Принципы функционирования аппаратных таймеров-счетчиков, входящих в состав микроконтроллера AVR АТMEGA 128

В микроконтроллере AVR АТMEGA 128 содержатся 4 аппаратных таймера/счетчика (Т0 – Т3), из которых Т0 и Т2 являются 8 разрядными, а Т1 и Т3 – 16 разрядными. В состав таймеров/счетчиков входят 3 основных регистра ввода/вывода: счетный регистр TCNTx, регистр управления TCCRx и регистр сравнения OCRx. Дополнительно для управления прерываниями от таймеров/счетчиков используются регистры TIMSK и TIFR.

В регистр TIMSK записываются управляющие (маскирующие) биты (см. рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Регистр маски прерываний от таймеров/счетчиков – TIMSK.

Описание управляющих битов регистра TIMSK приводится ниже:

Бит 7 – OCIE2: разрешение прерывания по совпадению 8 разрядного таймера/счетчика Т2;

Бит 6 – TOIE2: разрешение прерывания по переполнению 8 разрядного таймера/счетчика Т2;

Бит 5 – TIСIE1: разрешение прерывания по событию «захват» 16 разрядного таймера/счетчика Т1;

Бит 4 – OCIE1А: разрешение прерывания по совпадению «А» 16 разрядного таймера/счетчика Т1;

Бит 3 – OCIE1В: разрешение прерывания по совпадению «В» 16 разрядного таймера/счетчика Т1;

Бит 2 – ТОIE1: разрешение прерывания по переполнению 16 разрядного таймера/счетчика Т1;

Бит 1 – OСIE0: разрешение прерывания по совпадению 8 разрядного таймера/счетчика Т0;

Бит 0 – TOIE0: разрешение прерывания по переполнению 8 разрядного таймера/счетчика Т0;

В регистре TIFR формируются соответствующие флаги (см. рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 – Регистр флагов прерываний от таймеров/счетчиков – TIFR.

Описание флагов регистра TIFR приводится ниже:

Бит 7 – OCF2: флаг прерывания по совпадению 8 разрядного таймера/счетчика Т2;

Бит 6 – TOF2: флаг прерывания по переполнению 8 разрядного таймера/счетчика Т2;

Бит 5 – ICF1: флаг прерывания по событию «захват» 16 разрядного таймера счетчика Т1;

Бит 4 – OСF1A: флаг совпадения «А» 16 разрядного таймера/счетчика Т1;

Бит 3 – OСF1В: флаг совпадения «В» 16 разрядного таймера/счетчика Т1;

Бит 2 – TOV1: флаг прерывания по переполнению 16 разрядного таймера/счетчика Т1;

Бит 1 – OCF0: флаг прерывания по совпадению 8 разрядного таймера/счетчика Т0;

Бит 0 – TOV0: флаг прерывания по переполнению 8 разрядного таймера/счетчика Т0;

Рассмотрим подробно принципы функционирования 8-ми разрядного таймера/счетчика Т0, структурная схема которого представлена на рисунке 4.3. В состав таймера/счетчика Т0 входят 3 8-разрядных регистра ввода/вывода:

- счетный регистр TCNT0;

- регистр сравнения OCR0;

- регистр управления TCCR0.

Дополнительно для задания режимов работы и управления прерываниями используются регистры ASSR, TIMSK и TIFR. Адреса основных регистров таймера/счетчика Т0 c указанием их идентификаторов приводятся в таблице 4.2.

Таблица 4.2 – Адреса* и аббревиатуры регистров, использующихся при работе с таймером/счетчиком Т0

*Адреса регистров указываются в адресном пространстве ввода/вывода.

Регистр ASSR (см. рисунок 4.4) позволяет задать режим работы таймера/счетчика Т0. Сигнал AS0 подается на адресный вход мультиплексора MUX1 и определяет входной сигнал для предварительного делителя Prsc частоты. Результирующая частота f_р0 таймера/счетчика Т0 (частота обновления значений в счетном регистре TCNT0, период – Т_р0) определяется значениями битов CS00, CS01, CS02 регистра TCCR0 (см. рисунок 4.5), с помощью которого устанавливаются необходимые параметры работы таймера. В зависимости от режима работы, значения, содержащиеся в счетном регистре TCNT0, либо инкрементируются, либо декрементируются (изначально в TCNT0 содержится 0). Флаг переполнения таймера нахо­дится в регистре TIFR (см. рисунок 4.2). Разрешение и запрещение прерываний от таймера устанавливается в соответствующих битах реги­стра TIMSK (см. рисунок 4.1).

Рисунок 4.3 – Структурная схема 8-ми разрядного таймера/счетчика Т0

Таймер/счетчик Т0 можно использовать как счетчик с высо­ким разрешением, так и для точных применений с низким коэффициентом деления тактовой частоты. Более высокие коэффициенты деления можно указывать для работы с медленно изменяющимися функциями или при измерении длительности временных интервалов между редкими событиями. При переполнении счетного регистра TCNT0 устанавливается флаг ТОV0. В каждом цикле работы таймера/счетчика Т0 происходит сравнение значений, находящихся в счетном регистре TCNT0 и регистре сравнения ОСR0. В случае равенства содержимого этих регистров устанавливается флаг OCF0 регистра TIFR (см. рисунок 4.2). Если в регистре TIMSK (см. рисунок 4.1) установлены управляющие биты ТОIE0 и OCIE0, то при возникновении событий ТСNT0>255 (переполнение) и TCNT0=OCR0 (совпадение) генерируются соответствующие прерывания, обработчики которых описываются как:

interrupt [TIM0_OVF] void timer0_overflow (void) // переполнение;

interrupt [TIM0_COMP] void timer0_compare (void) // совпадение.

Прерывания обрабатываются только при установленном флаге I разрешения прерываний регистра состояния SREG.

Рисунок 4.4 – Регистр управления таймером/счетчиком Т0

в асинхронном режиме – ASSR

Описание управляющих битов регистра ASSR приводится ниже:

Биты 7..4 – зарезервированы и всегда читаются как 0.

Бит 3 – AS0: бит переключения режима работы 8 разрядного таймера/счетчика Т0: если AS0=0, то на вход предварительного делителя частоты поступает внутренний тактовый сигнал микроконтроллера с частотой CLK (синхронный режим), если AS0=1, то на вход предварительного делителя частоты поступает внешний тактовый сигнал по линии ТOSC1 (асинхронный режим);

Бит 2 – ТСNТ0UB: флаг обновления счетного регистра TCNT0: в начале операции записи нового значения в TCNT0 флаг устанавливается в 1, а при завершении – в 0;

Бит 1 – OCR0UB: флаг обновления регистра сравнения OCR0: в начале операции записи нового значения в OCR0 флаг устанавливается в 1, а при завершении – в 0;

Бит 0 – ТСR0UB: флаг обновления управляющего регистра TCСR0: в начале операции записи нового значения в TCСR0 флаг устанавливается в 1, а при завершении – в 0;

Рисунок 4.5 – Регистр управления таймером/счетчиком Т0 - TCCR0

Описание управляющих битов регистра TCCR0 приводится ниже:

Бит 7 – FOC0: бит установки принудительного изменения состояния вывода ОС0: FOC0=0 в режимах “Быстродействующий ШИМ” и “ШИМ с точной фазой”, если FOC0=1, то состояние вывода ОСN0 изменяется в соответствие с установками разрядов COM00 и СОМ01;

Биты 6,3 – WGM00, WGM01: определяют режим работы таймера счетчика Т0 (см. таблицу 4.3);

Биты 5,4 – COM01, COM00: определяют поведение вывода OC0 при появлении события «совпадение» (см. таблицу 4.4);

Биты 2,1,0 – СS02, CS01, CS00: определяют частоту тактового сигнала таймера/счетчика Т0 (см. таблицу 4.5);

Таблица 4.3 – Режимы работы таймера/счетчика Т0

Таблица 4.4 – Режимы управления выводом ОС0 таймера/счетчика Т0

При работе таймера/счетчика Т0 от внешнего сигнала, внешний сигнал синхронизируется с сигналом CLK тактового генератора микроконтроллера. Для корректной обработки внешнего сигнала, минимальный интервал между соседними импульсами внешнего сигнала должен превышать период тактовой частоты процессора. Сигнал внешнего источни­ка обрабатывается по спадающему фронту тактовой частоты процессора.

Таблица 4.5 – Значения коэффициентов для предварительного

делителя частоты таймера/счетчика Т0

В состав микроконтроллера AVR MEGA 128 входят два 16-разрядных таймера/счетчика Т1 и Т3. Данные устройства, за исключением некоторых специфических функций (например, режим “захвата”), работают аналогично 8-разрядным таймерам счетчикам и используются для сходных целей, однако позволяют выполнять счет со значительно меньшими частотами.

Рассмотрим подробно функционирование таймера/счетчика Т1. В состав таймера/счетчика Т1 входят следующие регистры:

- 16-разрядный счетный регистр TCNT1;

- три 16-разрядных регистра сравнения OCR1A, OCR1B, OCR1C;

- три 16-разрядных регистра управления TCCR1A, TCCR1B, TCCR1C;

- 16-разрядный регистр захвата ICR1.

Дополнительно для задания режимов работы и управления прерываниями используются регистры TIMSK, ETIMSK, TIFR, ETIFR, ICR1. Адреса основных регистров таймера/счетчика Т1 c указанием их идентификаторов приводятся в таблице 4.6.

Каждый 16-разрядный регистр физически размещается в двух 8-разрядных регистрах ввода/вывода, аббревиатуры которых получаются путем добавления к названию регистра букв H (High, старший байт) L (Low – младший байт). Например, 16 разрядный счетный регистр TCNT1 физически находится в двух 8-разрядных регистрах TCNT1H: TCNT1L. Для того, чтобы запись или чтение обоих байт, входящих в состав 16-разрядного регистра, происходила одновременно, в составе таймеров/счетчиков Т1 и Т3 имеется специальный (программно недоступный) 8-разрядный регистр TEMP, предназначенный для хранения старшего байта значения.

Таблица 4.6 – Адреса* и аббревиатуры регистров, использующихся при работе с таймером/счетчиком Т1.

*Адреса регистров указываются в адресном пространстве ввода/вывода.

При записи 16-разрядного значения сначала должен быть загружен старший байт (в регистр ТЕМР), а затем младший байт с регистром ТЕМР записываются в одном такте. Прерывания при записи данных в 16-разрядные регистры прерывания должны быть запрещены. В режиме чтения сначала должен быть считан младший байт 16-разрядного регистра. Счетный регистр TCNT1 используется для хранения значений реверсивного счетчика, данные в котором инкрементируется или декрементируется по фронту тактового сигнала таймера/счетчика Т1. Если установлен флаг TOIE1 в регистре TIMSK (cм. рисунок 4.1), то при переполнении TCNT1 генерируется прерывание и устанавливается флаг TOV1 в регистре TIFR (см. рисунок 4.2). Заголовок процедуры обработки прерывания по переполнению регистра-счетчика TCNT1 может выглядеть следующим образом:

interrupt [TIM1_OVF] void timer1_overflow (void).

Блок сравнения таймера/счетчика Т1 содержит 3 16-разрядных регистра сравнения OCR1A, OCR1B, OCR1C. Во время работы таймера/счетчика в каждом машинном цикле выполняется непрерывное сравнение данных этих регистрах со значением в TCNT1. При равенстве значений этих регистров генерируются прерывания по сравнению (при установленных флагах TOIE1А, TOIE1В, TOIE1С в регистрах TIMSK / ЕTIMSK) и устанавливаются соответствующие флаги OCF1A, OCF1A, OCF1A в регистрах TIFR / ETIFR. Описания заголовков процедур обработки прерываний по сравнению может выглядеть следующим образом:

interrupt [TIM1_COMPA] void timer1_compareА (void);

interrupt [TIM1_COMPВ] void timer1_compareВ (void);

interrupt [TIM1_COMPС] void timer1_compareС (void).

В стандартном режиме работы все биты управляющих регистров TCCR1A и TCCR1С устанавливаются в 0 (подробное описание данных регистров приводится в [1]). Формирование тактового сигнала таймера/счетчика осуществляется с помощью предделителя. Результирующая частота f_р1 таймера/счетчика Т1 (частота обновления значений в счетном регистре TCNT1, период – Т_р1) определяется значениями битов CS00, CS01, CS02 регистра TCCR1B (см. рисунок 4.6), с помощью которого устанавливаются необходимые параметры работы таймера (см. таблицу 4.7). Автоматический сброс счетного регистра TCNT1 при совпадении со значением регистра OCR1A программируется путем установки 3-го бита регистра TCCR1В в 1.

Рисунок 4.6 – Регистр управления таймером/счетчиком Т1 – TCCR1B

Описание управляющих битов регистра TCCR1B сходно с описанием битов регистра TCCR0 (см. рисунок 4.5).

Таблица 4.6 – Значения коэффициентов для предварительного делителя частоты таймера/счетчика Т1

Пример С–программы инициализации таймера–счетчика Т0 для генерирования прерываний по переполнению, работающего в стандартном режиме с частотой CLK/1024 приводится ниже:

ASSR = 0; задание синхронного режима работы;

TCCR0 = 7; задание параметров предделителя;

TIMSK = 1; установка бита TOIE0 для разрешения прерывания по переполнению таймера-счетчика Т0;

#asm("sei"); разрешить прерывания в системе.

4.2 Описание лабораторной установки

Лабораторная работа выполняется в индивидуальном порядке. На каждом рабочем месте должны быть установлены: многофункциональный лабораторный макет на базе микроконтроллера AVR ATMEGA 128, ПЭВМ типа IBM PC/AT c инсталлированным программным обеспечением: операционной системой MS–WINDOWS v. 9x, 2000, XP и программатором на основе кросс-компилятора языка программирования C CodeVision AVR. Задания выполняются на лабораторном макете на базе 8-ми разрядного микроконтроллера AVR ATMEGA 128. Исследуемые в работе таймеры - счетчики Т0 и Т1 входят в состав микроконтроллера. Для индикации режимов работы таймеров дополнительно используется блок из 8 светодиодов (см. рисунок 1.7), подключенных к микроконтроллеру через порт D в соответствие со схемой, приведенной на рисунке 1.9 (катоды светодиодов подключены к выводам порта D, на аноды светодиодов подано положительное напряжение). Подробное описание лабораторного макета приведено в пункте 1.2 лабораторной работы № 1.

4.3 Порядок проведения работы и указания по ее выполнению

Перед началом выполнения практической части лабораторной работы проводится экспресс–контроль знаний по принципам функционирования таймеров/счетчиков, входящих в состав микроконтроллера AVR ATMEGA 128, а также по способам задания и измерения временных интервалов. При подготовке к лабораторной работе необходимо составить предварительный вариант листинга программы, в соответствие с индивидуальным заданием (см. таблицу 4.7).

Задание. Разработать в среде программирования Code Vision AVR программу на языке С для микроконтроллера AVR ATMEGA 128, управляющую блоком из 8-ми светодиодов. Временные параметры индикации задаются с помощью установок таймеров – счетчиков Т1 или Т0. Варианты индивидуальных заданий представлены в таблице 4.7.

Порядок выполнения задания:

1. Включить лабораторный макет (установить выключатель электропитания в положение I, и убедиться в свечении индикатора электропитания красным цветом).

2. Запустить компилятор Code Vision AVR.

3. Создать пустой проект.

4. Создать файл ресурса для кода программы и подключить его к проекту.

5. Ввести код исходного модуля программы управления блоком светодиодов в соответствие с вариантом задания, указанном в таблице 4.7.

6. Выполнить компиляцию (нажав клавишу F9) исходного модуля программы и устранить ошибки, полученные на данном этапе.

7. Настроить параметры программатора.

8. Создать загрузочный модуль программы (нажав комбинацию клавиш Shift+F9) и выполнить программирование микроконтроллера.

9. Проверить работоспособность загруженной в микроконтроллер программы и показать результаты работы преподавателю.

10. В случае некорректной работы разработанной программы, выполнить аппаратный сброс микроконтроллера, провести отладку исходного модуля программы и заново проверить функционирование программы, повторив выполнение пункта 9.

Пример выполнения задания: разработать программу, выполняющую в бесконечном цикле управление блоком светодиодов в режиме “бегущий огонь” (с последовательным включением/выключением светодиодов блока индикации). Задание временных интервалов выполнить с помощью следующих настроек таймера Т1: управляющее прерывание TIM1_OVF, частота счета f _р1 = 43 КГц.

Решение: Программное управление блоком светодиодов в режиме “бегущий огонь” можно обеспечить, записывая во все, кроме нулевого, разряды регистра PORTD порта D уровни “логической единицы” (погасить все светодиоды кроме нулевого), а затем выполняя циклическое перемещение нулевого уровня по линиям порта D. Данные действия необходимо разметить в обработчике прерывания TIM1_OVF по переполнению от таймера – счетчика Т1.

Частота изменения значений в счетном регистре TCNT1 таймера – счетчика Т1 равна 43 КГц (см. таблицу 4.6):

f _р1 = CLK/256 = 11 Мгц/256 = 43 КГц

Соответственно значение, заносимое в регистр TCCR1B, равняется 4.

Период изменения значений в счетном регистре TCNT1:

Т_р1=1/ f _р1=23 мкс.

Соответственно длительность одного полного цикла счета таймера Т1 равна:

t₁=23 мкс · 65536 ≈1,5 с.

Таким образом, с интервалом 1,5 с будет осуществляться циклическое перемещение зажженного светодиода (согласно алгоритму, приведенному на рисунке 4.7).

Полный текст исходного модуля программы на языке С с подробными комментариями приводится ниже:

#include <mega128.h> Подключить заголовочный файл mega128.h;

unsigned char ld_stat=0xFE; описание глобальной переменной ld_stat

с присвоением начального значения 0xfe;

interrupt [TIM1_OVF] void timer1_overflow(void) процедура обработки

{ прерывания по переполнению от таймера–счетчика Т1;

led_stat<<=1; выполнить логический сдвиг на 1 разряд значения в ld_stat;

ld_stat|=1; выполнить операцию логического ИЛИ над младшим битом

переменной ld_stat;

if (ld_stat==0xFF) ld_stat=0xFE; при переносе нулевого значения из 7-го бита (за пределы левой границы блока светодиодов) загрузить в переменную ld_stat начальное значение 0xFE;

PORTD=ld_stat; вывести значение led_status в PORTD дляиндикации;

} завершение процедуры обработки прерывания;

main() { основная часть программы;

DDRD=0xFF; настроить порт D на вывод данных;

PORTD=0xFF; погасить все светодиоды;

TCCR1A=0; задание режимов работы для таймера-счетчика Т1;

TCCR1B=4; задание частоты работы для таймера-счетчика Т1;

TIMSK=4; разрешить прерывание TIM1_OVF по переполнению

16 разрядного таймера/счетчика Т1;

#asm("sei"); установить бит I общего разрешения прерываний;

while (1) { } установить цикл с бесконечным числом итераций;

} завершающая операторная скобка программы.

Рисунок 4.7 – Алгоритм программы управления блоком светодиодов

в режиме “бегущий огонь”.

Таблица 4.7 – Варианты индивидуальных заданий

* задания повышенной сложности.

Содержание отчета

В отчете необходимо привести следующее:

характеристики лабораторной вычислительной системы;

исходный модуль разработанной программы;

анализ полученных результатов и краткие выводы по работе, в которых необходимо отразить особенности использования встроенных таймеров микроконтроллера для формирования аппаратно-независимых временных интервалов.

4.5 Контрольные вопросы и задания

1. B чем преимущества обмена по прерываниям по сравнению с другими известными вам способами обмена информацией?

2. Что включает в себя понятия системы прерываний?

3. Поясните понятия вектора прерываний и таблицы векторов прерываний.

4. Какие действия выполняет микроконтроллер при переходе на процедуру обработки прерывания?

5. Поясните принципы формирования временных интервалов с помощью 8–разрядного таймера–счетчика.

6. Поясните принципы формирования временных интервалов с помощью 16–разрядного таймера–счетчика.

Поиск по сайту: