07_Avrasm - timery.pdf - AVR_ASM - XelosPL

http://www.easy-soft.tsnet.pl

Wprowadzenie

Trudno jest znaleźć polski odpowiednik słowa „timer”. Większość konstruktorów, którzy mieli już do

czynienia z mikrokontrolerami doskonale wiedzą jaki to jest rodzaj urządzenia. Pozwólcie więc, że będę

się tym słowem posługiwał bez poszukiwania odpowiednika w naszym, ojczystym języku.

Timer to prosty układ liczący, najczęściej o rozdzielczości 8 lub 16 bitów. Niech nie zwiedzie nas jednak

prostota jego budowy – z każdym timerem związany jest bowiem szereg różnych zmiennych (najczęściej

są to bity rejestru kontrolnego) wpływających na to w jaki sposób będzie on pracował. Często istnieją

więc możliwości nastaw kierunku zliczania (w górę lub w dół) oraz wyboru źródła impulsów zegarowych –

czy to z otoczenia mikrokontrolera, czy też z wewnętrznego generatora zegarowego lub dołączonego

rezonatora kwarcowego (AVR). Programista – elektronik najczęściej używa timera bądź to do zliczania

impulsów, bądź to do pomiaru czasu ich trwania albo też do budowy tak zwanego generatora PWM.

Będzie o tym mowa w dalszej części artykułu.

Najczęściej jeśli timer wykorzystywany jest do pomiaru czasu trwania impulsu, to jako wzorzec

wykorzystuje się wewnętrzny generator zegarowy lub wzorcowy, zewnętrzny sygnał odniesienia.

Prowadzi to nas do wniosku, że czas trwania impulsu może być mierzony z dokładnością do czasu trwania

impulsów wzorcowych. Stanowią one swego rodzaju jednostkę pomiarową. Najważniejszą jednak cechą

timera jest ta, że może on funkcjonować niezależnie od reszty procesów obsługiwanych przez jednostkę

centralną mikrokontrolera (abstrahując od konfiguracji bitów kontrolujących pracę timera, która musi być

wykonana przez CPU).

Struktury współczesnych mikrokontrolerów wyposażane są w 2 lub 3 układy timerów. Generalnie rodzina

AVR (AT90- i ATMega) posiadają dwa timery 8-bitowe i jeden 16-bitowy. W większości zastosowań lepszy

jest timer 16-bitowy, jednak dla wielu aplikacji rozdzielczość 8-bitowa jest wystarczająca. Jest ona też

lepiej dopasowana do architektury rdzenia (który jest 8-bitowy) i przez to umożliwia znacznie szybsze

wykonywanie operacji arytmetycznych czy porównań ze stałymi, czy zmiennymi używanymi przez daną

aplikację.

Ze względu na swoją elastyczność, timery mikrokontrolerów AVR mogą być wykorzystywane dla różnych

celów. Dalsza część tekstu ma na celu przybliżenie tych zastosowań oraz wytłumaczenie w jaki sposób

niezależne układy funkcjonalne komunikują się z CPU mikrokontrolera oraz jak mogą być przezeń

wykorzystane.

Sygnalizacja zdarzeń

CPU mikrokontrolera AVR może monitorować do 3 zdarzeń powodowanych przez każdy z timerów.

Zdarzenia te sygnalizowane są przez ustawienie odpowiednich bitów statusu (tak zwanych flag) w

rejestrze TIMSK (Timer Interrupt Mask). Tak więc kontrola stanu timera sprowadza się do testowania

przez CPU mikrokontrolera maksymalnie 3 bitów sygnalizujących stan timera. Bitami tymi są:

• Timer Overflow (przepełnienie timera)

Ustawienie tego bitu informuje, że timer osiągnął wartość maksymalną i zostanie wyzerowany w

następnym cyklu zegarowym. Jak wcześniej wspomniałem, AVR wyposażony jest w dwa timery 8-

bitowe oraz jeden 16-bitowy. W praktyce oznacza to dwa timery mogące liczyć do wartości 0xFF

oraz jeden liczący do 0xFFFF. Przepełnienie sygnalizowane jest przy pomocy bitu noszącego

nazwę Timer Overflow Flag (TOVx) w rejestrze TIFR (Timer Interrupt Flag Register).

