Стивен Барретт - Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С
3. Сколько раз можно перепрограммировать резидентное Flash ПЗУ программ МК?
Ответ: 100 раз в МК семейства 68HC12 и 10000 раз в МК семейства HCS12.
4. Сколько раз можно перезаписать данные в энергонезависимой памяти данных типа EEPROM?
Ответ: гарантированное число циклов стирания/программирования резидентной энергонезависимой памяти данных равно 10000. На практике это число значительно больше.
4.9. Состояния сброса и прерывания МК
В процессе исполнения прикладной программы МК реализует монотонную многократно повторяющуюся последовательность действий:
• Выборку кода команды из памяти программ в регистр команды центрального процессора;
• Дешифрацию кода команды;
• Выборку из памяти следующих байтов команды;
• Исполнение команды;
• Сохранение в памяти результатов исполнения команды.
Если исполняется линейная последовательность команд, то содержимое счетчика PC центрального процессора постоянно увеличивается на 1, обеспечивая выборку из памяти следующих команд прикладной программы. Линейная последовательность исполняемых команд может быть изменена под управлением самой программы, например инструкциями «jmp» или «branch». При этом в счетчик команд под управлением программы будет записано новое число, и начнется исполнение следующего линейного фрагмента программы из другого сегмента памяти программ. Несмотря на явные различия механизмов формирования следующего за исполнением текущей операции значения счетчика команд PC, в обоих рассмотренных случаях это следующее значение PC определяется ходом вычислительного процесса и предсказывается программистом в ходе написания прикладной программы.
В противоположность только что рассмотренному полностью предсказуемому потоку событий, который формируется самой микропроцессорной системой, существует еще поток внешних событий, очередность и моменты возникновения которых не синхронизированы с исполнением центральным процессором тех или иных команд прикладной программы. Однако МК должен реагировать на эти события, для чего необходимо изменить последовательность исполнения операторов программы в произвольный, непредсказуемый с точки зрения устройства управления центральным процессором момент времени. Такое изменение реализуется принудительной записью нового значения в счетчик команд PC под управлением специальных аппаратных средств микроконтроллера, которые реагируют на внешние события. Включение в работу механизма принудительного изменения текущего значения счетчика команд нельзя считать аварийным состоянием микропроцессорной системы. Это лишь специальное состояние, которое позволяет организовать эффективное распределение ресурса одного центрального процессора для обслуживания нескольких устройств, генерирующих в реальном времени несвязанные между собой внешние события.
Встроенный в МК механизм реагирования на внешние события авторы данной книги именуют исключениями, поскольку внешние события нарушают нормальную, назначенную программистом последовательность исполнения команд. По способу обработки микроконтроллером исключения подразделяются на прерывания и сброс. В русскоязычной литературе термин «исключение» обычно не используется, и говорят просто о состоянии прерывания или о состоянии сброса микроконтроллера (примечание переводчика). Сохраняя оригинальный стиль авторов, далее в книге будем использовать термин «исключение».
4.9.1. Реакция МК на внешние события
Рассматривая далее технические особенности подсистемы прерывания МК семейства 68HC12/HCS12, мы должны обсудить общие для всех микропроцессорных систем алгоритмы обработки прерываний:
• Каждое событие, на которое микропроцессорная система должна реагировать с использованием механизма прерывания, называется запросом на прерывание. Последовательность команд, которая должна быть исполнена при возникновении запроса на прерывание, называется подпрограммой прерывания ISR (Interrupt Service Routing). При возникновении запроса на прерывание текущая исполняемая программа, которую в русскоязычной литературе называют фоновой, должна быть приостановлена для выполнения подпрограммы прерывания ISR. По завершении последней исполнение фоновой программы должно быть продолжено.
• В момент приостанова исполнения фоновой программы, содержимое всех регистров центрального процессора должно быть сохранено в специальной области ОЗУ, которая называется «стек». В составе центрального процессора обязательно имеется регистр «указатель стека SP», который содержит адрес области памяти, в которой сохранили значения остальных регистров центрального процессора. По завершении исполнения подпрограммы прерывания этот адрес будет использован для восстановления значений регистров центрального процессора из стека, чтобы далее продолжить исполнение фоновой программы.
• Аппаратный флаг, который был установлен внешним событием для генерации запроса на прерывание, должен быть обязательно сброшен до завершения исполнения подпрограммы прерывания ISR. Если этого не будет сделано, то МК снова перейдет к исполнению подпрограммы прерывания. Таким образом, реакция МК на один и тот же запрос может получиться многократной, что не предусматривается алгоритмом управления.
• После завершения выполнения подпрограммы прерывания, содержимое счетчика команд и всех регистров центрального процессора восстанавливается из стека. В результате, исполнение фоновой программы возобновляется с того оператора, на котором она была приостановлена.
• Сразу после начального запуска МК должен выполнить процедуры инициализации (начальной установки), которые позволят настроить подсистему прерывания микроконтроллера необходимым образом. И лишь после этого можно разрешать обработку прерываний в микроконтроллере.
Отметив эти общие свойства подсистемы прерывания, обратимся к более подробному рассмотрению последней в МК семейства 68HC12/HCS12.
4.10. Состояния сброса и прерывания в МК 68HC12
МК семейства 68HC12/HCS12 обладают мощной системой обработки исключений. По способу реакции микроконтроллера на возмущающие события исключения делятся на прерывание и на сброс. В русскоязычной литературе используют следующие словосочетания с терминами «прерывание» и «сброс» (прим. переводчика):
• МК реализует прерывание или МК находится в состоянии прерывания;
• МК находится в состоянии сброса или в состоянии начального запуска.
Прерывания в свою очередь делятся на маскируемые и немаскируемые. Полный список источников исключений в МК семейства 68HC12/HCS12 с указанием способа обработки исключения по каждому источнику события приведен на рис. 4.13. В следующих параграфах мы обсудим особенности работы внутренних ресурсов МК в процессе обработки каждого упомянутого на рис. 4.13 исключения.
Рис. 4.13. Классификация исключений 68HC12
4.10.1. Состояние сброса МК
Микроконтроллер семейства 68HC12/HCS12 переходит в состояние сброса по внешнему сигналу или в при наступлении определенных внутренних событий. В состоянии сброса программный счетчик и часть битов регистра состояния центрального процессора, а также определенные в техническом описании регистры специальных функций периферийных модулей устанавливаются в начальное состояние. Это состояние однозначно определяет аппаратную конфигурацию микроконтроллера, с которого он начнет работу после включения питания. Поэтому второе название состояния сброса — состояние начального запуска. Состояние сброса МК использует также для восстановления работоспособного состояния после обнаружения внутренней аварийной ситуации.
Различают четыре источника событий, которые переводят МК в состояние сброса:
• Внешний сброс (External reset). Все МК семейства 68HC12/HCS12 имеют специальный вывод корпуса RESET для подачи сигнала внешнего сброса. Активный уровень сигнала – логический 0. Пока на входе RESET удерживается низкий уровень сигнала, МК будет находиться в состоянии сброса. После перевода линии RESET в состояние логической 1 МК перейдет в активный режим работы по истечении задержки, которая составляет 4096 периодов системной магистрали МК.
• Внутренний сброс по нарастанию напряжения питания (Power on reset — POR). Нарастание напряжения на входе VDD микроконтроллера вызывает состояние сброса. Таким образом реализуется начальный запуск МК с однозначно определенной аппаратной конфигурацией и с известным начальным адресом запускаемой на исполнение программы.
• Внутренний сброс по сторожевому таймеру (Computer Operating Properly reset — COP). Логика работы сторожевого таймера позволяет микроконтроллеру выявлять перемежающиеся ошибки в исполнении прикладной программы, которые могут возникнуть в результате электромагнитных помех или при колебаниях напряжения питания микропроцессорной системы. В процессе отладки работа сторожевого таймера запрещена. Работа модуля сторожевого таймера разрешается в конечном варианте прикладной программы, который используется при работе МК в системе. Сторожевой таймер — это счетчик, коэффициент счета которого настраивается пользователем при инициализации системы. Счетчик начинает счет внутренних тактовых импульсов в момент начала исполнения программы. Если счетчик переполнится, то МК перейдет в состояние сброса. Правильно исполняемая прикладная программа, в которой очередность исполнения операторов совпадает с предусмотренной программистом очередностью, должна постоянно сбрасывать сторожевой таймер. Тогда внутреннего сброса от него случаться не будет. Для сброса сторожевого таймера в МК семейства 68HC12/HCS12 необходимо в регистр COPRST записать сначала код $55, а затем код $AA. При создании конечного кода прикладной программы разработчик должен разместить операции записи приведенной последовательности кодов так, чтобы исполнение программы по любому возможному пути обеспечивало бы выполнение команд сброса через меньшие интервалы времени, чем период переполнения сторожевого таймера.
