Arhitectura unui Microcontroler

1Obiectul și structura cursului6 min

Răspunsul trece prin patru straturi. Primul e reprezentarea informației - modul în care o mărime din lumea reală devine un șir de zerouri și de unu. Al doilea e memoria - locul în care acele șiruri stau și așteaptă. Al treilea e unitatea centrală de procesare - mașina care le citește, le transformă și le scrie înapoi. Al patrulea e ceasul - semnalul periodic care dă tuturor acestor operații ritmul lor.

Rezultate ale învățării

• Să convertiți o valoare între binar, zecimal și hexazecimal, și să identificați biții activi
• Să distingeți registrele de control de cele de stare, și să comandați un pin prin registre
• Să comparați SRAM, Flash și EEPROM după volatilitate, granularitate și cicluri de scriere
• Să explicați rolul indicatorilor din SREG și mecanismul depășirii de stivă
• Să comparați arhitectura von Neumann cu Harvard și să explicați pipeline-ul pe două etaje al AVR
• Să calculați numărul de instrucțiuni pe secundă și memoria SRAM disponibilă pentru o aplicație

2Bitul, octetul și cele trei scrieri10 min

Un microcontroler nu știe ce e un număr, o literă sau o temperatură. Tot ce știe e că într-un anumit punct al circuitului tensiunea e apropiată de alimentare sau apropiată de masă - această alegere binară e singura informație elementară pe care hardware-ul o poate păstra fără ambiguitate, și poartă numele de bit.

Grupul fundamental de opt biți se numește octet (byte) - 2⁸ = 256 valori distincte, suficient pentru alfabetul latin (ASCII) și exact rezoluția uzuală a unui ADC simplu. Multiplii se formează în puteri ale lui doi: 1 KB = 1024 octeți, nu 1000.

Trei scrieri pentru aceeași valoare

3Registrele și registrele cu funcții speciale11 min

Un registru e o celulă de memorie de foarte mare viteză, integrată chiar în interiorul unității centrale sau al unui modul periferic, la care procesorul are acces imediat - construit din bistabile așezate lângă unitatea aritmetică, astfel încât citirea sau scrierea să nu ceară un ciclu de magistrală. Tocmai pentru că sunt scumpi în suprafață de siliciu, registrele sunt puține, în timp ce memoria e ieftină și abundentă.

După funcție, registrele se împart în patru familii: de date (operanzi și rezultate), de adresă (pe AVR, perechile X, Y, Z permit parcurgerea unui tablou cu incrementare automată), de control (setări care determină comportamentul unui modul) și de stare (raportează condiții).

Registrele cu funcții speciale (SFR)

Nu sunt locuri de depozitare, ci interfețe - fiecare e legat prin fire fizice la un circuit intern concret. Pe ATmega328P, fiecare port e deservit de trei registre: DDRx (direcția: 1=ieșire, 0=intrare), PORTx (nivelul de ieșire, sau activarea pull-up-ului pentru intrare) și PINx (citirea stării electrice reale).

DDRB |= (1 << PB5);   /* PB5 devine iesire */
DDRD &= ~(1 << PD2);  /* PD2 devine intrare */
PORTD |= (1 << PD2);  /* activez pull-up-ul intern pe PD2 */

PORTB |= (1 << PB5);  /* aprind LED-ul */
PORTB &= ~(1 << PB5); /* sting LED-ul */
PORTB ^= (1 << PB5);  /* inversez starea LED-ului */

if ((PIND & (1 << PD2)) == 0) {   /* buton apasat = nivel 0 */
    PORTB |= (1 << PB5);
}

(1 « PB5) construiește o mască: 0b00100000. |= face un SAU bit cu bit - bitul 5 devine 1, restul rămân neatinși. &= cu masca negată prin ~ face un ȘI cu 0b11011111 - bitul 5 devine 0, restul neatinși. ^= face un SAU-EXCLUSIV, care inversează exact bitul acoperit de mască.

4Memoria unui microcontroler11 min

Memoria se împarte, după destinație, în memorie de program (instrucțiunile, trebuie să reziste la întreruperea alimentării) și memorie de date (variabile, rezultate intermediare, stiva - se modifică permanent, poate fi volatilă).

Memorii volatile

SRAM (static RAM) folosește o celulă din 4-6 tranzistoare, montate ca două inversoare în buclă - bucla se menține singură cât timp există alimentare, deci nu are nevoie de împrospătare și lucrează la viteze mari. Prețul: o celulă SRAM ocupă de câteva ori mai mult siliciu decât una DRAM, motiv pentru care se folosește acolo unde viteza contează și cantitatea e mică - memoria cache a procesoarelor și memoria de date a microcontrolerelor. DRAM folosește un condensator și un tranzistor - celula e mică (ieftină pe bit), dar sarcina se scurge, deci conținutul trebuie împrospătat periodic printr-un controler dedicat; e tipul folosit pentru memoria principală a calculatoarelor.

Memorii nevolatile

Memoria Flash e nevolatilă și reprogramabilă electric, dar ștergerea nu se poate face pe locații individuale, ci pe blocuri întregi (pagini) - de aceea se spune că ștergerea e neselectivă. Suportă însă un număr mare de cicluri (ordinul zecilor de mii pentru memoriile de program), motiv pentru care majoritatea microcontrolerelor actuale o folosesc pentru stocarea programului: permite reprogramarea în circuit, deci actualizarea firmware-ului la un produs deja livrat.

5Unitatea centrală: ALU, SREG, stiva12 min

Unitatea centrală de procesare (CPU) aduce instrucțiunile din memorie, le interpretează și le execută, generând semnalele care pun în mișcare restul circuitului. Se împarte în unitatea aritmetică și logică (ALU) și unitatea de control.

ALU și registrele generale

ALU primește la intrare unul sau doi operanzi și un cod de operație, produce un rezultat și un set de indicatori. Operațiile sunt puține și elementare: adunare, scădere, comparație, ȘI, SAU, SAU-EXCLUSIV, negare, deplasări, incrementare, decrementare - tot ce înseamnă calcul complicat se construiește din acestea, prin program.

Registrul de stare (SREG)

La fiecare operație aritmetică, ALU actualizează SREG, ale cărui biți se numesc indicatori (flags): Z (zero), C (carry - transport ieșit din bitul cel mai semnificativ), N (negative - copiază bitul de semn), V (depășire cu semn), S (semn corectat, N⊕V), H (transport între nibble-uri), T (bit de uz general), I (validarea globală a întreruperilor - fără el pe 1, nicio întrerupere nu e luată în seamă).

Unitatea de control și stiva

Numărătorul de program (PC) conține adresa următoarei instrucțiuni - se incrementează automat după fiecare aducere; salturile și apelurile funcționează scriind o valoare nouă în PC, singurul mecanism de ramificare.

6Magistrale, von Neumann și Harvard11 min

Unitatea centrală comunică cu memoria și perifericele prin magistrale (bus): de adrese (unidirecțională, determină capacitatea maximă adresabilă - o magistrală de n linii adresează 2ⁿ locații), de date (bidirecțională, lățimea ei dă numele arhitecturii - „pe 8 biți" înseamnă magistrala de date internă de 8 biți) și de control (comenzi de citire/scriere, ceas, întreruperi).

von Neumann vs. Harvard

În von Neumann, o singură memorie comună pentru date și instrucțiuni, o singură magistrală. Execuția cere minimum două etape (aducere+decodificare, apoi execuție), iar cele două accese se îmbulzesc pe același drum - fenomen numit gâtuirea von Neumann. Avantaj: flexibilitate - programul poate să își modifice propriul cod.

În Harvard, spațiile de memorie pentru instrucțiuni și date sunt separate fizic, fiecare cu magistrala lui proprie - aducerea unei instrucțiuni și accesul la o dată pot avea loc simultan.

Pipeline și hazarduri

Ideea de a suprapune etapele de execuție se numește pipeline, prin analogie cu o bandă de asamblare - mai multe instrucțiuni sunt simultan în lucru, fiecare într-o altă etapă.

Situațiile care opresc banda se numesc hazarduri: de date (o instrucțiune are nevoie de rezultatul uneia anterioare neterminate), de control (la ramificări, rezultatul condiției nu e cunoscut când instrucțiunea următoare a fost deja extrasă - dacă saltul se face, instrucțiunile aduse degeaba se aruncă) și structural (două instrucțiuni cer aceeași resursă simultan).

7Setul de instrucțiuni: RISC față de CISC8 min

Setul de instrucțiuni e mulțimea comenzilor de bază pe care un microcontroler le înțelege - definit în siliciu, prin structura decodificatorului, și constituie granița dintre hardware și software.

RISC față de CISC

Un procesor RISC recunoaște operații puține și uniforme; operațiile complicate se obțin combinându-le, deci un program RISC e mai lung în număr de instrucțiuni - dar instrucțiunile, simple și de aceeași dimensiune, se decodifică rapid și se execută, în majoritate, într-un singur ciclu. Aceasta face execuția previzibilă, esențial în sistemele de timp real.

Un procesor CISC are un set bogat (peste optzeci de instrucțiuni), multe specializate, diferite ca format și durată - un program CISC e mai scurt, avantaj când memoria era scumpă, dar durata fiecărei instrucțiuni variază și decodificarea e complicată.

8Arhitectura ATmega328P10 min

ATmega328P folosește o arhitectură Harvard modificată: spațiile de program și date sunt separate, ca în Harvard, dar există o cale (instrucțiunea LPM, registrul Z) prin care unitatea centrală poate citi constante din memoria de program - fără ea, un tabel de constante ar trebui copiat în SRAM la pornire, consumând inutil o resursă rară.

Trei memorii, cu roluri distincte: Flash de 32 KB (16384 cuvinte de 16 biți, deci PC-ul are exact 14 biți), împărțită în secțiunea de aplicație și secțiunea bootloader (câteva sute de octeți, primește programul nou pe serială); SRAM de 2 KB, cu spațiul de adrese unificat (32 registre generale, apoi 64 registre I/O, apoi 160 registre I/O extinse, abia apoi SRAM propriu-zisă - de aceea PORTB se comportă în C ca o variabilă obișnuită); și EEPROM de 1 KB, cu spațiu de adrese separat, accesată prin trei registre dedicate.

9Circuitul oscilator și ciclul de instrucțiune11 min

Fără semnalul de ceas, microcontrolerul nu e defect, ci îngheață: PC-ul nu mai avansează, instrucțiunile nu mai sunt aduse. Un microcontroler căruia i s-a oprit ceasul consumă foarte puțin - principiul modurilor de economie de energie.

Un cristal de cuarț oscilează la frecvența lui proprie de rezonanță mecanică (efect piezoelectric), determinată de dimensiuni - nu de tensiune sau temperatură, deci extrem de stabilă. ATmega328P are un oscilator RC intern de 8 MHz, calibrat din fabrică, divizat implicit cu opt (pornește la 1 MHz dacă nu i se spune altceva); sursa de ceas se alege prin biții de configurație permanentă (fuses).

10Alimentarea microcontrolerului8 min

ATmega328P acceptă un domeniu larg de alimentare, aproximativ 1,8-5,5 V - dar domeniul de tensiune și frecvența maximă sunt legate: tranzistoarele comută mai lent la tensiune mică, deci la 16 MHz circuitul are nevoie de minimum ~4,5 V, iar la 1,8 V frecvența maximă garantată scade la câțiva megahertzi. A alimenta la 3,3 V și a ceasa la 16 MHz e o abatere de la specificație care poate funcționa pe masa de laborator și poate ceda la temperaturi extreme.

Regula practică fără excepție: câte un condensator ceramic de 100 nF la fiecare pereche VCC-GND, cât mai aproape posibil de pinii circuitului, plus un electrolitic de ~10 µF la intrarea alimentării pe placă, pentru variațiile mai lente. Pe ATmega328P regula se aplică atât perechii VCC-GND, cât și AVCC-GND (partea analogică); pinul AREF cere și el propriul condensator, pentru că zgomotul de pe tensiunea de referință se regăsește direct în rezultatul conversiei analog-numerice.

11Un exemplu de conectare6 min

Ce trebuie legat la un ATmega328P scos din pungă pentru ca el să funcționeze? Răspunsul e surprinzător de scurt: o sursă de alimentare stabilizată și un modul de sincronizare. Restul pinilor deservesc aplicația, nu circuitul.

Montajul minimal: alimentarea de 5 V la VCC/AVCC, masa la GND, condensatoarele de decuplare de 100 nF lângă fiecare pereche; sursa de ceas (cristal de 16 MHz cu două condensatoare de sarcină de ~22 pF, sau nimic dacă se folosește oscilatorul intern); pinul RESET, activ pe nivel coborât, ținut la alimentare printr-o rezistență de pull-up de ~10 kΩ (lăsat în aer, captează zgomot și provoacă resetări aleatorii); și, dacă se folosește ADC-ul, un condensator de decuplare propriu pe AREF.

int main(void)
{
    DDRB |= (1 << PB5);   /* PB5 configurat ca iesire */
    while (1) {
        PORTB ^= (1 << PB5);           /* inverseaza starea pinului */
        for (volatile long i = 0; i < 200000L; i++) {
            ; /* intarziere aproximativa, prin bucla goala */
        }
    }
    return 0;
}

12Erori frecvente4 min

• „PORTB = 0b00100000; e echivalent cu PORTB |= (1 << PB5);, doar mai clar." Fals - prima formă rescrie toți cei opt biți, stingând orice altceva era aprins pe port. Efectul apare abia după săptămâni, când portul mai comandă și alte periferice. Modificați întotdeauna doar bitul dorit (|=, &=~, ^=), cu excepția inițializărilor complete.
• „32 KB de Flash sunt limita reală a unei aplicații AVR." Aproape întotdeauna nu - codul compilat e dens și încape confortabil în Flash. Constrângerea reală sunt cei 2 KB de SRAM, epuizați rapid de tablouri, buffere și stivă. Verificați raportul de utilizare a SRAM după fiecare compilare, nu doar Flash-ul.
• „Fără condensator de decuplare, montajul merge oricum - l-am testat pe masă." Funcționarea pe masa de laborator nu garantează nimic - efectele lipsei decuplării sunt intermitente și apar tipic la temperatură, vibrații sau sarcină electrică diferite. Puneți întotdeauna 100 nF cât mai aproape de fiecare pereche VCC-GND, fără excepție.

13Rezumat și glosar5 min

Informația elementară e bitul; opt biți formează un octet, scris echivalent în binar, zecimal sau hexazecimal - ultima fiind convenția foilor de catalog, pentru corespondența exactă cu grupele de patru biți. Registrele sunt celule de memorie rapide lângă unitatea centrală; registrele cu funcții speciale sunt interfețele prin care programul comandă direct perifericele, cu distincția esențială control (scris de program) / stare (scris de hardware). SRAM e volatilă și rapidă, Flash și EEPROM sunt nevolatile dar cu cicluri de scriere limitate. Unitatea centrală conține ALU (cu registrul de stare SREG) și unitatea de control (cu numărătorul de program și stiva, a cărei depășire produce comportament haotic greu de diagnosticat). Arhitectura Harvard, cu magistrale separate pentru program și date, permite pipeline-ul pe două etaje al AVR și execuția majorității instrucțiunilor într-un singur ciclu - motiv pentru care AVR e RISC. ATmega328P are 32 KB Flash, 2 KB SRAM (adevărata constrângere) și 1 KB EEPROM. Precizia sursei de ceas contează critic pentru comunicația serială asincronă, iar condensatoarele de decuplare nu sunt opționale.

14Întrebări de verificare6 min

1. Valoarea unui registru e 0x6D. Scrieți-o în binar și zecimal și precizați biții activi.
2. Care e diferența funcțională dintre un registru de control și unul de stare?
3. De ce arhitectura Harvard permite execuția majorității instrucțiunilor AVR într-un singur ciclu, spre deosebire de von Neumann?
4. Ce e un hazard de control, și cum explică el durata variabilă a unui salt condiționat pe AVR?
5. Comparați SRAM, Flash și EEPROM după volatilitate, granularitatea ștergerii și numărul de cicluri de scriere.
6. Un ATmega328P e ceasat la 8 MHz. Calculați perioada ceasului și numărul aproximativ de instrucțiuni pe secundă.
7. Explicați, pornind de la u = L·di/dt, de ce lipsa condensatoarelor de decuplare produce resetări aparent aleatorii.

15Direcții de aprofundare2 min

Cursul următor trece de la structura internă la procesul propriu-zis de programare: lanțul de compilare, de la codul sursă la biții din Flash, formatul Intel HEX, structura memoriei Flash cu bootloader-ul, și modurile de programare (ISP, prin bootloader).

Registrele, biții și schema de conectare din acest curs devin montaj real în Laboratorul 01B, lucrarea pregătitoare dedicată lucrului direct cu biți și registre.