• Compare Match (spełniony warunek porównania)

W przypadku, gdy nie jest konieczne monitorowanie stanu flagi przepełnienia, może być używane

przerwanie typu COMPARE MATCH wywoływane, gdy wartość zapamiętana w rejestrze OCRx

(Output Compare Register) zgadza się ze zliczoną przez timer. Wskazanie przez timer wartości

identycznej z zapisaną w rejestrze OCRx powoduje ustawienie właściwego bitu OCFx (Output

Compare Flag) w rejestrze TIFR. Timer może być również skonfigurowany w taki sposób, aby

jednocześnie z ustawieniem flagi OCFx wartość rejestru liczącego timera była zerowana. Istnieje

również możliwość wyboru takiego trybu pracy, dzięki któremu automatycznie, w momencie

spełnienia warunku porównania, odpowiednim wyprowadzeniom mikrokontrolera może zostać

przypisany stan niski, wysoki lub zanegowany. Funkcja ta jest bardzo użyteczna podczas budowy

generatorów sygnału prostokątnego o różnej częstotliwości. Oferując szeroki zakres

generowanych częstotliwości umożliwia na przykład budowę prostych przetworników cyfrowo –

analogowych, jakkolwiek do tego zastosowania bardziej właściwym wydaje się wykorzystanie

trybu generatora o modulowanej szerokości impulsu (PWM).

J.Bogusz „Timery w AVR”, Strona 1 z 11

Timery w AVR: nastawy i opis funkcjonalny

Celem tego artykułu jest opis funkcjonowania oraz sposobów konfiguracji i wykorzystania układów tzw.

timerów w mikrokontrolerach z rodziny AVR. Rozpoczynając od ogólnego opisu, poprzez przykładowe

programy, postaram się wytłumaczyć jak wykorzystać wbudowany w strukturę mikrokontrolera AVR

timer dla własnych potrzeb. W przykładach programów posługiwałem się mikrokontrolerem AT90S8535.

http://www.easy-soft.tsnet.pl

• Input Capture (przechwycenie wartości)

Mikrokontrolery AVR posiadają wejście nazywane Input Capture (IC). Zmiana stanu na tym

wejściu powoduje, że aktualna wartość timera jest odczytywana i zapamiętywana w rejestrze

ICRx (Input Capture Register). Jednocześnie ustawiana jest flaga ICFx (Input Capture Flag) w

rejestrze TIFR. Funkcja ta najczęściej wykorzystywana jest do pomiaru czasu trwania impulsu.

Każdy z wyżej wymienionych bitów może wywoływać odpowiedni wektor przerwania. Przerwaniami oraz

ich obsługą zajmiemy się w dalszej części artykułu.

Kontrola stanu timera

Są trzy podstawowe metody kontrolowania zdarzeń generowanych przez timer a tym samym

powodowania reakcji mikrokontrolera w zależności od stanu timera:

1.Kontrolowanie stanów bitów statusu (flag) w czasie pracy programu poprzez ich testowanie metodą

odpytywania (z ang. pooling – odpytywanie) i podejmowanie akcji odpowiedniej dla danej ich kombinacji.

2.Odpowiednie ustawienie rejestru kontrolującego przerwania a następnie automatyczne przerywanie

pracy programu głównego i wykonywanie programów obsług przerwań.

3.Sprzętowa i całkowicie automatyczna zmiana stanu odpowiedniego wyprowadzenia mikrokontrolera.

Kontrola statusu flag korzysta z faktu, że wewnętrzne układy mikrokontrolera ustawiają określone bity

powodujące przejście do procedury obsługi przerwania o ile ta nie została zabroniona. Oczywiście

warunkiem korzystania z tej metody jest wyłączenie obsługi przerwania, bo inaczej odpytywanie nie

miałoby sensu. Kontrola stanu bitów flag, jakkolwiek chyba najłatwiejsza do wykonania, jest jednocześnie

mało efektywną bo zajmuje czas mikrokontrolera. Należy również liczyć się z pewnym opóźnieniem przy

podejmowaniu akcji, ponieważ CPU zanim zacznie kontrolować stan flag, może być zaangażowane w

realizację zupełnie innej części kodu związanej z obsługą całkowicie innych funkcji mikrokontrolera.

Poniższy fragment programu w języku asemblera ilustruje użycie tej metody wykorzystanej do kontroli

Timera 0. Linie te powinny być umieszczone w pętli głównej wykonywanego programu a stan flag musi

być kontrolowany tak często, jako tylko jest to możliwe.

loop:

;główna pętla programu

.........

r16,TIFR

;załadowanie rejestru TIFR do r16

sbrs r16,TOV0

;omiń następną instrukcję, jeśli bit 0 w r16 jest ustawiony

rjmp loop

;wykonaj skok do początku pętli głównej programu jeśli bit przepełnienia

;Tiera 0 nie był ustawiony

event:

.........

