Құрылымдық сұлбасының сипаттамасы

Жады. AVR микроконтроллертарында Гарвардттық архитектура қолданылған, ол бойынша программа жадысының адрестік кеңістігі мен ақпараттық жадыны ғана бөліп қоймай, оларға апаратын ақпараттық шиналарды да бөліп қойған. Ақпараттық кеңістіктің әрбір облысыстары да (оперативтік жады және EEPROM) өзінің адрестік кеңістігінде орналасқан.

Программалар жадысы (Flash ROM немесе Flash ПЗУ). Программалар жадысы микроконтроллертардың жұмыс істеуіне жауап беретін командалар реттігін сақтау үшін арналған және әрқайсысы 16 биттен тұрады. AVR – лардың бәріінде Flash – жады бар, бірақ олар әр – түрлі көлемді 1 – ден 256 Кбайтқа дейін болуы мүмкін. Бұлардың ең басты артықшылықтарының бірі, олар элетрлік қайта программалану негізінде жасалған, яғни оған сан рет программаны жазып қайта өшірсе болады. Flash – жадыға, программа программатор арқылы жазыла алады және де жиналған плата негізінде SPI – интерфейсі арқылы да жазыла алады. SPI – интерфейсі арқылы сұлба ішіндегі программалау (ISP функциясы) AVR микроконтроллертарының Tiny11 және Tiny28 басқаларының бәрінде бар.

Микроконтроллертардың ішіндегі Mega типтері өзін – өзі программалау мүмкіндігіне ие, яғни программа жадысындағы мағұлматтарды өз еркімен өзгерте алады. Бұл артықшылық микроконтроллер ішінде өте иілгіш жүйелере құруға мүмкіншілік береді, яғни жүйенің жұмыс істеу алгоритмін, қандай да бір сыртқы әсерлер немесе ішкі әсерлерден, микроконтроллер өзі өзгертіп отырады [3].

AVR микроконтроллертардың екінші басылымының Flash – жадысындағы қайта жазу циклінің кепілді мөлшері 10 мыңға дейін жетеді.

Ақпараттық жады. Ақпараттық жады үшке бөлінген: регистрлік жады, оперативтік жады (ОЗУ оперативті еске сақтау құрылғысы немесе RAM) және энергия көзіне тәуелді жады. (EEPROM).

Регистрлік жады (РОН). Регистрлік жады өзіне бір файлға біріктірілген

32 жалпы тағайындау регистрін (РОН немесе GPR) және қызметтік енгізу/шыңару регистрінен тұрады. Екі жады да оперативтік жадының адрестік кеңістігінде орналасқан, бірақ оның бөлігі болып саналмайды.

Енгізу/шығару регистрінің құрамында қызметтік (микроконтроллерты басқару регистрі, күй регистрлері және т.б.) регистрлер және микроконтроллер құрамына кіретін периферийялық құрылғыларды басқару регистрлері кіреді. Негізінле микроконтроллерты басқару осы регистрлермен іске асырылады.

Энергия көзіне тәуелді ақпараттық жады (EEPROM). Әр – түрлі мағұлматты ұзақ уақыт сақтау және оны микроконтроллер жұмыс істеу барысында өзгерту үшін EEPROM қолданылады. AVR микробақылауштарының бәрі қайта жазылатын энергия көзіне тәуелді электрлік 64 Байттан 4 КБайтқа дейінгі EEPROM ақпараттық жады блогы болады. Бұл жады типі микроконтроллерқа программаны орындау барсында тәуелді, яғни әр – түрлі тұрақты шамаларды, аралық ақпараттарды, коффиценттерді, сериялық нөмірлерді сақтауға арналған, EEPROM – ға мағұлмат сырттан SPI – интерфейсі арқылы да және қарапайым программатор арқылы да енгізсе болады. Қайта жазып/өшіру циклының саны 100 мың.

Оперативтік жады (ОЗУ немесе RAM). Ішкі оперативтік статикалық еске сақтау жадысы Static RAM (SRAM) байттық форматта және оперативті еске сақтау үшін қолданылады. Әр – түрлі чиптарда опреративтік жадының көлемі 64 Байттан 4КБайт аралағында болуы мүмкін. Оқу және жазу циклдері шексіз, бірақ бүкіл мағұлматтардың бәрі энергия көзі өшкен кезде жоғалып кетеді. Кейбір микроконтроллертарға сырттай ОЗУ қосуға болады, ондай жадылардың көлемі 64Байттан басталады.

Периферия. AVR мкробақылауыштардың перифериясы:

• 
  портттардан (3 пен 48 аралығында енгізу/шығару желілері);
  
• 
  таймерлер мен санауыштардан;
  
• 
  күзетші таймерлер;
  
• 
  аналогтік компараторлардан;
  
• 
  10 – разрядтық 8 арналы Аналогтік – сандық түрлендіргіш;
  
• 
  UART, JTAG, SPI интерфейстері;
  
• 
  қорек көзі азайған кездегі лақтыру (сброс) құрылғысы;
  
• 
  широтно – импульстік модуляторлар.
  

• 
  түрлі. Олардың өзара қатынасуы жады аррқылы іске асады, яғни периферияда өзінің бірнеше периферия регистрлері болады. Бұл регистрлардың ішінде конфигурация биттары болады. Осы биттардың реттігіне сай перифериялық құрылғы сол режимде жұмыс істей береді. Дәл осы регистрларға берілген мағұлматтарды жазып отырамыз, мысалға аналогты – сандық түрлендіргіш өңдеген мағұлматтары оқып шығару. Перифериялармен жұмыс істеу үшін IN және OUT деген командалары перифериядан жалпы тағайындалу регистріне оқып жазу және де керісінше жалпы тағайындалу регистрінен периферияға оқып жазу үшін қоладынлады.
  

Енгізу/шығару(I/O) порттары. AVR микроконтроллердің енгізу/шығару порттарының саны 3 тен 53 – ке дейін бара алады. Әр порттың арнасы кіріс немесе шығысқа бағдарламаланған болуы мүмкін. Шығыстағы мықты драйверлер әр арнаға 20 мА көлемінде токтық жүктеме түсіреді, ал максималдық көрсеткіш 40мА – ге дейін барады. Бұндай көрсеткіштер микроконтроллерға мысалға биполярлық транзисторларды немесе жарық диодарын қосуға мүмкіншілік береді. Бір арнаға түсірілген ток жүктемесінің мөлшері 80мА – ден аспауы тиіс. AVR микроконтроллертарының архитектуралық ерекшеліктерінің бірі, басқа микроконтроллертарда (Intel, Microchip, Motorola және т.б.) әр шығыс көзіне 2 бақылау/басқару биттері берілген болса, AVR микроконтроллертарында әр шығыс көзіне 3 бақылау/басқару биттері берілген. Мұндай артықшылық микроконтроллерқа жұмыс барысында жоғары жылдамдық пен қосымша қауіпсіздік береді және ақпараттың қосымша көшірмесін сақтауды қажет етпейді.

Доғару программалары (Interrupts). Доғару жүйесі – микроконтроллертардың ең басты бір бөлігі болып саналады. AVR микроконтроллертарының бәрінде көп қабатты доғару жүйесі болады. Доғару жүйесі программаның әдеттегі орындалу ретін доғарып, басты тапсырманы орындау үшін арналады.

Осындай әр – түрлі жағдайларға байланысты бөлек программа асты программалар жасалады, оларды доғаруға сауалнама жіберу программалары деп атайды және олар программа жадысына бастапқы түрде енгізілген болады.

Доғару жағдайы туған кезде микроконтроллер санауыш командаларын сақтап қалып, орталық процессордың орындап жатқан программасын тоқтатып, доғару процессіне кіріседі. Доғару процессі іске асқаннан кейін, алдынғы сақталып қалған командаларын қайта орнына келтіреді де, процессорды доғару нүктесіне қайта алып келеді.

Әрбір оқиға үшін алғы шарттар орнатылуы мүмкін. Мұндай шарттардың басты тапсырмасы, егер қойылған алғы шарттардан асқан шарт пайда болмаса программаның үзу қажеттілігін жою.

Таймерлер/санауыштар (TIMER/COUNTERS). AVR микроконтроллертарының құрамында ішкі тактілі жиіліктен қорек алатын және сыртқы жағдайлардың таймері ретінде де жүмыс істей беретін, 8 немесе 16 разрядты, 1 – 4 таймер/санауыштарға дейін болуы мүмкін. Оларды уақыт интервалдарын дұрыс құру үшін, микроконтроллертардың шығысындағы импульстарды санау үшін, импульстардың реттілігін құру үшін, сигнал таратқыш байланыс арналарының талтілігінің реттілігін құру үшін қолданылады. Кеңейтілген Импульстік Модуляция (PWM) режимінде таймер/санаушты енді – жиілікті модулятор ретінде қолданып, программаланатын жиілік пен қуыстылығы бар сигналды өндіру үшін қолданылады. Таймер/санауыштарда доғару сұраныстарын туғызу қабілеттері бар,процессорды басқа маңызды тапсырмаларға ауыстырып, таймерлерді периодикалық түрде тексеріп отырудан босатады. Микроконтроллертар шын уақыттта қолданылатындықтан, таймер/санауыштар микроконтроллертың ең маңызды бөлшектерінің бірі болып саналады.

Күзетшілік таймер (WDT). Күзетшілік таймер (WatchDog Timer) программаның кездейсоқ өшіп қалуынан сақтайтын таймер. 1 МГц жиілікпен жұмыс істейтін өзінің RC – генераторы бар. Негізгі ішкі генераторлар сияқты 1МГц жиілік әр түрлі шарттарға байланысты өзгеріп отырады, мысалға темперетура немесе микроконтроллер кернеуінің мөлшері. Күзетшілік таймерінің қолдану идеясы аса қиындатылмаған, яғни оның ұсталым уақытының бітпей, процессордың бастапқы шартқа келмей түсіп қалуынан бұрын , күзетшіллік таймердің өзін программаның басқаруымен әрдайым лықсыма жасап отыру болып табылады. Егер бағдарлама дұрыс істеп тұрған жағдайда таймерді әрдайым лақтырып отыру керек, осылайша процессорды лақтырылып, бастапқы шартқа қайта келуінен сақтаймыз. Егер де микрпроцессор сыртқы әсерлердің немесе қандайда да бір басқа әсерлеердің тарапынан істен шығып не ақаумен істейтін болса, онда күзетшілік таймердің белгілі уақыт аралығында іске аспайды да, процессордың басты шарттарға қайта оралып келеді де, жүйе қайта жұмыс істеу нормасына қайтып келеді.

Аналогтік компаратор (АС). Аналогтік компаратор (Analog Comparator) микроконтроллертың екі шығысындағы (пиндар) кернеулерді салыстырады. Салыстыру нәтижесі қандай да бір логикалық мән болады, оны программадан оқып шығарса болады. Аналогтік компаратордың шығысын аналогтік компаратордың үзілу сигналына апарып қосса болады. Қолданушы үзілісті іске қосылуын өзінің ергініше үдемелі түрде немесе кемімелі түрде өзгертіп отыра алады немесе ауысытыру бойынша жіберсе болады. Мұндай ерекшелік Mega8515 типінен басқасының AVR микроконтроллертарының бәрінде бар.

Аналогтік – сандық түрлендіргіш. Аналогтік – сандық түрлендіргіш кірісіне берілген кернеудің сандық мәнін алуға қажет құрылғы. Бұл мән АСТ ақпараттық регистрінде сақталады. АСТ пиндарының қайсысы кіріс не шығыс болуын сәйкес регистрларға берліген сандармен анықталады.

Жүйелі әмбебап алып – таратқыш (UART немесе USART). Асинхронды немесе синхронды/асинхронды әмбебап алып – таратқыш (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter - UART немесе USART) – микроконтроллертың сыртқы әлеммен мәлімет алмасу үшін арналған каналды жасайтын, ыңғайлы интерфейсі бар құрылғы. Дуплекстік режимде жұмыс істеу мүмкіндігі бар, яғни бір уақытта мәліметті жіберіп қабылдап отыра алады. Дербес компьютермен байланыс орната алатындай, ол RS-232 стандартты протоколын қолдайды. Бірақ микроконтроллер пен дербес компьютер арасында байланысты орнату үшін сигналдар деңгейін қосу сұлбасы қажет. Ол үшін арнайы микросұлбалар болады, мысалы MAX232.

Жүйелі перифериялық интерфейс SPI. Екі құрылғы арасындағы мәлімет алмасуды іске асыраты элементті, жүйелі перифериялық үшжелілі интерфейс (Serial Peripheral Interface) деп атаймыз. Осының арқасында микроконтроллер пен басқа құрылғылар(сандық потенциометр, САТ/АСТ, Flash ПЗУ) арасындағы мәлімет алмасуды орнықтырады. Осы интерфейс арқылы бір уақытта бірнеше AVR микроконтроллертар арасында мәлімет алмасуды іске асыру тиімді. Бұдан басқа SPI – интерфейсі арқылы микробақылаушты бағдарламалауға болады.

Жүйелі екіжелілі интерфейс TWI. Жүйелі екіжелілі интерфейс TWI (Two-wire Serial Interface) Philips фирмасының I2C (екіжелілік екібағытты шина) нұсқасының толық көшірмесі болып саналады. Бұл интерфейс екібағытты шина көмегімен, тактілі жол сигналі (SCL) және ақпарат жолдары(SDA) бар, 128 құрылғыларды қоса алады.

JTAG интерфейсі. JTAG интерфейсі электронды құрамдас бөліктердің ақаларын тестілейтін орталықтың (Joint Test Action Group) жетекші мамандарымен жасалып, IEEE Std 1149.1-1990 өндіріс стандарты ретінде тіркелген болатын.Төртжелілі JTAG интерфейсі микроконтроллертардың бағдарламалануын, баспа тақталарын, сұлба ішіндегі дұрыстығын тестілейді. Mega микроконтроллертарының көбісінде іштей дұрыстауға арналған IEEE Std 1149.1 JTAG интерфейсін немесе debugWIRE интерфейсі бар. Бұдан басқа 16 кбайттық флэш – жадысы бар, Mega микроконтроллертарының бәрі JTAG интерфейсі арқылы бағдарламалана алады.

Тактілі генератор. Тактілі генератор микробақылаушытың барлық түйіндерінің жұмысын синхрондау үшін импульстар өндіреді. AVR микроконтроллертарының ішкі тактілі генераторлары бірнеше сыртқы тірек көздерінен қосыла алады (сыртқы генератор, сыртқы кварцты резонатор) Минималды жиіліктің мөлшеріне шектеу қойылмаған. Максималды жұмыс істеу жиілігі әр микроконтроллерқа Atmel компаниясымен орнатылады,алайда кез – келген AVR микроконтроллерынығ жиілігі 10 МГц – ке дейін барады, ал бөлме температурасы жағдайында 12 МГц – ке дейін апарса болады.

Шын уақыт жүйесі (RTC). RTC Mega микроконтроллертарында және classic типінің AT90(L)S8535 моделінде бар.RTC таймер/санауышы бөлек бөлгіші болады, ол арқылы бағдарламалы түрде негізгі тактілі жиілік көзіне немесе қосымша сыртқы асинхронды жиілік көзіне(сыртқы кварцты резонатор немесе сыртқы синхросигнал) қосыла аламыз. Бұндай жағдайлар үшін микроконтроллертың екі арнайы кіріс/шығыс көздері бар. Ішкі осцилятор сыртқы «сағаттық» 32,768 кГц – тік кварц резонаторымен жұмыс ңстеу үшін оңтайланған [4].

Қорек көзі. AVR микроконтроллерлері 1,8 бен 6,0 вольт кернеуінде жұмыс істейді. Тоқ тұтыну активті режим кезінде көбінесе қуат көзі кернеуі мен жиілікке байланысты микроконтроллер 1мА – ге 500кГц, 5 – 6 мА-ге 5МГц, 8 – 9 мА-ге 12МГц – ті құрайды.

AVR микроконтроллертары бағдарламалық жолмен үш төменгі қуат тұтыну режиміне ауыстырылуы мүмкін.

Бос жүріс режимі (IDLE). Тек процессордың жұмысын ғана тоқтатады да ақпараттық жадының құрамын сақтап қалады, ал ішік синхросигналды генератор, таймерлер, күзетшілік таймер мен доғару жүйесі жұмыс істеп тұра береді. Тоқ тұтыну 12МГц жиілік шамасында 2,5мА – ді құрайды.

Стоптық режим (POWER DOWN). Регистрлік файлдың құрамы ғана сақталады, ал ішкі синхросигналдар генераторы және тиісінше басқа да процесстер, сырттай доғару сигналы немесе апараттық тоқтату сигналы келмегенше, жұмысын тоқтатады. Күзетшілік таймер қосылған жағдайда тоқ тұтыну 80мкА, ал өшірілген жағдайда 1мкА – ді құрайды.(Бұның бәрі 5В кернеу көзі кезінде).

Үнемді режим (POWER SAVE). Уақытша базаның түгелділігін сақтап, тек таймер генераторы ғана жұмыс істейді, ал қалған фунцкиялардың бәрі өшірілу.

Кернеу көзінің деңгейі төмендеген жағдайдағы тоқтату (BOD). BOD (Brown-Out Detection) сұлбасы, қорек көзінің кернеуін бақылайды. Егер жұмыс барысында қорек көзінің кернеуі нормадан төмен болған жағдайда, микроконтроллер жұмысын тоқтатады, ал қорек көзінің кернеуі қайта норма келген жағдайда, тоқтату таймері іске асып, жұмыс қайта жандандырады.