Fachoberschule am Beruflichen Schulzentrum e.o. plauen

Facharbeit

in der Fachrichtung Technik

im Fach Informatik

AVR - RISC Mikrocontroller

Vorwort

Der Mikrocontroller ist in der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken. Man verwendet sie unter anderem zur Steuerung von Geräten in der Unterhaltungselektronik bis hin zu allen möglichen Haushaltsgeräten sei es der Geschirrspüler oder die Waschmaschine. Betrachtet man dieses weite Spektrum und damit die verbundenen hohen Stückzahlen ist es nicht verwunderlich, dass jeder größere Halbleiterhersteller seinen eigenen Typ auf dem Markt anbietet. Jedoch hat sich in den achtziger Jahren ein 8 Bitprozessor auf dem Markt deutlich durchgesetzt. Es ist der 8051 der Firma Intel. Trotz hoher Konkurrenz hält er bislang den Spitzenplatz in der Rangliste. Jedoch wird dieser in letzter Zeit durch einen 8 Bit RISC-Controller ( RISC = Reduced- Instruction-Set-Computer, d.h. Computer mit reduzierten Befehlssatz) der Firma Atmel bedrängt, der auch in dieser Arbeit näher erläutert und erklärt wird. Er setzt neue Maßstäbe im leistungssparenden Herstellungsprozess und damit hat er ein günstiges Preis-/Leistungsver-hältnis. Die Facharbeit wird nur ein Teil des Gebietes der AVR-RISC Mikrocontroller berücksichtigen. Nach dem Lesen dieser Facharbeit wird es möglich sein, kleine Steuerungen mit dem AVR-RISC Mikrocontroller zu erstellen.

Vereinbarungen

In dieser Facharbeit werden für Schreibweisen von Zahlen ff. Vereinbarungen getroffen. Es wird davon ausgegangen, dass die Binär- sowie die Hexdezimalschreibweise bekannt ist.

Ein Bit ist gesetzt, wenn es den Wert "log. 1" bzw. High-Pegel, und es ist rückgesetzt, wenn es den Wert "log. 0" bzw. Low-Pegel hat.

Inhaltsverzeichnis

Aufbau

Grundstruktur

Blockschaltbild

Die CPU

Die Ablaufsteuerung

Das Rechenwerk

Speicherarchitektur

Programmspeicher

Flüchtiger Datenspeicher

Nichtflüchtiger Datenspeicher

Bus-System

Gehäuse und Anschlüsse

Gehäusebauformen

Pinanschluss bei Eingangskonfiguration

Pinanschluss bei Ausgangskonfiguration

Die Arbeitsweise eines Controllers

Zugriff auf die Speicher

Zugriff auf den internen SRAM

Zugriff auf den nichtflüchtigen Speicher (EEPROM)

Zugriff auf den Programmspeicher

Programmbearbeitung

Die Ein- / Ausgabeports

Das Datenrichtungsregister

Das Portregister

Das Eingangs-Pin-Register

Programmerstellung

Einfache Assemblerbefehle

Pin als Ausgang

Pin als Eingang

Programmentwicklung

Quellenverzeichnis

Selbstständigkeitserklärung

Anlagenverzeichnis

Aufbau

Grundstruktur

Blockschaltbild

AVR-Mikrocontroller sind alle nach dem gleichem Schema aufgebaut. Der Aufbau wird in fünf Bereiche unterteilt, die CPU, der Datenspeicher, der Programmspeicher, der Ein- / Ausgabebereich und das Bus-System. Die in der CPU vorhandene Ablaufsteuerung, bestehend aus dem Programmzähler und der Dekodierlogik, liest und dekodiert Befehle. Diese Befehle befinden sich im Programmspeicher. Das Rechenwerk, das ebenfalls in der CPU untergebracht ist, führt arithmetische und logische Operationen aus. Der Ein- / Ausgabebereich (E-/A-Bereich) wird zur Ein- und Ausgabe von Daten von und zur Peripherie verwendet. In dem Datenspeicherbereich werden Daten und Variable gespeichert. Letztendlich verbindet das Bus-System die CPU, Programm- und Datenspeicher und den E-/A-Bereich.

