هر چه باید در مورد میکروکنترلر های avr بدانید

میکروکنترلر AVR: همه آنچه شما باید بدانید 

میکروکنترلر: میکروکنترلر را می توان به عنوان یک رایانه تراشه ای واحد شامل تعداد وسایل جانبی مانند RAM ، EEPROM ، تایمرها و غیره ، برای انجام وظیفه از پیش تعیین شده ، نامید.

شکل 1: نمودار بلوک نشان دادن معماری میکروکنترلر AVR

آیا این به این معنی است که میکروکنترلر نام دیگری برای رایانه است ...؟ پاسخ منفی است!

رایانه از یک سو برای انجام همه کارهای عمومی در یک ماشین طراحی شده است ، مانند اینکه می توانید از کامپیوتر برای اجرای یک نرم افزار برای انجام محاسبات استفاده کنید یا می توانید از کامپیوتر برای ذخیره برخی از پرونده های چندرسانه ای یا دسترسی به اینترنت از طریق مرورگر استفاده کنید ، در حالی که میکروکنترلرها فقط وظایف خاص را انجام می دهند ، به عنوان مثال ، هنگامی که دمای اتاق به یک حد مشخص مشخص می شود ، AC را به طور خودکار خاموش می کنند و هنگامی که دما از حد مجاز بالاتر می رود ، دوباره آن را روشن می کنند.

تعداد زیادی از خانواده های محبوب میکروکنترلر وجود دارند که به دلیل توانایی و امکان انجام وظیفه مورد نظر در برنامه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند ، رایج ترین آنها 8051، میکروکنترلرهای AVR و PIC هستند. در این مقاله شما را با آشنا خواهیم کرد میکروکنترلرهای AVR خانواده .

تاریخچه AVR

AVR در سال 1996 توسط شرکت Atmel ساخته شد. معماری AVR توسط Alf-Egil Bogen  و  Vegard Wollan ساخته شده است . AVR نام خود را از توسعه دهندگان آن و مخفف ALF-ایگل بوگن V egard Wollan R ISC میکروکنترلر ، همچنین به عنوان شناخته شده Advanced V irtual R ISC. AT90S8515 اولین میکروکنترلری بود که مبتنی بر معماری AVR بود اما اولین میکروکنترلری که وارد بازار تجاری شد AT90S1200 در سال 1997 بود.

میکروکنترلرهای AVR در سه دسته موجود هستند:

1.       TinyAVR - حافظه کم ، اندازه کوچک ، فقط برای کاربردهای ساده مناسب است

2.       MegaAVR - اینها محبوب ترین ها هستند که دارای حافظه خوب (حداکثر 256 کیلوبایت) ، تعداد وسایل جانبی داخلی بیشتر و مناسب برای کاربردهای متوسط ​​تا پیچیده هستند.

3.       XmegaAVR - مورد استفاده تجاری برای برنامه های پیچیده ، که به حافظه برنامه بزرگ و سرعت بالا نیاز دارند.

جدول زیر سری میکروکنترلرهای AVR ذکر شده را مقایسه می کند:

اهمیت AVR

AVR چه ویژگی خاصی دارد؟

آنها سریع هستند: میکروکنترلر AVR بیشتر دستورالعمل ها را در یک چرخه اجرا اجرا می کند. AVR ها حدود 4 برابر سریعتر از PIC هستند ، مصرف انرژی کمتری دارند و می توانند در حالت های مختلف صرفه جویی در مصرف انرژی کار کنند. بیایید مقایسه بین سه خانواده پرکاربرد میکروکنترلر را انجام دهیم.

AVR یک میکروکنترلر 8 بیتی است و متعلق به خانواده Reduced Instruction Set Computer ( RISC ) است. در معماری RISC مجموعه دستورالعمل های رایانه نه تنها تعداد کمتری دارند بلکه کار ساده تر و سریع تری دارند. نوع دیگر طبقه بندی CISC (Complex Instruction Set Computers) است. برای یافتن کلیک کنید تفاوت بین RISC و CISC . هنگامی که در بخش زیر با معماری میکروکنترلرهای AVR آشنا خواهیم شد ، بیشتر در این مورد کاوش خواهیم کرد.

بیایید ببینیم معنی همه اینها چیست. 8 بیتی چیست؟ این به این معنی است که میکروکنترلر توانایی انتقال و دریافت داده های 8 بیتی را دارد. رجیسترهای ورودی / خروجی موجود 8 بیتی هستند. کنترل کننده های خانواده AVR دارای معماری مبتنی بر ثبات هستند به این معنی که هم عملوندهای یک عملیات در یک ثبات ذخیره می شوند و هم نتیجه کار نیز در یک ثبات ذخیره می شود. شکل زیر یک مثال ساده را نشان می دهد که عملیات OR را بین دو رجیستر ورودی انجام می دهد و مقدار آن را در Output Register ذخیره می کند.

شکل 2: نمودار بلوک نشان دادن مثال ساده انجام یا عملکرد بین دو ثبت کننده ورودی و ذخیره ارزش در ثبت خروجی

CPU مقادیر را از دو رجیستر ورودی INPUT-1 و INPUT-2 می گیرد ، عملیات منطقی را انجام می دهد و مقدار را در رجیستر OUTPUT ذخیره می کند. همه اینها در 1 چرخه اعدام اتفاق می افتد.

در سفر با AVR ما در حال کار بر روی Atmega16 هستیم میکروکنترلر که یک IC 40 پین است و متعلق به گروه megaAVR AVR خانواده است. برخی از ویژگی های Atmega16 عبارتند از:

· 16 کیلوبایت حافظه فلش

·          1 کیلوبایت SRAM

·          512 بایت EEPROM

·          موجود در DIP 40 پین

·          8 کاناله 10 بیتی ADC

·          دو تایمر / شمارنده 8 بیتی

·          یک تایمر / شمارنده 16 بیتی

·          4 کانال PWM

·          در سیستم برنامه نویس (ISP)

·          سریال USART

·          رابط SPI

· مقایسه کننده          دیجیتال به آنالوگ.

 معماری AVR

میکروکنترلرهای AVR بر اساس معماری پیشرفته RISC ساخته شده اند و از 32 ثانیه رجیستر کار با هدف 8 بیتی تشکیل شده اند. طی یک چرخه ساعت منفرد ، AVR می تواند ورودی ها را از دو رجیستر عمومی منظور کند و آنها را برای انجام عملیات درخواستی در ALU قرار دهد و نتیجه را به یک ثبت دلخواه برگرداند. ALU می تواند عملیات حسابی و همچنین منطقی را انجام دهد

بیش از ورودی های ثبات یا بین رجیستر و یک ثابت. عملیات تک ثبتی مانند گرفتن مکمل نیز می تواند در ALU اجرا شود. می توانیم ببینیم که AVR هیچ رجیستری مانند باتری مانند در خانواده میکروکنترلرهای 8051 ندارد. این عملیات می تواند بین هر یک از ثبات ها انجام شده و در هر یک از آنها ذخیره شود.

AVR از فرمت معماری هاروارد پیروی می کند که در آن پردازنده به حافظه و گذرگاه جداگانه برای برنامه و اطلاعات داده مجهز است. در اینجا هنگام اجرای یک دستورالعمل ، دستورالعمل بعدی از قبل در حافظه برنامه واکشی می شود

شکل 3: نمودار بلوک معماری حافظه در AVR  

از آنجا که AVR می تواند اجرای تک سیکل را انجام دهد ، به این معنی است که اگر فرکانس چرخه 1 مگاهرتز باشد ، AVR می تواند 1 میلیون دستور در ثانیه را اجرا کند. هرچه فرکانس عملکرد کنترل کننده بیشتر باشد ، سرعت پردازش آن نیز بالاتر خواهد بود. ما باید مصرف برق را با سرعت پردازش بهینه کنیم و بنابراین باید فرکانس کار را متناسب با آن انتخاب کنیم.

دو طعم برای میکروکنترلر Atmega16 وجود دارد:

1.       Atmega16 : - دامنه فرکانس عملکرد 0 - 16 مگاهرتز است.

2.       Atmega16L : - دامنه فرکانس عملکرد 0 - 8 مگاهرتز است.

اگر از کریستال 8 مگاهرتز = 8 10 10 ⁶ هرتز = 8 میلیون سیکل استفاده می کنیم ، AVR می تواند 8 میلیون دستورالعمل را اجرا کند.

کنوانسیون نامگذاری.!

The AT اشاره به Atmel تولید کننده، مگا بدان معنی است که میکروکنترلر متعلق به دسته MegaAVR، 16 دلالت حافظه از کنترل است که 16KB.

شکل 4: نامگذاری کنوانسیون AVR میکروکنترلر

نمودار معماری: Atmega16

نکات زیر عناصر توضیح می دهد سازنده معماری Atmega16 را :

·            پورت های ورودی / خروجی : Atmega16 دارای چهار (PORTA ، PORTB ، PORTC و PORTD) 8 بیتی است پورت ورودی - خروجی .

·            اسیلاتور کالیبره شده داخلی : Atmega16 به یک اسیلاتور داخلی برای حرکت ساعت خود مجهز است. به طور پیش فرض Atmega16 قرار است در یک نوسان ساز کالیبره شده داخلی 1 مگاهرتز کار کند. حداکثر فرکانس نوسان ساز داخلی 8 مگاهرتز است. متناوباً ، ATmega16 را می توان با استفاده از یک نوسان ساز کریستال خارجی با حداکثر فرکانس 16 مگاهرتز کار کرد. در این حالت باید بیت های فیوز را اصلاح کنید. (بیت های فیوز در یک آموزش جداگانه توضیح داده خواهد شد)

    شکل 5: نمودار نمودار توضیح معماری AVR

  رابط ADC : Atmega16 به 8 کانال ADC مبدل ( آنالوگ به دیجیتال ) با رزولوشن 10 بیت مجهز شده است. ADC ورودی آنالوگ را برای مثال ورودی سنسور می خواند و آن را به اطلاعات دیجیتالی تبدیل می کند که برای میکروکنترلر قابل درک است.

·            تایمرها / شمارنده ها تایمر / شمارنده : Atmega16 از دو 8 بیتی و 16 بیتی تشکیل شده است. تایمرها برای ایجاد اقدامات دقیق به عنوان مثال ایجاد تاخیر زمانی بین دو عملکرد مفید هستند.

·            Watchdog Timer : تایمر Watchdog با نوسان ساز داخلی وجود دارد. تایمر Watchdog به طور مداوم کنترل کننده را کنترل و بازنشانی می کند اگر کد بیش از یک بازه زمانی مشخص در هر عملکردی گیر کند.

·            وقفه ها : Atmega16 شامل 21 منبع وقفه است که چهار منبع خارجی است. وقفه های دیگر وقفه های داخلی است که از وسایل جانبی مانند USART ، ADC ، تایمرها و غیره پشتیبانی می کند.

·            USART : گیرنده و فرستنده همزمان همزمان و ناهمزمان جهانی رابط برای رابط با دستگاه خارجی که قادر به برقراری ارتباط سریال است (انتقال داده ها ذره ذره) در دسترس است.

·          

معماری ادامه دارد

        هدف عمومی : رجیسترهای Atmega16 مجهز به 32 رجیستر عمومی است که مستقیماً با واحد منطقی حساب (CPU) منطبق می شوند.

·            حافظه : Atmega16 از سه بخش مختلف حافظه تشکیل شده است:

1.          Flash EEPROM : Flash EEPROM یا فلش مموری ساده برای ذخیره برنامه ریخته شده یا سوخته توسط کاربر روی میکروکنترلر استفاده می شود. به راحتی می تواند به صورت یک واحد واحد برقی پاک شود. حافظه فلش غیر فرار است ، یعنی حتی در صورت قطع برق برنامه را حفظ می کند. Atmega16 با 16KB در سیستم قابل برنامه ریزی EEPROM در دسترس است.

2.         Byte Addressable EEPROM : این نیز یک حافظه غیر فرار است که برای ذخیره داده ها مانند مقادیر متغیرهای خاص استفاده می شود. Atmega16 دارای 512 بایت EEPROM است ، اگر ما برنامه ای مانند قفل الکترونیکی درب را طراحی می کنیم ، می تواند برای ذخیره کد قفل مفید باشد.

3.         SRAM : حافظه دسترسی تصادفی ثابت ، این حافظه فرار میکروکنترلر است ، به محض خاموش شدن برق ، داده از بین می رود. Atmega16 به 1KB SRAM داخلی مجهز است. بخش کوچکی از SRAM برای ثبت های عمومی استفاده می شود که توسط CPU استفاده می شود و بخشی دیگر برای سیستم های فرعی میکروکنترلر.

·            ISP : کنترل کننده های خانواده AVR دارای Programmable System هستند Flash Memory که بدون از بین بردن IC از مدار قابل برنامه ریزی است ، ISP امکان برنامه ریزی مجدد کنترل کننده را هنگام حضور در مدار برنامه فراهم می کند.

·           SPI : Serial Peripheral Interface ، پورت SPI برای ارتباط سریال بین دو دستگاه در یک منبع ساعت مشترک استفاده می شود. میزان انتقال داده SPI بیش از USART است.

·            TWI : دو سیم برای راه اندازی شبکه ای از دستگاه ها می توان از رابط (TWI) استفاده کرد ، بسیاری از دستگاه ها می توانند از طریق رابط TWI تشکیل شبکه شوند ، دستگاه ها می توانند همزمان انتقال و دریافت کرده و آدرس منحصر به فرد خود را داشته باشند.

·            DAC : Atmega16 همچنین به مجهز دیجیتال به آنالوگ رابط مبدل (DAC) است که می تواند برای عملکرد معکوس انجام شده توسط ADC استفاده شود. در صورت نیاز به تبدیل سیگنال دیجیتال به سیگنال آنالوگ ، می توان از DAC استفاده کرد.

خانواده MegaAVR

میکروکنترلرهای مختلف سری MegaAVR:

ATmega8 و Atmega32 دیگر اعضای کنترل کننده های سری MegaAVR هستند. از نظر کاملاً شبیه ATmega16 هستند معماری . کنترلرهای MegaAVR نسخه کم مصرف نیز در بازارها موجود هستند. جدول زیر مقایسه بین اعضای مختلف خانواده MegaAVR را نشان می دهد: