mopdf.com

ÚVODTato diplomová práce uvádí stručný přehled architektury mikrokontrolerů řadyAVR32. Hlavní zájem je směřován na mikrokontroler AVR 32 UC3A0512. Tytomikrokontrolery jsou zkoumány především z hlediska architektury.Tyto procesory se mohou uplatnit například na vývojových deskách. Tento projektzkoumá vlastnosti vývojové desky EVK1100 osazené procesorem AT32UC3A0512.Projekt také seznamuje s programovacím prostředím pro 32-bitové procesory firmyAtmel. Toto prostředí se skládá ze souboru nástrojů GNU Toolchain a programovacíhoprostředí AVR32 Studio. Je využíván programátor a debuger JTAGICE mkII.Po osvojení ovládání programovacího prostředí byly prostudovány ukázkovéprogramy (demoaplikace) pro danou desku. Na základě tohoto studia byl sestavenjednoduchý program ovládající LED diody umístěné na vývojové desce.Tento jednoduchý program byl začleněn do operačního systému FreeRTOS spolus dalšími jednoduchými úlohami. Mezi další úlohy patří měření teploty a zobrazováníaktuálního data a času. Pro docílení současného běhu úloh je užito principumultitaskingu.1

1ZÁKLADNÍ INFORMACE O PROCESORUAVR32Informace v této kapitole jsou čerpány především z [2]. Procesory AVR32 nejsoubinárně kompatibilní s dřívějšími procesory AVR (8-bitové procesory). Avšak zdrojovýkód ve vyšším jazyce (např. C) samozřejmě kompatibilní je. Pokud by bylykompatibilní, nebylo by možné plně využít potenciál 32-bitové architektury.1.1 Přehled vlastností architektury AVR32- 32 bitová architektura RISC- více než 15 32-bitových účelových registrů- 32-bitový ukazatel zásobníku- plně ortogonální instrukční sada- podpora pipelinigu, který umožňuje vykonat většinu instrukcí za jeden hodinovýimpulz- přístup k paměti pomocí Bajtu, poloviny slova, slova nebo dvojnásobku slova- rychlé přerušení, více úrovní přerušení- nastavitelné předvídání odskočení do podprogramu pro zmenšení zpoždění- možnost volby mezi efektivním a bezpečným operačním systémem- vylepšená instrukční sada s proměnnou délkou instrukce- nastavitelná DSP nástavba pro aritmetiku a široké možnosti mnohonásobnýchinstrukcí- nástavba pro JAVU, SIMD, čtení-úpravu-zápis do paměti a koprocesory pouze uněkterých mikroarchitektur- podpora odlaďování aplikací přímo na čipu (OCD)- jednotka MPU nebo MMU pro pokročilé operační systémy pouze u některýchmikroarchitektur1.2 Mikroarchitektura AVR32AJedná se o jednu z několika mikroarchitektur 32-bitových procesorů AVR. Jenavržena pro vytvoření programového kódu s velkou hustotu, což snižuje potřebnouvelikost paměti a zvyšuje rychlost. Toho je docíleno využitím proměnné délkyinstrukce. Často používané instrukce mají kompaktní 16-bitový formát. Instrukcepoužívané málo, mají prodloužený 32-bitový formát. Překladač je potom schopenzajistit nejmenší možnou velikost kódu.2

Procesor umožňuje práci s daty o různé velikosti dat bez snížení rychlosti vykonáníprogramu nebo zvětšení kódu. Nabízí pokročilý systém pro ladění přímo na desce(OCD) a jednotku ochrany paměti (MPU). Neobsahuje paměti typu cache ahardwarovou podporu Javy. Oblast registrů je rozdělena na šestnáct 32-bitovýchregistrů, programový čítač, linkový registr a ukazatel na zásobník.Mikroarchitektura AVR32A je navržena pro méně náročné aplikace. To znamená,že se používá především v levných méně výkonných aplikacích. Klasickým příklademvyužití jsou malé mikrokontrolery. Místo hardwarových registrů užívá zásobník. Tozmenší a zlevní čip, ale obsluha přerušení je pomalejší.1.3 Mikrokontrolery řady AT32UC3AJe to kompletní mikrokontroler založený na architektuře AVR32 UC. Maximálnítaktovací frekvence je 66 MHz. Pro taktování procesoru lze použít integrovaný RCoscilátor nebo jiný vnější oscilátor. Obvod reálného času s přidruženým časovačemudržují systémový čas. Obsahuje procesorové jádro architektury AVR32 A.Mikrokontroler obsahuje jednotku MPU a velmi pružnou kontrolu přerušení. Toumožňuje použití moderních operačních systémů reálného času (viz kapitola 5). PamětiFlash a SRAM zajišťují rychlý přístup k datům a instrukcím. Kontroler pro přenos datmezi periferiemi a pamětmi bez účasti procesoru snižuje zatížení procesoru.Mikrokontroler AVR32UC3A také obsahuje mnoho komunikačních rozhraní. Kroměběžných sériových rozhraní UART, SPI nebo TWI to je USB, síťové rozhraní Ethernetnebo synchronní sériový řadič. Ten umožňuje snadné používání běžných protokolůsériové komunikace a zvukových standardů (např.: I2S).Mikrokontroler AT32UC3A0512 osazený na vývojové desce EVK 1100 má paměťFlash o velikosti 512 kB a pamětí SRAM o velikosti 64 kB. Umožňuje připojení dalšíchpaměťových modulů.3

2DESKA EVK1100Jedná se o vývojovou desku s mikrokontrolerem řady AT32UC3A. Je vybavenavelkým množstvím periferií a pamětí což umožňuje jednoduše otestovat schopnostimikrokontroleru před navržením desky plošného spoje pro konkrétní účel.Poměrně podrobný popis desky je uveden v programu AVR32 Studio. Tento popisje umístěn v menu: „Help - Help Contents“ v „EVK1100 Hardware Reference“.2.1 Napájení desky EVK 1100Desku je možno napájet pomocí USB konektoru nebo z vnějšího zdroje pomocínapájecího konektoru. V případě vnějšího zdroje je možné použít napětí v rozsahu 8 –20V (např.: viz kapitola 3.2). Živý vodič je vyveden na střed napájecího konektoru.Výběr způsobu napájení se provede přepnutím přepínače „Power Switch“ do příslušnépolohy (USB/EXT). Jednodušší je napájení napětím 5V pomocí USB konektoru. Deskavyužívá napětí 5V, 3,3V pro napájení periferií a 1,8V pro napájení jádra CPU.2.2 Blokové schéma deskyDeska je osazena mikrokontrolerem AT32UC3A0512 (viz obr. 2.1). K němu jsoupřipojeny paměti typu Flash a SDRAM. Paměť Flash má velikost 8 Mbajtů a paměťSDRAM má velikost 32 Mbajtů. Paměť může být rozšířena pomocí MMC nebo SDkarty vložené do slotu. Slot pro paměťové karty je na spodní straně vývojové desky. Prokomunikaci s jinými zařízeními jsou vyvedeny porty pro Ethernet, USB a RS 232(UART). Dále je deska vybavena kontaktními body (Wraping Area). Pomocí nich jemožný přístup k periferiím a rozhraním, které mikrokontroler podporuje, ale na descenejsou osazeny jejich konektory. Pomocí těchto bodů je také možné sledovat časovéprůběhy signálů nebo připojit přídavné desky vyvinuté pro konkrétní účely.Pro programování a ladění je deska vybavena konektorem JTAG. Emulátory vyššíúrovně používají rozhraní NEXUS, kterým je deska také vybavena. Před jeho použitímvšak může být nutné konektor rozhraní NEXUS připájet.Vývojová deska EVK 1100 samozřejmě obsahuje i uživatelské rozhraní. Vstupnímzařízením je tří tlačítková klávesnice, joystick a několik senzorů. Výstupním zařízenímje LCD displej a LED diody. LCD displej je čtyřřádkový s dvaceti znaky v každémřádku. Pozadí zobrazované zprávy je modré a znaky jsou bílé. Jas displeje lze regulovatpomocí potenciometru ADJ2 (pod levým dolním rohem displeje). Pod displejem jeumístěno šest LED diod určených pro jednoduchou signalizaci. Čtyři z nich jsou zelené,zbylé dvě jsou dvoubarevné (červená/zelená). Signály ze senzorů lze použít jakoanalogový vstup A/D převodníku. Pro tyto operace je deska vybavena potenciometrem,teplotním čidlem a světelným senzorem.4

Obr. 2.1:Blokové schéma desky EVK 11005

2.3 Rozmístění součástek na desceObr. 2.2:Osazení desky EVK 11001. Ethernetový konektor RJ – 45: pro propojení desky se síťovou kartou PC2. Konektor USB mini: slouží k napájení desky napětím 5V, lze použít ik přenosu dat3. Konektor RS 232: rozhraní UART 04. Konektor RS 232: rozhraní UART 15. Napájecí konektor: používá se při napájení z externího zdroje napětí6

6. Přepínač napájení: slouží k výběru mezi napájením z USB nebo externího zdroje7. Přepínač napájení TPS 2020D: slouží jako přepěťová ochrana8. Indikační LED dioda: signalizuje připojení napájecího napětí k desce9. Stabilizátor LMS8117: vytváří napětí 3,3 V z napětí 5 V10. Převodník MAX3241: převádí napětí logických úrovní TTL na CMOSu rozhraní UART 1; obsahuje pět přijímačů a tři vysílače11. Převodník MAX3232: převádí napětí logických úrovní TTL na CMOSu rozhraní UART 0; obsahuje dva přijímače a dva vysílače12. Konektor JTAG: používá se pro připojení programátoru JTAGICE mkII13. Síťový řadič DP83848VV: umožňuje komunikaci rychlostí 10 nebo 100 Mb/s14. LCD displej: lze zobrazit dvacet znaků na každém ze čtyř řádků15. Konektor NEXUS: používá se pro připojení programátoru AVR ONE, tentokonektor může být dodáván neosazený16. Oscilátor CFPS 73B: křemenný integrovaný oscilátor, pracovní kmitočet50 MHz, možnost uvedení do stavu vysoké impedance17. LED diody 1 – 5: LED diody 1 – 3 jsou jednobarevné zelené, LED diody 4 a 5jsou dvoubarevné zelené a červené18. Kontrolní body: pomocí nich lze sledovat různé datové i řídící signály mezimikrokontrolerem a periferiemi.19. Tlačítko RESET20. Mikrokontroler UC3AT051221. Senzor intenzity světla: je realizován fototranzistorem TEMT 600022. Potenciometr: slouží jako analogový vstup A/D převodníku23. Tlačítko PB024. Tlačítko PB125. Tlačítko PB226. Joystick SKRHABE01027. Senzor teploty: NTC termistor NCP18WF104, měří teploty v rozsahu -40 C až125 C28. Datová paměť Flash7

2.4 Zapojení tlačítekObr. 2.3:Zapojení tlačítek na desce EVK 1100 (převzato z [10]).Tlačítka jsou připojena na vstupně výstupní piny portu X mikrokontroleruAT32UC3A0512 (PB0 – pin 16, PB1 – pin 19, PB2 – pin 22). Stiskem tlačítka sepříslušný pin uzemní. Na stejné piny jsou připojeny i pull-up rezistory 10 kΩ. Toznamená, že stisk tlačítka vytvoří logickou nulu na příslušném pinu. Nestisknutétlačítko odpovídá logické jedničce.2.5 Zapojení joystickuObr. 2.4:Zapojení joysticku na desce EVK 1100 (převzato z [10]).Joystick se skládá z jednoho spínače a jednoho přepínače. Spínač je sepnutv okamžiku stisku joysticku. Přepínač má čtyři kontakty, které se spínají při vykloněníjoysticku do jednoho ze čtyř směrů. Jedná se tedy o několikanásobný spínač s pákovýmovladačem. Tomu odpovídá i zapojení, které je stejné jako u tlačítek (stisk – log. 0,nestisknuto – log. 1)8

2.6 Zapojení LED diodObr. 2.5:Zapojení LED diod LED1 – LED6 (převzato z [10]).Diody LED1 až LED4 (označení odpovídá potisku na desce) jsou jednobarevnézelené. Diody LED5 a LED6 jsou dvoubarevné červeno zelené (dvě diody v jednompouzdře). Anody diod jsou připojeny na napájecí napětí 3,3 V. Katody LED diod jsoupřes rezistory 150 Ω připojeny k pinům portu B (piny 19 – 22 a piny 27 – 30)mikrokontroleru (celkem osm pinů). To znamená, že se dioda rozsvítí pokud jepříslušný pin nastaven na logickou nulu.2.7 Zapojení LCDObr. 2.6:Zapojení LCD displeje na desce EVK 1100 (převzato z [10]).9

Jas LCD displeje je možné manuálně doladit pomocí trimru. K Displeji jepřivedeno jak napájecí napětí 3,3V tak 5V. Napětím 3,3V jsou pravděpodobněnapájeny řídící obvody a napětím 5V je pravděpodobně napájeno podsvícení LCD.Displej je řízen pomocí sběrnice SPI.2.8 Zapojení senzorůVšechny senzory umístěné na desce EVK 1100 jsou napájeny napětím 3,3V.Teplotní senzor je zapojen v napěťovém děliči zatíženém prvním kanálem A/Dpřevodníku. Rezistor 100 kΩ nastavuje měřící proud protékající teplotním senzorem.Jako teplotní čidlo je použit termistor NCP z řady 18. Jedná se o termistor NTCs negativním teplotním součinitelem odporu. První kanál A/D převodníku (ADC0) jevyveden na pin číslo 21 portu A. Tímto způsobem (při doplnění příslušného softwaru)lze vytvořit jednoduchý digitální teploměr.Mezi senzory je zařazen potenciometr, který lze pokládat za napěťový děličs proměnlivým dělícím poměrem. Jedná se o uhlíkový potenciometr s odporem 100 kΩ.Jezdec potenciometru je připojen na druhý kanál A/D převodníku. Druhý kanál A/Dpřevodníku (ADC1) je vyveden na pin číslo 22 portu A. Tato aplikace je praktickyvyužitelná např. pro indikaci hlasitosti na displeji autorádia.Na desce je také osazen světlocitlivý senzor. Funkci světlocitlivého senzoru plnífotodioda. Ta je zapojena v napěťovém děliči s rezistorem 200 kΩ, který nastavujeproud protékající diodou. Dělič je zatížen třetím kanálem A/D převodníku jehož vstup(ADC2) je vyveden na pin číslo 23 portu A. Tento senzor lze v praxi použít např. proautomatickou regulaci jasu displeje mobilního telefonu.Obr. 2.7:Zapojení senzorů na desce EVK 1100 (převzato z [10]).10

3JTAGICE MK IIJTAGICE mk II je adaptér, který slouží pro programování mikrokontrolerů AVR aladění vyvíjených aplikací. Tento adaptér podporuje odlaďování pomocí rozhraní JTAGnebo debugWIRE. Propojení s počítačem je možné pomocí rozhraní RS-232 nebo USB.Mimo tohoto adaptéru je k programování a ladění třeba software: AVR32 Studio(alespoň verze 2.0), AVR32 GNU Toolchain (alespoň verze 2.0). Následující popis platípro operační systém MS Windows XP Professional.3.1 Signalizační LED programátoru JTAGICE mk IIPrvní LED dioda slouží k signalizaci stavu propojení programátoru s deskou.Pokud LED dioda nesvítí, je deska vypnuta nebo odpojena. Úspěšné propojení jesignalizováno zeleným svitem diody. (dioda je označena LED1 viz obr. 3.5)Druhá LED dioda signalizuje aktivní stav programátoru. Po zapnutí spínačena zadní straně programátoru se dioda červeně rozsvítí a svítí nepřetržitě až do vypnutíprogramátoru. (prostřední dioda na programátoru viz obr. 3.5)Třetí LED dioda signalizuje činnost programátoru. Při programování cílovéhozařízení dioda zeleně svítí. Při přenosu krátkého kódu může několikrát bliknout. Přidetekování programátoru programem AVR32 Studio se dioda rozsvítí oranžově a přiúspěšné detekci svítí červeně. (viz obr. 3.5)Obr. 3.1:Programátor JTAGICE mk II11

3.2 Propojení programátoru JTAGICE mk II s počítačemPropojení s počítačem je možné realizovat pomocí sériového rozhraní RS-232. Připoužití tohoto datového připojení je nutné programátor napájet z externího zdrojenapětí. Napětí externího zdroje se může pohybovat v rozmezí 9 – 12 V. Pro napájení lzepoužít např.: dvanácti voltovou větev zdroje stolního počítače viz obr. 3.2 vlevo.Obr. 3.2:Popis konektoru Molex, dodávaný napájecí kabelK připojení externího napájecího zdroje dodává výrobce napájecí kabel. Z jednéstrany je zakončený konektorem viz obr. 3.2. vpravo, z druhé strany je zakončen dvojicí„oholených“ a pocínovaných vodičů. Značený vodič (černo-bílý) je třeba připojitke kolíku konektoru molex na pozici 2 nebo 3. Tento vodič je propojen s vnější částíkonektoru. Černý vodič je propojen se středem (dutinou) konektoru. Tento vodič jenutné připojit ke kolíku na pozici 1 konektoru molex.Výhodnější je však připojení pomocí rozhraní USB. Toto rozhraní zajišťuje nejenkomunikaci s počítačem, ale i napájení napětím 5 V. Pro rozpoznání programátoru musíbýt nainstalována sada nástrojů GNU Toolchain (viz kapitola 4.1), která obsahujeovladače USB. I přes nainstalování nástrojů GNU Toolchain se může stát, že systémWindows nerozpozná programátor JTAGICE mk II. V takovém případě je nutnéovladač nainstalovat ručně.Ruční nainstalování ovladače lze provést dvojklikem na ikonu „nový hardware“v oznamovací oblasti. Tím je vyvolán „Průvodce instalací hardware“. V prvním okně jenutné zvolit možnost „Ne, nyní ne“ (viz obr. 3.3) a potvrdit tlačítkem „Další“.12

Obr. 3.3:Průvodce instalací hardwareV dalším okně je nutné zvolit „Instalovat ze seznamu nebo daného umístění“ a opětpotvrdit tlačítkem „Další“. Dále bude vybrána možnost „Vyhledat nejlepší ovladačv těchto umístěních“ se současným zatržením pole „Při hledání zahrnout toto umístění:“a stiskem tlačítka „Procházet“ zvolit umístění: „C:\Program Files\Atmel\AVRTools\usb“ (viz obr. 3.4). Stiskem tlačítka „Další“ je ovladač nalezen a nainstalován.Po stisku tlačítka „Dokončit“ je průvodce ukončen. Jako signalizace úspěšnéhopropojení se uvnitř programátoru (poblíž konektoru USB) rozsvítí zelená LED dioda.Obr. 3.4:Průvodce instalací hardware-zvolení umístění13

3.3 Propojení programátoru JTAGICE mk II s deskouPropojení se provede pomocí kabelu programátoru JTAGICE mk IIs desetipinovou koncovkou. Tato koncovka se připojí na piny konektoru JTAG nadesce. Na desce i na konektoru jsou piny označeny čísly 1 a 10 takže by při pozornémpřipojení nemělo dojít k špatnému propojení. Po propojení s deskou EVK 1100 nenítřeba v programu AVR32 Studio (verze 2.0 a vyšší) nic nastavovat, aby rozhranní ISPfungovalo. V nižších verzích pro

prost ředí AVR32 Studio. Je využíván programátor a debuger JTAGICE mkII. Po osvojení ovládání programovacího prost ředí byly prostudovány ukázkové programy (demoaplikace) pro danou desku. Na základ ě tohoto studia byl sestaven jednoduchý program ovládající LED diody umíst ěné na vývojové desce.