść z o s ta ła u a k tu a ln io n a , m u sim y d o k o n a ć za p isu d o k tó re g o ś z p o zo sta łych rejestró w RTC (np. CMT, CTRL lu b COMP).

Umożliwia to zmianę rejestru PER i dowolnego innego rejestru w trakcie jednego okresu zegara taktującego RTC. Musimy tez pamiętać, że układ R FC posiada tylko jeden re­ jestr tymczasowy TEMP (podobnie jak inne podsystemy peryferyjne), tak więc jednora­ zowo możemy uzy skać dostęp tylko do jednego rejestru 16-bitowego. Dostęp do kolej­ nego jest możliwy dopiero po odczycie lub zapisie całego 16-bilowcgo rejestru. Przed ponownym zapisem do wymienionych wyżej rejestrów RTC musimy się przekonać, że poprzedni proces synchronizacji uległ zakończeniu. W tym celu należy testować Hagę s y n c b u s y rejestru STATUS Zapewnia nam to poniższa funkcja s t a t lc In lłn e vold w ait_for_RTC_sync()

{ xh i Ie( RTC .STATUS A RTC_SYNC8 USY_bn») :

Czekaj, a: flaga SYNCBUSY się wyzeruje

Funkcja ta czeka, aż llaga SYNCBUSY zostanie wyzerowana W ystarczy, że umieścimy jej wywołanie przed i po dostępie do rejestrów RTC wymagających synchronizacji RTC. PER=32768: RTC.CNT-0:

//IV ciągu sekundy mamy 32~68 okresów zegara

wa i t_for_RTC_syr>c():

//Poczekaj na synchronizację rejestrów CNT i PF.H

K(xl ilustrujący powyższe informacje znajduje się w katalogu Przykłady RTCIóbilRTC'p2

Wskazówka

W arto też zauw ażyć, że przy d o s tę p ie do 16-bitow ych rejestró w nie m u sim y oddziel­ nie odw oływ ać s ię do ich m łod szych i sta rszy ch połów ek. W C m o że m y odw oływ ać s ię o d razu do ca łe g o 16-bitow ego rejestru — ko m p ila to r sa m zad b a o w ygenerow a­ nie odpow iedniej sekw encji dostępu. Podobnie przy d o stę p ie d a rejestrów 32-bitowych w przypadku p o d syste m u R T C 3 2 m ożem y odw oływ ać s ię od razu do pełnego 32bitow ego rejestru.

Rejestry PER i COMP Układ RTC posiada 16-bitowc rejestry COMP (ang. Counter Com pare Register) i PER (ang. Counter P eriod Register), których zawartość jest stale porównywana z. rejestrem licznika (CNT) układu RTC. Jeśli wartość CNT jest równa wartości rejestrów COMP lub PER. to jest ustawiana Haga COMPIF lub 0VF1F rejestru Hag układu RTC (IM TFLA 6 S). Dodatkowo może być generowane przerwanie o wektorze odpowiednio RTC_COMP_vect łub RTC_OVF_vect. Oba rejestry mają nieco inne zastosowanie. Rejestr PER jest odpo­ wiedzialny za określenie maksymalnej wartości, do której zlicza licznik CMT Po jej

Rozdział 15. ♦ Układy zegarowe w praktyce

443

osiągnięciu rejestr CHT jest zerowany, ustawiana jest Haga 0VFIF i w zależności od konfiguracji — generowane jest przerwanie RTC_OVF_vect Jak w idzim y, rejestr ten umożliwia określenie okresu układu RTC. co może zostać w ykorzystane do kalibracji taktującego go oscylatora Jeśli rzeczywista częstotliwość generatora kwarcowego wynosi nie 32 76X I Iz, lecz np 32 (KM) I Iz, to różnicę możemy skompensować, w pi­ sując do rejestru PER wartość 32000 Dzięki temu zliczanie sekund będzie przebiegało prawidłowo. Co więcej, taką kom pensację można wykonać program owo w dowolnej chwili, posługując się jakim ś przebiegiem wzorcowym. U m ożliwia to łatw ą kalibrację układu bez ingerencji w je g o część elektroniczną. Jednak aby taka kalibracja była do­ kładna. układ RTC musi być taktowany przebiegiem zegarowym o możliwie dużej czę­ stotliwości, co w praktyce wyklucza stosowanie preskalera W sytuacji, w której rejestr CHT zlicza np sekundy, rejestr PER możemy wykorzystać do generowania przerwań, w któ­ rych zliczane sąn p . minuty. W tym celu do wejścia układu RTC doprowadzamy prze­ bieg o częstotliwości np l Hz. a rejestr PER ustawiamy na w artość 60 Dzięki temu CHT będzie licznikiem sekund, a przerwanie RTC_0VF_vect będzie generowane co minutę W takiej sytuacji tracimy możliwość programowej kalibracji odchyleń układu generujące­ go przebieg zegarowy, co jednak nic jest w ielką stratą, gdyż. dobre kwarce zegarkow e m ają dokładność lepszą niż 20 ppm Drugim rejestrom zw iązanym z pracą licznika RTC jest rejestr COMP Jego w artość również jest stale porównywana z wartością licznika CHT. a w sytuacji, kiedy oba są równe, licznik CHT nie jest zerowany, lecz dalej zlicza, do wartości określonej rejestrem PER Kiedy za­ chodzi równość C0MP==CHT. ustawiana jest flaga COMPIF i w zależności od konfiguracji generowane je st przerwanie o wektorze RTC_C0MP_vect. Typow e wykorzystanie reje­ stru COMP to ustawienie tzw alarmu. Dzięki temu możemy np wybudzić procesor po zadanym czasie (w zależności od wybranego źródłu zegara i preskalera może to być nawet 65 536 sekund). Zobaczmy więc na prostym przykładzie, jak wykorzystać te rejestry do budowy układu RTC z m ożliw ością programowej kalibracji i zliczania sekund Omaw iany przykład znajduje się w katalogu Przykłady RTC łóhitRTCp3. Najpierw w znany juz sposób skonfigurujemy układ RTC. tak aby by 1 taktowany z ze­ wnętrznego kwarcu zegarkowego: OSC_XOSCCTRl-OSC_XOSCSEL_32KHz_gc: 0SC_C7RL | =0SC_X0SCEM_bm:

//Wybierz h*arę zegarkowy Odblokuj oscylator

CU RTCCrRL=CLK_RTCSRC_TOSC32_gc: CLK_RTCCTRL| "CLK_R7CEM_bm:

//Z e w n ę trztty 6. w e S 2 76 8 H z //Włącz w yb ra n y oscylator dla RTC

RTC.PER-32768: RTC.CNT-O: watt_for_RTC_sync():

//W ciągu sch/ncĄ- mamy 52~68 okresów zegara //Poczeka/ na synchronizacją rejestrów C’.\T t PER

Przy okazji określony został okres RTC za pom ocą rejestru PER na 32768 Dla kwarcu zegarkow ego da nam to przepełnienie CMT dokładnie co je d n ą sekundę W pisując inną wartość do tego rejestru, możemy dokonać kalibracji układu RTC — wartość ta powinna dokładnie odpowiadać częstotliwości wykorzystanego oscylatora. Na kolejnym etapie od­ blokujemy przerwanie przepełnienia RTC. dzięki czemu możliwe będzie zliczanie sekund:

Rozdział 15. ♦ Układy zegarowe w praktyce

445

RTC w trybie uśpienia Ze względu na konieczność synchronizacji domen zegarow ych RTC może w ybudzać procesor, jednak me częściej niż raz na cztery cykle zegara taktujqcego RTC (zegara doprowadzonego do wejścia prcskalcra. podział na prcskalcrzc nic ma znaczenia) Jeśli chcielibyśmy wybudzać procesor częściej, to niektóre sygnały m ogą zostać zgubione Np. jeśli ustawimy wybudzanie co dwa takty zegara RTC. to procesor zostanie efek­ tywnie wybudzony raz na dwa przerwania RTC. W efekcie co drugie będzie gubione.

32-bitow y u k ła d RTC Podrodzina A3 procesorów XMHGA zaw iera 32-bitowy układ RTC. wzbogacony do­ datkow o o możliwość podtrzymania bateryjnego. Dodatkowo w szystkie rejestry (CMT. PER. COMP) zostały* wydłużone do 32-bitów, dzięki czemu RTC może zliczać dłuższe ( K l­ oniki czasu Jednak praktycznie obsługa i inne funkcje RTC wyglądają bardzo podobnie do obsługi i funkcji układu 16-bitowego

Generator sygnału zegarowego 32-bitowy układ RTC różni się od 16-bitowego m ożliw ościam i selekcji zegara. Jako zegar taktując) możemy wykorzystać wyłącznie zewnętrzny generator kwarcowy. ptxlląezony do wejść T O SC / i TOSC2 procesora. Do w yboru mamy w yłącznie dw ie często­ tliwości taktowania RTC — 1024 H z lub I I Iz. W związku z tym nieco mną budowę ma rejestr kontrolny CTRL Nie zawiera on informacji o w ybranym preskalerze. lecz jed y ­ nie bit Enable (stała RTC32_EHABLE_b(ni informujący o w łączeniu układu RTC Układ len może współpracować z systemem podtrzymywania zasilania, dzięki czem u za­ wartość licznika Umera i sain limer pracuje niezależnie od zasilania głównego i MCU. Timor ten pracuje też w oddzielnej dom enie zegarow ej i zasilania. stqd dostęp do m e­ go wymaga odpowiedniej synchronizacji

Rejestry PER i COMP Rejestry te dla 32-bitow ego układu RTC są również 32-bUowc. co umożliwia ich wyko­ rzystanie do porów nania z 32-bilouym licznikiem CMT Zasady dostępu do nich są do­ kładnie takie same jak dla 16-bitowego układu RTC Podobnie m ogą one generować przerw ania; z rejestrem COMP zw iązane jest przerw anie o w ektorze RTC32_C0MP_vect. a z rejestrem PER przerw anie o wektorze RTC32_0VF_vect D robna różnica dotyczy re­ jestru PER Jego dom yślną w artością jest 0. a nie OxFFFFFFFF. co uniem ożliw ia s ta rt u kładu R T C (licznik CNT je st n aty ch m iast zerow any). Zatem oby start był możliwy, musimy ustawić jego wartość początkową, pamiętając, że w szelkie zmiany rejestru PER muszą odbywać się przy wyłączonym układzie RTC.

Rozdział 15. ♦ Układy zegarowe w praktyce

447

Linuksowy marker czasowy Linuksowy marker czasowy (ang. Uaux timestamp) jest bardzo powszechnie wy korzy Mywanym sposobem zapisu czasu. Jest on także czasami nazywany czasem w formacie UNIX lub POSDC. lub po prostu Epoch. Jest lo liczba sekund, jakie upłynęły od l stycznia 1970 roku czasu GMT (czyli w międzynarodowym zapisie od dały 1970-01-0 1T00:00 OD/) Zwykle czas w tym formacie zapisywany jest w postaci 32-bitowej liczby ze znakiem, co prowadzi do pewnego problemu. M ianowicie 19 stycznia 2038 roku tak skonstru­ owany licznik ulegnie przepełnieniu i kolejne daty będą w tym zapisie nieprawidło­ we Problem ten możemy łatwo rozwiązać, stosując do zapisu czasu liczbę 32-bitową bez znaku, lub po prostu przyjąć, żc mamy jeszcze sporo czasu i problem zignorow ać. Jednak w poniższych przykładach przyjęto to pierwsze rozwiązanie, co powoduje, ze o ile nie planujemy naprawdę długiego życia, problem przepełnienia licznika nas nie będzie dotyczył1. W pisanych przez siebie aplikacjach warto przyjąć podobne rozwiązanie zapisu daty jak w systemie GNU/Linux Jak zwykle uczyni to nasz kod łatwiejszym do przeno­ szenia na bardziej ..rozwinięte*' procesory, umożliwi także skorzystanie z gotowych bibliotek konwersji dostępnych w e frumeworku ASF.

Konwersja czasu W poprzednich przykładach pokazane zostało, jak należy skonfigurować układ UTC. aby generował on impulsy dokładnie co Is. posiadamy więc zmienną, która odpowiada pokazanemu wcześniej Iimiksowemu Epoch Możemy więc skorzy stać z licznych goto­ wych i dostępnych w sieci Internet kodów konwersji Epoch d o ..normalnego * formatu daty i czasu. Dla uproszczenia proponuję jednak skorzystać z rozwiązań dostarczonych przez firm ę Atmcl. W Almcl Software Framcwork mamy do dyspozycji dwa pliki: caiendar.h i catendar.c zawierające odpowiednio prototypy i ciula funkcji odpow ie­ dzialnych za różne konwersje z Epoch do daty i czasu oraz odwrotnie Pliki te możemy dodać do własnego projektu „ręcznie” lub automatycznie, w Atmel Studio wybierają­ ce opcję Project A S F \Vizzard„ a następnie dodając usługę Cafendarfim ctionality.

Wikarówka

U sługa ta nie wymaga Jakichkolw iek innych kom ponentów ASF. O ile nie korzystam y ze ste ro w n ik a A S F RTC, to s a m i m u sim y za d b a ć o o d p o w ie d n ią kon fig u racje układu RTC i z lic z a n ie se ku n d .

Jeśli tworzony projekt nic jest oparty na jednej z prekonfigurowanych płytek rozwojo­ wych firmy Almcl. to prawdopodobnie zobaczymy ostrzeżenie takie jak na rysunku 15.3 Ostrzeżenie to możemy zignorować, gdyż jak wcześniej w spomniano, moduł kalenda­ rzowy ASF nie jest zależny od innych komponentów tego 1'rameworku

1 Co prawda lak samo mówiono w lalach 80-tych pr/y oka/ji problemu roku 2000. ale cóż. historia lubi się powtarzać.

Rozdział 15. ♦ Układy zegarowo w praktyce

s t r u c t c a te n d a rjia te { u in t8 _ t second: u in t8 _ t n in u tę : u )n tB _ t hour: u in t3 _ t d a tę : u ln tB _ t Jionth: u in t!6 _ t ye a r: u in tS _ t doyofweek:

449

sekundy < 0-59'-' m inuty• O- <9>

gadziny* 0-23* tkicn 0-30 nu f i ląc ■ 0 -Ił>

rok • I (r0-21Q2 dli en lyżodiua ■ O - m a k ie ta - 6 sobota ■

Jak widzimy, pierwszy dzień każdego miesiąca ma numer 0. a nie 1. podobnie miesiące są numerowane od U. Moduł calendar umożliwia nam łatwą konwersję daty i czasu z postaci liczby 32-bitowej bez znaku na pow yższą strukturę i odw rotnie.

K o n w e rs ja z t im e s t a m p n a c z a s i d a tę Konwersję markera czasowego na czas i datę umożliwili funkcjo ca1endar_tiraestamp_to_ datę. o następującym prototypie. v o ! d c f it c m J a r _ t iiT ie s la T j p _ t o _ d a t e ( u ln t 3 2 _ t

t ir o c s t a r r p .

s t r u c t c a l coda r d a t c

• d a tc o u t):

gdzie timestamp to czas zapisań}’ w formacie liczby całkowitej, który zostanie przekonwertowany. a wynik konwersji zostanie umieszczony w strukturze o adresie wskazanym przez zm ienną d a te o u t. Podobną funkcją jest funkcja o prototypie: v o id c a le n d a r _ t im e s t a n p u ln t 8 _ t

m in .

to jjd te _ t2 ( u fn t3 2 _ t

stru c t

c a le r > d a r _ d a t e

t ir o e s t a n p .

in t 3 _ t

h o u r.

"d a te _ o u U :

która konwertuje timestamp na datę i czas z uwzględnieniem strefy CZaSoWcj Przesunię­ cie strefy czasowej, do której następuje konwersja, określane jest przez argumenty hour i ram — ich w artość zostanie dodana do otrzym anego czasu

K o n w e rs ja z c z a s u i d a ty n a tim e s t a m p W łatwy sposób możemy także przeprow adzić konw ersję odw rotną — z czasu i daty na timestamp. posługując się funkcją u in t 3 2 _ t

c a te n d a r_ d a te _ to _ tm e s te n p fs tru c t

c a !e n d a r_ d a te

'd a t ę ) :

Funkcja ta zw raca poduny czas w postaci liczby 32-bitow cj bez znaku, ew entualny błąd zapisu daty pow oduje. Ze w w yniku konw ersji otrzym ujem y zero MoZemy także skorzystać z drugiej funkcji, uw zględniającej stref} czasow e u in t 3 2 _ t '- ►

u m t6 _ t

c a le n d a r _ d a t e _ t o _ t l n « t d n p _ U ( s t r u c t

ca le n d a r j ia t e

* d a te .

in t 8 _ t

h c o r.

nin):

która dodatkow o w trakcie konw ersji odejm uje przesunięcie czasow e (hour. nun) zw iązane ze strefą czasow ą Także ta funkcja w sy tuacji, gdy cżos lub data podane są niepopraw nie, zw raca zero. W każdej chw ili możemy spraw dzić, czy zm ienna o typie c a le n d a r d a te zaw iera poprawny czas lub datę. za pom ocą funkcji bool c a le n d a r is datę v a I łd ( s tr u c t calendar ciate 'd a tę ) :

450

AVR. Praktyczne projekty

W przypadku, kiedy zmienna datę zawiera poprawną datę (w sensie poprawności za­ pisu). zwracana jest wartość true, w przeciwnym razie — f a ls e (0).

Inn e fu n k c je Modni catendar zawiera także inne funkcje operujące na czasie Możemy do zmiennej o t\ pic calendar_date dodaw ać sekundę za pomocą funkcji: votd calendar add second tu d a te is tru c t ee le n d a rjto te *date):

Zauważmy, ze niw dodać sekundę, me wystarczy zwiększyć wartości pola second struktu­ ry clendar datę. gdyż musimy uwzględnić ewentualny nadmiar (liczba sekund prze­ kracza 59) i stosownie zmodyfikować inne po Ja Możemy także określić liczbę lat. mie­ sięcy, dni, godzin minut i sekund pomiędzy dwoma datami za pomocą funkcji votd calendar_tim e_betw *enjtetes(struct calendar_date *date_end stru ct c«lendór_dite *date_start. s tru c t calendar_date *dat«_cut);

Zmienna da t e e nd zawiera koniec okresu, d a t e s t a r t jego początek, a d a t e o u t w y­ liczoną różnicę N a leży zauw ażyć, że tego s a m e g o e fe ktu nie uzyskam y, korzy sta jąc z o dejm ow ania c z a s u w postać) tim estam p. T a ka ró żn ica n ie uw zględnia np. d n i przestęp nych, które w y s tę p u ją p o m ię d z y p o d a n ym i d a ta m i.

Wikarówka

P rz y k ła d Na koniec zobaczmy, jak można praktycznie wykorzystać wcześniej pokazane funkcje » informacje o RTC do realizacji ukludu kalendarzowego fang Real iwie catendar) Kompletny przykład znajduje się w pliku Przykłady RTC D ałeTim e. Ponieważ same ciupy imcjulizacji RTC zostały szczegółowo opisane wcześnie), tu skupimy się tylko mi wykurzy sianiu markera timestamp do konwersji na czas kalendarzowy W tym celu zdefiniowana zostanie zmienna dt. zawierająca czas w postaci kalendarzowej: struct cateruter_dnte dt - (0. 0. 0 Q. 0 2012}:

Tmumrtaprxchtnnqcczasidałę U* kfut) -czny mJomuK ie

Jak widzimy, została orni od razu zainicjowana — zaw ierać będzie datę I stycznia 2012 roku, godzina 00.00.00 W kolejnym ciupie dokonamy konwersji tak zapisanej dały na format unikatowy ulnl32_t tnfyKra lendar datę to_ttnestanp(&dt):

'KomnrtjaJaty nu marker czasu

AT0M1C BLO CK(ATO M IC R E S T 0 R E S T A 7 E )

I

t Imestisnp-tnip:

7.opa Jo nmatamp te: rnuu b\xt atomowe

) Juk widzim y, w pierwszym etapie konwertujemy czas do zmiennej tmp. która prze­ chowuje go w postaci zgodnej z systemem GNU/I.inux Dopiero w kolejnym kroku przepisujemy tak uzyskany czas w sposób atomowy do zmiennej timestamp Zmienna la jest mkrcmcntowunn co 1 sekundę w funkcji obsługi przerwania nadmiaru RTC. co

Rozdział 15. ♦ Układy zegarowo w praktyce

451

pokazane zostało szczegółow o w poprzednich przykładach O d tego momentu zm ien­ na timestamp zawiera aktualny czas. jaki upłynął od I stycznia 2012 roku Oczywiście oby zawiera)n ona poprawny czas, w programie tmisi istnieć m ożliw ość wprowadze­ nia poprawnej daty przez użytkownika, co zostanie pokazane w innych rozdziałach książki Poniew aż właściwym licznikiem czasu jcsl zm ienna timestamp, za każdym razem, kiedy chcemy uzyskać czas w j>o.staci kalendarzowej, musimy dokonać kon­ wersji z formatu linuksowcgo do formatu kalendarzow ego ATOKIC BLOCK(ATOM1C RESTORESTATE)

( tirę>-t lr.estamp: C8lęnd?r_tin< ?5U m p_to_d3tę( tirp. A d t):

?,
'd la człowieku

WUundwii

Zauw ażm y, z© przed konw ersją je s t niezbędne, aby w artość timestansp nąjpcerw w sp o ­ só b atom ow y p rz e p is a ć d o zm ie n n e j p o m o cn icze j, z któ rej n a s tę p n ie do k o n u je m y k o n w e rsji.

W efekcie zm ienna d t zaw iera aktualny czas i dale w form acie kalendarzowym

C z a s d ro g ą ra d io w ą , c zy li D C F77 Układ RTC mikrokontrolera rozwiązuje nam problem odmierzania czasu, a system pod­ trzymywaniu zasilania zapewnia ciągłość jego zliczania Niemniej aby dysponować nktuulnym czasem, ciągle musimy jakoś zsynchronizować czas odmierzany przez mikro­ kontroler z czasem uniwersalnym. Najprostszym rozwiązaniem jest oczywiście wyposa­ żenie urządzenia w interfejs umożliwiający przeprogram ow anie RTC. tak uby w ska­ zywał na aktualny czas i datę Rozwiązanie to wymaga jednak interfejsu użytkownika (chociażby paru przycisków i wyświetlacza), innym rozw iązaniem jest skorzy sianie /. jakiegoś interfejsu komunikacyjnego, np USB D /jęki temu po podłączeniu urządzenia do kom putera może ono autom atycznie pobrać czas Jednak każde z przedstawionych rozwiązań ma swoje wady. w dodatku układ pozostawiony ..sum sobie ' będzie miul tendencję do rozsynchronizowy wamu się — juk to ju z w ielokrotnie napisano, kw arce tzw. zegarkowe mc grzeszą dokładnością, zazwyczaj nic przekracza ona 20 ppm. nieco lq>tci jest w przypadku ..normalnych" rezonatorów kwarcowych, gdzie można uzyskać dokładność lepszą niż X ppm Większą dokładność m ogąnnm zapewnić specjalne, termo­ statowane generatory zegarowe, jednak stosow anie ich w prostych układach wyłącznie dla zapewniania stabilności RTC mija się z celem Rozwiązaniem powyższych proble­ mów m oże być odbiornik DCF77 Jest to prosty układ (m ożliw y do zbudow ania we własnym zakresie /. elem entów dyskretnych), k lo n stanowi odbiornik fal ultradlugich (77.5 k llz j W dalszej części pokazany jednak zostanie odbiornik DCT77 buzujący nu gotowym module — RB6180B1COB77K5A1 fumy Micro Analog D cyiccs. w którym zastosow ano układ MAS6180B1 A M ' Jego zaletą są niew ielkie rozmiary — sama

' G otow y m oduł kosztuje kilkanaście złotych i m ożna go bez problem u kupie w sklepach Internetow ych.

452

AVR. Praktyczne projekty

płytka odbiornika m a rozmiar)’ 13 na 25 m m D o popraw nego działania w ym aga on jed n eg o pinu IO. za pom ocą którego kom unikuje się z procesorem . Zanim pokazany zostanie przykładow y program w ykorzystujący ten m oduł, m usim y przyjrzeć się tro­ chę bliżej sam em u DCT77

Trochę więcej o DCF77 Sygnał DCI;77 jest nadawany z M amllmgcn w Niemczech, nn częstotliwości 77,5 ki l/ Zawiera on wzorzec czasu synchronizowany zegarem atom owym , co daje mu dokładność rzędu 10 ppm . czyli różnicę I sekundy na m ilion lal T o o stateczn ie rozw iązuje pro­ blem dokładności czasu. W nadaw anym w zorcu zakodow ane są infonnocje o aktual­ nym czasie z dokładnością do 1 sekundy, nadaw ana je st także dala. Poniew aż w arun­ ki odbioru sygnału radiow ego m ogą się zm ieniać, a w spółistniejące zakłócenia m ogą spowodować przekłamania, poszczególne elementy transmitowanych danych są zabezpie­ czone bitam i parzystości G dy są one niepraw idłow e, cały pakicl należy odrzucić Z a ­ bezpieczenie. jakim jest bit parzystości, praktycznie um ożliw ia w ykrycie przekłam ań obejm ujących I bit, w iększe przekłam ania m ogą ujść tej m etodzie detekcji Stąd tez nie m a w ielkiego sensu ..składanie" fragm entów ram ek w c elu odtw orzenia inform a­ cji Sam sy gnał jest m odulow any am plitudow o, co czyni go szczególnie podatnym na zakłócenia W ystarczy um ieścić antenę odbiornika D CF77 w pobliżu kom putera, m o ­ nitora lub naw et budow anego układu cyfrow ego, aby odbiór sial się niem ożliw y Stąd tez w ykorzystując tego typu odbiorniki, milczy dokładnie przem yśleć rozm ieszczenie poszczególnych elem entów w obudow ie, m ożna IcZ oddzielić antenę od reszty układu ekranem . Sygnał DCT'77 nadawany jest z szybkością I bita na sekundę, w ten sposób. Ze bit o w ar­ tości 0 nadaw any test jako obniżenie do 15% m ocy sygnału irw aiąec 100 ms. nato­ miast bit o wartości I nadawany jest jako obniżenie sygnału d o 15% mocy przez 200 ms (rysunek 15 5). Przez pozostule 793 ms nadaw any jest sygnał m odulowany sekw encją pseudolosową (PSK) w laki sposób, ze średnia fazo sygnału pozostaje stała. Przez ostatnie 7 m s sygnał nic jest m odulow any fazow o Taki sygnał jest odbierany przez. m oduł odbiornika, na w yjściu którego uzyskujem y zwykły sygnał cyfrow y, odpow iadający sygnałow i nadaw anem u przez stację DCF77 Ze w zględu na budow ę odbiornika i od ­ porność na zakłócenia należy w prow adzić pew ną tolerancję dla czasów odpow lądują­ cych bitow i 0 lub 1 Zwy kle tolerancja ta zalezy od konkretnego m odułu odbiornika, ale m ożem y przy jąć następujące parametry ♦ bit o w artości 0 kodow any je st przez im puls o czasie (rw ania 4 0 - 130 ms. ♦ bu o w artości I kodow any je st przez im puls o czasie trw ania 140 - 250 m s Nadawane informacje powtarzane są eo minutę, co pozwala nadać 60 bitów informacji, przy czym ostatni (60.) bit nie jest transm itow any, a jego c z a s śluzy do synchronizacji odbioru i um ożliw ia identyfikację początku kolejnej ramki dunyeh .Ink w spom niano, ram ko danych zaw iera 59 bitów' niosących inform ację o czasie i da­ cie. przy czym poszczególne składniki kodow ane są w form acie B C D — to znaczy, ż c kuzdu cyfra dziesiętna jest reprezentow ana p rzez 3 - 4 bity ją kodujące Znaczenie poszczególnych |>ól rekordu DCT’77 pokazano w tabeli 15 3

Rozdział 15. ♦ Układy zegarowo w praktyce

455

czuwania 0,1 pA Do tego jest on niezwykle prosty — wszystko co musimy zrobić, lo podłączyć zasilanie, opcjonalnie podłączyć sygnał umożliwiający przejście modułu w trvb Uśpicuia (P D K P I ) oraz połączyć w yjście T modułu z w ejściem procesora — jest lo odbierany /dekodow any sygnał radiowy

WliJiikrii

W s ie c i d o s tę p n e s ą sch e m a ty deko derów D C F 7 7 opartych n a e le m e n ta ch dyskret­ nych, które m ożna w ykonać w e w łasnym zakre sie . Sygnał u zyskan y z ta kich d e k o d e ­ rów m o ż n a ta k ż e w yk o rzy sta ć w p rze d sta w io n y ch p o n iże j p rzy k ła d a ch .

W ykorzystany m otlul DCF77, podobnie ja k wiele innych m odułów tego typu. posłu­ guje się odw róconą logiką w yjścia danych. To znaczy. Ze w sianie spoczynkowym (brak sygnału łub odbiór przerw y) stan lego wyjścia wynosi 0. natomiast podczas od­ bioru bitu o wartości 1 lub 0 stan tego wyjścia wynosi 1 — odpow iednio przez, ok 100 lub 200 ms W celu przetestowania pokazanego rozwiązania należy zmontować układ elektroniczny, tuk jnk to pokazano w rozdziale 11 . na schemacie 11.4 Dodatkowo wyjście T modułu DCF77 należy połączyć z pinem 1 portu C — łub pinem 2 złącza J J modułu Xplamcd XMI£C?A-A1 Jednocześnie pin PJ (ju tu er dow n) należy ustaw ie w stunie niskim , co odblokowuje nudn|nik Moduł można zasilać ze złącza J4 napięciem 3.3 V W przypadku wykorzystania innego modułu należy połączenia skonsultować '/. jego notą katalogową

Przykład Pomzszy przykład pokazuje, w jaki sposób /dekodować sygnał DCF77. aby uzy skać in­ formacje o czasie Ponieważ czas trwania raniło DCT77 wynosi 60 sekund, program de­ kodujący musi być napisany w taki sposób, aby nic bloktm al mikrokontrolera — w więk­ szości aplikacji nie możemy sobie pozw olić na to. aby m ikrokontroler przez tak długi czas zajmował stg tylko jednym zadaniem — byłoby lo znaczne m arnotraw stw o za«>bów. a tak napisany program działałby w s|x»sob znacznie odbiegający od oczekiwań Stąd tez od razu możemy porzucić pomysły polegające na ciągłym sprawdzaniu stanu pinu lO czy' leż użyciu funkcji z nagłówka (łchw.h Zadanie to zostanie rozwiązane w opar­ ciu o możliwie największe w ykorzystanie zasobów sprzętow ych procesora, tuk aby proces dekodow ania był całkow icie transparentny dla reszty program u, czyli: ♦ wykorzy stane zostanie zdarzenie generowane przy zm ianie stanu pinu 10, ♦ zdarzenie to zostanie pow iązane / jednym z kanałów podsystem u zdur/en (an g Event s\ ta n ). ♦ inform acja ta zostanie przekazana do jednego z Umerów pracujących w trybie pomiaru szerokości impulsu Dzięki takiemu rozwiązaniu procesor mc będzie musiał czekać na interesujące go zdarze­ nie — układy sprzętowe procesora same w yw ołają stosow ną funkcję przy zmianie stanu sygnału z modułu DCF77. a wywołana funkcja uzyska sprzętow o zmierzony czas trwaniu odebranego impulsu

456

AVR. Praktyczne projekty

Realizację zadaniu rozpoczniemy ikI końca Łatwo zauw ażyć, ze sygnał DCI;77 to nic innego jak przebieg o częstotliwości około 1 Hz (około, gdyż transmisjo 60 bitu danych nic w i^żc się ze zm ianą stanu nadawanego sygnału), a poszczególne bity są transm i­ towane jako impulsy o różnej szerokości Mustiny więc mierzyć szerokość otrzymanych impulsów Nic jest to trudne, gdy?, każdy tuner posiada lz\v moduł przechwytujący tang. Capfrtrc unit), którego A uikcjąjcst określenie czasu (w stosunku do licznika timern) w ystąpienia jakiegoś zdarzenia Zdarzeniem tym m oże być np zm iana stanu badanego sygnału Co więcej, moduł ten posiada pod funkcję pomiaru szerokości impulsu fang Pulse-wtdth captinv) Moduł ten działa w ten sposób. Ze narastające zbocze sygnału zew nętrznego pow oduje skasowanie licznika tunera Z aczyna on odliczać od zera do wartości maksym alnej Kolejne zbocze, tym razem opadające, pow oduje przepisanie wartości licznika Umera do jednego z rejestrów CCn tang Contparc orcapturc register n). Przy kolejnym zboczu narastającym cały proces sic pow tarza W efekcie rejestr CCn zawiera czas trwania impulsu dodatniego (ry sunek 15.6). Co więcej, po przechwy ceniu czasu trwania impulsu procesor jest w stanic w ygenerow ać przerw anie (o wektorze TCx_CCn_vect. gdzie n to jeden z rejestrów CCn) W funkcji obsługi tego przerwania może­ my umieścić kod odpowiedzialny za interpretację odebranych bitów i całej ramki danych -0"

.1*

Rysunek 15.6. Każde zbocze narastające powoduje wyzerowanie licznika C XT Zbocze opadające powoduje przepisanie jego zawartości do rejestru CCA. » efekcie zawiera nrx zmierzoną szerokość impnhu Dodatkow o każde zbocze opadające wywołuje przerwanie o wektorze np. TCCJ CCA yect W len sposób mamy załatwiony odbiór danych, pozostaje tylko problem rozpoznania bitu synchronizującego (oznaczającego początek kolejnej transm isji) Zauw ażm y, ze ostatni bit ramki DCF77 m e jest nadawany, a więc nie generuje zdarzenia przechwyce­ nia W efekcie nie powoduje tez zerowania licznika limem (CHT) Licznik ten będzie w ięc zliczał czas od poprzedniego bitu. dzięki temu jego w artość będzie znacznie w iększa niż wartość związana z czasem trwania kolejnych bitów (zliczy* czas dlufciży ruZ 1 sekunda, rysunek 15,7) Niestety, dany tuner nie mozc jednocześnie pracować w trybie pizcchwytywainia i porów­ nywania (rejestr)' CCn są albo wszystkie wykorzystywane jako rejestry przechowujące c /a s zdarzenia, albo są wszystkie w ykorzystyw ane jak o rejestry porów nań), więc nie

458

AVR. Praktyczno projekty

Tim cr. aby m ierzyć szerokości im pulsów , potizebujc sygnału w ejściow ego W tym celu m ożem y posłużyć się m ożliw ością generow ania zdarzeń przez piny portów IO — odblokow ujem y w ięc zdarzenia zw iązane ze zm ianą sianu pinu: PORTC.PIMCTRL-PCWTJPCJOTEH^gc | PI)ftT_ 1SC_tMDT'riEDGES_gc:

Na koniec m usimy jeszcze pow iązać w ybrany pin. do którego podłączone test w yjście odbiornika (pin I portu C). z tunerem — możem y tego dokonać, korzystając z podsystem u zdarzeń rVSYS_CHOMUX»EVSYS_CHWJy_PORTC_P im _ g c :

7 .d m m e rw rąw w * : P C /

M ając skonfigurow aną część sprzętow ą, możem y przystąpić do realizacji części pro­ gramowej dekodera O dbiór całej ram ki danych trwa 6 0 sekund Poniew aż aplikacja uży tkow nika m oże w dow olnym czasie zaządać inform acji o czasie i dacie, m usim y dysponow ać kopią poprzednio otrzym anej ram ki W tym celu posłuży my się. prostym buforem , zaw ierającym m iejsce dla dokładnie dw óch ram ek danych D o icdncj z nich będą zapisyw ane aktualnie odbierane bity, druga będzie zaw ierała kom pletną ram kę odebraną w poprzedniej transmisji v o l s t i l e 0CF77_t DCF77R^cor(j[2]:

Ponieważ do tego bufora będziemy się odwoływać w przerwaniu i poza nim. konieczne jest zdefiniow anie go z atrybutem v o la tile . Skoro dysponujem y buforem na dw ie rumki danyclu aplikacjo musi w iedzieć, do której kopii ramki następuje zapis, a która jest kom pletna inform ację tę zawrzemy w kolejnej zm iennej: 5t2t ic v o la tile uint3_t 0CF77RecNo:

'Kotttff rekorduDCP^Tjidohiwegon ę odwohijrwy

Zm ienna ta jest prywatną zmienną tworzonego modułu dekodera, stąd tez została zadekla­ rowana ze słow em kluczow ym s t a t t e W ten sposób jej zasięg został ograniczony do jednostki kom pilacji, w której je st zdefiniow ana Potrzebujem y także zm iennej, która określa num er odbieranego bitu danych ramki DCF77 v o la t lle utnt.8_t DCF77_bltcaunter:

Zm ienna la przy okazji może służyć także jako licznik sekund Oprócz po wyższy d l zmiennych w arto także zadeklarow ać kilka stałych określających m inim alne i m aksy­ m alne czasy trw ania bilów 0 i 1 oniz przerwy pomiędzy ram kam i danych: ścienne śdD flne fd e fin e ś d e fln e W e fin e

DCF77 H ljie g ( 140’ F_CfU/10240t)OuI) DCF77 H ljin d ( 2 0 'F CPti/).0?4tlQQuh DCF77J.0_seg (40*F_CPU/102400nul) DCF77 10 end (130*F CPJ/10240QOulJ DCF77 J n t e r v a l 1173ÓT_CPU/J024000ul)

I>/ięki temu łatwo jest te czasy zmieniać Przy okazji zostały' one zdefiniow ane z uwzględ­ nieniem częstotliw ości taktowania C PU . w zw iązku z tym jej zm iana m e w pływ a na popraw ność odbioru danych

WWiztoti

Musimy tylko pam iętać, aby symbol F_CPU określał częstotliw ość taktowania CPU w chwili, kiedy wykonuje on kod dekodera DCFT7.

Rozdział 15. ♦ Układy zegarowe w praktyce

459

Po tych wstępnych definicjach m ożna przystąpić do funkcji obsługi przerwania nadmiaru lim eru. odpow iedzialnej z a pr/ygotow anie do odbioru nowej ramki danych: ISRlTCCl 0Vr v ect)

ł DCF77J)itCOUnter « 0: DCF77RecHo *- 1: /■'Zmieniamy bufor n eosetł IvoId*)80Cf 77Rccord[t>!lF?7R«?cJ
} Pow yższa funkcja zm ienia wskaźnik do tym czasow ego bufora (zm ienna DCF77Recfloi i przygotow uje go do odbioru danych poprzez ustaw ienie w szystkich w chodzących w jego skład bitów i funkcja memsetj Dzięki icmu funkcja odbierająca poszczególne bity musi zapisyw ać w yłącznie biły o w artości 0 — nieznacznie j ą to upraszcza N ieco bardziej skom plikow ana jest funkcja odpow iedzialna z a odbiór poszczególnych bitów, / a tg funkcję odpow iedzialna jest jej pierw sza część: 1SR(7CC1_CCA v e c t)

( u in tl6 _ t PW-TtCł.CCA: łf U P k > - DCF77 LO beg) W (PW < - 0CF77 L0_end)> OCf77RcconlCOCF77Rccł itc o u a t< !r * 8 1 ;

U.ttaw O no hen- oiłpou uu/ajtifom oktnabne odbieranemu pofn e ls e if((P W < 0CF77_HI_b?g) | ł ( W > DCF77_H|_endH w»,0CF 7?Record[DCF77RecMo].beg ł r=1 ; ' S p n tw tt tinungt dia h u t o warutśa /

DCF77_b 1t c o u n t e r ^ :

Powyższy kod najpierw sprawdza, czy odebrany hit spełnili kryteria dla bilu o wartości 0 (jego czas trw ania byl dłuższy' n iż DCF77_lO_beg i krótszy m ź OCF77_LO_end). jeśli lak. lo zeruje bit na pozyep odpow iadającej odbieranem u bitow i danych Jeśli nic. lo sprawdza, czy spełnione są krvtena dla bitu o w artości 1 Jeśli lo spraw dzenie w ypada negatyw nie, lo znaczy, ze czas im pulsu nic odpow iada! ani bitow i o w artości 0. ani 1. a więc mieliśmy najprawdopodobniej do czynienia z zakłóceniem Stan taki sygnalizowany jest przez ustaw ienie bitu nr O rekordu DCF77Record — ju k w ynika ze specyfikacji protokołu, bit len w praw idłow ej runicc danych musi m ieć w artość o Jego ustaw ienie spowoduje, ze funkcja testująca integralność danych zw róci błąd — taka ram ka zo­ stanie odrzucona jak o niepopraw na D zięki tem u prostem u zabiegow i m ożem y zaosz­ czędzić nieco m iejsca, które zajęłaby dodatkow a zm ienna przechow ująca błędy Jednym z m ożliwych błędów jesi brak bilu rozdzielającego poszczególne ramki danych, co prow adzi do odebrania w ięcej niZ 59 bitów danych — taka tam ka oczyw iście jest niepopraw na i m usi zostać odrzucona, co realizuje poniższy kod tf(CCF?7 b itc o u n te r > 59)

I CCF77ftecord[DCF77RecNo].begin" I ; 1

B łą d • zu dużo bitów

Rozdział 15. ♦ Układy zegarowo w praktyco

461

tmp-Tinestanip: ) return fcnp:

Gdybyśm y po prosi u pobierali zawartość tci zm iennej w sposób nicat om owy. czasami w ystąpiłby problem W yobraźm y sobie sytuację* u której Timestamp m a w artość 0x0000FFFF W w yniku w yw ołania przypisania tm p"Tii« 3t4np:

uzyskujem y kod asem blerow y w yglądający ja k pom zej: bc8: tvcc: bclO: bd4:

20 30 40 50

91 91 91 91

4f 50 51 52

20 20 20 20

Ids Ids Ids Ids

rl8 . rl9 . r20. r21.

0x204F 0x2050 0x2051 0x2052

W chwili w ykonyw ania drugiej instrukcji (Id s r l 9 , 0x2050) w ystąpi przerwanie RTC. zw iększające zaw artość Timestamp. w elekcie będzie ona zaw ierała wartość 0x00010000 L ecz przy m caiom ow ym dostępie dw a bajty zostały juz przesian e do zm iennej tmp. u po obsłużeniu przerw ania (które zm ieniło Tiroestamp) zostaną przesiane dw a kolejne bajty W efekcie tmp zam iast spodziew anej w artości 0x0000FTFF będzie m iał w artość 0x0001 FFFF — w ynik całkow icie błędny P iąteg o odczytując tę zm ienną, m usimy zaw sze zapewnić, aby dostęp do niej odbyw ał się w sposób atom ow y, czyli w praktyce należy w ykorzystać pokazaną w cześniej funkcję GetTimestampO Pozornie sprzeczny z tym stw ierdzeniem je st sp o só b dostępu do zm iennej T imsstamp w przerw aniu TCCl_CCA_vect W funkcji tej odw ołań do Timestamp m c m usim y um ieszczać w sekcji atom ow ej, gdyż funkcja obsługi przerw ania m oże zostać przerw ana w yłącznic przez przerw ania w yższego poziom u W efekcie dostęp do tej zm iennej w funkcji obsługi przerw ania jest z definicji realizow any atom ow o W yjątkiem od lej reguły byłaby sy­ tuacja. kiedy wykorzystane byłyby przerwaniu wyzs/.ego poziom u (w naszym przypad­ ku średniego lub w ysokiego), które to m o g ą przerw ać w ykonyw anie naszej funkcji obsługi przerw aniu TCCl_CCA_vect G dyby odwoływały się one do Timestamp. zm iany Timestamp w funkcji TCCl_CCA_vect łez musiałyby być ujęte w -sekcję atom ow ą X podobnych pow odów tnkze odw ołania d o struktury DCF77Record poza funkcją obsługi przerw ania m uszą odbyw ać się w sposób atom ow y. p

Pamiętaj jednak, aby nie nadużywać sekcji atomowych — w szczególności nie zamy­ kać w nie długo wykonujących się ciągów instrukcji. Takie pisanie programu może znacznie wydłużyć czas odpowiedzi na przerwanie — o czas potrzebny do zakończe­ nia wykonywania sekcji atomowej. Po uruchom ieniu przekładow ego program u na wyśw ietlaczu pow inniśm y zobaczyć: 00:00:00 1/01/2012 Pierwsza linia będzie się zm ieniać w m iarę upływu czasu Jeśli układ został poprawnie zm ontow any, a odbiornik DCT'77 odbiera dane, po chw ili c za s i data pow inny sam o­ czynnie się zaktualizow ać Jeśli tak się nic stanic, to najpraw dopodobniej odbiornik

462

AVR. Praktyczno projekty

DCF77 m e je st w stanie odebrać w ystarczająco s in e g o sygnału — należy zmienić położenie anteny, oddalić ją od urządzeń clcktrorucznyeli (w tym kom putera>, lepszy odbiór można też uzyskać w godzinach wieczornych P a m ię ta jm y też, żc m inim alny czas p o trzeb n y na synchronizację to p o n ad 1 m in u ta (lecz w sk ra jn y c h w a ru n ­ kach złego o d b io ru może on w ynieść n aw et k ilk a godzin!). Stąd ic / uklud radiowy świetnie nadaje się do okresow ej synchronizacji czasu, nic nadaje się natomiast jako główny układ zegarowy

U kład p o d trzy m yw a n ia z a s ila n ia Niektóre rodzin)' mikrokontrolerów XMECiA posiadają system podtiyymywama zasila­ nia. aktywujący* się autom atycznie w przypadku awarii głów nego systemu zasilania Zapewnia on podtrzymanie działaniu układu RTC. co zapobiega utracie informacji o cza­ sie Dzięki temu układ RTC X M EG A m oże w pełni zastąpić zew nętrzny układ RTC. jSkt. jiJ r

WskirtwU

Pam iętaj, że układ podtrzym ania za s ila n ia zap ew n ia wyłącznie awaryjne za sila n ie układu RTC. Z a sila n ie innych kom ponentów M C U (pam ięć, rejestry IO.I n ie je s t zapewnione.

Aby skorzy stać z tej funkcjonalności, nuleży zapew nić stale zasilanie no pinie f 'BAT, np poprzez jego podłączenie do baterii. Pin VBAT dostarcza zasilanie do układu RTC l.ang. reat um c countcr), zew nętrznego oscylatora 32 7(S8 Mz oraz dw óch 8-bitowych rejestrów dostępnych dla użytkownika. Stąd tez źródło zasilania podłączone do lego pinu musi być stabilne i posiadać odpowiednią pojemność, zapewniającą wystarczająco długie podtizynianie układu RTC W tym celu inozmi wykorzystać małe litowe batene. akumulatorkt lub tzw. superkondensatory o dużych pojem nościach
Wikiriwfti

W arto te z p am iętać, ze układy jxxltrzym an la z a s ila n ia i RTC s ą sep arow ane o d reszty m ikrokontrolera, d zięk i cze m u m ogą być za s ila n e wyższym n a p ię cie m n iż pozostałe k o m p o n e n ty M C U . W e fe k c ie n ie z a le ż n ie o d n a p ię c ia z a s ila n ia M C U u k ła d p o d ­ trzy m a n ia z a s ila n ia m o ż e być z a s ila n y n a p ię c ie m m a k s y m a ln ie 3 .6 V.

Rozdział 15. ♦ Układy zegarowe w praktyce

463

Dobór źródła zasilania awaryjnego Zastosowane źródło zasilaniu awaryjnego zalezy od aplikacji i okresów, przez, jakie urzą­ dzenie może być wyłączane Jeśli projektowane urządzenie ma pracować stale, a okresy braku zasilania są krótkie, to dobrym pomysłem jest wykorzystanie superkondensatoro Ma on krótki czas ładowaniu i pojemność rzędu l - 2ti l \ c o umo/Jiwiu stosunkowo długie podtrzymanie zasilania W innych sytuacjach sensownym rozwiązaniem może być użycie baterii, np małych baterii litowych

Wykorzystanie baterii Jeśli budowane urządzenie będzie włączane do prądu sporadycznie, a głów mc będzie pozostawać wyłączone, przy czym konieczne jest działanie układu podtrzymania, su­ per kondensator się nie sprawdził W tukiej sytuacji możemy użyć butem litowych, np popularnych CR2032 lub BR2032 Bateria CR2032 ma pojem ność nominalną rzędu 210 m A h. a BR2032 ponaddwukrotnic większą, bo w ynoszącą a?. 500 mAh Dodat­ kowo jest nnu znacznie trwulsza i jej czas uży tkowania może z łatwością przekroczyć 20 lat. a więc praktycznie cały czas Życiu budowanego urządzenia

0

Wskudwfca

N ależy pam iętać. 2e baterie m e s ą źródłam i, które m ożna ładow ać. Sto su jąc je . należy ta k zap ro je kto w a ć ukła d, aby b a te ria nigdy nie była ła d o w a n a z głów n ego źródła z a s ila n ia .

Podłączając baterię do wejścia I HAT mikrokontrolera, me musimy się martwić — mikro­ kontroler mu tak zaprojektowane wejście zasilające, ze baterio będzie bezpieczna. Prz>' pobor/c prądu przez układ podtrzymania zasilania i RTC teoretyczny czas podtrzymania bateryjnego sięga dziesiątków lat W praktyce więc o czasie działaniu takiego rozw ią­ zania decyduje nie pojemność, a trwałość baterii i prąd sumnrozładowama. który dla baterii litowych wynosi typow o mniej mz 1% rocznie. Jednak samorozładow ame znacznie wzrasta w wyższych temperaturach (powyżej 60°C) Dla niewielkich prądów czas podtrzymania można wyliczyć, dzieląc pojem ność nominalną batem przez prąd pobierany przez układ RTC. Jednak otrzymane czasy me uwzględniają trwałości baterii, stąd tez należy jc porównać z danymi z noty katalogowej użytego ogniwa

WiUrówtt

W adą w ięk szo ści baterii, w tym m ałych w obudow ach pastylkow ych, je s t brak m ożli­ w ości Ich lu tow ania. W e fe kefe w ym agają o n e s to s o w a n ia gn iazd .

Superkondensatory Innym rozwiązaniem |est u Zycie wspom nianych wcześniej superkondensalorów Ich zaletą jest możliwość lutow ania, co jest praktycznie niem ożliwe w przypadku użycia baterii i akumulatorów (chyba zc mają one specjalne w yprow adzenia do lutowania) Aby użyć wspomnianych wcześniej baterii litowych, trzeba zazwyczaj wykorzystać podsiuw kę. co zajmuje miejsce nu PCB i jest dodatkowym kosztem SuperkoridensaToiy

464

AVR. Praktyczno projokty

sq dobrym rozwiązaniem, jednak w ym acają one częstego doładowywania i me są w stanie podtrzymać układu RTC podczas długiego wyłączenia urządzenia. XMEGA bezpośrednio mc umożliwia doładow yw ania su per kondensatora podłączonego do w ejścia ł BA T. lecz układ taki jest niezw ykle prosty (rysunek 15.8) R ysunek 1 5 .8 .

Realizacja układu podtrzymaniu zasilania u* oparciu o superkonJcnsatar C I ma pojemność rzędu kliku farudów, dioda DI powinna był diodą o możliwie małym napięciu przen odzeina. IV tr a k c ie n o r m a ln e g o z a s i l a n i a ła d u je im a s u p e r k a n d e w itu o r ( 7 P o z a m k u z a s i l a m a

CO

+

Jf.

D1

VBAT

-feP

■>

u n ie m o ż liw ia r o z ła d o w a n ie C I p r z e z iw ie o d b io r n ik i p r ą d u

C1

GND

.lak w idzim y, pokazany układ jest prosty, co czyni go preferow anym rozwiązaniem w sytuacji. w której zanik zasilania może zdarzać się sporadycznie. Posiadając superkondensator o znanej pojem ności, m ożem y obliczyć przybliżony czas podtrzym ania zasilaniu na podstaw ie wzoru c[/m n] = C |F |

Hnox

^uot)

3600 • lB[A]

gdzie C to pojem ność kondensatora w fara dach. 1’^ to je g o nom inalne napięcie (w pokazanym układzie będzie to napięcie zasilania pom niejszone o spadek napięcia na diodzie D ł) . f j o , to napięcie zadziałania układu BOD R I’C. czyli typow o 1.7 - 2 .1 V. a IR to prąd pobierany przez RTC Przykładowy czas p o trz y m a n iu dla kondensatora
(3.3P —0.2 P) —2. IP 3600 -0 .0 0 0 0 0 0 6 ” i ° l m inuf

Jest to czas zdecydowanie krótszy niż dla baterii, jednak wystarczający dla zapobieżenia utracie w skazań RTC przy krótkotrw ałym odłączeniu zasilania.

Akumulatory Akumulatory mają właściwości pośrednie pomiędzy bateriami a superkondensatorami /.jed n ej strony mają dużą pojemność, porównywalną z podobnymi gubnrytowo bateriami, z drugiej strony cechują sic znacznie większym prądem sum oro/ludow nm a (lnicą m ie­ sięcznic naw et 10% ładunku). W przeciwieństwie do baterii m ożna je ładować Niestety zw ykle w ym agają one specjalizow anego układu kontrolującego proces ładow ania, n liczba cykli ładowania jest ograniczona W przypadku wykorzystania akumulatora do podtrzymania RTC za cenę pewnego skrócenia żywotności akumulatora możemy znacz­ nie uprościć układ ładowania W tym celu prąd ładow ania akum ulatora wystarczy ograniczyć do niewielkich wartości, rzędu kilku mA. należy leż zapewnić mepr/ckruezcine dopuszczalnego napięciu ogniw a W tym celu do diody odcinającej należy szere­ gowo dołączyć odpow iednio dobrany rezystor, który ograniczy prąd ogniw a Nie jest to optym alny układ, ale jest on prosty i tam.

Rozdział 15. ♦ Układy zegarowe w praktyce

465

Podtrzymanie zasilania dla całego procesora T o nieco Imrdzięj skom plikow any problem W tego typu układzie można wykorzystać różnego typu rozwiązani o. zwykle bazujące na zastosowaniu ogniw o większej pojemno­ ści — procesor i reszto układu /używ ają o wiele w ięcej energii niz układ RTC Tego typu rozwiązania ze w zględu na cel można podzielić na co najm niej dw ie duże grupy ♦ podtrzymanie zasilania w jwzypadku jego zaniku na czas niezbędny do zapisania bieżącego sianu mikrokontrolera; ♦ budow a układu całkow icie zasilanego z baterii. Sposoby podtrzymania zasilania M C U w celu zapisu bieżącego stanu aplikacji zostały pokazane w rozdziale 8.. poświęconym kontrolerow i NVM i pamięci EEPROM Z kolei budowa układu cnlkowicie zasilanego z baterii to problem zdecydow anie bardziej skomplikowany. Przy doborze żrodla zasilania w arto zastanow ić się, jak długo układ zasilany baterią ma pracować Czas ten. bez uwzględnienia samorozludow amu ogniwa, wynika po prostu z podzielenia pojemności akum ulatora (butem ) przez średni prąd pobierany przez układ Słowo J ro d liT rna tu kluczowe znaczenie — jeśli układ pobiera­ jący w czasie pracy np. 100 mA zaprojektujemy tak. aby byl on aktywny np przez 10 ms na sekundę, to średni pobór prądu w yniesie zaledw ie 10 m s/1000 m s*100 mA. czyli 1 mA. W iele aplikacji działa w len sposób, że tylko przez druhny ułamek czasu robią coś istotnego, a większość czasu spędzają u pętli, oczekując lin jakieś zdarzenie lYzerabiając odpow iednio aplikację, możemy w efekcie znacznie w ydłużyć czas działania na baterii.

Układ zapasowego zasilania bateryjnego Jw r Wikirówtj

P o n iż s z e przykłady do tyczą m ikro ko n tro le ra X M E G A 2 5 6 A 3 B U d o s tę p n e g o n a płytce X p la in e d X M EG A *A3BU .

Jest to jeden z najprostszych podsy stemów dostępnych w m ikrokontrolerach XMKGA. Składa się on z system u m onitorującego zasilanie M CU . system u m onitorujące­ go napięcie pinu I 'BA 1\ oscylatora kw arcow ego o niskiej częstotliw ości oraz dwóch rejestrów zapasowych, któiyeb zaw artość m e jest tracona po awarii zasilania Przyj­ rzyjmy się bliżej poszczególnym kom ponentom układu zasilania zapasowego.

U k ła d m o n ito ro w a n ia n a p ię c ia na p in ie V B A T Układ ten zainm jc się monitorowaniem napięcia na pm ic f 'BAT. a jego stan dostępny jest w postaci flag VBAT_BBPWR_boi (ang Battciv Backup Power). VBAT_BBB0RF_bm t ang Battery Backup Brown-oui Detection Flag) i VBAT_BBP0RF_bm (ang. B a n a y Backup Powcr-on D ctection Flag) rejestni stanu kontrolera

Rozdział 16.

Budujemy zegar z budzikiem, czyli skończona maszyna stanów w praktyce Skończona maszyna stanów (ang. firnie siatę machnie) lub automat skończony to pe­ wien sposób modelowania zachowania systemu, w którym zakłada się, ze system m o­ że znaleźć się w skończonej liczbie stanów, a przejście pomiędzy stanami inicjowane jest zajściem jakiegoś zdarzenia Definicja może się wydać skomplikowana, ale zapew­ ne nieraz (chociażby analizując przykłady z tej książki) spotkaliśm y się z automatami skończonymi, tyle Ze tak tego nie nazwaliśmy. Jednak w miarę jak zastosowania użytego MCU robią się coraz bardziej skomplikowane, warto na chwilę wrócić do teorii, choćby po to. aby w sposób przejrzysty i łatwy do modyfikacji pisać większe programy. Tego typu reprezentacja programu ma szczególne zastosowanie w systemach emhedded. Umożliwia leż abstrakcyjną reprezentację zachowania system u lub programu z w yko­ rzystaniem wykresów i diagramów. Reprezentacja ta nic jest zalezna od konkretnego języka programowania, mało tego — aby w ten sposób modelować działanie programu, w ogóle nie trzeba się znać na programowaniu D o tw orzenia diagramów zazwyczaj stosuje się specjalny język UML (ang. U nified M odehng J.anguage). Istnieje kilka darniowych programów służących do tworzenia diagramów UML. te bardziej rozbu­ dów ane. kom ercyjne, umożliwiają także generowanie kodu C/C++ na podstawie nary­ sowanych diagramów. Z drugiej strony napisanie działającego kodu realizującego ma­ szynę stanów na podstawie diagramu UM L jest zadaniem łatwym, stąd też warto z tych diagramów korzystać Niejako przy okazji otrzymujemy także dodatkową dokumentację tworzonego programu. Automat skończony ma z definicji skończoną liczbę stanów Takim przykładem może być sygnalizacja świetlna — może ona być w jednym z czterech stanów:

♦ świeci światło zielone.

Rozdział 16.

Budujemy zegar z budzikiem, czyli skończona maszyna stanów w praktyce Skończona maszyna stanem (nng fu n te siaie m achinę) lub autom at skończony to pe­ w ien sposób m odelow ania zachow ania system u, w którym zakłada się, ze system m o ­ że znaleźć się w skończonej liczbie stanów , a przejście pom iędzy stanam i inicjow ane jest zajściem jakiegoś zdar/em u Definicja może się wydać skomphkow anu. ale zapcw ne nieraz, (chociażby analizując przykłady z tej książki) spotkaliśm y się z autom atam i skończonymi, tyle ze tak lego me nazwaliśmy Jednak w m iarę juk zastosowania uzylego MCU robili się coraz bardziej skom plikow ane, warto na chw ilę w rócić do teorii. choćby po to. aby w sposób przejrzysty i łatwy do m odyfikacji pisać w iększe program y. T ego typu reprezentacja program u ma szczególne zastosow anie w system ach entketltled U m ożliw ia tez abstrakcyjną reprezentację zachow ania system u lub program u z w yko­ rzystaniem w ykresów i diagramów Reprezentacja la nie jest zulcznn od konkretnego języ ka programów anm. m ało tego — aby w ten sposób m odelow ać działanie programu, w ogóle nie tr/eb a się znać na program ow aniu D o tw orzenia diagramów zazw yczaj stosuje się specjalny języ k MMI- (nng. U ntfled S to d elm g l.anguage) Istnieje kilka darniow ych program ów służących do tworzenia diagram ów U M L, te bardziej rozbu­ dowane. kom ercyjne, um ożliw iają także generow anie kodu C7C++ na podstaw ie nary­ sowanych diagramów Z drugiej strony napisanie działającego kodu realizującego m a­ szynę stanów nu ptnlslawic diagram u UM L jest zadaniem łatwym, stąd też warto z tych diagramów korzy stać Niejako juzy okazji otrzymujemy także dodatkow ą dokum entację tw orzonego program u Automat skończony ma z definicji skończoną liczbę stanów Takim przykładem może być sygnalizacja św ietlna — m oże ona być w jed n y m z czterech stanów :

♦ świeci światło zielone.

470

AVR. Praktyczne projokty

♦ św ieci świat ło zóltc. ♦ świeci światło czerwone. ♦ sygnalizator jest wyłączony — mruga św iatło żółte Każdy z powyższych stanów jest stabilny, a przejście do innego następuje po zajściu ja ­ kiegoś zdarzenia. Zdarzeniem tym w przypadku sygnalizacji, drogow ej jest po prostu upływ określonego czasu W efekcie działanie sygnalizacji drogow ej możemy opisać za pom ocą schematu pokazanego nu rysunku 16.1. Rysunek 16.1. Przykltuł maszyny Sianów /Alarmme związane z upływem określonego interwalu czasowego puwoiłujc przejście maszyny iło kolejnego Mann

Przejście z jednego stanu do drugiego jest realizowane przez Izw funkcję przejścia l'unkcju ta realizuje wybór kolejnego stanu na podstaw ie bieżącego stanu automatu i dzia­ łających zdarzeń W szczególnym przypadku funkcja la m ozc uniem ożliwić zm ianę stanu automatu. W efekcie automat skończony możemy zdefiniow ać jako kolekcję stanów i przejść pomiędzy mmi Stanem (ang siole) będzie określona pozycja obieklu w czasie W odpowiedzi na zdarzenie (ang e\vn t) będące jakim ś czynnikiem, na ktńn ukłnd ma odpow iedzieć, podejm ow ana jest określona akcja tang aclićit). Zdarzenia i akcje składają się na przejście tang transirton) łączące zc sobą dwa stany Przejścia mogą być jednokierunkowe (kiedy stan .1 może przechodzić w stan B. ale stan 13 nic może przechodzić bezpośrednio w stan . J) lub dwukierunkowe. Można sobie zadać pyta­ nie, po co nam kolejna teoria? O tóż nic jest to tylko teoria, m aszyny stanów używamy mi co dzień, z tym tylko wyjątkiem, że często pisząc program, nic zdajemy sobie z tego sprawy Jednak przy większych projektach zależności pomiędzy poszczególnymi ele­ mentami programu stają się coraz bardziej zlozonc i coraz trudniej nad nimi zaj>aiiować. W efekcie w arto poświęcić chw ilę na rozrs sowarno tych zależności, co ułatwi nam implementację Chyba zc wyznajemy zasadę „tygodnie programowania mogą zaosz­ czędzić godzin planowania" — wtedy możemy ten rozdział od razu pominąć Mając narysow any automat stanów (np w postaci diagramów ł JMI.)kmożemy pizystąpić do jego kodow ania Zazw yczaj kodując au to m at stosuje się jedną z trzech tcolmik ♦ seria poleceń swUch/case uzupełniona ew entualnie o bloki if /e ls e . ♦ stworzenie tabeli stanów i zdarzeń oraz funkcji wykorzystującej taką tabelę J o zmiany stanu.

Rozdział 16. ♦ Budujemy zegar z budzikiem

471

♦ \vvkorzysiumc progi amowonia zorientow anego obiektow o i przedstawienie autom atu stanu jak o dynam icznej struktury drzew a P rzejście pom iędzy poszczególnym i stanami jest realizow ane jak o kolejne gałęzie pow stałego drzew a Każde z powyższych podejść ma swoje wady i zalety. Pierwsze oparte na sekwencji in­ strukcji warunkowyclt niewątpliwie jest proste w realizacji, ale pr/y b;ud/iej rozbudowa­ nych automatach się komplikuje l^ow adzi do powslonia zupełnie nieczytelnego kodu ktoiy c o gorsza, bardzo trudno jest modyfikować Podejście oparte na tablicach zawierają­ cych stany i zdarzenia jest przejrzyste, łatwe w im plem entacji i modyfikacji Jednak w pewnych sytuacjach prowudzi do marnowania dużej ilości pamięci Jak pamiętamy, tablica ///ur/*clcmcntowa składa się m*n elementów Jeśli część stanów odpowiudo tylko na kilka zdarzeń, to w efekcie większość elementów tablicy |esl pusta X kolei ostatnie rozwiązanie oparte na drzew ach jest niezwykle efektywne, umożliw iu tworzenie skom ­ plikowanych automatów stanu, lecz wymaga nieco więcej procy przy jego oprogramowa­ niu Nie ma więc wielkiego sensu używać go do implementacji prostych FSM W efekcie to. którego rozw iązania należy użyć. zależy od złożoności implementowanego automatu i pewnych jego cech szczególnych Czasami optymalne efekty uzyskuje się. łącząc ze sobą różne rozwiązania, dzięki czemu możemy uzyskać prostą i efektywną implementa­ cję FSM Takie przykłady będą pokazane w tym rozdziale, ale lakże w kolejnych roz­ działach książki

FS M o p a rta na s w itc h / c a s e To nąiprostszy. a zarazem najczęściej wykorzystywany przykład FSM. Programując, często wykorzystujemy instrukcje switch/case lub lf/e ls e do programowania maszyny stanów i nawet me zdajemy sobie z lego sprany Zwykle za pom ocą instrukcji w arun­ kowych programuje się proste maszyny stanu — powstały kod jest optymalny i przej­ rzysty. Spójrzmy no jedną z najprostszych maszyn, pokazaną na rysunku 16.2 Jej z a ­ daniem jest odbiór znaku z portu szeregow ego R y s u n e k 1 6 .2 .

Jedna z najprostszy ch maszyn stanu Jej zadaniem jest czekanie na nadejście znaku przez port USAIiT (ustawienie jlagi RXCIF). po czym ottehrantę go

472

AVR. Praktyczne projekty

Pokn/nnn muszy nu mu tylko dw a stany — oczekiw anie na znak i jego odbiór — oraz jedno zdarzenie, które wymaga obsługi — ustawienie Hagi RXC!F sygnalizującej nadej­ ście znaku do odebraniu Stąd tez kod realizujący taki mitonml jest niezw ykle prosty wtotle( ■(USARTCO.STATUS L US.ART_RXC1F b m ) ) : u int8_t dana-USARTCO.DATA:

/.C zeku/naotłbtórznaku

Nieco bardziej skomplikow ana jest maszyna pokazana nu ry sunku 16 3

Rysunek 1 6 .3 . Przykład prostej maszyny stanów. Ałn zaświeciła się dioda LED. nutsimy p o kolei wcisnąć sekwencję klawiszy SfVl. S ll’2 1 S1P3. Jakakolwiek inna sekwencja powoduje zreseiouunie maszy ny stanów i zgaszenie diody tJED

Kod przykładu znajduje się w katalogu Przykłady FSAf kS.\f.switch Pokazana m aszyna ma cztery stany ♦ w int — oczekiw aniu na w ciśnijcie klawisza S U 'ł. ♦ S lV l — wcześniej zosiul w ciśnięty przycisk S I U i oczekujem y na w ciśnięcie s ir* . ♦ S ll’2 — została wciśnięta sekwencjo £7/7, SIP2, czekamy na wciśnięcie Sil'*. ♦ L E D — została w ciśnięta sekw encja S IU , SU '2. SU'3 i zapalam y LED. Stany moZemy dla przejrzy stości zapisać w typie w yliczeniow ym enun S tates { S tW a it, S t SMl. St_$H2. St_LE0):

.StawuuiMtiuiii

'/. kolei aktualny stan autom atu określa zm ienna c u rrS to te enun 5 ta te s c u rrS ta te -S t_ W a It:

//Stawpoezą^aowy

Jedynym zdarzeniem , jakie inoze zm ienić stan pokazanego autom atu, jest wciśnięcie przycisku Jeśli weism em y od|xnvicdni przycisk. przechodzim y di» kolejnego stanu, jeśli przyciśniem y zły przycisk — resetujemy maszynę Stąd tez stan maszyny zależy od jej poprzedniego stanu t zajścia odpowiedniego zdarzenia Dla ułatwienia zdarzenia będziemy rejestrow ać w przerw aniu j>rzepelnicniu timeru. któiy skon figuruj emy tak. aby przerwania występowały około 30 razy na sekundę W tej sunicj funkcji skonfigu­ rujemy także piny IO. przez które podłączono są przyciski. W tym celu w ykoąystnm y przy ciski SU'0 —S U 3 modułu Xplamed XM H G A 12 8 A I. osoby budujące układ w łasno­ ręcznie powinny podłączyć przy cisk pomiędzy m asę na puiy PDO - P03 portu D l unkcjo inicjująca wygląda tak v o id Btn I n i t O

{ PORTCFG_HPCKASi>P IMQ_bm | P |N 1 J» | PIN2Jm | P|N3Jbm: ' K low na .W OJU J PORTD_p7mOCTRI =P0R I _ÓPCJHJLlUP~gc: lttyzawypodciąganie poJSirO SU S

474

AVR. Praktyczno projekty

FSM o p a rta na ta b lic a c h Realizacja FSM w oparciu o instrukcje waninkowc szybko staje się koszmarem, z wielo­ krotnie zagnieżdżonymi instrukcjami warunkowymi i dużą łatwością popełnienia błędu. To samo m ożem y osiągnąć w sposób bardziej przejrzysty przy użyciu labhc, wskaź­ ników i funkcji realizujących akcje Warto zauważyć, zc zależność zdarzenia i stanu m o­ żemy zakodow ać w postaci 2-wymiarowej tablicy, której kolejne kolumny lo kolejne stany automatu, a kolejne w iersze odpow iadają poszczególnym zdarzeniom mogącym wywołać zm ianę stanu automatu Dla porównania spróbujmy zaimplementować jeszcze raz m aszynę wcześniej pokazaną na rysunku ló lecz tym razem w ykorzystując do tego celu tablice Kod przykładu znajduje się w katalogu Przykłady PS,M FSM tablica Dla uproszczenia przyjmijm y, zc naciśnięcie klaw isza generuje przyporządkow ane mu zdarzenie poniew aż mamy cztery przyciski, będziemy m ieli cztery zdarzenia erum Ev<*nts {Ev_SW0. Ev_SVl. Ev_SW2. Sv_SW3. EvJMD):

Z darm a

Ostatnie zdarzenie Ev_£ND tuk naprawdę nic je s t zdarzeniem — wykorzystaliśm y tu pewien trik pozvyalnjący określić, z. ilu elementów składa się typ wyliczeniowy Przy założeniu, ze wartości w typie w yliczeniowym przyporządkow yw ane są autom atycz­ nie. ostatni element typu ma wartość równą liczbie poprzedzających go elementów. Za chw ilę la informacja nam się przyda O prócz czterech zdarzeń mamy dokładnie tak juk poprzednio cztery stany automatu: enua S tates (S t_ W a it. St_5W"l. St_SW2. St_LED. St_EM0Jl

••Sunjyautomatu

Mając le informacje, możemy zakodować automat w postaci 2-wy mi arowej tablicy, której kolumny będą zaw ierać stany, a rzędy — zdarzenia Dzięki temu wiedząc, w jakim stanie jest obiekt i jakie zaszło zdarzenie, z tablicy będziem y mogli odczytać, w jakim stanic w efekcie obiekt pow inien się znaleźć Ale oprócz lej informacji polrzcbnn nam jest jeszcze jedna — w juki sposób zrealizow ać przejście ze stanu S„ do S m+i N ajpro­ ściej będzie przechow yw ać tę informację w postaci w skaźnika do funkcji przejścia — funkcja zw iązana z danym przejściem będzie dzięki temu w yw oływ ana autom atycz­ nie jhzcz kod realizujący zm ianę stanu m aszyny Zdefiniujm y jej typ ty p e d e f vo id fS tC ńgF im cK eriim Events E vent):

'/Typfunkcjiptzyścta

Zdefiniowaliśmy typ wskaźnikowy SiChgFunc. będący wskaźnikiem na funkcję przyjmującą jeden argument o typie eman £vents i m ezw racnjącą żadnych w yników W na­ szym przykładzie informacja o typie zdarzenia, które zaszło, do niczego nie będzie w ykorzystywana, ale w bardziej złożonych automatach m oże się przydać — dzięki temu jedna funkcja muzc realizować rożne działania w odpowiedzi na różne zdarzenia — pozwala to skrócić kod. Knzdy element tablicy będzie zawierał więc informację o stanic maszyny po zajściu zda­ rzenia i o adresie funkcji realizującej przejście, możemy go więc określić jako nowy typ:

Rozdział 16. ♦ Budujemy zegar z budzikiem

475

ty p e fe f s tr u c t

I

enurr, States State: StChgFunc func:

Stanmacyny /.FunŁr/u przęficta

) FSMTable t :

Pozostaje tylko zdefiniować tablicę zawierającą interesujące nas przejścia w odpo­ wiedzi na zdarzenia FSMTable t TransTable[St EHnj[Ev END] - { est W a tt)(£ v S W l]«{StSM 1. o f . [St~SWUfEv ŚW 2]-($t SW2. 0).

[St $W2][£v SW3>{St LEO LEDOnActlorł}

W naszej maszynie większość przejść polega tylko nu zmianie stanu maszyny. jedynym wyjątkiem jest przejście do stanu St_LEO i S t_kait — w pierwszym trzeba zapalić diodę, w drugim ją zgasić Stąd też z przejściem ze stanu St_SW3 do sianu St_LED zw iązana jest funkcja przejścia o nazwie LEOAction r Wikzwwka

P a m ię ta j, że e le m e n ty ta b lic y, któ rych w a rto ść nie z o sta ła b e z p o ś re d n io o k re ś lo n a , z o s ta n ą z a in ic jo w a n e a u to m a ty c zn ie w a rto ś c ią 0.

Pow yższa tablica test niezw ykle prosta do interpretacji — m aszyna zaczyna od stanu 5t_Wait W tablicy definiujemy tylko jed n o zdarzenie, na które w tym stanie o dpo­ wiada — Ev_SWl — czyli zdarzenie związane z naciśnięciem przycisku SU I. Po zajściu tego zdarzenia maszyna ma zm ienić stan na St_SWl. przejściu tem u nie towarzyszy Żadna funkcju przejścia: [St_Malt][Ev_5W1]*(St_SWl. 0 ).

Podobnie zdefiniowane są kolejne stany maszyny To. co jeszcze jest nam |x>U7 cbnc, to funkcja, która na podstawie bieżącego stanu i zdarzenia w ybierze z tablicy TransTable odpow iedni stan kolejny i funkcję realizującą przejście: votd FSM DłspatcbEvertt(eniin Events evcnt)

(

StChgFunc func=lran5 r a b letCurrStatel[cvcnt J . func: W ika tm k nafitukeffprzejścia enum States tmpSTate-TransTasTe[CurrSTate][event].Sme: //K oleinysum nw tzyuy tf(func) ( “func)(event): . Wywahy funkcje tyikoytUt wskutntk nie jest łth rn yŃ sL L \ f (tnpSta te ~ 0 ) Stan St IKw/— neivtu)
Resex_Ac11onlSt_Wa i t ): C urrS tate-tirpS tate:

I Powyższa funkcju pobiera z tablicy TransTable element odpowiadający bieżącemu stano­ wi i zdarzeniu, po czym zgodnie z danymi w nim zawartymi wywołuje funkcję przejścia i zm ienia stan maszyny

AVR. Praktyczne projekty

476

Pozostaje nam jeszcze tylko wywoływać zdarzenia związane z naciśnięciem przycisków — w tym celu nieznacznie tylko zmodyfikujemy znaną juz nam funkcję obsługi przerwa­ nia timera TCCl_OVF_voct. dodając pomzszy kod. if( lO ld B u tto n s ) && ((O ld B u tton s & Buttons>=O M

I enun Eve*ts cv: 5witch(0ld3uttons & OxOF>

{ ces* cese cese case

ObOOOl: ObOOlO: ObOlOO:

Ob1000:

*v*Ev_SW0: «y-Ev__SWl: »v^Ev_$W2; ev-Ev_SW3:

brcet:

breefc: break:

break:

J: FSW D łspatctiE vent(ev):

) Pow yższą funkcję możjia znacznie skrócić, została ona rozbudow ana dla zw iększenia uniw ersalności i przejrzystości kodu W zależności cni w ciśniętego przycisku przypo­ rządkow uje mu zdarzenie i wywołuje funkcję FSM_Di sp atch E v en t odpow iedzialną zu zm ianę stanu maszyn} Powyższy kod jest pozornie bardziej zaw iły i na pierwszy rzut oka nic widać zysków z tak rozbudow anego przykładu Jeśli jednak mu się przyjrzym y bliżej, to okaże się. żc jest on o wicie bardziej czytelny i uniwersalny. Przede w szystkim cala m aszyna stanów jest zakodowana w tablicy TransTable. a więc tib\ cokolwiek zmienić, wystarcz} zmienić tę tablicę W sposób bardzo czytelny możemy sprawdzić każde przejście i odpo­ wiedź maszyny na dowolne zdarzenie l ak zbudowaną m aszynę można też z łatwością rozszerzać o kolejne funkcjonalności W przypadku kodu opartego na sw itch/case i tf/e ls e rozbudowa p aw adzi do coraz większego zmniejszeniu cz>telności kodu. w pr/ypadku zastosow ania tablicy przejść ciągle cały kod jest przejrzyścic opisany w jednym m iejscu program u Ale jak to zw ykle bywa. nic nie jest zn darmo. Stworzona p rzez nns tablica składa się z -PM elementów (4 zdarzenia i 4 stany) Każdy z elem entów tablic}' zajm uje 3 bajty — 2 na wskaźnik do funkcji i jeden na stan W efekcie caln tablica zajm uje 48 bajtów Niby niewiele, ale nasza maszyna stanów teZ do przesadnie skom plikow anych nie należy. Ale co gorsze, z 48 bajtów*, tylko 9 zawiera użyteczne informacje (mamy zdefi­ niowane 3 przejścia). W idzimy w ięc. zc znaczna część pom ięci się m arnuje. &

WsUrówU

N iestety przy korzystaniu z tego typu ta b lic je s t to n iepo żądany, a cz spodziew any efekt. W w iększości maszyn stanu w danym stanie autom at reaguje tylko na pewien podzbiór m ożliwych zdarzeń (w naszym przypadku z czterech m ożliwych zdarzeń reagujem y tytko na jedno), w e fe kcie w ię k s zo ś ć elem entów tablicy je s t pusta.

Problem len możemy starać się minimalizow ać, aczkolwiek niekoniecznie takie działanie mu sens. Programując nawet mnie m ikrokontrolery, zazw yczaj pamięci jnogm nui mamy pod dostatkiem, w efekcie po przeniesieniu tej tablic} do pamięci PLĄSU strata kilkudziesięciu bajtów nas nie boli. W przypadku napraw dę rozbudow anych maszyn

Rozdział 16. ♦ Budujemy zegar z budzikiem

477

sianu tablice przejść byłyby koszmarnie duże. w elekcie m c byłyby zbyt wygodnym narzędziem opisu stanu maszyny. W takiej sytuacji możem y posiłkow ać się trzecim rc»zw iązaniem — wykorzystując złożone sirukturv danych* np drzewa, do przechowywa­ nia informacji o maszynie stanu Wykorzystując strukturę drzewa łub rozgałęzione listy, opisujemy tylko te elementy maszyny, które są zw iązane z je j funkcjonowaniem Po­ w oduje to znuezną redukcję pam ięci /.użytej do przechow yw ania danych Tego typu struktury św ietnie nadają się do przechowywania stanu elem entów interfejsu użyt­ kownika — na przykład do opisu działania menu

Z e g a r z alarm em Na koniec przyjrzymy się jeszcze jednej realizacji automatu — tym razem spróbujemy w ykorzystać w iadom ości z tego i z poprzednich rozdziałów do zbudow ania zegara z alarm em w oparciu o mikrokontroler XMHGA256A3BU znajdujący się w module Xpłamcd XMEGA256A3BU. Procesor ten został wybrany zc względu na występujący w mm układ podlrzymywania zasilaniu RTC32 Oczywiście po drobnych pr/cróbkacłi możemy wykorzystać podsystem RTCI6, a podtr/yinaine dodać za pomocą jednej z me­ tod opisanych we wcześniejszych rozdziałach Schemat podłączeniu wyświetlaczy został pokazany na rysunku 14.3. D odatkow o w ykorzystane zostaną przyciski SWO - S7f*2 obecne na module Xplaincd XM I:GA256A3BU i podłączone tak |ok pokazano na ry­ sunku 16 4 Do pinu VBAT procesora należy podłączyć buterię podtrzym ującą

9 J0_ di 12

_L1_ 16 Y7_ li 19

ro o ^ u e # u m r\c ro ; PB1 (A0C1) PEOtOCOA/SDA) PB2(ADC2/DAC0) PE1 (OCOB/XCKO/SCL) PB3(AOC3/DAC1) PE2(OCOC/RXDO) PE3(OCOD/TXDO) PB4(AOC4/TMS) PE4(CX^1 A/55) PB5{ADC5rrOI) P36(ADC6rrCK) PE5(OC1 B^SCKI /MOSł) PE6(RSC1/MISO/TOSC2) PB7(ADC7/ACO*OLTr/7DO) PE7(TS01/SCK/CLK0/EV0/T0SC1) PCO(OCOA/SDA) PC1(OCQB/XCKCI/SCL) PC2(OCOC/RXDD) PC3(OCOD/TXDO) PC4(OC1A/55) PC5(OC1 B/MOSt/XCK1) PC6(MISD/RXD1) PC7(SCKn-XD1.CLKO/EVO)

PFO(OCOA) P F 1(OCOB/XCKO) PF2{OCOC/RXDO) PF3(OCOD/TXDO) PF4 PF5 PF6 PF7

Rysunek 16.4. Podłączenie przycisków do nnkrakantrałera X\!F,GA256A3BU. Posiadacze modułu .\plnmed mc nie muszą łączyć Zdefiniujmy funkc je, jakie m a obsługiw ać nasz zegar: ♦ naprzem iennie pokazyw ać aktualny czas i datę. ♦ mieć możliwość ustawiania

478

AVR. Praktyczne projekty

♦ cza.su, ♦ daty. ♦ czasu budzenia, ♦ wleczenia lub w yłączenia budzika Jednocześnie nasz zegarek będzie wspiera) podtrzymywanie bateryjne, dzięki czemu po odłączeniu zasilania nie utracimy ustawień czasu i daty. a po ponownym w łączeniu zasilania wskuzama będą prawidłowe. W ynik będzie prezentow any na 4-cyfrowym wyśw ietlaczu l.KD. a sterow anie zrealizujem y za pom ocą trzech przycisków M aszyna stanów realizująca główne zaloZemu została pokazana na rysunku 16.5 te

Rysunek 16.5. .\/a xzyn a stanów realizująca głów ne założenia ha dcm aa eg o program u zegara S zczeg ó ło w y opis zn a jd u je m *c »» tekście

|

___ 2 i

C z a s

— r* '

{

y

Data

T

)

' Wn1

\fc n i TA*

Program n Ir,

2

Y

B tn 3

| P r o g r a m n+ 1 ]

Ki

| U s ta w czas

][ U s ta w da tę |[ U s ta w alarm || Włącz alarm ]

Ponieważ realizacja takiej maszyny całkowicie w oparciu o tabelę przejść byłaby dosyć skom plikowana, a powstała tabelu raczej spora, uprościmy sobie nieco sprawę, łącząc dw ie techniki realizacji takiej maszyny Zaim plem entujem y ją, korzystając */ tablicy przejść, ale pewne fragmenty zrealizujem y, korzystając z instrukcji sw itck'case — oszczędzi nam to sporo kodow ania Pokazaną m aszynę możemy podzielić na stany ♦ w ysuietłunie czasu (St_TimeDi5play). ♦ wyświetlanie daty tS t DateOisplay) — przejście pom iędzy tymi stanami inicjowane jest pr/cz zdarzenie timeni, lecz l> Iko niektóre zdarzenia powodują przejście (czas wyświetlimy jest przez K sekund, a data przez 2 sekundy, zdarzenie tunera, z pow odów , o których będzie za chwilę, następuje co 2 sekundy); ♦ wybór program u (St_Prograno — wyświetlamy jeden z czterech programów zm ieniających ustawienia zegara, w zależności od w yboru realizow ane jest

Rozdział 16. ♦ Budujomy zegar z budzikiom

479

przejecie do w yświetlaniu daty (program E) lub przejście do jednego z poniższy ch stanów (programy 1 - 4 ) ; ♦ ustaw ianie c/nsu (S tS etT im e) — program P ł — w tym program ie w ybieram y aktualny czas. ♦ ustaw ianie daty (St SetDate)— program P2 — w tym program ie ustawiam y datę w form acie MM D D YY. począwszy od roku 2(XH). ♦ ustuwiame alannu (S tS etA larm ) — program P3 — w lym program ie ustawiamy czas budzenia, ♦ w łączanie i w yłączanie alumni — program P 4 Poniew aż program y realizujące ustuwicnia w ybranych funkcji zegara są dosyć skom ­ plikowane. do ich realizacji wykorzystane zostaną maszyny stanu implementowane w jxv stnci instrukcji w arunkow ych — uprości nam to głów ną tablicę przejść Jako przykład na rysunku 16 6 pokazami je st realizacja funkcji ustaw ienia czasu. Rysunek 16 .6 .

*

Ućałnucju zw iany

aktualnego czasu

Po wejściu do tego programu naciśnięcie przy cisku B rnl \SU'(ł) powoduje zmianę pod­ świetlonej pozycji na kolejną, jeśli w ten sposób dokonam y zm iany czterokrotnie, to przcjdziemv z powrotem d o stanu wyboru program u (St_Prcgramj / a pom ocą przyci­ sków fiiri2/3 ( S i n / 2 ) moZerny zm ieniać aktualnie zaznaczoną cyfrę — w ybrana cyfra m iga z częstotliw ością ok l 1Iz W podobny sposób zm ieniany jest czas alannu N ieco bardziej skom plikow ane je st ustaw ianie czasu A by program mógł popraw nie zm ieniać datę. oprócz miesiąca i dnia musimy tukze podać rok Ponieważ do dyspozycji m amy tylko cztery cyfry, najpierw w yśw ietlana będzie d ata w form acie M \f:YY. a po ustawieniu roku (dw ukrotnym wciśnięciu HinO) w yśw ietlacz będzie wyświetla! datę w formacie D D :StM Dodatkowym problemem jest konieczność weryfikacji daty. i tak np data 29 lutego 2013 m c jest popraw ną datą. gdyż w tym roku luty ma tylko 2K dni. Aby w eryfikow ać podaną datę. program w ykorzysta zn an e nam ju z fiinkcjc /. pliku nagłów kow ego ta le udar. h. Jak w idzim y, nasz program będzie składał się z 7 stanów . pomiędzy którym i przejście będzie inicjow ane zajściem jednego z 4 zdarzeń

480

AVR. Praktyczne projekty

♦ zdarzenie tunera (ActionJTimerTicfcJ — występuje ono okresowo (co 2 sekundy) i moZe zm ienić w yśw ietlanie daty i czasu, w innych Mimach m aszyny jest ignorowane. ♦ zdarzenie związane z naciśnięciem przycisku S il'0 (Ufni. A ctio n B tn lP resso d l — pow oduje ono przejście do kolejnego stanu maszyny lub powrót do poprzedniego. ♦ zdarzenia zw iązane z naciśnięciem przycisków .VI17 i S ll'2 (Hfn2l3, Action_Btn2Pressed l Action_Btn3Pressed) — W niektórych Stanuch pow odują zm ianę wy świetlanej cyfry na o jeden w iększą lub m niejszą Przejdźmy więc do realizacji przykładu — kod znajduje się w katalogu Przykład)1F&M Zegar Dla przejrzystości projekt został podzielony na kilka plików ♦ Ze gar. c — zawierający kod im cjahzacji programu i w yw ołania poszczególnych funkcji. ♦ L E D 7 S eg .h /x — znany nam juz sterow nik wyśw ietlaczy 7-scgm cntow vch. nieco rozbudów uny . ♦ R T C .hL c — tez znany nam kod odpow iedzialny za obsługę R TC 32 i podtrzym ania bateryjnego: ♦ HnUans.hLc — w łaściwie tez znany kod. realizujący obsługę przy cisków', tu dodulkow n wzbogacony o generow anie zdarzeń Action_B tn 1/2/3 Pressed. ♦ FSSf.ltf.c — kod realizujący obsługę m aszyny stanów, a w efekcie całego zegara Zumin przejdziemy do realizacji maszyny stanów, przyjrzyjmy się krótko różnym pomoc­ niczym funkcjom f unkcje «xl|*wvicdziulne za wyświetlanie multipleksowe na 7-segmentowym wyśw ietlaczu l.KD zostały w zbogacone o dw ie dodatkow e funkcje: ♦ Pierwsza pow oduje m iganie całego w yśw ietlacza — w ten sposób zegar l>ędzie sygnalizow ał alarm, efekt ten w łączym y, nadając w artość tru e zm iennej LEDBLINKALL ♦ Druga pow oduje m iganie dw óch sąsiednich cy fr. Jest to potrzebne w funkcji zmiany daty — o wiele w ygodniej jest zm ieniać datę p o przez wy bór miesiąca, a nic oddzielnie dw óch cyfr składujących się na miesiąc Kfekt ten uzyskam y, nndnjąe wartość tru e zmiennej LEDBLIMKOouble W prow adzone m odyfikacje kodu są nieznaczne i obejm ują m odyfikację fragmentu funkcji odpow iedzialnej za w yśw ietlanie cyfry ISP.(TCCn_OVF vect> l S tatic uintS_t LEDNO: 'Aktualnie vrytyn
482

AVR. Praktyczno projekty

ISRIRTC32 COKP v ect)

(

uint32_t cnt-ftTC32j3*t_coiinteri i: RTC32_C0MPscnt-r2: '

//Pobierz łiczmk (itmcUamp!

\ Kałupic przcj-wimtc

calend3r^tiro«t<«p_to_date(cnt. A
y/Cołntenju do „normalnego" zopm t czasu

FSHJ}łspatchEve«tf.ActTori_Tlme?n icfc):

'Zgłoś ZiiarZtUiie fimero

W ystępuje ono co 2 sekundy — dlaczego? O dpow iedź je st banalna — bo częściej (np co I sekundę) nie może Przyczyna, jest fakt. Ze R TC 32 działa w innej dom enie zegarow ej ni Z reszta M CU W efekcie nby porów nanie m ogło wywołać przerw unie. różnica pomiędzy wartością rejestru ClIT i COMP musi wynosić c o najmniej 2 Przerwanie to jest generowane w chwili, kiedy rejestr CNT jest równy rejestrowi COMP Ponieważ chcemy, nby przerwanie było generowane co 2 sekundy, po kuzdvm przerwaniu musimy m ody­ fikow ać rejestr COMP. tak aby w skazyw ał na w artość CNT. ja k ą ten rejestr będzie miał za kolejne 2 sekundy. Dodatkowo funkcja ta dokonuje konwersji czasu z postaci nmcstam p do jx>slaci czytelnej dla człowieka (lok, miesiąc, dzień, godzina, minuta, sekun­ da) i umieszcza wynik u zmiennej dt Kolejnym etapem jest wygenerowanie zdarzenia Action TimerTick. które odpow iada za okresowa zmiany wyświetlanego czasu lub daty. Samu inicjnlizacja układu RTC32 wygląda podobnie jak w poj>r/edmeh przykładach, z tym Ze dodatkowo włączamy przerwania niskiego poziomu dla rejestru jMmmnnnia RTC32. INTCTRL-RTCi2_CQMPI NTLVl_lO_gc:

Odhiokw przeru owaponmrmmu

Musimy jeszcze rozwiązać jeden problem Uklnd podtr/ymunin zasilania informuje nas. czy podtrzym unie działu praw idłow o i czy praw idłow o działu licznik RTC32 Nie mów i mim jednak <» ty m . czy licznik ten zawiera poprawny czas W szczególności przy jn e ro szym uruchom ieniu je g o w artość będzie nieprawidłowa. M usim y w ięc tę sytuację odróznić. M ożna to zrobić /. w ykorzystaniem markera — zm iennej umieszczonej w meulotnej pam ięci EH PR O M , która w skazuje, czy mamy d o czynienia z pierw szym uruchom ieniem program u Zm ienna ta e n in B a t S t d t c s { a a t _ F l r i t T ln e * O x f f . B -a tJC o n w 1«0 a 0Q ) :

eriun BatStates Bat_$tate EEHEM^fiatFirstT me:

Czy u/ącramypierwszy rur'-'

może przy jmow ać dwa stany — B a tF ir^ tT i me. jeśli program jest uruchomiony pierwszy raz. i Bat łlormal. jeśli to kolejne uruchom ienie i RTC zaw iera poprawny czas (zakła­ dając oczyw iście, ze podsystem zasilania awaryjnego działał prawidłowo). W yłgane wartości tych wyrażeń są nicpr/yemdkowe— w artość OxFF zw iązana z Bat_FirstTitae to |xi |>rostu wartość iiieznprogramowanej komórki pamięci EHPROM W efekcie priłeedura imcjalizacji układu podtrzym ania i Umera w ygląda tak ja k poniżej void BatSackup in ttO { ertuii BalStateii bs=eeprcrtt_rcad_byte{ŁBat_State): lfU bs^B atJłornal) U iBat&ackup_status( )*^0)i RTC32_ InltWDJ lrt«():

'Musimy uttowić usz\siko z wyąitocni C Y T

else ( ^eprcmjipdaiejłytet iBat^State. Batjłormal): Znucn stan komorni BatBeatup_reset<): /'Zrcteiąt tdład podi/zymprama BatBackop_xosc( >: 'Włącz oscylator RTC32_inltO: Y.oinicjirj R'S\ ’32

Rozdział 16. ♦ Budujemy zogar z budzikiem

483

Odblokuj przerwania nudnegopnciomu

PMIC CTRL{=PMIC LOLYLEN bt»: )

W urto leż zauw ażyć. ze przerw ania RTC moją najniższy priorytet — dokładnie laki sam jak przerw ania przycisku Nie jest lo przypadek Dzięki temu funkcje obsługi ze­ gara me muszą być współbieżne — gdyby któreś z tych przerwań miało większy priorytet, to jego obsługa przerywałaby potencjalnie w ykonywane inne przerwanie, w efekcie wszystkie funkcje obsługi zegara musiałyby być nzcntnw t Niepotrzebnie kompliko­ wałoby lo kod w sum ie prostego przykładu Jeśli uruchomiamy program pierwszy raz. to niezależnie od stanu układu podtrzymania wykonujemy pełną inicjalizację układu RTC32, a następnie zmieniamy stan naszej zm iennej ecpron_update_hjrte( ABat_State

Bat Jjarma \ 1:

7.mr>t ułan komorlt

D laczego w tym celu wykorzystujemy funkcję eepr*om_update_bytoł Chodzi o lo, aby ciągle nie zapisyw ać pamięci HEPROM . funkcja ta najpierw sprawdza, czy wskazana kom órka mu w łaściw ą w artość i jeśli tak. to odstępuje od zapisu — jest to szybsze i bezpieczniejsze dla pamięci EHPROM Funkcja tnicjalizacji tunera została podzielona na dw ie części Pierwsza w ykonuje pełną inicjalizację void RTC32_mit<) ł RTC32. CTRL 4 - -RTC32JJMBU_bm; Zablokuj H iV na cza i tm yth za cp uh I le(RTC32.SYHCC tRL l RTC32 SYWCBUSY_b»): Poczekaj na nnchrom zacn RTC32.PER--1: tO b n H T C

uwt32_t dt-catendar_d3te_to_tuni'5taTrp(&(stnicx calendar_date.ł(0. I) 0. 0. 0. 2D13)): i/Unmę/nj tuner czarem paczątkowyyn

RTC32 set cou n ter ( d t ): fłUstaw czas t moment przem owa RTC327CTRL-RTC32MENABlE_bn: A W łtp z R JC RTC32. INTCTRL=RTC32jICMPItlTLVL^L0_gc : Odhlctmjprzerw
iftcnt & 1) RTC32.C0MR^cnt-*3: else RTC32.CCftP'»cnt-«2: //Zadbaj, aby przerwanie byto generowane u odpowietbuc} chwili

«h I le(P.TC32.SYNCCIRL & RTC32_SYNC0USY_bn); Poczekał na Mliraniziuję R T C 3 2 . 1NTCTRL-RTC32_CGM P IM TLYL_10 j j c : Odblokuj przerwania porównania

I

484

AVR. Praktyczne projekty

je s t w y w o ły w a n a w s y tu a c ji, w k tó re j lic / m k R T C z a w ie r a p r a w id ło w y c z a s , je j zu d a n ie tn jest t y lk o p o n o w n e o d b lo k o w a n ie p r z e r w a ń — o d łą c z e n ie z a s ila n ia b lo k u je tę fu n k c ję lic z n ik a . M a m y ju z w s z y s tk ie fu n k c je p o m o c n ic ze , c z a s n a / d e fin io w a n ie m a s z y n y sta n ó w

D la

u p ro s zc ze n ia na sza tu b cla p rz e jść b ę d / jc z a w ie ra ć ty lk o w s k a ź n ik d o fu n k c ji re a lizu ją c e j p rz e jś c ie — fu n k c ja ta b ę d z ie o d p o w ie d z ia ln a z a p r z y g o to w a n ie au to m atu d o p rz e jś c ia i e w e n tu a ln ą z m ia n ę sta n u P r z y ta k im z a lo z e m u ta b e la p r z e jś ć m o Z c w y g lą d a ć la k const StChgFunc T rin s T a b le [S t jK O )[A c tlo n J M I)J PROGKfM = { [S t_ T in e O łsp le y ][A ct lo n _ T łtio rf lck]**ChgFunc_TłnieOateDlspChij [Stjrin^ isplay3[A ctionJ}TnlPres$ed3-C bgFtinc_Tim eD atf8-:n 3Prę$5rd [St_TirteOisp ló y ][A c t ion_Stćrt]=OvgFurx_TlłieDate{)ispaiij. [S t J ) a t eO Isp I ay ] [ Ac l7on_T 1rra rT i c t ] a#*gFunc_n ticOa t cO l spC Mg [St_D atK i» splay]C A ct ion_BrnlPr«5ed3-ChgFunc_Tim eDdteS:nlPres3e(J [S t_ D a tc O lsp ia y K A c t lon Start]»O)gFunc_Ti«e0dte{)iiipChg. ĆSt_ProgrńłnJ(;Aclion_BtnlPres5Dd]=ChgFunc_Pr^tnlPressod [St_Progra.Ti][ActtDn_Btn?Pressed]*ChgFunc__PrgBtn?IiPre3sed [St_Prcgrani][Act i on_Btn3Press€d]-CbgFunc_PrgBtnc3Pre55ed [St_Program ]lAction^ Start3= ChgFunc_PrgStart CSt_SetTlne]tAct7on_BtnlPr953pd}=*ChgFunc_PrgSctTln?€5tn1Pr€3sed. [St_SetTim e][A ct i onJJtn2PressedJ-Chgrunc_PrgSetT m eBtnZPressed. [S t_ se tT utieH Act i on^BcrtfPressedhChgFunc^PrgSetT w eBtnSPres sed. [St_SetTlm eJ[A ctlon_StartJ= ChgFune_PrgS9tTineStart. CSt_S€t0ate3CAction_8tn3Pręssęd]-ChgFunc_PrgSet0at9BtnlPre3sed. [St _SetD3te3[Action ,8tn2Pressed]»ChgFun£_Prg$ctDate8tn2Pre3sed. [St~S®tDate3[Act i on [S ta rt 3=CligFunc_PrgS6tDót«Start. [St_SotAtarai3[Act lon_Btn IPressed J*ChgJ:unc_PrgSotA I artnB tn lPrcssed. [St_SetAlam 3tAction_8tn2Pre55«d3-ChgFunc_PrgS€tTłneBtn2Pr^5$ed [St_SetAlam 3lActton_8tn3Pressed3=ChgFunc_PrgSetTineBtn3Pre5sed [St_SetA I a m 3 l A ct i on_S tart ]=ChgFunc_PrgS*tA Ia rm S ta rt. [S t_ 5« A tan70 nD ff3[A ct ion_Start3-CbgFunc_PrgSetAlarm OnO ff5tart [St_ SetA l amOnOf H C A ct i on BtnlPr«sed]«ChuFur>c^PrgSetAlarnDnOf fEx 11 . [St_SctAlam O nO ffl[Actlon_Bln2Pro3sed3= ChgFunt_PrgSetAłam O nO ff. [St S e tA la m Q n O fflC A ctlo n Btn3Pressec3~ChgFimc PrgSetAU rnO nO ff

T; J u k w id z im y , k a ż d e m u s ta n o w i z o s ta ły p r z y p o r z ą d k o w a n e z d a r z e n iu , k tó r e m a ją n a m e g o w p ły w i o d p o w ie d n ia fu n k c ja ic h o b s łu g i P o w y z s z u tal^chi d la o s z c z ę d n o ś c i p a ­ m ię c i R A M z o s ta ła u m ie s z c z o n a w p a m ię c i F I.A S 1 1 m ik r o k o n t r o le r a l :u n k c ja o b s łu g i je st b a r d z o p o d o b n a d o z n a n e j n a m z p o p rz e d n ie g o p r z y k ła d u : vo>d FSM 0lspatdiHvent(enu7i A ctfonFvents event )

{ StChgFunc func-pgrr_read_M ord(STran5Tdbte[CurrStat«3[ćvent3): if ( f u n c ) (* fu n c )ie v ć n t) :

Je j z a d a n ie m je s t p o b ra n ie a d re su fu n k c ji p r z e jś c ia (z e w z g lę d u nu u m ie s z c z e n ie ta ­ b lic y w p a m ię c i F L A S H k o rz y s ta m y z fu n k c ji pejm re ad word). je ś li dana fu n k c ja p rze jścia is tn ie je , to j ą w y w o łu je m y , j e ś li n ie to p o p ro s tu z d a r z e n ie ig n o r u je m y W s z y s t k ie p o z o s ta łe fu n k c je p r o g ra m u to fu n k c je zw ią z a n e z r e a liz a c ją p r z e jś ć p o ­ m ię d z y p o s z c z e g ó ln y m i sta n a m i P r z y t a k im z a p is ie j a k p o k a z o m 1 p o w y ż e j n ie z w y k le ła tw o d o d a ć k o le jn e fu n k c je d o n a s z e g o z e g a ra — w ty m c e lu w y s ta r c z y d o d a ć ty lk o k o le jn e sta n y i o b s łu g u ją c e j e fu n k c je

Rozdział 16. ♦ Budujemy zegar z budzikiem

485

Przeanalizujmy przykładową zmiany sianu. Jeśli zegar wyświetla czas lub datę, to reaguje ty lko na dwa zdarzenia — Action_TimerTick i A c tio n B tn lP re sse d Pozostałe przyciski będą ignorow ane — nie m a zw iązanej z nim i funkcji przejścia Na przykład zdarzenie Umera spow oduje pobranie adresu funkcji ChgFunc_TimeDateDispChg. jej kod w ygląda następująco: votd ChgFunc_T1meDóteDlspChg(errjfn ActlonEvents Event)

{ 1f((A lam .A larni0n==true) &£ (dt.nlruto==Alarm.AlarmT1ine.minutę) £&

LEDBLl W
( case 0 . . . 7 :

LED_SetLED(dt.hair. dt.m tnute>:

d e fa u lt:

Ć urr$tate=S t_Tim eD isplay: break: LE0_SetLE0(dt.date+1. dt.m onth+ 1): C urrS taie=S t O ateD isplay: break:

) ł: Funkcja ta spraw dza licznik sekund i w zależności od je g o stanu przełącza autom at do dwóch możliwych stanów — St TimeDisplay lub St DateDisplay. a w efekcie wyświe­ tlany jest czas lub data Druga funkcja zw iązana z tym stanem to funkcja obsługi klaw isza naciśnięcie w yw ołuje funkcję ChgFunc_TimeDateBtnlPressed:

B t n I (S \V 0 ).

Jego

void ChgFuncTImeDateBtnlPressedtenum Action£vent$ Event)

I Curr$tate=$t_Program : FSH_Di s patchE ve nt(Act i o n _ S ta r t ):

}: Powoduje ona tylko zm ianę stanu autom atu i w ygenerow anie w ew nętrznego zdarze­ nia A ction_S tart — zdarzenie to je st generow ane w sytuacji, w której automat po raz pierw szy w chodzi w dany stan. Tego typu funkcje są niezw ykle wygodne — inicjują one pewne zm ienne zw iązane z danym stanem automatu. W naszym przypadku funkcja la ma postać: void ChgFunc_PrgStart(enun ActionEvents Event)

ł LEDBL INKALL-false: LEDBL INKDouble-fal$e: //Jeśli wyświetlacz noga. uyłączto CurrPrg=PRG E x tt: LEDOIGITSE33-11: //Pustyznak LEDDIGITS[2]=U: LEDDIGITS[1]-12: //In a k P LEDDIGiTS[0]=CurrPrg: i f(CurrPrg==PftG E x it) LEDDIGITS[0]=13: //Wyświetlamy specjalny symbol

): Jej zadaniem jest inicjalizacja wyświetlacza, tak aby wskazywał ..Pn". gdzie n to program, do którego chcemy wejść. Aby nie komplikować tabeli przejść, w ybór programu został

486

AVR. Praktyczne projekty

zrealizow any w oparciu o m aszynę stanów , ale realizow aną za pom ocą instrukcji w a­ runkow ych. Stany s ą wym ienione w typie wyliczeniow ym : enun RTC_Programs (PRG_Exit. PftG_SetTime. PRG_SetDate. PRG_SatAlarn. PRG_A1a nrOnOff. PRG_END}: stan tej m aszy n y je st przech o w y w an y w zm iennej: s ta tic enun RTC_Programs CurrPrg:

N aciśniecie przycisków 5W7 lub S it'2 powoduje zm ianę stanu maszyny — w tym celu zdarzenie pow iązane z przyciskiem przechodzi przez tabele przejść, nie w yw ołując zm iany stanu. Za zm ianę odpow iada funkcja obsługi, która zm ienia stan naszego „w ew nętrznego" automatu: votd ChgFunc_Prg5tn23Pressed(erwn Act1onEvents Event) < if(Eventw»Action_Btn2Pressed) CurrPrg**: else CurrPrg-*: CurrPrg-((unsigned)CurrPrg> i PRG END: LEDDlGITS[0]“CurrPrg: 1f (CurrPrg—PRG_Ex i t ) LEDDIGITS[0 ]-13: /Wyświetlamy specjalny symbol ł: Podobnie naciśnięcie SII'0 (B tnl) spowoduje wywołanie powiązanej ze stanem St_Program funkcji ChgFunc_PrgBtnlPressed: void ChgFunc_PrgStnlPressed(enum ActionEvents Event> < sw1tch(CurrPrg) { case PRG_Exit: C u rrS ta te = $ t_ D a te D is p la y : b re a k : case PRG_SetTine: C u rrS ta te " S t_ S e tT im e : b re a k: case PRG_SetDate: C u rrS ta te -S t_ S e tD a te : break: C u rrS ta te = S t_ S e tA la n n : b re a k : case PRG SetAlarm: c a s e P R G _ A la m O n O ff: C u r r S t a te = S t_ S e L A la r m D n O ff: b r e a k : d e fa u lt:

:

} F S M _ O is p a tc h E v e n t( A c t io n _ S t a rt ) :

Funkcja ta realizuje przejście „głów nego" autom atu do w ybranego stanu. Dzięki temu prostem u trikowi zaoszczędziliśm y na pięciu dodatkow ych stanach w tabeli przejść — w efekcie realizacja jest prostsza i przede w szystkim mniej pam ięciochlonna O czyw iście ceną za to jest ukry cie pew nych stanów autom atu i być m oże nieco mniej czytelny kod. Podobnie takich „ukrytych” autom atów stanu użyjem y do realizacji poszczególnych funkcji zegara Z ałóżm y, że wybraliśm y ustaw ienie czasu (program 1). Spow oduje to przejście m aszyny stanów do stanu St_SetTime i w yw ołanie zdarzenia A ctio n _ S tart. W tabeli przejść odpow iada temu funkcja ChgFuncPrgSetTim eStart: v o td C h g F u n c _ P rg S D tT ln * S ta rt(e rx a n A c t lo n E v e n t s

LEDBLINK=0: LEDBLINKDoubIe= fa 1s e : u in t3 2 _ t cnt-R TC 32_get_counter():

Event)

//Pobierz hcznrk (iimcstamp)

Rozdział 16. ♦ Budujemy zegar z budzikiem

ca Iendar_t i mestaTip_to_date (c n t. Adt): LED_SetLED(dt.hour. dt.minutę):

487

//Konwersja do ...normalnego" zapisu czasu //Wyłwietl czas

}: Funkcja ta pobiera aktualny czas RTC. konw ertuje go na postać zrozum iałą dla czło­ wieka i wyświetla go w postaci H H :M M na wyświetlaczu. Jednocześnie pierwsza cy­ fra zaczyna migać, wskazując pozycję, której wartość m ożem y zm ieniać przyciskami SW1 i SW 2 (Btn2 i Btn3). K olejne wciskanie przycisku SH’0 powoduje przejście pod­ świetlenia na kolejne cyfiy, a w końcu zakończenie program u, wszystko to jest reali­ zow ane w funkcji: void ChgFunc_PrgSetTimeBtnlPres5ed(enum ActionEvents Event) { LECBLtNK**: 1f(LEDBL INK—LEDDISPNO) ( dt.second=0: dt.minute-LEDDlGITS[l]*10«-LEDDIGlTS[0]: dt.hour=LEDDlG!TS[33*10*LEDDIGlTS[23: if(dt.hcur<24) ul nt32_t cnt=calendar_date_to_t1mestamp{&dt): //Zapisz nowy czas RTC32_set_counter(cn t>: CurrState=St_Progran: FSM_Di spatchEvent(Act ion_Start): //Wychodzimy z ustawiania } else LE0BL1NK=2: //Niepopiawna godzina ) }: Jak widzimy, funkcja zmienia podświetlenie na kolejną cyfrę, a jeśli nic ma więcej cyfr ( i f (LEDBlIMKa*LEDDI$PHO)), to zapisujemy ustawiony przez użytkow nika czas i kon­ wertujemy go na wartość licznika RTC Przy okazji dokonywana jest kontrola poprawności czasu — np me da się ustaw ić godziny 25 Spowoduje to konieczność poprawienia liczby godzin. Nieco bardziej skomplikowana jest zmiana daty Ponieważ dysponujemy wyświetlaczem czterocyfrow ym , a do wyświetlenia daty potrzebujem y sześciu cyfr Y), musimy datę podzielić na dw ie części {D D :M M i MA/;}')'). P o wybraniu program u P 2 (ustawienie daty) maszyna wchodzi w stan St SetDate i wywoływana jest odpowiednia funkcja wejścia: votd ChgFunc PrgSetDateStdrt(eojn ActtonEvents Event) { LE0BLINK=0: LEDBLINKDouble=truc: DatePos=0: mencpyt&tnpdt. Adt. sizeo f(d t)): //Utwórz kopię danych LED_SetLED(dt.month+l. dt.year-2000): ł Funkcja ta wyświetla aktualną datę w formacie A/A/.łT, przy okazji wykonuje kopie struktuiy dt — dalsze operacje będą dotyczyły kopii tej struktury. Dlaczego? Pamięta­ my. Ze struktura d t jest uaktualniana automatycznie w funkcji przerwania RTC. W efekcie jej zm ieniona wartość byłaby najpóźniej po 2 sekundach tracona i zastępow ana w ar­ tością zaw artą w liczniku timera CNT. Datę możemy zm ieniać tak jak poprzednio — na­ ciśnięcie przycisku S \\'I zmienia rok na kolejny. Przy ustawianiu daty wykorzystujemy

Rozdział 16. ♦ Budujemy zegar z budzikiem

489

wykorzystuje funkcję biblioteczną calen d ar_ is_ d ate_ v alid Funkcja ta zwraca tru e , jeśli podana data jest poprawna, lub fa ls e w przeciwnym przypadku. Jeśli data jest błędna, to wystarczy podany dzień zam ienię na kolejny po nim W podobny sposób zrealizowane są pozostałe funkcje naszego zegara

Je s z c z e o m a szyn a ch stanu Pisząc program, często spotykamy się z sytuacją, w której program zmieniając stan (teraz ju z możemy tego słowa użyć), oczekuje na sygnał wyzwalający zmianę (zdarzenie). Takim zdarzeniem może być nadejście now ego bajtu danych przez wybrany interfejs, zakończenie jakiejś operacji czy oczekiwanie na naciśnięcie przycisku. Takie oczeki­ wanie jest realizowane często w postaci nieskończonej pętli: wtó l e ( 1
Rozwiązanie to ma co najmniej dw ie wady — co jeśli zdarzenie, na które oczekuje­ my, nigdy nie nadejdzie? Czy procesor musi czekać w pętli, nic nic robiąc? Mozę mógłby zająć się czym ś bardziej pożytecznym? W arto sobie na tc pytania odpow ie­ dzieć Jeśli zdarzenie, na które oczekujemy, nigdy nie nadejdzie, to program pozosta­ nie w takiej martwej pętli na zawsze, sprawiając wrażenie, jakby się zawiesił. Pro­ blemem nie jest sytuacja, w której wiemy, ze na dane zdarzenie przyjdzie nam poczekać, ale sytuacja, w której oczekujemy, że dane zdarzenie wystąpi szybko, a ono uparcie nie chce zajść Na przykład w rozdziale 9. czekaliśm y w pętli na stabilizację drgań oscylatora. A co jeśli taka stabilizacja nigdy nie w ystąpi, !>o np podłączony kwarc je st uszkodzony? Musimy więc pamiętać, aby tworząc takie pętle oczekiwania w aplikacji, dać możliwość ich zakończenia w sytuacji awaryjnej. Takim sygnałem do zakończenia może być przekroczenie czasu oczekiwania (ang. timeoiii). Po tym czasie P^tla po prostu kończy się. a maszyna stanu powinna ulec zresetow aniu W poprzed­ nich podrozdziałach pokazany został prosty automat, którego celem było sprawdzenie sekwencji naciskanych przycisków. Spodziewamy się. ze sekw encja następuje w j a ­ kimś zdefiniowanym czasie. Jeśli użytkownik naciśnie dwa przyciski w odstępie 1 s. a kolejny po godzinie, to raczej nie nazw alibyśm y tego sekw encją. W elekcie po przekroczeniu pewnego czasu musimy zadbać, aby maszyna stanu powróciła do punktu początkowego. Dzięki temu jest gotowa do przetworzenia kolejnej porcji danych Dobrym przykładem sytuacji, w której zachodzi konieczność realizacji zerowania ma­ szyny, jest właśnie transmisja przez różne interfejsy, szczególnie te. w których mogą w ystąpić potencjalnie błędy — np. interfejsy radiowe. W pow yższych przykładach zdarzenia związane z przyciskami były generowane w przerwaniu, podobnie w prze­ rwaniu działała cala maszyna stanów. W efekcie program ją realizujący działał niezale/jue od programu głównego. Stąd leż mamy do dyspozycji dw a ..wątki" — główny, związany z pętlą główną programu, i „wątek" realizowany w przerwaniach. Oba wątki wzajemnie się nie blokują, mamy więc namiastkę systemu wielozadaniowego (RTOS). Tworząc w umiejętny sposób maszynę stanów, możemy uzyskać wiele cech systemu wielozadaniowego bez nadmiernej komplikacji programu W arto o tym pamiętać, pi­ sząc aplikacje.

Rozdział 17.

Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce Różnego typu interfejsy szeregow e niezm iennie cieszą się d u ż ą popularnością Powo­ dem tego jest ich prostota — do realizacji takiego interfejsu w ym agane je st zazwyczaj od dw óch do czterech połączeń O prócz prostoty elektrycznej cechuje je także pro­ stota programow a — obsługa interfejsu z nielicznym i w yjątkam i (I2C. U SB) jest sto­ sunkowo prosta, szczególnie w sytuacji, w której w ykorzystywany sprzęt wspiera sprzętowo niektóre lub wszystkie funkcje wymagane do realizacji transmisji szeregowej. Mikrokontrolery XMHGA dysponują szeregiem interfejsów szeregow ych (USART. TW I/I2C, USB. SPI). Od wcześniejszych rodzin AVR odróżnia jc to, żc zazwyczaj (z wyjątkiem interfejsu USB) dysponujemy zwielokrotnionymi układam i peryferyjnymi interfejsów. Na przykład w wykorzystywanym m ikrokontrolerze XMEGA128A1 mamy do dyspozycji aż 8 interfejsów USART. SPI i I2C. Dzięki temu raczej nic grozi nam sytuacja, w której mam y niew ystarczającą liczbę układów peryferyjnych reali­ zujących daną funkcję, co było pew ną M ą c z k ą np m ikrokontrolerów A TM ega (dys­ ponowały one 1 - 2 interfejsami USART). W arto przyjrzeć się pew nym rozszerzeniom tych interfejsów i ich mniej typowym zastosow aniom , co zostanie pokazane w dalszej części tego i kolejnych rozdziałów To. co cechuje mikrokontrolery XM JiGA. to fakt. że układy peryferyjne pow iązane są z portami 10, w efekcie kolejne porty 10 (z wyjątkiem portów analogowych PORTA i PORTB) posiadają komplet interfejsów szeregowych Każdy port IO posiada powiązane z nim dw a interfejsy USART — O i l . I tak na przykład interfejsy pow iązane z PORTC mają oznaczenia USARTCO i USARTC1, a z PORTD — USARTDO i USARTD1 Przyporządkowanie pinów interfejsu USART do pinów portu IO pokazano w tabeli 17.1

492

AVR. Praktyczne projekty

Tabela 17.1. Przyporządkowanie pinów IO do powiązanych z portem układów USART Pin 10

Funkcja

Uwagi

0

-

1

XCLK0

Zegar USART 0 w try bie synchronicznym

2

RXD0

Odbiornik USART 0

3

TXD0

Nadajnik USART 0

4

-

5

XCLK1

Zegar USART 1 w irybic synchronicznym

6

RXD1

Odbiornik USART 1

7

TXD1

Nadajnik USART 1

Poniew aż używ ana przez nas X M H G A 128A l ma 4 porty IO ogólnego przeznaczenia (dodatkow o 2 porty IO pow iązane z układam i analogow ym i i 2 pow iązane z m agi­ stralą pamięci zew nętrznej), a z każdym portem pow iązane są dw a interfejsy USART, łącznie dysponujem y w ięc ośm iom a sprzętow ym i interfejsam i USART.

E le k try c z n a re a liz a c ja in te rfe js u U S A R T W yjścia i w ejścia USART dostosowane są do poziomów logicznych TTL — w efekcie nic m ożna ich łączyć bezpośrednio z interfejsem RS232 — doprow adziłoby to do uszkodzenia m ikrokontrolera. Stąd też wym agany jest konw erter poziom ów , jakim zw ykle jest układ M AX232 lub jego odpow iednik (rysunek 17 1) Zadaniem takiego układu jest konwersja poziom ów z TTL do poziomów używ anych przez RS232 i od­ wrotnie (tabela 17 2). Tabela 17.2. Poziomy napięć na magistrali RS232 Stan logiczny

Nadajnik

Odbiornik

0

+ 5 -+ 1 5 V

+3 - +25V

1

- 5 — 15V

-3 — 25V

niezdefiniowany

—

-3 - -ł-3V

WsUrówb

W yjątkiem o d tej z a s a d y je s t b e zp o śre d n ie łą cze n ie dw óch u k ła d ó w m ik ro p ro ce so ro ­ wych z w yk o rzy sta n ie m tzw. in te rfe jsu R S 2 3 2 -T T L . T e g o typu in te rfe js p ra cu je z po­ zio m a m i logicznym i TTL i nie w ym aga tra n sce ive ra . N ie stety je g o z a s ię g je s t o grani­ czony I w praktyce w ykorzystuje s ię go do łą c ze n ia u k ła d ó w n a o d le g ło ś ć k ilk u n a stu - k ilk u d z ie s ię c iu centym etrów . Przy d łuższych p o łą cze n ia ch p o w sta ją prob lem y z po­ p ra w n o ś c ią tra n s m is ji.

Rozdział 17. ♦ Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce

493

p c o ;o c o w s d a >

PCHOOOB^CKG^CL* PC2(CCOG'RXDO) PC335) PC5(OC1 B.'MOSIOCCK1) PC6(MISOfRXD1) P C 7 (SC K/TXO t /CLKO /0/O )

PCX);OOOWSDA> P O K O C O & K C K O fS C l) PD2(CCOC'RXDO> p c x x c x ; o cu t xd o } P04(OC1A^55) PDS[OC1B/XCK1MOSI} PD6(RXD1iW!SO) PD7(TXD1 /SCK/CLKO/EVO)

Rysunek 17.1. Połączenie mikrokontrolera M tEG A I28A J z transceńerem AfAX232. Układ\IAX232 przeprowadza dwukierunkową konwersję poziomów logicznych, dostosowując wymagania elektry czne do standardu RS232. Złącze X I można u* efekcie połączyć ze złączem RS232 innego urządzenia, np. komputera Należy zwrócić szczególną uwagę na typ konwertera i jego wymogi. W przypadku WIF.GA należy użyć konwertera, który może być zasilany napięciem 3,3 I' t wiele wymaga zasilania 5 I '). należy także dobrać kondensatory C l - C4 zgodnie z notą uży tego układu niektóre wy magają np. kondensatorów elektrolitycznych o wartości 1 - 10 pF Przy połączeniu układów z wykorzystaniem interfejsu USART sygnały Rx i Tx dwóch urządzeń są skrzyżowane, tzn. sygnał Rx jednego urządzenia podłączony jest z pinem Tx drugiego, a sygnał Tx pierwszego z sygnałem Rx drugiego. Wynika z tego. ze w tym typie magistrali maksymalnie możemy połączyć ze sobą dwa urządzenia1 Połączenie takie umożliwia wykorzystanie transmisji full-ditpłex — w tym samym czasie możliwe jest zarówno nadawanie, jak i odbiór danych. Mikrokontrolery AVR nie implemen­ tują wszystkich sygnałów interfejsu RS232 — do dyspozycji mamy tylko sygnały Rx oraz Tx. umożliwiające asynchroniczne nadawanie i odbiór znaków. Dodatkowo inter­ fejs USART mikrokontrolera możemy skonfigurować tak. aby transmisja odbywała się w sposób synchroniczny, z wykorzystaniem dodatkowej linii zegarowej. Dodatkowe linie DTR. i x ' ,D. DSR. R I, RTS i CTS nie są wspierane sprzętowo przez mikrokontroler, jednak w większości przypadków w niczym to nic przeszkadza.

WUuzówU

Warto też pamiętać, ze urządzenia mogą być łączone ze sobą z wykorzystaniem róż­ nych typów kabli. Czasami stosuje się kable skrosowane (ang. c ro s s e d cable), w któ­ rych pin R xD z jednego końca połączony jest z pinem TxD na drugim końcu i wice versa, czasami korzysta się z kabli prostych (ang. s tra ig h t c a b le ). w których połączone są piny TxD z TxD I R xD z RxD. Takie kable nie nadają się do bezpośredniego łą­ czenia urządzeń — stosuje się je m.in. jako przedłużacze RS232. Układ nadajnik - odbiornik transccivcra zabezpieczony jest przód zwarciem, jedyna moż­ liwość jego uszkodzenia lo podłączenie zewnętrznego napięcia do jego wyjść. Układy transccncrów RS232 zwykle zapewniają szybkość transmisji do ok. 120 - 140kbps.

Rozdział 17. ♦ Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce

PC O [O C O W SD A > P C H O C O B V X C K O 'S C L > P C 2 (C C O C /R X D O ) PC2< OCDD/TXDO) P C 4 (0 C 1 A > 3 3 ) P C S lO C lB / M O S t O C C K I ) P C 6 (M IS C V R X D 1 ) P C 7 (S C K / T X 0 1/ C L K O / P / O )

493

MAX232 R20UT R10UT T 2IN T 1IN

R2IN R1IN T2CXJT T 1 0 (J T

C2P O O IO C O W S D A ) P O l{O C O & fX C K a » S C L > P D 2 (C C O C R X D O > P D 3 < o c o n rrx D Q ) P D 4 (O C 1 A /5 5 ) P D S [O C 1 B /X C K 1 /M O S I) PD 6(R XD 1i7*CSO ) P D 7 (T X D 1 / S C K / C lK O .'E V O )

C2* VC l-

V+ CU-

GND

R y s u n e k 1 7 .1 . Połączenie mikrokontrolera XSIF.GA 12fłA I z transceieerem X/AX232. U kład \fA X 2 3 2 przeprowadza dwukierunkową konwersję poziomów logicznych, dostosowując wymagania elektry czne do standardu RS232. Złącze X I można n efekcie połączyć ze złączem RS232 innego urządzenia, np. komputera. Xa leży zwrócić szczególną uwagę na typ konwertera i je g o wymogi. W przypadku X \fE G A należy użyć konwertera, który może być zasilany napięciem 3,3 I ' (wiele wymogą zasilania 5 I "I, należy także dobrać kondensatory CI Cd zgodnie z notą użytego układu niektóre wymagają np. kondensatorów elektrolitycznych o wartości I 10 p F

Przy połączeniu układów z wykorzystaniem interfejsu U SA RT sygnały R x i Tx dwóch urządzeń są skrzyżow ane, tzn. sygnał Rx jednego urządzenia podłączony jest z pinem Tx dnigiego. a sygnał Tx pienvszcgo z sy gnałem Rx drugiego. W ynika z tego. ze w tym typie magistrali maksymalnie możemy połączyć ze sobą dwa urządzenia' Połączenie takie umożliwia wykorzystanie transmisji fuII~Jttplex — w tym samym ezasie możliwe jest zarówno nadawanie, jak i odbiór danych. M ikrokontrolery AVR nie implemen­ tują wszystkich sygnałów7 interfejsu RS232 — do dyspozycji mamy tylko sygnały Rx oraz Tx. umożliw iające asynchroniczne nadaw anie i odbiór znaków. Dodatkowo inter­ fejs USART mikrokontrolera możemy skonfigurować tak. aby transmisja odbywała się w sposób synchroniczny, z wykorzystaniem dodatkowej linii zegarowej. Dodatkowe linie DTR. DCD. DSR. RJ, R T S i C T S nie są wspierane sprzętowo przez mikrokontroler, jednak w większości przypadków7w niczym to me przeszkadza W arto też p a m ię ta ć, że urządzenia m ogą być łą czo n e ze s o b ą z w ykorzystaniem róż­ nych typów kabli. C za sa m i stosuje się kab le skro so w ane (ang. crossed cabie), w któ­ rych pin RxD z je d n e g o k o ń c a p o łączo ny j e s t z pine m TxD n a drugim k o ń cu i vice versa, cza sa m i korzysta s ię z kabli prostych (ang. straight cabfe), w których połączone s ą piny TxD z TxD I RxD z RxD. T a kie k a b le n ie n a d a ją s ię do b e zp o ś re d n ie g o łą ­ c z e n ia urzą dze ń — s to s u je s ię je m .in. ja k o p rze d łu ża cze R S 2 3 2 .

W sU rów b

Układ nadajnik - odbiornik transecivcra zabezpieczony jest przed zwarciem, jedyna moż­ liwość jego uszkodzenia to podłączenie zew nętrznego napięcia do jego wyjść. Układy transcciverówr RS232 zwykle zapew niają szybkość transmisji do ok. 120 - 140 kbps. 1

1 Chyba że kolejne urządzeniu będą wyłącznie nusluchiwać transmisji z wybranego urządzeniu będącego masterem

494

AVR. Praktyczne projekty

ale m ogą osiągać znacznie w iększe szybkości, sięgające ok. 1,5 Mbps. M aksymalna długość kabla łączącego dwa urządzenia na magistrali w ynosi ok 16 m. przy czym pojemność magistrali nic może przekroczyć 2.5 nF. Sląd leż stosując kable lepszej jako­ ści. np skrętkę U TP kat. 5e o pojemności ok. 17 pl7m . m ożna w ydłużyć kabel do ok 50 m. M aksym alna długość kabla zależy także od szybkości transmisji (tabela 17.3): zm niejszając szybkość, możemy znacznie w ydłużyć łączący urządzenia kabel. T a b e la 1 7 .3 . Zależność pomiędzy szybkością transmisji a maksymalną długością kabla. Podane długości są

ty lko orientacyjne, w zależności o t! warunków otoczenia (np. silne zakłócenia) mogą być znacznie mniejsze P rę d k o ść

M a k s y m a ln a d łu g o ś ć k a b la

19 200

16 m

9600 4800

160 m 320 m

2400

1000 m

F o rm a t tra n sm isji d an ych Interfejs U SA RT pracujący w trybie asynchronicznym w ykorzystuje pewien podsta­ wowy format danych, umożliwiający odbiornikowi rozpoznanie początku transmisji, a następnie odbiór kolejnych bitów danych. K ażda transm isja na magistrali RS232 rozpoczyna się nadaniem tzw. b itu s ta rtu (rysunek 17.2). W artość tego bitu zawsze wynosi 0, dzięki czemu nadajnik może rozpoznać początek odbieranych danych Po bicie startu w ysyłanych je st 5 - 9 bitów danych, po czym opcjonalnie wysyłany jest tzw. bit parzystości oraz 1 - 2 bity stopu Bit parzystości dobierany jest tak. aby w zależności od konfiguracji interfejsu całkowita liczba nadanych bitów o wartości I była parzysta lub nieparzysta. Dzięki temu odbiornik może kontrolować poprawność przesyłanych danych, a ewentualna niezgodność sygnalizow ana jest jako błąd parzystości (ang Parity trro r). B K sta rtu

5-9 b itó w tfjn y ch

(PJ

1-2 b ity stopu

______________________A_____________________

R y s u n e k 1 7 .2 . Struktura ram ki ('A R T W przypadku transmisji synchronicznejje s t ona taktowana

zegarem C L K generowanym przez urządzenie master. W przypadku transm isji asynchronicznej otlbtom ik rozpoczyna próbkowanie sygnału »i» oparciu o czas wyznaczony przez bit startu. Liczba bitów danych jest zmienna i mieści się w zakresie 5 - 9 bilów, bit parzystości je s t opcjonalny i może nie występować, podobnie liczba bitów stopu może wahać się m l I do 2 w zależności od konfiguracji interfejsu

Rozdział 17. ♦ Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce

W iJu ró w b

495

B it p a rz y s to ś c i je s t op cjo n a ln y. J e ś li m a m y p e w n o ść, że tr a n s m is ja m e b ę d z ie za ­ kłó ca n a , to m o żem y z nieg o zrezygnow ać, zw ięk sza jąc w ten s p o s ó b p rze p u sto w o ść m a g is tra li.

Całą transmisję kończą tzw. bity .stopu — definiują one odcinek czasowy, w jakim m a­ gistrala musi pozostać w stanic bezczynności po nadaniu ramki danych Jeśli w tym okre­ sie na magistrali pojawi się jakaś transmisja, odbiornik zinterpretuje j ą jako błąd ramki (ang. Franie Error). Błąd taki pojawia się najczęściej, kiedy nieprawidłowo jest rozpo­ znawany bil startu lub szybkość odbioru bitów nic jest równa szybkości ich nadawania

Wdówki

P o n ie w aż kon tro la błędów w budow ana w in terfejs UART nie po trafi w ykrywać w szy st­ kich m ożliwych błędów, to w przypadku, kiedy interfejs ten je s t wykorzystywany w zaszum ionym śro do w isku, dobrze je s t w prow adzić dodatkow e m echanizm y kontrolne, np. k o n tro lę C R C . Aby dw a u rzą d ze n ia p o łączo n e przez in terfejs R S 2 3 2 m ogły pom iędzy s o b ą w ym ie­ n ia ć d a n e , w sz y stk ie p a ra m e try in te rfe jsu , ta k ie ja k s z y b k o ś ć , lic zb a b itó w da n y ch , p a rz y s to ść i lic zb a b itó w s to p u , m u szą być id en tyczne.

Jakakolwiek niezgodność uniemożliwia poprawną wymianę danych W przypadku in­ terfejsu asynchronicznego niezwykle istotne jest właściwe taktowanie mikrokontrolera Sygnał taktujący interfejs USART jest pochodną sy gnału zegarowego taktującego pro­ cesor Jeśli dwa procesory będą taktowane nieznacznie różniącym się sygnałem zega­ rowym, może to wpłynąć na transmisję (rysunek 17 3). R y s u n e k 1 7 .3 .

Upływ zegara na transmisję RS2S2. A) Częstotliwość zegara odbiornika jest ciut większa niz zegara nadajnika. Kolejne próbki są coraz bardziej rozsynchronizowane względem bitu starta, u- efekcie bity od bitu D2 są nieprawidłowo odczytane Hi Zegary nadajnika i odbiornika są zsynchronizowane. Każdy bit jest prawidłowo odczyty wany. Cl Zegar odbiornika jest nieznacznie wolniejszy niż zegar nadajnika IV efekcie bityod D2 są nieprawidłowo odczytywane

A)

5 V)

B) r

n

ot

1

1

11

8

C

O

1

1

o O

»C

1 OT

l

i

O

■ 'T O

8

8

rO

1

1

1

i

1

1

1

N O

OT

u Q

OT

ID

r— O

OT

1

1

O

O

O

a.

o

OT

O

C) 1 TZ n

OT

W sJlu o w U

U

S

c

N

O

OT O

O

OT O

1 (O O

1 Cl

O

O

OT

Z a p e w n e m iłą in fo rm a cją d la użytkow n ików X M E G A b ę d zie fa k t, że s ta b iln o ś ć we­ w n ę trzn e g o g e n e ra to ra R C tych m ik ro k o n tro le ró w je s t w y s ta rc za ją c a do re a liza c ji tra n s m is ji a syn ch ro n iczn e j.

Rozdział 17. ♦ Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce

497

danych nic tylko w form acie ASCII, ale także danych binarnych. Dzięki tem u mamy nieco w iększą kontrolę nad przesyłanym i inform acjam i. Jednym z niezłych tego ty­ pu programów jest program RealTerm, który możemy pobrać ze strony htip://reaherm. sourceforge.net/. Po jego zainstalowaniu moZemy połączyć się z dowolnym portem sze­ regowym (także tymi emulowanymi przez interfejs USB) i rozpocząć wymianę danych Program ten nie tylko umożliwia kom unikację przez interfejs RS232. ale także um oż­ liwia śledzenie komunikacji pomiędzy dowolnym program em korzystającym z tego interfejsu a wybranym portem szeregowym. M ożliwe jest to dzięki specjalnem u try­ bowi pracy po naciśnięciu przycisku Spy. Tryb ten jednak w ym aga zainstalow ania specjalnych sterowników, które dostępne są dla użytkownika po wniesieniu opłaty 20 $. Aby możliwa była kom unikacja, należy w ybrać używany port i parametry transmisji, tak jak to pokazano na rysunku 17.4

R y s u n e k 1 7 .4 . W ygląd ekranu term inala R e a tle rm A by uzyskać połączenie. należy wybrać p o rt komunikacji, parametry transmisji (szybkość, fo rm a t ra m ki danych) i kliknąć przycisk Open Następnie «’ zakładce Send możemy wysy łać dane do m ikrokontrolera z użyciem IlS 232

Podgląd transmisji danych W trakcie transmisji danych z wykorzystaniem RS232 lub innego interfejsu szeregowego niezwykle cenna jest m ożliw ość podglądu sposobu, w jaki oba urządzenia w ym ieniają dane Umożliwia to łatwe znalezienie przyczyny ew entualnych błędów. W spomniany wcześniej program RealTerm ma możliwość monitorowania portu szeregowego w trybie Spy, lecz funkcjonalność ta jest płatna Niestety praktycznie wszystkie programy umożliw iające wygodny podgląd transmisji danych są płatne — dobra wiadomość jest taka. ze w iększość z nich ma wersje próbne działającc7 - 14 dni. dzięki czemu możemy sprawdzić, czy oferowana przez nie funkcjonalność nam sic przyda, i ewentualnie zdecy­ dować się na zakup. Niestety nic są to programy tanie — np. pokazane dalej Dcvice

502

AVR. Praktyczne projekty

Konfiguracja formatu ramki danych Format ramki danych je st określany w artością rejestru CTRLC. D o wyboru mamy ramki zaw ierające od 5 do 9 bitów danych. Typow o stosuje się ram ki 8-bitowe, co uzysku­ jem y, wpisując: US4RTC0. CTRLC=USART_CMSlZE_8B1T_gc:

Stosowanie 8-bitowej ramki jest wygodne, gdyż w ten sposób możemy przesyłać bajty jednorazowo, bez konieczności ich dzielenia. Jeśli U SA R T jest wykorzystywany do jakichś nietypowych celów , np. generowania impulsów o zadanym czasie trwania, stosuje się ramki krótsze, np. 5-bitowe. Oprócz liczby bitów danych możemy także wybrać, czy d o ramki będzie dołączany bit parzystości Po włączeniu parzystości: USARTCO. CTRLC|-USART_PMODE_EVEN_gc:

bit parzystości będzie dobierany tak. aby liczba bitów o wartości 1 w polu danych i bicie parzystości była parzysta. A lternatyw ą jest w ybranie stałej U S A R T P M O D E O D D g c . która powoduje, ze liczba bitów o wartości 1 będzie nieparzysta Bit parzystości poprawia kontrolę poprawności przesyłanych danych, lecz jego nadanie zajmuje e/.as. zmniejsza więc efektywną szybkość transmisji danych Domyślnym ustawieniem jest brak parzy­ stości (USART_PMODE_DISABLED_gc). D o popraw y kontroli przesyłanych danych służy także bit stopu. D o wyboru m amy dw ie możliwości — 1 bit stopu (wartość dom yślna) lub 2 bity stopu — stała USART_SBMODE_bm

Wskaiówka

Oo tra n sm isji danych m ożem y w ykorzystać dow olną k o m b in ację w ym ienionych w cze ­ śn ie j param etrów , przy czym niezw ykle isto tn e je s t, aby o d b io rn ik był sko nfiguro w any id e n ty czn ie ja k n a d a jn ik — ja k ie k o lw ie k ró żn ice k o n fig u ra cji sp o w o d u ją p o w sta n ie b łę d ó w tra n s m is ji — a przynajm niej sy g n a liza c ję błędów .

Funkcje dodatkowe interfejsu Ten sam rejestr kontrolny (CTRLC) umożliwia w ybranie także trybu pracy USART. Do w yboru mamy cztery tryby ♦ Tryb asynchroniczny (U$ART_CMODE_ASVNCHRONOU$_gc) — jest to domyślny tryb pracy, odpowiadający za realizację podstawowego interfejsu asynchronicznego, np RS232. W tym trybie możem y realizować transm isję z w ykorzystaniem sygnałów TxD i RxD. ♦ Tryb synchroniczny {usART_CMODE_SYHCHROfłous_gc) — jest to odmiana interfejsu szeregowego, w którym wykorzystywany do transmisji je s t dodatkowy sygnał zegara XCK Tryb ten śluzy do realizacji interfejsu synchronicznego, w którym urządzenie m aster generuje sygnał taktujący układ odbiornika urządzenia sitne. Tryb ten niczym nie różni się od podobnego trybu w ystępującego w innych układach AVR.

Rozdział 17. ♦ Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce

505

G e n e ra to r fra k c y jn y Generator frakcyjny to podsystem, którego nie posiadają inne mikrokontrolery AVR, jest on w ogóle unikatowym rozwiązaniem wśród mikrokontrolerów. Generator frak­ cyjny (ułamkowy) potrafi podzielić częstotliwość C LK per przez liczbę z zakresu od 2 do 2 '. Dzięki temu całkowity podział zegara CLKper jest określany przez preskaler i generator frakcyjny, w efekcie uzyskujemy podział przez liczbę niecałkowitą, co znacznie popraw ia precyzję, z jaką możemy ustalać szybkość transmisji danych Taki niecałkowity stopień podziału uzyskiwany jest w wyniku zliczania różnej liczby ko­ lejnych taktów zegara (wartość maksymalna dzielnika zmienia się w czasie) i rozpro­ szenia związanego z tym błędu na cały czas trwania bitu. Jest to możliwe. gdyż USART bada stan bitu wielokrotnie (typowo 16 razy), przy czym ostateczny stan ustalany jest na podstaw ie środkowych próbek z użyciem tzw majoriiy vofing — o ostatecznym stanic bitu decyduje stan większości próbek Aby jednak takie działanie było możliwe, wartość 2B^ LEmusi być przynajmniej dwukrotnie mniejsza niż liczba okresów zegara taktujące­ go transmisję przypadająca na cały czas trwania długości ramki. Zobaczmy, w jaki sposób uzyskiwane są niecałkowite podziały zegara. Normalny preskaler dzieli zegar poprzez zliczanie impulsów, do wartości będącej stopniem podziału. Przykład takiego działania został pokazany na rysunku 17.8

CL<

3

2

1

0

3

2

1

0

3

2

1

0

3

2

1

0

3

2

1

0

3

2

1

0

4

3

2

1

0

3

2

1

0

4

3

2

1

0

3

2

C jt/ 4

CU/4,3

Sposób działania typowego presica!era dzielącego częstotliwość wejściową fprzebieg zegarowy CLK) przez 4 (środkowy przebieg zegarowy CUĆ -li. Każtły itnpids wejściowy powoduje zmianę siana licznika preskalera. po zliczenia do zera następuje zmiana stanu jego wyjścia. Ponieważ wartość preskalera jest stula, możliwy jest jfodzial wyłącznie przez wartości będące liczbami całkowitymi. Potniej pokazano zasadę działania generatora frakcyjnego Wartośćjego licznika zmienia się u czasie. «• efekcie licznik ten zlicza różną liczbę impulsów wejściowych. Ma pokazanym przykładzie naprzemiennie zlicza 4 lub 5 impulsów, »r efekcie uzyskana średnia częstotliwość przebiegu jest 4.5 razy niższa niż częstotliwość przebiegu wejściowego Ceną, jaką płacimy za możliwość uzy skania niecałkowitych stopni podziału, jest jitter zegara Jednak w przypadku UASRTkatdy bit próbkowanyjest wielokrotnie i ewentualny’jitter zazwyczaj nie przeszkadza R y s u n e k 1 7 .8 .

W artość generatora ustala się poprzez w pisanie do starszej tetrady rejestru BAUDCTRLB liczby wr zakresie od - 7 do 7 zapisanej w kodzie uzupełnień d o 2 (kod U2) W kodzie tym wartość - 7 to Obiooi, a 7 to ObOlll Jeśli nie korzystamy z generatora frakcyjne­ go. to starsza letrada powinna zawierać wartość 0. Dla w artości BSCALE większych lub

506

AVR. Praktyczne projekty

równych 0 generator ten działa jako dodatkowy preskaler przebiegu zegarowego, dzieląc przebieg doprowadzony do preskalera BSEL przez 2 BS
__________________ CLKfł-r________________ P { \h /{ C L K 2 X + 1 ) ) ( ( 2 « " “ • B SE L ) -f 1)

.lak widzimy, stosowne wzoiy się nieco komplikują. Nie pow inno nas to jednak znie­ chęcać. Do rejestrów BAUDCTRLA i BAUDCTRLB możemy w pisać w yliczone zawczasu wartości, jednak w przypadku X M E(iA nie jest to korzystne. Ponieważ mikrokontrolery te posiadają w iełe różnych źródeł zegara, a co w ięcej, kaz.de z nich może przechodzić przez układ PLL i preskalery. w efekcie program ow o łatwo je st zmienić częstotliwość zegara i zapewne znacznie częściej niż w przypadku innych m ikrokontrolerów AVR będziemy z. takiej możliwości korzystali. Stąd tez wpisyw anie do programu sztywnych wartości rejestrów określających szybkość transmisji moZe nie być pożądane Twórcy ASF wyszli nam naprzeciw i napisali gotowe, proste funkcje, które potrafią wyliczyć optym alne wartości BSCALE i BSEL dla zadanej częstotliw ości C LK per i szybkości transmisji. Ponieważ skorzystanie z tych funkcji wprost w ym aga dołączenia wiciu pli­ ków wchodzących w skład ASF. w pokazanych poniżej przykładach została „wycią­ gnięta" sama funkcja odpow iadająca za wyliczenia potrzebnych wartości. Jej prototyp w ygląda następująco: bool usart_set_baudrate(USART_t * const u s a r t . u in t3 2 _ t baud. u in t3 2 _ t cpu_hz):

Funkcja ta jako argumenty przyjmuje wskaźnik do interfejsu USART, dla którego chcemy ustawić szybkość (u s a rt), pożądaną szybkość transmisji danych (baud) oraz. aktualną częstotliw ość C LK per (cpu hz). Jeśli dla zadanych parametrów da się odpo­ wiednio zaprogramować USART. to funkcja zwraca tru e i ustawia parametry transmisji dla w skazanego portu, w przeciwnym razie zw raca f a ls e Przyjrzyjmy się. jak ta funkcja działa. W pierwszym kroku w yliczane są minimalne i m aksym alne szybkości transmisji dla zadanej częstotliwości CLKper: /• 8 - {2*0) *8* {2*0) - (2*BSCAIJZMIN) • 8 •

♦/

max r a t ę * c p u h z / 8 :

/* 4194304 - 12*?) • 8 • (2*12) - (2*BSCALEJłAX> • 8 • (BSBLJWC+I) •/ m in r a t ę * c p u h z / 4 1 9 4 3 0 4 :

i f I'((u s a rt)-> C T R L B * USART_CLK2X_bm>) { m a x _ r a te / - 2 : m in r a t ę /= 2 :

1 Szybkość maksymalna jest osiągana, kiedy BSEL i BSCALE są równe zero. w takim przypad­ ku szybkość transmisji to C LK per 8. Szybkość m inim alna je s t osiągana, kiedy BSCALE je st rów ne 7 (co odpow iada podziałowi przez 128). a BSEL jest rów ne 4095. co odpo­ wiada podziałowi przez 4096. Łącznie możemy więc podzielić zegar C LK per przez 4 194 304. Szybkości są adjustowane w zależności od stanu Hagi USART_CLK2X_bm określającej, czy USART ma pracować z podw ójną szybkością. Jeśli żądana szybkość leży poza wyznaczonym przedziałem , to funkcja zwraca fa ls e : if

((b a u d > n a x _ r a te )

||

(b a u d < m i n j - a t e ) )

re tu rn

f a ls e :

508

AVR. Praktyczne projekty

Jeśli zwiększym y liczbę bitów stopu lub zm niejszymy długość pola danych, to efek­ tyw na szybkość obniży się jeszcze bardziej. Po skonfigurowaniu interfejsu możemy odblokować poszczególne jego elementy — na­ dajnik lub odbiornik. Co warto podkreślić, korzystanie z U SART nic oznacza konieczno­ ści korzystania jednocześnie z odbiornika i nadajnika — oba podsystemy można w y­ korzystyw ać niezależnie. Ich w łączenie wymaga ustaw ienia w rejestrze kontrolnym CTRLB odpow iednich Hag USARTCO .CTRLB-USART_TXEN_boi | U$ART_RXEN_bn:

Kontrola poprawności danych Układ U SART ma zaim plem entow aną podstaw ow ą m ożliw ość kontroli przesyłanych danych. Na kontrolę tę składa się: ♦ kontrola parzystości (o ile została włączona): ♦ kontrola bitów stopu — w poprawnej ramce danych bity tc powinny mieć wartość 1. ♦ kontrola przepełnienia bufora — nic jest ona bezpośrednio związana 7. popraw nością odbioru danych, lecz informuje o problem ach programowych — nienadążaniu z odczytem danych z bufora K ontrolę nad odebraną ram ką danych mamy dzięki rejestrow i stanu U SART (STATUS). Błąd parzystości sygnalizuje ustawienie Hagi USART_PERR_bm (tylko jeśli w łączona je st kontrola parzystości). Błąd ramki polegający na nieodebraniu właściwych bitów stopu (ich wartość jest różna od 1) sygnalizuje ustawiony bit USART FERR bm (kontrolowany jest wyłącznie stan pierwszego hitu parzystości), a błąd przepełnienia bufora odbiornika sygnalizuje ustaw ienie bitu USART_BUFOVF_bm

Wskazówka

Odczytu sta n u błędów z rejestru UCSRA należy d o k o n a ć przed odczytem rejestru UDR. O d czy t UDR p o w o duje w yze ro w a n ie in fo rm a cji o b łę d a ch !

Jak w idzim y, sprzętow a kontrola poprawności danych jest raczej znikom a. Co zrobić w przypadku w ykrycia błędu? Jedynym rozw iązaniem jest zignorow anie odebranych danych (najpraw dopodobniej są one błędne) i żądanie retransm isji danych Problem w tym. żc takie żądanie nic jest realizow ane sprzętow o — w tym celu musimy zaim ­ plem entow ać w łasny protokół wymiany danych przew idujący taką możliwość. Sama parzystość czy w ykryw anie błędnych bitów stopu nie jest tez w ystarczającą m etodą kontroli poprawności danych — być mozc w ystarcza ona. jeśli łączymy MCU z kom ­ puterem PC za pom ocą krótkiego kabla, w efekcie praw dopodobieństw o błędów jest niewielkie. Jednak kiedy możliwość powstania błędów transmisji rośnie, albo poprawność transmisji je st krytyczna, zaw sze należy dodać dodatkow e m echanizm y kontrolne. Taką dodatkową kontrolą może być wysyłanie danych w postaci pakietów opatrzonych sum ą kontrolną (lub CRC), a w przypadku bardziej złożonych protokołów czy prze­ syłania danych krytycznych także opatrzonych podpisem M D 5 lub SIIA1 lub 2 Tego typu zabiegi znacznie poprawiają kontrolę integralności danych i są praktycznie obow iąz­ ków o stosow ane przy w szelkich protokołach np. bezprzewodowej wymiany danych

510

AVR. Praktyczne projekty

Do określenia szybkości transmisji wykoizysiana została w cześniej omówiona funkcja u s a r t s e t b a u d ra te , której przekazana została wybrana szybkość interfejsu oraz. często­ tliwość taktow ania M CU (ustalona na poziom ie projektu poprzez zdefiniow anie sym ­ bolu F_CPU). Po imcjaliz.acji interfejsu możemy prz>'stąpić do realizacji samej transm isji danych. M etoda poolingu polega na ciągłym spraw dzaniu w pętli flag określających odebranie bajtu danych lub zakończenie nadaw ania bajtu lub w olne m iejsce w buforze nadaw ­ czym Ponieważ nasz program oczekuje na nadejście znaku ' n ' . w pętli będzie sprawdza­ na Haga USART_RXCIF_bm. której ustaw ienie sygnalizuje odebranie bajtu danych: w h t le ( l)

{ 1f (USARTCO_STAT\JS i USART_RXCIF_bti)

{ u tn t8 _ t data=USARTCO_DATA: s w itc h (d a ta )

< case n ‘ : USART_send_F(&USARTCO. P$TR<"Pozdrowienia z XMEGA\n\r*)>: break: d e fa u lt: :

) } ł Zastosowanie sw itc h te a s e umożliw ia proste dodanie obsługi innych znaków nadchodzą­ cych przez. USART i rozwinięcie programu. Po odebraniu znaku odczytywany jest rejestr DATA. który zaw iera odebrany bajt. a następnie jego zaw artość porów nyw ana je st ze znakiem 'n '. Po odebraniu znaku 'n ‘ nadaw any jest łańcuch znakowy ..Pozdrowienia z X M E G A \n \r\

Wskazówka

Pam iętaj, ze kolejne odczyty rejestru DATA zw racają kolejne d a n e znajdujące s ię buforze n a d a w czym .

Sam a funkcja nadawcza jest niezw ykle prosta: v o id USART send F(U$ART_t * const u s a rt. const char * t x t )

I

char tn ę: w hile((tm p-pgm re a d _ b y te (tx t> ))

{ USART_putchar
} } Poniew aż łańcuch znakowy znajduje się w pam ięci FLA SH m ikrokontrolera (co jest dobrym pom ysłem dla łańcuchów , dzięki czem u nic z ajm u ją one cennej pam ięci RAM ), poszczególne znaki wchodzące w jego skład musimy odczytać za pomocą funkcji pgm read b y te' Poszczególne znaki łańcucha nadawane są za pomocą kolejnej funkcji: " Możemy się też posłużyć znanymi nam nanted address spać es, dzięki czemu unikniemy konieczności specjalnego traktowania łańcuchów znajdujących się w pamięci FLASH

Rozdział 17. ♦ Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce

511

v o id USART_putchar(U$ART_t * const u s a rt. char ch)

< w h ile C (usart->STAHJS & USART_DREIF_bm)):

USARTCO.DATA=ch:

) Funkcja ta sprawdza. czy w buforze nadawczym jest w olne m iejsce — jeśli nie. to czeka na zw olnienie miejsca w b u lb r/c , a następnie zapisuje do niego kolejny znak Sprawdzanie dostępności miejsca w buforze nadawczym realizowane jest przez spraw­ dzanie w pętli Hagi USART_DREIF_bm Jej ustaw ienie świadczy o możliwości zapisu do bufora nadajnika Po uruchom ieniu pow yższego kodu za każdym razem, kiedy z term inala wyślemy znak ' n \ XMKGA powinna odpowiedzieć, wysyłając tekst pozdrowienia Tekst ten koń­ cz)’ się specjalnymi znakami ' \ n \ r ' pow odującym i przejście w term inalu do nowej linii i now ego w iersza (znaki CR. LF ) Jak widzimy, realizacja poolingu jest niezwykle prosta Lecz zarów no odbiór danych, ja k i ich w ysyłanie w strzym uje w ykonyw anie programu. O czyw iście w pętlę oczeki­ wania na odbiór znaku możemy wsławić dowolne funkcje, w efekcie pozornie program będzie realizował nie tylko oczekiwanie na dane. ale także kod zawarty w tych dodatko­ wych funkcjach. Niestety tu pojaw ia się kolejny problem. B ufor odbiornika XM EGA jest 3-poziomowy — 2 znaki znajdują się w buforze, a trzeci w rejestrze szeregowym odbiornika. Jeśli nie zdąży m \ odebrać znaków , to pojawi się problem — kolejno nad­ chodzących znaków nie będzie gdzie „upchnąć" — odbiornik zasygnalizuje błąd przepełnienia bufora poprzez, ustawienie Hagi BUF0VF (ang. Bujffer O w rjlow ). Sam błąd niew iele zmienia — kolejne nadawane znaki będą po prostu gubione, będziemy jed y ­ nie w iedzieć, że mamy problem. Aby nie gubić znaków , pętla, w której badana jest flaga USART_RXClFJxn. średnio nie pow inna być w ykonyw ana dłużej, niż wynosi czas nadania jednego znaku przy wybranej szybkości transmisji USART. Dla 8-bitowej ram ­ ki danych, z jednym bitem startu i jednym bitem stopu, musim y nadać łącznic 10 bilów, co dla szybkości 9600 bps da nam czas nadawania nieco dłuższy niż 1 ms. Ale dla szybkości nadaw ania 115 200 bps będzie to ju ż tylko 87 us Jeśli czas wykonania pętli będzie dłuższy, to będziemy gubić znaki. W praktyce trudno jest połączyć odbiór znaków przez poołing z np w ykorzystaniem lej techniki także do spraw dzania stanu klawiszy. Jeszcze trudniej jest, jeśli program obsługuje kilka interfejsów , niekoniecznie szere­ gowych Co gorsza, poniew aż nadaw anie znaku trwa dokładnie tyle samo co jeg o od­ biór. na czas nadawania naszego powitalnego tekstu, co trwa ponad 22 ms, odbiornik jest prawie ..głuchy” — jeśli w tym czasie odbierzemy więcej niz trzy znaki, to nastąpi przepełnienie bufora. Widzimy w ięc, ze poołing nadaje się do realizacji transmisji praktycznie tylko w bardzo prostych, w ręcz prym ityw nych programach. W dodatku prow adzi do m arnow ania za­ sobów procesora i jest jedną z najnmicj efektywnych technik programowania. Stąd warto zrobić kolejny krok i w ykorzystać jed n ą z dalej opisanych technik.

Rozdział 17. ♦ Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce

513

W elekcie bardzo świadomie musimy realizować dostęp np. do zmiennych współdzielo­ nych pomiędzy aplikację a funkcję obsługi przerwania. M usimy też pamiętać, ze nie możemy bezpośrednio /.mienie sposobu wykonyw ania program u głównego Problemy le możemy rozwiązać, przekazując do głównej aplikacji (nie do końca poprawnie na­ zwiemy ją w ątkiem ) inform ację o nadejściu pakietu i konieczności reakcji na niego. Taki wątek główny będzie mógł tę informację odczytać i zm ienić sposób swojego działania w odpowiedzi na otrzymane dane. Na pozór takie działanie nie różni się spe­ cjalnie od pokazanego wcześniej poo/ingtt — w ątek główny musi okresowo sprawdzać np stan odpowiedniej łlagi Co więc zyskujemy? Przede wszystkim zyskujemy dowolnie duży bufor odbiorczy — przestajemy być ograniczeni 3-bajtow ym buforem odbior­ czym XM EGA. W efekcie mamy praktycznie dowolny czas na przetworzenie nad­ chodzących danych bez obawy zgubienia kolejnych bajtów. Zobaczmy, jak realizacja takiego pomysłu może wyglądać w praktyce W arto sobie pow tórzyć przed analizą te­ go przykładu inform acje zaw arte w rozdziale 5 Kod tego przykładu znajduje się w katalogu Przyklady/IJSART/usart-int. W ykorzystamy przerwania do realizacji odbioru i nadawania znaków przez port sze­ regowy. Aby wydłużyć dostępne bufory’ nadawcze i odbiorcze, posłużymy się omów io­ nymi wcześniej tzw. buforami pierścieniowymi. W efekcie wszystkie odbierane znaki tra­ fią najpierw do bufora, skąd w dogodnej dla aplikacji chw ili m ogą zostać pobrane 1zinterpretowane. Podobnie bufor pierścieniowy zostanie wykorzystany do implementacji bufora nadawczego, dzięki czemu nadaw anie sekwencji znaków nicprzckniczających długości bufora nie spowoduje zablokowania aplikacji na czas ich nadawania I)o re­ alizacji bufora pierścieniow ego posłużymy się funkcjami om ów ionym i w rozdziale 9. Długość naszych buforów określimy na •)() bajtów (stała CB_MAXTRAHS). ale oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie, aby je wydłużyć. Bufor odbiorczy i nadawczy zadeklaro­ wany został jak poniżej w pliku bujusart.c CtrcBuffer recBuf. seryfiuf: Aby m ożna było uzyskać do tych buforów^ dostęp z pozostałych plików programu, w pliku nagłówkowym hufusarr.h zostały one zadeklarow ane jako zmienne zewnętrzne: extern CircBuffer recBuf: extern CircBuffer sencBuf: Na tak zdefiniow anych buforach możemy przeprowadzać podstaw ow e operacje d o ­ dawania znaku do bufora (cb Add). pobierania znaku (cb Read) oraz sprawdzaniu stanu bufora (cb_IsFull i cb_IsEmpty). W szelkie operacje nadaw ania i odbierania znaków będą realizow ane w oparciu o przerwania Zanim przejdziemy do dalszej implementacji, warto zastanowić się nad jeszcze jedną spraw ą — protokołem komunikacji. Nasz program będzie realizow ał polecenia otrzymane 2 innego urządzenia (np. komputera PC), w odpowiedzi na nie będzie wysyłał zwrotnie dane Dla uproszczenia program będzie odpow iadal na dw a polecenia: ♦ polecenie nazwa — po jego otrzymaniu mikrokontroler wyśle tekst „Nazywam sie XM EGA", ♦ polecenie FLASH s t a r t end — po jego otrzymaniu m ikrokontroler prześle zaw artość pomięci FLASH, począwszy od adresu s t a r t , a z d o adresu end

514

AVR. Praktyczne projekty

Każde inne polecenie spow oduje w ysianie kom unikatu ..N ieznane polecenie*' Zasta­ nówmy się więc nad formatem danych wysyłanych z komputera. Wygodnie jest przyjąć, ze każde polecenie kończy się znakiem CR — naciśnięciem klaw isza Umer. Parametry polecenia FI.ASI 1 oddzielone będą od siebie spacjami, a adresy początku i końca podane będą jako liczby hcksadccym alnc. co jest standardowym zapisem przy tego typu d a ­ nych. W odpowiedzi na polecenie m ikrokontroler w ysyłać będzie dane zakończone znakam i CR. LF. co polepszy czytelność danych w terminalu M ożemy więc przystąpić do kodowania Pierwsze, co musimy zrobić, to odpow iednio zainicjow ać port szeregow y, jak zw ykle zajm ie się tym funkcja USART im t: PORTC_(XITSET-P IN3_bn: PORTC DIRSET=P IN3_bn: //Pin TxD musi być wyjściem USARTĆO. CTRLA-USART_RXCINTLVL_LO_gc | USART_TXC1MTIVL_L0j c : //Odblokuj przerwania /. 'odbiornika i nadajnika Pti IC CTRL| =PHIC LOLYlEN_txn: //Odblokuj przerwanie niskiego poziomu USARTCO.CTRlB-UŚART_TXEŃjyn | USART_RXEN_bn: //Włącz nadajnik USART USAR7C0.CTRLC=USART_CHSl ZE_8BIT_gc: / Ramka 8 bilów, ł>ezparzystości, / bit stopu usart_set_baudrate(AUSARTCO. 9600. F_CPU): //Szybkośćtransmisji Jak widzimy, różnice w stosunku do poprzedniego przykładu są niew ielkie — ograni­ czają się do odblokow ania przerw ań zw iązanych z odbiorem i nadajnikiem znaku oraz zezwoleniem na przerwania niskiego poziomu w kontrolerze przerwań. Skoro zezwolili­ śmy na przerwania, musimy także napisać funkcje ich obsługi. Pierwsza będzie funkcja realizująca odbiór znaku i zapis do bufora pierścieniow ego odbiornika: ISR(USARTCO_RXC vect) uint8_t ch-U$ARTC0_DATA: tf(ch = = '\r') { ch=0: *-*crodrec: } cb_Add<8recBuf. ch): ł Funkcja ta jest niezw ykle prosta — odebrany znak um ieszcza po prostu w buforze recBuf. przy okazji dokonuje tylko proslcj konwersji znaku końca polecenia (ustalonego przez nas znaku CR) na znak MULL (0). przy okazji zw iększając zaw artość zmiennej cmdrec, przechowującej informację o liczbie poleceń znajdujących się w buforze Liczba poleceń nie jest tożsam a z liczbą odebranych bajtów — na jedno polecenie może składać się kilka - kilkanaście bajtów. W efekcie poleceniem jest w iersz danych z a ­ kończony znakiem CR. Zm ienna ta będzie więc w skazyw ać. Ze w buforze odbiornika znajduje się gotowe do interpretacji polecenie. D rugą funkcją obsługi przerw ania jest funkcja odpow iadająca za nadaw anie znaków: ISR(USARTC0_HC vect) { i f f c b IsEłipty(8send8uf)) { USARTC0_0ATA-cb_Read< SsendBuf):

Rozdział 17. ♦ Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce

515

T xF la g -tru e : } e lse T xFlag=false:

} Funkcja la sprawdza, czy w buforze pierścieniowym nadajnika jcsl jakiś znak do nadania, a jeśli jest, lo go nadaje. Pizy okazji, jeśli nadawany jest znak. lo ustawiona zostanie flaga TxF1ag. jeśli nic ju z nie nadajemy, flaga ta zostanie skasowana N adanie znaku powoduje ponowne wywołanie funkcji obsługi przerwania, sprawdzenie, czy mamy coś do nadania itd., az do opróżnienia bufora nadajnika. W efekcie raz zainicjow any proces nad aw an ia zostanie zakończony d opiero w chwili calkow itego o p ró żn ien ia bufora nadaw czego. Aby więc nadać znak. trzeba zainicjować także proces nadawania .lak to zrobić, zobacz na przykładzie funkcji wysyłającej podany łańcuch tekstowy vo id USART_send b u f_ F (C irc B u ffe r *b u f. const char * t x t )

{ u in t8 _ t ch: w h ile ((ch=pgm _read_byte(txt-M -)),=0) cb Add(&sendBuf. ch ): ATOHIC BŁOCK(ATOM1C~RESTORE$TATE)

{ if( 'T x F la g ) USARTCO TXC_vectO:

\ ) Powyższa funkcja umieszcza podany łańcuch znakowy (wskazywany przez tx t) w bufo­ rze nadawczym. Po jego umieszczeniu sprawdza. czy aktualnie jest coś nadawano (flaga TxFlag). Jeśli tak, to nic nie musimy robić — umieszczone w buforze zjiaki zostaną nadane Flaga ta jest spraw dzana w sposób atomowy — dzięki czemu unikamy moż­ liwości jej zmiany w trakcie sprawdzania warunku. Jeśli jednak aktualnie nic nie jesi nadawane, lo nie wystarczy umieszczenie nowych danych w buforze nadajnika — trzeba jeszcze zainicjować proces nadaw ania danych. W tym celu wywoływana jest po prostu funkcja obsługi przerwania nadajnika (USARTCO_TXC_vect). co spowoduje nadanie pierwszego bajtu. wygenerowanie prze­ rwania. nadanie kolejnego bajtu itd.

Wskazówka

W arto pam iętać, że funkcje obsług i przerwań to w łaściw ie norm alne funkcje języka C , z tym ze n ie m a ją o n e ża d n y ch a rg u m e n tó w o ra z n ie zw ra c a ją w yniku. C o praw d a k o m p ila to r g e n e ru je d la n ic h sp e c ja ln y pro lo g i e p ilo g , le c z n ie m a to zn a cze n ia przy ich wyw oływaniu z k o d u C.

Powyższa funkcja nie sprawdza, czy w buforze nadajnika jest wolne miejsce — jeśli go nie ma. lo wysyłany tekst zostanie ..obcięty” . W ramach ćw iczenia w arto ulepszyć pokazaną funkcję, tak aby dokonywała odpowiedniego sprawdzenia W łaściwie mamy juz wszystkie potrzebne funkcje, spróbujmy napisać resztę kodu. Poniew aż nasz program realizuje stosunkowo niew iele funkcji, reakcję na otrzy mane polecenia umieścimy w pętli głów nej programu: u b lle ( l)

{ tf(cm drec)

{

Rozdział 17. ♦ Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce

2ee: 2 f0 :

6d 30 31 f4

ch=D: -»*cmdrec: 80 91 09 20 2 f2 : 2 f6 : 8f 5f 2 f8 : 80 93 09 20 ISRtUSARTCO RXC ve ct)

519

; i5

cpi brnę

r22. OxOD .*12

lds subi s ts

r24. 0x2009 r2 4 . OxFF 0x2009. r24

ld l

r22. 0x00

ld i ld t cali

r24. 0x34 ;5 2 r25. 0x20 ; 52 0x3e2 ; Ox5c2
pop pop pop pop pop pop pop pop pop pop pop pop pop out pop out pop out pop out pop pop re t i

r31 r30 r27 r26 r25 r24 r23 r22 r21 r20 r l9 r l8 rO 0x3b. rO 0x39. rO 0x38. rO 0x3f . rO rl

; Ox2fe <

veaor 25+0x42>

; 255

{ u in t8 _ t ch=USARTCO_DATA: if( c h — \ r ’ )

{ ch -0 : 2 fc : 60 eO **cmdrec:

;0

\ cb_Add(&recBuf. ch >: 84 e3 2fe 300 90 e2 Oe 94 f i 01 302 306 303 30a 30c 30e 310 312 314 316 318 31a 31c 31e 320 322 324 326 323 32a 32c 32e 330 332

ff ef bf af 9f 8f 7f 6f 5f 4f 3f 2f Of Ob Of 09 Of 08 Of Of Of lf 18

91 91 91 91 91 91 91 91 91 91 91 91 90 be 90 be 90 be 90 be 90 90 95

r0

: 59

rO

; 57

rO

: 56

rO

; 65

Widzimy, żc co prawda parę linii kodu. które ona zawiera, zostało przetłumaczonych na niew iele więcej instrukcji asemblera, lecz poniew aż jest to funkcja obsługi przerwania, m usim y zachow ać, a następnie odtw orzyć stan szeregu rejestró w m ikrokontrolera W elekcie naw et taka prosta funkcja składa się z ponad 50 instrukcji. Jeśli zastosuje­ my napraw dę duże szybkości transm isji danych, to m ikrokontroler będzie poświęcał coraz więcej czasu na realizację przerwań. Zakładając, zc czas w ykonania typowej funkcji obsługi przerwania to tylko 100 taktów , to przy szybkości USART wynoszącej zaledwie 115 200 bps i taktowaniu M CU rów nym 2 M H z sam a obsługa USART po­ chłonie prawie 60% czasu procesora Jak temu zaradzić'* M ożemy oczywiście zwiększyć

Rozdział 17. ♦ Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce

521

z kończącym NUL). Problem w tym. ze do naszego bufora nadawczego łańcuch trafi w postaci pojedynczych bajtów — skąd l>ędzie wiadomo, ile ich jest, a w rezultacie jak zainicjować transfer danych? To właśnie nic będzie wiadome Stąd też zmienimy strukturę naszego bufora nadawczego Zamiast umieszczać w nim bajty, umieścimy w nim wskaź­ niki do danych, które m ają zostać nadane w ramach jednej transakcji (rysunek 17.10). R y s u n e k 1 7 .1 0 .

Struktura bufora pierścieniowego nadajnika Kolejne pozycje zawierają wskaźniki do wysi lanych danych. Kontroler DMA będzie inicjalizowany tak. aby wjednej transakcji wysiać całą porcję wskazywanych danych. W pierwszej transakcji wysiane zostaną dane wskazywane przez Wskaźnik /. w kolejnej dane wskazywane przez Wskaźnik 2. a na końcu dane wskazyw ane przez Wskaźnik S

B u fo r W s k a źn ik 1

"N a zy w a m sie X M E G A \r\n "

W ska źn ik 2

D a ne

W ska źn ik 3

D ane

NULL N U LL

W efekcie nieznacznie tylko musimy dostosować budowę naszego bufora. Funkcja od­ powiedzialna za odczyt pozycji z bufora me ulegnie zmianie (zmieni się tylko typ prze­ chowywanych danych). Pewnym zmianom ulegnie funkcja dodająca nowy elem ent do bufora: bool cb Send AddCCircSendBuffer *cb . char *ele
1

ATOMIC BŁOCK (ATCW1C_RESTORESTATE)

i

//Trwa nadawanie, więc tylko dodajemy do koleth

tf((DHA_CHO_CTRLB & (DMA_CH_CHBUSY_bn | DMA_CH_TRNIF_bm))==0> { //Musimy zainicjować transfer DMA_buf=e1en: DMA_InitTransfer(DKA_buf. strlen(D H A_buf) ) : re tu rn tru e :

1 i f t c b Send Is F u ll( c b )) re tu rn fa ls e : //X.'zyjest miejsce w kolejce? u 1 n l8 J end = Beg + cb->Count) Z CS_SEMD_NAXTRANS: cb->elerT*nts[end] - elem: / Dodaj transakcję ■»+Cb• >Count: 'Liczba elementów w bufó/ze

) re tu rn tr u e :

//WszystkoOK

} Zm iany w* tej funkcji nie w ynikają ze zm iany typu przechow yw anych danych, lecz ze sposobu miejalizacji transferu DMA Najpierw sprawdzamy, czy aktualnie toczy się jak iś transfer DMA — aktywny stan kanału DMA sygnalizuje ustaw ienie Hagi DMA_CH_CHBUSY_bm. Ale do poprawnej inicjalizacji DMA potrzebna jest nam jeszcze druga flaga (DMA CH TRNIF bra) określająca, żc w łaśnie zakończy! się transfer DMA. ale jeszcze nie zostało obsłużone przerwanie DM A z tym związane. Jeśli któraś z po­ wyższych flag jest ustawiona, to znaczy, ze kontroler DMA w yw oła swoje przerwanie i pobierzemy w mm kolejny elem ent, który należy wysiać. Jeśli obie Hagi są w yzero­ wane. to znaczy. Ze kanał CHO kontrolera DMA jest bezczynny — w takiej sytuacji me tylko musimy zainicjować jeg o rejestry, ale także „ręcznie” dać sygnał do rozpoczęcia transmisji danych — funkcje tc realizuje funkcja DMA In itT ra n sfe r.

522

AVR. Praktyczne projekty

Taki sposób w ysyłania danych pociąga także pew ne zmiany w znanej nam ju ż lunkcji USART_send_buf_F. char * b u ftx t= n a llo c _ r e ( s tr le n _ P < tx t) * l): //Przydziel pamięć na teksi Stropy_ P < b u ftx t. t x t ): /Skopiuj łańcuch tekstowy cb_Send_Add(&sendBuf. b u f t x t ) : //Wstaw łańcuch Jo bufora nadawczego

Jak pamiętamy, funkcja ta wysyła do USART łańcuch tekstowy znajdujący się w pa­ mięci FLASH. Jednak kontroler DMA nie potrafi odczytyw ać danych z pamięci FLASH mikrokontrolera, w elekcie musimy skopiować przesyłane dane najpierw do pamięci SRAM Tu pojawia się jednak mały problem — m usimy stworzyć miejsce na kopiowane dane. Niestety, zmienne lokalne są niszczone przed zakończeniem funkcji, a nasza kopia musi „zyć" co najmniej do momentu zakończenia transferu zawartych w niej danych z. udziałem DMA. Jak rozwiązać ten problem ? Prostym rozwiązaniem jest utworzenie zmiennej globalnej, która będzie przechow yw ać dane Rozwiązanie to jest proste, lecz ma wadę — nasza funkcja USART send b u f F nic będzie mogła zostać ponownie wywołana przed zakończeniem wysyłania danych, gdyż w przeciwnym razie dane w buforze zostaną nadpisane nowymi i powstanie problem. W małych progra­ mach ta wada nie jest dużym problemem, ale w większych jest uciążliwa Innym roz­ wiązaniem jest dynamiczna alokacja pam ięci34. Potrzebną pam ięć możemy przy dzielić na stercie za pom ocą funkcji malloc. a następnie do utw orzonego bufora skopiować łańcuch tekstowy z pamięci FLASH, co realizuje funkcja strcp y _ p \ Wskaźnik do tak utworzonej kopii możemy dodać do naszego bufora nadaw czego za pom ocą funkcji cb Send Add Jednak jak pamiętamy, przydzielona na stercie pamięć musi zostać zwolnio­ na, ponieważ w przeciwnym razie dojdzie do tzw wycieku pamięci (ang. n ie m o ty leak) Za zwolnienie pamięci odpow iada programista — nie jest ona zwalniana automatycz­ nie po zakończeniu funkcji — co akurat w tym przypadku je st bardzo korzystne. Mamy już funkcję odpow iedzialną za umieszczenie w kolejce do wysiania łańcucha tekstowego, musimy jeszcze nieco przerobić znaną z poprzedniego przykładu funkcję odczytującą pamięć FLASH: vold SendFLASH(tnt32 t s t a r t . Int32 t end) lf( (s ta rt= = - l> | | (e r x ł= - l))

( USART_ser>d_buf_F(&sendBuf. PSTRCBłędnle określone adresy p a m lę c 1 \r\n '')): re tu r n :

I char tx t[5 ]: bool ret: char *buf=inalloc_re((<>400) ? 401 : <
( s p r i n t f ( t x t . "*02x. pgn_read_b.yte_far(indeks)): strcpy(&buf[cnt], t x t ) :

3 Dokładne mechanizmy dynamicznej alokacji pamięci w mikrokontrolerach A VR zostały przedstawione w książce Język C dla mikrokontrolerów .1 f 71 Od podstaw do zaawansowanych aplikacji. 4 Funkcja ta różni się od strepy tym. ze adres źródła danych znajduje się w pamięci FLASH.

524

AVR. Praktyczne projekty

C M . CH0 . CTR1_B- CMA_CH_TRNIMTL'VL_L0_gc: PM1C_CTRL | =PH I C_LOLVLEN_bTi: CKA .CHO.ADDRCTRL-DMA_CH_SRCO lR_IMCjgc :

//Odblokuj przerwanie końca transakcji DMA //Odblokuj poetom przerwań w kontrolerze PMIC //Adres źródlanyjest inkrementowanyprzy // transferze, docelowy m c

OKA.CHO .TRlG$RC=DMA_CH_TRlGSRC_USARTCO_DRE_gc: //Wyzwalanie kanału - wolne miejsce // u buforze nadajnika I A dres docelowy DMA jest siały — będzie nim adres rejestru USARTCO DATA Ponieważ adres docelowy nie ulega zmianie, musimy zadbać, aby przy kolejnych transferach kontroler DMA go nie zmieniał — jest to domyślne zachow anie kontrolera Zdarze­ niem wyzwalającym transfer danych jest ustawienie bitu DREIF układu USART, co sygnalizuje wolne miejsce w buforze nadajnika. Dzięki temu pierw sze transfery DMA odbędą się z maksym alną szybkością, aż do zapełnienia bufora nadajnika, kolejne bę­ dą sie odbywały sukcesywnie w miarę w ysyłania danych przez USART. Co ważne, kanał DMA musi pracować w trybie single shoot — w tym trybie zdarzenie w yzw a­ lające inicjuje transfer tylko jednego bajtu danych Gdybyśmy skonfigurowali DMA do wysiania wszystkich danych naraz, to po wyzwoleniu transferu zostałyby one zgu­ bione — doszłoby do przepełnienia bufora nadajnika Potrzebna jest nam jeszcze je d ­ na rzecz — zakończenie transferu DMA wiąże się z zakończeniem transferu danych zw iązanych z jedną pozycją bufora nadawczego, jeśli bufor zaw iera inne dane do na­ dania. to trzeba pizekonfigurow ae DMA. tak aby rozpoczął się kolejny transfer DMA ma możliwość wywołania przerwania po zakończeniu transferu danych, co daje nam możliwość przekonfiglinowania kanału i automatycznego rozpoczęcia kolejnego transferu. Realizuje to funkcja obsługi przerwania DMA:

ISR(DHA CHQ_vect)

/'/Koniec poprzedniego iransfeni. sprawdźmy.


{ CK‘\_CHO_CTRLB| -CKA_CH_TRHlF_bm: //Kasujemy flagę * ~e nzglc
free(CKAbuf): if

( c b _ S e n d _ Is Empty(& s e n d 3 u f ) ~

{

f a ls e > /C zekają dane

CMA_buf-cb Send Read(AsendBuf): CMA_lnltTransfer(CKA_buf. strlen(DMA buf)): } 1 Wektor przerwania DMA jest wspólny dla różnych zdarzeń, jednak w naszym przy kładzie jedyne zdarzenie mogące wywołać przerwanie to koniec transfoiu danych (licznik TRFCMT jest równy 0) Niemniej samo przerwanie nic powoduje skasowania Hagi DMA_CH_TRHI F_bm. w ięc aby uniknąć kolejnych przerwań, musimy tę Hagę skasow ać programowo.

Wskazówka

W X M E G A , p o d o b n ie ja k w innych m ik ro k o n tro le ra ch rodzin y AVR , fla g ę k a s u je s ię p o p rzez w p is a n ie n a o d p o w ia d a ją cą jej pozycję w a rto śc i 1.

Następnie zw alniamy pamięć na stercie zawierającej dane. których transfer został wiośnie zakończony. Dzięki temu pamięć zw alniana jest autom atycznie po przelransferow aniu danych i unikamy wycieków pamięci

Rozdział 17. ♦ Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce

527

R y s u n e k 1 7 .1 2 . Wwnk działania przykładowego programu. Przez USART transmitowane są dwa napisy,jednak ich transmisja nawzajem się nie zakłóca kod realizujący wysyłanie danychje st wsjtółhtezny

W ten sposób mamy możliwość wysyłania ramek danych z M CU do komputera z zacho­ waniem ich integralności Oczyw iście korzystanie z DMA nic jest do tego celu konieczne — to samo możemy zrealizować w oparciu o dowolną z wcześniej wymienionych metod dostępu do USART — krytyczny jest wyłącznic sposób uzupełniania bufora nadawczego. W podobny sposób możemy zrealizować dostęp do danych odbieranych przez MCU, lecz w jed no wątkowym programie nie ma to większego sensu.

