PREZENTAREA GENERALA A ARHITECTURII (TEXAS INSTRUMENTS) Familia de microcontrolere incorporează o unitate centrală (CPU) tip RISC de 16 biţi, periferice specializate, memorie internă de tip ROM şi RAM, toate interconectate intern prin intermediul unei magistrale de adrese (MAB- Memory Address Bus) şi respectiv a unei magistrale de date (MDB), folosind o arhitectură Von-Neumann cu memorie comună de program şi date. Spaţiul maxim de memorie adresabil este de 64Kocteţi(bytes). Memoria de tip ROM disponibilă on-chip (in variante mask-rom, OTP sau FLASH) are dimensiuni intre 1Kocteti si 60Kocteti, iar memoria de tip RAM dimensiuni pană la 10Kocteţi. Microcontrolerele din familia nu pot utiliza o memorie (de program sau date) externă, deoarece nu există magistrale externe de adrese şi/sau date. Interfaţa cu o memorie externă nu se poate face decat prin intermediul intrărilor / ieşirilor numerice (I/O) de uz general. Caracteristicile sale importante, ca sistem de calcul, sunt: - Unitate centrală (CPU) de 16 biti de tip RISC - Doar 27 de instrucţiuni de bază (core instructions) şi 7 moduri de adresare - Un număr de 16 registre de lucru, eliminând limitările unei arhitecturi orientate pe acumulator - Optimizare pentru programare în limbaje evoluate (C) - Sistem de întreruperi vectorizat (cu vectori de întrerupere la adrese fixe) - Viteza maximă de lucru de 8MIPS (cu consumul propriu dependent de viteză: 250-uA/MIPS ) - Memoria de tip FLASH este programabilă In-system (ISP) O schemă bloc a unui microcontroler este prezentată in figura urmatoare. In materie de periferice el are o serie de resurse tipice pentru orice microcontroler: - intrări / ieşiri numerice (I/O ports) - intrări / ieşiri seriale de tip USART si I 2 C - timere / numărătoare (Basic timer-16 biti, 8-bit timer) 1
Ca o particularitate, anumite variante au şi un controler pentru un sistem de afişare de tip LCD (LCD driver), care permite comanda a pană la 160 de segmente LCD. Altă particularitate, care se intalneşte numai la anumite variante, este existenţa unui controler DMA (Direct Acces Memory- acces direct la memorie), care face posibilă transferarea directă de date intre periferice si memorie (RAM) fără intervenţia unităţii centrale. Pentru sporirea fiabilităţii aplicatiilor care rulează pe un astfel de microcontroler, în afară de un timer de tip watch dog (WDT- Watch Dog Timer, ceas de gardă) există un sistem de monitorizare a tensiunilor de alimentare (SVS- Supply Voltage Supervisor) şi, separat, unul de monitorizare a oscilatoarelor utilizate pentru ceasul sistem şi al perifericelor (numai la anumite variante). Sistemul SVS de monitorizare a tensiunilor de alimentare este integrat cu un sistem de generare a semnalelor de initializare hardware-reset (System Reset and Initialization). Astfel sunt generate diverse semnale de initializare: la punerea sub tensiune (POR Power On Reset, PUC Power On Clear), la scaderea temporara a tensiunii de alimentarebor (Brown Out Reset). Funcţie şi de varianta constructivă sunt disponibile o serie de periferice orientate pe interfaţa analogică: - sistem de conversie analog numerică rapid (ADC) de 12-biti sau 10-biţi, bazat pe tehnica aproximării succesive, cu o rată de eşantionare de pană la 200 ksps (kilo eşantioane per secundă), cu sursă de referinţă integrată şi un senzor de temperatură - convertor analog numeric de tip sigma-delta de 16 (14) biti - două convertoare numeric analogice(cna-dac) de 12-biţi - comparator analogic de precizie integrat flexibil cu sistemul de temporizare şi numărare Generatorul de ceas sistem (Oscillator System Clock) Sistemul de ceas al unităţii centrale reprezintă, prin flexibilitatea sa, o caracteristică unică a acestei familii de microcontrolere şi a fost proiectat specific pentru aplicaţiile care presupun un consum propriu mic şi foarte mic. Un aşa zis ceas auxiliar de joasă frecvenţă (ACLK) este obţinut direct dintr-un oscilator stabilizat cu ajutorul unui cuarţ de 32,768KHz (cuarţ foarte ieftin, utilizat ca bază de timp în ceasurile electronice). Ceasul ACLK poate fi utilizat pentru funcţionarea unitătii centrale într-un mod cu consum foarte redus, mod numit de asteptare (stand-by), mod în care necesitătile de prelucrare sunt minime. Unitatea centrală poate fi scoasă din acest mod prin apariţia unui eveniment (are loc trezirea acesteiawake-up). Un oscilator controlat numeric (DCO-Digitally Controlled Oscillator), bazat pe o buclă cu calare de frecventă (FLL-Frequency Locked Loop), poate furniza un aşa zis ceas de bază (MCLK- Master Clock), atunci când se doreşte ca unitatea centrală şi unele categorii de periferice să funcţioneze la viteza maximă. Acest oscilator poate deveni activ şi stabil (la apariţia unui eveniment) în mai putin de 6 usec. Categoria de aplicaţii pentru care a fost optimizat poate fi descrisă ca presupunand funcţionarea pe perioade de timp mai lungi sau mai scurte într-un mod de lucru cu consum foarte mic (folosind semnalul de ceas de joasă frecvenţă ACLK), perioade întrerupte de momente în care unitatea centrală RISC de 16 biţi funcţionează la viteze mari (folosind semnalul de ceas de înaltă frecvenţă MCLK), avand astfel capacităţi de prelucrare numerică deosebite. Pe ansamblu consumul mediu este în continuare mic, ducând, de exemplu, la creşterea semnificativă a duratei de viaţă a unei surse de alimentare independente (de tip baterie sau acumulator). Deoarece in setul de instrucţiuni al unităţii centrale nu există instrucţiuni pentru operaţiile de înmulţire sau înmulţire cu acumulare- însumare (MAC Multiply and ACumulate), operaţii foarte utile 2
pentru implementarea în timp real a unor algoritmii de prelucrare numerică a semnalului, la unele din variantele de există un periferic specializat numit multiplicator hardware. Multiplicatorul hardware este o resursă din categoria perifericelor, care funcţionează independent de unitatea centrală. Interfaţa cu utilizatorul (programatorul) este asigurată de un set de registre (din categoria celor cu functii speciale) prin intermediul cărora sunt transmisi operanzii, se lansează operatiile aritmetice propriu-zise si se preia rezultatul. Există două registre de 16 biti pentru operanzi si trei registre de 16 biti pentru rezultat. Operaţiile pe care le poate efectua multiplicatorul hardware sunt: - înmulţire fără semn - înmulţire cu semn - înmulţire cu acumulare, fără semn - înmulţire cu acumulare, cu semn Combinaţiile posibile pentru dimensiunile operanzilor sunt: 16 biţi x 16 biţi, 16 biţi x 8 biţi, 8 biţi x 16 biţi, 8 biţi x 8 biţi. Există multe variante ale acestui microcontroler, identificate prin intermediul unui cod specific, şi grupate, functie de resursele disponibile si tensiunea de alimentare, in două mari categorii: a. variante cu controler pentru afişor de tip LCD, cu două subcategorii : 1. 4xx variante cu memorie de tip FLASH: tensiuni de alimentare între 1.8V- 3.6V, pană la 60Kocteti de Flash/ ROM, viteza maximă 8MIPS, FLL si SVS 2. 3xx variante cu memorie de tip ROM/OTP: tensiuni de alimentare între 2.5V-5.5V, pană la 32Kocteti ROM/OTP, viteza maximă 4MIPS, FLL b. 1xx variante fără controler pentru afişor de tip LCD: tensiuni de alimentare între 1.8V-3.6V, pană la 60Kocteti Flash/ ROM, 8MIPS Sunt deasemenea disponibile diverse variante de incapsulare, toate de tip SMD: QFP64, QFP80, QFP100, etc. Emularea şi depanarea integrată Facilităţile de emulare si depanare integrată sunt disponibile prin intermediul interfeţei standard JTAG/ICE, cea prin care se face şi programarea memoriei FLASH interne, fără să necesite utilizarea unor resurse suplimentare. Avantajele majore sunt: - posibilitatea realizării unui emulator in circuit (ICE) cu un cost foarte redus - dezvoltarea şi depanarea aplicatiilor în timp real (la viteza maximă de procesare) folosind un număr minim de conexiuni cu sistemul - dezvoltarea se poate face în aceleaşi condiţii în care va funcţiona aplicaţia finală - perturbaţii minime introduse în sistem datorită numărului minim de interconexiuni externe Memoria şi spaţiul de adresare Toate microcontrolerele fiind maşini Von Neumann au un singur spaţiu de adresare de 64Kocteti (cu adrese de la 0000 la 0FFFFH), comun pentru program şi date. Acest spaţiu este comun şi pentru memoria propriu-zisă de tip RAM sau FLASH/ROM, pentru registrele aferente modulelor periferice şi pentru registrele cu funcţii speciale. Configuraţia memoriei este specifică pentru fiecare variantă de, variante care diferă prin dimensiunea RAM-ului şi a FLASH/ROM-ului, cât şi prin natura şi numărul modulelor periferice disponibile. 3
Pentru orice accesul la codul program (fetch opcod) se poate face numai la adrese pare, pe când datele pot fi accesate fie de la adrese pare (cuvinte), fie de la adrese impare (octeti). În figura următoare este prezentată o hartă a memoriei pentru microcontrolerele. Memoria Flash/ROM Adresa de început a zonei de FLASH/ROM este variabilă şi depinde de dimensiunea memoriei FLASH/ROM prezente la varianta respectivă de. Adresa finală este întotdeauna 0FFFFH. Zona poate fi folosită pentru memorarea de program sau date (constante, de regulă). Constantele (sau tabelele de constante), organizate pe octet sau cuvant, pot fi memorate şi folosite de aici, fără a fi nevoie sa fie copiate în zona de RAM. Tabela cu vectorii de întrerupere este plasată în ultimele 16 cuvinte din spaţiul de adrese, de la 0FFE0H la 0FFFFH. Vectorul cu cea mai mare prioritate, vectorul de reset, este plasat la cea mai mare adresă din FLASH/ROM, la 0FFFEH. Astfel, pentru orice, după un reset (initializare hard) prima instructiune se va executa de la adresa 0FFFEH. Memoria RAM Spaţiul de memorie RAM începe întotdeauna de la adresa 0200H. Adresa finală este variabilă şi depinde de dimensiunea RAM-ului prezent la o anumita variantă de microcontroler. RAM-ul poate fi utilizat pentru memorarea atât de program cât şi de date. Modulele periferice Toate resursele modulelor periferice disponibile (pentru o anumita varianta de ) sunt plasate(mapate) în spatiul de adrese al memoriei. Adresele de la 0100H la 01FFH sunt rezervate pentru modulele periferice de 16 biţi, care trebuie accesate cu instrucţiuni pe cuvânt. Dacă se 4
utilizeaza instrucţiuni pe octet, sunt permise numai adrese pare, şi octetul superior al rezultatului va fi întotdeauna zero. Adresele de la 0010H la 00FFH sunt rezervate pentru modulele periferice de 8 biţi, care trebuie accesate cu instrucţiuni pe octet. Dacă pentru un astfel de modul se utilizează instrucţiuni pe cuvânt pentru citire, conţinutul octetului superior al rezultatului este nedefinit. În cazul operaţiilor de scriere pe cuvânt, se va scrie doar octetul inferior, octetul superior fiind ignorat. Registrele cu functii speciale (SFR) Există periferice care sunt configurate prin intermediul asa numitelor registre cu funcţii speciale (SFR- Special Function registers). Aceste registre sunt plasate în primii 16 octeti ai spaţiului de adrese şi sunt organizate pe octet-byte, trebuind să fie accesate doar cu instrucţiuni de prelucrare pe octet. Organizarea memoriei (octeti-bytes, cuvinte-words, biti-bits) Octeţi sunt plasaţi la adrese pare sau impare, pe când cuvintele doar la adrese pare. Astfel, când se folosesc instrucţiuni de prelucrare pe cuvânt se pot utiliza pentru operanzi doar adrese pare. Octetul inferior (low byte) al unui cuvânt este plasat întotdeauna la o adresă pară, iar octetul superior (high byte) la urmatoarea adresă impară. De exemplu, dacă o dată organizată pe cuvânt este plasată la adresa pară xxx4h, octetul inferior va fi plasat la adresa xxx4h, iar octetul superior la adresa xxx5h (vezi figura). 5