Fejleszt rendszer kidolgozása és ennek alkalmazása jelfeldolgozási célokra a Microchip PIC17C756 mikrokontrollerhez. Diplomaterv

Átírás

1 Fejleszt rendszer kidolgozása és ennek alkalmazása jelfeldolgozási célokra a Microchip PIC7C756 mikrokontrollerhez Diplomaterv Készítette: Pataki Zoltán Budapesti M szaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai kar 2. május

2 Tartalom. Bevezetés Folyamatirányítási és jelfeldolgozási feladatok megoldási lehet ségei Rendelkezésre álló hardver eszközök Rendszerszervezési elvek Utasításkészlet fajták A PIC7C7XX mikrokontroller-család A mikrokontroller-család jellemz i A mikrokontroller-család utasításkészlete és annak jellegzetességei... 2 A vezérlésátadó utasítások... 2 'Olvasó-Módosító-Író' utasítások... 3 Programmemória kezel utasítások... 4 Számábrázolási módok és az aritmetika... 6 Egyéb észrevételek Beépített perifériák és programozásuk Megszakítások fajtái, kezelésük Számlálók és id zít k Az A/D átalakító Soros vonali illeszt áramkörök A fejleszt rendszer A fejleszt rendszerekr l általában A fejleszt kártya felépítése A fejleszt rendszer szoftver elemei Küls egységek illesztése a fejleszt rendszerhez Flash memória illesztése A Flash memória hardver illesztése A Flash memória vezérl programja Pontmátrix folyadékkristályos kijelz illesztése Az folyadékkristályos kijelz hardver illesztése Az folyadékkristályos kijelz vezérlése Jelfeldolgozási lehet ségek Digitális sz r k létrehozása Digitális sz r k A diszkrét idej Fourier-transzformáció A Z-transzformáció A komplex átviteli függvény Az impulzusválasz Digitális sz r k alaptípusai M veletek és számábrázolás digitális sz r kben A véges számábrázolás hatása IIR sz r kanonikus megvalósítási módok Megvalósítási problémák PIC7C756 esetében A sz r megvalósítása... 5 A futási eredmények Magzati szívhang feldolgozó rendszer A rendszer feladata A rendszer jellemz i éhány valószín ségelméleti és matematikai statisztikai alapfogalom A magzati szívhangminták jellemz i... 6 A szakaszos m ködés rendszer Valósidej feldolgozási lehet ségek A feldolgozó rendszer szimulátora Az FHR lépték linearizálása... 8 Diplomaterv tavasz

3 A megvalósítás nehézségei Összefoglalás Függelék F.. A PIC7C7XX mikrokontroller-család F... A PIC7C7XX mikrokontroller-család utasításkészlete F..2. Perifériális megszakítások kezelése F.2. A fejleszt rendszer... 9 F.2.. A fejleszt kártya gyártási dokumentációja... 9 A fejleszt kártya kapcsolási rajza... 9 A fejleszt kártya alkatrész-beültetési rajza A fejleszt kártya alkatrész-beültetési oldalának rajzolata A fejleszt kártya forrasztási oldalának rajzolata A fejleszt kártyához szükséges alkatrészek jegyzéke A fejleszt kártya jumper-einek rendeltetése F.2.2. A fejleszt rendszerhez szükséges programok... F.3. Küls perifériák illesztése a fejleszt rendszerhez... 2 F.3.. Flash memória illesztése... 2 A Flash memória bekötése... 2 A Flash memória vezérl programja... 2 F.3.2. Pontmátrix folyadékkristályos kijelz illesztése... 3 Az folyadékkristályos kijelz bekötése... 3 Az folyadékkristályos kijelz vezérl programja... 3 F.4. Jelfeldolgozási alkalmazások... 4 F.4..Digitális sz r megvalósítása... 4 A digitális sz r teljes programja... 4 A személyi számítógépen futó ellen rz program részei... 4 F.4.2. Magzati szívhangok feldolgozása... 4 Irodalomjegyzék... 6 Diplomaterv tavasz

4 . Bevezetés Mai mindennapi életünket tekintve azt tapasztalhatjuk, hogy a mikrokontrollerek, mint egy tokba integrált számítógépek a mikroelektronika igen jelent s alkalmazási területét jelentik. Lassan életünk szinte minden területén érezhetjük jelenlétüket, hogy mindennapjainkat kényelmesebbé, biztonságosabbá, hatékonyabbá tegyék. A mikroelektronika másik hasonlóan jelent s felhasználási területét jelentik a digitális jelfeldolgozó processzorok (idegen rövidítéssel DSP, azaz Digital Signal Processor), amelyek az esetek nagy többségében éppen a mikrokontrollerekkel együtt fordulnak el, hatékony munkamegosztásban. A mikrokontroller végzi a fizikai valósághoz közeli vezérlési feladatokat, a jelfeldolgozó processzor pedig a bonyolult számításigényes feladatokat. Mindkét alkalmazási terület - a mikroelektronikáról általában elmondható módon - az utóbbi évtizedekben több robbanásszer fejl dési szakaszon ment keresztül, a jelfeldolgozó processzorok számítási hatékonysága is többszörösére n tt. A mai viszonyok szerint az aktuális irányzat a jelfeldolgozó processzorok tekintetében a nagymértékben párhuzamos m veletvégzés, és az ehhez tartozó nagy utasításszó szélesség (Texas Instruments - Very Long Instruction Word (VLIW) architektúra, Analog Devices - Static Scolar architektúra). A mikrokontrollerek és jelfeldolgozó processzorok vonatkozásában közös törekvés továbbá a fogyasztás csökkentése, ami jelenleg a nagy disszipáció és az egyre növekv számítási igény miatt általában a mikroelektronika minden területér l elmondható. Az el z ekben említett gyakori együttélésnek tudható be egy egyidej, mostanában er söd irányzat, amely a mikrokontrollerek és jelfeldolgozó processzorok részleges egy tokba integrálását t zte ki célul, annál is inkább, mivel ezt a jelenlegi technológiai fejlettség már lehet vé teszi. A Microchip PIC7CXXX és PIC8CXXX mikrokontroller-család is ennek a próbálkozásnak az egyik els vonulata, ezek a processzorok közepes jelfeldolgozási képességük, és kedvez áruk, alacsony fogyasztásuk miatt jelent s érdekl désre tarthatnak számot. Jelfeldolgozó processzoroknak definíció szerint azokat a processzorokat tekintjük, amelyek rendelkeznek hardver szorzóval, és hatékonyan támogatják a jelfeldolgozási m veletekhez szükséges címzési, adathozzáférési módokat - els sorban cirkuláris címzést, sor típusú tároló (idegen kifejezéssel First In First Out - FIFO) megvalósítására. A fent említett mikrokontrollerek rendelkeznek el jel nélküli, bináris kódban adott 8 bites számok összeszorzására alkalmas hardver szorzóval, képesek közvetett (indirekt) címzésre és utólagos automatikus címmódosításra (post auto-increment, auto-decrement mód). A PIC8CXXX processzorok további címzési módokat is támogatnak. A PIC7C7XX processzorok legnagyobb m veleti sebessége 8.25 MIPS, ami a mikrokontrollerek világában jelent snek mondható. Az els fejezet rövid áttekintést ad a jelfeldolgozással kapcsolatos feladatok megoldási lehet ségeir l, bevezetést ad a számítógépek szervezési alapelveibe majd a kés bb ismertetend mikrokontrollert elhelyezi ebben a rendszerben, végül az számítógépek utasításkészlet típusairól található egy igen rövid áttekintés. A második fejezet teljes egészében a választott PIC7C7XX mikrokontroller-családról szól, f ként azokra a mozzanatokra összpontosítva, amelyek a gyári leírásban [] nem kerültek megfelel módon kifejtésre és ez a fejlesztés során problémákat jelentett. Ez a fejezet a további fejlesztést hívatott megkönnyíteni. A fejezetben el ször rövid összefoglaló található a processzorcsalád tulajdonságairól. Ezután az utasításkészlet és az ezzel kapcsolatos tapasztalatok kerülnek tárgyalásra. Végül a beépített perifériák programozásához található néhány segítség. A harmadik fejezetben egy fejleszt rendszer kerül ismertetésre, amely az adott mikrokontrollerhez készült. El ször a hardver elemekr l, a fejleszt kártya részeir l lesz szó, majd a szoftver tartozékokról. A negyedik fejezet a fejleszt kártya és a mikrokontroller alkalmazását mutatja be két egyszer példán. Az egyik példa egy párhuzamos Flash EPROM illesztése adattárolási célokra, a másik egy pontmátrix folyadékkristályos kijelz illesztése. Az ötödik fejezet a mikrokontroller jelfeldolgozási képességeinek vizsgálatával foglalkozik. El ször egy digitális sz r létrehozása történik meg rövid elméleti áttekintés és a megvalósítás problémáinak vizsgálata kíséretében. Másodszor egy magzati szívhangfelismer rendszer létrehozására történik kísérlet. Ennek keretén belül egy rövid elméleti áttekintés után a magzati szívhangok feldolgozásának algoritmikus lehet ségeivel és jelfeldolgozási vonatkozásaival foglalkozunk. Majd ismertetésre kerül egy új jegyeket magán visel, hatékonyabb felismerést lehet vé Diplomaterv tavasz

5 tev algoritmus, amely optimálisan képes kihasználni a jelfeldolgozási kapacitást pipe-line kialakításának köszönhet en. Bemutatásra kerül a feldolgozó rendszer személyi számítógépen elkészült szimulátora, amelyben a rendszer fejlesztése történik. Kitérünk egy érdekes, eddig hiteles magyarázat nélkül álló jelenségre a magzati szívritmussal kapcsolatban, amelyet az új, hatékonyabb algoritmus révén sikerült felfedezni, és esetleg a magzati szívdiagnosztika új távlatait nyithatja meg. Majd a fejezet végén a megvalósítás lehet ségeir l, problémáiról esik szó és a fejlesztés folytatásával kapcsolatos tervekre, lehet ségekre térünk ki. Végül egy összefoglalás található, amely az elért eredményeket veszi sorra röviden. Ez a diplomaterv három félév szoftver és hardver fejlesztési tapasztalatait próbálja magába foglalni rendszerezett formában, és el segíteni e fejlesztés folytatását. A távlati cél egy tisztán mikrokontroller alapú, hordozható, telepes üzem, kis fogyasztású orvosi m szer létrehozása, amely hosszú id n át képes nyomon követni, és tárolni a magzat szívritmusának alakulását, hogy kés bb a szülészorvos rendelkezésére bocsássa azt, akár számítógépes hálózat vagy telefonvonal felhasználásával. A megoldott részfeladatok, a folyadékkristályos kijelz illesztése, az adattárolás Flash memóriában, a digitális sz r létrehozása, és f ként a magzati szívhangfelismer algoritmus egy részének adott követelményekhez igazodó, nagy hatékonyságú változatának kidolgozása, de a mikrokontroller-család megismerése és a hozzá tartozó fejleszt rendszer kialakítása is mind ennek a nagy tervnek egy-egy részletét, illetve a részletek kidolgozásának kezdeti lépéseit jelentik. A diplomaterv írásának végére nyilvánvalóvá vált, hogy az összes fejlesztési eredmény, hardver gyártási információk, program forráskódok elhelyezése a függelékben mennyiségükre való tekintettel teljességgel lehetetlen. Így azok CD-ROM mellékletként kerültek a diplomatervbe. A függelék csak az adott állományok megtalálási helyét tartalmazza a CD-ROM könyvtáraiban. Így remélhet leg az elkészített programok felhasználása is kényelmesebbé, rugalmasabbá válik. Munkámban sok közvetett és közvetlen segítséget kaptam, ezért szeretnék köszönetet mondani. Dr. Kovács Ferenc tanár úrnak, tanáromnak, témavezet mnek és konzulensemnek, segít készségéért és áldozatos munkájáért, tartalmi, illetve formai megjegyzéseiért, amelyekkel segített emelni - végül kissé hosszúra nyúlt - diplomatervem színvonalát. Dr. Török Miklósnak a magzati szívhangmintákért, és szakmai segítségéért. Kollégáimnak és barátaimnak Erdei Zoltánnak, Horváth Csabának, Imre Alexandrának, Kozma Reg nek, Mezei Gézának, Rajeczky Zoltánnak, Rácz Zoltánnak, Richly Gábornak, Varga Lászlónak mindennem segítségükért és támogatásukért. Tóth Krisztinának, kedvesemnek a matematikai statisztikával kapcsolatos problémák kidolgozásában és megoldásában nyújtott segítségéért. Valamint szüleinknek, akik anyagilag és lelkiekben támogattak. Pataki Zoltán Budapest, 2. május Diplomaterv tavasz

6 2. Folyamatirányítási és jelfeldolgozási feladatok megoldási lehet ségei 2.. Rendelkezésre álló hardver eszközök Mint általában a mikroelektronikát igényl alkalmazások esetén, folyamatirányítási és jelfeldolgozási feladatok megoldásakor is a következ lehet ségek közül választhatunk. Full-custom áramkörök Berendezés orientált (ASIC) áramkörök FPGA áramkörök Mikrokontrollerek Digitális jelfeldolgozó processzorok Katalógus-áramkörök A full-custom áramkörök tervezése, fejlesztése hosszadalmas és drága folyamat, ráadásul nagyban függ a technológiai bázistól. Csak abban az esetben kezdenek a gyártók ilyen eszközök tervezésébe, amennyiben feltehet leg akkora a kereslet az adott termékre, amekkora igény mellett már kifizet dik a tervezés és a gyártás megszervezése, finanszírozása, így keletkezik a többi féle felsorolt áramkörfajta. A másik eset, ami indokolttá teszi az egyedi tervezés áramkörök kifejlesztését, amennyiben az adott feladat megoldása elkerülhetetlen, és jellegéb l adódóan a jelenlegi technológiai szint mellett a megvalósíthatóság határán van, így minden trükköt, lehet séget kiaknázva kell megvalósítani. (Ezek tipikusan védelmi, katonai, rkutatási alkalmazások.) Természetesen a gazdaságosság ebben az esetben is nagyon fontos szempont, így el bb-utóbb ezen áramkörök jelent s hányada is részben vagy egészben piacra kerül, amennyiben ez megengedhet. Ha a példányszám magas, de a technológia lehet ségeit nem kell a végletekig kihasználni, szóba kerülhet berendezés orientált áramkörök (Application Specified Integrated Circuit - ASIC) tervezése és alkalmazása. Ezek általában standard cellás eszközök, amelyben a cellák maguk egyedi tervezés ek, önmagukban optimálisak. A teljes áramkör tervezése hierarchikus. Ugyan az el állítás ebben az esetben is drága a fejlesztés, tesztelés fázisában, a tervezés költségei csökkennek, a tervezési munka jó részét a számítógép veszi át, ennek ára, hogy a technológia lehet ségei nincsenek optimálisan kihasználva. Ebben az esetben az el állítani kívánt áramkör leírását általában valamilyen hardver-leíró nyelven (például VHDL-ben) kell megadni, ennek felhasználásával egy makrofordító el állítja a szükséges cellák listáját és elrendezését, összeköttetéseiket. Amennyiben kis vagy közepes példányszámban kell áramköröket elkészíteni, akkor jöhetnek szóba a további lehet ségek, ezek már az el z ekb l származtatott áramkörök, hiszen vagy általános többfunkciós felhasználási területet fednek le, vagy csak egy sz k területet, amelyre viszont nagy a fogyasztói igény. Az FPGA (Field Programmable Gate Array) áramkörök reguláris felépítés ek, sok hasonló, univerzális funkciójú részegységet tartalmaznak, amelyek általában valamilyen egyszer bb vagy összetettebb kombinációs vagy sorrendi hálózatot valósítanak meg. Ezek m ködési módjai és összeköttetéseik állíthatók be a felhasználó által. Olyan szempontból hasonlítanak az ASIC áramkörökre, hogy az áramkör leírását ebben az esetben is valamilyen hardver-leíró nyelven (általában VHDL-ben) kell megadni, amelyb l egy fordítóprogram el állítja az FPGA áramkör adott funkció megvalósításához szükséges beállítását. Azt is mondhatnánk, hogy az FPGA áramkör egyfajta ASIC, amelyben a cellák fajtái és összeköttetési lehet ségei el re valamelyest korlátozva vannak. Viszont nem kell a gyártásukkal foglalkozni, készen kaphatók. Az FPGA áramkörök igen hatékony eszközök, párhuzamosan hajtódhatnak végre bennük a m veletek, m veleti sebességüket csak a felhasználó találékonysága és a technológia korlátozza. Azonban egy komolyabb feladat megoldása igen munkaigényes, hiszen a felhasználónak önmagának kell megterveznie az összes nagyobb funkcionális egységet, cserébe viszont tervez i szabadságot és felel sséget kap. Az eddig felsorolt eszközök nem programvezéreltek, pontosabban inkább azt mondhatnánk, hogy a m ködésüket meghatározó program, ami valamilyen hardver-leíró nyelven készült, a bels szerkezetükbe tipikusan megváltoztathatatlanul, vagy a változtatás igénye nélkül beépül. Ilyen szempontból analógia vonható a fordítóprogramok (Compiler) és a fenti eszközök között. Diplomaterv tavasz

7 Amennyiben a következ eszközök - mikrokontrollerek, digitális jelfeldolgozó processzorok - programmal vezérelhet k, amely változtatható, akár m ködés közben is, így a következ eszközök az értelmez programokkal (Interpreter) hozhatók analógiába a megvalósítás egy más szintjén. Az el bbi hasonlat sántít kissé két tekintetben. Egyrészt az FPGA áramkörök egy részének beállítása m ködés közben is megváltoztatható, bár ez nem szokásos, mivel a felprogramozáshoz használt adatszerkezet igen bonyolult, és sajátságos; ráadásul a változtatáshoz küls egységekre van szükség. Másrészt a mikrokontrollerek esetében a vezérl program gyakran csak egyszer égethet be az eszköz memóriájába, és többször nem módosítható, ilyen szempontból a program a megvalósított logikai funkció része lesz. Továbbá megjegyzend, hogy a mikrokontrollerek, DSP-k és mikroprocesszorok, tehát a programvezérelt eszközök is az els három kategória képvisel i, tehát természeten elvileg egy kell kapacitású FPGA áramkör is felprogramozható úgy, hogy funkcióját tekintve egy mikrokontrollert valósítson meg, de ez nem szokásos, mivel ekkor egyszer bb megoldás választani a meglév igen széles választékból, hiszen az FPGA áramkörök alkalmazásának éppen a kötöttségek valamilyen mérték hiánya, illetve a többlet rugalmasságra való igény a kiváltó oka. A mikrokontrollerek talán a legáltalánosabban felhasználható eszközök. Segítségükkel általában minden feladat megoldható, ahol nincs igény túlzottan nagy m veletvégzési sebességre. Sajnos a mikrokontrollerek mind a mai napig nem tekinthet k gyors eszközöknek, nem használják ki a mai technológia nyújtotta lehet ségeket (pontosabban költségkímélés céljából feltehet leg nem a kornak megfelel legfejlettebb technológiával gyártják ket). Mindenesetre az ipari folyamatszabályozási és vezérlési feladatok jó része megoldható a segítségükkel, hiszen az iparban el forduló folyamatok jó részének id állandóit tekintve a mintavételi frekvencia az.. Hz nagyságrendjében van, ekkora sebességigény pedig a mikrokontrollerek szokásos MIPS nagyságrendjébe es m veleti sebességével b séggel kielégíthet. A mikrokontrollerek rugalmasságukat a programvezérlésnek és annak köszönhetik, hogy egy tokban egyesítenek egy teljes számítógépet processzor maggal és perifériákkal együtt. Így a megfelel mikrokontrollert választva, a feladat egyetlen áramköri tokkal javarészt megoldható. A digitális jelfeldolgozó processzorok célorientált eszközök, matematikai m veletek gyors és tömeges elvégzésére fejlesztették ki ket. Ilyen szempontból jelfeldolgozási, és folyamatszabályozási feladatok megoldásának hatékony eszközéül szolgálnak. Azonban sajnálatos módon a DSP-k önmagukban félkarú óriások, mivel a külvilággal való kapcsolattartáshoz további egységekre van szükségük, így általában a DSP kártyákon helyet kap egy mikrokontroller is, amely a vezérlési feladatokat, a fizikai közeggel való kapcsolattartás feladatát látja el. A DSP-k hatékonysága azzal csökken, hogy alkalmazásuk további áramkörök felhasználását kívánja meg, például küls memóriákét, így a beégetett programkód védelme sem valósítható meg egyszer en. Tehát a mikrokontrollerek és DSP-k egymás hiányosságait kiegészítend gyakran együtt kerülnek alkalmazásra, afféle szimbiózis módjára. Az utóbbi id ben a fenti eszközök hiányosságainak kiküszöbölésére több irányzat is fejl désnek indult. Az egyik irányzat DSP processzorokra jellemz részegységek beépítését kezdte meg mikrokontrollerekbe, ami célszer már csak azért is, mert gyakran el fordul, hogy egyazon gyártó foglalkozik mikrokontrollerek és DSP-k gyártásával is. Egy ilyen mikrokontroller alkalmazási lehet ségei követhet k nyomon a további fejezetekben. Egy másik törekvés szerint felprogramozható FPGA részegységeket integrálnak a mikrokontroller magja köré, amelynek funkciója szabadon változtatható el zetesen felprogramozva azt, és az így létrehozott nagy bonyolultságú áramkör ki- és bemenetei szabadon elérhet k a processzormag számára. Tehát így célorientált jelfeldolgozó egység hozható létre, amely munkáját a processzormag koordinálja. Hátra maradtak még a katalógus-áramkörök. Ezek általában nagy példányszámban gyártott egyedi tervezés célorientált eszközök, ilyenek lehetnek A/D és D/A átalakítók, mintavételi frekvencia átalakítók, különböz kódátalakítók, telekommunikációs áramkörök, stb. Tehát minden olyan áramkör, amelyek tervezése egyszeri nagy szellemi és anyagi ráfordítást igényel, viszont általánosan, széles alkalmazási területen felhasználható. Természetesen ilyenformán katalógusáramkörnek tekinthet k az FPGA áramkörök, DSP-k és mikrokontrollerek is. A katalógus-áramkörök kapcsán a teljesség kedvéért érint legesen említést kell tennünk még egy lassan méltatlanul feledésbe merül lehet ségr l, amely felhasználási területét tekintve ugyan egyre inkább háttérbe szorul, de vannak feladatok, amelyek más módon nem oldhatók meg. Az analóg számítógépekr l van szó. Ezek differenciálegyenlet-rendszerek folytonos idej, id ben párhuzamos megoldását teszik lehet vé, igen hatékonyan. Sajnos - mint az analóg áramköröknek általában - nagy a fogyasztásuk, helyigényük, bár a helyzet az analóg számítógépek esetén is sokat javult az els Diplomaterv tavasz

8 példányokhoz viszonyítva, a m veleti er sít áramkörök fejl désének hatására. Elképzelhet, hogy az analóg számítógépek még meglepetéssel képesek szolgálni a közeljöv ben Rendszerszervezési elvek A számítógépek szervezési elveit tekintve két alapvet elrendezés terjedt el széles körben. Történetileg az els a Harvard-elv volt, emely szerint a számítógép központi egységének a program végrehajtásához két memóriára van szüksége, az egyikben a program, a másikban a program által feldolgozandó adatok foglalnak helyet, ezen kívül a központi egység kapcsolatban áll még a küls egységekkel is. A Harvard-architektúrát szemlélteti a 2.. ábra. Adatmemória Bemeneti egységek Központi egység Kimeneti egységek Programmemória 2.. ábra Harvard-elv gép. A kés bb, eumann János által kifejlesztett eumann-elv szerint a számítógépnek nem kell feltétlenül két memóriát használnia a program végrehajtásához, hiszen a programot az adatokkal együtt is lehet tárolni egy közös memóriában. Ilyen szempontból nem teszünk különbséget adat és program között, a program minden további nélkül tud önmagán is m veletet végezni, és a programok együtt kezelhet k, módosíthatók, tarthatók nyilván az adatokkal. A küls egységek itt is a központi egységhez csatlakoznak. A eumann-elv gép felépítését a 2.2. ábra szemlélteti. Memória Bemeneti egységek Központi egység Kimeneti egységek 2.2. ábra. eumann-elv gép. A eumann-elv el nye, hogy csak egyetlen memória kell hozzá. Azonban ez azt is jelenti, hogy általános esetben id ben párhuzamosan, egyszerre nem férhetünk hozzá az adatokhoz és a programhoz, hiszen azok a memóriában nem azonos helyen vannak. Tehát a m veletek végrehajtása ilyen módon többlet id vel jár a Harvard-architektúrához viszonyítva, hiszen ott az adat és programmemória külön buszokon keresztül kapcsolódik a központi egységhez. Harvard-architektúra esetén viszont alapesetben a program nem módosíthatja önmagát, és a program az adatoktól elkülönülten kerül nyilvántartásra. Mikrokontrollerek és f leg DSP-k esetén fontos a gyors m velet-végrehajtás, viszont a programot ritkán kell változtatni, és általában a programnak sem kell saját magát módosítania. Ezért Diplomaterv tavasz

9 gyakran alkalmaznak DSP-k és mikrokontrollerek esetében Harvard-architektúrát. A további fejezetekben tárgyalásra kerül PIC7C7XX mikrokontroller-család minden tagja kiterjesztett Harvard-architektúrával rendelkezik. A kiterjesztés abban nyilvánul meg, hogy képesek módosítani programból - igaz, csak közvetett módon az adatmemória buszán keresztül - a programmemória tartalmát. Ezt a kés bb ismertetésre kerül fejleszt rendszer er sen kihasználja. További sajátosság, hogy a processzormag a beépített perifériákkal és a külvilággal szintén az adatmemória buszán keresztül tart kapcsolatot. Ezt a szervezési elvet szemlélteti a 2.3. ábra. Adatmemória Perifériák Adatbusz Címbusz Vezérlés Adatbusz Címbusz Átmeneti tároló Processzormag Programmemória 2.3. ábra. A PIC7C7XX mikrokontroller-család kiterjesztett Harvard architektúrája Utasításkészlet fajták Utasításkészlet típusának szempontjából is két részre oszthatók a számítógép fajták. Az egyik alaptípus az összetett utasításkészlettel rendelkez számítógépek csoportja (Complex Instruction Set Computer - CISC). A másik típus az egyszer sített utasításkészlet számítógépek csoportja (Reduced Instruction Set Computer - RISC). Az egyszer sítést a CISC utasításkészlethez képest kell érteni, ugyanis ez volt történetileg el bb. A CISC utasításkészlethez készített processzormag utasításvégrehajtási id i általában eltér ek a különböz utasítások esetén, hiszen ezek az utasítások összetettségükben is igen változatosak, így a processzorban az utasításokhoz tartozó mikrokódok is eltér bonyolultságúak. A RISC utasításkészlet általában kevés, de megfelel en kombinálva funkcionálisan sokrét en használható elemekb l áll. Ezek az elemek általában azonos végrehajtási id vel rendelkeznek, és a végrehajtásuk adott fázisaihoz hasonló, egyszer funkcionális egységekre van szükség, így lehet vé válik gyors és id ben átlapolt, idegen szóval pipe-line végrehajtásuk. Tulajdonképpen leginkább ez a lehet ség motiválta csökkentett utasításkészlet számítógépek kifejlesztését. A RISC utasításkészlet bonyolultságát tekintve a CISC és a mikrokód között helyezkedik el, így nagyobb szabadságot biztosít a programozónak, amely kell ügyességgel hatékonyabb algoritmusokat eredményezhet. Mikrokontrollerek és DSP-k esetén is mindkét féle utasításkészletet alkalmazzák, bár újabban talán a RISC típus került inkább el térbe. DSP-k esetén a legújabb tendencia, hogy a számítási hatékonyságot nem a m veletvégzés idejének rövidítésével növelik, hanem több id ben párhuzamosan m ködtetett aritmetikai egységet építenek be a processzormagba. Azt, hogy minden m veleti egység munkája koordinált legyen, nagy utasítás-szószélességgel érik el. Ennek a kezdeményezésnek az eredménye a TMS32C6XXX család VLIW (Very Long Instruction Word), vagy az Analog Devices Tiger SARC processzorának Static Scolar architektúrája. Mindkett a RISC utasításkészlet továbbfejlesztésének tekinthet, hiszen csak azonos hosszúságú utasításokat célszer egyszerre végrehajtani. Vonatkozik ez a Static Scolar elrendezésre is, annak ellenére, hogy eredetileg a Scolar Diplomaterv tavasz

10 architektúra egy harmadik típust képviselne, amely f jellemz je, hogy szintén több m veletvégz egységet koordinál, de azokat dinamikusan osztja meg a feladatok között a pillanatnyi igényeknek megfelel en, így az algoritmusok futásideje nem determinisztikus. A Static el tag viszont éppen arra vonatkozik, hogy minden esetben a felhasználó szabja meg, melyik m velet hol hajtódjon végre, ugyanis nem determinisztikus futásid a jelfeldolgozásban általában nem megengedett. Ennek a furcsa névválasztásnak feltehet leg a konkurens cég termékeit l való minél nagyobb távolságtartás lehetett az oka. A következ kben ismertetésre kerül mikrokontroller is RISC utasításkészlettel rendelkezik, err l b vebben a következ fejezetben lesz szó. Diplomaterv tavasz

11 3. A PIC7C7XX mikrokontroller-család 3.. A mikrokontroller-család jellemz i A PIC7C7XX mikrokontrollerek a Microchip mikrokontrollereinek jelenleg második legfejlettebb családját alkotják. A család minden tagja statikus CMOS technológiával készül, van bel lük ablakos és egyszer programozható változat is. Maximális órajel frekvenciájuk 33MHz, ami a mai viszonyok között közepesnek, azonban a mikrokontrollerek között - sajnos - kiemelked nek mondható. Fogyasztásuk kedvez, f ként alacsony m ködési frekvenciákon. Rendelkeznek kis fogyasztású üzemmóddal is, ekkor az órajel-generátor id szakos leállításával csökkentik le az áramfogyasztást. Mindegyik mikrokontrollerhez illeszthet küls memória, így kétféle alapvet üzemmódban képesek m ködni, mikrokontrollerként, és mikroprocesszorként. Mi els sorban a mikroprocesszor móddal foglalkozunk, mivel a következ fejezetben ismertetend fejleszt rendszerben ilyen üzemmódban került felhasználásra egy PIC7C756 típusú mikrokontroller. Így a következ kben gyakran mikroprocesszorként teszünk róla említést. Mikroprocesszorként a család minden tagja csak küls programmemóriát képes kezelni, ez a gyári alapbeállítás. Mikrokontrollerként háromféle üzemmód lehetséges: mikrokontroller, ekkor csak a bels programmemóriát használja; kiterjesztett mikrokontroller, ekkor a bels memória mellett kívülr l is b víthet a programmemória; kódvédett mikrokontroller, ekkor csak a bels programmemória használható, és nem lehet kiolvasni annak tartalmát. Minden családtag tartalmaz egy hardverszorzót, amely két 8 bites el jel nélküli kettes számrendszerbeli szám összeszorzására használható és egyetlen utasításciklus alatt elvégzi a számok szorzását. Számos kiegészít áramkör, periféria is helyet kapott még a mikrokontrollerekben. Egy bit felbontású szukcesszív approximációs elven m köd A/D átalakító, analóg módon multiplexelt bemenetekkel. Az A/D konverter maximális mintavételi frekvenciája 25kHz körüli. Beépítettek még négy, sokféle módon felhasználható számláló és id zít modult, és egy watch-dog áramkört is. Továbbá két univerzális szinkron vagy aszinkron módban használható soros vonali illeszt t, egy külön szinkron soros vonali illeszt t, és egy megszakítás kezel áramkört. Ezeken kívül rengeteg apróbb funkció is megtalálható, f ként a reset áramkör igen részletesen kimunkált. A PIC7C7XX mikrokontroller-család magja felépítését tekintve Harvard architektúrával rendelkezik, mint a mikrokontrollerek és DSP-k gyakran. Ez id ben párhuzamos hozzáférést tesz lehet vé az adat és a programmemóriához. A családnak négy tagja van, az ezek közötti eltéréseket tartalmazza a következ táblázat. Típusszám Bels Bels A/D I/O lábak Tokozás adatmemória programmemória csatornák PIC7C Byte 8 KW pin LCC PIC7C Byte 6 KW pin LCC PIC7C Byte 8 KW pin LCC PIC7C Byte 6KW pin LCC A processzormag az utasítások végrehajtása szempontjából pipe-line szervezés. Egy utasítás végrehajtását négy fázisjel id zíti, ez az órajelb l áll el 4: arányú leosztással, ezt a leosztott jelet tekintjük egy m velet végrehajtási idejének. Egy utasítás végrehajtása alatt a programmemória következ címén található utasítás kerül beolvasásra, tehát az utasítás végrehajtása van id ben párhuzamosítva a következ utasítás beolvasásával, így látszólag minden m velet egységnyi id alatt hajtódik végre. Ezzel a maximális m veletvégzési sebesség 8.25 MIPS értékre adódik. Kivételt képeznek a feltételes és az ugró utasítások, ezek általában két ciklus alatt hajtódnak végre, mivel ilyenkor el fordulhat, hogy törölni kell a már beolvasott utasítást, és OP utasítást kell végrehajtani helyette - nem véletlenül csupa nulla a OP utasításkódja. A processzor ortogonális szimmetrikus RISC utasításkészlettel rendelkezik, mindössze 58 elemi utasítást ismer. A programmemória 6 bit szószélesség, az utasítások egységesen egy szóból állnak, az operanduszok az utasításkód részét képezik. [] Diplomaterv tavasz

12 A fejezet második alpontja az utasításkészlet jellegzetes vonásait taglalja, a fontos részletekre tekintettel. A teljes utasításkészlet a függelékben található, funkcionálisan csoportosított formában, ellentétben a gyári leírás alfabetikus rendszerével, amely csak abban az esetben hasznos, ha a felhasználó fejb l ismeri az összes utasítást, azonban ebben az esetben nincs szükség utasításkészletre. A harmadik alpontban a beépített perifériák sajátosságai kerülnek ismertetésre. A perifériák megadott ki-/bemeneti lábakon keresztül érintkeznek a külvilággal. A kivezetések túlnyomó többsége használható közönséges digitális ki-/bemeneti lábként is, amennyiben a hozzá tartozó bels eszközt nem kívánjuk használni. Ilyen szempontból ezek a ki-/bemeneti vonalak 7 csoportra vannak osztva, az els kivételével mindegyik rendelkezik egy úgynevezett adatirány regiszterrel, amely azt szabja meg, hogy az adott vonalcsoport adott lába ki- vagy bemenetként m ködjön. Pontosabban a regiszter minden egyes bitje ki- vagy bekapcsolja az adott lábhoz tartozó meghajtó-áramkör nagyimpedanciás állapotát. Minden vonalcsoport rendelkezik adatregiszterrel, amelyen keresztül írhatók, olvashatók a vonalakon megjelen adatok A mikrokontroller-család utasításkészlete és annak jellegzetességei A vezérlésátadó utasítások A processzor címbusza 6 bit széles, csakúgy mint a programmemória adatbusza. Mivel az operanduszok az utasításkód részét képezik, egyetlen ugró utasítással nem fedhet le az egész 64KW méret programmemória tartomány, hiszen ekkor nem lenne hely az utasításkódnak. Így a processzorba kétféle vezérlésátadási lehet ség került beépítésre, nevezhetnénk ket hosszú és rövid hatósugarú vezérlésátadó utasításoknak is. A rövid távú utasítás egyszer, tartalmaz 3 bitnyi utasításkódot, és a maradék 3 bit a kívánt cím ahová ugrani szeretnénk, vagy ahol a meghívni kívánt alprogram belépési pontja található. De mivel csak 3 bitnyi cím kerül átadásra, így csak 8KW programmemória területen belül valósíthatunk meg ilyen egyszer módon vezérlésátadást. Ez a 64KW-nyi megcímezhet programmemória területet gyakorlatilag 8 db 8KW méret lapra osztja, amin belül egyszer en egy utasítással ugrálhatunk kedvükre (a PIC7C752-be és a PIC7C762-be egy, a PIC7C756-ba és a PIC7C766-ba két ilyen programmemória lap van gyárilag beépítve, persze küls memóriát illesztve elérhetjük akár a 64KW memóriaméretet is, három 8 bites I/O port feláldozásával). Ezek az utasítások: Egyszer ugrás: goto k Alprogram hívás: call k A fenti utasításokban k a 3 bites konstans cím. Természetesen, ha megcímezhetünk 64KW memóriát, akkor a processzor támogatja is ennek használatát, erre valók a hosszú hatósugarú vezérlésátadási lehet ségek. De ezek az el z ekb l következ en nem egy utasításból állnak. Persze felvet dhet a kérdés, hogy több utasításos vezérlésátadás hogyan lehetséges, hiszen ekkor végrehajtás közben magától is változna a programszámláló (PC - Program Counter), aminek mellékesen mi is szeretnénk értéket adni, méghozzá teljes szószélességben. Ennek kivédésére egy érdekes trükköt alkalmaztak a fejleszt k. A programszámláló fels bájtját el re egy átmeneti tárolóba kell tölteni (PCLATH - Program Counter LATch for High byte), ez közvetlenül írható és olvasható az adatmemóriában az átlapolás nélküli területen (3h címen). A programszámláló fels bájtja (PCH - Program Counter High) közvetlenül nem érhet el semmilyen módon. Ellenben az alsó bájt (PCL - Program Counter Low) szintén megtalálható az adatmemória átlapolásmentes részén (2h címen). Az alsó bájtra vonatkozó bármilyen O/I m velet vezérli az átmenti tárolót is, ha kiolvassuk a PCL értékét, akkor a PCH értéke a PCLATH-be tölt dik, ha írunk a PCL-be, akkor a PCLATH értéke a PCH-ba tölt dik. Távoli alprogramhívásra van speciális utasítás, hiszen a PC jelenlegi értékét ekkor menteni kell a verembe, ami ráadásul semmilyen módon nem férhet hozzá programból, csak a túlcsordulását tudjuk érzékelni (az pedig már régen rossz). Ez az utasítás is tartalmaz egy 8 bites konstanst, ez fog az PCL-be tölt dni, és a PCL írásának hatására betölt dik a PCLATH a PCH-ba. Távoli ugrásra nincs külön utasítás, azt kézzel lehet megvalósítani (a RISC processzorok utasításkészlete általában ilyen Diplomaterv tavasz

13 sajátságos, ebb l a szempontból ez a gépi kód sokkal inkább mikrokódra emlékeztet, mint a CISC assembly-k esetében; mód van azonban makrók definiálására). Példa távoli ugrásara (makro-definícióval): Példa távoli alprogramhívásra: lgoto macro address ;Long Jump macro movlw high address movwf pclath movlw low address movwf pcl endm Hívása: lgoto {label} movlw movwf lcall high {label} pclath low {label} A makrodefinícióban az utolsó 'movwf pcl' utasítás két ciklus alatt hajtódik végre, a processzor a PCL-be íráskor automatikusan kitörli a már beolvasott következ utasítást, és OP-ot hajt végre helyette. Megjegyzend, hogy a GOTO és CALL utasításokkal semmiféle módon nem tudunk megvalósítani távoli vezérlésátadást, mert azok ki is olvassák a PC taralmát, és így hiába írunk a PCLATH-ba, a beírt érték az utasítás végrehajtása közben felülíródik a PCH aktuális értékével, és csak az alsó 3 bit íródik felül a megadott konstanssal. Alprogramból való visszatérésre nincsenek külön utasítások távoli és közeli esetre, ekkor a verem teljes fels szava beíródik a PC-be. A PCLATH olvasására leginkább megszakítás kiszolgáló rutinokban lehet szükség, nehogy a f program által gondosan beállított PCLATH értéket éppen egy távoli vezérlésátadó utasítássor közepén bekövetkez megszakítás els ugró utasítása, például GOTO vagy CALL felülírja. A következ PC-vel kapcsolatos utasítások nem változtatják meg a PCLATH tartalmát: LCALL, RETLW, RETFIE. A RETUR utasításra vonatkozóan nem találtam egyértelm információt, mindenesetre az id zítési diagram a 'Q2' ciklusban nem tartalmaz olvasásra utaló megjegyzést. 'Olvasó-Módosító-Író' utasítások Az 'Olvasó-Módosító-Író' (Read-Modify-Write - RMW) utasításokkal kapcsolatban két különleges eset létezik. Az els a PCL regiszteren végzett RMW utasításra vonatkozik, ekkor a PCLATH értéke az utasításon belüli PCL olvasás ellenére nem változik meg, nem tölt dik bele az utasítás hatására a PCH tartalma. Tehát egy RMW utasítás a PCL regiszterre vonatkozóan egy 256 Word méret lapon belüli valamilyen különleges vezérlésátadást okoz. Példa PCL-re vonatkozó RMW utasításra: movlw addwf offset pcl Ez a két utasítás egy 256 bájt méret lapon belül képes relatív ugrást végrehajtani. Persze ez kényelmetlen, hiszen mindig oda kell figyelnünk, hogy a kódrészlet éppen milyen helyre fordul. Ha valódi 6 bites m veletet szeretnénk végezni a PC-vel, akkor ki kell olvasnunk rendre a PCL-t majd a PCLATH-t, ezután elvégezhetjük a kívánt m veletet, majd beírhatjuk a PCLATH-t és végül a PCL írásával átadhatjuk a vezérlést. A másik eset jóval gyakorlatibb jelent ség. Ez az I/O portok adatregisztereire vonatkozó RMW m veletekkel kapcsolatos. Ha az adott I/O port adatiránya bemenetként van meghatározva, akkor nincs sok értelme RMW utasítást végrehajtani rajta, hiszen az írásnak nem lenne semmi eredménye, mivel a kimenetet meghajtó áramkörök nagy impedanciás állapotban vannak, nem történik változás a külvilágban. Viszont kimenetként definiált I/O port esetén egy RMW utasítás el ször kiolvassa a változtatni kívánt portregiszter tartalmát, tehát mintavételezi a lábak aktuális állapotát a meghajtó áramkörök bekapcsolt állapota mellett, majd egy átmeneti tárolón keresztül a port Diplomaterv tavasz

14 lábainak helyzete rákerül az adatbuszra, megtörténik a módosítás, és az eredmény visszaíródik a meghajtó áramkörök bemeneteire. Ez eddig nem t nik igazán ellentmondásosnak, például kiadva a 'btg porte,3' utasítást az RE3 I/O port állapotát - úgy t nik - az ellentettjére változtathatjuk. Ez általában így is van, de ha például az adott I/O port segítségével közvetlenül kis impedanciát szeretnénk meghajtani, amellyel a bels meghajtó áramkörök kimeneti ellenállása már összemérhet, illetve a beépített áramkorlátozás már bekapcsol, akkor a kimeneten nem biztos, hogy a kívánt logikai szinthez tartozó feszültségérték megjelenik. Tehát ha ekkor mintavételezzük a portot, például logikai szint helyett logikai szintet kapunk, amit invertálva szinten logikai -et kapunk eredményül. A kimeneti vonal feszültségszintje nem változik az ellentettjére a fenti utasítás hatására. Ellenben ha egyszer en töröljük a bitet a vonal feszültségszintje földelt terhelés esetén nullára esik vissza. Viszont ez csak akkor célravezet, ha más hasonló terhelés nincs erre a vonalcsoportra kapcsolva, hiszen el fordulhat, hogy például a harmadik bitet töröljük, de a második bitre is egyet írtunk, de nullát olvasunk vissza, azonban a 'bcf porte,3' utasítás a második bit beolvasott nulláját is visszaírja az egyes helyére. Ennek a példának a tanulsága, ha közvetlenül kis impedanciás vagy nemlineáris elemeket hajtunk meg az I/O portokkal, akkor galibát okozhatnak az RMW utasítások. Ekkor célszer ezekhez az adatregiszterekhez egy árnyékregisztert rendelni, és ezen elvégezni a kívánt m veleteket, majd az árnyékregiszter tartalmát beírni az adatregiszterbe minden módosítás után, esetleg ciklikusan megszakításból. Programmemória kezel utasítások A PIC7C7XX processzorok kiterjesztett Harvard-architektúrával rendelkeznek abban az értelemben, hogy képesek a programmemóriát programból írni, olvasni. Ez távoli programfrissítésnél vagy nagy táblázatok használatánál lehet hasznos. A processzor programmemóriája 6 bit szószélesség, az adatmemória 8 bit szószélesség, ebb l látszik, hogy egy teljes programmemória szó átvitelére az adatmemóriába két utasításra van szükség. Valóban, a processzor négy utasítással támogatja a programmemória írását, olvasását. Két utasítás szolgál írásra és kett olvasásra. Mivel egyszerre kellene a programot végrehajtani és a programmemórián m veletet végezni egyetlen buszon keresztül, ezt a funkciót is egy átmeneti tároló (TaBle LATch - TBLAT) segítségével oldották meg, id ben elosztva. A TBLAT átmeneti tároló 6 bit szélesség, így egy lépésben lehet vele egy programmemória szót írni, olvasni. A TBLAT nem része az adatmemóriának, onnan közvetlenül nem érhet el, csak a speciális erre szolgáló utasítások segítségével. A TBLAT csak két nyolcbites félszóként írható, olvasható (TBLATL - TBLAT Low, TBLATH - TBLAT High), hiszen az adatmemória 8 bit széles busszal rendelkezik. Mivel a programmemóriát meg is kell címezni, hogy az általunk kívánt adatot érjük el benne, az adatmemóriában található egy két bájtból álló mutató (TBLPTRL - TaBLe PoinTeR Low, TBLPTRH - TaBLe PoinTeR High), amely ezen feladat elvégzésére hivatott a programmemória írásakor, olvasásakor. El ször mindig a mutatót kell beállítanunk, tetsz leges sorrendben: movlw movwf movlw movwf low {address} tblptrl high {address} tblptrh Ezzel megcímeztük a programmemória {address} cím szavát. Ezután végezhetjük el a kívánt m veletet az el bb kijelölt programmemória szóra. Az írásra szolgáló két utasítás a TLWT és a TABLWT. Az els a TBLAT egyik kiválasztott felének feltöltésére való, ez a paraméterezést l függ en lehet az alsó vagy a fels bájt egyaránt. Ez a m velet egy utasításciklust vesz igénybe, bármely regiszterb l képes írni TBLAT adott felébe. A másodikkal egy lépésben fel tudjuk tölteni a TBLAT másik felét szintén bármelyik regiszterb l, majd a TBLAT tartalmát kiírjuk a programmemóriába, és ha akarjuk, a TBLPTR értékét még meg is növelhetjük eggyel (utólagos autoinkrementálás). Ez az utasítás küls memória írásakor két ciklust vesz igénybe, az els ben megtörténik az utasításvégrahajtás (TBLAT feltöltése), miközben a következ utasítás menetrend szerint beolvasásra kerül, a másodikban felszabadul a programmemória cím és adatbusza, és a TBLAT tartalma beírásra kerül a programmemória megcímzett szavába. Ha a bels EPROM-ot írjuk - Diplomaterv tavasz

15 mikrokontroller üzemmódban -, hosszabb utasítás-végrehajtásra kell számítanunk, és a megszakításokat sem árt letiltanunk. Az írás küls memóriába így néz ki a gyakorlatban: tlwt,reg tablwt,,reg2 Itt beírjuk a 'reg' és 'reg2' regiszterek tartalmát alsó, fels bájt sorrendben az el z ekben megcímzett programmemória szóba, majd a mutató tartalmát megnöveljük eggyel. Az olvasás is hasonló képen történik, de egy kicsit csavarosabb. Ugyanis a processzor csak a 'Q2' fázisjel ideje alatt tud regisztert olvasni, és csak a 'Q4' fázisjel alatt képes regiszterbe írni. Olvasásra is két utasítás használatos, a tlrd és a tablrd. Itt is a második a valódi olvasó utasítás, el ször a TBLAT megjelölt felének tartalmát tölti a megadott regiszterbe (a TBLAT tartalma lehet ismeretlen is!), azután a mutató által megcímzett programmemória rekesz tartalmát írja be a TBLAT-be, ezután ha akarjuk, megnöveli a mutató értékét eggyel. Ez az utasítás általában két ciklust vesz igénybe, a másodikban történik az el z höz hasonlóan a programmemória olvasása (ez az utasítás lehet 3 ciklus is abban az extrém esetben, ha a célregiszter a PCL). Az els utasítás egyszer en beírja a TBLAT megadott felét a megadott regiszterbe. Ez mindig egy ciklust vesz igénybe. Az el z ekb l kit nik, hogy az olvasás elején mindig szükség van egy 'dummy' olvasó utasításra, ami feltölti a TBLAT-et. Erre vonatkozik a következ példa: tablrd,,reg2 tlrd,reg tablrd,,reg2 Az els tablrd,,reg2 beolvassa a TBLAT ismeretlen tartalmának fels bájtját reg2 - be (teljesen feleslegesen), majd feltölti a TBLAT-et a programmemória tartalmával, ezután megnöveli a mutató értékét. A következ utasítással már át tudjuk tölteni a reg -be az el bb a TBLAT-be olvasott programmemória szó egyik felét, itt épp az alsó bájtot írjuk be. Ezután, ha csak mindössze egyetlen szót akarunk beolvasni, egy újabb TLRD utasítással is bemásolhatjuk a szó másik felét a kívánt regiszterbe egyetlen ciklus alatt, például.: tlrd,reg2. Viszont, sorozatos olvasásnál, beállíthatjuk a mutató új értékét - ha a rákövetkez cím nem felel meg - és kiadhatunk egy újabb TABLRD utasítást, ami elvégzi a TLRD feladatát, és egyben be is olvassa a következ programmemória szót a TBLAT-be (két ciklus alatt). Az egyetlen dolog, amire még figyelni kell, és nem található meg a gyári leírásban, az hogy a TBLAT fizikailag nem azonos íráskor és olvasáskor, tehát programmemória másolásakor ki kell olvasni az alsó és fels bájtot is, majd vissza kell írni (ez a felfedezés néhány, a logikai analizátor mellett töltött órába került): movfp ptrrl,tblptrl movfp ptrrh,tblptrh tablrd,,temp tlrd,temp tlrd,temp2 movfp ptrwl,tblptrl movfp ptrwh,tblptrh tlwt,temp tablwt,,temp2 Másolásnál ezt a részletet is ciklusba szervezhetjük, sajnos a mutatók közösek íráskor és olvasáskor, így azokat folyton módosítani kell. yerhetünk két utasításciklusnyi végrehajtási id t, ha a második TLRD utasítást TABLRD utasításra cseréljük, és ez el tt az utasítás el tt állítjuk be a következ ciklusban olvasandó címet a mutatóba, természetesen ekkor a TLRD utánra kell ugornunk és el re be kell olvasnunk az els másolandó adatot. Így egy gyorsabb de olvashatatlanabb és hosszabb kódot kapunk - ahogyan ez lenni szokott. Diplomaterv tavasz

16 Számábrázolási módok és az aritmetika Az adott mikrokontroller egy fontos részegysége a beépített hardverszorzó, ez lehet vé teszi alkalmazását olyan területeken, ahol az átlagos mikrokontrollerek számítási teljesítménye kevésnek bizonyul, azonban nagy számítási teljesítmény DSP-k alkalmazása még nem indokolt, vagy körülményes. Ezen kívül a mikrokontroller alapú megvalósítás egy áramköri tokból álló megoldást jelenthet a DSP alapú rendszerekkel szemben. A beépített hardverszorzó rendelkezik néhány kellemetlen tulajdonsággal, úgy is fogalmazhatunk, hogy körültekint bb tervezéssel sokkal rugalmasabban és szélesebb körben alkalmazható eszköz készülhetett volna az adott mikrokontrollerb l. A kés bb tárgyalt digitális sz r kkel kapcsolatos fejezet el készítése érdekében ebben az alpontban áttekintjük a számábrázolással és m veletekkel, illetve azok viszonyával kapcsolatos fogalmakat, rámutatva a sajátosságokra [], [9], [], [6]. A kettes számrendszerbeli számok esetében négy alapvet fixpontos számábrázolási mód használatos. Megkülönböztetünk el jel nélküli és el jeles, azaz kettes komplemens kódbeli számokat (el jeles számokat ábrázolhatunk egyes komplemens kódban is, de ez ma már nem szokásos). Feloszthatjuk a számábrázolási módokat a számon belüli törtrész kezdetét jelz kettedes pont fix helye szerint is, így létezik egész és tört számábrázolás. Mindkét felosztás szerinti bármely összetétel lehetséges, így adódik a négyféle lehet ség. Tekintsük át ezeket vázlatosan, hogy a kés bbiekben hivatkozhassunk rájuk, és az itt bevezetett jelölésekre. El jel nélküli egész szám. Ez általánosan a leggyakoribb, ha ránézünk egy bitsorozatra azonnal így kezdjük kiolvasni. Egy 'n' bites szám esetén ez a következ alakú (a biteket a bn... b szimbólumok jelölik): n n n 2 2 ui : n = b * 2 + b 2 + b * b * 2 + b * 2 + b * 2 ; b,, i n n n n 2 Az ábrázolható számtartomány:... ( 2 ) 2 n+. A következ gyakran használt lehet ség a kettes komplemens kódú egész: n n n 2 2 si : n = b * 2 + b 2 + b * b * 2 + b * 2 + b * 2 ; b,, i n n n n 2 2 Ez csak egy el jelben különbözik az el z t l, ez teszi lehet vé negatív számok ábrázolását is, n n itt a lehetséges számábrázolási tartomány: ( ) ( ) Észrevehetjük, hogy a kettedespont mindkét el z esetben a legalsó helyiérték bit után helyezkedett el, azaz ezek a számok nem tartalmaznak tört részt. Az el jel nélküli törtszám a következ módon értelmezhet : 2 3 uf n b b b b ( n ) n b b ( n+ : = * * * 2 + * 2 + * 2 ) ; b,, i n n n n 2 2 Ilyen módon... ( ) ( 2 ) n+ között ábrázolhatunk számokat. Ezt a módot gyakran az el z kiegészítéseként használják, törtrész tárolására. Itt a kettedespont a szám el tt áll, a legmagasabb helyiérték bit el tt, egy ilyen fajta szám egész részt nem tartalmaz. A negyedik fajta számábrázolási mód az el jeles tört, ez a következ képp lehetséges: 2 ( n 2) ( n ) n sf : n = b * 2 + b 2 + b * b * 2 + b * 2 + b * 2 ; b,, i n n n n 2 Ez a módszer ( n... 2 ) 2 i i [ ] [ ] i i [ ] [ ] közötti számok ábrázolására alkalmas. Érdekes módon a kettedespont ebben az esetben a szám belsejében a legmagasabb helyiérték bit után helyezkedik el, tehát az el jelbit egész helyiérték, a többi bit pedig törtként értelmezend. Véges impulzusválaszú digitális sz r k implementálásakor, DSP alkalmazásokban szinte csak ez utóbbi számábrázolási mód fordul el, hiszen a lehetséges értékek abszolút értékben legfeljebb eggyel lehetnek egyenl k, és két ilyen szám összeszorzásakor szintén nem keletkezhet egynél nagyobb abszolútérték szám. Ami azt jelenti, hogy ennél a számábrázolásnál nem kell attól tartani, hogy értékes, nagy helyiérték bitek elvesznek a tárolórekesz túlcsordulása miatt, vagy hogy nehezen követhet vé válik a legfels bit helye. Ebben az esetben csak alulcsordulás lép fel, ami a legkisebb helyiértéken aluli számjegyek levágását jelenti, de megfelel bitszám választással a kívánt pontosságú eredmény el állítható. Természetesen számok összeadásakor ilyenkor is fellép egynél nagyobb abszolútérték eredmény, többek között ezért kellemetlen dolog végtelen impulzusválaszú (IIR, ARMA) sz r k implementálása, hiszen ilyenkor az így el állt eredményt újbóli szorzásnak kell alávetni, ahol már nem ilyen egyértelm, hogy hol található a legnagyobb helyiérték értékes bit. Diplomaterv tavasz

17 Viszont bármely állapotváltozóban a fels helyiértékek levágása okozta durva nemlinearitás határciklusokat hozhat létre a sz r állapotterében, amely a sz r végleges, csak az állapotváltozók alaphelyzetbe állításával megszüntethet instabil állapotba kerülését okozhatja. Így óvatosságból egyszer struktúrájú IIR sz r ket általában lebeg pontos környezetben valósítanak meg, de még ebben az esetben is nagy figyelemmel kell eljárni. Ellentétben a véges impulzusválaszú (FIR, MA) sz r kkel, ahol a szorzások után következik az összeadás, és ezt az eredményt már nem kell további szorzásoknak alávetni. Természetesen az IIR sz r k impulzusválaszának egy véges hosszúságú darabját lehet adott pontossággal szimulálni FIR sz r kkel, így nem merülhetnek fel stabilitási problémák a tranziens id szakos túlvezérlés esetét l eltekintve, de az együtthatókészlet megfelel normálásával ez ellen is lehet védekezni. Sajnos ilyen sz r esetében viszont a m veletek száma nagyságrendileg megn, noha sok esetben csak a FIR sz r s megoldás engedhet meg, például ha a sz r fázismenete kritikus, illetve független kell, legyen a sz r amplitúdó-menetét l. Tehát leszögezhetjük: ha fontos a kis m veletvégzési id (alacsony fogyasztás), nem kritikus a sz r fázismenete, és megengedhetjük, hogy a sz rt jelb l esetleg hiányozzanak rövid szakaszok, amikor az - egyébként nagy gonddal megtervezett - sz r t alaphelyzetbe állítjuk, mert instabil állapotba került, akkor használhatunk egyszer struktúrájú IIR sz r t, persze ekkor még mindig fennáll a sz r esetleg fellép instabilitásának érzékelési problémája, nem beszélve a zérus bemenet határ-oszcillációról. Természetesen gondolatban akárhová helyezhetnénk a kettes számrendszerbeli számon belül a kettedespontot, vagy máshogy is kódolhatnánk negatív számokat, de akkor gondoskodnunk kellene arról az aritmetikai egységr l is, ami ilyen számokon m veleteket képes végezni az elvárt módon (erre a digitális sz r kkel részletesen foglalkozó fejezetben még látunk példát). A fenti négy eset azonban szoros kapcsolatban áll egymással, így bármelyikhez készített aritmetikai egység kis többletmunkával képes a többi számábrázolási módban is m veletet végezni. Ezen felül a fentiek kombinációival bármilyen feladat megoldható. Ha nagy változódinamikára volna szükségünk, egy határ után nem célszer a bitek számának növelésével növelni a pontosságot, alkalmazhatunk lebeg pontos számokat, ezek a tízes számrendszerbeli számok normál alakjához hasonlítanak a leginkább, ekkor a relatív pontosságot tartjuk állandó értéken. A lebeg pontos számok két részb l állnak a mantisszából és a karakterisztikából. Alakjuk például a következ lehet: p p ( n ) n ( cp * 2 + cp c* 2 + c* 2 ) ( mn * 2 + mn m * 2 + m * 2 ) * 2 ; mi, c j [, ], i n, j p, ahol mn... m a mantissza cp... c pedig a karakterisztika bitjeit jelöli. Látszólag ez a megoldás megold minden problémát, persze a m veletek kissé nehézkesebbek, szorzásnál a karakterisztikákat össze kell adni, osztásnál kivonni egymásból, itt túlcsordulás keletkezhet. Összeadás és kivonás esetén azonos karakterisztikára kell hoznunk a számokat, ez mindig a nagyobbik karakterisztika lesz. A látszat ellenére ez a számábrázolási mód sem mindenható, a mantissza itt is véges pontosságú, elképzelhet például, hogy a sz r elemek sorrendjének, vagy struktúrájának rossz megválasztása következtében az általunk kisz rni kívánt nagy amplitúdójú spektrumkomponensek a sz r belsejében egyes helyeken kiszorítják az ábrázolási tartományból a számunkra fontos kisebb jeleket. Ezt a problémát több sz r alaptag alkalmazásával, és ezek sorrendjének helyes megválasztásával küszöbölhetjük ki. Az is problémát jelenthet, ha nem megfelel sorrendben adunk össze számokat: egy nagyon kis szám összeadás után semmit nem változtat egy nála nagyságrendekkel nagyobbon, ha a mantisszáik egyetlen helyiértéken sem találkoznak, viszont elképzelhet, hogy ezután a nagy számhoz hozzáadunk egy közepeset, amihez el bb hozzáadva a kicsi számot együttesen más végeredmény alakult volna ki. Tehát a lebeg pontos számok körében az összeadás nem feltétlenül asszociatív. Ha tehetjük, monoton növekv sorrendben adjunk össze lebeg pontos számokat. A lebeg pontos számok tárolására az IEEE kidolgozott egy szabványos formátumot, célszer lehet ennek alkalmazása, ha más eszközökkel kívánunk adatokat cserélni. A számábrázolási módok áttekintése után térjünk rá a m veletvégzésre, el ször a fixpontos számok esetét tekintve. A processzor az egyszer összeadás és kivonás m veleteket a leírás szerint egész, kettes komplemens kódban értelmezi, ez nem jelent különösebb megkötést, hiszen az összes fenti fixpontos számábrázolási módban ugyanúgy kell ezeket a m veleteket elvégezni. Az el jeles és el jel nélküli m veletek eredményeinek kiértékelésében státuszbitek vannak segítségünkre. Az aritmetikai és logikai egységnek (ALU - Arithmetical and Logical Unit) négy státuszbitje van, mindannyian az Diplomaterv tavasz

18 ALUSTA (ALU STAtus register) regiszterben foglalnak helyet. Az ALUSTA regiszter az adatmemóriában található átlapolás nélküli területen (címe 4h). A regiszter e négy bitjének értelmezését a következ táblázat tartalmazza. Címe: 4h Sorszám Elnevezés ALUSTA regiszter Magyarázat. bit Carry El jel nélküli összeadás és kivonás m veleteknél tölti be a maradék szerepét, illetve léptet utasításoknál ide kerül a kiléptetett bit és innen kerül beléptetésre. Egyes érték, ha a legfels helyiértékr l képz dött maradék, különben nulla.. bit Digit carry Binárisan kódolt decimális (BCD - Binary Coded Decimal) számokkal végzett m veleteknél jelzi, ha a kisebb helyiérték számjegyr l (alsó 4 bit) átvitel történt a fels félbájtra. 2. bit Zero Egyes érték, ha a végrehajtott aritmetikai vagy logikai m velet eredményeként nulla adódott, egyéb esetben nulla. 3. bit Overflow Kettes komplemens kódban történ összeadásnál és kivonásnál jelzi, ha az el jelbit megváltozott a m velet során, az alsó 7 bitr l történt túlcsordulás miatt. A carry és digit carry bitek kivonásnál invertáltan értelmezettek. Mind a négy bit írható és olvasható. Példaként tekintsük a következ két esetet: movlw addlw ffh h Az eredmény: WREG=h C= OV= DC= Z= El jel nélkül: = ( C = ) * El jelesen: ( ) + = Az els olvasat szerint el jel nélküli m veletet tekintve a carry egyes értéke jelzi, hogy a bájt túlcsordult, így a legfels helyiérték bit a carry-ben található, és hozzáadható az esetleges magasabb helyiérték bájthoz. El jeles összeadást feltételezve az overflow bit nulla értéke jelzi, hogy a m velet közben nem történt átvitel a hatodik bitr l a hetedikre, így a kapott végeredmény helyes. Második eset: movlw addlw 7fh h Az eredmény: WREG=8h C= OV= DC= Z= El jel nélkül: = 2 8 ( C = ) * El jelesen: 27 + = 28 A el jel nélküli m veletnél a carry nulla értékéb l látjuk, hogy az eredmény helyes. El jeles m veletnél az overflow bit jelzi, hogy az el jelbit átfordult a m velet közben, így azt visszafordítva és a túlcsordulást figyelembe véve kapjuk meg a helyes eredményt. Ha egy bájtnál hosszabb el jeles számokat kell összeadnunk vagy kivonnunk, akkor az el jeles m veletekre vonatkozó overflow biteket csak a legmagasabb helyiérték bájtoknál kell figyelembe vennünk. Több bájtos számokkal a következ módon végezhetünk m veleteket a maradék továbbgörgetésével: Diplomaterv tavasz

19 A fenti példa két el jeles 6 bites számot ad össze az esetleg képz d maradék továbbvitelével, megvizsgálja, történt-e túlcsordulás és ennek függvényében elugrik a szükséges korrekciót végrehajtó programrészhez. Lebeg pontos összeadásnál és kivonásnál a m veletet a két szám közül a nagyobb abszolútérték karakterisztikáján kell elvégezni. Ehhez a kisebb abszolútérték t jobbra kell tolni a két karakterisztika különbségével. Ha nincsenek átfed mantissza darabok, tehát a karakterisztikák különbsége nagyobb a mantisszák hosszánál, akkor a nagyobb abszolútérték szám nem változik. A mantisszák túlcsordulásakor korrigálni kell a legfels bitet az átfordult el jel függvényében, majd az el jelet a carry-be téve az egész mantisszát jobbra kell léptetni, ezután pedig megnövelni a karakterisztikát. A lebeg pontos számokat összeadás és kivonás után karban is kell tartani. Ha a mantissza az el jelbitet is beleértve csupa azonos bittel kezd dik, akkor annyival balra kell tolni, hogy már csak az el jelbiten maradjon meg az adott bitérték, majd az eltolás mértékében csökkenteni kell a karakterisztikát. Erre azért van szükség, mert azonos nagyságrend számok kivonása esetén a mantissza abszolút értéke csökken, és a fels bitek feleslegesen csak csupa nullát vagy egyest tartalmaznak, viszont a karakterisztika változatlan. Ekkor, ha egy kisebb számmal végzünk összeadást vagy kivonást, akkor az feleslegesen sok bittel jobbra tolva befolyásolja az eredményt, az eredmény pontatlanabb lesz, mint amilyen lehetne, s t az is el fordulhat, hogy így egy id után kicsúsznunk a mantissza számábrázolási tartományából. A szorzás m velete már nem ilyen egyszer, itt minden esetet meg kell vizsgálnunk egyenként. A processzorban található hardverszorzót el jel nélküli egész 8 bites számok összeszorzására készítették fel (ez a legegyszer bb lehet ség), ebben az esetben a szorzás a következ képp értend : Tehát kiadva a movfp argl addwf arg2l movfp argh addwfc arg2h btfsc alusta,3 goto overflow.*. 93.* movlw mullw B B parancsokat az eredmény: (PRODH):(PRODL)=B. Vizsgáljuk meg, milyen eredményt kellene kapnunk, ha ezeket a számokat másképp értelmezzük. Tekintsük el ször az el jel nélküli egész és a kettes komplemens kódú egész viszonyát. Diplomaterv tavasz

20 [ ] [ ] ui : n = b * 2 + b 2 + b * b * 2 + b * 2 + b * 2 ; b,, i n n n n n n 2 n 2 si : n = b * 2 + b 2 + b * b * 2 + b * 2 + b * 2 ; b,, i n n n n n n 2 n 2 n n n si : n + b 2 = ui : n b 2 ui : n = si : n + b 2 + n n Látható, hogy a kettes komplemens kódú egész számok nemnegatív ( ) n i i b n = esetben megegyeznek az el jel nélküli egészekkel, így ha mindkét kettes komplemens kódú szorzótényez pozitív, szorzás végeredménye helyes lesz. Vizsgáljuk meg, mi adódik, ha b n =. Ekkor n behelyettesítéssel: ui : n = si : n Ebb l következ en a szorzatban feleslegesen szerepelni fog n egy 2 + * si : n alakú tag, ezt kivonva a szorzás eredményéb l, megkapjuk a helyes értéket. A 2 nel való szorzás a szorzat legmagasabb helyiérték bittel kezd d felét jelenti, mivel két n bites szám szorzata 2 *n bites számot ad eredményül, és a számok legkisebb helyiértéke 2. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy meg kell vizsgálnunk a szorzótényez k el jeleit, és amennyiben valamelyikük legfels bitje egyes érték, a szorzat fels bájtjából ki kell vonnunk a másik szorzótényez t. Ha mindkét tényez el jelbitje egyes, akkor mindkett vel korrigálni kell az eredményt. Ez a következ módon történhet: n+ - movfp mulwf btfsc subwf movfp btfsc subwf arg,wreg arg2 arg2,7 prodh, arg2,wreg arg,7 prodh, Látható, hogy ez a leírás szerinti egyetlen utasításciklus helyett már hét utasításciklus. Korrektebb megoldás lehetne konfigurálható szorzó beépítése, illetve többfajta szorzóutasítás implementálása. El fordulhat, hogy kettes komplemens kódú számot el jel nélküli egésszel kell megszoroznunk, például ha egy bájtnál hosszabb számokat szeretnénk összeszorozni, hiszen ekkor az alacsonyabb helyiérték bájtok már nem el jelesen tároltak. Ilyen módon összesen négyféle szorzás értelmezhet. Ezek DSP processzorokban általában külön-külön meg is vannak valósítva. Ha megtekintjük az utasításkészlet összefoglaló táblázatát, láthatjuk, hogy a mikrokontrollerünk utasításkészletében is van három üres hely az utasításkódok között mindkét szorzó utasítás után. Csak a fejleszt k a megmondhatói, miért nem építettek be el jeles és vegyes szorzásokat is az utasításkészletbe, illetve ha beépítették is, miért nem dokumentálták. Hosszabb számok szorzásakor természetesen csak az el jeles (legfels ) bájtok el jelei alapján kell a korrekciót elvégezni. Erre is tekintsünk egy példát: Diplomaterv tavasz

21 movfp argl,wreg mulwf arg2l ;argl*arg2l movpf prodl,res movpf prodh,res movfp argh,wreg mulwf arg2h ;argh*arg2h movpf prodl,res2 movpf prodh,res3 mulwf arg2l ;argh*arg2l movfp prodl,wreg addwf res movfp prodh,wreg addwfc res2 movlw h addwfc res3 movfp arg2h,wreg mullw argl ;arg2h*argl movfp prodl,wreg addwf res movfp prodh,wreg addwfc res2 movlw h addwfc res3 btfss argh,7 ;arg<? goto noneg movfp arg2l,wreg subwf res2, movfp arg2h,wreg subwfb res3, noneg btfss arg2h,7 ;arg2<? goto noneg2 movfp argl,wreg subwf res2, movfp arg2h,wreg subwfb res3, noneg2 A példaprogram az el jelvizsgálatokig egy el jel nélküli 6 bites számokat összeszorzó algoritmus, állandó futási id vel (23 utasításciklus), ezután történnek meg az el jelvizsgálatok, és ezek függvényében a fentivel ekvivalens kivonások. A legnagyobb futási id akkor áll el, ha mindkét argumentum negatív, ez 35 utasításciklus; ha az egyik argumentum negatív, akkor 32; ha egyik sem negatív akkor 29 utasításciklus a végrehajtási id. Átlagosan 32 utasításciklus, az el jelek egyenletes eloszlását feltételezve. Abban az esetben, ha nincs szükségünk a teljes 32 bites eredményre, els közelítésben elhagyhatjuk a legalsó byte tárolására használt utasítást. Ha nem törekszünk tökéletes precizitásra, akkor az egész els szorzást elhagyhatjuk, ennek eredménye csak kis valószín séggel befolyásolja a fels 6 bit tartalmát. Most rátérhetünk a tört számábrázolási módok tárgyalására. Kezdjük az el jel nélküli törtszámmal, hasonlítsuk össze ezt is az el jel nélküli egész kódolási formátumával: Diplomaterv tavasz

22 [ ] i [ ] ui : n = b * 2 + b 2 + b * b * 2 + b * 2 + b * 2 ; b,, i n n n n n n 2 n uf n b b b b ( n ) n b b ( n+ : = * * * 2 + * 2 + * 2 ) ; b,, i n n n n ( n ) Ebb l a következ egyszer következtetést vonhatjuk le: uf : n = ui : n 2 +. Tehát egy kettes számrendszerbeli törtszám ugyanúgy viselkedik, mint egy egész, csak néhány bittel jobbra tolva képzeletben. A szorzás természetesen érzéketlen arra, hogy mi hogyan rendelünk valós tartalmat a bitek egymásutánjához, a m veleteket csak a bitek egymáshoz való viszonya befolyásolja, ez pedig az el jel nélküli egész és tört számok esetében azonos, tehát a beépített szorzóval minden módosítás nélkül végezhetünk m veleteket el jel nélküli törtként értelmezett számokon, s t a több bájtos számok alsó bájtjait tekinthetjük törtrésznek is. Hátra van még az el jeles törtszámok és az el jel nélküli egészek viszonyának tisztázása. n n n 2 2 ui : n = b * 2 + b 2 + b * b * 2 + b * 2 + b * 2 ; b,, i n n n n 2 2 i i [ ] i [ ] 2 sf n b b b b ( n 2) b ( n ) n : = * * * 2 + * 2 + b * 2 ; b,, i n n n n 2 2 ( sf n b ) ui n b ui n ( sf n b ) n n n : : n : : n = 2 = Amint látható, az eljárás teljesen megegyezik a két el z eset összevetésével, csak el kell végeznünk az el jelek miatt adódó korrekciót és megkapjuk a helyes eredményt. Az egyetlen galiba abból adódik, hogy a kettedespont itt a szám belsejében van, így annak sorsát is nyomon kell követnünk. A kettedespont pozíciója a két legfels bit között úgy is tekinthet, mintha egy közönséges el jeles szám egy lebeg pontos szám mantisszájaként meg lenne szorozva a 2 karakterisztikával, a szorzás után a karakterisztikák összeadódnak, így 2 2 keletkezik. Tehát az eredményben a kettedespont eggyel jobbra tolódott, az így kapott számformátum eltér attól, amivel a m veleteket végeztük. Ezt az eredmény egy hellyel balra tolásával tudjuk ellensúlyozni, hiszen biztosak lehetünk abban, hogy így nem veszítünk el értékes bitet, mivel két, legfeljebb egységnyi abszolútérték szám szorzatában sosem léphet fel egynél nagyobb helyiérték. Sajnos, így a legalsó helyiértékhez tartozó bit kihasználatlan marad, oda léptethetünk állandó, vagy véletlenszer en változó értéket. Az fenti 6 bites el jeles szorzóutasításokhoz a következ sorokat kell még hozzáf znünk a helyreigazításhoz: n bfc rlcf rlcf rlcf rlcf alusta, res, res, res2, res3, Ez öt járulékos utasításciklust jelent, 6 bites eredménynél csak hármat, illetve négyet, ha a legalsó bitre is igényt tartunk. Az eddigi ismeretek fényében nem okoz nagy nehézséget a lebeg pontos szorzás implementálása sem, csak a karakterisztikák összeadását kell elvégezni. Ha a karakterisztikák alulvagy túlcsordulnak, szokásos, pozitív végtelen, vagy negatív végtelen (az ábrázolható legnagyobb abszolútérték szám megfelel el jellel) beírása végeredményként. Célszer lehet 3 bájtos mantissza és egy bájtos karakterisztika alkalmazása, a 3 bájtos szorzó megírása az el z ek alapján szintén megoldható, ekkor (kisebb pontossági igényeknél, de akkor nincs értelme lebeg pontos számokat használni) esetleg mód adódhat több szorzás elhagyására is, de azért vigyázzunk, ne járjuk pórul, mint a Pentium processzor tervez i annak idején. Ebben az esetben is elvégzend az összeadásnál és kivonásnál említett mantissza és karakterisztika korrekció, azzal a különbséggel, hogy itt értékes jegyeket is nyerhetünk a teljes szám balra tolásával. Egyéb észrevételek Az adatmemóriát és a bels perifériák regisztereit a tervez k több egymást átfed memórialapon valósították meg. A tervez k által fontosnak ítélt egységeket bármely lap kiválasztása mellett el lehet érni, ezek átlapolás nélküli területen helyezkednek el. Így a bels egységek nagy részének használatánál nagyon gyakran lapozni kell az adatmemóriában, az is el fordul, hogy egyetlen perifériához tartozó különböz rendeltetés regiszterek más-más lapon helyezkednek el, ez rengeteg kényelmetlenséget okoz programírás közben, a programhibák túlnyomó többségét egy-egy elmaradt lapkiválasztó utasítás okozza. És a sok lapozó utasítás sajnos a futásid t is kellemetlenül Diplomaterv tavasz

23 megnöveli. A másik hibaforrás kiküszöbölésére kell gyakorisággal adjuk ki a CLRWDT utasítást, f ként ciklusmagokban, megszakítás-kezel rutinok és szubrutinok elején. A watch-dog áramkört természetesen le is lehet tiltani, de ekkor nincs a rendszerünk megvédve a programhibák ellen. Sajnos a tapasztalat szerint a watch-dog áramkör m ködésével kapcsolatban néha fellépnek bizonytalanságok, pontosabban néha nem m ködik, amikor elvileg m ködnie kellene. Ezen rendellenességek eredetét mostanáig nem sikerült tisztázni. Diplomaterv tavasz

24 3.3. Beépített perifériák és programozásuk Ebben az alpontban a mikrokontrollerbe épített olyan egységekr l lesz szó, amelyek egy mikrokontrollert egy tokba integrált számítógéppé tesznek. Ezen egységek dokumentációja a gyári leírásban [], [26] megtalálható, itt csak a kés bbiekben felhasznált egységekkel foglalkozunk, illetve az eredeti leírás hiányosságait kívánjuk pótolni. Megszakítások fajtái, kezelésük A PIC7C7XX megszakítási rendszere roppant sajátságos, és bizonyos szempontból kényelmetlen, mindazonáltal funkcionálisan tökéletesen m ködik, és az els néhány buktató felismerése után felprogramozható. Sajátságos, mivel úgy t nik, mintha a tervez k túlzott kompromisszumokat kötöttek volna a kisebb típusokkal való kompatibilitás részleges, és nehezen kihasználható fenntartása végett. A mikrokontroller háromszint megszakítási rendszerrel rendelkezik. A legfels szint a nem maszkolható megszakításhoz tartozik (on-maskable Interrupt - MI), ezt semmilyen módon nem lehet letiltani a kontrolleren belül. M ködése teljesen egyértelm, a kontroller az MCLR#/Vpp lábára adott logikai alacsony szint hatására alapállapotba kerül és átadja a vezérlést a programmemória legelejére. Ez a folyamat egy meglehet sen összetett áramkörön keresztül történik biztonsági okokból, ennek dokumentációja kell részletességgel megtalálható a gyári leírásban. Ezentúl csak a másik két megszakítással foglalkozunk. Az egyik megszakítási szint hardveresen egyértelm prioritást élvez a másik felett. Mindkét szinthez tartozó egységek megváltoztathatatlanul be vannak kötve. Az alsó szinten lev megszakításokat perifériális megszakításoknak nevezik, a fels szintnek nincs külön neve, a leírásban ezek egyszer en megszakítások. Minden megszakítást egyszerre letilthatunk egy globális megszakítás tiltó bittel, ez a bit a CPUSTA (Central Processor Unit STAtus) regiszterben kapott helyet. A regiszter két számunkra fontos bitjének funkciója a következ táblázatban látható: CPUSTA regiszter Címe: 6h Sorszám év Hozzáférés Alapérték 4. bit GLITD - GLobal ITerrupt Disable bit Irható és olvasható 5. bit STKAV - STacK AVailable bit Csak olvasható A GLITD bit törlésével engedélyezhetjük az összes megszakítást, egyes értéke mellett minden megszakítás tiltott. Alapállapotban, egy nem maszkolható megszakítás beérkezése után minden megszakítás tiltva van. Minden egyéb megszakítás beérkezésekor szintén letiltódik minden megszakítás, alaphelyzetben egyszerre csak egy megszakítás kiszolgálása lehet folyamatban. Azonban a megszakítás-kezel alprogramban újra engedélyezhetjük a megszakításokat a státuszinformációk elmentése után, így szoftveresen többszint megszakítási rendszert hozhatunk létre. Ennek nagy nehézsége, hogy a beépített verem - ahol a visszatérési címek tárolásra kerülnek alprogram hívások esetén és megszakítások beérkezésekor - programból semmilyen módon nem érhet el, és fix hossza 6 szó. Amennyiben túlcsordul, - ezt jelzi az STKAV bit nullává válása - alaphelyzetbe állítása csak az MI segítségével lehetséges, ami a leírás szerint szoftveresen semmilyen módon nem oldható meg közvetlenül. Egy módon azonban mégiscsak el idézhetünk küls áramkör nélkül nem maszkolható megszakítást. Letiltunk minden megszakítást, és hagyjuk, hogy túlcsorduljon a watch-dog timer. Amennyiben mindenképp többszörös megszakítási rendszerre van szükségünk, a státuszinformációk mentésére létre kell hoznunk egy saját vermet is. Amit az egyik indirekt címzést megvalósító regiszter és az egyik adatmemória-lap feláldozásával tehetjük meg, erre szerepel példaprogram a gyári leírásban. A megszakításból való visszatérésre szolgáló utasítás természetesen automatikusan újra engedélyezi a megszakításokat. A fels szint megszakításait a következ események válthatják ki: a -ás sorszámú számláló és id zít túlcsordulása (Timer ) meghatározott él az IT lábon meghatározott él a TCKI lábon perifériális megszakítás Ezen események bekövetkeztekor a kontroller magja megadott címekre adja át a vezérlést. Ezek a címek szintén állandóak, tehát nem beszélhetünk vektoros megszakítási rendszerr l, még ha a Diplomaterv tavasz

25 leírás ezeket a címeket vektoroknak is nevezi. Természetesen ezekr l a címekr l tetsz leges helyre átadható a vezérlés. A címeket a következ táblázat tartalmazza: Memóriacím Megszakítást kiváltó ok Prioritás h em maszkolható megszakítás (MI) - 8h IT láb h Timer túlcsordulása 2 8h TCKI láb 3 2h Perifériális megszakítás 4 A fenti, gyári leírás szerinti prioritások csak arra az esetre vonatkoznak, amennyiben a megszakítások ugyanabban az utasításciklusban érkeznének meg. Ekkor a beérkezett kérések közül a legmagasabb prioritású (az sorszámú prioritás a legmagasabb) kerül kiszolgálásra, arra viszont nincs mód, hogy hardveresen biztosítsuk, hogy egy megszakítást csak nála magasabb prioritású szakíthasson félbe (mindazonáltal a megszakítások prioritásfogalma eredetileg ezt takarná). Mind a négy megszakításhoz tartozik egy-egy engedélyez bit és egy-egy jelz bit. Ezek az ITSTA (ITerrupt STAtus) regiszterben foglalnak helyet. Az engedélyez bitek a megszakítások egyedi engedélyezésére és tiltására szolgálnak. A jelz bitek két esetben hasznosak: egyrészt amikor nem megszakítások segítségével kívánjuk kezelni az adott eszközöket, másrészt a megszakítást kezel alprogram a megszakított programba való visszatérése el tt az adott megszakítás jelz bitjének törlésével adja a megszakítás-vezérl tudtára, hogy befejezte a megszakítás kiszolgálását. Ha ez a bit nem törl dik, a visszatérés után újra azonnal megszakítás keletkezik, és visszakapja az el z alprogram a vezérlést, így sosem kerül vissza a vezérlés a megszakított folyamathoz. Egyetlen kivételt képez a perifériális megszakítások jelz bitje: ez nem írható, csak olvasható, a perifériák megszakításainak jelz it különkülön kell törölni. A megszakítások másik fajtái a perifériális megszakítások, ezekkel több probléma van, mint az el z ekkel. Látható, hogy egy adott vektor valósítja meg az összes perifériális megszakítás kiszolgálását, ez a nullás sorszámú id zít kivételével az összes bels eszköz összes lehetséges megszakítását jelenti. Tehát a különböz perifériák megszakításait programból kell szétosztani. Éppen ez a feladat az, ami a leírásban nincs megfelel en dokumentálva, és a tapasztalatok szerint sokaknak - köztük e sorok írójának is - gondja akadt vele. A perifériák megszakításainak kezelésére hasonló regiszterek szolgálnak, mint a közönséges megszakítások esetében, azzal a különbséggel, hogy itt 6 forrása lehet a megszakításoknak. Így ezek kezelésére összesen 6 engedélyez bitre, és 6 jelz bitre van szükség. Az engedélyez bitek a PIE és PIE2 (Peripheral Interrupt Enable Register) regiszterekben, a jelz bitek a PIR és PIR2 (Peripheral Interrupt Request Register) regiszterekben kaptak helyet. A funkciójuk hasonló, mint a megszakítások esetén, az engedélyez bitekkel egyenként engedélyezhetjük illetve tilthatjuk a megszakítások fogadását. A jelz bitek viszont három esetben jutnak szerephez. Egyrészt szintén megszakítás nélküli perifériakezelésnél ezeket a biteket olvashatjuk ciklikusan, így értesülhetünk a várt esemény bekövetkeztér l. Másrészt szintén törölnünk kell a jelz biteket a megszakításból való visszatérés el tt, ezt az aszinkron soros vonalak esetén csak közvetve tehetjük meg. Harmadrészt a megszakítási kérelmeket elosztó programrészlet ezek alapján a jelz k alapján tudja azonosítani a megszakítási kérelem forrását. Azonban, mint az el z ekb l látható a jelz bitek az engedélyez vonalaktól függetlenül mindig m ködnek, így a megszakítási kérelmek szétosztásánál újra meg kell vizsgálni egy adott periféria jelz je mellett azt is, hogy az adott megszakítás engedélyezve van-e. Így a perifériák megszakítási kérelmeit kiszolgáló programrészlet roppant terjeng ssé válik, ami megszakítások kiszolgálása esetén nem tartozik a legkedvez bb vonások közé, ezen felül a futásid sem lesz determinisztikus, ami pontos id zítések szükségessége esetén fontos követelmény. Okosabb megoldás lett volna, ha a jelz bitek esetén kiválasztható, hogy azokat maszkolja-e a hozzá tartozó engedélyez vonal, melynek megvalósítása mindössze csak egyetlen járulékos konfigurációs bitet igényelt volna, és 6 és kaput, így a maszkolást nem szoftverb l kellene megoldani és a megszakítás nélküli perifériakezelés lehet sége is megmaradt volna, esetleg kivezethettek volna minden vonalat maszkolva és nem maszkolva is, arra az esetre, ha a perifériáknak csak egy részét kívánjuk magszakításból kezelni. Végül született egy programrészlet, amely közel optimális megoldást ad a problémára, ez a függelékben megtalálható. Ha egy periféria megszakítását nem kívánjuk használni, a hozzá tartozó programrészletet egyszer en kihagyhatjuk. A Diplomaterv tavasz

26 megszakítások maszkolását egy egyszer és (ADWF) utasítással is meg lehet oldani egy regiszter feláldozásával, azonban a fent említett programkód a megszakítások kiszolgálása közben felmerül új megszakítási igényeket is a lehet legel bb, a f programba való visszatérés nélkül kielégíti, amennyiben azok sorrendben a kiszolgálásra került megszakítás után következnek, hiszen a jelz biteket minden megszakításra egyenként ellen rzi. Természetesen a legkellemesebb megoldás egyedi memóriacímek vagy vektorok alkalmazása lehetne, minden eszköz megszakításkérelmének kezelésére. Számlálók és id zít k A mikrokontrollerben négy számláló illetve id zít (Timer) áramkör található ezek közül az els nek (Timer) van kitüntetett szerepe. Ez teljesen különálló egységet képez a mikrokontrolleren belül, képes a mikrokontroller SLEEP üzemmódjában is m ködni küls órajelr l, és megszakítás segítségével fel tudja ébreszteni a mikrokontrollert. A maximális bemeneti órajele 5MHz, majdnem kétszerese a mikrokontrollerének. M ködhet természetesen bels órajelr l is. A felbontása alapvet en 6 bit, de kapcsolható elé egy 8 bit felbontású el osztó is, ami logaritmikus lépésekben állítható. Így akár 24 bit felbontás is elérhet, persze nem tetsz leges pontossággal. Egyetlen hátránya, hogy a mikrokontroller többi id zít jével szemben a felhasználónak kell gondoskodnia a megszakítás beérkezése után az újraindításáról, illetve a kezd érték beállításáról, ami kissé körülményes. Viszont így pontosan mérni tudjuk azt az id t is, ami a megszakítás beérkezése és a kiszolgálás kezdete között eltelt. Ennek a lehet ségnek SLEEP üzemmódból való visszatérés után lehet jelent sége, amennyiben pontosan kell id zítenünk. A maradék három számláló és id zít regiszterei és megszakítási vonalai a perifériák között kaptak helyet. Közülük a Timer és a Timer 2 8 bit felbontású, de együtt összekapcsolhatók 6 bit felbontásúvá. Ezek képesek vezérelni a mikrokontroller impulzusszélesség modulált (Pulse Width Modulation - PWM) kimeneteit. A Timer 3 6 bit felbontású, els sorban impulzusszámlálási feladatokra készítették fel. Az A/D átalakító Az A/D átalakítóról nagyjából hasonló dogok mondhatók el, mint a hardverszorzó és a megszakítás-kezel esetében, tehát használható és helyesen m ködik, de használhatóbb módon, praktikusabban is megvalósíthatták volna a tervez k. Az A/D átalakító PIC7C75X esetében 2, PIC7C76X esetében 6 lábról képes bemeneti analóg értéket fogadni egy analóg multiplexer segítségével. Maga az A/D átalakító egy mintavev és tartó áramkörb l és egy szukcesszív approximációs kvantálóból áll. Az analóg jel forrásának kiválasztása még a mintavev és tartó áramkör el tt történik, így több jel egyidej mérése - gyors jelek esetén megfelel pontossággal - sajnos nem lehetséges. Természetesen minden bemenethez egy-egy külön mintavev és tartó áramkör beépítése feltehet leg jelent sen megnövelte volna a layout felületigényét, a nagyméret tárolókapacitások miatt. A problémák nem is ebb l adódnak. Sajnos a gyári leírásnak sem er s pontja az A/D konverterrel foglalkozó rész. A probléma a lábak üzemmódjának beállítása, illetve annak dokumentálása körül van. A következ kben ismertetésre kerül, ami a leírásból kinyerhet ezzel kapcsolatban (ha néha áttételesen is), illetve annak ellentmondásai, némi tapasztalattal vegyítve. A többi lábhoz hasonlóan, az A/D átalakító bemeneteiként felhasználható lábak is képesek egyszer digitális ki- vagy bemenetként is m ködni. Azt, hogy éppen melyik láb milyen üzemmódban dolgozzon, a leírás szerint konfigurációs bitek határozzák meg. Ezek a bitek az A/D átalakító egyik regiszterében kaptak helyet a négy közül. Ez a regiszter az ADCO (A/D COtrol register ) névre hallgat. A beállításra szolgáló bitjei az -3 bitek. Tehát összesen 8 féle kombinációban adhatjuk meg a 2 vagy 6 vonal üzemmódját. Ezek a lehet ségek a következ táblázatban láthatók: Diplomaterv tavasz

27 Analóg bemeneti lábak üzemmód-kiválasztása I/O lábak RH 7 RH 6 RH 5 RH 4 RF 7 RF 6 RF 5 RF 4 RF 3 RF 2 RF RF RG RG RG 2 RG 3 PCFG3: PCFG A 5 A 4 A 3 A 2 A A A 9 A 8 A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A A A A A A A A A A A A A A A A A A D A A A A A A A D A A A A A A A D D A A A A A A D D A A A A A A D D D A A A A A D D D A A A A A D D D D A A A A D D D D A A A A D D D D D A A A D D D D D A A A D D D D D D A A D D D D D D A A D D D D D D D D D D D D D D D D A tervez k láthatóan egy prioritáskódolóval igyekeztek a problémát kis munkabefektetéssel és hatékonyan megoldani, ámde kevés sikerrel. Látható, hogy a táblázat utolsó két sora között két analóg bemenet változik át digitálissá. (Miért éppen az utolsó sorban?!) Eddig ez még nem túl nagy probléma. Azonban, ha megvizsgáljuk, hogy a mikrokontroller lábkiosztása szerint hogyan helyezkednek el az analóg bemenetek, a következ ket láthatjuk. Az A-A3 vonalak megfelelnek az RG3-RG vonalaknak (Fordított sorrendben!), azaz a PORTG alsó felének. Az A4-A vonalak megfelelnek az RF-RF7 vonalaknak, azaz a PORTF összes vonalának. És végül az A2-A5 vonalak PIC7C76X esetén megfelelnek a RH4-RH7 vonalaknak, azaz a PORTH fels négy vonalának. Így, ha újra rápillantunk a fenti táblázatra láthatjuk, hogy a PORTF gyakorlatilag ketté van vágva, és fels négy vonalának funkciója mereven, bedrótozva megegyezik a PORTG alsó négy vonalának funkciójával. Azonos a helyzet a nagyobbik kontrollerek esetén a PORTH fels négy vonalával és a PORTF alsó négy vonalával. Tehát semmilyen módon sem eszközölhet olyan beállítás, hogy a PORTG tisztán analóg, a PORTF tisztán digitális vonalakat tartalmazzon, ha egyetlen vonalat is analógként akarunk használni, azonnal négyet kell analóg vonallá konfigurálnunk, ráadásul két különböz vonalcsoportban. Sokkal jobb megoldás lett volna, ha a tervez k minden vonalra vonatkozóan külön kivezetik a módbeállító bitet az adatirány regiszterekhez hasonlóan, ehhez mindössze két további konfigurációs regiszterre lett volna szükség. Illetve, amennyiben mindenképp három biten kívánták megoldani az üzemmód-beállítást, legalább értelmes kombinációkat találhattak volna ki, nem lesöpörve az asztalról a kérdést egy egyszer alapáramkör beépítésével. Ezek után tekintsük át, mit jelent a kétféle üzemmód közötti különbség. Alapállapotba állítás (MI) után minden analóg bemenetként használható láb analóg bemenetként van konfigurálva. Tehát minden üzemmód-beállító bit törölt. A lábak üzemmódja független az adatirány-regiszter tartalmától, alapállapotban természetesen bemenetként van beállítva az adatirány. A leírás szerint amennyiben analóg bemenetként szeretnénk használni a lábakat, az adatirány-regiszterben bemenetként kell ket beállítanunk, ellenkez esetben a kimeneti logikai szint kerül átalakításra. Tehát nem választják le a lábakról az analóg multiplexert, amennyiben az kimenetként van definiálva, ez lehet akár el nyös is. Ellenben, ha digitális bemenetként kívánjuk használni a megadott lábakat, akkor át kell váltanunk az üzemmódjukat az ADCO regiszterben digitális üzemmódba, különben az adatregiszterb l konstans nulla értéket kapunk vissza olvasáskor, a lábak feszültségszintjét l függetlenül. A leírás szerint amennyiben a láb digitális bemenetként van definiálva, az analóg/digitális átalakítás ett l függetlenül végrehajtható, és az átalakítás pontossága nem romlik. Még azt is hozzáteszik, hogy az A/D átalakító m ködése teljesen független az üzemmód-kiválasztó bitekt l és az adatirány-regiszter tartalmától. Ezek után persze felvet dik a kérdés, mi szükség van egyáltalán a fenti üzemmódkiválasztó bitekre. Erre egyetlen utalás található a leírásban, és ez az a pont, ahol a leírás ellentmondásba kerül önmagával. Az eredeti szöveg: Analog levels on any pin that is defined as digital input (including the A5:A pins), may cause the input buffer to consume current that is out of the devices specification. Tehát röviden, analóg jelszintek a lábakon többletfogyasztáshoz vezethetnek. Viszont ezen lábak mint digitális ki-/bemeneti vonalak leírásánál az szerepel, hogy a bemeneti buffer Schmitt Trigger típusú, azonban ebben az esetben nem folyhat az átmeneti jelszintek esetén többletáram, hiszen az ilyen bemenet a jelszint függvényében változtatja a komparálási szintjét, és éppen lassan változó folytonos jelek digitalizálására való. A következtetés tehát, hogy amennyiben a bemenetek Diplomaterv tavasz

28 valóban Schmitt Trigger-rel vannak ellátva (a tapasztalat ezt mutatja), az üzemmódot minden láb esetén nyugodtan választhatjuk digitálisnak, az analóg üzemmód egyetlen funkciója, hogy a digitális bemeneti buffereket földre kapcsolja. A fogyasztás ugyan valóban megn het, mivel olyan bufferek is m ködnek, amelyek bemenetén egyébként nem lenne jelváltozás, de ha a bemenetek Schmitt Trigger típusúak, akkor a többletfogyasztás nem lehet jelent s, hiszen az analóg jel alulátereszt sz r n keresztül jut a bemenetre, és így lassan változik, ritkán billennek át a bufferek. Azt, hogy a fogyasztás ennek hatására kívül eshetne a specifikált tartományon, e sorok írója szintén szólva kétli. Az A/D konverter használata a következ képpen történik. El ször a konfigurációs regisztereket kell beállítani. El ször az ADCO-et majd az ADCO-át. Az ADCO segítségével beállíthatjuk a lábak üzemmódját, az A/D átalakító órajel-frekvenciáját, a digitális kimeneti számformátumot, és a referenciafeszültséget. Az órajelet úgy kell beállítani, hogy az id állandója legalább 6. µs legyen, ez 625kHz maximális frekvenciát jelent. A órajel el állítható a bemeneti órajelb l leosztással, vagy az A/D konverter számára külön beépített RC oszcillátorból. Az utóbbi el nye, hogy segítségével a mikrokontroller SLEEP üzemmódjában a többi egységt l függetlenül is tud m ködni az A/D átalakító. Az ADCO segítségével kiválaszthatjuk a figyelni kívánt lábat, bekapcsolhatjuk az A/D modult. Ebben a regiszterben található az a bit is, amivel az átalakítás indítható, de miel tt ezt megtennénk, ki kell várnunk, amíg a mintavev és tartó áramkör (kondenzátor) felveszi a bemenet feszültségszintjét kell pontossággal. Ez a mintavételi id, amely minimális értéke legfeljebb körülbelül 2µs lehet kω generátor-ellenállás mellett; a leírás ennek számítási módját pontosan tartalmazza, értéke els sorban a bemeneti vonalat meghajtó generátor bels ellenállásától függ. Az átalakítás megkezdése el tt még fel kell programoznunk a megszakítást, amennyiben ezzel kívánjuk jelezni az átalakítás végét. Ezután elindíthatjuk az átalakítást, ami 2 órajel-ciklust vesz igénybe a fenti leosztott órajelb l, ez az átalakítási id. Ekkor a mintavev és tartó áramkör tartó üzemmódba kerül, az analóg értéket tároló kapacitás leválasztásra kerül a bemenetr l. Majd kiolvashatjuk az átalakított értéket az eredményregiszterekb l. Újabb mintavétel indítása el tt legalább két órajel-ciklusnyi id t kell várni a fenti leosztott órajelb l. Minden átalakítás végén a mintavev kondenzátor kisütött állapotban van, újra meg kell várnunk, amíg kell pontossággal felveszi a bemenet feszültségét. Láthatjuk, hogy a mintavétel pillanatát tulajdonképpen az átalakítás indításával tudjuk pontosan kézben tartani, ezt valamelyik id zít segítségével tehetjük meg. Soros vonali illeszt áramkörök A mikrokontroller egyik nagy er ssége a két univerzális szinkron/aszinkron soros vonali adóvev áramkör (Universal Syncronous/Asyncronous Receiver/Transmitter - USART). Mindkett egyedi ütemgenerátorral rendelkezik, így az átviteli sebességeik függetlenek egymástól. A két soros vonali illeszt felhasználásával a mikrokontrollerek hálózatba is kapcsolhatók, és mivel képesek megszakítások segítségével elvégezni a soros vonali adás és vétel m veletét, aszinkron módban akár full-duplex átvitellel, tetsz leges hálózati kommunikációs protokoll is felépíthet anélkül, hogy ez az egyéb futó alkalmazásokat - az esetenként bekövetkez megszakításoktól eltekintve - zavarná. A soros vonali vev k akkor kérnek megszakítást, amint egy bájtnyi üzenet megérkezett. Az adók akkor, amikor elküldték az éppen aktuális adatot, így az adók megszakításait csak akkor célszer engedélyezni, amikor üzenetet kívánunk küldeni, majd a küldés befejeztével azonnal le kell tiltani, például a megszakítást kezel alprogramban, miután a teljes elküldend üzenet összes bájtját elküldtük. Megjegyzend, hogy az aszinkron soros vonali illeszt áramkörök kiemelked en jól viselkedtek, a mikrokontroller küls órajelének stabilizálása után ezekkel az eszközökkel a felprogramozás után semmilyen probléma nem volt, a leíráshoz viszonyítva semmi rendellenességet nem tapasztaltunk. Diplomaterv tavasz

29 4. A fejleszt rendszer 4.. A fejleszt rendszerekr l általában A mikrokontroller-programok fejlesztése általában ablakkal ellátott tokozású törölhet eszközökön történik, amelyek egyrészt drágábbak az egyszer programozható eszközöknél, másrészt véges élettartamúak. Ráadásul a bels memória UV fénnyel való törlése sok id be kerül, és ez nagyban megnyújtja a programfejlesztés idejét, hacsak nem áll rendelkezésre megfelel számú ablakos mikrokontroller. És mindezek után fellép a rengeteg cseréb l adódó érintkezési problémák roppant kellemetlen hatása is. Ezen hátrányok elkerülésére a Microchip a mikrokontrollereihez szoftver szimulátorokat kínál, amelyek sajnos nem képesek bizonyos funkciók vizsgálatára. Léteznek még hardver emulátor eszközök is, bár ezek igen költségesek, és csak véges m ködési sebességig képesek garantáltan a helyes viselkedést utánozni. Más úton is megkönnyíthet a programfejlesztés. A programfejlesztés ideje nagy mértékben lerövidül, ha az eszköz bels memóriáját nem kell minden alkalommal újraprogramozni és kitörölni, ami megoldható, ha lehet ség van küls memória illesztésére a mikrokontrollerhez, mint mikroprocesszorhoz. Sajnos ennek a módszernek hátránya, hogy fel kell áldoznunk ki-/bemeneti lábakat a memóriaillesztéshez, így nem tudjuk kihasználni a kontroller összes lehet ségét. Azonban ez mégsem jelent túl nagy problémát, hiszen a ki-/bemeneti portok általában teljesen azonosan kezelend k, így modulonként elkészíthetjük a különböz lábakra csatlakozó perifériák vezérl programját, majd a porthivatkozások módosítása után összeintegrálhatjuk a programot, és kipróbálhatjuk egy ablakos tokozású mikrokontrollerben a kész, végleges vezérl kártyán. Természetesen a program els nekifutásra valószín leg nem fog tökéletesen m ködni, de ekkor már vannak biztosan helyesen m köd részprogramok, így a hibakeresés nagyon leegyszer södik. És a fejlesztés nagy része már elkészült gyorsan, kényelmes körülmények között. A fejleszt i környezet a PIC7C756 típusú mikrokontrollerre történ programfejlesztést hivatott segíteni. A Microchip mikrokontrollerek nagy többségével ellentétben a PIC7C756 képes mikroprocesszor üzemmódban is m ködni, így felépíthet vele, mint mikroprocesszorral egy mikroszámítógép is. Az elkészült fejleszt kártya tulajdonképpen egy ilyen mikroszámítógép, amely az adott családba tartozó többi mikrokontrollerre történ fejlesztést is megkönnyíti, hiszen a PIC7C756 a PIC7C7XX mikrokontroller-család egyik legfejlettebb tagja, a PIC7C76X kontrollerek csak a használható ki-/bemeneti lábak számában nyújtanak többet. De mivel a processzormag utasításkészlete nagyrészt kompatibilis (nem kód kompatibilis, csak a mnemonikok azonosak) a kisebb MICROCHIP processzorcsaládok utasításkészletével is, kis módosítások után a fejleszt panelen kipróbált programok átültethet k kisebb kontrollerekbe. A fejleszt i környezet vázlatos felépítése az 4.. ábrán látható. Diplomaterv tavasz

30 Fejleszt rendszer Monitorprogram, Fejlesztend program Perifériák, Vezérelt egységek Számítógép (PC) RS232 Fejleszt kártya 4.. ábra. A fejleszt i környezet vázlatos felépítése Oszcilloszkóp, Logikai Analizátor 4.2. A fejleszt kártya felépítése Az el bbi elgondolás szellemében született meg a fejleszt rendszer, miszerint a mikrokontrollert, mint mikroprocesszort használjuk. Röviden tekintsük át, milyen részegységek helyezkednek el a fejleszt kártyán. El ször is maga a PIC7C756 típusú mikrokontroller. Majd a m ködéshez szükséges 5V-os tápfeszültséget el állító tápegység. A kártya közvetlenül a kisfeszültség transzformátor szekundertekercsére kapcsolható, hiszen tartalmaz Graetz egyenirányító hidat, és simítókondenzátort is. A tápfeszültség csatlakoztatására 3.5 -es Jack aljzat szolgál. Az egyenirányított feszültség simításáról nagy, µf kapacitású kondenzátor gondoskodik, a feszültségstabilizálást 785 típusú integrált áramkör végzi, ki és bemeneteire védelmi célból Zener diódák kapcsolódnak. Egy külön dióda gondoskodik az integrált áramkör kimeneti túlfeszültség védelmér l is. Minden egyes integrált áramköri tok tápkivezetései közelében nf kapacitású többréteg kerámia kondenzátorok gondoskodnak a tápvezetékeken keresztül fellép ohmos csatolások megszüntetésér l. Az analóg bemenetek és a kontroller alatti területek nagy egybefügg fóliafelülettel árnyékoltak. A következ létfontosságú elem az órajelgenerátor, ebb l háromnak is van hely a kártyán, közülük jumper-ek segítségével lehet választani (választható még kétlábú kvarckristály is, ha a mikrokontroller bels konfigurációs bitjei ehhez volnának beállítva). A kártyán helyet kapott még egy aszinkron soros vonali szintilleszt áramkör is, amely a kontroller TTL kompatibilis feszültségszintjeit illeszti a szabványban (V.24, RS232C) el írt értékekhez. Jumper-ek segítségével a szintilleszt leválasztható a mikrokontroller kivezetéseir l, amennyiben a mikrokontroller ezen vonalait másra szeretnénk felhasználni. Mivel a mikrokontroller két szinkron/aszinkron soros vonali illeszt -áramkört tartalmaz, két szabványos 9 pólusú csatlakozó is beépítésre került. A handshake jelek visszahurkolása szintén jumper-ekkel valósítható meg. A kártyán roppant rugalmas módon lehet memóriákat elhelyezni. A kontroller 64kW méret memóriát tud megcímezni, programmemória busza 6bit széles az adat- és címvonalak tekintetében is. A fejleszt kártyán 8bit adatszélesség memória áramkörökb l lehet kiépíteni a kívánt memóriát. A kártyán három alsó-fels bájtot tároló tokpárnak van hely. Minden memóriafoglalat 28 lábú. Az els foglalatpárba - a mikrokontrollert l kezdve a számozást - EPROM memória helyezhet, itt tárolhatjuk a monitorprogramot, ami minden bekapcsolásnál és újraindításnál elindul, ez a program tartja a kapcsolatot a fejlesztéshez szükséges eszközöket tartalmazó PC-vel, illetve az azon futó programokkal. Természetesen bármilyen program tárolható ebben a memóriában, ezért sokféle típusú EPROM befogadására lett felkészítve a fejleszt kártya (2764, 2728, 27256, 2752), amelyek közül az éppen használni kívántat jumper-ek segítségével választhatjuk ki. A másik két foglalat SRAM-ok befogadására alkalmas, amelyekbe a fejleszteni kívánt programot tölthetjük le a PC-b l és indíthatjuk Diplomaterv tavasz

31 el (itt 8kB, és 32kB a szóbajöhet típusok választéka). 2*32kW SRAM esetén külön áramkörök gondoskodnak a ROM és RAM közötti lapozásról. A kártyán helyet kapott még egy foglalatpár párhuzamos Flash EPROM-ok befogadására (29F, 29F4), amelyek betölthetik az EPROM-ok szerepét is, de adattárolásra is használhatók. Ezek fels helyiérték címvonalait ki-/bemeneti lábakra is kapcsolhatjuk az alkalmazás igényei szerint, így keveset foglalnak le a megcímezhet területb l, de lapozással mégis teljes kapacitásuk használható adattárolásra. A Flash EPROM-ok programozásáról kés bb még részletesen lesz szó. Található még 7 darab világító dióda a kártyán az alapvet funkciók ellen rzésére (tápfeszültség, monitorprogram, aszinkron vonalak vev és adó jelei, egy PWM kimenet). Végül pedig az elmaradhatatlan reset gomb. Az elkészült fejleszt rendszer az 4.2. ábrán látható, kapcsolási rajza, alkatrész-beültetési rajza, és az nyomtatott áramköri lemez mindkét oldalának rajzolata az F.2.. függelékben található, ezenkívül ugyanebbe a függelékbe került még a kártyán található számos jumper funkciójának leírásai is, bár ez a kapcsolási rajzból is könnyen kikövetkeztethet ábra. A fejleszt kártya. Jól látható, hogy a mikrokontrollert koszorúszer en körbeveszi egy tüskesor, ami aranyozott érintkez kkel biztosítja a kontroller lábaihoz való közvetlen hozzáférést mérési célokból. Az általánosan felhasználható ki-/bemeneti vonalcsoportok pólusú szalagkábel-csatlakozókon vannak kivezetve, hogy szalagkábelek segítségével tetsz leges küls eszköz illeszthet legyen a mikrokontrollerhez. Ezek kiosztása egy kivételt l eltekintve egységes, mellettük fel van tüntetve a vonalcsoport neve: PORTA, PORTB, PORTF, PORTG. A kivételezett vonalcsoport a PORTA, ez eredend en nem 8 bit szélesség, hanem csak 6, itt két másik fontos vonal került kivezetésre. A csatlakozók kiosztását tartalmazza a következ táblázat: Diplomaterv tavasz