За сколько циклов выполняются команды микроконтроллера

Управление требует непрерывного циклического контроля. В любом цифровом устройстве непрерывность достигается путем реализации дискретных алгоритмов, которые повторяются через очень малые промежутки времени. Таким образом, все вычисления в программируемом логическом контроллере ПЛК происходят циклически. Одну итерацию, которая включает в себя обсчет, замер, а также выработку логического решения, называют рабочим циклом ПЛК или рабочим циклом микроконтроллера. Действия, которые будут выполнятся ПЛК, напрямую зависят от состояния предыдущего входов и программы, которую он реализует.

При подаче питания на микроконтроллер он выполняет самотестирование и настройку необходимых аппаратных ресурсов, очистку оперативной памяти (ОЗУ), выполняет контроль целостности программы пользователя. В случае, когда пользовательская программа сохранена в памяти ПЛК, контроллер переходит к основной работе, которая состоит из постоянно повторяющихся определенных действий, которые входят в рабочий цикл.

В свою очередь, рабочий цикл микроконтроллера или ПЛК можно разделить на следующие этапы:

• Начало цикла;
• Обработка входов (чтение информации из внешних источников);
• Выполнение пользовательской программы;
• Установка выходов (запись выходов);
• Обслуживание аппаратных ресурсов ПЛК;
• Монитор исполнения;
• Контроль времени цикла;
• Переход на начало цикла;

Таким образом, в самом начале цикла происходит процесс физического считывания значений на входах микроконтроллера. Полученные в процессе чтения данные сохраняются в области памяти входов, создавая тем самым полную одномоментную зеркальную копию значений входов.

После чего начинается процесс выполнения пользовательской программы, которая работает с копиями значений входов и выходов, размещенных в оперативной памяти. Если программа пользователя не загружена или остановлена самим пользователем, то описанные выше действия не выполняются. Отладчик программатора имеет доступ к образу входов-выходов, что позволяет проводить исследовательские работы и управлять выходами вручную.

После выполнения кода программы выходы ПЛК устанавливаются в соответствии с полученными расчетными значениями.

Обслуживание аппаратных ресурсов – это обеспечение работы оперативного самотестирования, системных таймеров, индикации состояния, часов реального времени и других функций.

Монитор системы исполнения – это огромное количество функций, необходимых для обеспечения взаимодействия со средой программирования и отладки программы, а также для работы с сервером и сетью. В функцию системы исполнения обычно входит – загрузка кода программы пользователя в электрически перепрограммируемую память и оперативную память ОЗУ, обеспечения просмотра и редактирования переменных, контроль времени цикла, управление последовательностью реализации задач, пошаговое управление и другие функции.

Программа, загруженная пользователем или пользовательская программа, работает только с мгновенными копиями входов. Соответственно значения входов в процессе выполнения одного цикла изменятся не будут. Этот принцип является фундаментальным для построения ПЛК сканирующего типа. При использовании данного подхода исключается неоднозначность алгоритма обработки данных в разных его ветвях. Более того, процесс чтения значения входа производится из ОЗУ, а не непосредственно с самого входа, что значительно ускоряет процесс обработки данных.

Временем сканирования называют общую продолжительность рабочего цикла микроконтроллера. Время сканирования во многом зависит от длины фазы пользовательской программы. Время, которое занимается остальными фазами рабочего цикла практически всегда остается постоянным. Для задач среднего объема в ПЛК с системой исполнения CoDeSys время распределится примерно таким образом – 98% программа пользователя и 2% остальные задачи.

Также существуют задачи, в которых плавающее время цикла может оказывать очень существенное влияние на результат – например, системы автоматического регулирования. Для устранения этих проблем у многих микроконтроллерах предусмотрен контроль времени цикла. При слишком быстром исполнении кода программы в рабочий цикл искусственным путем добавляют время задержки, а в случае отсутствия контроля времени цикла подобные задачи реализуют исключительно на таймерах.

Источник

В данной статье будут рассмотрены циклы в языке программирования Си для микроконтроллеров AVR. Будут рассмотрены циклы типа “для” (for) и циклы типа “пока” (while), будет показано как осуществить принудительное прерывание цикла и организовать бесконечный цикл. Рассмотрены вопросы вложенных циклов и формирования длительных временных задержек.

Для того чтобы несколько раз повторить какую-либо последовательность действий, применяют алгоритмические конструкции, называемые циклами. Саму последовательность действий при этом называют телом цикла.

В языке С есть две разновидности циклов: циклы со счетчиком (типа “для” или for) и цикл с условием (типа “пока” или while). В других языках программирования, например Pascal, циклы с условием разделялись на циклы с предусловием (типа while) и циклы с пост условием (типа repeat until), но в современных языках программирования циклы с пост условием постепенно отмирают.

Циклы типа “для” (for)

Циклы типа “для” (for) применяются в ситуациях, в которых заранее известно количество повторений цикла. Поэтому в составе подобного цикла всегда есть так называемый “счетчик повторений” или “переменная цикла”. Пример использования цикла for в языке представлен на следующем рисунке.

В данном примере тело цикла повторится столько раз, сколько значений “пробежит” переменная цикла i от своего начального значения, задаваемого операцией присваивания i = a, до конечного значения, задаваемого условием i < b. Изменение переменной i определяется условием присваивания вида i = i + c. Но чаще всего в циклах типа for в языке С переменная цикла изменяется за одно повторение цикла на +1 или -1, поэтому используется запись вида i++ (инкремент переменной цикла) или i– (декремент переменной цикла). В рассмотренном примере при i = b цикл завершается и выполняется оператор, следующий за закрывающей скобкой цикла.

Рассмотрим пример цикла for, приведенный на следующем рисунке.

В этом примере на первом шаге цикла переменная i будет равна 1, перед вторым шагом произойдет ее увеличение на 1 в результате инкремента (i++) и она станет равной 2. На третьем шаге значение переменной цикла i будет равно 3. И так до тех пор, пока на пятом шаге цикла она не станет равной 5. В результате следующей операции инкрементирования (i++) переменная цикла получит значение 6, но условие i <= 5 уже не будет истинным, поэтому цикл завершится. Таким образом, тело цикла будет выполнено 5 раз.

Язык С допускает инициализацию переменной цикла в его оглавлении как показано на следующем рисунке.

Но начинающим лучше производить инициализацию переменной цикла в начале функции вместе с остальными инициализируемыми переменными – более подробно читайте об этом в статье про переменные в языке С.

Усовершенствуем программу управления миганием светодиода, рассмотренную в статье про программирование портов микроконтроллеров AVR, с помощью цикла типа “для” (for). Заставим светодиод мигать 10 раз.

Пример подобной программы представлен на следующем рисунке.

Циклы типа “пока” (while)

Цикл типа while (“пока”) повторяется до тех пор, пока истинно условие цикла. Поэтому часто его называют циклом с условием. В простейшем виде запись данного цикла выглядит следующим образом:

while (условие)

{

// тело_цикла

}

Циклы с условием необходимы в тех случаях, когда заранее не известно число повторений цикла. Подобный цикл будет работать до тех пор, пока выполняется условие.

Чтобы цикл завершился, внутри него (в его теле) должно происходить изменение какой-либо переменной, которая входит в условие цикла.

Пример:

int y;

y = 50;

while (y > 0)

{

y = y – 1;

}

В этом примере тело цикла будет повторено (выполнится) 50 раз, до тех пор пока переменная y будет больше нуля. На каждом шаге цикла значение переменной y будет уменьшаться на 1. И когда оно станет равным 0, цикл завершится.

Оператор break

С помощью данного оператора можно в любой момент завершить цикл (прервать его выполнение). Обычно это делается при наступлении каких-нибудь особых условий.

В большинстве случаев он используется следующим образом:

if (условие1) break;

Данную последовательность операторов можно записать в любом месте цикла. Но опытные программисты стараются все таки избегать использования данного оператора – для улучшения читаемости и отладки программы желательно в условии цикла прописывать все ситуации, при которых будет нужен выход из цикла.

Бесконечные циклы

Бесконечный цикл в языке программирования С можно осуществить как с помощью цикла “для” (for), так и с помощью цикла “пока” (while). Синтаксис подобных циклов выглядит следующим образом.

for(;;)

{

// тело_цикла

}

или

while (1)

{

// тело_цикла

}

Чаще применяется способ с циклом типа while – он более нагляден. Выйти из подобных циклов можно единственным образом – применив рассмотренный в предыдущем разделе оператор break.

Бесконечные циклы находят широкое распространение в программах для микроконтроллеров, потому что данные программы должны, как правило, работать постоянно до тех пор, пока устройство не обесточат. Много примеров подобных программ вы можете найти на нашем сайте в рубрике “схемы и устройства на микроконтроллерах AVR”.

Вложенные циклы

В большинстве известных в настоящее время языках программирования (и язык Си этому не исключение) допускается использование вложенных циклов – то есть когда один цикл выполняется в теле другого. Пример использования такой конструкции приведен на следующем рисунке:

Рассмотрим пример двух вложенных друг в друга циклов “для”. Тело вложенного цикла в общей сложности будет повторено 200 раз.

В этом примере тело вложенного цикла будет выполнено 200 раз.

Формирование задержки

Аппаратные средства микроконтроллеров AVR не могут формировать длительные задержки – но это, собственно говоря, не очень и нужно потому что сколь угодно длительную задержку можно организовать с помощью циклов (лишь бы имелась возможность формирования хотя бы небольшой задержки). Пример организации задержки длительностью 10 минут с помощью цикла и функции _delay_ms() представлен на следующем рисунке:

Источник

5.2. Микроконтроллеры подгруппы PIC16F8X

5.2.1. Основные характеристики

Микроконтроллеры подгруппы PIC16F8X относятся к семейству 8-разрядных КМОП микроконтроллеров группы PIC16CXXX, для которых характерны низкая стоимость, полностью статическая КМОП-технология и высокая производительность.

В состав подгруппы входят МК PIC16F83, PIC16CR83, PIC16F84 и PIC16CR84. Основные характеристики МК подгруппы PIC16F8X приведены в табл. 5.1.

Все микроконтроллеры подгруппы PIC16F8X используют гарвардскую архитектуру с RISC-процессором, обладающую следующими основными особенностями:

• используются только 35 простых команд;
• все команды выполняются за один цикл (400 нс при частоте 10 МГц), кроме команд перехода, которые требуют 2 цикла;
• рабочая частота 0 Гц … 10 МГц;
• раздельные шины данных (8 бит) и команд (14 бит);
• 512 х 14 или 1024 х 14 память программ, выполненная на ПЗУ или электрически перепрограммируемой Flash- памяти;
• 15 восьмиразрядных регистров специальных функций (SFR);
• восьмиуровневый аппаратный стек;
• прямая, косвенная и относительная адресация данных и команд;
• 36 или 68 восьмиразрядных регистров общего назначения (GPR) или ОЗУ;
• четыре источника прерывания:
  • внешний вход RB0/INT ;
  • переполнение таймера TMR0 ;
  • изменение сигналов на линиях порта B ;
  • завершение записи данных в память EEPROM ;
• 64 x 8 электрически перепрограммируемая EEPROM память данных с возможностью выполнения 1000000 циклов стирания/записи;
• сохранение данных в EEPROM в течение как минимум 40 лет.

Таблица 5.1. Основные характеристики МК подгруппы PIC16F8X.

Микроконтроллеры подгруппы PIC16F8X обладают развитыми возможностями ввода/вывода:

• 13 линий ввода-вывода с индивидуальной установкой направления обмена;
• высокий втекающий/вытекающий ток, достаточный для управления светодиодами:
• максимальный втекающий ток – 25 мА;
• максимальный вытекающий ток – 20 мА;
• 8-битный таймер /счетчик TMR0 с 8-битным программируемым предварительным делителем.

Специализированные микроконтроллерные функции включают следующие возможности:

• автоматический сброс при включении (Power-on-Reset);
• таймер включения при сбросе (Power-up r);
• таймер запуска генератора (Oscillator Start-up r);
• сторожевой (Watchdog) таймер WDT с собственным встроенным генератором, обеспечивающим повышенную надежность;
• EEPROM бит секретности для защиты кода;
• экономичный режим SLEEP ;
• выбираемые пользователем биты для установки режима возбуждения встроенного генератора;
• последовательное встроенное устройство программирования Flash / EEPROM памяти программ и данных с использованием только двух выводов.

КМОП технология обеспечивает МК подгруппы PIC16F8X дополнительные преимущества:

• статический принцип работы;
• широкий диапазон напряжений питания: 2,0 … 6,0 В;
• низкое энергопотребление:
• менее 2 мА при 5В и 4МГц;
• порядка 15 мкА при 2В и 32КГц;
• менее 1 мкА для SLEEP -режима при 2В.

Микроконтроллеры подгруппы PIC16F8X различаются между собой только объемом ОЗУ данных, а также объемом и типом памяти программ. Наличие в составе подгруппы МК с Flash-памятью программ облегчает создание и отладку прототипов промышленных образцов изделий.

5.2.2. Особенности архитектуры

Упрощенная структурная схема МК подгруппы PIC16F8X приведена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Структурная схема МК подгруппы PIC16F8X.

Архитектура основана на концепции раздельных шин и областей памяти для данных и для команд (гарвардская архитектура). Шина данных и память данных (ОЗУ) – имеют ширину 8 бит, а программная шина и программная память (ПЗУ) имеют ширину 14 бит. Такая концепция обеспечивает простую, но мощную систему команд, разработанную так, что битовые, байтовые и регистровые операции работают с высокой скоростью и с перекрытием по времени выборок команд и циклов выполнения. 14-битовая ширина программной памяти обеспечивает выборку 14-битовой команды в один цикл. Двухступенчатый конвейер обеспечивает одновременную выборку и исполнение команды. Все команды выполняются за один цикл, исключая команды переходов.

Микроконтроллеры PIC16F83 и PIC16CR83 адресуют 512х14 памяти программ, а PIC16F84 и PIC16CR84 – 1Кх14 памяти программ. Вся память программ является внутренней.

Микроконтроллер может прямо или косвенно обращаться к регистрам или памяти данных. Все регистры специальных функций, включая счетчик команд, отображаются на память данных. Ортогональная (симметричная) система команд позволяет выполнять любую команду над любым регистром с использованием произвольного метода адресации. Ортогональная архитектура и отсутствие специальных исключений делает программирование МК группы PIC16F8X простым и эффективным.

Назначение выводов МК подгруппы PIC16F8X приведено в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Назначение выводов МК подгруппы PIC16F8X.

Таблица 5.2. Назначение выводов МК подгруппы PIC16F8X (продолжение).

Микроконтроллер содержит 8-разрядное АЛУ и рабочий регистр W. АЛУ является арифметическим модулем общего назначения и выполняет арифметические и логические функции над содержимым рабочего регистра и любого из регистров контроллера. АЛУ может выполнять операции сложения, вычитания, сдвига и логические операции. Если не указано иное, то арифметические операции выполняются в дополнительном двоичном коде.

В зависимости от результата операции, АЛУ может изменять значения бит регистра US: C (Carry), DC (Digit carry) и Z (Zero).

5.2.3. Схема тактирования и цикл выполнения команды

Входная тактовая частота, поступающая с вывода OSC1/CLKIN, делится внутри на четыре, и из нее формируются четыре циклические не перекрывающиеся тактовые последовательности Q1, Q2, Q3 и Q4. Счетчик команд увеличивается в такте Q1, команда считывается из памяти программы и защелкивается в регистре команд в такте Q4. Команда декодируется и выполняется в течение последующего цикла в тактах Q1…Q4. Схема тактирования и выполнения команды изображена на рис. 5.2.

Цикл выполнения команды состоит из четырех тактов: Q1…Q4 . Выборка команды и ее выполнение совмещены по времени таким образом, что выборка команды занимает один цикл, а выполнение – следующий цикл. Эффективное время выполнения команды составляет один цикл. Если команда изменяет счетчик команд (например, команда GOTO ), то для ее выполнения потребуется два цикла, как показано на рис. 5.3.

Рис. 5.2. Схема тактирования и выполнения команды.

Рис. 5.3. Выборка команд.

Цикл выборки начинается с увеличения счетчика команд в такте Q1. В цикле выполнения команды выбранная команда защелкивается в регистр команд в такте Q1. В течение тактов Q2, Q3 и Q4 происходит декодирование и выполнение команды. В такте Q2 считывается память данных (чтение операнда), а запись происходит в такте Q4.

Источник