Bild 1: Pinzipaufbau eines AVR-RISC-Mikrocontrollers

Die CPU

Die Ablaufsteuerung

Die Ablaufsteuerung, die vom Oszillator gesteuert wird, regelt den gesamten Betrieb eines Mikrocontrollers. Sie steuert den Programmablauf sowie die Zusammenarbeit der einzelnen Module, die abhängig vom Typ des Mikrocontrollers sind. Von der Ablaufsteuerung werden alle für eine Befehlsverarbeitung notwenigen Operationen, vom Holen des Befehls aus dem Programmspeicher, Lesen der für den Befehl erforderlichen Daten, Freigabe für das Rechenwerk und die Abspeicherung des Befehls in den entsprechenden Speicher, gesteuert.

Das Rechenwerk

Das Rechenwerk untergliedert sich in die ALU (Arithmetic-Logic-Unit) und 32 Arbeitsregister. Diese Arbeitsregister und die ALU sind direkt miteinander verbunden. Die ALU führt die arithmetischen und logischen Operrationen aus und die Ergebnisse werden im Arbeitsregister gespeichert. Das Rechenwerk eines AVR-Mikrocontroller kann Additionen, Subtraktionen, Schieboperationen und auch logische Verknüpfungen wie AND, OR und XOR ausführen. In einem Systemtakt können zwei Befehl ausgeführt werden. Das bedeutet, die Befehle werden aus dem Registerbereich in die ALU geholt, die Operationen werden ausgeführt und die einzelnen Ergebnisse werden im Zielregister wieder gespeichert.

Die Speicherarchitektur

Der Speicherbereich der AVR-Mikrocontroller wird in 2 Bereiche aufgeteilt. Einmal der Programmspeicher und zum Anderen der Datenspeicher. Sie unterscheiden sich auch im physikalischen Aufbau. Die Größe aller Speicher ist von dem einzelnen Typ des AVR-Mikrocontrollers abhängig.

Programmspeicher

Im Programmspeicher (Befehlsspeicher) wird das eigentliche Programm gespeichert. Dies geschieht durch die elektrisch lösch- und programmierbare Flash-Technologie. Diese platzsparende Art der Speicherung des Programms ist direkt in dem Baustein eines AVR´s mit untergebracht. Der Controller kann direkt in dem System programmiert werden, das heißt, dass

der Controller in seiner Schaltung bleibt und über den seriellen Programmiermodus programmiert werden kann. Der Controller kann auch im parallelen Modus programmiert werden, jedoch muss er dazu aus der Schaltung ausgebaut werden, und zusätzlich mit einer Spannung von +12V während des Programmiervorganges versorgt werden. Der Flash-Speicher ist bei den vier Grundtypen (AT90S1200, AT90S2313, AT90S4414, AT90S8515) der AVR-Serie immer zu n Worten organisiert. Die Anzahl der Worte ist abhängig von dem Typ der Controllers.

Bei Flash-EPROM-Technologie kann der gesamte Chip oder einzelne Blöcke in wenigen Millisekunden blitzartig (FLASH) elektrisch gelöscht werden. Für das Löschen ist also kein UV-Licht wie bei der EPROM-Zelle notwendig.

Flüchtiger Datenspeicher (SRAM)

Das Speichern von Variablen und Daten, die nach dem Ausschalten des Controllers nicht mehr vorhanden sein müssen, übernimmt das statische RAM (SRAM). Die Art der Speicherung der Daten erfolgt bitweise. Dieses Speichern wird durch eine Verschaltung mehrerer RS-Flip-Flops ermöglicht. Der SRAM kann bei den größeren AVR-Controllern durch externe Beschaltungen erweitert werden, jedoch gehen dabei wichtige E-/A-Pins verloren.

Der SRAM wird in drei Teile unterteilt, den Arbeitsregisterbereich, den Ein- / Ausgabebereich und den eigentlichen SRAM.

Der Arbeitsregisterbereich liegt im untersten Block des SRAMs und ist wie schon gesagt direkt mit der ALU verbunden. Ihm wurden die Adressen von $00 bis $1F zugewiesen.

Der Ein- / Ausgabebereich (I/O-Bereich) eines AVR-Mikrocontrollers bildet den mittleren Block des SRAMs und dient zur Steuerung von Hardware- und Peripheriekomponenten des Mikrocontrollers (z. B. Ports, Timer, EEPROM-Programmierung). Weiterhin ermöglicht dieser Teil des SRAMs die Anzeige von Ergebnissen aus logischen und arithmetischen Funktionen. Bei den kleinern AVR-Mikrocontrollern sind nicht alle Funktionen des E-/A-Bereichs vorhanden. Für den Zugriff auf den I/O-Bereich gibt es, neben den normalen Befehlen, zusätzliche Befehle. Der Zugriff auf ein I/O-Register kann mit in und out erfolgen, wobei in ein Byte aus dem I/O-Bereich in ein Arbeitsregister liest und out ein Byte aus dem Arbeitsregister in den I/O-Bereich speichert. Der I/O-Bereich hat eigene Adressen (von $00 bis $3F), die man mit den zusätzlichen Befehlen in, out, sbi, cbi, sbis und sbic erreichen kann. Einige dieser I/O-Bereiche werden noch genauer beschrieben. Ein I/O-Register kann auch über seine SRAM-Adresse angesprochen werden, jedoch muss man dann $20 zu seiner I/O-Adresse addieren. Die SRAM-Adresse wird immer mit in Klammern angegeben. Der Zugriff über die SRAM-Adresse erfolgt mit den normalen Befehlen. In dem internen SRAM werden die Daten und

Variablen, die während des Programms genutzt werden, gespeichert. Die Größe des internen SRAMs ist wieder von dem jeweiligen Typ des AVR- Mikrocontrollers abhängig.

Der nichtflüchtige Speicher

Wie schon der Name verrät, ist dieser Teil des Speicherbereichs für die Speicherung der Daten, die nach einem Ausfall der Spannung vorhanden bleiben sollen, zuständig. Dies könnten zum Beispiel die Kalibrierungsdaten eines Messgerätes sein. Die Größe des Speichers ist abhängig von dem jeweiligen Controller. Die Daten kann man aus den einzelnen Datenblättern entnehmen.

Die Zeit zum Speichern/Löschen von Daten auf den EEPROM ist von der angelegten Spannung abhängig. Der Vorgang dauert zwischen 2,5 und 4 ms. Jedoch darf man trotz dieser geringen Zeit den EEPROM nicht als RAM verwenden, denn es können nur 100000 Schreibzyklen ausgeführt werden.

Im Gegensatz zu dem Befehlsspeicher, bei dem man nur abschnittsweise den Flash-EPROM löschen kann, lässt sich bei dem EEPROM jedes einzelne Bit auf 0 und 1 setzten. Dies lässt sich nur durch das Anwenderprogramm selbst realisieren.

Zum Speichern/Löschen von Daten im EEPROM ist immer ein sich wiederholender Vorgang nötig. Es werden die I/O-Register EEPROM-Adressregister (EEAR), das EEPROM-Data Register (EEDR) und das EEPROM-Control-Register (EECR) benötigt.

Bus-System

Das Bus-System eines AVR-Controllers verbindet die CPU mit einzelnen Speicherbereichen.

Die Ablaufsteuerung der CPU wird über die einzelnen Befehle im Programmspeicher gesteuert. Sie liest die Daten aus dem jeweiligen Speicherbereich. Der eigentliche Transport sämtlicher Daten eines Controllers erfolgt über acht parallele Leitungen. Diese Leitungen werden als Datenbus bezeichnet.

Programm und Daten liegen im Speicher unter verschiedenen Adressen. Jedes Datenbyte hat eine Adresse. Die Adresse wird von der Ablaufsteuerung als Dualzahl auf den Adressbus ausgegeben. Somit erhält die CPU die erforderlichen Daten. Der Adressbus besteht auch aus mehreren parallelen Leitungen.

Da in den Speicher Daten gelesen und geschrieben werden können, muss ihm noch mitgeteilt werden um welchen Vorgang es sich handelt. Dafür sind sogenannte Steuerleitungen verantwortlich. Die zwei wichtigsten Leitungen sind die für das Lesen und das Schreiben. Die

im Steuerbus befindlichen Leitungen geben also vor, zu welchem Zeitpunkt die Schaltvorgänge stattfinden.

Gehäuse und Anschlüsse

Gehäusebauformen

Die AVR-Mikrocontroller unterscheiden sich in ihrer Bauform (siehe Anlage). Die Funktionsweise der Mikrocontrollers ist jedoch vollkommen identisch. Für welchen man sich letztendlich entscheidet hängt von dem Platz ab, den man in seinem Schaltkasten oder auf der Platine zur Verfügung hat.

Pinanschluss bei Eingangskonfiguration

Mit Hilfe des Portregisters, eines Eingangsports im I/O-Bereich, kann man bestimmen, ob der interne Pull-Up-Widerstand verwendet werden soll oder ein Externer geschalten wird.

S1

R1/10k

Pin

mit externem Pull-Up             mit internen Pull-Up

Pin

S1

Bild 2: Eingangspinanschluss bei   Bild 3: Eingangspinanschluss bei

externem Pull-Up-Widerstand                               internem Pull-Up-Widerstand

Pinanschluss bei Ausgangsbelegung

Pin

R1/1k

V1

GND

Bild 4: Ausgangspinanschluss

Die Arbeitsweise eines Controllers

Zugriff auf die Speicher

Zugriff auf den internen SRAM

Damit man Daten aus dem SRAM lesen kann, wird zunächst die Adresse des gewünschten Datenbereichs auf den Adressbus gelegt. Die Anzahl der Adressbits richtet sich nach dem Speicherausbau des jeweiligen Controllers. Danach wird die Read-Leitung des Steuerbusses aktiviert (log. 0), und auf dem internen Datenbus ist der Inhalt der adressierten SRAM-Zelle. Mit einer steigenden Flanke des Read-Signals ( /RD-Signal) werden die Daten in ein Arbeitsregister übernommen.

Soll in einen SRAM Daten eines Arbeitsregisters geschrieben werden, so werden die Daten auf den Datenbus, und die gewünschte Adresse auf den Adressbus gelegt. Es wird die Write-Leitung des Steuerbusses auf log. 0 gesetzt und wieder auf log. 1. Mit der steigenden Flanke des Write-Signals wird der Inhalt des Arbeitsregisters in den SRAM eingeschrieben.

Zugriff auf den nichtflüchtigen Speicher (EEPROM)

Für den Schreib-/Lesezugriff auf den nichtflüchtigen Speicher sind drei I/O-Register des SRAMs relevant. Diese sind:

EEPROM Adress-Register

EEPROM Daten-Register

EEPROM Control-Register

Tab. 1:    EEPROM-Control-Register

Beim Lesen wird die zu lesende EEPROM-Adresse in das EEPROM-Adress-Register (EEAR), das sich auf dem I/O-Speicherplatz $1E (RAM: $3E) befindet, eingeschrieben. Dann wird in das EEPROM-Daten-Register (EEDR), auf dem I/O-Speicherplatz $1D (RAM: $3D), der zu speichernde Inhalt abgelegt. Erst durch das Setzten des Read-Enable-Control-Bits (EERE) im

EEPROM-Control-Register (EECR), das sich auf dem I/O-Speicherplatz $1C (RAM: $3C) befindet, können die Daten gelesen werden.