D o stę p do U SART z w yk o rzysta n ie m stru m ien i Osoby zaczynające korzystać z mikrokontrolerów, a znające język C z komputerów PC z pewnością zastanawiają sic. czy do komunikacji z układami peryferyjnymi nie dałoby się w ykorzystać strumieni (ang stream s) Prosta odpow iedź brzmi — oczywi­ ście, że tak Jednak ze względu na brak systemu operacyjnego korzystanie ze stru­ mieni ma pewne ograniczenia Przede wszystkim programista musi dostarczyć metod odpowiedzialnych za odbiór lub wysyłanie znaków Poniew aż A l R-łibc nie dyspo­ nuje takimi metodami, standardowo wszystkie strumienie, w tym standardowe stru­ mienie s t d i n . s t d o u t . s t d e r r . są zamknięte. Ze względu na brak standardowych funk­ cji realizujących dostęp do strumieni A l'R -łibc nie implementuje tez funkcji f o p e n . Aby otworzyć strumień, możemy wykorzystać specyficzną dla tej biblioteki funkcję f d e v o p e n ( ) . która jednak korzysta z dynamicznej alokacji pamięci, lub makrodcfinicję f d e v _ s e t u p _ s t r e a m ( ) . która nie wymaga dynamicznej alokacji pamięci. Zanim jednak przejdziemy do tych funkcji, przypatrzmy się funkcjom, których implementację m u­ simy dostarczyć przed otwarciem strumienia

Rozdział 17. ♦ Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce

529

Otwieranie strumienia Jak juz wspomniano, domyślnie wszystkie strumienie są zamknięte, więc aby móc z nich korzystać, musimy dany stnumeń otworzyć. W tym celu należy wykorzystać jedną z do­ stępnych funkcji: ♦ FILE *fdevopen (in t(* p u t)(c h a r, FILE * ), in t(* g et)(F IL E * ) ) — która jako argumentów wymaga w skaźników do wcześniej w ym ienionych funkcji get i put. a zwraca wskaźnik do struktury FILE, przez k tórą będziemy odwoływali się do strumienia; ♦ m akro FDEV_$ETUP_$TREAM(put, g e t, rw fla g )— otw ierające strumień, do którego uchwyt (struktura FILE) musi istnieć, przy czym rw flag określa tryb dostępu do strumienia; ♦ makro fdev_setup_stream (stream , p u t, g e t, rw fla g )— które konfiguruje strumień stream podany przez użytkownika. Każdy strumień może być otwarty tylko do odczytu (_FDEV_SETUP_READ lu b __SRD). do za­ pisu (_FDEV_SETUP_WRITE. _SWR) lub jednocześnie do odczytu i zapisu (_FDEV_$ETUP_RW lu b __$RD|__SWR) Jeśli strumień jest tylko do odczytu, to nic musimy dostarczać dla niego metody put, a jeśli tylko do zapisu, to nie musimy dostarczać metody get W efekcie zamiast wskaźników do tych metod możemy umieścić w odpow iednich miejscach MULL Te krótkie informacje wystarczą, abv przetestować działanie strumieni. W tym celu przypatrzmy się przykładowi znajdującem u się w katalogu Przyklady/U SART/stream Przykład ten w ykorzystuje pokazany w cześniej kod najprostszych m etod g et i put. W pierwszym kroku musimy otw orzyć strumień: s ta tlc FILE usartout - FDEV_SETUP_STRFAM (put. get. _FDEV_SET\JP_RW):

Dzięki temu otrzymaliśmy strukturę u sarto u t. za pom ocą której możemy uzyskać strumieniowy dostęp do portu USART. Ponieważ dostarczyliśm y metody do zapisu i odczytu, możemy na takim stłumieniu przeprowadzać dowolne operacje. Na przykład poniższy kod: vsbi le(l> { fgetc (Susartout): // Zaczekaj na kla w e fprintf(Ausartout. "Oto strumien\r"): oczekuje na bajt przesyłany poprzez USART, po czym w ysyła tekst „Oto strumieińr” Jak widzimy, w ten oto prosty sposób możemy w ykorzystać do w ysyłania i odbiera­ nia danych przez dowolny interfejs standardow e funkcje IO o prototypach zadeklaro­ wanych w' pliku nagłówkowym sidio.h. Szczególnie interesujące jest to w połączeniu z funkcjami operującym i na sform atow anych łańcuchach, typu scanf i p r in tf Pokazane powyżej funkcje put i g et możemy zastąpić icli bardziej zaawansowanymi odpowiednikami — np funkcjami operującymi na pokazanych we wcześniej szych przy­ kładach buforach, dzięki czem u uzyskamy funkcje nieblokujące i wygodny dostęp do portów za pomocą standardow ych funkcji bibliotecznych

Rozdział 17. ♦ Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce

Wskazówka

531

Ponieważ po odebraniu ramki adresu program urządzenia s la v o musi określić, czy dalsza transmisja jest adresowana do niego i zrekonfigurować USART — wyłączyć tryb MPCM — dobrze jest tak skonstruować protokół transmisyjny, aby przed wysłaniem kolejnych danych nastąpiła mała przerwa — wystarczająca do tego, aby najwolniejsze urządzenie s la v e miało szansę prawidłowo zareagować na ramkę adresu. Sposób kom unikacji z w ykorzystaniem trybu MPCM w ygląda następująco: ♦ W szystkie urządzenia slave przechodzą w tryb M PCM. ♦ U rządzenie m aster nadaje ram kę adresu, która jest odbierana przez w szystkie urządzenia s iw e . ♦ U rządzenie stave spraw dza odebraną ramkę adresu i jeśl i stwierdzi, zc transm isja go dotyczy, w yłącza tryb M PCM. ♦ W ybrane urządzenie odbiera resztę danych, urządzenia nicw ybranc je ignorują (ich interfejs U A RT nie informuje o nadejściu jakichkolw iek danych). ♦ Po odebraniu w szystkich danych słave ponow nie w łącza tryb MPCM i w raz z innym i urządzeniam i oczekuje na kolejną ram kę adresu. Tryb M PCM w ybieram y, ustaw iając bit USART MPCM bm rejestru CTRLB. Bit ten m a zn a­ czenie tylko dla odbiornika — nic w pływ a on w żaden sposób na nadajnik. Tak w ięc to oprogram ow anie nadajnika jest odpow iedzialne za popraw ne skonstruow anie ram ­ ki danych i ramki adresu. Stąd też w trybie M PCM stosuje się praktycznie w yłącznic 9-bitowe ramki danych W przypadku ramek krótszych informacja o typie ramki znajduje się w pierw szym bicie stopu, na którego stan nic mamy w pływ u. Stąd też stosując ramki krótsze niż 9-bitowe, należ)' stale przełączać nadajnik pomiędzy trybami n a n + I bitowymi, co czyni taką konfigurację niepraktyczną. Dziewiąty bil ramki danych zmienia się nie poprzez, rejestr DATA. lecz. zapisując bit 0 rejestru CTRLB Zobaczmy na prostym przykładzie, pik działa tryb MPCM. Kod przykładu znajduje się w katalogu PrzykładV 1'S.IRT usart-M PC M Dla uproszczenia tak jak poprzednio układ X plained X M K G A 128A 1 będzie połączo­ ny z a pom ocą USB i sym ulow anego w irtualnego portu U SA R T z kom puterem PC Xplained będzie symulował działanie urządzenia sła w — w odpowiedzi na ramkę adresu wyśle komunikat „Odebrano ramkę adresu\r‘\ Najpierw skonfigurujmy USART tak. aby pracował w trybie 9-bitowym. z jednym bitem stopu z odblokow anym trybem MPCM: PORTC_OUTSET-PlM3_bm: P0RTC_D IRSET-PI M3_bm: //Pin TxD musi być wyjściem USARTĆO.CTRLA=l)SART_RXC lMTLVL_LO_gc: /;Odblokuj przerwania odbiornika PM IC CTRL |“PM IC_L0LV LEM bn: //Odblokuj przerwanie niskiego poziomu USARTCO.CTRLB-USART_TXEM_bm | USART_RXEN_bm: U łącz nadajnik USART USARTCO.CTRLC=USART_CHS 12E 96IT gc: Ramka 9 bilów, bez parzystości, ł bn stopu USARTMPCH(true): “ Włącz tryb MPCM usart_sel_baudrate(&USARTCO. 9600. F_CPU): //Szybkość transmisji

Jak w idzim y, dw ie podstaw ow e różnice w konfiguracji odbiornika to w ybór 9-bitowcj ramki danych — odbierane dane będą K-bitowe, 9. bit będzie służył wyłącznie do odróż­ nienia ramki danych od ramki adresu. D rugą różnicą jest w ybranie trybu M PCM , co realizuje poniższa funkcja:

Rozdział 17. ♦ Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce

533

Rysunek 17.13. Nadawanie 9-hitowej ramki danych z a pomocą programu RealTerm. Do generowania 9 hitu danych wykorzystywana jest parzystość Wysianie liczby o parzystej liczbie jedy nek, np liczby 3. powoduje automatyczne ustawienie bitu parzystości, »» efekcie nadawana je st ramka adresowa Jeśli do kom unikacji jak o urządzenie m aster w ykorzystujem y m ikrokontroler AVR. to sprawa jest znacznie prostsza — wystarczy wybrać 9-bitowc pole danych i bezpośred­ nio zm ieniać stan 9 bitu. w ybierając pomiędzy ram ką adreso w ą i ram ką danych

Rozdział 18.

Wizualizacja danych W poprzednich rozdziałach udało nam się połączyć XMEGA z komputerem za pomocą RS232. dzięki czemu zyskaliśmy możliwość wymiany danych, a przede wszystkim przesłania danych z mikrokontrolera do komputera Jednak nasze dane wyglądają nie­ ciekawie. są to rzędy liczb, w najlepszym razie wyświetlane w postaci znakówr ASCII. Spróbujmy generowane dane jakoś /w izualizować — bo na przykład dane o temperatu­ rze pokazane w postaci wykresu mówią nam o wiele więcej niz kolumny składające się z tysięcy liczb. W ykorzystanie wykresów i graficznej prezentacji danych prowadzi także do bardziej przejrzystej prezentacji informacji. Niemniej aby zaprezentować da­ ne w postaci wykresu, potrzebujemy oprogramowania, które potrafi jc przetworzyć. W tym celu możemy wykorzystać wiele różnych program ów , począwszy od progra­ mów open soiirce, a skończywszy na dużych, kosztownych kombajnach stworzonych w jednym celu — prezentacji danych. W tym rozdziale pokazane zostanie, jak zbudo­ wać nieco bardziej skomplikowane protokoły wymiany danych, a także niejako przy okazji — jak uzyskane dane przedstaw ić w miarę przystępny sposób. Zacznijmy od prostego i darmowego programu dostarczanego przez producenta mikrokontrolerów XMKGA — firmę Atmel.

A tm el D a ta V isu a liz e r Firma Atmel udostępnia wygodne oprogramowanie Atmel Data Visualizer (ADV) umożliwiające wizualizację danych przesyłanych poprzez interfejs szeregowy kompute­ ra Oprogramowanie to jest darmowe, a odbierane dane m ogą być zapisywane w pliku logu lub być wyświetlane w czasie rzeczywistym w postaci wykresów na ekranie. Oprogramowanie można pobrać ze strony firmy pod adresem1 http://w\v\v.aimcl.com tools SENSORXPLAIXEDDE\fO.KST&lTIÓWPRÓJECTS.aspx Pobrany plik należ)' rozpako­ wać i zainstalować.

i Oprogramowanie niestety działa tylko w systemach MS Windows.

536

Uwaga

AVR. Praktyczne projekty

Program A tm el D a ta V isu a lize r je s t zalezny od fram ew orka .NET. J e s t on instalow any a u to m a ty c z n ie , je ś li n ie był w c z e ś n ie j z a in s ta lo w a n y w s y s te m ie .

Podczas instalacji oprogram ow ania musimy wybrać kilka opcji i katalog instalacyjny, najprościej nic nic zm ieniać i po prostu klikać przyciski N exł (rysunek 18 1) Rysunek 18.1. Wybór katalogu instalacyjnego programu Atmel Data I 'isuahzer Dodatkowo możemy wybrać, ery program będzie dostępny wyłącznie dla osoby instalującej (Just met. czy dla wszystkich użytkowników komputera (Everyonet

Po poprawnym zainstalow aniu program jest gotowy do pracy Po każdorazow ym uru­ chom ieniu należy w ybrać port szeregow y, na którym program będzie oczekiwał na nadchodzące dane

Wskazówka

N aw et Je śli p o d łą czane urządzenie kom unikuje s ię z kom p u tere m poprzez port U S B . to aby było o n o d o s tę p n e d la A D V, m u s i być w id o czn e w s y s t e m ie ja k o w irtu a ln y port szerego w y.

M oduł Xplained. który w ykorzystujemy w naszych przykładach, tez jest tak widziany (rysunek 18 2) W arto w menedżerze urządzeń sprawdzić, jaki port szeregowy jest przypi­ sany naszej płytce X plaincd — w każdym system ie num er tego portu m oże być inny. Co praw da program ADV służy dom yślnie do w izualizacji danych z płytek dem on­ stracyjnych produkow anych przez firmę Atmel. lecz poniew aż specyfikacja wymiany danych z komputerem jest otwarta, możemy go także użyć do wizualizacji danych prze­ syłanych z naszych własnych programów. Zrealizow anie takiego przykładu będzie też pouczającym przykładem , ja k zrealizow ać protokół w ym iany danych przez m agistralę szeregową.

Rozdział 18. ♦ Wizualizacja danych

537

Rysunek 18.2. Używany modni \plainedjest widzianyprzez system operacyjny jako wirtualny port szeregowy— na pokazanym zrzucie ekranujest to port C'OS 13. Taki też port należy wybrać do komunikacji w programie AD f *

Format danych Ponieważ ADV jest uniwersalnym programem do wizualizacji różnego typu danych, współpraca z nim składa sic z dwóch etapów: ♦ przesiania danych konfiguracyjnych umożliwiających stworzenie odpowiednich wykresów; ♦ przesłania danych, które m ają zostać /wizualizow ane. W tym celu ADV posługuje się szeregiem struktur danych, za pomocą których opisywana jest struktura danych wysyłanych do ADY (rysunek 18 3)

Rysunek 18.3. A D l' do opisu danych posługuje się strumieniami dane z każdego strumienia pokazyw ane są na oddzielnej zakładce Strumienie reprezentują niepowiązane ze sobą informacje. Każdy strumień składa się z od I do 255 pól danych pola te mogą reprezentować informacje określonego typu (np. wartości tem/ieratury z różnych czujnikówy

538

AVR. Praktyczno projekty

J e s z c z e o s tr u k tu r a c h Język C, w przeciwieństwie
{ in t x . y : } p u n k t:

Ale bardzo podobnie będzie wyglądała struktura opisująca kolo — oprócz punktu bę­ dącego środkiem mamy jeszcze promień: ty p e d e f s tr u c t

1 in t x . y : 1nt ra d tu s: } k o lo :

Podobnie w przypadku prostokąta do podstawowej struktury punkt dodalibyśmy pola zawierające długość boków: ty p e d e f s t r u c t in t x . y : in t a .

b:

} p ro sto k ą t:

W idzimy, że za każdym razem musimy powtarzać te same elem enty struktury punkt Poza wzrostem objętości kodu i zw iązaną z tym niew ygodą ma to jeszcze inne po­ ważne konsekwencje — wskaźniki na każdą z powyższych struktur mają inny typ. Spróbujmy zdefiniować funkcję przesuwającą naszą figurę (w tym przypadku punkt) o wektor: v o id p u n k tjn o v < p u n k t * p k t . p u n k t w e k t o r ) p k t- > x + = w e k to r .x : p k t- > y + = w e k t o r .y :

ł A jeśli tak samo chcielibyśmy postąpić ze strukturami k o lo i p r o s t o k ą t ? Spróbujmy: p r o s t o k ą t x y “ { 1 0 .1 0 . 5 . 2 ) : p u n k t_ m o v ( 4 x y .

(p u n k t)

(2 .3 } ):

Próba kompilacji takiego kodu pow iedzie się. ale otrzymamy ostrzeżenie: W a rn m g 2 p a s s in g a r g u n e n t 1 o f ^♦ •[enabled b y d e f a u l t ]

* p u n k t_ n o v '

fro rc i n c o n p a t i b l e p o i n t e r t y p e

Tego typu ostrzeżenia nie możemy bezpiecznie ignorować — jeśli kolejność pól x i y struktury p r o s t o k ą t będzie identyczna jak w strukturze pu n k t, to wygenerowany kod będzie poprawny, w przeciwnym razie — nie. Pojawiające się ostrzeżenie możemy

Rozdział 18. ♦ Wizualizacja danych

541

dano ma możliwość skontrolowania poprawności transmisji i ew entualnie odrzucenia nieprawidłowych pakietów. Ponieważ ADV w ykorzystuje port szeregowy, dla które­ go szansa na przekłam ania danych w trakcie transmisji jest niew ielka (o ile poprawnie skonfigurowano port), pole to nie jest wykorzystywane

P o c z ą t e k k o n fig u ra c ji Pakiet ADV_PKT_COłlFIG_$TART. podobnie jak inne pakiety konfiguracyjne, jest wysyłany do ADV zazwyczaj jednorazow o, podczas konfiguracji program. Pakiet ten m a prostą budowę: ty p e d e f S tru c t

//T y p p a h c ln - OBcOł - Start-af-canfiguration

{ A D V _ b a se : u m tfi t M u n b e r _ o f _ d a t a _ s tr e a m s :

//L iczb a strum ieni danych

ADV_Ei>d: } A D V _ S ta rt_ c fg _ t:

Pole Number of data streams zawiera liczbę strumieni danych, jakie aplikacja będzie w ysyłać do ADV Każdy strum ień danych musi zostać osobno skonfigurowany za pomocą pakietów konfiguracji strumienia. Przykładowa konfiguracja obejmująca tylko jeden strumień może wyglądać tak jak poniżej const ADV Start cfg_t cfg_start PROCHEM = ({ADV_PKT_HEADER. sizeof(AOV_Start_cfg_t>. ADV_PKT_CONFIG_START}."l. 0x06)}:

Ponieważ pakiety konfiguracyjne wysyłane są zazwyczaj podczas inicjalizacji połącze­ nia z ADV. a konfiguracja jest znana w chwili kompilacji programu, warto więc umieścić je w pamięci FLASH (dyrektywa PROCHEM), co jak zwykle pozwoli na zaoszczędzenie pamięci RAM.

K o n fig u ra c ja s tru m ie n ia Każdy strumień musi zostać skonfigurowany, w efekcie jeśli aplikacja wysiała informa­ cję. że używa np. czterech strumieni, musimy wysiać cztery pakiety konfiguracyjne. Pakiet taki m a następującą budowę: ty p e d e f s tru c t

//Typ pakietu - 0x03 * Streain-conflgiiranort-packet

{ A D V _ b a se : u in t 8 _ t

S tre a m n u n b e r:

//Numer strumienia

u ln t 8 _ t

D d t a _ f ie l d :

//Rasdzielcsoić pomiaru w Hz //Liczba poi danych w pakiecie

ch ar

S tre a m _ n a n e [ 2 5 ] :

//A 'azwa strumienia - max 24 znaki * A7 JLL

u ln t 3 2 _ t H c k r e s o l u t l o n :

AD V_End: } A D V _ S t r e e łi_ c f g _ t :

Pakiet ten zaw iera kilka pól definiujących zachow anie strumienia. Pole Stream number określa num er strumienia, który konfigurujemy. Pole T ick _ reso lu tio n określa roz­ dzielczość. z jaką nadawane będą pakietom markery czasowe. Pole to ma znaczenie dla wyświetlania poprawnej skali czasowej po zakończeniu zbierania danych Dla w szystkich strum ieni pole to m usi mieć ta k ą sam ą w arto ść. Pole Data_f le ld określa

AVR. Praktyczne projekty

542

liczbę pól danych w strumieniu. Każdy strum ień może reprezentow ać w iele w artości pom iarow ych. Strumieniem m oże być na przykład pom iar tem peratury, w tym przy­ padku pola danych będą reprezentow ać w yniki pom iaru uzyskiw ane w tym sam ym czasie z różnych czujników temperatury. Pole Stream name określa nazw ę strumienia — nazwa ta będzie w yśw ietlana w A D V jako nazw a zakładki — dane z każdego strumienia będą wyświetlane w oddzielnej zakładce. Przykładowa konfiguracja stru­ mienia m oże w yglądać następująco const AW Stream c fg _ t cfg stream PROGMEM = ( { A0V_P>;i_HE4I>£R. s1zeof(ADV_Strean_cfg_t).

—ADV_PKT_CONFIGl$TREAM). 1. 1000000UL. 1. "Pomiar". {0. 0x06)}:

W naszym przykładzie strumień o nazwie •Pomiar" ma tylko je d n o pole danych W arto zauw ażyć, ze kom pilator C sam dodaje znak NULL kończący łańcuch znakowy.

K o n fig u ra c ja p o la d a n y c h Struktura opisująca pole danych je st najbardziej rozbudow aną strukturą: ty p e d e f s tr u c t

/ T y p pakietu - OxOJ - Fłcld-configuration

\ ADY.base: u tn t8 _ t Stream_nunber: u in t8 _ t F ield_ntm ber: u ln t8 _ t F 1eld_len gth: u in t8 _ t F o rn a t: u in t3 2 _ t M in_value: u ln t3 2 _ t Max_value: char U n its [2 0 ]: char N a n e [ll]: ADV_End:

//Numer strumienia

//Nr pola. począwszy od 0x01 //Długość ftolu danych w bajtach

//Dane typu unsigned (0x0Ił iub stgned (0x02} //Minimalna wartość - skala osi

//Maksymalna wartość - skala osi //Nazwa jednostki danych (NULLZ)

//Nazwa pola danych (NULLZ)

} ADV_Data_cfg_t:

Każda konfiguracja pola danych jest przypisana do strum ienia, w skład którego w chodzi (Stream number). Poniew aż w skład stłum ienia moZ.e w chodzić kilka pól da­ nych. każde z nich jest identyfikowane kolejnym numerem (Field_number). Pola danych m ogą być różnego lypu, a w związku z tym posiadać różną długość, stąd te ż pole Field_length określa, ile bajtów reprezentuje pojedyncze dane Dla obecnie wspiera­ nych typów danych pole to ma długość 4 bajty. Pole Format określa, jak interpretow ać pole danych O becnie ADV rozpoznaje trzy formaty: ♦ FIELD_FORMAT_SIGNED (0x01) — pole zaw iera w artość ty p u in t ♦ FIELD_F0RMAT_UNSIGNED (0x02) — pole zaw iera w artość ty p u unsigned i n t ♦ FIElD_F0RMAT_FL0AT (0x03) — p o le zaw iera w artość ty p u f lo a t.

Dwa kolejne pola (Min_value i Max_value) określają w artość m inim alną i m aksym alną osi rzędnych, umożliwiają więc skalowanie wyników. W ysyłane do ADV wyniki powin­ ny mieścić się pom iędzy podanym i w artościam i Pole U nits określa nazw ę jednostki — jest to nazwa wyświetlana przy osi rzędnych, z kolei pole Name określa nazwę pola danych — je st ona w yśw ietlana przy linii o kolorze takim sam ym , jaki jest używany do w yśw ietlania informacji pochodzących z danego pola na w ykresie. Przykładowy pakiet konfigurujący pole danych w ygląda jak poniżej:

546

AVR. Praktyczno projekty

zatrzaśnięcie jego stanu w rejestrze CCA W elekcie rejestr CCA będzie zawierał infonnucję o szerokości impulsu. czyli czasie, po jakim odebrano odbitą wiązkę ultradźwięków. Poniew aż pom iar odbywa się całkow icie sprzętowo, m ikrokontroler może w tym cza­ sie w ykonyw ać inne obliczenia. Zasadę działania pom iaru pokazano na rysunku 18.5.

Rysunek 18.5. Wyjście echo modułu zastało połączone z patent PIND2, którego zmiany sianu wywołują zdarzenia przekazywane przez kanał ł systemu zdarzeń Kanał ten połączony jest z timerem DO. który skonfigurowano na tryb pomiaru szerokości impulsu. Koniec pomiaru (zbocze opadające) wywołuje przerwanie, w któiym wysyłamy wyliczoną odległość od przeszkody Pokazany sposób pomiaru działa całkowicie sprzętowo, bez ingerencji mikrokontrolera. W efekcie może on w czasie trwania pomiaru zająć się innymi rzeczami. Aby zrealizo­ wać tę m etodę pom iaru, musimy odpow iednio skonfigurow ać timer: void US initC) 1 PORTD.PIN2CTRl-PORT_OPC_PUlLUP_gc | P0RT_ISC_B07HEDGES_gc: //podciąganie na pinie //odbiornika IR. zbocza wywobąą zdarzenia

EYSYS CH1HUX=EV$V$ GlMUX_P0ftTD_PIN2 gc: //Transmitowane przez kanał ł TCDO.ĆTRLB-TC_WGMODE_NORHAl_gc~| TCÓ_CCAEH_bni: //Trybpracy normalny TCDO.CTRlD=TC_EVSEL_CHl_gc | TC_EVACT_PW_gc: //Kanał! wyzwałopomiar szerokoict TCD0 .1NTCTRLB-TC_CCAINTLYL_LO_gc: /Włącz przerwanie CCA TCDO. INTCTRLA=TC_OVFtNTLVL_LO_gc: //Włączprzerwanie nadmiaru PMIC CTRL-PMIC_LOLVLEN_bn: //Odblokuj przerwania nitkiego poziomu ł .lak widzimy, po kolei konfigurujemy układy peryferyjne — najpierw pin K). tak aby zmiana jego stanu generowała zdarzenia, następnie wiążemy kanał 1 systemu zdarzeń z pinem 2. a w kolejnym kroku konfigurujemy timer tak. aby mierzył szerokość impulsu. Koniec pomiaru (zbocze opadające sygnału echo) wyzwoli przerwanie: ISR(TCDO_CCA_vect) uintl6_t tnp-TCDO_CCA: TCDO.CTRLA=TC CLKS£L_OFF_gc: //Pomiar dokonany, timer niepotrzebny Data .Data-trtp*34342/2/2/1000000UL: Data.TlmestarTp++: USART_send_block(&USARTC0. (uint8_t*)&Data. si zeof(AD'/_Data_uint_pkt_t)): }

Rozdział 18. ♦ Wizualizacja danych

547

Rejestr CCA będzie zawiera! zliczony czas. począwszy od nadania wiązki ultradźwięków. Czas ten musimy przeliczyć na odległość według znanego nam juz wzoru. Dla tempe­ ratury otoczenia równej 20°C dźwięk rozchodzi się w pow ietrzu z prędkością około 343.42 m/s. Ponieważ wyrażamy odległość w centymetrach, możemy to przeliczyć na 34 342 cm/s, Z drugiej strony tuner liczy liczbę okresów zegara podaną na niego przez prcskalcr. W naszym przykładzie preskaler tunera będzie równy jeden, w efekcie timer będzie zliczał okresy zegara CLKper, równego CLKcpu. Ponieważ mikrokontroler taktowany jest z wewnętrznego zegara 2 MI Iz. w efekcie zm iana CNT o jednostkę równa jest czasowi 0.5 ps. Aby więc przeliczyć wartość CMT na sekundy, musimy po­ dzielić licznik przez częstotliwość C LK per Należy też pam iętać, że zmierzona w ten sposób odległość jest dwukrotnie w iększa niż odległość do przeszkody (dźwięk musi do niej dotrzeć i powrócić do odbiornika). Po przeliczeniu odległości przygotowujemy pakiet danych dla ADV — zwiększamy licznik Timestamp określający kolejny numer pakietu (potrzebny dla jego praw idłowego rozmieszczenia na skali czasowej) i wysyła­ my go do komputera Funkcja USART oend block po prostu wysyła blok pamięci o wska­ zanej długości W zależności od implementacji tej funkcji m oże to robić w sposób blokujący lub nieblokujący (szczegóły znajdziesz w rozdziale 17 ). Pozostaje jeszcze jedna kw estia — aby dokonać pomiaru, musimy wyzwolić moduł, a jak pamiętamy, możemy to zrobić, generując dodatni impuls o czasie trwania >10 p s na wejściu Tri}* Jak to zrobić? Jak zwykle mamy kilka sposobów, prosty: PORTD_OUT$ET-PIN3J>n: deląy us(12): PORTD CUTCLR=PIN3 bn: TCDO.ĆTRLA-TC_C LKŚEl_DIVl_gc:

polegający na zmianie stanu pinu IO. przy czym szerokość impulsu określona jest w ar­ tością opóźnienia. Sposób jest prosty, ale na około 12 p s blokuje mikrokontroler Dla taktow ania 2 MI Iz to strata zaledwie 24 instrukcji, ale dla taktowania 32 MI Iz procesor marnuje czas. w jakim mógłby wykonać około 3X4 instrukcji. A to ju ż sporo. Impuls o określonej szerokości możemy wygenerować za pomocą tim era (niestety w tym celu musielibyśmy wykorzystać inny timer niż ten, który mierzy czas powrotu echa), może­ my też nietypowo wykorzystać interfejs USART. W arto zauw ażyć, zc nadanie bajtu przez USART poprzedzone jest wygenerowaniem impulsu ujemnego (bit startu) i po­ lem sygnałów odpowiadających wysyłanym bitom. Czas trwania bitu zależy od szybko­ ści transmisji. Zmieniając wartość bajtu danych, możemy generować skomplikowane impulsy, możemy także wygenerować impuls ujemny o dowolnym czasie trwania Pro­ blem w tym. że potrzebujemy impulsu dodatniego, a spoczynkow e na wejściu Trig ma panow ać stan niski — USART generuje nam sygnały o dokładnie odwrotnej polaryzacji Tli pojawia się kolejna zaleta XMEGA — jak pamiętamy z rozdziału 7 . stan każdego pinu możemy zanegować. Po zanegowaniu spoczynkowe na wyjściu TxD panować będzie stan niski, a bit startu będzie impulsem dodatnim, czyli uzyskamy dokładnie to, eo chcemy. Konfiguracja USART wykorzystywana do w yzwalania modułu może wyglądać tak jak poniżej: void USART P ulse ł n i t O

{ PORTD. OUTSET-PI 113 bm: //P m tngger PORTD.DIRSET=PIM3_bm: PORTD. PIH3CTR L-P0RT_ I NVEN_bm: //Negujemy stan portu - stanem spoczynkowym będzie O USARTDO. CTRLB-USART~TXEN_brr: //Włącz nadajnik USART

Rozdział 18. ♦ Wizualizacja danych

549

moduł w arto z pewnością zbudować, jeśli zalezy nam na większym zasięgu (wspo­ mniany powyżej moduł SRF-05 ma zasięg pewnego działania wynoszący l - 2 m). Przykładowe rozwiązanie pokazano na rysunku 18 7. R2

R3

OdDiornik

Rysunek 18.7. S c h e m a t o iłb io n n k a u ltr a d ź w ię k ó w . O d b io r n ik Q 2 g e n e r u je s y g n a ł, k t ó r y j e s t n a s tę p n ie w z m a c n ia n y p r z e z w z m a c n ia c z o p e r a c y jn y I C I B ( w z m o c n ie n ie 1 0 0 t l C f A ( I 0 x ). W z m o c n io n y i0 0 0 - k r o t n i e sy g n a ł tr a fia n a d e t e k t o r s z c z y to w y z b u d o w a n y z e le m e n tó w D I i C 4 . O tr z y m a n y s y g n a ł m a a m p litu d ę p r o p o r c jo n a ln ą tw p e w n y m z a k r e s ie i d o s iły o d b ie r a n e g o s y g n a łu , łe c z c o w a żn ie js z e , j e g o a m p litu d a g w a łto w n ie n a r a s ta p o d c z a s o d b ie r a n ia e c h a . U z y s k a n y s y g n a ł a n a lo g o w y m o ż e m y p o d a ć n a w e jś c ie p r z e tw o r n ik a a n a lo g o w o - c y fr o w e g o łu b k o m p a r a to r a Co nam daje układ pokazany na rysunku 18 7? Przede wszystkim możemy zwiększyć wzmocnienie, co zazwyczaj zwiększa czułość i w efekcie dystans, jaki możemy mierzyć. M ożliwość regulacji wzmocnienia umożliwia dostosow anie odbiornika do naszych potrzeb — przy małych mierzonych odległościach możemy ograniczyć wzmocnienie, a co za tym idzie — ograniczyć także wpływ zakłóceń O prócz czułości odbiornika możemy tez regulować liczbę nadawanych impulsów — na schemacie nadajnik nie został pokazany, gdyż przetwornik ultradźwiękowy możemy wprost podłączyć do wyjść XMHGA. o czym za chwilę Zwiększając liczbę impulsów, zwiększamy także moc emitowanej wiązki, a co za tym idzie — możemy mierzyć większe dystanse W jaki sposób podłączyć nadajnik? Przetwornik możemy podłączyć wprost do wyjść mikrokontrolera, wygodnie jest podłączyć go do wyjścia TxD USART. W ten sposób możemy sprzętowo wygenerować wiązkę ultradźwięków składającą się z określonej liczby impulsów Jeśli do rejestru DATA nadajnika wpiszemy wartość OblOlOlOlO. to zostanie wygenerowanych 5 impulsów ujemnych — 4 odpow iadają zerom w bajcie danych, a piąty to automatycznie generowany bit startu Poniew aż nadajnik USART jest buforowany, w ten sposób możemy całkowicie sprzętowo nadać paczkę składającą się z od 1 do 15 impuslów. Odpowiednią częstotliwość uzyskamy, modyfikując wartości rejestrów kontrolera USART odpowiedzialnych za szybkość transmisji. Ten prosty kruczek odciąża nas od konieczności programowego generow ania impulsów'. W celu zwiększenia mocy nadawanych impulsów możemy zastosować prosty wzmacniacz — jest to polecane, jeśli w układzie dysponujemy wyższym napięciem, z którego możemy zasilać przetwornik. A co jeśli nie dysponujemy? Prosty Ink z wykorzystaniem układu MAX232 (a więc transceivera RS232) rozwiązuje problem. U kład ten zaw iera pompę ładunkową, która umożliwia osiągnięcie napięcia w ym aganego przez interfejs RS232 (a więc ±12 V). W yjścia tego układu, sterowane z pinu TxD interfejsu USART. mogą więc zostać w prost wykorzystane do sterow ania nadajnikiem ultradźw ięków.

550

AVR. Praktyczne projekty

W praktyce pokazany układ może m ierzyć odległości przekraczające 5 m etrów, przy większej przeszkodzie zm ierzenie odległości sięgających 10 m etrów tez jest możliwe — przykładow e wyniki pomiarów pokazano na rysunku 18.8 R y s u n e k 1 8 .8 .

Napięcie na wyjściu wzmacniacza widziane przez układ AIX ' XSIEGA dla kilku odległości od przeszkody. Po odebraniu echa napięcie gwałtownie rośnie, a jego amplituda jest proporcjonalna do siły sygnału

Budujem y a n a liz a to r stan ów lo g iczn y ch Jednym z bardzo przydatnych urządzeń w pracow ni każdego elektronika hobbysty jest analizator stanów logicznych. Umożliwia on odw zorow anie na ekranie monitora w postaci wykresów przebiegów doprowadzonych do wejść analizatora. Typowo anali­ zator)' mogą jednocześnie pokazywać 8 i więcej różnych przebiegów'. Co w ięcej, nic tylko uzyskujemy informację o zmianach napięcia na wejściu — wiele analizatorów potrafi interpretować otrzymane dane. zmieniając ciągi zer i jedynek na użyteczne in­ formacje o użytym protokole, i pokazuje poszczególne je g o elem enty. N a przykład analizując prosty protokół komunikacyjny USART, potrafią one pogrupować dane w po­ szczególne bajty, zaznaczając bity startu, stopu, a także podając wartości liczbowe transmitowanych danych Urządzenie takie może oddać nam bezcenne usługi w czasie analizy protokołów (np. przy rw e rse engineehng), a także w trakcie szukania błędów we własnych programach Zazwyczaj urządzenia tego typu są drogie, a co za tym idzie trudno dostępne dla zw ykłego hobbysty. Jednak analizator możemy sobie sami w prosty sposób skonstruow ać — me będzie on miał parametrów tak wyśrubow anych jak urzą­ dzenia kom ercyjne czy urządzenia bazujące na układach program ow alnych (FPGA), ale ciągle może być użyteczny, a co ważne — do jego budowy wystarczy nam XMF.GA i kilka prostych układów buforow ych (nic są wymagane). Analizator to nie tylko hardware — co prawda determinuje on liczbę jednocześnie ana­ lizowanych kanałów czy maksymalną częstotliwość próbkowania, ale jeszcze wazniejszy jest w ykorzystywany software. T o w ykorzystyw ane oprogram ow anie determ inuje wygodę użytkowania i możliwości automatycznej analizy danych Oprócz komercyjnych programów tego typu mamy kilka doskonałych programów udostępnianych za darmo.

Rozdział 18. ♦ Wizualizacja danych

553

Protokół komunikacji M ając zbudow any układ sprzętow y (w tym celu możem y w ykorzystać nasz moduł X plained), m usim y zapew nić m ożliw ość kom unikacji analizatora z klientem urucho­ mionym na kom puterze PC (np. w spom nianym programem Logie Sniffcr). K om unika­ cja w ykorzystuje interfejs R S232 (m oże być on realizow any fizycznie lub jak o w irtu­ alny port szeregow y). Klient w odpow iedzi na polecenia użytkow nika przesyła komendy do analizatora, który w odpow iedzi na nic podejm uje odpow iednie akcje — np. wysyła przechw ycone stany logiczne O program ow anie klienta um ożliw ia w ybór szybkości transm isji, jednak ze w zględu na liczbę transm itow anych danych (nawet 256 kB) w arto w ybierać duże szybkości (typow o stosuje się co najm niej 115 2(X) bps. a maksym alnie można nawet 921 6(J0 bps). Tak duże szybkości transmisji staw iają duże w ym agania dla program u kontrolującego transm isję po stronic M CU. W arto pam ię­ tać. że klient wysyła niew ielką liczbę danych do M CU (jest to kilka komend jednolub m aksym alnie 5-bajtow ych). natom iast MCU w odpow iedzi na otrzym ane polece­ nia m oże w ysyłać naw et 256 kB danych — stąd tez szczególnie istotne są funkcje nadaw cze — m uszą one być na tyle sprawne, aby m ożliw e było uzyskanie tak dużej szybkości transmisji Do kom unikacji z klientem w ykorzystyw any je st protokół SU M P. którego częściow ą specyfikację można pobrać zc strony http://www.sump.org projeets/anałyzerpro loco/. w m iarę pełna specyfikacja znajduje się w dokum encie L ogic-Sniffer-F P G A -Spec.pdf znajdującym się w katalogu P rzykładyA D W O penB ench. W katalogu tym znajduje się także przykładow y program analizatora logicznego, opisanego poniżej, a także klient O LS (ols-0.9.6.1). Jak wspom niano, wszystkie polecenia, jakie klient wysyła do anali­ zatora. m ożna podzielić na dw ie grupy: proste jednobąjtow e polecenia kontrolne oraz złożone 5-bajtowe polecenia konfiguracyjne. Przyjrzyjmy im się nieco bliżej. Do ^ p r a w ­ nej współpracy z klientem nie jest wymagane, aby nasz program rozpoznawał i realizo­ wał w szystkie polecenia. Część z nich byłaby zresztą trudna do realizacji za pomocą mikrokontrolera (o ile chcemy uzyskać wysokie częstotliw ości próbkowania). Sląd leż w naszym przykładzie zaim plem entujem y tylko proste polecenia, ale um ożliw iające realizację w iększości funkcji analizatora: 1. Polecenie R eset (0x00. O LSReset) — nadane co najm niej 5 razy zeruje stan analizatora, w szelkie ustaw ienia pow racają do ustaw ień dom yślnych. 2. Polecenie Run (0x01. 0LS_Run) — uzbraja w yzw alacz (Ih g g er). po zajściu zdarzenia w yzw alającego grom adzona je st określona liczba próbek. po czym są one przesyłane do kom putera 3. Polecenie ID (0x02. 0LS ID) — w odpow iedzi w ysyłany jest ciąg identyfikacyjny („1ALS") — polecenie to m usi być zaim plem entow ane, bez niego klient nie m oże rozpoznać podłączonego analizatora. 4. Polecenie Set D n td e r (0x80, 0LS_SetDi y id e r) — um ożliw ia określenie częstotliwości próbkowania. Częstotliwość ta mieści się w zakresie 0 - 100 MI Iz, nasze urządzenie az tak szybko próbkow ać nic m oże, w zw iązku z tym częstotliw ość akceptow ana będzie m ieścić się w zak resie 0 - 8 M Hz Struktura tego polecenia została pokazana na rysunku 18 10

Rozdział 18. ♦ Wizualizacja danych

553

Protokół komunikacji M ając zbudowany układ sprzętowy (w tym celu możemy w ykorzystać nasz moduł Xplained), musimy zapew nić możliwość komunikacji analizatora z klientem urucho­ mionym na komputerze PC (np. wspomnianym programem Logic SnilTcr). Komunika­ cja wykorzystuje interfejs RS232 (moZe być on realizowany fizycznie lub jak o w irtu­ alny port szeregowy). Klient w odpowiedzi na polecenia użytkownika przesyła komendy do analizatora, który w odpowiedzi na nic podejmu je odpow iednie akcje — np. wysyła przechw ycone stany logiczne. O program owanie klienta umożliwia wybór szybkości transmisji, jednak ze względu na liczbę transm itow anych danych (nawet 256 kB) w arto w ybierać duże szybkości (typow o stosuje się co najmniej 115 2(X) bps, a maksymalnie można nawet 921 600 bps). Tak duże szybkości transmisji stawiają duZe wymagania dla programu kontrolującego transmisję po stronic MCU. W arto pamię­ tać. Zc klient wysyła niew ielką liczbę danych do MCU (jest to kilka komend jednolub maksym alnie 5-bajtowych), natom iast MCTJ w odpow iedzi na otrzymane polece­ nia może wysyłać nawet 256 kB danych — stąd tez szczególnie istotne są funkcje nadawcze — m uszą one być na tyle sprawne, aby możliwe było uzyskanie tak dużej szybkości transmisji Do komunikacji z klientem wykorzystywany jest protokół SIJM P. którego częściow ą specyfikację można pobrać zc strony http://www.sump.org,projeets/anałyzerprotocoL w miarę pełna specyfikacja znajduje się w dokum encie Logic-Sniffer-F P G A Spec.pdf znajdującym się w katalogu P rzykladyA D l'/O penB ench W katalogu tym znajduje się także przykładowy program analizatora logicznego, opisanego poniżej, a także klient O LS (ols-O.9.6.1). Jak wspomniano, wszystkie polecenia, jakie klient wysyła do anali­ zatora. moZna podzielić na dw ie grupy: proste jednobąj lowe polecenia kontrolne oraz złoZone 5-bajtowe polecenia konfiguracyjne. Przyjrzyjmy im się nieco bliżej. Do ^ p ra w ­ nej współpracy z klientem nie jest wymagane, aby nasz program rozpoznawał i realizowal wszystkie polecenia. Część z nich byłaby zresztą trudna do realizacji za pomocą mikrokontrolera (o ile chcemy uzyskać wysokie częstotliwości próbkowania). Stąd leż w naszym przykładzie zaim plementujemy tylko proste polecenia, ale umożliwiające realizację większości funkcji analizatora: 1. Polecenie R eset (0x00. 0LS_Reset) — nadane co najmniej 5 razy zeruje stan analizatora, wszelkie ustawienia powracają do ustaw ień domyślnych. 2. Polecenie Run (0x01. OLS Run) — uzbraja w yzwalacz (trigger), po zajściu zdarzenia wyzwalającego gromadzona jest określona liczba próbek. po czym są one przesyłane do komputera. 3. Polecenie ID (0x02. 0LS_ID) — w odpow iedzi wysyłany jest ciąg identyfikacyjny (..1AIS") — polecenie to musi być zaimplementow ane, bez m ego klient nie może rozpoznać podłączonego analizatora. 4. Polecenie Set D ivider (0x80, 0LS_SetDivider) — um ożliw ia określenie częstotliwości próbkowania. Częstotliwość ta mieści się w zakresie 0 - 1(X) MI Iz, nasze urządzenie az tak szybko próbkow ać nic może. w zw iązku z tym częstotliw ość akceptowana będzie mieścić się w zakresie 0 - 8 MHz. Struktura tego polecenia została pokazana na rysunku 18 10

Rozdział 18. ♦ Wizualizacja danych

555

8. W arto także zaim plem entow ać polecenie inform ujące o m ożliw ościach naszego analizatora — O e lM eto d a ta (0x04. 0LS_MetaData) Polecenie to um ożliw ia w ysianie dodatkow ych informacji o analizatorze zakodow anych w postaci pól danych. W odpow iedzi na polecenia w ysiane przez klienta analizator w ysyła dane ♦ nazwa analizatora (pole o m arkerze 0x01). nazw a kończy się znakiem MULI. ♦ w ersja firm w are (pole o m arkerze 0x02), w ersja kodow ana jest ja k o zwykły łańcuch w form acie A SC II/.; ♦ maksym alna długość bufora próbek (pole o m arkerze 0x21) — przesyłana jest 24-bitow a wartość, począw szy od bajtu najbardziej znaczącego (M SB). ♦ maksym alna szybkość próbkow ania (pole o m arkerze 0x23). ♦ opis możliwości modułu (0x25) — poszczególne bity określają m ożliwości modułu — w naszym przykładzie wysyłamy 0x00000001, co oznacza, ze dysponujem y tylko podstaw ow ym i w yzw alaczam i. ♦ liczba kanałów analizatora (0x40) — kolejny bajt określa liczbę dostępnych kanałów (1 - 32); ♦ w ersja protokołu SUM P (0x41) — dostępne w ersje to 0x01 lub 0x02. my implementujemy częściow o w ersję 2 protokołu, ♦ m arker końca m cladanych (0x00) W naszym przykładzie m etadane określające konfigurację analizatora um ieszczone zostały w stałej MetaData: c o n st u1nt8_t M etaD ata[] PROGMEM = (0x01. , X V M \ ' E \ G \ * A \ T . M \ * F \ 0 . //tfazwu Sterownika 0x02. ‘1 * .‘ . * .‘0 ‘ .0. //Wersjafirmware 1.0 0x21. ( (ulnt32_tJOLSSW PLEBUF)»24. (u ln t8 _ t) ( ( (u!nt32_t)0LS_SWPLE_BUF)»16>. (uint8_t)(0LS_SAMPLE_BUF»Bj. (ulnt8_t)0LS_SAHPLE_BUF .7/P»24. (ulnt8_t> (0L S MAX_SRATE»16). (uI n t8 _ t)( OLS_HAX_SRA7E>>8). (ulnt8_t)0LS_MAX_SRATE. " /Szyhkoić samplowania / / i KtHz • big-endtan 0x25. 0x00. 0x00. 0x00. 0x01. /O p is modułu - dysponujemy n łkopodstawowymi //Mjcwalaczamt 0x4 0. 0x08. //,Liczba kanałów - 8 0x41. 0x02. //Wersja protokołu 2 0x00}: //Kontcc mcladanych

Tablica ta zostanie uzupełniona odpow iednim i danymi na etapie kom pilacji, po czym zostanie um ieszczona w pamięci FLA SH m ikrokontrolera, skąd będzie w ysyłana do kom putera w odpowiedzi na polecenie Geł Metadata.

Implementacja protokołu W iedząc, w jaki sposób klient wymienia informacje z analizatorem, możemy przystąpić do implementacji protokołu SUMP. Jak wcześniej wspom niano, klient wysyła do anali­ zatora niewielkie ilości danych (pojedyncze polecenia lub ich ciągi), ale w odpowiedzi

556

AVR. Praktyczne projekty

analizator może wysyłać spore porcje danych. Jak w ięc zaim plem entow ać transm isję USA RT? Pamiętając inform acje z rozdziału 17., możemy pom yśleć o wykorzystaniu DMA do przesyłania danych z analizatora do kom putera A le czy jest to koniecznie? Okazuje się. Ze nie. Nasz analizator w trakcie wysyłania danych nie będzie wykonywał nic innego, w zw iązku z tym najprostsza forma wysyłania danych (z wykorzystaniem pootingii) je st w zupełności wystarczająca Dzięki ternu, jak się zaraz okaże, będzie­ my mogli przeznaczyć DMA do znacznie ważniejszych zadań. Stąd tez całą implemen­ tację protokołu oprzemy na przerw aniach — będą one w ykorzystyw ane do odbioru kolejnych poleceń, jednak nadawanie danych będzie odbywało się przez zwykły pooling. Taką konfigurację interfejsu USART zapewni nam poniższa funkcja inicjalizacyjna: void U$ART_init<) USARTCO. CTRl&-USART_TXEH_bm | USART_RXEH_bm: //Włącz nadajnik t odbiornik U&IRT USARTCO.CTRLC=USART CHS1ZE B8IT gc: //Ramka 8 bitów, bez parzystości, ł bu stopu usart_set_baudra te (&USARTC0. 115200. F_CPU>: PORTC_OUTSET=PIN3_bni: P0RTC_DIRSET-PI N3_bm: //Pin TxD mu.u być wyjściem w Home wysokim USARTCO.CTRLA-USART_RXClNTlVL_LO_gc: //Włączprzerwanie odbiornika US.IRT PM1C CTRL|®PMIC L0LVLENbn: //Włącz przerwania niskiego poziomu } W ykorzystujemy w yłącznie przerw ania odbiornika, dzięki czem u nie będziemy m u­ sieli ciągle sprawdzać, czy nadszedł kolejny znak. Co w ażne, będą to przerwania ni­ skiego poziomu — dlaczego to takie ważne, okaże się za chwilę. Cały odbiór i analiza poleceń znajdą się w ięc w funkcji obsługi przerw ania odbioru znaku, która to funkcja będzie implementować prostą m aszynę stanów. M aszyna ta m oże się znaleźć w jednym z kilku stanów: enun OLS_States {OLS_St_Waltlng. 0LS_St_Rec5byteCnd. OLS_St_Cmd_Recelved. '-►OLS_Tran$niitting): Stanem podstawowym jest OLS St Waiting. w którym program oczekuje na nadejście polecenia. Po odbiorze polecenia następuje decyzja — jeśli polecenie jest jednobajtowe (a co za tym idzie — odebraliśmy całość), przechodzimy do stanu OlS_St_Cn>d_Received. jeśli polecenie jest wielobajtowc. to przechodzimy do stanu 0LS_St_Rec5byteCmd umoż­ liwiającego odbiór kolejnych bajtów polecenia: ISR(USARTCO_RXC vect) StatlC Ulfltfi t Old[5]: //Odebranepolecenie Stdtic uint8_t index: //Indeks do bajta polecenia u1nt8_t rec=USARTCO_DATA: $witch(State) ( case OLS_$t_Waiting: ir>dex-l: crrOLS_XOFF) State=0LS_St_Rec5byteCn>d: /.'Komendy o kotłach >0xłł są 5-bajtowe else $t ate-OL$_St_Gnd_Received: //Calepolecenieodebi-ane breat::

Rozdział 18. ♦ Wizualizacja danych

557

case 0LS_St_Rec5byteCmd: 17(1 rvdex<5) cmd[ i ndex++]=rec: //Kolejna część polecenia \ fi 1rvdex=5 > StateaOLS_St_Cnvd_Rece i ved: //Cale polecenie odebrane break: de fau i t : : //Wpozostałych stanach mc mc robimy Odebrane polecenie um ieszczone jest w tablicy cmd — poniew aż jej zawartość nie może być niszczona pomiędzy kolejnym i wywołaniami przerw ania, zm ienna la jest zm ienną statyczną Po otrzymaniu całego polecenia przystępujemy do jego dekodow ania i realizacji: 1f(State==0LS St Cmd Rece1ved) { switch CcmdCOD) Kolejne klauzule case odpowiadają za realizację kolejnych poleceń protokołu. Pierwsze polecenie: case OLS_Reset:

P0RTF_ [NT0HASK=0: //Wyłączamy przerwania od pinów IO TCF 1_7nTCTRLB&— TC1_CCA 1MTLVL_gn: //Wyłączprzerwania CCA State=OLS_St_Wa1t1ng: break:

powoduje imcjalizację maszyny stanów i sprzętu w ykorzystywanego przez analizator. Kolejna klauzula w ykonuje polecenie OLS ID: case OLSJD: USART_send_F(SUSARTCO. PSTRC1ALS")): //Wersjaprotokołu State=0LS_St_Wa1t i r»g: break:

Polecenie to wysyła tylko ciąg informujący o podłączeniu analizatora. W tym celu wy­ korzystuje znaną nam ju ż funkcję w ysyłającą ciąg znaków um ieszczonych w pamięci FLASH. Klauzula: case OLS_HetaData: USART_send_block_F(&uSARTCO. MetaData. slzeof(HetaData)): State-0LS_St_Wa1tlng: “ break: wysyła pokazany wcześniej ciąg mctadanych infonnujących o konfiguracji analizatora. Niceo bardziej skomplikowana jest obsługa polecenia 0LS_Run case OLS Run: { umt8_t mask=l:

//Uzbrój irigger

for(u7nt8_t probe=0: probe<8: probe*+ ) //Skonfiguruj odpowiednio tnggen'na

//poszczególnych pinach i

uint8 t cfg-byteO $ mask)? PORT ISC RIS1NG gc : '-PCRf_lSC_FALLlNG_gc: ( (PORT_t*)7(u1ntl6_t)&PORTF + probe))->PlNOCTRL=cfg: mask«=l:

558

AVR. Praktyczne projekty

ł } PORTF. [NTOfV.SK=OLS_Data .TrlggerMaskCO] .byteO: /-Załaduj maską tnggerów dla sond 0-7 1f{O LS_D ata.TriggerM ask[0].byteO=0) PORTF_IMTD_vect( ): //Jeih nłe ustawiono /tnggerm r. (o po prostu próbkujemy break:

Dzięki umieszczeniu powyższego hloku w klam rach m ożem y lokalnie zadeklarow ać /m ierni.}— norm alnie w ob ręb ie sekcji case zm ienne nie m ogą być deklarow ane. Polecenie lo musi odpowiednio skonfigurow ać triggeiy — w tym celu wykorzysty­ wane są przerwania generowane przez port IO w chwili zajścia określonego stanu. Po­ nieważ każdy pin musi być skonfigurowany oddzielnie za pom ocą jego rejestru kon­ trolnego. stqd wykorzystana została nieco zawiła formula: ( ( R0RT_t*) ( ( u in t 16 _ t)APORTF ♦ probe)>->PlNOCTRl-cfg:

Powoduje ona dodanie do adresu rejestru kontrolnego pinu w ątłości zmiennej probe. dzięki czemu uzyskujemy adres kolejnego rejestru kontrolnego — rejestry kontrolne umieszczono są w pamięci pod kolejnymi adresami, począwszy od PINOCTRL a skoń­ czywszy na PIN7CTRL Dzięki możliwości generowania przerw ań wyzwalanych zbo­ czem trigger jest wyzwalany całkowicie sprzętowo — po zajściu zdarzenia genero­ wane jest przerwanie (P0RTF_INT0_vect) odpowiedzialne za zbieranie próbek sygnału Gdyby użytkownik nie ustaw ił wyzwalacza. przerwanie to nigdy by nic wystąpiło — w takiej sytuacji jest ono generowane programowo poprzez wywołanie odpowiedniej funkcji przerwania. Przerwania generowane są wyłącznie dla pinów, dla których od ­ powiedni bit maski triggera jest równy l; stan. przy którym wystąpi przerwanie, jest określony bitem wartości triggera. Stąd też sprawdzanie stanu pinów następuje cał­ kowicie sprzętowo i nie pochłania czasu mikrokontrolera. Kolejne polecenia odpow iedzialne są za odczytanie konfiguracji dostarczonej przez klienta. Konfiguracja ta zapisywana jest w zmiennej 0LS_Data o typie: s tru c t u in t3 2 _ t SarrpleRate: u in tl6 _ t ReadCount: u in tl6 _ t DelayCount: probe TrlggerM ask[4]: probe T rig g e rV a lu e [4 ]: probe T n g g e rC fg [4 ]:

//Częstotliwość próbkowania //Liczba próbek //Opóźnienie próbkowania //Sioska dla triggera //Wartość bitów tnggera //Konfiguracja triggera

} Ponieważ O LS może posługiwać się czterema poziomami wyzwałaczy. stąd odpow iednie dane przechowywane są w d-elementowych tablicach — nieco na wyrost, gdyż nasz przykład implementuje tylko pierwszy poziom wyzwalaczy. Lecz jeśli czytelnik postano­ wi zaim plementować kolejne poziomy, odpowiednie dane będą ju z dostępne W celu w ygodnego dostępu do danych dotyczących wyzwalaczy zadeklarow ano unię: ty p ed ef unton

< u in t3 2 _ t value: s tr u c t (

560

AVR. Praktyczne projekty

Polecenie to odbiera dane o konfiguracji wyzwalać za (tńggera). Informacja o pozio­ mie konfigurowanego wyzwalacza zaw arta jest w kodzie polecenia, stąd też wartość ta jest obliczana przez instrukcję u i n t 8 _ t t r g n o = ( c m d [ 0 ] » 2 ) & O b li;. W arto się zastanowić, dlaczego zaraz po otrzymaniu poleceń konfiguracyjnych nie pr/estępujem y do konfiguracji sprzętowej wy z wal a czy. Problem w tym , że polecenia konfiguracyjne m ogą być przesyłane przez klienta w dowolnej kolejności, w zw iązku z czym nie mamy pewności, czy poszczególne pola struktury 0LS_Dat
Jak szybko próbkować? Dane musimy me tylko zbierać — musimy je zbierać szybko, w przeciwnym razie uży­ teczność naszego analizatora będzie bardzo ograniczona Zawsze kiedy szybkość jest ważna, warto zastanowić się, w jaki sposób maksymalnie zaprząc do pracy dostępne układy peryferyjne mikrokontrolera. Schemat naszego działania pokazany jest na rysunku 18.13. PORTF

Bufor próbek

Pm O

0

Pin 1

1

Pin 2

2

_____________________ K

Pin 3

D M A CHO

Pm 4

---------- 1 /

Pin 5

I

Pin 6

1 T

Pin 7

p

3 ... ... N -l N

e

T im e r TCFO Ctfppr 132 MM*) I

i

EV5Y5 >|

CNT

CHO

Timer TCF1

I

I-

Rysunek 18.13. Zasada działania układa zbierania próbek Tuner 7CF0jest lakumany zegarem ClJćper o częstotliwości 52\U Iz Przepełnienie tunera generuje zdarzenie »»' kanale 0 systemu zdarzeń. Częstotliwość zdarzeń jest zależna od wartości rejestru TER tunera TCFO. W ten sposób można zmieniać częstotliwość próbkowania. Zdaizenie to inicjuje transfer bajtu przez DMA z /***/*/ PORTFdo bufora próbek znajdującego się u pamięci SR LM mikrokontrolera fdomyślnie pojemność bufora wynosi 6 kB). Zdarzenie to shiży takie do taktowania tunera TCFI. Jeśli licznik tego tunera osiągnie wartość określoną przez rejestr CCA. mote być generowane przerwanie, które wyłączy timer ‘TCFO, a n efekcie zablokuje dalsze zbieranie próbek, co umożliwia odczy t zebranych danych i ich wysłanie do komputera ir celu wizualizacji. IV efekcie rejestr C’CVI możemy wykorzystać do określenia liczby próbek, jakie należy zebrać po wyzwoleniu triggera

Rozdział 18. ♦ Wizualizacja danych

563

Jej zadaniem jest zablokow anie zgłaszania dalszych przerwań, skasowanie Hagi prze­ rw ania (jeśli kolejne zgłoszenie nastąpiło tuż po wejściu do funkcji obsługi przerwania), a następnie konfiguracja m om entu, w którym próbkow anie zostanie przerw ane. Tu właśnie potrzebny jest tuner TCF1 Kanał DMA w sposób ciągły przesyła dane z portu IO do pamięci próbek Robi to zazw yczaj o w iele szybciej niż możem y dane przesłać do komputera z wykorzystaniem USART, w efekcie przysyłane dane byłyby nadpisy­ wane kolejnym i, zanim zdążylibyśm y je w ysłać do klienta. A by temu zapobiec, po zebraniu określonej liczby próbek musimy zatrzym ać proces próbkow ania — uzyskamy to poprzez zatrzym anie tim era TCF1. M oment, w którym to zatrzym anie nastąpi, je st określony w artością rejestru CCA — jeśli TCF1.CNT będzie rów ne TCF1.CCA. zgłoszone zostanie przerw anie: l$R(TCFl_CCA_vect) //Kończymypróbkowanie i wysyłamy wyniki

<

TCFO CTRLA=TC CLKSEL OFF_gc: W yłączam y próbkowanie TCF r I NTC1RLBŁ=-TC 1_CCA 1MTLVL_gn: /W yłączprzem owa CCA f o r ( u in t l6 t indeks-Ó: indeks
( In tl6 _ t addr=CKA.CHO. DESTACCRO * (DHA.CH0.DESTACDR1«8) - addr-OL$_$AKPLE_BUF: USART putchart&USAATCO. Sample_bufCaddr]):

/W y ś lijdane

> TCFO_CTRLA-TC_CLK$EL_DI Vl_gc: //Ponownie u/qrr próbkowanie State-OLS St Waiting: //Czekamy na kolejne polecenia ) Po je g o zgłoszeniu następuje zatrzym anie próbkow ania, a zebrane próbki w ysyłane są do komputera. Poniew aż bufor próbek działa ja k o rejestr PIF O , adres w ierzchołka bu­ fora (ostatniej zebranej próbki) znajduje się w rejestrze adresow ym (DSTADDR) kontro­ lera DM A Dane są wysyłane, począwszy od danych zebranych jako ostatnie, do klienta (klient odw raca ich kolejność). W yw ołanie pow yższego przerw ania następuje mniej w ięcej po zebraniu określonej w rejestrze TCF1.CCA liczby próbek. W arto zauw ażyć, że ze w zględu na lateneję przerw ań i konieczność w ykonania prolo­ gu funkcji w yw ołanie pow yższych funkcji obsługi i w ykonanie odpow iedniego kodu nic następuje dokładnie w chw ili zajścia zdarzenia (określonego stanu na pinie IO lub zdarzenia porównania tim era) Stąd też przesyłane dane m ogą być nieznacznie przesu­ nięte. N ic m a to jednak w ielkiego znaczenia — lateneję m ożem y skom pensow ać, ustaw iając w kliencie przesunięcie zbieranych danych, o czym będzie za chw ilę. W a rto też zau w aży ć, że w fu n k c ji obsługi przerw a n ia TCFl_CCA_vect złam aliśm y podstaw ow ą zasadę pisania tego ty p u handlerów — fu n k c je te pow inny być m ożliw ie n a jk ró tsz e . N asza funkcja w ysyła naw et 6 kB danych przez wolny interfejs, j a ­ kim jest RS232. W efekcie jej w ykonanie jest czasochłonne W tym przypadku nie ma lo żadnego znaczenia — w czasie w ysyłania danych nic spodziew am y się zajścia ja ­ kichkolw iek innych zdarzeń, w efekcie czas obsługi tej funkcji je st bez znaczenia. Jak w idzim y, od każdej zasady istnieją w yjątki — w ażne tylko, aby w iedzieć, kiedy m o­ żem y je bezpiecznie stosow ać Na końcu nasza funkcja wynawia zbieranie próbek (poprzez ponow ne w łączenie timera TCFO) i resetuje m aszynę stanu, umożliw iając odpow iedź na kolejne polecenia

564

AVR. Praktyczne projekty

Klient Po takiej porcji kodu pora zobaczyć uzyskane efekty. W tym celu należy w czytać po­ kazany program do XM EGA i uruchomić wybranego klienta (pokazany zostanie klient LogicSniffer). Po jego uruchomieniu (katalog P rzykład}'A D l' OpenBench ols-0.9.6.1/ nm .bat [wymagana jest wcześniejsza instalacja maszyny wirtualnej JavaJ) możemy przy­ stępie do konfiguracji i spraw dzenia działania naszego program u Po uruchom ieniu klienta wybieramy C ap łtireB eg in C apture, co spowoduje pojaw ie­ nie się okienka pokazanego na rysunku 18.14.

Rysunek 1 8 .1 4 . Okno konfiguracyjne klienta LogicSniffer Wybieramy port, przez który połączonyjest moduł Xplaincd z komputerem. ustawiamy szybkość transmisji na 115 200 bps. wybieramy typ urządzenia — O pen Bench Logic Sniffer łub Original Sl/Ji 1P device — po czym możemy nacisnąć przycisk Show device metadata W odpowiedzi uzyskamy takjak na rysunku informacje: Device type: X\tF.GAT\fl7. Firntware ł 0. Protoco12 Po skonfigurow aniu połączenia w kolejnej zakładce (Acąutsilion) ustalamy parametry akw izycji (próbkowania) — rysunek 18 15. Po skonfigurowaniu trybu próbkowania opcjonalnie możemy przystąpić do konfiguracji wyzwałaczy (rysunek 18.16). Pomimo zaim plem entow ania w yłącznie najprostszych fonu w yzwalania (w yzw ąłącze proste, pracujące w trybie w yzw alania równoległego) nasz analizator m oże oddać nieocenione usługi przy debugow am u kodu. co zostanie pokazane w kolejnym rozdziale W arto też pokusić się o im plem entację kolejnych opcji w ramach ćwiczeń. Po ustaw ieniu param etrów akw izycji program klienta czeka na dane z analizatora Dane zostaną wyświetlone po przesianiu ich do komputera w posta­ ci przebiegów ilustrujących zm ianę stanu pinów w czasie (ry sunek 18 17) Po prze­ chw yceniu przebiegu możemy poddać go dodatkow ym analizom , dostępnym w menu Tools. W zależności od źródła przebiegu mamy do dyspozycji interpretację go jako różne protokoły, w tym popularne 1-wire. USART. I2C czy SPI.

Rozdział 18. ♦ Wizualizacja danych

565

Rysunek 1 8 .1 5 . Parametry próbkowania. Wybieramy parametry, tak ja k pokazano na rysunku. Samphng Ratę możemy zmieniać w zakresie 8 M łlz do 500 Hz. Wybranie częstotliwości próbkowania większej niż 8 Słłłz spowoduje, ze i tak sygnał będzie próbkowany z maksy malną częstotliwością równą 8 MHż Wybranie wartości poniżej 500 Hz jest problemem ze względu na przepełnienie 16-lutowego Umera TCFI. Jeśli chcemy próbkować tak wolno, należy zmienić preskaler lego tunera można to zrobić automatycznie, poprawiając program analizatora. Ważne jest aby nie wybierać częstotliwości próbkowania 200 M l Iz zmienia to nieco sposób przesyłu danych, w efekcie każdy odczyt będzie trzeba zastopować manualnie. Wielkość bufora próbek (Recording Sizei może być dowolną wartością, byle nie większą niż 6 kii tna więcej nie starczy nam pamięci)

Rysunek 18.16. W zakładce konfiguracji wyzwalaczy możemy wybrać moment wyzwolenia (Before After raliof. wygodniejest zebrać kilka procent próbek sprzed momentu zadziałania wyzwałacza. dzięki czemu zobaczymy zdarzenia mające miejsce luz przed wyzwoleniem Ze względu na ograniczenia programu analizatora dostępne są wyłącznie wyzwalacze proste (Sinipie), nie należy wybierać innych typów. Podobnie do dyspozycji mamy wyłącznie wyzwalacze rów nolegle (Parollei). W polach Mask i Palne możemy wybierać maskę i wartość, przy której wyzwąłącz zadziała. Dostępnych mamy 8 kanałów o numerach 0 - 7. zmiany u*pozostałych kanałach są bez znaczenia Po wybraniu opcji wyzwalania możemy nacisnąć przycisk Capture i rozpocząć zbieranie próbek

566

AVR. Praktyczne projekty

Rysunek 18.17. Przykładowy przebieg przechwycony za pomocą analizatora

Uwagi praktyczne Na koniec warto zapoznać się z paroma praktycznymi uw agam i dotyczącymi korzysta­ nia z analizatora — nic tylko przedstaw ionego w tym rozdziale, ale każdego, w tym analizatorów profesjonalnych. Po pierwsze: w ażne jest odpow iednie dobranie często­ tliwości próbkow ania Zbyt niska częstotliwość spowoduje. Ze zmiany o czasie trw a­ nia krótszym niz okres sygnału próbkującego będą niewidoczne. Z kolei zbyt wysoka częstotliw ość próbkow ania ograniczy jego czas D ysponujem y buforem m ieszczącym m aksym alnie 6144 próbki — jeśli będziemy próbkować z m aksym alną częstotliw o­ ścią rów ną 8 Ml Iz, to bufor zapełni się ju z po 768 ps Stąd jeśli badany przebieg jest dluzszy. to jego część zostanie zgubiona. W efekcie częstotliw ość próbkow ania jest zawsze kompromisem pomiędzy rozdzielczością, która wzrasta w miarę wzrostu czę­ stotliwości próbkow ania, a czasem , przez jaki możemy ..nagryw ać" badany przebieg.

WUurówtu

W ykorzystany m o d u ł X p la ln e d p o s ia d a d o d a tk o w ą p a m ię ć ze w n ętrzn ą o p o je m n o ści 8 M B . p a m ię ć tę m o żn a w ykorzystać ja k o p a m ię ć prób ek, z w ię k s z a ją c w ten s p o s ó b m ożliw y c z a s p ró b ko w an ia (jednak k lie n ci protokołu S U M P m a ją o g ra n icze n ie bufora p ró b ek do 2 5 6 kB).

Pamiętajmy też. że analizator logiczny nie jest urządzeniem służącym do precyzyjnego pomiaru częstotliw ości przebiegu czy tez dokładnego pomiaru czasu trwania jego kom ­ ponentów. Ilustruje to rysunek 18.18.

Rozdział 18. ♦ Wizualizacja danych

567

Przebieg próbkowany

Sy^oal wyzwalający próbkowanie

Rezultat próbkowania

Rysunek 18.18. Problem}' związane z próbkowaniem Na górze pokazano oryginalny przebieg, na zboczu narastającym przebiegu .środkowego dokonywane jest próbkowanie sygnału Rezultat przedstawia przebieg dolny. Widzimy. Z e uzyskany przebieg w stosunku do oryginału je st mocno zniekształcony, a pewne zmiany »r ogóle pozostały niezauważone Jak pamiętamy, zbyt niska częstotliwość próbkowania prowadzi do powstania aliasingu, jednak niezależnie od częstotliwości próbkow ania będziemy mieli do czynienia z in­ nym zjawiskiem — drżeniem (ang jitter). Zjawisko lo w ynika z dyskretnej natury pro­ cesu próbkow ania i braku synchronizacji pomiędzy przebiegiem badanym a sygnałem w yzw alającym próbkowanie. J itte r może sięgać w ekstrem alnych przypadkach czasu równego okresowi sygnału próbkującego, stąd też pomiary częstotliwości czy czasów trwania nie są dokładne D okładność możemy zw iększyć, zw iększając częstotliwość próbkow ania (jednak odbyw a się to kosztem długości przechw ytyw anego przebiegu). Warto tez wspom nieć o wyzwalaezach. Umożliwiają one synchronizację początku zbie­ rania próbek względem jakiegoś zdarzenia. M ają one szczególne znaczenie, kiedy chcemy ../.łapać” przebieg pojaw iający się sporadycznie. N orm alnie szanse na uchw y­ cenie takiego przebiegu są niewielkie, jeśli jednak wiemy. Ze każda transm isja rozpo­ czyna się np zm ianą stanu z w ysokiego na niski, możemy ustaw ić w yzw alacz tak. aby taką zm ianę wykrywał Dopiero po jej w ykryciu nastąpi zebranie odpowiedniej liczby próbek i przesianie ich do klienta. M ając do dyspozycji aż 8 kanałów logicz­ nych. możem y także poświęcić osobny kanał na w yzw alanie — program realizujący transm isję m oże w interesujących nas mom entach zm ienić stan takiego kanału, w y­ zwalając w ten sposób proces zbierania próbek. W ten sposób możemy synchronizować pewne elem enty programu z analizatorem logicznym, co ułatw ia nam dcbugowanic.

Rozdział 19. ♦ Wykorzystanie podczerwieni do transmisji danych

571

K o d o w a n ie b ifa ro w c

Kodowanie długości impulsu

Kodowanie odległości impulsu

Rysunek 19.2. Podstawowe metody kodowaniu danych wykorzystywane przy transmisji IR A'a górze pokazano kodowanie hi/azowe. u który m nadawane hity kotłowane są u- postaci zbocza sygnału — narastające odpowiada hitowi o wartości ł. a opadające hitowi o wartości 0. Zmiana stanu następuje zawsze w połowie okresu trwania słom czasowego — poszczególne sloty oznaczone są liniami przerywanymi, ii' środku pokazano kodowanie szerokości impulsu hity o wartościjeden zazwyczaj nadawane są jako impulsy*szersze, a bity o wartości zero jaki impulsy węższe. Odstęp pomiędzy hitami jest zmienny, tak samo szybkość transmisji zależy od tego. czy nadajemy hity: o wartości I. czy' 0. Na dołe pokazano kodowanie odległości impulsu. U' tym typie kodowania szerokość nadawanych impulsów jest stała, lecz w zależności od lego. czy nadajemy 1. czy 0. zmienia się odstęp pomiędzy impulsami (zazwyczaj jest on dłuższy' dla hitu o wartości 1) Jak widzimy, wykorzystywanych schematów kodowania nic jest zbyt wiele. Przed rozpo­ częciem nadawania danych zw ykle nadaje się dłuższy impuls, o czasie trwania o wiele dluzszym niz czas trwania bitów. Po nim następuje tez dluzsza przerw a i dopiero po takiej pream bule nadaw ane są dane. Taki sposób nadaw ania umożliwiał dostrojenie torów odbiorczych starszego typu odbiorników podczerw ieni, ale nawet obecnie (do­ stępne scalone odbiorniki podczerwieni nie w ym agają tego typu pream buły) taka pre­ ambuła jest wygodna. Dlaczego? M a to znaczenie głów nie dla urządzeń zasilanych bateryjnie — długi impuls rozpoczy nający nadaw anie porcji danych daje odbiornikowi czas na wy budzenie i ew entualne ustabilizow anie drgań kw arcu (użytego generatora) oraz przygotow anie się do odbioru danych (w łaściw ą synchronizację) Tego typu pre­ ambuła jest w ykorzystywana w w ielu standardach nadaw ania w ykorzystywanych przez piloty współpracujące zc sprzętem RTV — do nielicznych wyjątków* należy- kod RC5, któiy nie korzysta z tego typu pream buły, ale za to stan pierw szego bitu jest zaw sze równy 1. co um ożliw ia odbiornikow i w łaściw ą synchronizację Mając juz podstawy teoretyczne, spróbujmy zrealizować komunikację z yyykorzy staniem podczerwieni.

Rozdział 19. ♦ Wykorzystanie podczerwieni do transmisji danych

573

PCO(OCOA/SDA) P C 1 (O C O B /X C K O / S C L ) P C 2 (O C O C / R X D Q )

PC3(OCODn-XDO) PC4(OC1A/55) P C 5 (O C 1 B /M O S I/X C K 1 ) P C 6 ( M I S O / R X D 1) P C 7 ( S C K / T X D 1 / C l K O /E V O )

P D O (O C O A Z S D A )

PD1(OCOa/XCKCVSCL) PD2(OCOaRXQO) PD3(OCOD/TXD 0) PD4(OC1A'55) P D 5 (O C 1 B O C C K 1 /M O S I) P D 6 (R X D 1 / M I S O ) P D 7 ( T X D 1 / S C K / C lK O / E V O )

Rysunek 19.3. Do podłączenia odbiornika IR wykorzystany pin PD2 (na module Xpłainedjest to pin 2 złącza J 3i Rezy stor R! jest opcjonalny, jego wartość nie powinna być niższa niz łOkCL Aiależy zadbać o odjiowiedme odsprzę ganię zasilania odbiornika IR Jł tym celu ja k najbliżej nóżek go zasilających należy podłączyć kondensator 22 47 pF Ponieważ odbiornik IR jest urządzeniem pracującym z bardzo dużym wzmocnieniem dla zapewnienia odpowiedniej czułości, musimy zadbać o właściwe odsprzęganic jego zasilania. Producenci tego typu układów w przypadku zaszumianego zasilania zalecają układ taki jak pokazany na rysunku 19 4. Rysunek 19.4. Alternatywne połączenie odbiornika ze źródłem zasilania Kondensator C l powinien mieć pojemność rzędu 0. ł - 47 uF. a rezy stor R2 wartość 33 1000 l i UkładRCstanowiJiłtr dla zakłóceń przenoszących się przez zasilanie, generou anych przez inne elementy układu 1 to tyle... ten prosty układ jest w pełni funkcjonalnym odbiornikiem podczerwieni — co ważne, zastosowany odbiornik jest urządzeniem uniwersalnym — nie ma dla niego znaczenia sposób kodowania sygnału — na wyjściu (pin DATA) uzyskamy po prostu nadawany sygnał po demodulaeji.

Wskazówka

Warto pam iętać, że logika uzyskanego sygnału je s t odw rócona — n iski poziom sygna­ łu o dpow iada sytuacji, w której odbiornik o db iera im p uls podczerw ieni, a w ięc kiedy nadajnik nadaje 1. Poziom w ysoki linii DATA odpow iada sytuacji, w której odbiornik nic n ie o d b ie ra — na da jnik je s t a lb o poza z a s ię g ie m , a lb o n a d a je b it o w a rto ści 0.

Rozdział 19. ♦ Wykorzystanie podczerwieni do transmisji danych

575

Standard NEC i pokrewne Zaczniem y od standardu N EC i standardów mu pokrew nych (SH A R P, ITT. JVC itd ). Standardy te kodują nadaw ane hity poprzez zm ianę czasu, ja k i upływ a pom iędzy im ­ pulsam i (zm ianę pozycji im pulsu), przy czym sam im puls zaw sze trw a tyle sam o — rysunek 19.6.

Wyjście odbiornfca

O d e b ra n y

przebieg

SirO

B it 3

BUO

Rysunek 19.6. Sposób kodowania bitów w standardzie MEC Każdy bit (niezależnie otl wartości) rozpoczyna się odebraniem zmodulowanego sygnału u czasie trwania T. Dla bitów o wartości 0 po zakończeniu nadawania następuje okres przerwy również o czasie równym T. Dla bitu o wartości 1 przerwa wynosi 2T + przerwa miętłzy bitami (T). łącznie czas wynosi ST C zas T zależny je st od konkretnego protokołu i zazw yczaj m ieści się w przedziale 320 - 560 |is, stąd tez czas trwania hitu 0 to łącznie około 1 ms, a bitu 1 — trochę ponad 2 ms. Pewnym wyjątkiem jest tu protokół używany przez firmę SI IARP. gdzie czasy trwania bitów są takie jak pow yżej, ale sygnał m odulujący jest nadaw any tylko przez 320 us. W praktyce nic w pływ a to jednak znacząco na działanie dekodera. Protokół SHARP nic uZywa takZe pream buły zbudow anej z nadaw anego przez kilka m ilisekund zm o­ dulow anego sygnału z kilkum ilisekundow ą przerw ą Najczęściej wykorzystywany jest standard N EC — szczególnie jest on często w ykorzy­ stywany w różnego typu sprzęcie mniej znanych w ytw órców . Protokół ten składa się z preambuły trwającej 9 ms. po której następuje 4,5-m ihsekundowa przerwa, a następnie nadawanych jest 32 bilów danych. Logiczne 0 jest nadawane jako impuls o długości 562,5 us. po którym następuje taka sam a przerw a, logiczne 1 nadaw ane jest jako taki sam im ­ puls. po którym następuje przerwa trwająca 1.6875 ms. 32 bity danych stanow ią łącznic 16 bitów adresu i 16 bitów kodu polecenia W oryginalnej specyfikacji protokołu NEC z a ­ rów no adres, jak i polecenie jest nadaw ane w postaci 8-bitow ej — nadaw any je st ad­ res i je g o negacja oraz polecenie i je g o negacja (rysunek 19.7). Dzięki temu możemy kontrolow ać poprawność otrzy manych danych, ale co więcej, czas trw ania calcj ramki jest stały — liczby bitów o w artości 0 i l są rów ne C zęsto jed n ak standardow y protokół NEC jest rozszerzany, tak źe pole adresu jest 16-bitowe W takim przypadku nadawany jest 16-bitowy adres zamiast adresu 8-bitowcgo i jego negacji. W tego ty pu rozszerzeniu pole danych ciągle jest 8-bitowe. nadawane jako dw a bajty — polecenie i jego negacja. K onsekw encją braku nadaw ania bajtu negacji adresu jest tez zm ienny czas trw ania ram ki danych — liczba bitów 0 i 1 nie musi się sobie rów nać. Po w ysianiu 32 bajtów danych nadaw any je st znacznik końca transm isji — im puls o długości 562.5 ps.

576

AVR. Praktyczne projekty

S ta rt

A d re s

A d re s za n e g o w a n y

P o le c e n ie

P o le c e n ie za n e g o w a n e

Rysunek 19.7. W protokole SE C po sygnale startu nadawane jest S-biton c pole adresu, po którym następuje jego negacja. IV ten sam sposób nadawane jest 8-bitowe pole polecenia Przytrzymanie klawisza sygnalizowano jest tak jak na rysunku 19.8 — poprzez nadanie specjalnej w iadom ości, która nie zaw iera żadnych bitów danych. K olejne tego typu w iadom ości w przypadku przytrzym ania klaw isza nadaw ane są co 108 ms. Rysunek 19.8. Jeśli przytrzymamy wciśnięty klawisz, to nadawanyjest kod powtórzenia — składa się on z preambuły wiadomości, po której nie są nadawane Żadne bity danych, a wyłącznie znacznik końca transmisji

Powtórzenie co 108 ms

Spróbujmy więc napisać program realizując)' odbiór danych z pilota nadającego w stan­ dardzie NKC (w praktyce każdego pilota, który używa m odulacji odstępu) — kod przykładu znajduje się w katalogu Przykłady IR O dbioniiklR -SH C N asz program będzie bazował na prostej m aszynie stanów pokazanej na rysunku 19.9. P re a m b u ła

8 it0

Bit 1

Rysunek 1 9 .9 . Kolejne zdarzenia na pinie PIND2 wywołują przerwanie, w którym odczytujemy przyporządkowany im marker czasowy (rejestr CCAi Po wykrycia zbocza opadającego maszyna przechodzi ze stanu IR_UEC_Nothing do stanu IR_ł/EC_Trai l e r . »r którym sprawdzane jest. czy preambuła ma odpowiedni czas trwania. Jeśli lak. to maszyna przechodzi do stanu IR_NEC_FirstBi t. Kolejne zbocza opadające związane są z odbiorem kolejnych bitów danych. Dzięki markerowi czasowemu możemy określić, czy są to bity 0. czy I Dzięki tem u program zyska na przejrzystości, a my będziem y mogli łatw o dodaw ać kolejne elem enty — np. dodatkow ą kontrolę czasu trw ania impulsów.

Rozdział 19. ♦ Wykorzystanie podczerwieni do transmisji danych

577

W szelkie czasy trwania impulsów zdefiniowane s ą w postaci symboli: łd e fin e ^d e fin e ERAMCE # d e fin e Ądefine ^ d e fin e

IR MEC_PULSE 560 /C za s w nspodstawowego interwału IRJIEC_T0L 100 //Tolerancja czasu w us IR_MEC_TRA1LER 16 /'Start ramki -1 6 interwalów IR NEC 2ER0 2 //Czas trwania bitu O IR_MEC_0NE 4 /C za s trwania bitu I

Podstawą jest IR_MEC_PUL$E. wszy stkie inne czasy są wyrażone jako wielokrotność czasu podstawowego.

Wikarówka

J e ś li po kaza n y program w yko rzystam y do d e k o d o w a n ia sy g n a łu p ilo ta o innych za­ le ż n o ś c ia c h c za so w y c h , w ystarczy d o s to s o w a ć c z a s y trw a n ia o k re ś lo n e pow yż­ szym i sy m b o la m i.

Poniew aż pilot nie odmierza czasów z dużą precyzją, niezbędne jest wprowadzenie pewnej tolerancji na czasy, określonej w symbolu IRJIECJTOLERANCE. Ponieważ czasy wyrażone są w ps. a wszelkie operacje przeprowadzamy na timerze zliczającym sy ­ gnał go taktujący, musimy dokonać pewnych przeliczeń, co zapew nia funkcja: s t a t ic in lin e u in t l6 _ t IR C a lcT im e (u in tl6 _ t tim e)

I re tu rn tine*
//Przelicz czas w mikr osekundach na łyknięcia tunera Piz,y timerze taktowanym CLKPER 4

} Podzielenie przez 1 (XX) 000 wynika z faktu, ze czas wyrażamy w mikrosekundach (jednej milionowej sekundy), dodatkowo czynnik 4 to wybrany preskaler zegara Umera. » Wikarówka

Ten i pozostałe kody do sto so w a n e s ą do pracy z M C U taktow anym zegarem 2 MHz. Je śli użyjemy w yższego taktow ania, m oże być kon ieczna m odyfikacja preskalera tlm era (nie m o że o n u le c p rze p ełn ie n iu ), c o m u sim y u w zg lęd n ić w fu n k cji IR _C a lcT im e .

Dzięki powyższym definicjom zyskujemy elastyczność umożliw iającą wykorzystanie tych samych funkcji do odbioru sy gnału z dowolnych pilotów, byleby nadawany sy­ gnał by I modulow any poprzez pozycję. Ponieważ jednym z elem entów programu jest pomiar czasu — zaprzęgniemy do pra­ cy timer i możliwość jego pracy jako układu przechwytującego impulsy zewnętrzne. W tym trybie timer przechwytuje zdarzenia do niego doprow adzone, z danym kana­ łem zdarzeń moZcmy pow iązać dowolny porl lO (lub inne urządzenie peryferyjne). Aby przechwytywać zdarzenia, powiążemy pin 2 PORTO z kanałem zdarzeń C H I. a ten z kolei powiążemy z rejestrem CCA. w którym przechowywany będzie marker czaso­ wy zdarzenia: void IR in it O

1 PORTD_PIH2CTRL-PORT_OPC_PULLUP_gc | WRT_l$C_B0THEE>3ES_gc: //Podciąganie na pinie / / odbiornika IR. zbocza wywołują zdarzenia EVSYS_CHlHUX=EVSyS_CMv1UX_PCftTD_PIN2_gc: / Transm itow ać przez kanał 1

578

AVR. Praktyczne projekty

TCDO.CTRLB-TC WSMODE_NORHAL gc | TCO CCAEN fcędziemy odbierać inform acje D odatkow o w łączone zostało przerw anie nadm iaru tunera — posłuży ono do w ykryw ania i reakcji na sy tuacje awaryjne oraz. w ykryw ania nadaw a­ nia powtórzeń klawiszy. Przerw anie to zostanie zgłoszone w sytuacji, w której czas oczekiw ania na kolejny bit danych przekroczy wartość dopuszczalną — dzieje się tak w sytuacji nadawania kodu powtórzenia klawisza lub problemu z odbiorem sygnału z pi­ lota. Stąd też nasza funkcja obsługi przerwania musi tc dw ic sytuacje odróżnić. Nadawa­ nie powtórzenia klawisza w ygląda tak jak początek kolejnej ramki danych, z tym Ze po nim nie następuje nadaw anie kolejnych bitów, sytuację tę możem y łatwo wykryć: 1SR(TCDO 0VF vect) i f ( ( IR State—[R NEC Receiving) AA ( IR recpos—0) > cb_Add(A1R CMD Guf fe r. IR_NEC_RPTLASTCMD): IR State- IR NEC Moth I r>g: ./'Błąd Iransmisfi lub powtórzenie - restart nuirzvrty stanów ) W przypadku zaniku sygnału maszyna stanów jest po prostu reselow ana. W arto zauw ażyć, ze timer został tak zainicjow any, aby m aksym alna zliczana wartość nic przekraczała 0x7FFF. dzięki temu rejestr CCA oprócz informacji o czasie wystąpienia zdarzenia będzie dostarczał także informację o typie zdarzenia (najstarszy bit będzie ustawiony w przypadku zbocza narastającego lub będzie rów ny 0 w przypadku zbocza opadającego badanego sygnału). Przystąpmy w ięc do dekodow ania otrzym anego sygnału pilota. W szystko umieścimy w funkcji obsługi przerwania, której początek w ygląda następująco: ISR(TCDO_CCA_vect) { s ta tic uint32_t IR_RecGnd:

//Odebrana komenda z pilota

TCDO_CNT-0: /}Coś odebraliśmy, więc zerujemy licznik uintl6_t cca-TCDO_CCA: uint8_t flag-D: if(cca A 0x8000) flag—1: ccaA“ 0x7fff: switchtIR State) { Po wejściu do funkcji obsługi przerw ania odczytywany jest z CCA marker czasowy, a także w zależności od zbocza zmieniany jest stan zmiennej flag a Poniew aż najstarszy bit CCA nic zawiera informacji o czasie, musimy go zamaskow ać. Po tych przygotow aniach możemy przystąpić do reakcji zależnej cni bieżącego stanu autom atu:

Rozdział 19. ♦ Wykorzystanie podczerwieni do transmisji danych

579

case lR_NEC_Nothing: 1f(flag==0) { lR_State=IR_NEC_Traller: lR_recpos=0: IR Je c O n d -O :

break:

)

Na początku po odebraniu dow olnego zbocza inicjalizujem y zm ienne zw iązane z od ­ biorem danych Zmienna IR_RecCmd zawierać będzie odebrane dane (łącznie dla standardu NEC to 32 bity), a zm ienna IR recpos jest pom ocniczą zm ienną inform ującą o num e­ rze aktualnie odbieranego bitu. Po wykryciu początku transmisji zm ieniam y stan na IR_NEC_Trailer. Kolejny impuls w tym stanic spowoduje wywołanie: case IR NEC Tratler: i f ( ( cca>I R_Ca IcT i me( ( IR_NEC_PULSE - 1R_NEC_T0LERMCE)* IR_NEC_TRA t LER)) SŁ ((cca
lR_$tate-IR_MEC_FirstBit:

break:

Jeśli odebrany im puls będzie miał czas trw ania odpow iadający impulsowi preambuły, to przechodzimy do kolejnego stanu IR HEC F irs tB it. Od tego momentu następuje odbiór kolejnych bitów — ich czas trwania określają m arkery czasowe kolejnych zbocz)’ opadających: case IR NEC_Receiving: 1 f(fU g « 0 ) IR_RecCmd«-l: 1f (cca> IR_Ca 1cTtne( ( IR NEC PULSE* 1R NEC TOLERANCE) * 1R_NEC_2ER0)) IR_RecCh>d |=1: ++IR recpos:

1f(IR_recpos==IR B1TSN0) 1 I R _ S t a t e a IR _ H E C _ N o th 1 n g :

cb_Add (i IR CMD_8u f f er. IR_RecCrr
Na podstawie czasu, jaki upłynął pomiędzy kolejnymi zboczami opadającymi, ustalane jest, czy nadany bit miał wartość o czy l Po odbiorze 32 bitów danych są one umieszcza­ ne w buforze pierścieniowym, z którego możemy je odczytywać w dowolnym miejscu aplikacji 1 to właściwie wszystko. Reszta to demonstracja działania naszeęo programu — w tym celu w ysyła on odebrane kody do portu szeregow ego USARTCO" i jeśli włączymy ter­ m inal. będziem y mogli jo odebrać (rysunek 19.10). Kod odpow iedzialny za wysyłanie jest prosty: * " W module Xplained XMEGA128A1 port ten jest widoczny w komputerze jako wirtualny poit szeregowy transmisjo odbywa się po USB. w związku /. tym posiadacze tego modułu nie muszą wykonywać dodatkowych połączeń.

580

AVR. Praktyczne projekty

* h ile ( l)

( i f
1 CB Element cmchcb Readt&lR_CM}_Buffer): i f 7cnd ' - 1R_NEC_RPTIASTCMD)

{ ultoa< and. b u fo r. 16): USART_send(MJSARTCO. b u fo r): } e lse USART send_F(MJSARTCO. PSTR("Pow tórzenie")): USART_putchar(&USARTCO. '\n’>: USART_putchar(&USARTCO. ‘ \r*>:

1 )

Rysunek 1 9 .1 0 . Odebrane u* terminalu kotły przycisków wys) lane przez pilota pracującego u1rozszerzonym standardzie MEC. I I ' tym standardzie p ierw sze dw a bajty określają 16-bitow y adres, n ie są one więc sw o ją inwersją, kolejne dw a bajty określają 8-bifow c polecenie i je g o inw ersję

Jak widzimy, powyższy blok cyklicznie sprawdza, czy w buforze pierścieniowym od ­ biornika jest jakiś odebrany kod klawisza (funkcja cb_IsEirpty). Jeśli tak, to go pobiera i wysyła w postaci heksndecymalnej do portu USART. Jeśli zawarty w buforze kod ozna­ cza powtórzenie ostatnio wciśniętego przycisku, to zamiast kodu nadawany jest tekst "Powtórzenie". Dzięki umieszczeniu kodów w buforze pierścieniowym aplikacja w przypadku nienadążania z obsługą nie zgubi kolejno naciskanych przycisków Pokazany program można poprawić poprzez dodanie elem entów odpowiedzialnych za sprawdzenie poprawności odebranego kodu. W tym celu możemy posłużyć się znaną budow ą i właściwościami kodu NEC (inwersja niektórych bajtów), możemy też do ­ dać bardziej rygorystyczne sprawdzanie zależności czasowych W tym celu dysponuje­ my już wystarczająco rozbudowaną maszyną stanów — wystarczy tylko dodać odpo­ wiednie warunki.

584

AVR. Praktyczne projekty

R ysunek 1 9 .1 4 . Kod Motorola każdy' pakiet poprzedzony je st preambułą, w której nadawany jest jeden hu o wartości I, po którym następuje przerwa i nadawanyjest właściwy pikiet danych, rozpoczynający się zawsze od billi o wartości ł. Czas trw ania bilu wynosi 102-ł us (nie ma to znaczenia, gdyż nasz dekoder sam się do tego dostosuje)

Dzięki preambule możemy zmierzyć czas trwania pólbitu i zsynchronizować się z nada­ wanym przebiegiem. Każdy nadawany pakiet danych poprzedzony jest taką samą pre­ ambułą. Po naciśnięciu przycisku pilot nadaje 10-bitowy pakiet danych, w którym w szystkie bity maja wartość 1 (a w ięc odbieramy 0x3FF). po czasie 34 m s od początku nadawania nadawany jest kolejny pakiet, zawierający inform ację o kodzie przycisku, po czym po 136.6 ms od jego początku nadawany jest trzeci pakiet zawierający podobnie jak pakiet pierwszy sam e jedynki (wartość 0x3FF) Stąd też jednem u naciśnięciu przy­ cisku towarzyszy w ysianie trzech pakietów danych Jeśli przycisk przytrzym am y, to po wstępnym pakiecie powtarzany jest pakiet zawierający kod przycisku przez cały czas jego przytrzymania Po zwolnieniu nadawany jest pakiet kończący (o wartości 0x3FF) Teraz możemy juz przystąpić do kodowania Skoro preambuła składa się z hitu o wartości 1. to możemy (a nawet należy) wykorzystać j ą do pom iaru okresu zegara nadajnika, co umożliwi nam zdckodowanic nadawanych sygnałów Ale najpierw musimy przejść znaną nam ju ż procedurę konfiguracji układów peryferyjnych votd IR t n t t o

{ //Potencjalnie włącz przerwania (na razie rejestr / / maskjest równy O) PORTD_PIH2CTRL-PORT_OPC_PULLUP_gc | PORTJSCJOTHEDGES.gc | PORT_lNVEN_bm: ■Podciąganie na pinie odbiornika Hi. oba zbocza wywołują zdarzenie EV$Y$ CH1HUX=EV$YS CHMUX P0ftTD_PIM2_gc: /Transmitowane pizez kanał ł TCDO.ĆTRLB=TC WSMODE UDRHAL gc j TCÓ CCAEN bm: //Tryb pracy normalny TCD0.PER=IR_CalcTimeT2*lR_HALF_BlT>: " //Okres tunera TCDO. CTRLD-fC_EVSEL_CHl_gc | TĆ_EVACT_PW_gc: //Kanał I ja k o pomiar szerokości impulsu TCDO. I NTCTRLA=TC_OVF INTLYL LO_gc: //Włączprzerwanie nadmiaru TCDO. INTCTR18-TC_CCAINTLYL~LO_gc: //Włączprzerwanie CCA TCDO. CTRLA=TC_CUSEL_D 1V4_gc: PM1C CTRL”PMIC LOLVLEN_bn: //Odblokuj przerwania niskiego poziomu PORTD_INTCTRL=PORT_INTOLVL_LO_gc:

} Od poprzedniego przykładu powyższa funkcja różni się praktycznie tylko sposobem inicjalizacji wykorzystywanego timera — domyślnym trybem będzie tryb pomiaru szero­ kości impulsu, co umożliwi nam odczytanie okresu zegara z odbieranej preambuły. Dodatkowo do rejestru PER w pisana została wartość m aksym alna dla spodziewanego

Rozdział 19. ♦ Wykorzystanie podczerwieni do transmisji danych

585

okresu — dzięki temu przypadkow e zakłócenia nic zablokują nam tunera na dłuZszy czas. Aby móc skorzystać zc sprzętowego pomiaru, w ybrany pin IO (w naszym przy­ kładzie PIND2) łączymy poprzez kanał zdarzeń (EVCH0) z tim erem Zm ierzona szero­ kość impulsu w efekcie znajdzie się w rejestrze CCA. Od tego momentu każda nadana preambuła spowoduje pom iar czasu trwania pólbitu i po jego dokonaniu wywoła przerw anie o w ektorze TCDO_CCA_vect. Jak zw ykle znaczna część naszego dekodera znajdzie się w funkcji obsługi lego przerw ania Ale część funkcjonalności zrealizuje­ my za pom ocą innych przerwań. Przede w szystkim dodamy pew ne zabezpieczenie — jeśli sygnał zaniknie albo będzie nieprawidłowy, odbiór zostanie przerwany. Umozłiwia to wykorzystanie przerw ania nadmiaru timera — jeśli po zadanym czasie nic od­ bierzemy kolejnego bilu. to maszyna stanów zostanie zresetowana: ISR(TCDO OVF_vect) < PORTD INTOKASK=PQRTU INTOHASK £ (-PIN2 bn>: //Wtfącz przerwania pinu PORTITp IH2CTRL®(P0RTD_PIM2CTRL £ -PORTJSC_gn) | PORTJSC_BOTHEDGE$_gc: /'Włącz zdarzenia na obu zboczach

TCDO.CTRLD=TC_EVSEL CHI gc | TC_EVACT_PH gc: TCDO.PER**IR Ca1cTime(2*TR HALF B1T>: “ TCDO. INTFlAGS-TCO_CCAlF_bn:

//Kanał I juko pomiar szerokości impulsu

TCD0 .1NTCTRL8-TC_CCA l NTLVL_L0_gc: /Al7ączamy przerwania CCA lR_State-IR_M0T_Mothi ng:

} Funkcją tej procedury jest po prostu przywrócenie początkowych ustawień pinu i timera. które zostały zm odyfikow ane w trakcie odbioru (pam iętam y, zc wykorzystujemy dw ie funkcje timera. które nic m ogą być uruchom ione jednocześnie, stąd też jego stan zmieniamy „w locie'*) Druga funkcja to funkcja obsługi przerw ania w ywoływanego zboczem na wybranym pinie:

ISR(PORTD IMTO vect) ł

TCD0_CNT=O: TCDO. INTFLAGS-TCO_CCAIF_br»: //Skatuj ewentualnąflagę przerwania CCVt TCDO. INTCIRLB=TC_CCAINTLVL_LO gc : //Włączamy przerwania CCA

) Zadaniem tej funkcji jest zerow anie licznika timera — rozpoczyna to proces zliczania czasu rów nego % czasu trwania bitu, po którym nastąpi próbkow anie stanu pinu IO Jednocześnie włączane są przerwania CCA i kasowana jest Haga TC0_CCAI F_bm, dzięki czemu nic zostanie zgłoszone ewentualnie oczekujące przerw anie Jest to niezbędne ze względu na fakt. Ze pomiędzy nadaniem pream buły a nadaniem pierw szego bitu danych występuje kilkumilisekundowy odstęp, w czasie którego przerwanie CCA z pew­ nością by w ystąpiło, rujnując naszą synchronizację Przejdźmy więc do głównej funkcji dekodującej. Nasz odbiornik mozc znajdow ać się w dwóch stanach — stanic oczekiwania na początek transmisji (IR MOTJłothmg). w któ­ rym timer pracuje w trybie pomiaru szerokości impulsu, lub w stanic odbioru kolejnych bitów (IR_MOT_Receiving) — w tym stanic tim er odm ierza czas potrzebny do próbko­ wania. po jego upływie wywołane przerwanie o wektorze TCDO_CCA_vect jest odpowie­ dzialne za odczyt stanu linii. Zacznijmy od pomiaru szerokości impulsu. Po jego doko­ naniu wykonywany jest kod:

586

AVR. Praktyczne projekty

IR_MOT_Nothing: TĆDO.CTRLD=TC_EVSEL_OFF_gc | TC_EVACT_OFF_gc: //Wyłączamy pomiar szerokości

case

//mpitisn TCDO. INTCTRLB=TC_CCAIHTLVL_OFF_gc: u in tl6 _ t halfbitline-TCOO.CCA:

TCDO.CĆA=ha1fb I ttln e - h a I f b 1 ttlm e /2 : TCDO.PER-lR_CaIcTinetIR_PREAP8LE_SPC):

//Blokujemy przerwaniu CCA Jo czasu pierwszego impulsu //'/opisz czas trwaniapołbitu //Przerwanie CCA ustawiamy na 1,5 czasu /i trwania puihilu //Przeterminowanie nastąpi po //przekroczeniu czasu trw ania preambuły

IR_State=IR_HOT_RecełvIng: IR_recpos-0:

IR_RecCmd=0: IR _ P o la rity * l:

P0RTD_PiN2CTRI-
Ta cześć funkcji odpowiada za przestawienie trybu pracy tunera z pomiaru szerokości na odmierzanie czasu Przy jej wywołaniu rejestr CCA zawiera czas trwania pólbitu — wykorzystamy go do określenia czasu trwania % bitu W arto tu zwrócić uwagę, ze do wyliczenia czasu trwania V* bitu wykorzystano zm ienną pom ocniczą h a lfb ittim e ' Dlaczego nie można zrobić po prostu poniższej operacji? TCDO.CCA* TCDO.CCA

TCDO.CCA/2:

Wszystkie rejestry' procesora mogą zmieniać swoją zawartość niezależnie od wykonywa­ nia programu, stąd tez muszą być zadeklarowane z użyciem modyfikatora v o la tile . Taki modyfikator wymusza każdorazowy odczyt wartości rejestru, stąd tez w powyż­ szym kodzie mielibyśmy dwa odczyty rejestru CCA — raz, 2e to niepotrzebna strata czasu, dwa. Ze w przypadku niektórych rejestrów po odczycie ich wartość jest traco­ na. a kolejny odczyt zwraca zupełnie inną wartość. W arto na to zwrócić uwagę, ope­ rując na rejestrach układów peryferyjnych. Poza pomiarem okresu zegara powyższy kod inicjalizuje leż przerwanie wywoływane zboczem opadającym pinu PIND2 Prze­ rwanie posłuży do synchronizacji próbkowania stanu pinu z c zboczem nadawanego sygnału. Jak pamiętamy, jeśli odczytany wcześniej bit miał w artość 1. to próbkowanie rozpoczynamy po upływie V* czasu od następnego zbocza opadającego, jeśli bit miał wartość 0. to po upływie Va czasu od następnego zbocza narastającego. Ponieważ pierwszy bit pakietu danych zawsze ma wartość 1. możemy l>ez problemu wybrać w ła­ ściwe zbocze i zsynchronizować odbiór z nadawaniem. Druga część funkcji odpowiada właśnie za odbiór bitów: case

IR_MOT_Receiving: IR_RecCnd|* IR_PoI a r i t y : uint8_t trrp-iP0RTD_IN: if
ł Kompilator zoptymalizuje dostęp, w efekcie la zmienna nie zostanie utworzona, a dokładniej zostanie, tyle żc w rejestrze procesora.

Rozdział 19. ♦ Wykorzystanie podczerwieni do transmisji danych

587

IR_Polarity-l: FORTD_PIN2CTRL=(PORTD_PIN2CTRL & -PORT_ISC_gn) | PORT_!SC_FALLlMG_gc: //Przeworna generuje zbocze opadające ) else { IR_Polarity-0: PORTD_PIN2CTRL=(P0RTD_PIN2CTRL & >PORT_ISC_gro) | PGRT_lSC_RISING_gc: //Przerwania generuje zbocze narastające ) ♦♦!R_recpos: Ta część jest wykonyw ana po upływ ie dokładnie V* czasu trw ania hitu. próbkuje ona w iec stan pinu PIND2, który* odpowiada wartości nadaw anego hitu W zależności od ode­ branej w artości kolejne przerw anie pinu w ystąpi po detekcji zbocza narastającego lub opadającego. Dalsza część funkcji w ykonyw ana jest po odebraniu całej paczki danych (10 bitów): if( IR recpos— IR BITSMO) { P0RTD_1NTCMASK—PI N2_bm: //Wyłącz przerwania pinu PORTD_P IN2CTRL=(P0RTD_PIN2CTRL & ~PORTJSC_grc> | PQRT_ISC_BQTHEDGES_gc: //Włącz zdarzenia na obii zboczach TCDO. CTRLl>TC_EYSEL_CHl_gc | TC_EVACT_PW_gc: //Kanał ł jako pomiar szerokości impulsu 1R_State=IR_H0T_Nothing: cb_Add($ IR_ĆH0_§uf f e r . IR_RecCmd): //Dodaj odczytane polecenie do katejkr ) Odpowiada ona za przywrócenie dom yślnego stanu tunera i pinu (w yłączenie przerwań pinu. przestawienie timera w tryb pomiaru szerokości impulsu) oraz dodanie odebranego polecenia do bufora pierścieniowego, skąd może ono zostać pobrane przez aplikację ł to tyle — jak widzimy, odbiór kodu Manchester nie jest specjalnie trudny, po urucho­ mieniu przykładu i w łączeniu term inala powinniśmy zobaczyć nadaw ane przez pilota kody (o ile nadaje on w kodzie M otorola).

Kod RC5 Kod RC5 został pierwotnie wprowadzony przez firmę Philips, obecnie jest stosunkowo szeroko stosow any w różnych pilotach (aczkolw iek nie jest tak pow szechny jak kod N EC i jeg o odm iany). Protokół ten w ykorzystuje kodow anie M anchester, w którym bit ma stalą długość wynoszącą 1.778 ms. Ponieważ sygnał modulowany jest częstotliwo­ ścią 36 ki Iz. daje to 64 cykle m odulacji na jed en bit (32 cykle m odulacji + 32 cykle ciszy). Sposób kodow ania bitów pokazany został na rysunku 19 15

F o rm a t ra m k i R C 5 Ram ka RC5 składa się z 14 bitów (rysunek 19.16). które są nadaw ane każdorazow o, kiedy wciskamy (lub przytrzym ujem y) klaw isz pilota.

588

AVR. Praktyczna projekty

Wyjście odbiornika

Odebrany przebieg ...........

.....

-

7\ 889 |is

889 us 1

889 us

889 us

l

1

1

1

B it 0

B it 1

R y s u n e k 1 9 .1 .5 . K o d R C S w y k o rzy stiijc d o p r z e s y ła n ia k o d o w a n ie M a n c h e s te r . w k tó r y m b il tr w a 1 7 7 8 f i s i j e s t p o d z i e l o n y n a d w ie p o ł o w y p o 8 8 9 p s . B i l o w a r to ś c i 0 j e s t t r a n s m ito w a n y j a k o z m o d u lo w a n y p r z e b ie g o c z a s ie tr w a n ia 8 8 9 p s , p o który m n a s tę p u je b r a k n a d a w a n ia p r z e z ta k i s a m c z a s B it o w a r to ś c i j e d e n j e s t tr a n s m ito w a n y o
0

1

2

SI

S2

Flip

3

4

|

S

|

6

7

8

A dres

9

10

| 11

| 12

P o le ce n ie

R y s u n e k 1 9 . 1 6 . F o r m a t r a m k i d a n y c h R C S . B ity S I i S 2 to tzw . b ity’ s ta r tu o w a r to ś c i I. p o n ic h n a s tę p u je b i t o k r e ś la ją c y p o w tó r z e n ie ktaw isza . a d r e s i p o le c e n ie

W przypadku kodu RCS bity S I i S2 m ają zw ykle w artość I. Jedynie w przypadku tzw rozszerzonego RCS bit S2 ma wartość 0 Po zanegow aniu jego wartości umożliwia to stworzenie 7-bilo w ego kodu polecenia Bit S I umożliwia wykrycie początku transmisji i odtworzenie zegara taktującego. Bit nr 2 określa, czy klawisz został dopiero co wciśnięty, czy też jest przytrzym any. Za każdym razem, kiedy w ciśniem y przjxi.sk na pilocie, w artość bitu Fhp ulega zmianie na przeciwną; jeśli przycisk przytrzymamy, to w artość te­ go bitu się nic zmienia. Bity 3 - 7 stanow ią adres urządzenia, do którego kierowana jest transm isja Poniew aż w zasięgu pilota może znajdow ać się w iele odbiorników, adres umożliwia w ybór jednego z nich. W tabeli 19.1 pokazano przyporządkow anie adresów do poszczególnych typów odbiorników. Budując własne urządzenie, należy dobrze przem yśleć, jak i w ybierzem y adres, tak aby uniknąć problemów ze stro­ ny innego sprzętu korzystającego z podczernieni. Bity 8 — 13 określają polecenie, czyli zawierają kod wciśniętego przycisku, część kodów została pokazana w tabeli 19 2 T a b e la 1 9 . 1 . A d r e s y u r z ą d z e ń w y k o r z y s ty w a n e d o tr a n s m is ji R C S A d re s

U r z ą d z e n ie

A d re s

U r z ą d z e n ie

0

TV1

16

P rc-a m p

1

TV2

17

Tuner

2

T c lc tc x t

18

R ck o rd cr 1

3

V id c o

19

P rc-a m p

4

LV1

20

( )dt\varzacz C D

590

AVR. Praktyczne projekty

W normalnym kodzie pierwsze dw a biły m ają wartość l. stąd też łatwo możemy dostroić się do zegara kodującego transm isję, niestety w rozszerzonym kodzie (jeśli nie w ie­ my, Ze takim się posługujem y) pojaw i się problem — drugi b it m oże m ieć w artość 1 lub 0 — w efekcie n ic w iem y, czy zm ierzony czas to czas trw ania pólbitu (nadaw ane d w ie jed y n k i), czy całego bitu (nadaw ane lOb) — rysunek 19.17. Jest to przykład po­ kazujący wyraźnie, Ze coś. co zostało źle zaprojektowane od początku, trudno jest potem popraw ić. O czyw iście w przypadku sygnału pilota nic m a to w ielkiego znaczenia, go­ rzej . gdyby chodziło o ja k ą ś szy b szą transm isję, np. radiow ą

Rysunek 19.17. Początek ramki RC5 i»' przy padku kodu podsta wowego /przebieg górny) i rozszerzonego (przebieg dolny). Pierwszy impuls dodatni ma czas trwania równy odpowiednio czasowi trwania pólbitu lub całego bitu. Ponieważ nie wiemy z góry. jaką wartość ma bajt S2. odtworzenie okresu nie jest bardzo prostym zadaniem P oniew aż w iem y. Zc czas trw ania pólbitu w ynosi 889 ps. po prostu przyjm iem y taką w artość (z pew ną oczyw iście tolerancją, ró w n ą około Va czasu trwaniu bitu D zięki temu program dekodujący będzie nawet prostszy niz w poprzednim przykładzie. Za­ cznijm y od inicjalizacji sprzętu:

void IR in itO 1 PORTO.PlN2CTRL=PORTOPC_PULLUP_gc | PORTJ$C_FALLlNG_gc: //Podciąganie na pinie odbiornika Ili. zbocze opadające wywołuje zdarzenie PORTO. INT0HASK-PIM2 bm: //Hlącz przerwania pinu PORTO.INTCTRL=PORT_InTOLVL LO gc: TCD0. CTRLB=TC_WGMODE_WORHAL_gĆ: //Tryb pracy normalny TCD0.PER=IR_CalcTirr>e(3*lR_HALF_BlT): //Okres timera TCDO.CCA- IR CalcTimed .5* IR KALF BIT): //Momentpróbkowania - 3/4 bilu TCD0.CTRLA=TC_CLKS£L_DlV4_gc: PMIC CTRL-PM1Ć LOLVLEN_bn: //Odblokuj przerwania niskiegopoziomu } Jak widzim y, pin 1 0 , do którego podłączony jest odbiornik IR , generuje przerw ania na zboczu opadającym (czyli zachow uje się tak, jak b y poprzedni bit miał w artość 1) Do dekodow ania w ykorzystam y przerw anie pinu IC):

ISR(P0RTD_1NTO vect) < TCOO.CNT-O: if(IR recpos—0) { IR_RecCmd=l:

//Inicjujemy odbior

IR P o la r lty = l:

TCDO.INTFLAGS-TCOCCAlFbn

Skasuj ewentualnąflagę przei-wania CCA

Rozdział 19. ♦ Wykorzystanie podczerwieni do transmisji danych

591

TCDO. INTFLAGS-TCO_0VFl F_br*: /// nadmiani TCOO. INTCTRLB=TC_CCAINTLVL_LO_gc: //Włączprzerwania CCA TCOO. INTCTRLA-TC_OVF[NTLYl L0_gc: //Ułącz przerwanie nadmiaru \ } Obsługa tego przerwania zeruje tylko licznik timera wykorzystanego do pomiaru czasu czasu trw ania bitu to moment, w którym próbkujemy stan linii). D odatkowo jeśli odbieram y bit 0 (inicjujemy odbiór danych), to w łączane są przerw ania timera odpo­ wiedzialne za wybór momentu próbkowania oraz w ykryw anie ewentualnych błędów. Nasze przerw anie nadm iani jest w yw oływ ane w sytuacji, w której przez określony czas stan linii nie zmienił się. chociaż powinien: ISR(TCDO 0VF vect) { P0RTD_P 1N2CTRL-(P0RTD_P 1M2CTRL A ~PORTJSC_gn) | PORTJ$C_FALLMG_gc: //Włącz zdarzenia na zboczu opadającym

IR recpos=0: TCDO. INTCTRI&-TC_CCAINTLYl_OFF_gc: TCOO. INTCTRLA-TC 0VFlNTLYl OFF gc:

//Wyłączprzeruame CCA //Wyłączprzerwanie nadmiaru

ł Tak jak w poprzednim przykładzie powoduje ono po prostu przerwanie odbiom transmisji i przejście w oczekiwanie na nową ramkę danych Główna część dekodera znajduje się w przerwaniu timera (TCDO CCA_vect) Próbkujemy w nim stan pinu IO. do którego podłączony jest odbiornik Przede wszystkim musimy odczytać stan pinu i w zależności od je g o wartości zmienić zbocze, które w ywołuje przerwanie: ISR(TCDO CCA vect) 1 ulnt8_t tnp=F0R7D_IN: if(trrp & PIN2 bu) { IRJPol ari ty—I : P0RTD_P1N2CTRL-(P0RTD_PIN2CTRL A -PORT_ISC_gn) | PORTJSC_FAlllNG_gc: //Przerwania generuje zbocze opadające

) else { IR Polarity-0: P0RTD_P1N2CTRL-(PCRTD_PIN2CTRL A -PORTJSC_gn) | PORT_ISC_RlSING_gc: //Przerwania generuje zbocze narastające

) Ta część jest identyczna z poprzednim pr/ykładem. Druga część uzupełnia odebrane pole­ cenie i po zakończeniu odbiom wsławia je do bufora, skąd może odczytać je aplikacja. D odatkowo przygotowuje sprzęt do odbioru kolejnej ramki danych: IR_RecCmd«=l: IR_RecCmd|-1 R_Pol a n t y : //Wsuń wartość bitu «*1R recpos: i f ( IR recpos— IR B1TSN0) PORTD P 1M2CTRL= (PCftTD P IN2CTRL A -P 0RT_lSC_9ii) | PORTJSC_FALLlNG_gc: //Włącz zdarzenia na zboczu opadającym TCDO. I NTCTRLB=TC_CCAINTLYLjOFFjC: //Wyłączamy przerwanie CCA TCDO. INTCTRLA-TC_OVFlNTLVL_OFF_gc: //Wyłączprzerwanie nadmiaru

Rozdział 19. ♦ Wykorzystanie podczerwieni do transmisji danych

O

593

O

Rysunek 19.18. Proste uklatły nadajników IR Dla zwiększenia mocy często diody■IR łączy się szeregowo— umożliwia to lepsze wykorzystanie dostępnej energii— zamiast wytracaćją na szeregowy vi rezystorze, je st ona zamieniana na promieniowanie IR. Po lewej pokazana została najprostsza wersja układu, która jednak me nadaje się do wykorzystywania »■układach zasilanych bateryjnie. gdyż prąd diody zależy od napięcia zasilającego. Po prawej pokazana została .. ulepszona " wersja. Dzięki diodom D l i D2 na bazie tranzystora panuje stałe napięcie i stały prąd. W efekcie również stały prąd, niezależnie od napięcia zasilania, płynie przez diody Lh'l)3 i !J\D-ł

Wskazówka

P a m ię ta j, że p o d cze rw ie ń j e s t n ie w id o c z n a d la c zło w ie k a . S to s u ją c s iln e źró d ła p o d c z e rw ie n i, n ie patrz nigdy b e z p o ś re d n io w e m itu ją c ą p ro m ie n io w a n ie d io d ę — s iln y Im p uls IR m o że d o p ro w a d zić d o u s z k o d z e ń te rm ic zn y c h s ia tk ó w k i i u s z k o d z ić w zrok — s z k o d liw y e fe k t n ie j e s t w id o czn y n a ty c h m ia s t.

Jeśli jednak nie patrzymy na zwykle diody IR bezpośrednio z malej odległości, nic nam nic grozi W ydajność prądow a pinu IO X M EGA w ynosząca m aksym alnie 20 mA jest w ystarczająca, aby podłączyć m ałą diodę IR bezpośrednio z pom inięciem dodatko­ wych tranzystorów (należy p a m iętać o obow iązkow ym szeregow ym rezystorze). Nawet za pom ocą tak prostego układu uzyskam y zasięg kilku metrów. PomewaZ nadaw any sygnał musi być zm odulow any (częstotliw ość nośna typow o wy­ nosi 36 - 38 kllz), możemy to zrealizować na kilka sposobów — sprzętowo lub progra­ mowo. Realizacja sprzętowa pokazana została na rysunku 19.19. Mikrokontroler generuje dwa przebiegi — nośną i sygnał modulujący. Dwa tranzystory działają jak bramka AND. Modulację możemy wykonać także programowo — jeden timer generuje częstotliwość nośną, a drugi przerwania w zadanych odcinkach czasowych. Funkcja obsługi przerwania m ozc w łączać lub w yłączać przebieg m odulujący. Takie działanie co prawda w ym aga ingerencji programowej, ale za to wykorzystujemy tylko jeden pin IO. XMEGA ma jesz­ cze jed n ą m ożliw ość całkow icie sprzętow ego generowania zm odulow anego przebiegu — możliw ość ta w y nika z bud o w y p o rtu IO.

594

AVR. Praktyczne projekty

Zmodulowany przebieg wyjściowy

Przebieg modulujący

Rysunek 19.19. Modulacja nadawanego sygnału za pomocą dwóch tranzystorów MOSFET. Zastosowane tranzystory powintty hyc typu logic-lerei z napięciem progowym bramki niższym od 2 V. Warto zauważyć, ze ze względu na niskie napięcie zasilania (3,3 i mniej woltów) w lej roli nie sjirau dzają się tranzystory bifudarne — ze względu na ich wysokie w stosunku do zasilania napięcie saturacji złącza EC. Wadą tego rozwiązania jest konieczność użycia dwóch pinów lO mikrokontrolera Piny 10 są współdzielone przez różne układy peryferyjne procesora. Normalnie odbloko­ wujemy dla danego pinu wyłącznie jedną funkcję — np. je st on pinem wyjściowym USART (TxD) albo pinem wyjściowym Umera generującego przebieg PWM A jeśli jed­ nocześnie odblokujemy dwa układy peryferyjne w ykorzystujące ten sam pin IO? Sta­ nic się rzecz ciekawa — stan wyjścia pinu będzie sumą logiczną stanów wyjść poszcze­ gólnych modułów W ten sposób przebiegi generowane przez dwa układy peryferyjne niejako nałożą się na siebie — normalnie nie prowadzi to do uzyskania sensow nych wyników, jeśli jednak na wyjście sygnału z układu USART lub SP1 nałożymy sygnał z wyjścia limem, to uzyskamy dokładnie to, o co nam chodzi — sygnał wyjściowy zmo­ dulowany nośną W ten sposób możemy całkowicie sprzętowo generować dowolne przebiegi zmodulowane nośną, dodatkowo możliwość inwersji stanu pinu umożliwia nam wybór poziomu nieaktywnego sygnału (rysunek 19.20) Timer OCOD

USART TxD

Pm TxD INVEN=0

P in TxD INVEN=1

Rysunek 19.20. ll’ykorzystanie USART i tunera »r liyhie PWM do generowania zmodulowanego przebiegu sterującego diodą IR Stan pinu IOjest sumą logiczną stanów wyjść dwóch układów jieryferyjnych współdzielących pin. L>zięki bitow i /.VI 7:.V możemy wybierać, czy stanem spoczynkowym jest stan niski, czy wysoki idokonuje on inwersji sygnału)

Rozdział 19. ♦ Wykorzystanie podczerwieni do transmisji danych

595

Sjx>sób len jest bardzo wygodny, gdyż me tylko wykorzystujemy jeden pin IO, ale dodat­ kowo do generowania impulsów możemy wykorzystać układy peryferyjne — jest to ważne, gdyż transmisja IR ze swojej natury jest w porównaniu z szybkością działania procesora niezwykle wolna. W elekcie programowe generowanie tego typu przebiegów jest niewygodne. Poniżej zostaną pokazane różne sposoby realizacji nadawania IR, w tym tworzenia własnej komunikacji z wykorzystaniem podczerwieni.

Inżynieria odwrotna — dekodujemy sygnał pilota aparatu Canon Korzystając ze zbudowanego wcześniej analizatora stanów logicznych, możemy spraw­ dzić. w jaki sposób komunikują się ze sobą różne urządzenia Praktycznym przykła­ dem jest próba naśladowania funkcji pilota do aparatów Canon — w naszym przykła­ dzie wykorzystamy pilot RC-1 do tego aparatu Pilot ten m a tylko dwie funkcje — wyzwolenie migaw ki aparatu lub wyzwolenie jej po 2 sekundach. Stąd tez stosow any przez niego protokół jest niezwykle prosty, o czym możemy się szybko przekonać, używając analizatora logicznego i wciskając przycisk pilota w różnych trybach jego pracy. Nadawany sygnał składa się z dwóch impulsów podczerwieni o czasie trwania około 500 ps każdy, użyta funkcja pilota kodowana jest odstępem pomiędzy nimi. Odstęp 5.52 m s powoduje wyzwolenie migawki po 2 sekundach, odstęp 7.52 ms po­ woduje natychmiastowe wyzwolenie migawki. Pilot RC-1 możem y więc wykorzystać do sterowania nie tylko aparatem, ale także własnymi urządzeniami (o ile dwie funk­ cje nam wystarczą). Jednak zapewne o wiele ciekawiej będzie móc sterować aparatem z wykorzystaniem podczerwieni za pomocą mikrokontrolera. Kod przykładu znajduje się w katalogu Przykhdy/IR/CanonRCŁ Zanim przejdziemy do programowania, musimy rozwiązać problem nadawania sygnału w podczerwieni. W tym celu potrzebujemy diody emitującej promieniowanie w zakresie X5(> - 950 nm. którą możemy podłączyć poprzez rezystor do portu IO mikrokontrolera Schemat połączeń pokazano na rysunku 19 21. PCC PC7(SCK/TXD 1/ClKO/£VO>

PFO(OCOA) PF1
PF3
Rysunek 19.21. Dioda LED i jest połączona poprzez rezystor 2-40 U z pinem PINC3 portu PORTC. Do pinów ł i 2 portu PORTFpodłączone są przyciski SU‘l i SU'2 Posiadacze modułu \plained XXIEGA 25&I3BU moną podłączyć tylko diodę (przyciski są już zamontowane w module}. Pokazane elementy można podłączyć pod dowolny port IO. wymaga tojednak drobnych zmian w kodzie programu

WsJurówb

Diody na podczerwień m ają zazwyczaj niskie napięcie przew odzenia, w ynoszące około 1 - 1 ,1 V, co należy uw zględnić, w yliczając w arto ść rezystora ograniczającego prąd.

596

AVR. Praktyczne projekty

Przystąpmy więc do pisania programu. Jak zwykle generowany im puls musi zostać zm odulow any. Pilot RC-1 w ykorzystuje do modulacji dosyć nietypow o częstotliwość 32 768 Hz. co wynika w prost z wykorzystania lego typu kw arcu w pilocie. Ponieważ użyty wcześniej odbiornik podczerwieni 1TS1SI380 nie jest specjalnie selektywny wzglę­ dem częstotliwości modulacji, bez problemu odbiera on sygnał z oryginalnego pilota. Niemniej jednak aparat fotograficzny dysponuje bardziej selektywnym odbiornikiem i dla modulacji przekraczającej ok 35 000 Hz po prostu będzie ignorował nadchodzące impulsy Do generowania nośnej wykorzystamy tim er TCCO: TCCO.PER=F_CPU/F CARft IER -1: //Ustaw częstotliwość nośnej TCCO. CCD=TCC0. PER12: //Wypełnienie mniej więcej 50% TCCO.CTRLB=TC_WGHODE S1MGLESL0PE gc: TCCO.CTRLA-TC_CLKSEl_D1Vl_gc: /'Włącz Umer PORTC. DIRSET=Ób00001000: //PC5 jest wyjściem PORTC.OUTCLR-ObOOOOl000: //,Domyślnie n- stanie O Okres timera został ustawiony tak. aby częstotliwość generowanych impulsów odpowia­ dała wymaganej częstotliwości modulacji Aby uzyskać przebieg na pinie I(). musimy odblokow ać odpow iedni kanał porów nania (w naszym przykładzie je st to kanał CCD. a więc przebieg pojawi się na pinie 3 portu timera6). Wartość CCD równa połowie wartości PER zapewni nam współczynnik wypełnienia wynoszący około 50%. Aby przebieg mógł pojaw ić się na wyjściu, musimy wybrać tryb pracy timera TC_WGM0DE_SIMGLESL0PE_gc — czyli tryb PW M . w którym licznik zlicza od 0 do wartości określonej rejestrem PER Dodatkowo pin. na którym ma pojawić się przebieg, musi być ustawiony jako wyjście. Nasz pin nie tylko jest ustaw iony jako wyjście, ale wymuszamy na nim niski poziom napięcia. Dlaczego? Aby generowany przebieg pojawił się na pinie IO. musimy spełnić jeszcze jeden warunek — odblokować taką możliwość w rejestrze CTRLB poprzez usta­ wienie odpowiedniego bitu: TCC0_CTRLB|=TCO_CCDEM_bm: Spowoduje to przejęcie kontroli nad stanem pinu przez timer W efekcie wcześniej ustalo­ na wartość dla tego pinu jest bez znaczenia. Niemniej nasz przebieg m a pojawiać się tylko okresow o — wtedy, kiedy trwa nadaw anie impulsu. Stąd leż rejestr CTRLB w y­ korzystamy do włączania i wyłączania sygnału dla diody LED. W chwili wyłączenia kontrolę nad pinem przejmuje port. a ponieważ nie chcemy, aby dioda pozostała włączona (po co m a pobierać energię), lepiej jeśli jego stan będzie w ynosił 0 M ając możliwość generowania nośnej, przejdźmy do generowania impulsu o czasie trwania wynoszącym 500 ps: vo1d IR send_pu1se()

\

TCCO CTRLB|=TCO_CCDEN_bn: /AVłqcz modulację _de1ay_us(PULSE_WIDTH): TCCO CTRLBi=-TCO_CCOEN_bn: //Włącz modulację

)

"

Pamiętaj, zc piny numerujemy, począwszy od 0.

Rozdział 19. ♦ Wykorzystanie podczerwieni do transmisji danych

599

Fo wykonaniu niezbędnych połączeń możemy przetestować komunikację IR za pomocą przykładow ych program ów znajdujących się w katalogu Przy kłady’ IR Komunikacja. Programy te podzielone są na programy dla obu urządzeń Zacznijmy od urządzenia ma­ ster. któie będzie nadawało dane odbierane przez urządzenie słtne. Najpierw zainicjujemy timer, tak aby generował sygnał nośnej void timer in1t() i TCEO.CTRLA=TC_CLKSEL_DIVl_gc: TCEO.CTRLB-TC_WGHODE_SlNGlESLOPE_gc | TCO_CCDEN_bm: //Ka PINS będzie wyprowadzony /■■przebieg P\VKf TCEO. PERwF CPU/F CARRIER • 1: //Częstotliwość nośnej TCEO. CCD-TĆEO. PER/2: /Wypełnienie SV% ) Sygnał ten pojawi się na pinie P1NE3 — tym samym, na który wyprowadzimy sygnał z nadajnika USART: votd USARTJnltO

1

USARTEO. CTRLB=USART_TXEM_bm: /Włącz nadajnik USART USARTEO. CTRLC=USART_CHS12E 88 !T_gc: / Ramka 8 bitów, bez parzystości. 1 bit stopu usart set baudrateduSARTEO. 1800. F CPU): PORTEJ)UlŚET-PIM3_bm: P0RTE_DIRSET-PIM3 bm: //Pin TxD musi być wyjściem w stanic wysokim P0RTE_PiN3CTRL| =P0RT_INVEN_bii:

1 Jak widzimy, inicjalizacja USART praktycznie nic rózm się od lnicjalizacji dla nor­ malnej jeg o pracy. Jednak teraz pin TxD (PINE3) jest w spółdzielony pomiędzy wy jście PW M timera a USART. dzięki czem u przy stanie niskim T xD uz>'skamy modulację. Aby spoczynkow o nasza dioda niepotrzebnie nie świeciła, w prow adziliśm y inwersję stanu w yjścia pinu (ustawiony bit INVEN). W elekcie jeśli zaczniem y nadaw ać coś przez USART: w hlle(l) { USART_send_F(&USARTEO. PSTRCPozdrow ienl a przesiane przez IR*\n\r")): ł to na pinie pojawi się zm odulow any przebieg, nadający się do bezpośredniego stero­ wania diodą IR I to tyle. sprawę nadawania w tak prosty sposób mamy załatwioną. Pozostaje odbiór tak zakodowanych sygnałów. Praktycznie całą czarną robotę wykona za nas układ odbiornika IR. Na jego w yjściu pojawi się odw rócony przebieg nadawany przez urządzenie m aster, tyle zc pozbawiony nośnej Taki przebieg nadaje się do bez­ pośredniego podania na wejście R \D odbiornika USART Jak pamiętamy, przy nada­ waniu dokonaliśmy inwersji wyjścia TxD. Tak się dobrze składa, ze odbiornik IR rów ­ nież w prow adza inwersję, stąd tez na jego wyjściu uzyskujemy podwójnie zanegowany sygnał — czyli jego wartość oryginalną. Stąd też jedyne, co m usim y zrobić, to zainicjow ać U SA RT. tak aby odbierał znaki z szybkością, z ja k ą są nadawane: void USART_rec_init() <

Rozdział 19. ♦ Wykorzystanie podczerwieni do transmisji danych

603

Przykład wykorzystuje mikrokontroler XMliGA256A3BU, jednak aby go uruchomić, możemy wykorzystać symulator zawarty w Atmcl Studio — nic potrzebujemy budować fizycznego układu Moduł CRC potrafi wyliczać kod dla danych podaw anych program ow o do rejestru CRC.DATAIN, dla danych przesyłanych przez kanały 0 - 3 DMA lub dla danych umiesz­ czonych w pamięci FLASH mikrokontrolera (ta opcja jest realizowana we współpracy z kontrolerem NVM). Zacznijmy od najprostszej opcji, czyli wyliczania CRC dla danych dostarczanych programowo. Po uruchomieniu naszego przykładu w trybie symulacji (d//+F5) możemy prześledzić wykonanie programu. Dane. z których wyliczane jest CRC. umieszczone zostały w tablicy Dane Kod liczący CRC 16 realizuje poniższa funkcja: uintl6_t doCRC16(uint8_t *Dane. uint8 t size) { CRC.CTRL-CRC_RESET_RESETl_gc: CRC. CTRL°CRC_S0URCE_[0_gc: /CRC 16, początkowo OxFFFF. Janc z rejestru IO for(:size>0: size--7 CRC.DATAIN=*
Wskazówka

W ażne, aby inicjalizacja modułu nie była połączona z wyborem źródła danych i poprze­ dzała w szy stk ie inne o pe racje . W przeciw nym przypadku in ic ja liza c ja sp ow odu je u s u n ię c ie z rejestró w w cze śn ie j za p isa n y ch danych.

Po imcjalizacji wybieramy źródło danych, z którego liczone będzie CRC. Mozę to być: ♦ CRC_S0URCE_I0_gc — źródłem są dane wpisywane do rejestru DATAIN. ♦ CRC_$OURCE_DMCO_gc — CRC_S0URCEJ*WC3_gc — źródłem jest wybrany kanał DMA; ♦ CRC SOURCE FLASH gc — źródłem jest pamięć FLASH (adresy początku i końca znajdują się w kontrolerze NVM). Nasza funkcja programowo dostarcza danych — odczytuje je z podanej tablicy i kolejno zapisuje do rejestru DATAIN Moduł CRC na bieżąco oblicza CRC. którego wartość można po każdej operacji odczytać z rejestrów CHECKSUM0 - CHECKSUM3 Po zakończeniu wysyłania danych warto skasować flagę CRC BUSY bm w rejestrze STATUS, c o zwolni moduł CRC. Kolejna możliwość to wyliczanie CRC dla danych transferowanych przez kanał DMA. Możliwość ta jest szczególnie interesująca, jeśli źródłem danych jest jakieś urządzenie zewnętrzne, np moduł radiowy czy moduł wykorzystujący podczerwień W ten sposób jednocześnie z odbiorem danych dysponujemy ich CRC, co nie zajmuje dodatkowego czasu mikrokontrolera. Tego typu operację ilustruje kolejna funkcja: uintl6_t doCRC16DMA(void *Src. void *0st. uint8_t size) I DMA.CTRL-DKA ENABLE bm:

Rozdział 19. ♦ Wykorzystanie podczerwieni do transmisji danych

605

for(:size>0: size--) _crc_xmodwi_update (crc. *(Dane«-*)): return crc: } Umożliwia ona wyliczenie CRC dla kolejno podawanych danych, jednak liczenie pro­ gramowe jest kilkanaście razy dłuższe niż sprzętowe Funkcje dostępne w tym nagłów­ ku nie liczą CRC32, ale stosowne implementacje są łatwo dostępne. Problem w tym, ze programowe liczenie CRC32 jest jeszcze dłuższe niż CRC 16 lub wymaga sporych ta­ bel. W elekcie jest mało efektywne — w przypadku konieczności liczenia 32-bitowcgo CRC prościej i lepiej jest wybrać XMHGA. która wspiera sprzętow o takie obliczenia.

T ra n sm isja p a k ie to w a W iemy już. jak może wyglądać ramka danych oraz jak w ykryw ać błędy transmisji Pora w ięc wdrożyć te pomysły w życie i skonstruować prosty protokół umożliwiający wysianie danych, tak aby odbiornik był w stanie sprawdzić ich integralność i odrzucić ramki danych zaw ierające błędy. K ik ! przykładu znajduje się w katalogu Przykłady IR Komunikacja — projekty \ f a sterPkt i SlmrePkt.

Nasz pakiet będzie miał następującą budowę: typedef struct uint8_t uint8_t uint8_t char uintl6_t } Pakiet:"

Header: Addr: Len: Data[0]: CRC16:

//Nagłówek pakietu //Adres urządzenia //Długość poła danych //Pole danych o zmiennej długości //CRC całego pakietu

Pole Header ułatwi nam rozpoznanie początku pakietu w nadaw anych danych W na­ szym przypadku ina ono unikatową wartość: £define PKT_HEAOER OxFF //Nagłówek - znak wyróżniający początek pakietu W przypadku bardziej złożonych protokołów pole to jest często w iclobajtow c (2-. 4 -bajtow e), co ułatwia rozróżnienie początku pakietu w odbieranych danych. Pole Addr określa adres odbiorcy — nasz program nie będzie go co prawda sprawdzał, ale w sytuacji, gdy jest wiele odbiorników, pole to umożliwi określenie urządzenia, dla któ­ rego przeznaczony jest wysyłany pakiet Znaczenie kolejnych pól zostało ju ż wyjaśnione wcześniej, warto zauważyć nietypow ą deklarację: char

Data[0]:

Jest to deklaracja pola o długości 0 bajtów Po co nam takie pole? Otóż pole Data może mieć zm ienną długość, normalnie więc zdefiniowalibyśmy je tak: char

Dataf]:

606

AVR. Praktyczne projekty

Problem z laką definicją polega na tym. Ze nie da się operatorem sizeof pobrać długości struktury z tak zdefiniowanym polem — struktura taka zaw iera tzw. typ niekomplet­ ny. pobranie je j długości zakończy się więc błędem. N iem niej możliwość użycia ope­ ratora siz e o f jest bardzo wygodna, zwalnia nas to z. konieczności liczenia długości struktury, w artość ta będzie tez. automatycznie uaktualniana, jeśli strukturę zmienimy. Stąd tez twórcy gcc wprowadzili rozszerzenie języka um ożliw iające definiow anie ta­ blic o zerowej długości Wiemy juz., jak wygląda struktura pakietu, przejdźmy w ięc do nadawania (projekt M asterPkt). Stworzymy funkcję SendPkt. której zadaniem będzie stworzenie pakietu t jego nadanie za pomocą interfejsu IR. Argumentem funkcji: void Ser>dPkt(uint8_t D st. const char * PROGHEM t x t ) :

jest adres urządzenia docelow ego (Dst) i dane zakończone znakiem MULL (tx t). N aj­ pierw musimy przydzielić pamięć dla tworzonego pakietu. W tym celu możemy po­ służyć się dynam iczną alokacją pamięci, lecz w naszy m prostym przykładzie możemy pamięć zaatakow ać na stosie, tworząc odpow iednią zm ienną lokalną: u1 nt8_t p k t ( s t 2e o f(P a k ie t) ♦ s tr lc n _ P ( tx t) * 1 ): P akiet *p k t_ p » (P d k ie t*)p k t:

Przy okazji utworzyliśmy wskaźnik na tablicę (zmienna pkt_p), dzięki czemu możemy się do niej w ygodnie odw oływ ać jak do struktury o typie P ak iet W arto zauważyć, że możliwość tworzenia tablic o rozmiarach określanych przez kod programu jest roz­ szerzeniem gcc Teraz możemy przystąpić do wypełnienia pakietu danymi pkt_p->Header=PKT_HEADER: pkt_p->Addr=Dst: p k t_ p -> L e n = s trle n _ P (tx t) + 1: strcpy_POata. t x t ) :

Ponieważ nasze dane to tekst leżący w pamięci FLASH, kopiujemy jc do SRAM. Jeśli byłyby to zwykle dane (np binarne), należałoby nieco zm ienić sposób wypełniania pola Data Na końcu musimy policzyć CRC16 pakietu — obejmuje ono w szystkie jego pola W tym celu skorzystamy zc znanej nam już funkcji realizującej sprzętowo liczenie CRC: u tn tl6 _ t c rc l6 “doCRC16(pkt. s iz e o f (p k t) - sizeD f(((P aklet*)0)-> C R C 16)):

i uzupełnimy pakiet w yliczoną w artością CRC: p k t_ p -> D a ta [s iz e o f(p k t) - s iz e o f(P a k ie t)]= c rc l6 » 8 : p k t_ p -> D a ta [s iz e o f(p k t) - s iz e o f( P a k ie t) + l]- c r c l6 OxFF:

Warto zauważyć, zc powyższe instrukcje nie wykorzystują pola CRC16 struktury Pakiet. Nie jest to możliwe, gdyż kompilator wie, zc poprzedzające pole CRC16 pole Data ma długość 0 bajtów (według deklaracji), wyliczyłby więc nieprawidłowe przemieszczenie (offset) pola CRC16.

608

AVR. Praktyczne projekty

USART_$end(&USARTC0. S trb u f): USART sencK&USARTCO. p k t-> D a ia ):

) Jeśli odebrany pakiet by 1 poprawny, to w terminalu zobaczym y: Adres: 65. długość: 35 b a jtów . dane:Po2drowlenla przesiane przez IR'

Jeśli w ystąpią błędy transmisji, to pakiet zostanie odrzucony i nie zostanie wysiany do terminala. Pokazane funkcje są niezwykle proste, m ają jedynie zilustrow ać metody wysyłania danych przez interfejsy o duZej częstości błędów. W naszym prostym przykładzie pa­ kiet uszkodzony jest po prostu odrzucany — nadajnik jednak nic nie wie o problemie z transmisją. Poniew aż stale wysyłamy identyczne pakiety, n ie ma to znaczenia. Lecz w większości przypadków nadajnik musiałby wiedzieć, ze pakiet me został popraw nie odebrany i ponownie go przetransinitowae. W ymaga to dwukierunkowej komunikacji i otrzym yw ania potwierdzeń odebrania pakietów .

U niw ersaln y p ilo t W iemy juz. jak odbierać i jak nadawać dane z w ykorzystaniem podczerwieni i jak odbierać informacje nadawane przez piloty. Spróbujmy połączyć te dane. tworząc jesz­ cze jeden przykład — uniwersalnego pilota, który moZc nagryw ać sygnał z innych pilotów, a następnie go odtwarzać. W ten sposób możemy odtw orzyć sygnał z pilota działającego w dowolnym standardzie — nasz program nie musi ..rozumieć" sposobu, w jaki pilot nadaje inform acje — po prostu w miarę dokładnie je „nagra", po czym będzie mógł je odtworzyć, imitując sygnał oryginalnego pilota Taka zabawka jest niezwykle pożyteczna — możemy tego typu programu użyć do transkodowania sygna­ łów z pilotów, możemy też klawiszom przypisać cale sekwencje zdarzeń W ten sposób możemy stworzyć uniwersalnego pilota do posiadanego sprzętu, który potrafi zastąpić kilka innych pilotów. Ale nas/, przykład będzie miał jeszcze jeden walor — edukacyjny. W przykładzie w ykorzystane zostaną zaaw ansow ane tryby pracy tunera — prze­ chw ytyw anie zdarzeń z w ybranego pinu z nadaniem im markera czasowego; do prze­ chw ytyw ania wykorzystamy DM A. podobnie przy odtw arzaniu wykorzystamy DMA do przesyłania danych czasowych do Umera, który będzie odtwarzał przechwycony wcze­ śniej sygnał Nietypowo nasz przykład zrealizowany zostanie na mikrokontrolerze XM EGA256A3BU — a to dlatego, że w celu wizualizacji przesyłanych danych m o­ żemy wykorzystać m ikrokontroler XM EGA128A1. na którym możemy uruchomić prezentowano wcześniej oprogramowanie analizatora stanów logicznych. Oczywiście przykładowy program z łatwością możemy przenieść na dowolny mikrokontroler XMEGA — w tym celu w opcjach projektu należy wybrać posiadany typ mikrokontrolera i ewen­ tualnie skorygować wykorzystywane piny IO Przykład w ykorzystuje pin PIMC2 do odbierania danych z odbiornika IR. pm PINC3 do nadawania danych dla diody IR. PIME5 do podłączenia klawisza nadawania oraz PINRO do podłączenia LED sygnalizującego gotowość do odbioru danych. Kod prezentowanego przykładu znajduje się w katalogu Przyklady/IR/Irrecoreder. Schemat układu pokazano na rysunku 19.25.

Skorowidz A adres 16-bitowy, 250 24-bitowy, 251 adresowanie struktur, 135 AliS, Advanced Bncryption Standard, 16 akcja, action, 470 akumulatory, 464 algorytm eliminacji błędów, 582 round-robin, 302 zmiany wartości licznika, 413 alokacja dynamiczna, 145 alokator pamięci, 525 alternatywa wykluczająca, exclusive or, 143 analizator stanów logicznych, 550, 566 ANSI C, 122 ASCIIZ, 225 asembler, 90 ASF, Atmel software framcwork, 44 Atmel Data Visualizer, 535 pakiety, 540 wykorzystywane struktury, 540 Atmel Studio 6, 12, 44 biblioteki, 49 dodawanie pliku, 46 kompilacja, 52 nowy projekt, 45 opcje kompilacji, 48 opcje projektu, 47 szablony, 45 toolchain, 45 atomowa modyfikacja stanu pinów, 196 atrybut aligned, 238 alwaysinline, 108,313 const, 107

deprecated, 113 flatten, 109 ISR NAKED, 242, 296 naked, 295 noclone, 109 noinlinc, 108 nonull, 109 noretum, 108 optimizc, 110 progmem, 254, 249 pure, 107 automat stanów, 470 automatyczne dołączanie pliku, 165 eliminowanie funkcji, 111 autouzupełnianie, 164 AVR Studio, 44 AVR Toolchain 8 Bit, 3 11 awaria zasilania, 232

B batchisp, 26-32 -device, 29 -hardware, 29 -operation, 29 -operation blankcheck, 30 -operation erase, 30 -operation loadbuffcr, 30 -operation read, 30 -port COM10,32 bateria CR2032,463 biblioteka AVR-libc, 15, 165, 208 libc.a, 49 libm.a, 49 libobjc.a, 49 libprintfflt.a, 50

616

biblioteka libprinlfmin.a, 50 libscanfflt.a, 50 libscanf min.a, 50 biblioteki zewnętrzne, 49 bit DMA CH RHPHAT bm, 561 DREIF, 523 DWEN, 42 Enable, 445 ERRIF, 331 INVF,N, 192, 594 inwersji, 194 IVSEL, 291 JTAGEN, 34 LEDBLINKMARKER, 415 NVM_EEMAPEN bm.231 QDEN, 323 QDIRM. 331 RREN, 303 SRLEN, 193 startu, 494 stopu, 495 TCn_DlR_bm, 357 TCn_LUPD_bm, 357 USART_MPCM_bm, 531 VBAT_HIGHESR_bm, 466 XOSCSEL, 466 bity konfiguracyjne, fusebity, 260 blok pamięci, 227, 245 blokowanie JTAG, 34 pinu, 194 ustawień zegara, 277 błąd deklarowania zmiennej, 209 dereferencji wskaźnika, 254 kompilacji, 165, 249 kontrolera NVM, 206 odczytu liczników, 321 parzystości, Parity Error, 494, 508 przekroczenia adresu, 254 przepełnienia bufora, 511 ramki, Frame Error, 495 transferu danych, 386 transmisji, 605 transmisji DMA, 397 zmiany wartości wskaźnika, 217 BOD. Brown-out Detector, 246 bootloader, 25, 27, 218 bootloader preprogramowany, 28 budowanie matryc, 421

AVR. Praktyczne projekty

bufor, 148,354 1C1A, 361 IRBuffer, 611 pierścieniowy nadajnika, 521 bufory dwukierunkowe, 178 pierścieniowe, 149 scalone, 177 typu open-drain, 173 BUFOVF, Buffer Overflow, 511 burst transfer, 380

c CCP, Configuration Change Protection Register, 270 CMYK, 404 commit, 79, 81, 82 COMP, Counter Comparc Register, 442 CRC, Cyclic rcdundancy check, 17, 600, 607 generator sprzętowy, 602 pakietów, 508 wyliczanie programowe, 604 CTRL, Oscillator Control Register, 260 CTRL, System clock control register, 277 czas filtrowania sygnału, 327 latencji, 286 letni, 454 odpowiedzi na żądanie przerwania, 288 podtrzymania zasilania, 464 propagacji zdarzenia, 321 trwania półbitu, 590 wykonania pętli, 100 zimowy, 454 czasy narastania zboczy, 191 częstotliwość generowanych impulsów, 596 modulacji, 596 odświeżania matrycy, 431,433 oscylacji, 265 pracy timera, 366 próbkowania, 554, 561 przebiegu PWM, 348 przebiegu taktującego timer, 340 przerwań, 412 PWM, 362 rezonatora, 268 taktowania procesora, 48 taktowania rdzenia procesora, 340

Skorowidz

617

D DAC, Digital to analog converter, 18 dane dla matrycy, 429 dla zatrzasku, 429 DCF77, 451 dekodowanie danych, 454 dekodowanie ramki, 457 ramka, 453, 460 debuger, 36 debuger JTAG, 43 debugowanie, 41, 90 debugowanie własnych programów, 552 definicja EEMEM, 208 F_CPU, 49 definiowanie zasobów, 157 dekoder kwadraturowy, 322 sygnału kodowanego, 574 dekodowanie Manchester, 582 RC5, 589 struktury pakietu, 607 sygnału pilota, 595 dereferencja wskaźnika, 231, 254 DES, Data Encryption Standard, 16 destruktor, 114 detekcja awarii zasilania, 235, 237 Device Monitoring Studio, 498 DFLL, Digital frequency locked loop, 272 dioda Schottky’ego, 235 diody na podczerwień, 595 zabezpieczające, 169 DIR, Data Direction Register, 162 długość pola, 130 rekordu, 225 DMA, Direct Memory Access, 16, 357, 371, 379-398,517 dobór dzielnika, 235 dodatek Naggy, 85 dodawanie elementu listy, 137, 144 plików, 46, 68, 82 węzła, 141 dostęp do EEPROM, 206, 213, 224, 244 FLASH, 246, 252 instancji modułu, 156 pamięci, Patrz DMA pliku, 84

rejestrów, 163 rejestrów RTC, 441 rejestrów 16-bitowych, 360 USART, 525 drgania styków, 330 drzewo projektu, 63 drżenie, jitter, 567 duty cycle, 417 dynamiczna alokacja pamięci, 123 dyrektywa #define, 59, 160 #endif, 64 #include, 64, 68 działanie modułu SRF05, 545 prcskalcra, 505 rejestru MPCMASK, 196 układu zbierania próbek, 560 dziedziczenie, 122, 538 dziedziczenie struktur, 540 dzielnik rezystorowy, 169, 176, 235

E EDMA, Enhanced DMA, 16 EEPROM, 206, Patrz także pamięć deklaracje danych, 208 dostęp do zmiennych, 209 funkcje dostępowe. 210 liczba zapisów, 233 mapowanie, 213 rozdzielenie kasowania, 221 tokeny, 224 zapobieganie uszkodzeniu, 246 elementy listy, 136 emulacja RS232, 500 emulator portu szeregowego, 499 enkoder, 413,415 kwadraturowy z indeksem, 331 obrotowy, 323 Epoch, 447 F FIFO, First in, first out, 151 filtr cyfrowy, 322 dolnoprzepustowy RC, 361 RC, 367 firmwarc, 26 flaga BUFOVF, 511 DMA CH CHBUSY bm, 521 EERIF, 398

618

flaga globalna, 303 I, 286, 304 nadmiaru, OVF, 299 NVM_NVMBUSY_bm, 231 RXCIF, 472 SYNCBUSY, 442 TimestampUpdate, 460 TxFlag, 515 USART_RXCIF_bm, 510 VBA TBBBORFbm , 465 VBAT_BBPORF_bm, 465 VBAT BBPWR bm, 465 VBAT_XOSCFAIL_bm, 466 FLASH, 246, Patrz także pamięć funkcje far, 251 typy danych, 248 FLIP, FLcxiblc In-systcm Programmcr, 26 format ASCII. 497 Epoch, 460 ramki RC5, 587 ramki USART, 502 transmisji danych, 494 framework .NET, 536 ASF, 44, 447, 500 FSM, 471,474 funkcja crc_xmodem update, 604 AC init(), 241 ASM ROL, 429 calendardatetotimestamp, 460, 483 calcndar_timestamp_to_ datę, 449 cb Send Add, 522 ChgFuncPrgBtn 1Pressed, 486 ChgFunc PrgSetDateBtn2Pressed, 488 ChgFunc PrgSetTimeStart, 486 ChgFunc_TimeDateBtnl Pressed, 485 ChgFunc TimeDateDispChg, 485 dead code, 111 DMAInitTransfer, 521 eeprom busy wait(), 212 eeprom_is_ready(), 212 eeprom update byte, 483 EEPROM write int, 245 eeprom write word, 220 EEPROMReg AddRegEntry, 231 EEPROMReg CreateRegEntry, 230 EEPROMReg_DelRegEntry, 232 EEPROMReg GetFirstAvailPos(), 229 EEPROMRegGetRegEntry, 232 EEPROMRegGetRegltem, 229 EEPROMReg_MoveEEPROMBIock. 227

AVR. Praktyczne projekty

fdevopen(), 527 free, 126, 525 FSM_DispatchEvent, 481 get char, 258 Get TimestampO, 461 GetToken, 516 init, 115 main, 101 malloc, 145, 522 malloc re, 525 memepy, 215, 241 memset, 459 ob!2, 106 obsługi przerwania, 289 pgm_rcad_bytc, 410, 432, 510 pgm read word, 484 p o p ,153 push, 153 rect, 103 rect2, 103 rcct3, 104 reentrant, 525 rtc32_is_busy(), 446 Sample init(), 561 SendPkt, 606 sprintf, 215 stack init, 153 strcmp P, 229 strepy P, 522 TranslateCommandO, 516 USARTJnit, 514 USART send błock, 547 USART send buf F, 522 usart set baudrate. 510 write out, 203 write_out_ struct, 203funkcje dealy us, 597 Ifar, 251 analizatora, 553 biblioteki AVR-libc, 315, 316 dodatkowe licznika, 337 dodatkowe USART, 502 eliminujące drgania styków, 329 kanału zdarzeń, 322 kopiujące, 125 liczników, 340 operujące na czasie, 450 operujące na EEPROM, 212 pinu, 199 reentrant, 314 rejestru, 334

Skorowidz

619

G generator 32 kHz, 263 frakcyjny, 505 kwarcowy, 265 kwarcowy 32 768 Hz, 269 RC 2 MHz. 264 RC 32 768 kHz, 275 RC 32 MHz, 264 RTC, 283 sprzętowy CRC, 602 sygnału zegarowego, 445 generatory RC, 273 wzorcowe, 273 zegarowe zewnętrzne, 265 generowanie dowolnego przebiegu, 364 napięcia o zmiennej amplitudzie, 363 nośnej, 612 programowe zdarzeń, 333 przebiegu PWM, 348, 434 przerwań, 330 sinusoidy, 368 sygnałów analogowych, 361 zmodulowanego przebiegu, 594 głębia koloru, 405 główna gałąź projektu, 85

H handlery, 289 historia zmian, 84 I IDF, Integrated development environment, 44 implementacja protokołu SUMP, 555 inicjacja DMA, 610 inicjalizacja interfejsu USART, 509 pól struktury, 128 timera, 370 transferu DMA, 393 zmiennych, 99 instalacja serwera VisualSVN, 76 XMEGA, 25 Xplained, 22 instrukcja CLI, 286 cli(), 304

LAC, 311 LAS, 311 LAT, 311 LDS, 197 lpm, 254 MOVW Rd,Rr, 310 NOP, 185 RHTI, 301,304 sei(), 304 STD, 133 STS, 133, 197 XCH, 311 instrukcje asemblera, 197, 200, 311 opóźniające, 185 interfejs dcbugWIRE, 41 IRCOM, 613 IrDA, 613 ISP, 43 JTAG, 32,43 pamięci zewnętrznej, 19 PD1, 34, 43 RS232, 29, 497 RS232- ITL, 492 SPI.419, 427 UART, 43 USART, 427, 430, 491-533 interfejsy IO, 19 szeregowe, 491 interpretacja danych, 607 inwersja, 192 inżynieria odwrotna, revcrsc engineering, 498, 595 IRCOM, IR Communication Module, 614 IrDA, Infrarcd Data Association, 19, 613 ISC, Input/Sense Configuration, 193 ISR, Interrupt handler/service routine, 286 IVT, Interrupt vector table, 291

J język C, 15 język UML, 469

K kable proste, straight cable, 493 skrosowane, crossed cable, 493 kalibracja generatora, 275 układu RTC, 438

620

kanał CHnCTRL, 322 DMA, 372, 520 kontrolera DMA, 158 zdarzeń, 320 kasowanie bajtów strony, 223 klucza, 232 pamięci, 221 rekordu, 232 kierunek pinu, 182 zliczania, 357 klient LogicSniffcr, 551,564 klucz, 232 kod asemblerowy, 90, 132, 134 Graya, 329 Manchester, 570, 581 martwy, 111 Motorola, 582, 584 RC5, 587 reentrant, 314 kodowanie bifazowe, 570, 574 bitów w NEC, 575 koloru, 435 odległości impulsu, 570 szerokości impulsu, 570 kody przycisków, 580 kolejki FIFO, 151 LITO, 151 kolejność danych, 386 instrukcji, 307 komendy NVM, 222 komentarze, 55 komparator analogowy, 19 kompilacja, 52 kompilator avr-gcc, 12, 15 avr-gcc 4.7, 252 gee, 15, 101 komunikacja master - slave, 601 w podczerwieni, 569 z klientem, 553 kondensator odsprzęgający, 44, 282 konfiguracja AVR Dragon, 33 bus keeper, 188 DMA, 371,426, 523 interfejsu IJSART, 500

AVR. Praktyczne projekty

kanału, 396 kanału DMA, 385 kanału zdarzeń, 345 klienta LogicSniffer, 564 pinu IO, 193 portów mikrokontrolera, 181 preskalerów, 278, 281 przerwań, 288 Puli up/down, 187 serwera SVN, 80 timera, 347, 427, 546,612 totem-pole, 186 USART, 547 wircd-AND, 189 wired-OR, 191 konfigurowanie systemu zdarzeń, 332 typu transferu, 394 wyzwąlaczy, 558, 565 zegara, 262 konstruktor, 114 kontrola przesyłanych informacji, 600 kontroler DMA, 379-398 EDMA, 341 NVM, 205,213 przerwań, 17, 285, 304 konwersja czasu, 447 daty, 450 markera czasowego, 449 napięcia, 171, 174, 177 poziomów logicznych, 172 poziomów napięć, l 80 konwertery dwukierunkowe, 174 kopiowanie bloków pamięci, 227 elementów tablicy, 388 głębokie, deep copy, 125 płytkie, shallow copy, 124 struktury, 125 tablicy, 390

L LED-y, 399 liczba elementów listy, 146 elementów w buforze, 150 kanałów zdarzeń, 320 liczby magiczne, magie numbers, 59 licznik, 20, 337 CNT, 456 dekodera kwadraturowego, 327

Skorowidz

621

cnkodcra, 329 LED, 412 sekund, 448, 458 Timestamp, 547 typu 0/1, 341 typu 2,351,377 LIFO, Last in, First out, 151 linia LA, 424 linuksowy marker czasowy, 447 lista sil, 140 listy, 135 dodawanie elementu, 137 dwukierunkowe, 140 jednokierunkowe, 136 usuwanie elementu, 138 wielowymiarowe, 147 XOR, 142 zwracanie elementu, 139, 146 literały, 59 literały złożone, 255 lokalna kopia projektu, 81 repozytorium, 82

Ł łączenie liczników, 358 układów I2C, 179

M magistrala I2C, 178 magistrale typu open drain, 178 majority voting, 505 makrodefinicje ATOMIC BŁOCK, 198, 309, 460 fdev_setup_stream, 527 ISR, 289, 300 pgm_get_far_address, 251 pgm read byte, 250, 253 PGM STR, 256 PROGMF.M, 248 PSTR, 255 strażnik, 64 maksymalna długość kabla, 494 mapowanie FF.PROM, 213 marker czasowy zdarzenia, 450, 577 maska bitowa, 163, 201 maszyna Stanów, 470-472, 478, 490, 576 wirtualna Java, 551

matryce dwukolorowe, 423 LED, 416-436 MD5 pakietu, 540 menedżer serwera SVN, 77 metoda get, 528 put, 528 metody kodowania danych, 571 mierzenie odległości, 548 mikrokontroler XMEGA128A 1,608 XMEGA256A3BU, 477, 608 mikrokontrolery XMEGA, 11-16, 167 model OSI, 614 modulacja fali świetlnej, 569 IR, 570 sygnału, 594 moduł calendar, 448 CRC, 17, 604 DMA, 159 HiRes, 376 IRCOM, 614 kryptograficzny, 16 MOD-1 l.Z Xmcga eXplorc, 25 odbiornika DCF77,454 przechwytujący, Capturc unit, 456 SRF05, 544 SRF-05, 549 USART, 160 Xplaincd, 240, 537 moduły projektu, 61 modyfikacja danych, 212 rejestru kontrolnego, 232 modyfikator const, 98, 218, 247 extem, 66 register, 94 static, 66, 73, 66, 73 volatile, 127, 185, 202. 238, 305 modyfikowanie stanu pinów, 196 monitorowanie wymiany danych, 498 zegara zewnętrznego, 275 MPCM, Multi-processor Communication Modę, 530

N nadajnik IR, 592 najmłodszy bajt, 130 najstarszy bajt, 130

622

AVR. Praktyczne projekty

napięcie na pinie IO, 170 tętnień, ripple voltage, 236 zasilania matrycy, 422 zasilania procesora, 171 nazewnictwo, 57 nazwy bitów, 162 modułów, 161 pól bitowych, 164 rejestrów, 162 NMI, Non-maskable intemipts, 304 NVM, non-volatile memory, 205 O obliczanie odległości, 547 obsługa dziedziczenia, 539 EEPROM, 208 enkodera obrotowego, 328 enkoderów, 17 pamięci, 205 pamięci dynamicznych, 19 paneli pojemnościowych, 17 przerwania DMA, 524 przerwania timera, 459, 526 przerwań, 17, 208, 241,288, 514, 532, 562 przerwań w asemblerze, 295 przycisku, 597 RTC32, 481 stosu, 152 wyświetlania, 414 zdarzeń, 18 ochrona pamięci, 246 rejestrów IO, 270 odbiornik DCF77, 451 IR, 572 podczerwieni TFMS1380, 596 ultradźwięków, 549 odbiór bitów, 586 danych, 603 zakodowanych sygnałów, 599 odblokowywanie kanału DMA, 611 źródła zegara, 270 odcienie kolorów, 433 odczyt stanu licznika, 327 pamięci EEPROM, 210, 214 pamięci FLASH, 250, 522

odgałęzienie, branch, 78 odmierzanie czasu, 416, 451 odrzucanie ramek, 605 odsprzęganic zasilania, 44 odwracanie danych, 384 wyjść IO, 192 zmian, 83 opcja -fms-extensions, 539 opcje kompilacji, 48 programu batchisp, 28 operacje bitowe, 163, 313 logiczne, 163 operator pobierania adresu, &, 251 referencji, 121 sizeof, 606 wyboru pola, 160 opóźnienie, 185 optymalizacja, 48, 90 funkcji main, 101 kodu, 89 pętli, 100 programu, 131 prologów i epilogów, 101 przekazywania parametrów, 102 zwracania wyników, 105 organizacja adresu, 216 oscylator, 262 OSI, Opcn System Intcrconncction, 614 otwieranie strumienia, 529

P pakiet ADV_PKT_CONFIG_END, 540 ADV_PKT_CONFIG_FIELD, 540 ADV PKT CONFIG START, 540 ADV_PKT_CONFIG_STREAM, 540 AD V_PKT_D ATA, 540 pakiety danych, 601 pamięci zewnętrzne, 233 pamięć EEPROM, 206 FLASH, 246 FRAM, 233 SDRAM, 51 SRAM. 209 parametr -fms-cxtcnsions, 122 -mcall-prologues, 101 -mrelax, 110

Skorowidz

-mshort-calls, 110 -mstrict-X, 110, 135 ATOMIC_FORCEON, 309 ATOMIC RESTORESTATE, 309 ISRBLOCK, 300 ISRNOBLOCK, 300 minimum burst length, 597 NONATOMICFORCEOFF, 309 regname, 226 parametry próbkowania, 565 PER, Counter Period Register, 442 PER, Period register, 457 pętla, 100 nieskończona, 489 sprzężenia, 264 pilot RC-1,595 TV, 572 uniwersalny, 608 pin IO, 186 PI, 455 RxD, 614 VBAT, 462, 467 piny aktywujące bootloader, 28 wejściowe, 168, 182 wyjściowe, 168, 182 wyjściowe licznika, 350 planista, schcdulcr, 526 plik atomic.h, 309 Atxmegal28al.xml, 27 avr_cdc.inf, 23 bufusart.c, 513 calcndar.c, 447 calendar.h, 447 delay.h, 455 ceprom.h, 205, 208 EFPROMToken.c, 227 EEPROMToken.h, 226 cif, 217 flash.hcx, 31 io.h, 159, 165 Main.c, 65 pgmspacc.h, 205, 248, 252 Pierwszy_Projekt.hex, 32 pliki .eep, 217 elf, 12,41,53 Intel HEX, 12 Makefile, 12, 62 nagłówkowe, 63-65 produkcyjne, Production filcs, 54 źródłowe, 68

623

pływająca bramka, 206 PM1C, 288 podczerwień, 569 podgląd transmisji danych, 497 podkatalogi, 67 podłączanie enkodera, 325 kwarcu zegarkowego, 440 odbiornika IR, 573 taśmy LED, 401 podsystem PMIC, 288 podtrzymanie zasilania, 235,465 podtrzymanie zasilania układu RTC, 467 podwójne buforowanie. Double buffering, 395 podział frakcyjny, 506 funkcji, 69 projektu, 62 65 pojemność bramki, 402 pasożytnicza, 175 wejścia XTAL, 266 pola bitowe, 130 struktury, 128 pole ISC, 193, 195 Len, 225 OPC, 195 polecenie FLASH, 517 FLASH start end, 513 Set Divider, 554 Set Read & Delay Count, 554 Set Triggcr Mask, 554 svnadmin dump, 78 svnadmin hoteopy, 78 połączenie, merge, 85 diod LED, 391 LCD 7 mikrokontrolerem, 326 matrycy ze sterownikami, 424 mikrokontrolera, 493 mikrokontrolera z matrycą, 424 pomiar odległości, 543 okresu, 344, 354 szerokości impulsu, 344, 354, 456, 546 pooling, 509, 516, 556 porównanie CCA z CNT, 373 port COM3, 537 REMAP, 204 szeregowy USARTC0, 579

AVR. Praktyczne projekty

626

s schemat podłączenia przycisków, 183 schemat układu RTC, 439 SDRAM, 19 segmenty wyświetlacza, 409 serwer SVN, 74-84 opcja Add to Subversion, 79 opcja Commit Project Changes, 82 opcja Remove, 82 opcja Revert. 83 opcja Update Project to Latest Version, 81 opcja View History, 84 sesja debugera, 243 skaler, 241 skasowanie bootloadera, 33,40 skończona maszyna stanów, 469 skrypt Makefile, 62 słowo kluczowe static, 66, 91 struct, 120 typedef, 239, 248 volatile, 305 sprawdzanie CRC, 17, 600, 607 ramek, 460 stała czasowa, 234 O LSSA M PLEBU F, 561 stan, State, 470 Bat FirstTime, 482 Bat Normal, 482 IR NEC FirstBit, 579 IR NEC Trailer, 579 OLS St Cmd Reccivcd, 556 OLS St RecSbyteCmd, 556 OLS_St_Waiting, 556 standard NEC, 575 sterowanie jasnością LED, 434 matrycą LED, 418, 425, 430 multipleksowe wyświetlaczem, 408 taśmą LED, 404 taśmą RGB, 406 układami zewnętrznymi, 333 zdarzeniami, 332 sterownik kolumn, 420 matrycy, 421 stopień podziału zegara, 281 stos, 101, 152 strona pamięci EEPROM, 216 struktura, 119, 126, 131 bitfield, 130

bufora pierścieniowego, 149 calendar_date, 448 ciężarówka, 121 clendar datę, 450 DancSRAM, 243 DCF77Record, 461 FILE, 528 kolo, 128 listy dwukierunkowej, 140 lit, 256 matrycy LED, 417 node, 147 PORT struct, 156 PO R T t, 157, 181 projektu, 69 prostokąt, 539 punkt, 124, 538 RTCt , 162 usartout, 529 struktury anonimowe, 127 strumienie, streams, 527, 537 strumienie języka C, 530 strumień usartout, 530 sufiks __flash, 253 _bm, 163 bp, 164 far, 251 _gc, 162 _gm, 163 _gp, 164 P, 254 BUF, 354 CLR, 197 H, 162 L, 162 SET, 197 TGL, 197 suma kontrolna pakietów, 508 superkondensatory, 462 sygnał DCF77, 452 LA, 427 pilota, 610 symbol A, 143 symulator debugera, 88 synchronizator, 184 synchronizowanie odczytu rejestrów, 441 wersji projektu, 81 system zdarzeń, Event system, 319 szerokość impulsu, 343, 376 szerokość impulsu PWM, 373

Skorowidz

625

Q QDEN, Quadrature Decode Enable, 323

R ramka DCF77,453,457 RC5, 588 UART, 494 ramki adresu, 530 danych, 453, 530, 588 referencje, 112 regulacja intensywności kolorów, 406 jasności. 425 prądu diod, 423 rejestr ACOMUXCTRL, 162 ADDRCTRL, 381 BACKUPO, 467 BAUDCTRLB, 431,496 CCA, 547 CCABUF, 372 CCn, 456 CCP, 270 CCxBUF, 354 CHOCTRL, 327 CHECKSUM, 603 CHnMUX, 320 CLKEVOUT, 334 CLR, 199 CNT, 338, 341,405, 446 COMP, 441,445 CTRL, 260, 277 CTRLA, 339, 561 CTRLB, 231,348, 531 CTRLF, 357 CTRLFCLR, 357 CTRLFSET, 357 DATA, 332,510,512 DATAIN, 603 DESTADDR0, 380 DIR, 182 IN, 184 INTCTRL, 163 INTPRI, 303 MPCMASK, 195, 326 OUT, 157, 182 PER. 331, 342, 356, 441,457, 562 PF.RBUF, 354 PERH, 378 PERL, 378 PINnCTRL, 192, 194

PMIC_CTRL, 291,292 PORTE OUT, 198, 203 PORTEOUTTGL, 198, 203 REMAP, 203 REPCNT, 381,398, 431 RTCCTRL, 439 SET, 199 SRCADDR, 525 SRCADDR0, 380 STATUS, 231,261,304 STROBĘ, 332 TEMP, 359 TGL, 199 TRFCNT, 158,372,380 VBAT.CTRL, 466 X, 135 XOSCCTRL, 267 rejestry buforowe, 354, 356 danych, 205 GPIOn, 97 lO ogólnego przeznaczenia, 316 konfiguracji przerwań, 205 kontrolne, 205 kontrolne portu, 194 kontrolne zegarów, 260 licznika, 341 multipleksera kanału zdarzeń, 320 przechowujące zmienne programu, 99 stanu, 205 rekord DCF77, 454 remapowanie wyjść IO, 203 timerów, 350 repozytorium, 77 rcsctowanic procesora, 37, 246 rezystor podciągający, Puli up, 173 RGB, 403 RMW, read-modif-write, 196 rozdzielczość przebiegu PWM, 374 rozdzielenie kasowania pamięci, 221 rozgałęzianie, branch, 85 rozkład sygnałów interfejsów ISP, 43 interfejsów PDI, 43 złącza JTAG, 37 rozkład wyprowadzeń interfejsu HV, 39 interfejsu ISP, 39 interfejsu JTAG, 39 rozmieszczanie kwarcu, 267 rozszerzenie HiRes, 375 RREN. Round-robin Scheduling Enable, 303 RTC, Real-time counter, 17, 437, 462 rzutowanie, 218, 241

626

AVR. Praktyczne projekty

s schemat podłączenia przycisków, 183 schemat układu RTC, 439 SDRAM, 19 segmenty wyświetlacza, 409 serwer SVN, 74-84 opcja Add to Subvcrsion, 79 opcja Commit Project Changes, 82 opcja Remove, 82 opcja Revert, 83 opcja Update Project to Latest Version, 81 opcja View History, 84 sesja dcbugcra, 243 skaler, 241 skasowanie bootloadera, 33, 40 skończona maszyna stanów, 469 skrypt Makefile, 62 słowo kluczowe static, 66, 91 struct, 120 typedef, 239, 248 volatile, 305 sprawdzanie CRC, 17, 600, 607 ramek, 460 stała czasowa, 234 OLS_SAMPLE_BUF, 561 stan, State, 470 Bat FirstTime, 482 Bat_Normal, 482 IR N E C FirstB it, 579 IR_NEC_Trailer, 579 OLS_St_Cmd_Received, 556 OLS St Rec5byteCmd, 556 OLS_St_Waiting, 556 standard NEC, 575 sterowanie jasnością LED, 434 matrycą LED, 418, 425, 430 multipleksowe wyświetlaczem, 408 taśmą LED, 404 taśmą RGB, 406 układami zewnętrznymi, 333 zdarzeniami, 332 sterownik kolumn, 420 matrycy, 421 stopień podziału zegara, 281 stos, 101, 152 strona pamięci EEPROM, 216 struktura, 119, 126, 131 bitfield, 130

bufora pierścieniowego, 149 calcndardatc, 448 ciężarówka, 121 clendar datę, 450 DaneSRAM, 243 DCF77Record, 461 FILE, 528 kolo, 128 listy dwukierunkowej, 140 lit, 256 matrycy LED, 417 node, 147 PORT struct, 156 PO R Tt, 157, 181 projektu, 69 prostokąt, 539 punkt, 124, 538 RTC_t, 162 usartout, 529 struktury anonimowe, 127 strumienie, streams, 527, 537 strumienie języka C, 530 strumień usartout, 530 sufiks __flash, 253 bm, 163 _bp, 164 J a r , 251 _gc, 162 gm, 163 _gp, 164 P, 254 BUF, 354 CLR, 197 H, 162 L, 162 SET, 197 TGL, 197 suma kontrolna pakietów, 508 superkondensatory, 462 sygnał DCF77, 452 LA, 427 pilota, 610 symbol A, 143 symulator debugera, 88 synchronizator, 184 synchronizowanie odczytu rejestrów, 441 wersji projektu, 81 system zdarzeń, Evcnt system, 319 szerokość impulsu, 343, 376 szerokość impulsu PWM, 373

Skorowidz

627

szybkość interfejsu USART, 503 narastania zbocza, 173, 193 próbkowania sygnału, 559 transmisji, 494, 506, 597 transmisji SP1,431,435 USART, 503 szyfrowanie 3DES, 16 AES, 16 DES, 16

ś śledzenie transmisji RS232, 499 środowisko programistyczne, IDE, 164

T tablica, 118, 474 Bufor, 395 cmd, 557 dst, 384 filltbl, 389 przejść, 324 src, 384 Stack, 153 TransTable, 475 wave, 367, 372 wektorów przerwań, 291 taśma LED, 399 RGB, 406 technika RMW, 196 wear leveling, 219, 233 terminal, 496 terminal RealTenn, 497 testowanie komunikacji IR, 599 timer, 337 TCCO, 289, 526 XMEGA, 339 timery tryb generowania PWM, 346 tryb przechwytywania, 346 typu 4/5, 353 tłumienie filtra dolnoprzepustow'ego, 363 tokeny, 224 toolchain, 45 transakcja, 379 transceiver, 492 transfer DMA, 374 translacja poziomów napięć, 174

transmisja full-duplex, 493 IR, 570 pakietowa, 605 RC5, 588 RS232,495 SPI, 431 transmisje danych, 497 DMA, 517 jednoczesne wysyłanie danych, 526 pooling, 509 przerwania, 512 w podczerwieni, 597 tranzystor MOS, 206 MOSFET, 402 N-MOSFET, 179 trawersowanie, 144 tryb DMA, 383 HiRes, 377 IRCOM, 614 MPCM, 530, 531 PDI, 34 PWM, 346, 349 single slope, 355 uśpienia RTC, 445 tryby pracy licznika bajtowy, 351 dzielony, 351 dual slope, 348 generowanie przebiegu PWM, 348 podstawowy, 342 pomiar okresu, 343 single slope, 348 szerokość impulsu, 343 twierdzenie Kotielnikowa-Shannona, 551 tworzenie kopii katalogów. 78 lokalnej kopii projektu, 81 nazw pól bitowych, 164 pakietu danych, 600 protokołu komunikacji, 598 konfiguracja pola danych, 542 konfiguracja strumienia, 541 koniec konfiguracj i, 543 pakiet danych, 543 początek konfiguracji, 541 typ prog ehar, 248 uint8_t, 202 wyliczeniowy AC_MUXPOS_enum, 162 RTC_COMPINTLVL_t, 163

AVR. Praktyczne projekty

628

typ wyliczeniowy RTC._OVFINTLVL_t, 163 RTC PRESCALER t, 162 typy 16-bitowe, 92 24-bitowc, 258 8-bitowe, 91 modułów, 161 przerwań, 512 transferu, 394 złożone, 117 zmiennopozycyjne, 51

U uaktualnienie projektu, 82 układ 74LVC08, 177 ADC, 19 AVR Dragon, 25 AWeX, 338 BOD, 242, 246 DAC, 18 DFLL, 272 DMA, 319, 562 MAX232, 492, 549 monitorowania napięcia, 465 monitorujący, 275 PLL, 259, 270 podtrzymywania zasilania, 462 RTC, 17,437, 462 16-bitowy, 438 32-bitowy, 445 RTC32, 482 SCT2024, 422, 425 SPI.431 TFMS1380, 572 USART, 259 Watchdog, 242 XMEGA128A 1,531 zapasowego zasilania, 465 układy nadajników IR, 593 peryferyjne, 155 ultradźwiękowy pomiar odległości, 543 UML, Unified Modeling Language, 469 unie, 129 urządzenie master, 533, 600 slavc, 599 USART, 19,491-533, 602 funkcje dodatkowe, 502 konfiguracja formatu ramki danych, 502

konfiguracja pinów IO, 501 kontrola poprawności danych, 508 piny IO, 492 strumienie, streams, 527 szybkość transmisji, 496 transmisja danych, 509 tryb IRCOM, 614 tryb pracy MPCM, 530 ustawianie szybkości, 503 ustawienia zegara, 277 usuwanie elementów listy, 138, 145 kodu, 111 nieużywanych funkcji, 114 plików, 82 uszkodzenie pamięci, 246 procesora, 468

W wartość klucza, 226 NULL, 149 preskalera, 441 wczytywanie firmwarc, 26 wektor OSCF_INT_vect, 304 RESET, 31,291 TCC0_CCA_vect, 297 TCC0 CCB_vect, 294 TCC1 CCA vcct, 456 TCx_OVF_vect, 457 TCxn_CCy_vcct, 356 wektory obsługi przerwań, 290 wersjonowanie plików, 74, 78, 83 węzeł listy dwukierunkowej, 141 widoczność funkcji, 66 zmiennych, 66 wielkość strony, 206 wielobajtowe rejestry' 10,314 wielomian CRC, 602 wirtualny port szeregowy, 24, 499 wizualizacja danych, 535 wskaźnik, 123, 126 difptr, 143 do bufora pierścieniowego, 607 do pamięci, 607 na typ char, 254 na wskaźnik, 138 ptr, 254 współczynnik odwzorowania barw, CRI, 403 wtyczka AnkhSYN, 75, 79

Skorowidz

629

wybór źródła zegara, 271 wyciek pamięci, memory leak, 522 wydajność prądowa pinów IO, 170 wyłączanie modulacji, 613 wypełnianie pamięci wzorcem, 388 wyświetlacze LED, 407 wyświetlanie cyfr, 409,413,480 daty, 487 wywołanie funkcji, 105 wyzwalacze, Triggers, 392 wyzwalacze równoległe, 565 wyzwalanie transferu DMA, 394 wzory płytek PCB, 20

X XMEGA, 602 XOSCCTRL, XOSC Control Register, 267

Z zakłócenia sygnału, 364 zapis czasu, 447 daty, 447 do EEPROM, 210,211,244 do rejestru CCx, 356 markera czasowego, 347 strony pamięci EEPROM. 222 zarządzanie mocą, 18 projektem, 55 zegarem, 18 zasada projektowania PCB, 267 zatrzymanie DMA, 611 zawartość EEPROM, 243 pamięci mikrokontrolera, 518 zdarzenie, 321 ActionBtnlPressed, 488 Action Start, 485 Action TimerTick, 485 DMA CH TRIGSRC TCC0 OVF_gc, 372 generowane programowo, 332 overflow, 429 update, 348

zegar, 259 CLKper, 279, 322, 339, 375 RTC, 162 z alarmem, 477 z budzikiem. 469 zestawy Xplained, 22 zewnętrzne źródło zegara, 268 zgłoszenie przerwania, 290 zjawisko under-shoot, 193 zatrzaśnięcia, latch up, 552 złożenie przebiegów, 204 zmiana aktualnego czasu, 479 danych w EEPROM, 210, 212 routingu pinu RxD, 614 stanu, 484 zmienna cmdrcc, 516 datę, 450 halfbittime, 586 pEEPROM, 219 timestamp, 448, 451, 460 zmienne globalne, 67, 70, 99 GPIOR, 317 lokalne, 93 wielobajtowe, 314 znacznik końca transmisji, 575 zwalnianie pamięci, 125 zwiększanie licznika sekund, 444 zwracanie wyników funkcji, 106

ź źródło danych, 603 przerwań, 287 zasilania awaryjnego, 463 zdarzeń, F.vent source, 319 zegara, 263, 268, 277, 338, 439

ż żądanie przerwania, 286