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).
| № бита | ||||||||
| 37h(57h) | ОCIE2 | TOIE2 | TICIE1 | OCIE1А | OCIE1В | TOIE1 | OCIE0 | TOIE0 |
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).
| № бита | ||||||||
| 36h (56h) | OCF2 | TOV2 | ICF1 | OCF1А | OCF1В | TOV1 | OCF0 | TOV0 |
Рисунок 4.2 – Регистр флагов прерываний от таймеров/счетчиков – TIFR.
Описание флагов регистра TIFRприводится 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
| Адрес* | Аббревиатура | Адрес* | Аббревиатура | Адрес* | Аббревиатура |
| 032h | TCNT0 | 033h | TCCR0 | 037h | TIMSK |
| 031h | OCR0 | 030h | ASSR | 036h | TIFR |
*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 fр0 таймера/счетчика Т0 (частота обновления значений в счетном регистре TCNT0, период – Тр0) 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.
| № бита | ||||||||
| 30h (50h) | Х | Х | Х | Х | AS0 | TCN0UB | TCN0UB | TCN0UB |
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;
| № бита | ||||||||
| 33h (53h) | FOC0 | WGM00 | COM01 | COM00 | WGM01 | CS02 | CS01 | CS00 |
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
| WGM01 | WGM00 | Описание режима работы таймера/счетчика Т0 |
| Стандартный (Normal) | ||
| ШИМ с точной фазой (Phase correct PWM) | ||
| Сброс при совпадении (CTC) | ||
| Быстродействующий ШИМ Fast PWM |
Таблица 4.4 – Режимы управления выводомОС0 таймера/счетчика Т0
| COM01 | COM00 | Описание режима управления выводом ОС0 |
| Таймер/счетчик Т0 отключен от вывода ОС0 | ||
| Инверсия сигнала на выводе ОС0 | ||
| Вывод ОС0 сбрасывается в 0 | ||
| Вывод ОС0 устанавливается в 1 |
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
| CS02 | CS01 | CS00 | Описание | fр0, кГц | Тр0, мкс |
| Таймер/счетчик остановлен | – | ||||
| CLK | 0,09 | ||||
| CLK/8 | 0,72 | ||||
| CLK/32 | 2,88 | ||||
| CLK/64 | 5,76 | ||||
| CLK/128 | 11,52 | ||||
| CLK/256 | 23,04 | ||||
| CLK/1024 | 11,7 | 92,16 |
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.
| Адрес* | Аббревиатура | Адрес* | Аббревиатура |
| 02Ch | TCNT1L | 02Fh | TCCR1A |
| 02Dh | TCNT1H | 02Eh | TCCR1B |
| 02Ah | OCR1AL | 07Аh | TCCR1C |
| 02Bh | OCR1AH | 036h | TIFR |
| 028h | OCR1BL | 07Ch | ETIFR |
| 029h | OCR1BH | 037h | TIMSK |
| 078h | OCR1CL | 07Dh | ETIMSK |
| 079h | OCR1CH |
*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 fр1 таймера/счетчика Т1 (частота обновления значений в счетном регистре TCNT1,период – Тр1) 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 TCNT1при совпадении со значением регистра OCR1Aпрограммируется путем установки 3-го бита регистра TCCR1Вв 1.
| № бита | ||||||||
| 2Eh (4Eh) | FOC0 | WGM00 | COM01 | WGM13 | WGM12 | CS02 | CS01 | CS00 |
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
| CS02 | CS01 | CS00 | Описание | fр1, кГц | Тр1, мкс |
| Таймер/счетчик остановлен | – | ||||
| CLK | 0,09 | ||||
| CLK/8 | 0,72 | ||||
| CLK/64 | 5,76 | ||||
| CLK/256 | 23,04 | ||||
| CLK/1024 | 11,7 | 92,16 | |||
| Счет осуществляется по заднему фронту импульсов на линии Т1 | _ | _ | |||
| Счет осуществляется по переднему фронту импульсов на линии 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 счетаfр1 = 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):
fр1 = CLK/256 = 11 Мгц/256 = 43 КГц
Соответственно значение, заносимое в регистр TCCR1B, равняется 4.
Период изменения значений в счетном регистре TCNT1:
Тр1=1/ fр1=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 значениеled_statusв PORTDдляиндикации;
}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
| № п.п. | Задание |
| Разработать программу, выполняющую в бесконечном цикле включение/выключение 1–го светодиода: управляющее прерывание TIM1_OVF,частота счетаfр1 = 43 КГц. | |
| Разработать программу, выполняющую в бесконечном цикле включение/выключение 2–го светодиода: управляющее прерывание TIM0_OVF,частота счетаfр1 = 11,7 КГц. | |
| Разработать программу, выполняющую в бесконечном цикле включение/выключение 3–го светодиода: управляющее прерывание TIM1_COMPA,fр1 = 43 КГц, OCR1A=40000. | |
| Разработать программу, выполняющую в бесконечном цикле включение/выключение 0–го и 7–го светодиодов: управляющее прерывание TIM1_COMPВ,fр1 = 43 КГц, OCR1В=50000. | |
| Разработать программу, выполняющую в бесконечном цикле включение/выключение 4–го и 5–го светодиодов: управляющее прерывание TIM1_COMPB,fр1 = 43 КГц, OCR1B=30000. | |
| Разработать программу, выполняющую в бесконечном цикле включение/выключение 3–го и 6–го светодиодов: управляющее прерывание TIM0_OVF,частота счетаfр1 = 11 КГц,OCR0=200. | |
| Разработать программу, выполняющую в бесконечном цикле включение/выключение 2–го светодиода: управляющее прерывание TIM1_COMPA,fр1 = 11 КГц, OCR1A=10000. | |
| Разработать программу, выполняющую в бесконечном цикле включение/выключение 3–го и 6–го светодиодов: управляющее прерывание TIM1_OVF,частота счетаfр1 = 86 КГц. | |
| Разработать программу, выполняющую в бесконечном цикле включение/выключение 1–го и 2–го светодиодов: управляющее прерывание TIM1_OVF,частота счетаfр1 = 11 КГц. | |
| Разработать программу, выполняющую в бесконечном цикле включение/выключение 0–го и 5–го светодиодов: управляющее прерывание TIM1_COMPВ,fр1 = 43 КГц, OCR1В=30000. |
* задания повышенной сложности.