Der Schreibzugriff auf das EEPROM erfolgt in ähnlicher Weise. Jedoch muss das EEWE-Bit (EEPROM-Write-Enable-Bit) gesetzt sein. In dem EEAR muss die Adresse, und im EEDR das zu speichernde Datenbyte vorhanden sein. Um ein unbeabsichtigtes Schreiben auf das EEPROM zu verhindern muss zusätzlich das EEMWE-Bit im Controll-Register gesetzt sein. Zum Programmieren sind folgenden Schritte notwendig.

1. Warten, falls ein Programmiervorgang läuft, bis dieser beendet ist.
2. Die EEPROM-Adresse in das EEAR einschreiben.
3. Das zu speichernde Datenbyte in das EEDR einschreiben.
4. Das EEMWEBit auf log. 1 setzten.
5. Das EEWE-Bit auf log. 1 setzten und ca. 2,5 - 4 ms ( 4 Perioden des Systemtaktes) warten.

Das EEWE-Bit wird nach dem Programmiervorgang automatisch auf log. 0 zurückgesetzt. Bevor also das nächste Byte programmiert werden darf, ist es notwendig dieses Bit abzufragen und zu warten bis es den Wert log. O erreicht hat.

Zugriff auf den Programmspeicher

Der Lesevorgang auf den Programmspeicher wird von der CPU gesteuert. Der Programmierer muss nicht extra ein Programm dafür schreiben. Der Ablauf des Lesevorganges der Gleiche, wie bei dem SRAM-Lesevorgang.

Der Schreibvorgang auf den Programmspeicher wird nur einmal für eine Anwendungsaufgabe durchgeführt. Dies kann mit einem PC, mit entsprechender Software, erfolgen. Der Programmiervorgang des Flash-EPROMs kann eingeschränkt seriell (in der Schaltung), oder parallel erfolgen. Für den parallelen Programmiermodus muss der Mikrocontroller aus der Schaltung genommen werden.

Programmbearbeitung

Die jeweiligen Arbeitsanweisungen für den Controller stehen im Programm, das sich im Programmspeicher befindet. Jeder Befehl hat eine bestimmte Adresse. Nach einem Neustart des Controllers ruft die CPU die erste Adresse ($0000) auf. Der Inhalt geht über den Datenbus

zu der CPU. Jeder Befehl besteht aus mehreren Bytes. Das erste Byte enthält immer den Operationscode, der dem Rechenwerk sagt, welche Operation auszuführen ist. Weiterhin gibt das erste Byte über die Länge des Befehls Auskunft. Erst wenn der gesamte Befehl gelesen ist, führt der Controller ihn aus. Dies kann unter anderem Lesen / Schreiben in Speicher oder Ausführen von Rechenoperationen sein. In den folgenden Byte/s stehen die Adressen oder die Register, die angesprochen werden sollen. Nach der Ausführung des Befehls holt die Ablaufsteuerung den nächsten Befehl aus dem Programmspeicher. Ist der letzte Befehl im Programmspeicher bearbeitet beginnt die CPU wieder bei der ersten Adresse ($0000), soweit keine anderen Sprünge oder Schleifen programmiert sind.

Die Ein- / Ausgabeports (I/O-Ports)

Alle Ports der AVR-RISC Controller verfügen über 8 Bit breite, bi-direktionale I/O-Ports. Bei dem AT90S1200 sowie dem AT90S2313 ist der Port D jedoch nur mit 7 Bit breit, da das Gehäuse nur 20 Anschlüsse hat. Bidirektional bedeutet, dass jeder Pin eines Ports als Ein- sowohl auch als Ausgang verwendet werden kann. In der Funktion als Eingang kann ihm nach Bedarf auch ein Pull-Up-Widerstand zugeschaltet werden kann. Jeder einzelne Port des Controllers wird über drei I/O-Bereiche des SRAMs angesprochen. Die Tabelle (siehe Anlage) zeigt welche Register erforderlich sind, sowie deren Adresse. Initial zeigt den Wert des Registers nach einem Reset an.

Jeder I/O-Pin ist nach dem gleichen Prinzip aufgebaut

RL RP