Управление портами через регистры atmega. AVR. Учебный курс. Работа с портами ввода-вывода. Практика. Регистр входных данных порта D – PIND

Устройство микроконтроллера:
– назначение, устройство и программирование портов ввода-вывода микроконтроллера

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ “

Ну вот, уважаемые радиолюбители, сегодня этой статьей я закончу загрузку ваших (и своих) мозгов чистой теорией. Дальше будет легче и приятней: теорию совместим с практикой.
Ну а сегодня мы рассмотрим очень важный и интересный вопрос – порты ввода/вывода микроконтроллера .

Порты ввода/вывода микроконтроллера AVR

Порты ввода/вывода (далее я буду писать сокращенно – ПВВ ) – предназначены для общения микроконтроллера с внешними устройствами . С их помощью мы передаем информацию другим устройствам и принимаем информацию от них. В зависимости от типа, микроконтроллер может иметь на своем борту от одного до семи ПВВ . Каждому порту ввода/вывода присвоено буквенное обозначение – A, B, C, D, E, F, G. Все порты в микроконтроллере равнозначные, восьмиразрядные (содержат восемь линий, они же выводы, они же разряды, они же биты) и двунаправленные – могут как передавать, так и принимать информацию. ПВВ в микроконтроллере обслуживают все его устройства, в том числе и периферийные. Поэтому, в зависимости от того какое устройство будет работать с портом он может принимать и передавать или цифровую информацию, или аналоговую.

Вообще, порты классифицируются по типу сигнала :
– цифровые порты – которые работают с цифровыми сигналами – логическими “нулями” и логическими “единицами”
- аналоговые порты – которые работают с аналоговыми сигналами – использующими плавно весь диапазон входных напряжений от нуля вольт до напряжения питания МК
- смешанные порты – они и используются в наших МК , могут оперативно переключаться с режима “цифровой порт” в режим “аналоговый порт”, и обратно.

В технической литературе и схемам ПВВ обозначаются следующим образом:
– “Р ” – первая буква, означающая слово “порт”
– “А ” (В, С, D, E, F, G) – вторая буква, обозначающая конкретный порт
– “0 ” (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) – третий символ – цифра, обозначающая конкретный вывод (регистр, бит) порта.
К примеру: “порт А” – РА , “пятый разряд порта А” – РА5 .
Если в МК есть несколько портов, то не обязательно их имена могут идти по порядку – A, B, C. Может быть и так – В, С, D. Поэтому пугаться и судорожно искать где же порт А не надо.
Кроме того, хотя порты восьмиразрядные, выводов у порта не обязательно должно быть 8, может быть и меньше, к примеру 3 – PA0, PA1, PA2. В таком случае порт называют неполным, или урезанным.
Давайте посмотрим на конкретный МК – ATmega8:

Как видите, в этом МК порта с именем “А” нет (отсутствует как класс;). Порт РВ и порт PD – полные, имеют по восемь выводов. А порт С – неполный (ущемленный, нет места в корпусе МК для его вывода), в нем отсутствует восьмой разряд (реально, внутри корпуса МК, он есть, но работать мы с ним не можем).

Для управления портами в их электрической схеме имеется два переключателя, которыми мы можем “щелкать” программно, используя специальные регистры ввода/вывода . Такие переключатели имеются для каждого вывода, что означает возможность управлять любым выводом порта. К примеру, один вывод порта можно настроить на ввод информации, три разряда этого же порта на вывод, а оставшиеся вообще не настраивать, оставить их в “Z- состоянии” .
Давайте разберемся с этим вопросом конкретней, на примере вот этой схемы:

Обратите внимание на два переключателя – Sin и Sout , и сопротивление Rup .
С помощью Sin осуществляется переключение вывода порта или для работы на вход, или для работы на выход. Управляется этот переключатель с помощью регистра ввода/вывода DDRx . У каждого порта свой регистр. Каждый разряд регистра управляет соответствующим разрядом порта (нулевой – нулевым, первый – первым и т.д.). Символ “x” в названии порта заменяется соответствующим именем порта: для порта А – DDRA, для порта С – DDRC. При записи в разряд регистра DDRx “единицы”, соответствующий ему разряд порта переключается на вывод информации, а при записи “нуля” – на ввод информации. Просмотрите рисунки ниже, и вы поймете как работать с регистром DDRx.

1. Переключение всех выводов порта на вывод информации:

2. Переключение всех выводов порта на ввод информации:

3. Переключение части выводов порта на ввод, и части на вывод информации:

В “классическом” Ассемблере настройка выводов портов на ввод и вывод информации выглядит так (просто пример 3-го рисунка):

Idi R20, 0b01100010 - этой командой мы записываем в РОН R20 двоичное число 01100010, которым определяем – какой вывод порта будет работать на вывод (1), а какой на ввод (0) информации. В данном случаем разряды порта В 1,5,6 – настраиваются на вывод информации, а 0,2,3,4,7 – на ввод информации
Out DDRB, R20 - этой командой мы переносим содержимое РОН R20 в регистр ввода/вывода порта В.

