Таймер. Интервальный таймер

Другим аппаратным устройством, имеющим важнейшее значение для организации вычислительного процесса, является таймер. Его использование позволяет программно-аппаратным способом задавать программные события, наступающие по истечении заданного промежутка времени, считая от момента задания этих событий. Эти события реализуются путем выработки сигнала прерывания от таймера и включения соответствующего обработчика прерывания. Рассмотрим более подробно работу таймера на примере его устройства в ЭВМ типа IBM PC с МП типа 80х86.

Этот таймер состоит из трех почти одинаковых каналов – каналов "0", "1" и "2". При работе программ главным образом используется канал "0", поэтому он и будет рассмотрен; на рис.1 приведена его схема. Генератор импульсов (ГИ) вырабатывает с частотой f=1193180 Гц непрерывную последовательность импульсов, поступающих на импульсные входы всех трех каналов. При каждом поступлении импульса на вход 16-разрядного счетчика из содержимого последнего вычитается "1" и при переходе этого счетчика из состояния 000...01 в состояние 000...00 вырабатывается сигнал прерывания, поступающий в СПП для включения последним программы-обработчика прерывания от таймера. Если исходное состояние счетчика таймера равно 00...0, то при поступлении очередного импульса из ГИ состояние счетчика становится равным 11...1 и далее уменьшается на "1" при каждом поступлении импульса из ГИ. В этом случае сигнал прерывания будет выработан таймером после поступления на его вход 65536 импульсов, т.е. по прошествии интервала времени, примерно равного 55 мсек, что соответствует частоте срабатывания таймера, примерно равной 18,2 Гц. В случае, если интервал времени срабатывания таймера должен иметь меньшее значение, чем 55 мсек, то в счетчик таймера необходимо занести код, соответствующий числу импульсов N, вычисляемому по формуле _{где F - требуемое значение частоты срабатывания таймера, причем должно выполняться неравенство F > 18,2 Гц. Например, для F = 72,8 Гц получим, что N = 16389,8; округляя, получим, что в счетчик таймера должен быть занесен двоичный код 0 100 000 000 000 110.}

_{Занесение требуемого кода в счетчик таймера производится следующим образом. Сначала МП х86 должен выполнить команду программы, которая производит передачу в порт таймера с шестнадцатеричным номером 40h требуемый двоичный код. Затем МП х86 должен выполнить команду программы, которая производит передачу в порт таймера с шестнадцатеричным номером 43h байта, в котором указывается номер программируемого канала таймера, режим работы этого канала и количество передаваемых в счетчик таймера байтов - 1 или 2. После этого в запрограммированном канале таймера немедленно начинает функционировать сначала схема управления занесением кода в счетчик таймера и затем сам счетчик таймера в соответствии с полученным заданием.}

_{Рассмотрим теперь работу программы, которую обычно называют интервальным таймером. Необходимость использования этой программы определяется тем обстоятельством, что в большинстве типов ЭВМ, в том числе и в ЭВМ типа IBM PC, используется только один таймер, хотя во многих случаях при функционировании достаточно сложных программ возникает необходимость организации нескольких параллельно существующих программ, которые должны быть включены в различные заранее определенные моменты времени. Один из возможных способов организации интервального таймера состоит в следующем. Этой программой, для управления процессом параллельного выполнения нескольких программ, в оперативной памяти составляется таблица, в которой для каждой из этих программ выделяется несколько строк, содержащих следующие параметры:}

_{- адрес начала i-й программы;}

_{- значение Т(i) интервала времени, по истечении которого должна быть включена эта программа, причем отсчет этого интервала начинается с момента организации интервальным таймером этой программы;}

_{- текущее значение интервала времени t(i), по истечении которого должна быть включена эта программа;}

_{- признак c(i) режима включения этой программы - циклический или разовый (пусть, например, с(i)=0 для разового режима).}

_{Кроме того, в этой таблице должна быть еще одна строка, общая для всех программ, в которой содержится значение интервала времени Т, которое задано для текущего включения таймера.}

_{Тогда при каждом включении программы-обработчика прерывания от таймера в этой таблице корректируются все интервалы времени, величина которых больше нуля, путем уменьшения их значений на величину Т. Если после корректировки окажется, что для каких-то программ величина t(i)=0 или t(i)<0, то должно быть организовано последовательное включение этих программ. Если для каких-то программ с(i)=1, то должно быть выполнено присвоение t(i)=T(i) и затем организовано очередное включение этих программ по истечении соответствующих им интервалов времени, равных t(i).}

Таймеры предназначены для формирования временных интервалов, позволяя микропроцессорной системе работать в режиме реального времени.

Таймеры представляют собой обычные цифровые счётчики, которые подсчитывают импульсы от высокостабильного генератора частоты. К системной шине микропроцессора таймеры подключаются при помощи параллельных портов.

Генератор частоты, входящий в состав таймера, определяет минимальный интервал времени, который может определять таймер. Интервалы времени, задаваемые таймером, могут устанавливаться только из дискретного набора допустимых времён. Дискретность установки этих интервалов времени тоже определяется частотой задающего генератора. Разрядность цифрового счётчика, входящего в состав таймера, определяет максимальный интервал времени, который может определять таймер.

Обычно используются 16-ти разрядные таймеры, поэтому, для подключения такого таймера к 8-ми разрядному процессору требуется два параллельных порта. Кроме того, таймером нужно управлять. Таймер нужно включать и выключать, часто требуется определять не возникало ли переполнение таймера (факт переполнения легко запомнить в дополнительном триггере, подключенном к выходу переноса счетчика таймера). Этот триггер называется флагом переполнения таймера. Триггер (флаг) включения и выключения таймера и флаг переполнения таймера подключают к системной шине микропроцессора через дополнительный порт ввода вывода.

Структурная схема таймера, построенного по описанным выше принципам, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема таймера.

В зависимости от типа использованного цифрового счетчика таймеры бывают суммирующие или вычитающие. Если в таймере используется суммирующий счётчик, то таймер называется суммирующим. Если в таймере используется вычитающий счётчик, то таймер называется вычитающим.

Использование вычитающего счётчика позволяет проще задавать интервалы времени. В этом случае записываемый в таймер код будет соответствовать интервалу времени:

В случае использования суммирующего таймера код, записываемый в таймер для задания интервала времени, определяется из другой формулы:

В этой формуле код, который заносится в таймер, представляет собой дополнение кода интервала времени до максимального кода, который можно записать в таймер. Максимальный код таймера определяется по разрядности таймера. В рассмотренном примере разрядность таймера равна 16. Это означает, что максимальный код равен 65535.

Достаточно часто суммирующие таймеры используются в режиме свободнобегущего таймера. Схема такого таймера приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема свободнобегущего таймера с модулем сравнения.

Свободнобегущие таймеры используются как системные часы, задающие время внутри микропроцессорной системы. Для задания промежутков времени микропроцессор считывает значение текущего системного времени и суммирует с ним код задаваемого промежутка времени. Полученный результат записывается в регистр сравнения таймера. При совпадении значений таймера и регистра сравнения устанавливается флаг совпадения. Значение этого флага можно определить программным опросом или воспользоваться механизмом прерывания работы процессора.

Часто с одним свободно бегущим таймером работает несколько модулей сравнения. В этом случае они образуют набор модулей сравнения (PCA). Практически все современные микроконтроллеры и сигнальные процессоры оснащены таймерами с такими наборами модулей.

Кроме модулей сравнения с свободнобегущим таймером работают модули захвата, которые позволяют аппаратно запоминать время какого-либо внешнего события без участия центрального процессора. Структурная схема свободнобегущего таймера с модулем захвата приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Структурная схема свободнобегущего таймера с модулем захвата.

Классификация и структура микроконтроллеров

В настоящее время выпускается целый ряд типов МК. Все эти приборы можно условно разделить на три основных класса:

• 8-разрядные МК для встраиваемых приложений;
• 16- и 32-разрядные МК;
• цифровые сигнальные процессоры (DSP).

Наиболее распространенным представителем семейства МК являются 8-разрядные приборы, широко используемые в промышленности, бытовой и компьютерной технике. Они прошли в своем развитии путь от простейших приборов с относительно слаборазвитой периферией до современных многофункциональных контроллеров, обеспечивающих реализацию сложных алгоритмов управления в реальном масштабе времени. Причиной жизнеспособности 8-разрядных МК является использование их для управления реальными объектами, где применяются, в основном, алгоритмы с преобладанием логических операций, скорость обработки которых практически не зависит от разрядности процессора.

Росту популярности 8-разрядных МК способствует постоянное расширение номенклатуры изделий, выпускаемых такими известными фирмами, как Motorola, Microchip, Intel, Zilog, Atmel и многими другими. Современные 8-разрядные МК обладают, как правило, рядом отличительных признаков. Перечислим основные из них:

• модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) МК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации;
• использование закрытой архитектуры МК, которая характеризуется отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса МК. Таким образом, МК представляет собой законченную систему обработки данных, наращивание возможностей которой с использованием параллельных магистралей адреса и данных не предполагается;
• использование типовых функциональных периферийных модулей (таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, аналого-цифровые преобразователи и др.), имеющих незначительные отличия в алгоритмах работы в МК различных производителей;
• расширение числа режимов работы периферийных модулей, которые задаются в процессе инициализации регистров специальных функций МК.

При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат процессорное ядро, одинаковое для всех МК данного семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей. Структура модульного МК приведена на рис. 4.1.

Процессорное ядро включает в себя:

• центральный процессор;
• внутреннюю контроллерную магистраль (ВКМ) в составе шин адреса, данных и управления;
• схему синхронизации МК;
• схему управления режимами работы МК, включая поддержку режимов пониженного энергопотребления, начального запуска (сброса) и т.д.

Изменяемый функциональный блок включает в себя модули памяти различного типа и объема, порты ввода/вывода, модули тактовых генераторов (Г), таймеры. В относительно простых МК модуль обработки прерываний входит в состав процессорного ядра. В более сложных МК он представляет собой отдельный модуль с развитыми возможностями. В состав изменяемого функционального блока могут входить и такие дополнительные модули как компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и другие. Каждый модуль проектируется для работы в составе МК с учетом протокола ВКМ. Данный подход позволяет создавать разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства.

Рис. 4.1. Модульная организация МК.

Дата добавления: 2014-01-07