Микроконтроллеры семейства Siemens
C166 (часть 2)

В первой части данной статьи (Chip News № 1, 1999 г.) речь шла об основных архитектурных особенностях семейства Siemens С166, преимуществах архитектуры RISC по сравнению с традиционной CISC-архитектурой и конвейере команд. Приводились сравнительные характеристики семейства С166 и микроконтроллеров других семейств. В данной части статьи речь пойдет о прикладных аспектах использования микроконтроллеров C166, таких как адресное пространство, конфигурирование внешней шины, система прерываний, генерация системного такта и режимы пониженного энергопотребления.

Адресное пространство

Контроллеры семейства C166 основаны на Von Neumann архитектуре с несколькими внутренними шинами для устранения узких мест и имеют единое адресное пространство для памяти программ, памяти данных, регистров и портов ввода/вывода. Адресация кода и данных происходит путем сегментации и разбиения на страницы адресного пространства 16 Мбайт у С165 и С167 (256 Кбайт — 80C166 и до 4 Мбайт — С164): 64 Кбайт — сегменты кода и 16 Кбайт — страницы данных. Дополнительно доступен несегментированный режим с адресным пространством 64 Кбайт. Во всем адресном пространстве возможен доступ к словам и байтам данных.

Рис. 1. Идентификация номера страницы данных и текущего кодового сегмента

Для доступа к одной из страниц памяти размером по 16 Кбайт используются четыре 10-разрядных указателя на страницу д анных Data Page Pointers (рис. 1). В регистрах DPP0–DPP3 после сброса выставляются номера страниц от 0 до 3, соответственно. С помощью указателя на страницу данных 16-разрядному адресу ставится в соответствие 24-разрядный физический адрес. Полный физический адрес формируется следующим образом: 14 младших разрядов адреса повторяются в 14 младших разрядах физического адреса, а 2 старших разряда выбирают один из четырех регистров DPP0–DPP3, содержащий соответствующий номер страницы, который и образует старшие 10 разрядов физического адреса.
    Для идентификации номера текущего кодового сегмента служит Code Segment Pointer (CSP), которому после сброса по умолчанию присваивается нулевое значение (рис. 1). Полный физический адрес получается путем склейки содержимого данного регистра с регистром Instruction Pointer (IP).

Рис. 2. Организация памяти C167CS-32FM

В качестве иллюстрации к сказан-ному рассмотрим организацию памяти самого мощного из членов семейства C167CS-32FM (рис. 2) с 256 Кбайт перепрограммируемой Flash-памяти на кристалле, из них 64 Кбайт расположено в сегменте с номером “0”, а остальные — в сегменте “1”. Величина 256 Кбайт является пределом, до которого на сегодняшний день внутренняя шина памяти позволяет осуществлять адресацию (128 Кбайт Flash-памяти — у C167CR-16FM и C163-16FM, 64 Кбайт OTP-памяти — у С164СI-8EM). Данная Flash-память служит в основном для записи программ: размер блока при записи — 64 байт с временем программирования блока 1 мс, размер сектора при стирании — 32 Кбайт при более чем 1000 циклах записи/стирания. Следует отметить увеличение производительности на 70% у C167CS с Flash-памятью по сравнению с C167CR. При этом выигрыш складывается за счет следующих факторов:

• увеличение тактовой частоты до 25 МГц — 25%;
  
• выборка команд из встроенной Flash-памяти без состояний ожидания — 25%;
  
• выборка 32-разрядного операционного кода (30% команд) за 1 цикл — 20%.
  

Встроенное двухпортовое ОЗУ IRAM имеет объем 3 Кбайт (1 или 2 Кбайт — у остальных членов семейства) для размещения банков регистров GPR, системного стека и хранения переменных и еще 1 Кбайт — для регистров специальных функций SFR. Данное значение также является предельным, т. к. ввиду архитектурных ограничений ширина адресной шины IRAM не может превышать 12 разрядов.
    Кристалл C167CS располагает существенно большим по сравнению с C167CR объемом расширенного ОЗУ данных XRAM, подключенного к Х-шине — 8 Кбайт. Это позволяет минимизировать число обращений к внешнему ОЗУ или вовсе обойтись без него. Как уже отмечалось, 16-разрядная X-шина является внутренним продолжением внешней системной шины и служит для подключения дополнительной памяти, работающей без состояний ожидания.
    И, наконец, уникальный ресурс — 4 Кбайт XFlash-памяти, также подключенной к Х-шине и предназначенной в основном для хранения коэффициентов с функциями записи и чтения байта/слова (время записи — 1 мс при возможности записи страницы из 64 слов). Время стирания слова составляет 2 мс, а время стирания XFlash-памяти целиком — 10 мс при более чем 105 циклах записи/стирания.

Конфигурирование внешней шины

Одним из наиболее полезных свойств C166 является поддержка нескольких режимов конфигурации, когда, например, выборка кода и данных из внешней памяти осуществляется по 16-разрядной демультиплексной шине с нулевым ожиданием, а доступ к медленной периферии (часы RTC) из соображений экономии может происходить по 8-разрядной шине с 3 состояниями ожидания. В первом случае шина управляется регистром конфигурации BUSCON0, а во втором — BUSCON1 и ADDRESEL1, которые определяют, соответственно, режим шины и адресный диапазон.
    В ряде микроконтроллеров (C165 и C167) присутствует до четырех независимых дополнительных регистров конфигурации BUSCON1–BUSCON4, каждому из которых соответствует свой внешний вывод CS для соединения с входом разрешения выборки кристалла. Размер и начальный адрес диапазона для каждого сигнала CS1–CS4 задается в регистрах ADDRSEL1–ADDRSEL4. При задании областей действия сигналов CS необходимо помнить, что начальный адрес должен быть кратен размеру блока. Например, для блока размером 64 Кбайт начальный адрес должен быть равен 0x00000, или 0x10000, или 0x20000 и т. д. Характеристики системной шины для областей памяти, не перекрываемых данными четырьмя адресными диапазонами, задаются в регистре BUSCON0 и устанавливаются аппаратно при считывании линий порта 0 во время сброса, т. е. сигнал CS0 используется для адресации всех областей, не определенных сигналами CS1–CS4. Кроме того, для экономии внешней логики присутствуют программируемые сигналы управления шиной. Это означает, что при более чем 20-кратном выигрыше в производительности проект с С166 получается проще, чем для 8031. С166 содержит также программируемые функции арбитража шины HOLD/HOLDA/BREQ для операций межпроцессорного обмена.
    Непосредственное управление внешней шиной в соответствии с содержимым регистров конфигурации осуществляет контроллер внешней шины. В каждом диа-пазоне временные параметры циклов чтения/записи и режим работы системной шины задаются специальными битами в регистрах конфигурации. Ширина адресной шины может составлять в зависимости от кристалла 16 (для несегментированного режима), 18 (80C166), 22 (C164) и 24 (C165 и С167) разряда. Ширина шины данных может быть 8 или 16 разрядов, и работа может вестись в мультиплексном и демультиплексном (MUX и NMUX) режимах (у C161 и C164 предусмотрена только мультиплексная внешняя шина). Демультиплексный шинный интерфейс оптимален при высоких требованиях к времени обращения к внешним ОЗУ и ПЗУ. Как уже отмечалось, режимы работы шины могут динамически меняться в процессе выполнения программы. Сравнение скорости работы при различных конфигурациях шины приведено в табл. 1.

Таблица 1. Сравнение скорости работы для различных конфигураций шины при частоте ЦПУ 20МГц

Следует несколько слов сказать о конфигурировании микроконтроллеров семейства С166 на момент сброса путем считывания состояний линий 16-разрядного Порта 0. Данный метод состоит в задании содержимого регистров SYSCON и BUSCON0 для считывания первых команд из памяти. SYSCON — это 16-разрядный побитно адресуемый регистр конфигурации, содержащий следующие управляющие биты: разрешение доступа к внутренней Х-шине, разрешение и мэпинг встроенного ПЗУ, разрешение линии выходного такта, разрешение сегментации памяти и размер системного стека. После сброса системы з агрузка программы в ОЗУ или Flash-память может осуществляться по последовательному порту с помощью встроенного аппаратного загрузчика (Bootstrap Loader). Эта функция весьма полезна для загрузки монитора и отладки программ пользователя.

Система прерываний

Разветвленная система прерываний C166, разделенная на 16 уровней, и на каждом уровне группа из 4 прерываний (рис. 3), обеспечивает гибкое и быстрое задание приоритетов и обслуживание запросов прерываний. В контроллере прерываний предусмотрены аппаратные ловушки (Hardware-Traps) и программные ловушки (Software-Traps), позволяющие обрабатывать ошибки, возникающие при неверном исполнении команд, нарушении границ стека, а также отслеживать немаскируемое прерывание NMI, программный и аппаратный сброс. Приоритеты прерываний от аппаратных и программных ловушек самые высокие.

Рис. 3. Система прерываний С166

Контроллер прерываний обеспечивает малое время отклика на запрос прерывания: минимальное время составляет 250 нс при 20 МГц, а максимальное — 600 нс. Чтобы уменьшить время отклика при выполнении сложных команд умножения и деления, занимающих 5 и 10 циклов, соответственно, также предусмотрено прерывание. Обработка прерываний осуществляется в течение малых временных интервалов. Это очень важно для высокоуровневых приложений, таких как управление приводами, когда решаются задачи цифровой обработки сигналов и весьма нежелательны флуктуации входных и выходных переменных. Таким образом, достигается высокая производительность в реальном масштабе времени.

Рис. 4. Механизм обработки прерываний

Механизм обработки прерываний (рис. 4) работает следующим образом. Для каждого прерывания имеется собственный регистр управления Interrupt Control Register (xxIC). При установке одного или нескольких флагов запроса прерывания Interrupt Request (IR) в регистрах управления xxIC производится сравнение их приоритетов с текущим приоритетом выполняемой программы, который содержится в регистре состояния процессора. После проверки номера в группе в регистре прерывания с наибольшим номером уровня и группы очищается флаг IR, и контроллер приступает к обработке этого прерывания. При этом в стеке автоматически сохраняется содержимое регистра состояния процессора PSW, указателя команд IP и в сегментированном режиме указателя сегмента CSP, и загружаются новые значения этих регистров согласно процедуре обработки прерывания.
    Регистрация внешних прерываний может осуществляться в альтернативном режиме по внешним входам, например, по входам Capture. Кроме того, имеется немаскируемое прерывание NMI. Часть внешних прерываний регистрируется каждые 0,5 цикла, т. е. каждые 50 нс при 20 МГц (табл. 2).

Таблица 2. Внешние и внутренние прерывания

Изменение уровня приоритета прерывания во время исполнения программы является достаточно типичной задачей для ряда приложений. Например, уровень приоритета может зависеть от значения сигнала на внешнем входе. В этом случае после проверки состояния входа процедура обслуживания прерывания переключает уровень прерывания на более низкий, изменяя содержимое регистра ILVL. После понижения уровня выполняемого прерывания могут поступить запросы на прерывание с более высоким приоритетом. Такая ситуация может привести к определенным проблемам.
    Пусть, например, выполняется прерывание A на уровне 10 и поступает запрос от прерывания B с уровнем 12, которое и поступает на выполнение. Если теперь уровень прерывания B будет снижен до значения меньшего, чем 10, прерывание A не сможет стать активным, пока не закончится выполнение B. Возможен еще более плохой вариант, если прерывание B снизит свой уровень до значения 5, и теперь даже прерывание C с уровнем 7 сможет его прервать. Такие ситуации удлиняют время исполнения прерывания A, что не соответствует его новому приоритету.
    Поэтому для понижения уровня приоритета текущего прерывания всегда следует закончить текущую задачу и начать новую с более низким приоритетом. Это можно осуществить при установке бита IR в каком-либо незадействованном регистре управления xxIC.

Рис. 5. Механизм работы контроллера периферийных событий РЕС

Контроллер периферийных событий — Peripheral Events Controller (PEC) — освобождает ЦПУ от простых, но частых обслуживаний прерываний, осуществляя перенос данных в любую позицию нулевого сегмента без переключения задачи (рис. 5). Процесс переноса данных практически не затрагивает работу контроллера и не зависит от выполняемой программы — контроллер только приостанавливает выполнение текущей программы на один цикл (100 нс), даже не сохраняя свое состояние в стеке. Время отклика контроллера для обслуживания PEC составляет от 150 до 450 нс при цикле ЦПУ 100 нс. Для контроллера PEC отведены два верхних уровня приоритета, что позволяет обслуживать одновременно 8 каналов PEC. Каждый канал управляется собственным регистром PEC, который позволяет программировать передачу байта или слова данных с инкрементом адреса или без него с однократным, многократным или бесконечным числом пересылок. Обработка прерываний контроллером PEC выполняется в соответствии с приведенной диаграммой.

Генерация системного такта

Временной дискретой для ядра C166 является период такта, равный 50 нс при тактовой частоте 20 МГц. Большая часть команд C166 исполняются за два такта, т. е. за 100 нс. Для достижения номинального быстродействия внутренний такт должен иметь скважность 50%, что не всегда может быть получено при тактировании от кварцевого резонатора. При несовпадении длительностей высокого и низкого уровня тактового сигнала временная дискрета определяется по длительности самого короткого уровня, который должен быть не меньше 50 нс. Это означает, что при асимметрии такта понижается максимально возможная тактовая частота. Например, при длительности высокого уровня 50 нс, а низкого — 60 нс рабочая частота равна 18 МГц. Кроме требования симметричности времена переключения уровней тактового сигнала должны быть не более 5 нс.
    Поэтому для генерации полностью симметричного системного такта в состав некоторых микроконтроллеров семейства C166 входит встроенный делитель входной частоты на 2. В этом случае требуется кварцевый генератор, работающий на частоте 40 МГц. Члены семейства, имеющие в маркировке индекс “W”, не содержат делителя и тактируются непосредственно. Без делителя сегодня выпускаются только кристаллы 8xC166W, с которыми рекомендуется работать на тактовой частоте 18 МГц.
    В новых кристаллах C163, C164CI, C167 присутствует встроенное устройство PLL, которое преобразует входную частоту во внутренний системный такт с коэффициентом умножения 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 4 и 5. Например, при использовании кварцевого генератора 5 МГц для достижения обычных 20 МГц на встроенном устройстве PLL осуществляется умножение входной частоты на 4. Задание режима PLL осуществляется на фазе сброса при подключении резистора между входом P0L и нулем. При потере внешнего такта генерируется прерывание, и PLL продолжает работать на частоте 5...10 МГц. Внутренний такт отслеживается PLL также в режимах прямого тактирования и деления входной частоты на 2.

Управление энергопотреблением

В новых кристаллах C161RI, C164CI, C167CS оптимизирована система тактирования и введен режим работы с пониженным потреблением при напряжении 3 В. Генерация тактового сигнала внутренним осциллятором начинается при напряжении питания 3 В в диапазоне изменения частоты от 3,5 до 16 МГц. Диапазон изменения частоты внешнего осциллятора составляет 1–40 МГц. Существует три основных режима управления потреблением:

• активный (Active);
  
• покоя (Idle) — ЦПУ останавливается, но все периферийные модули продолжают работу, выход из режима Idle осуществляется по сигналу сброс или по прерыванию;
  
• отключения питания (Power Down) — останавливается и ЦПУ, и периферийные модули, выход из этого режима осуществляется только по сбросу.
  

Для отключения незадействованных периферийных устройств в последних кристаллах семейства C166 выделены три основных группы периферии с раздельным тактированием:

• Интерфейсы: ASC0, SSC, быстрые внешние прерывания (активны всегда);
  
• PER: вся остальная периферия, контроллер прерываний, сторожевой таймер;
  
• Часы реального времени RTC с циклическим прерыванием Wake Up.
  

Отключение такта от группы PER позволяет снизить потребление от периферии в активном режиме и режиме покоя, что хорошо видно из диаграммы, приведенной на рис. 6.

Рис. 6. Снижение потребления в активном режиме и режиме покоя при отключении такта от периферии

    В новых кристаллах также введен режим замедления Slow Down, в котором достигается существенное сокращение потребления за счет понижения частоты на кристалле. Снижение тактовой частоты происходит на делителе Slow Down Devider (SDD) с программируемым коэффициентом деления 1...32 вплоть до значения 0,5 МГц = 16 МГц / 32. В этом случае для сохранения синхронизации при обмене по последовательному каналу должна быть подобрана соответствующая частота. Кроме того, в режиме Slow Down не работает PLL, и осциллятор сторожевого таймера не доступен.
    Часы реального времени Real Time Clock (RTC) осуществляют подсчет числа тактов, определяемых внешней частотой и программируемым делителем, а также измерение времени в режиме Power Down. Регистр RTC и программируемый делитель при соединении образуют 48-разрядный таймер с периодом 114 лет при тактовой частоте 20 МГц. С помощью RTC генерируется цикличный во времени сигнал прерывания Wake Up с настраиваемым временным циклом. Через программируемое прерывание Wake Up достигается цикличное пробуждение из состояния покоя к активному режиму, т. е. чередование режимов Active & Idle. Пробуждение из состояния покоя происходит также от источников прерываний ASC, SSC, CAN, EXIN.
    У МК семейства С166 есть множество других возможностей, с которыми можно ознакомиться на наших Internet-страницах или же в руководствах пользователя, доступных на сайте Siemens www.smi.siemens.com/mc.html.
    Продолжение следует...

Фирма «К&П Электроника»
196240, Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, 9/3
Тел. (812) 123-3554, тел./факс (812) 325-2792
E-mail: kpe@mail.wplus.net
Internet: http://www.kpe.sp.ru