В Algorithm Builder запись немного отличается:
#b01100010 –> DDRB
Дело в том, что Algorithm Builder несколько более смещен к языкам высокого уровня, поэтому мы просто прописываем “свое желание” одной строчкой, но а при компилировании (переводе в машинные коды), программа сама преобразует эту строчку как и в “классической” записи.

Второй переключатель – Sout . Этот переключатель имеет двойное назначение, в зависимости от настройки разрядов порта на вывод или ввод информации.
Если разряд порта настроен на вывод информации , то с его помощью мы устанавливаем на выходе разряда или логическую “1”, или логический “0” .
Если разряд порта настроен на ввод информации , то с его помощью подключается так называемый “подтягивающий резистор” – Rup , или “внутренний нагрузочный резистор” . Благодаря этому резистору упрощается подключение внешних кнопок и переключателей, т.к. обычно контакты требуют внешнего резистора.
Как и переключатель Sin, Sout – это регистр ввода/вывода под названием PORTx , где “х” – буквенное обозначение порта (к примеру для порта D регистр будет иметь вид – PORTD).
В семейств МК Mega имеется дополнительный переключатель – PUD , - 2-й разряд регистра ввода/вывода SFIOR (он называется “Регистр специальных функций”). С помощью этого PUD осуществляется общее управление подтягивающими резисторами:
- при записи в этот разряд “1” – все подтягивающие резисторы для всех портов отключаются;
– при записи в этот разряд “0” – состояние подтягивающих резисторов определяется регистром PORTx.
Зачем нужно общее отключение резисторов, да и этот PUD заодно, мы сегодня рассматривать не будем.
В режиме работы разрядов порта на вывод, задача регистра PORTx очень проста – то, что мы в него запишем, то и будет на выходе. Запишем одни “нули” – на выходах буду логические нули, запишем “единицы” – на выходе буду логические “единицы”.
Например:

Idi R20, 0b11111111
Out DDRB, R20
Выводим в разряды 0-3 логический ноль, а в разряды 4-7 логическую единицу:
Idi R20, 0b11110000
Out PORTB, R20
В Algorithm Builder:
#b11111111 –> DDRB
#b11110000 –> PORTB
Надеюсь, что пока все понятно.
Вышеприведенные примеры позволяют настроить весь порт сразу, и вывести нужные значения на все выводы порта за один раз.
Если необходимо настроить только один разряд порта на ввод или вывод, а также вывести “0” или “1” только в один разряд порта, не затрагивая состояние и содержание других разрядов этого порта, существуют следующие команды:
SBI A,b – установить разряд регистра
CBI A,b – сбросить разряд регистра
При этом: “А ” – номер регистра , “b ” – разряд этого регистра.
Данные команды работают не только с РВВ DDRx и PORTx, но и с теми, которые имеют номера от 0 до 31.

Пример:
- “классический” Ассемблер:
Настраиваем порт В на вывод информации:
Idi R20, 0b11111111
Out DDRB, R20
Нам нужно переключить 1-й разряд порта на ввод информации:
CBI $17, 1 (где $17 – номер РВВ порта В – DDRB, 1 – разряд порта В)
- Algorithm Builder:
#b11111111 –> DDRB
0 –> PORTB.1

У портов ввода/вывода есть еще один регистр: PINx , регистр выводов порта (“х” – буквенное обозначение порта)
Этот регистр предназначен для считывания информации с вывода порта, независимо в какой он конфигурации – на ввод, или на вывод. Записать в этот регистр мы ничего не можем, он предназначен только для считывания.

Состояние выводов портов в зависимости от их конфигурации:

* PUD нет в МК Tiny и в МК модели ATMega161

Подавляющее большинство контактов портов имеют дополнительные функции и используются периферийными устройствами. При этом может быть две ситуации: в одном случае мы должны самостоятельно задавать конфигурацию вывода, а в другом случае – вывод конфигурируется самостоятельно, при включении соответствующего периферийного устройства.

При сбросе или включении питания микроконтроллера все выводы всех портов (за очень-очень редким случаем) переводятся в высокоимпедансное состояние – “Z- состояние”. Этот момент следует учитывать в реальных схемах. Если нагрузкой выхода служит транзисторный ключ, то для того, чтобы его база (затвор полевого транзистора) не болтались в воздухе, необходимо ставить дополнительные внешние резисторы сопротивлением 10-100 кОм.

Если вы не используете выводы порта, то не следует их оставлять “парящими в воздухе” – из-за этого повышается потребляемый ток МК (почему – не так важно, но это так). Все неиспользуемые выходы в схеме рекомендуется нагружать на сопротивления 10-100 кОм (можно использовать и внутренние подтягивающие резисторы), или переводить выводы в режим цифровых выходов.

При использовании аналогового компаратора, следует следить, чтобы подтягивающие резисторы были отключены – иначе пострадают показания абсолютных уровней сигнала .

Подтягивающие резисторы не совсем “резисторы” – их роль выполняют полевые транзисторы, которые имеют большой технологический разброс – номинал подтягивающего сопротивления может колебаться в пределах 30-100 кОм. При мощных помехах, да и в других “критических случаях” рекомендуется (хотя такой рекомендации и нет в даташитах) подключать дополнительные подтягивающие резисторы номиналом 2-5 кОм. Такие резисторы следует устанавливать на вывод “Reset”, на выводы внешних прерываний, если они не используются. Также следует устанавливать резисторы при работе выводов МК на общую шину (I2C, или просто при подсоединении выхода МК к выходу другого устройства с открытым коллектором, при подключении к двухвыводным кнопкам). Сопротивление встроенного резистора в таких случаях слишком велико, чтобы отсеивать электромагнитные помехи.

Создаем программу «мигалку»

Итак, уважаемые читатели, мы уже ознакомились со структурой микроконтроллера, разобрали простые команды ассемблера. Теперь можно приступить к написанию простой программы.

Для этого нам понадобится среда AVRStudio (о которой упоминалось раньше) и середа для симуляции микроконтроллера – Proteus 7. В сети маса примеров по установке этих программ, так что на этом останавливаться не будем.

Первая наша программа будет состоять из:

Подключения файла директив, инициализации МК;

Настройки портов ввода-вывода МК;

Простейшего цикла переключения портов из логического состояния «0» в «1»;

Подпрограммы простой задержки с использованием регистров общего назначения.

При штатной установке программы AVR Studio, файлы с директивами микроконтроллера располагается по следующему адресу C:\Program Files\Atmel\AVR Tools\AvrAssembler\Appnotes.

В нашем примере будем использовать микроконтроллер Attiny2313. Его inc файл имеет название 2313def.

Для начала откроем программу AVR Studio 4 и создадим проект.

Нажимаем на клавишу создания нового проекта.

В последнем окне необходимо выбрать симулятор и тип нашего МК. Далее, нажимаем на клавишу «finish» и можно будет увидеть, как откроется новое окно нашего проекта.

Наш проект уже создан и его можно наполнять программным кодом. Как говорилось раньше, первым делом нужно подключить файл директив данного микроконтроллера. Если возникнет необходимость проводить симуляцию проекта в среде AVR Studio 4, то желательно указать еще и имя нашего МК. Для этого нужно прописать следующую строку «.device ATtiny2313».

Для подключения inc файла, нужно прописать.include “tn2313def.inc”. Тем самым мы разрешим компилятору использовать файл директив данного МК.

Этот файл существенно упрощает задачу программирования, так как мы можем придерживаться определенных стандартов и обращаться к разным адресам МК словами, а не цифрами.

К примеру, на следующем рисунке обозначена строка значения ОЗУ нашего МК. В программе мы пишем «spl», хотя можно написать и« $3d».

Правильно будет в обоих случаях, и компилятор не выдаст вам ошибок и предупреждений. Но так сложнее зрительно воспринимать команды.

Так как в разных микроконтроллерах эти адреса имеют свои значения, открыв новый проект, не совсем понятно будет, что там написано. А когда мы используем директивы, то все эти адреса заменяем понятными для нас словами. При желании в файле директив можно поменять все названия на свои. Но тут есть подвох, вы не сможете открыть и скомпилировать какой-то проект с интернета, точно так и ваш проект никто не сможет скомпилировать и проверить на ошибки или внести изменения. Для этого необходимо будет переделывать файлы директив.

Итак, на Листинге 1 приведу пример нашей простой программы.

Листинг 1.

Device Attiny2313 ; указываем тип устройства

Include “tn2313def.inc” ; подключаем файл директив МК ATtiny2313

Def temp = r16 ; задаем имя нашему регистру общего назначения

Org 0x0000 ; начало программы с 0 адреса

ldi temp,ramend ; грузим значение ramend в регистр temp

ser temp ; настраиваем все выводы порта В на выход

out DDRB, temp ;

sbi portb,5; устанавливаем логическую «1» в PORTB5

Итак, разберем все по строкам, что мы сделали.

Первым делом, на всякий случай указали тип устройства.device Attiny2313.

Подключили файл директив.include “tn2313def.inc”.

Для простоты написания программы задали регистру R16 имя.def temp = r16. Такая операция хорошо будет упрощать написание программы в дальнейшем. Ведь словесное название регистра нам проще запомнить, нежели просто писать R16. Таким образом, можно присвоить имя любому регистру начинаю от R0 и заканчивая R31.

Командой ser temp мы грузим в регистр temp значение 255 и выгружаем его в out DDRB. Тем самым конфигурируем порт на выход. В дальнейшем, при симуляции программы в Proteus 7, мы увидем как данные порты приймут состояние логического нуля.

Устанавливаем на порте вывода PB5 логическую единицу с помощью команды sbi portb,5.

В самом конце необходимо организовать какой-то цикл, чтобы микроконтроллер не завис.

После того как наша программа написана, можно компилировать проект. Для этого нажимаем клавишу F7. Если программа написана без ошибок, то появится диалоговое окно внизу проекта с зеленым кружочком и отчетом об использовании памяти и ошибок.

Открываем среду моделирования Proteus 7 и смотрим результат.

Теперь немного усложним задачу и заставим порт вывода переключаться с логического нуля в единицу. Для этого нам необходимо немного доработать нашу программу, Листинг 2. Все изменения происходит только в цикле «main», так что весь код не будем повторять.

Смотрим результат моделирования в среде Proteus 7, пподключив к выводу PB5 осциллограф.

Как видно, сигнал на выходе порта появился. Однако частота переключения близка к частоте микроконтроллера.

Чтобы понизить скорость переключения, нам необходимо воспользоваться простой задержкой. На Листинге 3 показан простой пример реализации задержки.

Листинг 3.

sbi portb,5; устанавливаем логическую “1” в PORTB5

rcall delay ;вызываем подпрограмму задержки

cbi portb,5; устанавливаем логический “0” в PORTB5

clr r20; очистить регистры

inc r20; добавить 1

cpi r20,200 ; сравниваем, R20 = 200 ?

brne d_1; если не равно, то переходим по метке d_1, иначе пропускаем

После выполнения данной программы скорость переключения порта снизилась до 100мс. Задавая значения сравнения в регистры R20 и R21 можно регулировать этот интервал. На следующем рисунке видим результат работы программы.

На этом закончим. В следующей части мы разберем примеры программы с подключением кнопок, напишем цикл бегущей строки.

Предыдущие статьи:

♦Арифметико-логическое устройство и организация памяти – память программ, память данных, энергонезависимая память
♦
♦

Порты ввода и вывода микроконтроллера AVR, необходимы для обмена данными с различными подключенными к нему устройствами, например, реле, световыми и звуковыми индикаторами, датчиками и т.п. С помощью AVR портов, осуществляется не только обмен данными, но и синхронизация схемы в целом. Количество AVR портов зависит от модели МК. В среднем имеется (1-7) портов. Обычно, порты AVR восьмиразрядные, если разрядность не ограничена количеством выводов на корпусе МК.

На, практике в принципиальных схемах порты AVR обозначаются латинскими символами, например, PORT A, PORT B - PORTG. Каждый вывод – обладает своим порядковым номером, причем, нумерация начинается с цифры 0. Если МК использует 8 разрядов, то нумерация выглядит так – PB0… PB7.

Выводы портов способны выполнять также и альтернативные задачи. Если, допустим, сигнал модуля USART совпадает с выводом BP5, то выводы BP4 и BP3, начинают работать в режимах (SCK, MISO и MOSI) и не могут быть задействованы как элементы порта ввода/вывода. Если модуль отсоединить, то эти выводы продолжают работать как элементы порта.

Управлять любым портом МК X можно тремя регистрами: DDRx; PORTx; PINx.

Например, порт PB4 где буква «B» - имя порта, а цифра - номер бита. За порт «B» в конкретном примере отвечают три восьмиразрядных регистра PORT B, PIN B, DDR B, а каждый бит в этом регистре отвечает за свою ножку порта. Т.е за порт «А» аналогичным образом отвечают PORTA, DDRA, PINA.

Регистр DDR x стандартный 8 битный порт , осуществляющий передачу данных каждой линии порта X. 0 – вход, 1 – выход. Каждый из восьми бит, отвечает только за свою линию порта Px (0-7). Т.к выводы нумеруются с (0) – первый бит отвечает за BP0, второй соответственно за BP1 и т.п. Если вам необходимо, чтобы конкретный вывод начал работать на вход – значения регистра устанавливаем равным 0, на выход = 1. При включении, параметры всех выводов, сбросятся в ноль.

PINх регистр чтения . Из него возможно произвести операцию чтение. В этом регистре PINx имеется информация о текущем логическом уровне на выводах, причем вне зависимости от настроек порта. Так что если возникает необходимость узнать, что у нас имеется на входе - читаем нужный бит регистра PINx.

Причем имеется две границы порогов: гарантированного нуля и гарантированной единицы - за которыми мы можем четко обозначить текущий логический уровень. Например, для пятивольтового питания это 1.4 и 1.8 вольта. То есть при снижении уровня напряжения от максимума до минимума, заданный бит в регистре PIN переключится с логической 1 на 0 только при снижении уровня напряжения ниже 1.4 вольт, а вот когда напряжение нарастает от минимума до максимума переключение бита осуществляется только по достижении уровня в 1.8 вольта. То есть появляется гистерезис переключения с логического "0" на "1", что исключает вероятность появления хаотичные переключения под действием различных помех, и соответственно ошибочное считывание логического уровня в интервалах между порогами переключения.

При снижении напряжения эти пороги также становятся ниже, график зависимости переключения от питающего напряжения можно найти в даташите на каждый микроконтроллер.

PORTx это регистр управления состоянием вывода. Если мы производим настройку вывода на вход, то от регистра PORT зависит тип входа (Hi-Z или PullUp). Если ножка настроена на выход, то значение бита в регистре PORTx зависит от состояния вывода. Например, PORTxy=1 то на выводе логическая "1", а при PORTxy=0 на нем логический ноль. Если ножка настроена на вход PORTxy=0, то вывод в режиме Hi-Z. Если PORTxy=1 то вывод в режиме PullUp с настройкой сопротивлением в 100к до питания.

Общая структура работы порта AVR показана на рисунке ниже:

Теперь о режимах работы портов:

Режим выхода если нам требуется выдать в порт логическую единицу мы включаем порт на выход (DDRxy=1) и записываем в PORTxy "1" - при этом осуществляется замыкание верхнего ключа и на выводе устанавливается напряжение близкое к уровню питанию. А если надо логический "0", то в PORTxy записываем ноль и открывается уже нижний ключ, на выводе устанавливается напряжение близкое к нулю вольт.
Вход Hi-Z - режим высокоимпендансного входа (включен по умолчанию). Все ключи разомкнуты, а сопротивление порта очень большое. Этот режим хорошо подходит для прослушивания какой либо шины данных, т.к. он не оказывает на нее абсолютно никакого влияния.
Вход PullUp - При DDRxy=0 и PORTxy=1 замыкается вентиль подтяжки и к линии подсоединяется сопротивление номиналом 100кОм, что моментально приводит неподключенную никуда в состояние логической "1". Основная задача режима - недопустить хаотичного переключения состояния на входе под действием помех. Но если на входе установится логический ноль (замыкание линии на корпус кнопкой или другим образом), то слабый 100 кОмный резистор не способен удержать напряжение на линии на уровне логической "1" и на входе установится ноль.

Также почти каждая ножка типового МК обладает дополнительными функциями. На распиновке в даташите они обычно подписаны в скобках. Это могут быть выводы разных последовательные интерфейсов, приемопередатчиков, выходы ШИМ генераторов, аналоговые входы. По умолчанию дополнительные функции всегда отключены, а вывод управляется только парой DDR и PORT, но если включить дополнительную функцию, то управление может перейти под контроль какого-либо периферийного устройства. Например, приемник USART. Как только выставляем бит разрешения приема RXEN, так RxD, сразу переходит в режим входа.

Как известно, для большинства микроконтроллеров AVR, максимальный ток нагрузки через выходной порт составляет 40 мА. Имеются ограничения по разным типам и по одновременно задействованным портам выхода, т.к допустимая мощность рассеивания, определяется видом корпуса, точнее его тепловым сопротивлением.

Типовая схема порта выхода МК AVR

VDD – источник питания; V1 источник импульсного или постоянного сигнала; M1, M2 и M3 полевые транзисторы; R1- подтягивающий» внутренний резистор (20..50 кОм и 50..150 кОм); CL емкость нагрузки или линии к нагрузке может изменяться от десятка пФ и до уровня «пока не сгорит»)

Статическая характеристика выхода или нагрузочная - зависимость напряжения на выходе от тока нагрузки.

Например у ATmega 328p максимальное значение тока через один выход для уровней «лог. 1 или 0» не более 40 мА, а максимальный уровень суммарного тока через все выходы, должен быть не выше 200 мА. Сопротивление канала (Rdrain) RD= 45 Ом. Смотри даташит в .

Статическая характеристика порта AVR «вход -выход», представляет из себя зависимость выходного напряжения от входного. Рассмотрим схему тестирования КМОП выхода порта по входному сигналу.

Передаточная характеристика КМОП выхода для этой схемы будет следующая:

Как видно из графиков, КПОМ схема отлично работает в роли переключательного элемента. «Сквозной» ток не превышает 5 мА. Кстати, схема эта типовой логический инвертор.

Динамическая характеристика это реакция выхода схемы на входной сигнал во временной области, т.е. зависимость выходного сигнала от входного на шкале времени.

V1 - источник сигнала с параметрами меандр, частота 1 МГц, уровни от 0 и до +5 В, длительность фронтов 5нс, выходное сопротивление Rout= 1Ом; CL емкость нагрузки (0 и 1000пФ).

Причем в лияние емкости нагрузки заметно, в соответствии с рисунком ниже, где представлены динамические характеристики КМОП-выхода порта AVR при емкости нагрузки CL=0 и CL= 1nF.

Основой этой схемы является микроконтроллер AVR ATmega32. ЖК дисплей с разрешением 128 х 64 точек. Схема осциллографа на микроконтроллере предельно проста. Но есть один существенный минус - это достаточно низкая частота измеряемого сигнала, всего лишь 5 кГц.

Введение

Все порты ввода-вывода (ПВВ) AVR-микроконтроллеров работают по принципу чтение-модификация-запись при использовании их в качестве портов универсального ввода-вывода. Это означает, что изменение направления ввода-вывода одной линии порта командами SBI и CBI будет происходит без ложных изменений направления ввода-вывода других линий порта. Данное распространяется также и на изменение логического уровня (если линия порта настроена на вывод) или на включение/отключение подтягивающих резисторов (если линия настроена на ввод). Каждый выходной буфер имеет симметричную характеристику управления с высоким втекающим и вытекающим выходными токами. Выходной драйвер обладает нагрузочной способностью, которая позволяет непосредственно управлять светодиодными индикаторами. Ко всем линиям портов может быть подключен индивидуальный выборочный подтягивающий к плюсу питания резистор, сопротивление которого не зависит от напряжения питания. На всех линиях ПВВ установлены защитные диоды, которые подключены к VCC и Общему (GND), как показано на рисунке 29. Подробный перечень параметров ПВВ приведен в разделе "Электрические характеристики".

Рисунок 29 – Эквивалентная схема линии ПВВ

Ссылки на регистры и биты регистров в данном разделе даны в общей форме. При этом, символ “x” заменяет наименование ПВВ, а символ “n” заменяет номер разряда ПВВ. Однако при составлении программы необходимо использовать точную форму записи. Например, PORTB3, означающий разряд 3 порта B, в данном документе записывается как PORTxn. Адреса физических регистров ввода-вывода и распределение их разрядов приведены в разделе “Описание регистров портов ввода-вывода".

Для каждого порта ввода-вывода в памяти ввода-вывода зарезервировано три ячейки: одна под регистр данных – PORTx, другая под регистр направления данных – DDRx и третья под состояние входов порта – PINx. Ячейка, хранящая состояние на входах портов, доступна только для чтения, а регистры данных и направления данных имеют двунаправленный доступ. Кроме того, установка бита выключения подтягивающих резисторов PUD регистра SFIOR отключает функцию подтягивания на всех выводах всех портов.

Ниже приведено описание порта ввода-вывода для универсального цифрового ввода-вывода. Большинство выводов портов поддерживают альтернативные функции встроенных периферийных устройств микроконтроллера. Описание альтернативных функций приведено далее в подразделе “Альтернативные функции порта” (см. также описание функций соответствующих периферийных модулей).

Обратите внимание, что для некоторых портов разрешение альтернативных функций некоторых выводов делает невозможным использование других выводов для универсального цифрового ввода-вывода.

Порты в качестве универсального цифрового ввода-вывода

Все порты являются двунаправленными портами ввода-вывода с опциональными подтягивающими резисторами. Рисунок 30 иллюстрирует функциональную схему одной линии порта ввода-вывода, обозначенный как Pxn.

Рисунок 30 – Организация универсального цифрового ввода-вывода (1)

Прим. 1: Сигналы WPx, WDx, RRx, RPx и RDx являются общими в пределах одного порта. Сигналы clkI/O, SLEEP, и PUD являются общими для всех портов.

Настройка выводов

Режим и состояние для каждого вывода определяется значением соответствующих разрядов трех регистров: DDxn, PORTxn и PINxn. Как показано в “Описании регистров портов ввода-вывода” доступ к битам DDxn возможен по адресу DDRx в пространстве ввода-вывода и, соответственно, к битам PORTxn по адресу PORTx, а к битам PINxn по адресу PINx.

Биты DDxn регистра DDRx определяют направленность линии ввода-вывода. Если DDxn = 1, то Pxn конфигурируется на вывод. Если DDxn=0, то Pxn конфигурируется на ввод.

Если PORTxn = 1 при конфигурации линии порта на ввод, то разрешается подключение подтягивающего резистора. Для выключения данного резистора необходимо записать в PORTxn лог. 0 или настроить линию порта на вывод. Во время сброса все линии портов находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии, даже если не работает синхронизация.

Если PORTxn = 1 при конфигурации линии порта на вывод, то состояние выхода будет определяться значением PORTxn.

Поскольку одновременная запись в регистры DDRx и PORTx невозможна, то при переключении между третьим состоянием ({DDxn, PORTxn} = 0b00) и выводом лог. 1 ({DDxn, PORTxn} = 0b11) должно возникнуть промежуточное состояние или с подключенным подтягивающим резистором ({DDxn, PORTxn} = 0b01) или с выводом лог. 0 ({DDxn, PORTxn} = 0b10). Как правило, переход через состояние с подключением подтягивающего резистора эквивалентно состоянию вывода лог.1, если вывод микроконтроллера связан с высокоимпедансным входом. В противном случае, необходимо установить бит PUD регистра SFIOR для выключения всех подтягивающих резисторов на всех портах

Переключение между вводом с подтягивающими резисторами и выводом низкого уровня связано с аналогичной проблемой. Поэтому, пользователь вынужден использовать или третье состояние ({DDxn, PORTxn} = 0b00) или вывод лог. 1 ({DDxn, PORTxn} = 0b11) в качестве промежуточного шага.

В таблице 25 подытоживается действие управляющих сигналов на состояние вывода.

Таблица 25 – Настройка вывода порта

Считывание состояние вывода

Независимо от значения бита направления данных DDxn состояние вывода порта может быть опрошено через регистровый бит PINxn. Как показано на рисунке 30 регистровый бит PINxn и предшествующая ему триггерная защелка составляют синхронизатор. Данный подход позволяет избежать метастабильности, если изменение состояния на выводе произошло около фронта внутренней синхронизации. Однако такой подход связан с возникновением задержки. На рисунке 31 представлена временная диаграмма синхронизации во время опроса внешне приложенного к выводу уровня. Длительности минимальной и максимальной задержек на распространение сигнала обозначены как tpd,max и tpd,min, соответственно.

Рисунок 31 – Синхронизация во время опроса приложенного к выводу порта уровня

В следующих примерах показано как установить на линиях 0 и 1 порта В уровень лог. 1, а на линиях 2 и 3 – лог. 0, а также как настроить линии 4…7 на ввод с подключением подтягивающих резисторов на линиях 6 и 7. Результирующее состояние линий считываются обратно, но, с учетом сказанного выше, включена инструкция nop для обеспечения возможности обратного считывания только что назначенного состояния некоторых выводов.

Пример кода на Ассемблере (1) ... ; Разрешаем подтягивание и устанавливаем высокие выходные уровни; Определяем направления данных линий портов ldi r16,(1<

Прим. 1: В программе на Ассемблере используются два временных регистра для минимизации интервала времени от настройки подтягивающих резисторов на разрядах 0, 1, 6 и 7 до корректной установки бит направления, разрешающих вывод лог. 0 на линиях 2 и 3 и заменяющих высокий уровень на разрядах 0 и 1, образованный за счет подключения подтягивающих резисторов, на высокий уровень сильноточного драйвера.

Разрешение цифрового ввода и режимы сна

Как показано на рисунке 30 входной цифровой сигнал может быть зашунтирован к общему на входе триггера Шмита. Сигнал, обозначенный на рисунке как SLEEP, устанавливается при переводе микроконтроллера в режим выключения (Power-down), экономичный режим, дежурный режим и расширенный дежурный режим. Это позволяет избежать повышения потребляемого тока в случае, если некоторые входные сигналы окажутся в плавающем состоянии или уровень входного аналогового сигнала будет близок к VCC/2.

Сигнал SLEEP игнорируется по входам внешних прерываний. Если запросы на внешнее прерывание отключены, то SLEEP действует и на эти выводы. SLEEP также игнорируется на некоторых других входах при выполнении их альтернативных функций (см. “Альтернативные функции порта ”).

Если на выводе внешнего асинхронного прерывания, настроенный на прерывание по нарастающему фронту, падающему фронту или на любое изменение, присутствует уровень лог. 1 и при этом внешнее прерывание не разрешено, то соответствующий флаг внешнего прерывания будет установлен при выходе из выше упомянутых режимов сна, т.к. функция шунтирования на входе в режимах сна приводит возникновению логических изменений.

Неподключенные выводы

Если несколько выводов остаются неиспользованными, то рекомендуется гарантировать на них присутствие определенного логического уровня. Не смотря на то, что большинство цифровых входов отключены в режимах глубокого сна, как описано выше, необходимо избежать наличия плавающих входов во избежание повышенного потребления тока во всех других режимах работы микроконтроллера, где цифровой ввод разрешен (Сброс, Активный режим и режим холостого).

Самым простым методом гарантирования присутствия определенного уровня на неиспользуемом выводе является разрешение подключения внутреннего подтягивающего резистора. Однако в этом случае в режиме сброса подтягивающие резисторы будут отключены. Если требуется малое потребление и в режиме сброса, то необходимо устанавливать внешний подтягивающий резистор к плюсу или к минусу питания. Подключение выводов непосредственно к VCC или GND не рекомендуется, т.к. может возникнуть опасный ток при случайной конфигурации такого вывода на вывод данных.

Рассмотрим примеры настройки портов в CodeVision AVR
Например DDRB=0x02; данная запись означает что вторая ножка порта В настроена как выход, но откуда взялось это число????

Для начала переведем данную запись в более понятный нам вид:
приставка 0х означает что число записано в шестнадцатеричной системе исчисления, чтобы легко понять его суть нужно перевести его в двоичную систему. Поможет нам в этом калькулятор Windows из набора стандартных программ, сразу переводим его в режим программист.

Переключаем его в режим шестнадцатеричной системы (галочка HEX), и вводим наше число 0х02 просто как 2.

теперь не нажимаем никаких равно и пр. просто переключаемся в двоичную систему счисления (галочка Bin)

Получили число 10. Что же оно значит? У нашей ATmega8 имеется 8 ножек на порту В (обведены на картинке)

так вот если представить число 10 как 00000010, то это будет означать что только вторая ножка настроена как выход, остальные как вход.

Тут нужно отметить, что если вместо
DDRB=0x02;
запишем
DDRB=0b00000010;
то оно тоже будет работать, т.е. это равнозначные записи одного и того же числа, в разных системах счисления.

С DDRB разобрались 1-выход, 0-вход, а что же означает
PORTB=0x01;
тут принцип тот же самый, но:
если нога сконфигурирована как выход и значение PORTB будет равно единице на этой же ноге, то ножка после прошивки будет включена по умолчанию (т.е. на ней будет напряжение), если 0, то ножка будет выключена. В первом уроке мы могли бы заменить запись PORTB.0=1; записью PORTB=0x01; и получили тот же самый результат.

На самом деле, правильным решением включения/выключения ножки с точки зрения языка Си, являются следующие конструкции:

PORTD |= (1<<3); //включить ножку 3 порта D PORTD |= (1<<2)|(1<<5)|(1<<6); //включить ножки 2, 5, 6 порта D PORTD &= ~(1<<2); //выключить ножку 2 PORTD &= (~((1<<0)|(1<<2)|(1<<4))); //выключить ножки 0, 2, 4

Если нога сконфигурирована как вход и значение PORTB будет равно единице на этой же ноге, то к ножке будет подключен подтягивающий резистор, для устранения помех. Если вам внутренний резистор не нужен то просто установите 0 на этой ножке.

Надеюсь все понятно, если что пишите, задавайте вопросы.

Долгое время мы оставляли без внимания микроконтроллеры AVR , и вот пришла пора исправить это недоразумение! Как и для других контроллеров, будем постепенно рассматривать различную периферию AVR’ок, сначала теорию, всякие регистры, ну и под конец небольшие примерчики.

В качестве IDE я использую AVR Studio 5 , шестую версию AVR Studio даже не пробовал, не так часто последнее время мне попадаются задачи для AVR) А вообще неплохо иметь еще и установленную AVR Studio 4, потому что порой случается так, что запрограммировать контроллер из AVR Studio 5 не представляется возможным. Вот совсем недавно я хотел прошить ATMega2560 при помощи программатора STK500 и это оказалось неосуществимо через 5 студию) Хорошо осталась со старых времен AVR Studio 4, и проблема решилась в течение пары минут.

Что тут еще можно сказать?.. Да в принципе, это все, можно переходить к делу;)

Начинать, естественно, будем с GPIO – портов ввода-вывода , потому как без них никуда) И прежде чем описывать регистры, которые управляют работой портов, отмечу несколько «электрических» моментов.

На входе каждой ножки микроконтроллера заботливые разработчики поставили пару диодов, которые должны спасти микроконтроллер в случае превышения допустимого напряжения. НО! На деле все не столь радужно, и если подать на вход микроконтроллера, например, 7.5 Вольт, то контроллеру уже никто и ничто не поможет, проверено на собственном опыте. Поэтому все эксперименты нужно проводить аккуратно)

Теперь к регистрам. Вся работа с портами ввода-вывода в AVR’ках сосредоточена в трех регистрах – DDRx, PORTx, PINx. Символ «x» заменяется соответствующим названием порта (A,B…). То есть, если мы хотим работать с портом A микроконтроллера, то нам нужны регистры DDRA, PORTA, PINA. Если мы хотим работать с пятым пином порта А (РА5), то нас интересует пятый бит упомянутых выше регистров. Как видите, все довольно просто) Осталось лишь разобраться, что же и куда надо записывать, за что отвечает каждый из этих регистров. Итак, начали…

Регистр DDRx.

DDRx отвечает за направление работы соответствующих выводов микроконтроллера. Каждый пин может быть либо входом, либо выходом, третьего не дано. Для того, чтобы настроить вывод на работу в режиме входа в регистр DDR для этого порта нужно записать 0, для выхода – 1. Пусть нам нужно настроить РА6 как вход, а РА3 как выход. Что делаем? Верно, третий бит регистра DDRA выставляем в 1, а в 6 бит все того же регистра DDRA записываем 0. Готово!

Регистр PINx.

В этот регистр мы записать ничего не можем, он предназначен исключительно для чтения данных. В этом регистре информация об уровне сигнала на соответствующем порте. Как мы помним, микроконтроллер – это цифровое устройство, и сигналы на его ножках могут иметь либо высокий уровень (логическая 1), либо низкий (логический 0). Если мы хотим узнать, что у нас там на входе РВ4, то нас интересует четвертый бит регистра PINB.

Регистр PORTx.

С этим регистром чуть посложнее, чем с предыдущими. Его функциональность зависит от того, в какой направлении работают выводы микроконтроллера. Если вывод используется в качестве входа, то регистр PORTx задает тип входа. Тут возможно два варианта:

PORTx = 1 – при такой конфигурации мы получаем вход с подтяжкой вверх (PullUp)

PORTX = 0 – высокоимпедансный вход (Hi-Z) – это значит, что сопротивление порта настолько велико, что его можно считать бесконечным)

Итак, продолжаем с регистром PORTx. Если вывод работает в качестве выхода, а в регистре PORTx единица – то на выводе будет высокий уровень сигнала, аналогично, PORTx = 0 – низкий уровень.

Давайте небольшой пример для иллюстрации 😉

Настроим вывод РС4 на работу в режиме входа с подтяжкой вверх. Для этого в четвертый бит регистра DDRC запишем 0 (режим входа), а в регистре PORTC четвертый бит надо выставить в 1 (подтяжка вверх). Вот и все.

В принципе это все, что касается теории, углубляться дальше не будем. Осталось соблюсти традиции и поиграть с диодиком. Пусть диод подключен к выводу PВ5. Заставим его помигать! И прежде всего создадим проект. Я, как уже говорил, использую AVR Studio 5, а в качестве контроллера выберу мой любимый ATMega88)

Вот таким получилось наше первое общение с микроконтроллерами AVR . В скором времени рассмотрим по возможности всю их периферию, а потом можно замутить что-нибудь поинтересней 😉