;tu rozpoczyna się obsługa zdarzenia „przepełnienie Timera 0”

Najlepszą moim zdaniem metodą kontroli stanu timera jest wykorzystanie systemu przerwań. Jak

wcześniej wspomniałem, określone zdarzenia związane ze stanem timera powodują ustawianie flag w

rejestrze TIMSK. Powodem ustawienia flagi może być przepełnienie rejestru liczącego, spełnienie warunku

porównania czy też zakończenie działania przez funkcję pomiaru czasu trwania impulsu związaną z

wejściem ICP. Tyle gwoli przypomnienia. O ile wykonywanie funkcji obsług przerwań jest dozwolone, CPU

mikrokontrolera przerywa wykonywanie bieżącego programu lub wychodzi ze stanu uśpienia i wykonuje

skok pod ściśle określony adres związany z danym powodem przerwania. Jednocześnie zapamiętany

zostaje stan licznika rozkazów tak, że możliwe jest jego odtworzenie w momencie powrotu do programu

głównego.

Jest to metoda bardzo efektywna – oszczędza czas mikrokontrolera angażując CPU tylko wówczas, gdy to

jest naprawdę potrzebne, chociaż nastręcza pewne trudności przy implementacji. Program główny jest

bowiem przerywany w momencie, który trudno przewidzieć i to programista musi zadbać o to, aby przy

wejściu do procedury obsługi przerwania i po jej opuszczeniu program nadal wykonywany był normalnie.

Odpowiednie przerwania załączane są przez nastawy bitów w rejestrze TIMSK (Timer Interrupt Mask).

Poniższy przykład w języku asemblera ilustruje w jaki sposób włączyć procedurę obsługi przerwania na

skutek przepełnienia Timera 2.

ldi

r16,1<<OCIE2

out TIMSK,r16 ;zezwolenie na przerwanie Output Compare Timera 2

sei

;zezwolenie na przyjmowanie przerwań

Tryby pracy, w które wyposażono Timer 1 i Timer 2 umożliwiają również nastawy akcji wykonywanych w

sposób sprzętowy, bez konieczności wykonywania żadnego podprogramu. Odpowiednie wyprowadzenie

mikrokontrolera może zostać skonfigurowane w taki sposób, aby było ustawiane, zerowane bądź też

negowane w momencie spełnienia warunku porównania. W stosunku do dwóch poprzednich rozwiązań

ten tryb nie angażuje w żaden sposób CPU mikrokontrolera. Poniższy przykład ilustruje ten sposób

J.Bogusz „Timery w AVR”, Strona 2 z 11

http://www.easy-soft.tsnet.pl

konfiguracji z wykorzystaniem Timera 2. Poziom logiczny wyprowadzenia OC2 jest negowany w

momencie spełnienia warunku porównania (gdy licznik Timera 2 osiągnie wartość dziesiętną 32). Zawiera

on też sposób ustawienia wartości porównywanej. Konfiguracja timera jest dokonywana przy pomocy

ustawienia bitów COMx0 i COMx1 w rejestrze TCCRx – w przypadku użycia Timera 2 są to bity COM20 i

COM21 w rejestrze TCCR2.

ldi

r16,(1<<COM20)|(1<<CS20)

out TCCR2,r16 ;OC2 negowany po spełnieniu warunku compare/match

;zegar = zegar systeowy

ldi

r16,32

out OCR2,r16

;ustawienie porównywanej wartości na 32

Należy jednak pamiętać o tym, że wybór trybu pracy timera nie wpływa na ustawienie kierunku linii portu

właściwej dla OC2. Aby zezwolić na ustawianie wartości wyprowadzenia OC2, odpowiedni bit konfiguracji

kierunku bitu portu musi być ustawiony w taki sposób aby wyprowadzenie to pracowało jako wyjściowe.

Opcje nastaw zegara.

Generator zegarowy AVR zawiera preskaler podłączony do multipleksera. Preskaler to dzielnik

częstotliwości zegara. Został on zaimplementowany jako licznik z kilkoma wyjściami o różnych stopniach

podziału. W przypadku AT90S8535 jest to 10-bitowy licznik używany do wytworzenia czterech (w

przypadku Timera 2 sześciu) różnych częstotliwości taktujących timery, wynikających z podziału

częstotliwości generatora zegarowego. Multiplekser używany jest do wyboru która z czterech (sześciu)

częstotliwości używana jest jako podstawa czasu timera. Alternatywnie multiplekser może być użyty do

ominięcia preskalera oraz konfiguracji zewnętrznego wyprowadzenia jako wejściowego dla timera.

Timery 0 i 1 są timerami synchronicznymi i używają zegara systemowego CPU jako źródła sygnału

zegarowego. Asynchroniczny Timer 2 wymaga własnego preskalera co czyni go niezależnym od zegara

systemowego. Na rysunku 1 pokazano połączenia pomiędzy preskalerem i multiplekserem. Danych na

temat konkretnej konfiguracji dla danego mikrokontrolera AVR należy szukać w jego karcie katalogowej.

Tabela 1 zawiera listę możliwych nastaw preskalera. I tu również należy odwołać się do danych zawartych

w konkretnej karcie katalogowej, gdzie prawdopodobnie będą one opisane dokładniej i powiązane z

konkretnym modelem mikrokontrolera.

Taktowanie przez zegar systemowy.

Zegar systemowy używany jest jako wejściowy dla preskalera również wówczas, gdy częstotliwość

taktowania CPU została wybrana jako jedna z otrzymywanych z preskalera. Timer pracuje więc

synchronicznie z zegarem systemowym. Wszystkie trzy timery AT90S8535 oraz timery większości innych

mikrokontrolerów AVR pracują w ten sposób. Nie są wymagane żadne dodatkowe układy zewnętrzne.

Zaletą takiego rozwiązania jest fakt, że dzięki bardzo wysokiej częstotliwości zegara systemowego (o

wiele wyższej niż tej, która taktuje CPU) operacje przeprowadzane przez mikrokontroler mogą być

mierzone z o wiele większą dokładnością.

Częstotliwość przepełnienia timera jest dobrym wskaźnikiem rozmiaru ramki czasowej, którą jest w

stanie pokryć timer. Wyrażenie 1 ukazuje powiązanie pomiędzy częstotliwością przepełnienia timera

TOV CK , maksymalną wartością, którą może być wpisana do timera MaxVal ,częstotliwością zegara

systemowego f CK i współczynnikiem podziału preskalera PVal.

Dla przykładu jeśli CPU taktowane jest częstotliwością 3,69MHz i timer ma rozdzielczość 8 bitów (MaxVal

= 256) wartość preskalera 64 spowoduje, że timer taktowany częstotliwością T CK równą 3,69MHz / 64

wygeneruje ok. 225 sygnałów przepełnienia w czasie 1 sekundy.

J.Bogusz „Timery w AVR”, Strona 3 z 11

http://www.easy-soft.tsnet.pl

Uwagi :

1. Preskaler pracuje nieprzerwanie – również podczas wprowadzania nastaw timerów. W przypadkach

gdy wymagane jest bardzo dokładne odmierzanie czasu, należy samemu zadbać o to, aby timer został

zatrzymany i preskaler zaczął podział od wartości 0. W mikrokontrolerach nie przeprowadzających

zerowania preskalera może ono zostać przeprowadzone przez detekcję przepełnienia preskalera przez

aplikację oraz inicjalizację rejestru TCNTx po tym zdarzeniu.

2. W nowszych mikrokontrolerach posiadających preskaler dzielony pomiędzy kilka timerów,

przeprowadzenie sekwencji reset w taki sam sposób wpływa na wszystkie podłączone urządzenia,

inicjując je i przeprowadzając odliczanie od wartości 0.

Rysunek 1. Poglądowy schemat połączeń pomiędzy preskalerem i multiplekserem dla Timerów 0 i 1

oraz 2.

J.Bogusz „Timery w AVR”, Strona 4 z 11

http://www.easy-soft.tsnet.pl

TCCRx

Bit 2 Bit 1 Bit 0

Synchroniczny Timer 0 i Timer 1

P CK0,1 = zegar syst.

Synchroniczny/Asynchroniczny Timer 2

P CK2 = zegar syst./zegar zewn.

0 0 0 0 (Timer 0/1 zatrzymany) 0 (Timer 2 zatrzymany)

0 0 1 P CK (zegar systemowy) P CK2 (zegar systemowy lub asynchroniczny)

0 1 0 P CK /8 P CK2 /8

0 1 1 P CK /64 P CK2 /32

1 0 0 P CK /256 P CK2 /64

1 0 1 P CK /1024 P CK2 /128

1 1 0 P CK opadające zbocze na wypr.Tx P CK2 /256

1 1 1 P CK narastające zbocze na wypr.Tx P CK2 /1024

Tabela 1. Nastawy bitów preskalera

Wygenerowanie liczby 225 przepełnień timera w czasie 1 sekundy oznacza konieczność wysłania sygnału

przepełnienia co 4,4ms. Maksymalna wartość preskalera powoduje przepełnienie co 71ms, minimalna co

69 µs. Wymagania aplikacji determinują częstotliwość przepełnień timera. Bazując na nich oraz na znanej

częstotliwości taktowania timera łącznie z jego rozdzielczością, nastawa preskalera może być wyliczona

przy pomocy następującego wyrażenia:

Implementacja w języku asemblera może wyglądać tak, jak poniższy przykład programu. Ustawia on

wartość preskalera przy pomocy TCCR0 na podział częstotliwości zegara przez 1024.

out TCCR0,r16 ;zegar taktujący timer = zegar systemowy / 1024

r16,(1<<CS02)|(1<<CS00)

Taktowanie przez zegar asynchroniczny.

W odróżnieniu od innych timerów, które nie obsługują tej opcji Timer 2 AT90S8535 może być taktowany

przez zewnętrzne źródło sygnału. W tym celu kwarc lub rezonator ceramiczny podłącza się do

wyprowadzeń TOSC1 i TOSC2. Oscylator jest zoptymalizowany dla kwarcu tzw.zegarkowego o

częstotliwości 32768Hz. Ta częstotliwość jest bardzo dobra zwłaszcza dla implementacji zegara czasu

rzeczywistego. Główną zaletą tego rozwiązania jest uniezależnienie od zegara systemowego. Umożliwia

ono również CPU pracę z dużą częstotliwością przetwarzania, niekoniecznie dobraną pod kątem pomiaru

czasu, podczas gdy timer pracuje z częstotliwością dla nich optymalną. Dodatkowo tryb oszczędzania

energii ma opcję umożliwiającą wprowadzenie części układów mikrokontrolera w tryb uśpienia podczas

gdy asynchroniczny timer ciągle pracuje. Tutaj jedna uwaga: częstotliwość zewnętrznego oscylatora jest

różna dla różnych typów mikrokontrolerów. Jej dolna granica zawiera się w przedziale od 0Hz do 256kHz

a górną wyznacza częstotliwość zegara systemowego: powinna być ona mniejsza lub równa niż F CK / 4.

Praca z timerem taktowanym asynchronicznie wymaga pewnych dodatkowych rozważań. Ponieważ Timer

2 taktowany jest asynchronicznie w stosunku do zegara systemowego, zdarzenia generowane przez

Timer muszą być synchronizowane przez CPU. Z tej cechy wynika wymaganie aby częstotliwość

taktowania timera była co najmniej czterokrotnie mniejsza niż częstotliwość zegara systemowego. Z

drugiej strony możliwe są konflikty pomiędzy synchroniczymi i asynchronicznymi żądaniami obsługi

(np.przerwania). Jak CPU radzi sobie z takimi sytuacjami? Obsługa zdarzeń jest przeprowadzana przez

rejestry tymczasowe. Bity statusu sygnalizują kiedy przeprowadzane jest uzupełnianie zawartości

rejestrów. Dokładny opis rejestrów ASSR (Asynchronous Status Register) można znaleźć w karcie

katalogowej. Częstotliwość z jaką ustawiany jest bit przepełnienia można obliczyć identycznie jak w

poprzednim przypadku z tym, że do równania musi zostać wstawiona częstotliwość zewnętrznego źródła

sygnału. Nastawy preskalera Timera 2 zostały podane w tabeli 1, częstotliowość taktowania preskalera

Timera 2 jest funkcją bitu AS2 w rejestrze ASSR. Jeśli ten bit jest wyzerowany, timer pracuje w trybie

synchronicznym z częstotliwością zegara systemowego jako wejściową. Jeśli ten bit jest ustawiony,

asynchroniczny sygnał zegarowy z wyprowadzeń TOSC1 i TOSC2 jest używany jako sygnał wejściowy

preskalera. Fragment programu w języku asemblera ustawia preskaler Timera 2 na maksymalną wartość

podziału (1024)

ldi r16, (1<<CS22)|(1<<CS21)|(1<<CS20)

out TCCR2,r16 ;zegar timera 2 = zegar systemowy / 1024

J.Bogusz „Timery w AVR”, Strona 5 z 11

ldi

07_Avrasm - timery.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: