AVR - Sygnał zegarowy – wiadomości podstawowe.pdf - Dokumenty AVR - sliwak

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

Prezentowany artykuł przeznaczony jest przede wszystkim dla początkujących w dziedzinie mikrokontrolerów.

Opisuje różnicę pomiędzy cyklem zegarowym i cyklem maszynowym oraz opcje nastaw źródeł sygnału

zegarowego w procesorach AVR. Rozważa ich wady i zalety, wskazuje możliwe przyczyny problemów oraz

sposoby radzenia sobie z nimi.

Sygnał zegarowy – wiadomości podstawowe.

Sygnał zegarowy jest dla procesora jak bicie serca.

Powoduje, że procesor realizuje jakiekolwiek instrukcje.

Często jednak zdarza się, że sygnał zegarowy

doprowadzany z zewnątrz ma inną częstotliwość niż

wewnętrzny, sterujący pobieraniem i realizacją przez

CPU procesora poleceń. W związku z tym wprowadzono

dwa pojęcia: cykl zegarowy i cykl maszynowy. Ten

pierwszy jest po prostu odwrotnością częstotliwości

generatora zegarowego. Ten drugi uzyskuje się w wyniku

uwzględnienia ewentualnych wewnętrznych podziałów

sygnału zegarowego. Bardzo dobrym przykładem jest

popularny mikrokontroler 8051, który w podstawowym

wykonaniu ma cykl maszynowy 12-tokrotnie dłuższy, niż

cykl zegarowy. Również, chociaż nastawa domyślna jest

inna, procesor AVR może mieć cykl maszynowy różny od

zegarowego. Będzie o tym mowa w dalszej części

artykułu.

Pojęcia cyklu maszynowego nie należy utożsamiać z

czasem realizacji instrukcji. W pewnych przypadkach

może tak być, jednak większości popularnych

mikrokontrolerów, realizacja pojedynczej instrukcji

zajmuje od dwóch do kilku cykli maszynowych i od 8 do

kilkudziesięciu cykli zegarowych.

Mikrokontroler AVR większość instrukcji wykonuje w

czasie pojedynczego cyklu zegarowego. Jego nowoczesna

konstrukcja jest jednym z przykładów, gdy cykl

zegarowy jest równy cyklowi maszynowemu. Jak łatwo

wywnioskować, im szybszy jest zegar procesora, tym

więcej instrukcji jest on w stanie wykonać w jednostce

czasu. Jest to twierdzenie prawdziwe, jeśli porównuje się

procesory o identycznych lub bardzo zbliżonych

architekturach. Dla różnych architektur wynik

porównania może być diametralnie różny.

Cykl zegarowy to okres wytwarzanego na

bazie rezonatora kwarcowego, elementów RC

itp. sygnału zegarowego. Można go obliczyć jako

odwrotność częstotliwości generatora

zegarowego.

cykl zegarowy = 1/F GEN

Cykl maszynowy to okres wewnętrznego

sygnału zegarowego. Oblicza się go po

uwzględnieniu wewnętrznych podziałów

częstotliwości sygnału zegarowego. W

mikrokontrolerze AVR cykl maszynowy =

cyklowi zegarowemu.

cykl maszynowy = wewnętrzny podział x 1/F GEN

Dla uproszczenia porównań różnych procesorów

wprowadzono pojęcie mocy obliczeniowej , dla

której zwykło się używać jednostki zwanej MIPS.

1 MIPS to nic innego, jak 1 milion operacji na

sekundę. W związku z tym, że w

mikrokontrolerze AVR cykl maszynowy jest

równy cyklowi zegarowemu, AVR taktowany

sygnałem o częstotliwości 8 MHz ma moc

obliczeniową w przybliżeniu równą 8 MIPS.

Standardowy 8051 ma przy takich samych

parametrach sygnału zegarowego, ma moc

obliczeniową około 0,667 MIPS.

Wybór źródła sygnału zegarowego.

Konstrukcja mikrokontrolera AVR umożliwia wybór różnych metod generowania sygnału zegarowego. Można

używać zewnętrznego generatora, rezonatora kwarcowego lub ceramicznego, niektóre z układów posiadają

wewnętrzny generator, którego częstotliwość może być ustalana przy pomocy elementów RC dołączanych z

zewnątrz lub wbudowanych w strukturę mikrokontrolera.

Zewnętrzny generator zegarowy to nic innego jak dołączane z zewnątrz źródło sygnału o poziomie takim,

jaki wymagany jest przez mikrokontroler. Może być zbudowany z użyciem elementów TTL czy CMOS, może być

również gotowym, zapewniającym bardzo wysoką stabilność częstotliwości doprowadzanego sygnału (np. z

własną stabilizacją termiczną oraz stabilizacją napięcia zasilającego) modułem generatora zegarowego

pochodzącym z szerokiej oferty producentów.

Sygnał z zewnętrznego generatora musi być doprowadzony na nóżkę oznaczoną jako XTAL1. Nóżkę XTAL2

pozostawia się w takim przypadku nie podłączoną. Zewnętrzny sygnał zegarowy powinien mieć bardzo krótkie

czasy narostów (do kilkudziesięciu ns), a w celu zapewnienia stabilnej pracy mikrokontrolera musi mieć czysty

kształt prostokątny. Sposób dołączenia generatora ilustruje rysunek 1.

J.Bogusz ,,Nastawy zegara w mikrokontrolerach AVR”, strona 1/10

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

Rysunek 1. Dołączenie zewnętrznego generatora zegarowego.

Rezonator kwarcowy dołączany z zewnątrz, to jedna z najczęściej wykorzystywanych metod. Jej zaletą są

właściwości samego rezonatora, to jest duża stabilność generowanej częstotliwości w funkcji czasu oraz

temperatury otoczenia przy jednocześnie umiarkowanej cenie. Rezonatory dostępne są w wielu rozmiarach i

dla różnych wartości częstotliwości. Na rysunku 2 pokazano sposób dołączenia rezonatora kwarcowego.

Mikrokontroler AVR posiada układ generatora wbudowany w strukturę. Kwarc dołącza się pomiędzy

wyprowadzenia XTAL1 i XTAL2.

Rysunek 2. Sposób dołączenia rezonatora kwarcowego do popularnego AT90S2313

Jest to chyba jedna z najpowszechniej stosowanych metod generowania sygnału zegarowego. Stosując ją nie

można jednak zapominać o podstawowych właściwościach fizycznych i elektrycznych rezonatora. Bez żadnych

problemów kupić rezonator kwarcowy na pożądaną częstotliwość. Należy wybierać takie, które pracują z

rezonansem równoległym. Jak wynika z rysunku, do poprawnej pracy wymagają one dodatkowo dwóch

kondensatorów o pojemności (według materiałów firmy Atmel) 30pF±10pF. Każdy jest w stanie kupić kwarc i

dołączyć wraz z dwoma kondensatorami do mikrokontrolera. Nie ma w tym żadnego problemu. Otóż może się

okazać, że pojemności dołączone do rezonatora są mimo wszystko problemem.

Rezonator kwarcowy do poprawnej, stabilnej pracy wymaga dołączenia kondensatorów o ściśle określonych

wartościach. Jak wspomniałem wcześniej, ich wartość to ok. 30pF i jest porównywalna z wartościami

wnoszonych, często szkodliwych, pojemności montażowych. Czasami może się zdarzyć, że po zmontowaniu

układu oscylator kwarcowy nie startuje. Gdy zaczynamy poszukiwanie usterki i dotykamy wyprowadzeń

mikrokontrolera np. sondą logiczną – ten w cudowny sposób „ożywa”. Po oddaleniu sondy i upływie bliżej nie

określonego czasu – ponownie układ zamiera. W jaki sposób upewnić się, że przynajmniej teoretycznie

dobraliśmy właściwe pojemności do stosowanego rezonatora?

Jeśli posiadamy kartę katalogową rezonatora, należy odszukać parametr o nazwie „Load Capacitance”

(przykładowe parametry rezonatorów produkcji firmy CQ zestawiono w Tabeli 1). Może on być dla przykładu

równy 20 pF. Oznacza to, że dla poprawnej pracy rezonator kwarcowy powinien mieć dołączoną pojemność o

takiej wartości. Rezonator nie rozróżnia czy jest to pojemność montażowa, czy dołączona celowo. W związku z

J.Bogusz ,,Nastawy zegara w mikrokontrolerach AVR”, strona 2/10

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

tym nasuwa się jeden wniosek: wartość pojemności podana przez producenta rezonatora nie odpowiada

wartości pojemności dołączanych kondensatorów. Powinno się również uwzględnić wnoszoną pojemność

montażową wynikającą ze sposobu ułożenia ścieżek drukowanych, położenia punktów lutowniczych,

prowadzenia mas, pojemności wejściowej doprowadzeń mikrokontrolera itp.

Typowo w układach amatorskich wartość tej dodanej pojemności waha się pomiędzy 6 a 10 pF. Uwzględniając

powyższy opis, aby wyznaczyć właściwą wartość pojemności kondensatorów dołączanych do kwarcu, należy

skorzystać z następującej zależności (uwzględnia ona wzajemne oddziaływanie na siebie pojemności):

C X = 2 x (C L – C M ), gdzie:

C X – wartość pojemności dołączanej do kwarcu

C L – parametr „Load Capacitance”

C M – pojemność montażowa (średnio 8 pF)

Wykonajmy obliczenia dla podanych wyżej parametrów (C L = 20 pF, C M = 8 pF):

C X = 2 x (20 – 8)pF = 2 x 12 pF = 24 pF.

Jak wynika z obliczeń, obie wartości pojemności dołączonych do mikrokontrolera powinny mieć wartość 24 pF.

Może się jednak zdarzyć, że dysponujemy rezonatorem, o którym nie wiemy nic za wyjątkiem wydrukowanej

na jego obudowie częstotliwości. Niestety w takiej sytuacji skazani będziemy na eksperymentowanie. Osobiście

używam w takich przypadkach kondensatorów o pojemności około 27 pF przy częstotliwości do 8MHz. Powyżej

tej częstotliwości, używam kondensatorów o pojemności 22pF.

Powyższe informacje również należy traktować jako wskazówka przy samodzielnym rozwiązywaniu problemów.

Normalnie większość rezonatorów kwarcowych działa od razu po załączeniu zasilania, przy dołączonych

pojemnościach z zakresu od 22 do 33pF.

Tabela 1. Parametry rezonatorów produkcji firmy CQ.

Ceramiczny rezonator o 2 wyprowadzeniach. Funkcjonalnie rezonator ceramiczny zbliżony jest do

kwarcowego z tym, że jest znacznie tańszy. Konsekwencją ceny jest również jakość pracy, to jest stabilność i

dokładność generowanej częstotliwości. W związku z tym nie zawsze będzie się on nadawał do taktowania

pracą interfejsu asynchronicznego (UART), ale zależy to od jakości oferowanej przez danego producenta. Ma

J.Bogusz ,,Nastawy zegara w mikrokontrolerach AVR”, strona 3/10

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

on jednak i swoje zalety. Rezonator ceramiczny nie jest tak delikatny jak kwarcowy i w związku z tym dobrze

nadaje się do środowisk pracy, gdzie występują duże wibracje. Układ pracy rezonatora ceramicznego 2-

wyprowadzeniowego jest identyczny, jak rezonatora kwarcowego, jednak wymaga on dołączenia większych

pojemności. Materiały firmy Atmel podają dla rezonatorów ceramicznych wartość 40pF±10pF.

Rezonator ceramiczny o 3 wyprowadzeniach ma identyczne właściwości, jak opisywany poprzednik 2-

wyprowadzeniowy. Różnica polega jedynie na tym, że ma wbudowane do wewnątrz pojemności tak, że nie

muszą być one dołączane jako osobne komponenty. Sposób dołączenia tego typu rezonatora pokazano na

rysunku 3. Przeważnie skrajne wyprowadzenia podłącza się odpowiednio do XTAL1 i XTAL2 a środkowe do

masy. Jedna uwaga: ważne jest, aby masa była dołączona właściwie, wyprowadzenia XTAL1 i XTAL2 mogą być

zamieniane.

Rysunek 3. Sposób dołączenia zewnętrznego rezonatora ceramicznego.

Wewnętrzny generator RC wbudowany jest w niektóre AVR z serii 90 i wszystkie ATMega. Niektóre z AVR

posiadają pojedynczy układ oscylatora, podczas gdy inne mają aż cztery różne do wyboru. Zakres

generowanych częstotliwości można ustawić w granicach od 4 do 9,6MHz. W Tabeli 2 umieszczono zestawienie

współcześnie produkowanych mikrokontrolerów AVR wyposażonych w oscylator RC.

Nazwa mikrokontrolera Częstotliwość generowana

przez oscylator RC

ATtiny12 1,2

ATtiny15 1,6

ATmega163 1,0

ATmega323 1,0

ATmega8 1,0; 2,0; 4,0; 8,0

ATmega16 1,0; 2,0; 4,0; 8,0

ATmega32 1,0; 2,0; 4,0; 8,0

ATmega64 1,0; 2,0; 4,0; 8,0

ATmega128 1,0; 2,0; 4,0; 8,0

ATmega8515 1,0; 2,0; 4,0; 8,0

ATmega8535 1,0; 2,0; 4,0; 8,0

ATmega162 8,0

ATmega169 8,0

ATtiny13 4,8; 9,6

ATtiny2313 4,0; 8,0

ATmega48 8,0

Tabela 2. Zestawienie mikrokontrolerów AVR wyposażonych w oscylator RC.

Oscylator RC może być różny w różnych układach, ale we wszystkich spotkamy się z zależnością generowanej

częstotliwości od wartości napięcia zasilającego mikrokontroler. Dlatego też w czasie produkcji wykonywana

jest kalibracja oscylatora tak, aby zapewnić właściwą wartość generowanej częstotliwości przy zasilaniu

napięciem 3,3 lub 5V. Wewnętrzny generator można również kalibrować samodzielnie, ale mimo wszystko

stabilność generowanej częstotliwości pozostawia nieco do życzenia. Na przykład producent zapewnia

J.Bogusz ,,Nastawy zegara w mikrokontrolerach AVR”, strona 4/10

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

dokładność ±10% a wykonując kalibrację samodzielnie w pracującym układzie, w stabilnych warunkach

zasilania można osiągnąć dokładność rzędu ±1%. Niestety wartość częstotliwości będzie również wykazywać

pewne fluktuacje w funkcji temperatury. Firma Atmel posiada znakomitą notę aplikacyjną mówiącą o

sposobach użycia i kalibrowania oscylatora RC. Podane są w niej wszelkie zależności i charakterystyki robocze.

Zainteresowanych tematem odsyłam do lektury AVR053 (http://www.atmel.com/).

Aby włączyć wewnętrzny generator RC należy ustawić odpowiedni bit bezpiecznika. Wiele ze sprzedawanych

układów ma ten bit ustawiony już w momencie produkcji. Często można dzięki temu spotkać na grupach

dyskusyjnych pytania w rodzaju: „Dołączyłem zewnętrzny kwarc 10MHz a układ pracuje o wiele wolniej. Co się

dzieje?”. Należy upewnić się, że bit opcji generatora ma właściwą wartość nastawy. Będzie o tym mowa dalej.

Wobec tak licznych możliwości taktowania pracą mikrokontrolera pojawić się może pytanie: jak dobrać

właściwy rodzaj generatora do konstruowanej aplikacji? To nie takie trudne jak może się początkowo wydawać.

Jeśli wymagana jest bardzo duża dokładność generowanej częstotliwości, należy użyć zewnętrznego,

specjalizowanego generatora. Opcja ta jest również bardzo wygodna wówczas, gdy mamy do czynienia z

dużymi wartościami częstotliwości zegarowej. Praktycznie można ją polecić już od ok. 30MHz wzwyż. Bardzo

dużą dokładność i stabilność generowanej częstotliwości zapewnia również rezonator kwarcowy. Może nie aż

tak dobrą, jak specjalizowany generator, ale wystarczającą dla większości popularnych zastosowań. Polecam

go do stosowania zwłaszcza przy korzystaniu z transmisji asynchronicznej (UART tj. RS232, RS485 itp.).

Mniejszą dokładność, ale za znacznie niższą cenę zapewnia rezonator ceramiczny. Jego stosowanie upraszcza

układ i obniża koszt, choć może nie nadaje się do układów elektroniki profesjonalnej. Zdecydowanie najtańsze i

najprostsze w użyciu jest wykorzystanie generatora RC wbudowanego w strukturę AVR. Niezbyt stabilny,

wymagający kalibracji, ale wystarczający do zastosowania np. w zabawce, termometrze, czujce alarmowej i

innych niezbyt wymagających, jeśli patrzeć na nie pod kątem rygorów czasowych, aplikacjach mikrokontrolera.

Nastawy bitów kontrolnych.

Dla większości mikrokontrolerów z rodziny AT90 nie ma potrzeby martwić się o nastawy bitów kontrolnych

(bezpieczników). Należy po prostu podłączyć zewnętrzny oscylator kwarcowy czy ceramiczny, ewentualnie

generator zegarowy i już można normalnie używać układu mikrokontrolera. Inaczej jest w przypadku AVR z

serii ATMega.

Właściwa sposób nastawy zależy od rodzaju używanego programatora i jego oprogramowania. Nie można

niestety opisać jednej, uniwersalnej metody dla wszystkich. W artykule opiszę ogólne zasady wykonywania

nastaw oraz sposoby użycia popularnych narzędzi, takich jak AVR Studio (z dołączonym STK500 lub JTAG ICE)

oraz Bascom AVR (z dołączonym STK300).

Sposób wykonywania nastaw z dołączonym STK500 jest bardzo prosty. Z menu wybieramy opcję TOOLS Æ

STK500/AVRISP/JTAG ICE. Ilustruje to fotografia 1.

Fotografia 1. Wybór narzędzia STK500 z menu AVR Studio 4

Pojawi się okno nastaw, gdzie po wybraniu typu mikrokontrolera oraz zakładki FUSES uzyskujemy możliwość

nastaw zegara. Ilustruje to fotografia 2 ukazująca fragment nastaw mikrokontrolera ATMega 128.

J.Bogusz ,,Nastawy zegara w mikrokontrolerach AVR”, strona 5/10

AVR - Sygnał zegarowy – wiadomości podstawowe.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: