Capitolo 3 Il microcontrollore PIC16F877: architettura e periferiche

Capitolo 3
Il microcontrollore PIC16F877:
architettura e periferiche utilizzate
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3.1
Architettura
Il microcontrollore PIC16F877 può presentare diversi tipi di contenitori: PDIP,
PLCC, QFP. La scelta naturalmente è caduta sul package DIP a 40 pins (figura
3.1) che è il meno costoso ed il più facile da gestire. Le caratteristiche principali di
Figura 3.1: Pin-out del PIC16F877
questo dispositivo sono le seguenti [20]:
tutte le istruzioni hanno un singolo ciclo di clock eccetto rami di programma
che richiedono 2 cicli;
velocità operativa: DC – clock di ingresso a 20MHz
DC – ciclo istruzione 200ns;
fino a 8k x 14 words di Memoria Programma di tipo Flash
fino a 368 x 8 bytes di Memoria Dati (RAM) fino a 256 x 8 bytes di Memoria
Dati di tipo EEPROM;
capacità di gestione interrupt fino a 14 sorgenti;
stack hardware profondo 8 livelli;
modalità di indirizzamento diretto ed indiretto;
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reset Power-on (POR);
timer Power-up (PWRT) e Oscillator Stert-up Timer (OST);
timer Watchdog (WDT) con il proprio oscillatore R-C per operazioni affidabili;
protezione del codice programmabile;
funzionamento in modalità SLEEP per il risparmio energetico;
opzioni dell’oscillatore selezionabili;
memorie FLASH e EEPROM in tecnologia C-MOS a bassa potenza e alta
velocità;
In-Circuit Serial Programming attraverso 2 pins, con alimentazione singola a
5V;
il processore può accedere in lettura e scrittura alla memoria programma;
intervallo di tensione nel quale il dispositivo può operare: 2.0V – 5.5V;
alta corrente di Sink: 25 mA;
basso consumo energetico:
– <0.6 mA tipici @ 3V, 4MHz;
– 20µA tipici @ 3V, 32 kHz;
– <1µA corrente di standby tipica.
Le caratteristiche delle periferiche del dispositivo sono invece le seguenti:
Timer0: timer/contatore ad 8 bit con prescaler ad 8 bit;
Timer1: timer/contatore a 16 bit con prescaler, può essere incrementato durante la fase SLEEP attraverso un clock esterno;
Timer2: timer/contatore ad 8 bit con un periodo di regstro di 8 bit, prescaler
e postscaler;
due moduli Capture, Compare, PWM;
– il modulo Capture è di 16 bit, massima risoluzione 12.5 ns;
– il modulo Compare è di 16 bit, massima risoluzione 200 ns;
– massima risoluzione del PWM: 10 bit;
convertitore A/D a 10 bit multicanale;
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porta seriale sincrona (Synchronous Serial Port, SSP) con SPI (modo Master)
e I 2 C (Master/Slave);
porta seriale USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) con indirizzi ad 8 bit più bit di parità (9 bit totali);
porta parallela PSP (Parallel Slave Port) ad 8 bit, con i controlli esterni RD,
W R e CS (occupando solo i pin 40/44);
circuiteria di rivelazione Brown-out per il reset Brown-out (BOR).
Nella figura 3.2 a pagina seguente è rappresentato lo schema a blocchi dell’architettura interna del PIC16F877; verranno spiegate in dettaglio le parti che sono
state fondamentali alla realizzazione di questo progetto. Andrò quindi a descrivere
i blocchi principali che compongono il PIC16F877 partendo dalla memoria e dalle
linee di I/O per continuare con le periferiche necessarie ad implementare le funzioni
del nodo di sicurezza integrato: gli interrupt, il convertitore A/D, il modulo USART
ed il modulo MSSP.
3.2
Organizzazione della memoria
La memoria interna al dispositivo si può immaginare come una sequenza di celle,
chiamate “parole” (words) tutte uguali tra loro e capaci di ospitare codici binari.
Ciascuna delle N parole che formano la memoria è individuata da un indirizzo compreso tra 0 e N–1. Tramite l’indirizzo si accede direttamente alla parola per leggerne
o scriverne il contenuto. La parola è la più piccola unità di informazione indirizzabile
della memoria, la lettura lascia lascia inalterato il contenuto della parola, mentre
una nuova scrittura distrugge la precedente.
La memoria del dispositivo è costituita da tre blocchi principali:
Memoria Programma di tipo FLASH;
Memoria Dati di tipo RAM;
Memoria dati di tipo EEPROM.
Ciascun blocco ha un prorio bus, in modo da potervi accedere separatamente
durante lo stesso ciclo di clock.
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Figura 3.2: Schema a blocchi del PIC16F877
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3.2.1
Memoria Programma Flash
La memoria programma ospita il programma in codice macchina preposto al funzionamrnto del microcontroller. Le celle di questa memoria accettano solo istruzioni ed
eventuali valori costanti (“literal”) ma non i dati variabili che invece trovano posto
nella RAM.
Il microcontrollore inizia l’esecuzione del programma a partire dal “vettore di
reset” (reset vector ) ovvero dall’istruzione memorizzata nella prima locazione di
memoria (000h). Dopo aver eseguito questa prima istruzione passa quindi all’istruzione successiva memorizzata nella locazione 001h e cosı̀ via. Se non esistesse
nessuna istruzione in grado di influenzare in qualche modo l’esecuzione del programma, il PICmicro arriverebbe presto ad eseguire tutte le istruzioni presenti nella sua
memoria fino all’ultima locazione disponibile. Si hanno però a disposizione istruzioni
di salto, in grado di modificare il flusso di esecuzione del programma. Durante l’esecuzione di queste istruzioni esso utilizza uno speciale registro chiamato Program
Counter la cui funzione è quella di mantenere traccia dell’indirizzo che contiene
la prossima istruzione da eseguire. Questo registro viene incrementato automaticamente ad ogni istruzione eseguita per determinare il passaggio alla successiva. Al
momento del reset esso viene azzerato, determinando cosı̀ l’inizio dell’esecuzione a
partire dall’indirizzo 000h. L’istruzione GOTO consente l’inserimento a programma
di un nuovo valore nel Program Counter ed il conseguente salto ad una locazione
qualsiasi dell’area di programma.
La famiglia MCU Middle-Range, della quale fa parte il dispositivo in esame,
hanno un Program Counter a 13 bit capace di indirizzare 8k x 14 bit parole di
memoria programma, infatti la larghezza del bus relativo a questa memoria è di
14 bit. Poiché tutte le istruzioni sono contenute in una parola, un dispositivo con
8k x 14 words di memoria programma ha a disposizione uno spazio sufficiente per
8k istruzioni; questo fa si che sia molto facile stabilire se la program memory può
contenere il programma per l’applcazione desiderata.
La Program Memory è divisa in 4 pagine di 2k parole ciascuna; gli indirizzi
che delimitano le pagine sono: 0h–7FFh, 800h–FFFh, 1800h–1FFFh. La figua 3.3
mostra la mappa di questa memoria insieme allo stack hardware profondo 8 livelli.
Per saltare attraverso le pagine della Program Memory devono essere modificati
i bit più significativi del Program Counter (PC) scrivendo il valore desiderato nello Special Function Register (SFR) PCLATH (Program Counter Latch High); se
vengono eseguiti programmi sequenziali, il PC salterà la pagina senza interventi da
parte dell’utente.
Quando si ha un reset, il Program Counter viene forzato all’indirizzo 0000h
(Reset Vector Address) e viene cancellato il contenuto del registro PCLATH.
Quando viene riconosciuto un interrupt il PC viene forzato all’indirizzo 0004h
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Figura 3.3: Mappa della Memoria Programma
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(Interrupt Vector Address) ed il PCLATH non risulta modificato. Però non appena si entra nella “Service Interrupt Routine” (ISR), il suo valore potrebbe essere
riscritto e quindi è necessario salvare il suo contenuto cosı̀ da essere richiamato al
ritorno dall’ISR.
Il Program Counter specifica l’indirizzo dell’istruzione caricare per l’esecuzione,
ed ha una larghezza di 13 bit. Il byte basso è chiamato registro PCL. Il byte alto è
chiamato PCH, contiene i bit PC<12:8> e non è direttamente leggibile e scrivibile a
differenza del PCL: tutti gli aggiornamenti passano attraverso il registro PCLATH.
Quando viene chiamata una istruzione di CALL per effettuare chiamate soubroutine, come per la GOTO viene scritto un nuovo indirizzo nel Program Counter;
la differenza sostanziale consiste però nel fatto che prima di eseguire il salto, il PIC
memorizza in un altro registro speciale, chiamato STACK, l’indirizzo di quella che
dovrebbe essere la successiva istruzione da eseguire se non si fosse incontrata la
CALL.
La memorizzazione degli indirizzi nello stack è di tipo LIFO, in cui l’ultimo
elemento inserito deve essere il primo ad uscire. Grazie a questa caratteristica è
possibile effettuare più CALL annidate e mantenere sempre traccia del punto in
cui riprendere il flusso al momento che si incontra una istruzione di RETURN. È
importante assicurarsi che ci sia sempre una istruzione RETURN per ogni CALL
per evitare disallineamenti dello stack che in esecuzione possono provocare errori.
Lo Stack del PIC16F877 è ad 8 livelli, perciò permette una combinazione di 8
programmi chiamati ed interrotti all’occorrenza, esso contiene l’indirizzo di ritorno
dalle ramificazioni nell’esecuzione del programma principale. Lo spazio dello Stack
non può far parte di altri programmi o spazio dati ed il puntatore allo Stack non
è accessibile ne in lettura ne in scrittura. Il PC caricato sullo stack quando viene
eseguita una istruzione CALL oppure un interrupt causa una ramificazione del programma. Lo stack è invece POPed al verificarsi dell’esecuzione di una istruzione di
RETURN, RETLW o RETFIE; quando esso è PUSHed o POPed il PCLATH non
viene modificato. Dopo che lo stack è PUSHed 8 volte, il nono PUSH sovrascrive
il valore immagazinato nel primo posto della pila, il decimo sovrascrive il secondo
e cosı̀ via. Non ci sono bit di stato che indicano condizioni di overflow o underflow
dello stack.
Per poter indirizzare più di 2k di memoria programma con gli 11 bit che compongono le istruzione di CALL e GOTO occorre utilizzare altri 2 bit che vengono
presi dal PCLATH<4:3>, e il programmatore deve assicurare che i “bit di selezione
pagina” (page select bits) corrispondano agli indirizzi della Program Memory desiderata. Quando invece viene eseguita una istruzione di RETURN l’intero PC a
13 bit viene POPed dallo stack, e perciò non è richiesta la manipolazione dei bit
PCLATCH<4:3>.
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3.2.2
Memoria RAM
La memoria destinata ai dati è una memoria RAM e contiene due serie di registri,
gli Special Function Register (SFR) e i General Pourpose Register (GPR).
I registri sono destinati all’esecuzione delle operazioni e allo scambio delle informazioni fra la memoria e le altre unità del microcontrollore. I microcontrollori
posseggono un numero limitato di registri, ma considerato che essi fanno parte integrante della RAM, sia dal punto di vista logico che fisico, si può utilizzare la RAM
per attivarne altri e chiamarli con un nome a piacere.
Gli SFR controllano le operazioni del dispositivo, essi controllano le periferiche
e le funzioni di core, mentre i GPR costituiscono l’area generale per lo stoccaggio di
dati e le operazioni di scratch pad. La memoria dati è divisa in banchi per entrambe
le aree GPR e SFR per permettere di indirizzare più di 96 byte di RAM General
Pourpose. Per la selezione dei banchi occorrono naturalmente dei bit di controllo
che si trovano nel registro STATUS (STATUS<6:5>, bit RP1 e RP0). La figura
3.4 mostra la mappa di organizzazione della memoria dati. Per muovere un valore
da un registro all’altro bisogna farlo passare attraverso l’accumulatore W, infatti
la differenza tra il registro W e le altre locazioni di memoria consiste nel fatto
che, per referenziarlo, l’unità logico-aritmetica non deve fornire nessun indirizzo di
memoria, ma può accedervi direttamente. Questo significa che per tutti i movimenti
registro-registro occorrono 2 cicli di istruzione.
I registri GPR sono inizializzati all’accensione del dispositivo (Power-on Reset)
e non sono modificati dagli altri tipi di reset.
Gli SFR sono usati dalla CPU e dai moduli periferici per controllare le operazioni
del dispositivo, e sono implementati come static ram. Essi possono essere classificati in 2 gruppi, uno associato alle funzioni di “core”, l’altro correlato alle funzioni
periferiche. Qualcuno degli SFR viene inzializzato dal Power-on Reset e dagli altri
reset, mentre gli altri non ne son influenzati.
La Data Memory è partizionata in 4 banchi, ciascuno contiene “General Pourpose Register” e “Special Function Register” e per muoversi attraverso essi, quando si
usa l’indirizamento diretto, bisogna porre i bit RP0 RP1 nella configurazione corrispondente al banco desiderato (tabella 3.1) Ciascun banco si estende per 128 byte,
le locazioni più basse sono riservate agli SFR mentre quelle alte ai GPR. Alcuni SFR
che richiedono un elevato uso sono specchiati dal banco 0 in tutti gli altri in modo
da ridurre il codice e velocizzare l’accesso.
L’indirizzamento indiretto è un modo di indirizzare la memoria dati in cui l’indirizzo di memoria nell’istruzione non è fisso. Un SFR viene usato come puntatore
alla locazione che bisogna leggere o scrivere, e poiché il puntatore è in RAM il con-
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Figura 3.4: Mappa della Memoria RAM
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RP1:RP0
00
01
10
11
Bank
0
1
2
3
Tabella 3.1: Bit di selezione dei banchi di memoria
tenuto può essere modificato dal programma per per creare ad esempio tabelle dove
memorizzare dati. L’indirizzamento indiretto è possibile usando il registro INDF.
Ogni istruzione che utilizza INDF accede realmente al registro puntato dal “File
Select Register”, FSR. Leggendo indirettamente lo stesso registro INDF (FSR=0)
si leggerà 00h, invece scrivendo indirettamente su di esso si esegue una operazione
nulla benché possono essere influenzati i bit di stato.
Concatenando il bit IRP (STATUS <7>) agli 8 bit di FSR è possibile avere un
indirizzamento a 9 bit.
3.2.3
Memoria Dati EEPROM
La EEPROM Data Memory è leggibile e scrivibile durante le normali operazioni.
Essa non è direttamente mappata nello spazio dei register file, è invece indirzzata
indirettamente attraverso gli Special Function Register. Per leggere e scrivere su
questa memoria vengono usati 4 SFR:
EECON1;
EECON2;
EEDATA;
EEADR.
EEDATA mantiene gli 8 bit del dato per la lettura e la scrittura, EEADR trattiene l’indirizzo della locazione EEPROM attualmente acceduta. Il registro ad 8 bit
EEADR può accedere a 256 locazioni di Data EEPROM.
Il registro EEADR può essere pensato come un registro di indirizzamento indiretto della EEPROM. EECON1 contiene i bit di controllo, mentre EECON2 è usato
per iniziare il read/write. Il range di indirizzi comincia sempre da 0h e comprende
l’intera memoria disponibile.
La EEPROM Data memory permette di leggere e scrivere byte, un byte scritto
cancella automaticamente la locazione e scrive il nuovo dato (cancella prima di scrivere). Il tempo di scrittura è controllato da un timer on-chip, il write-time varierà
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con la tensione e la temperatura come pure da chip a chip.
Il registro EEADR può indirizzare fino ad un massimo di 256 bytes. I bit di
indirizzo sono decodificati, perciò devono sempre essere a ‘0’ per assicurare che
l’indirizzo si trova nello spazio di memoria della Data EEPROM.
EECON1 è un registro di controllo i cui 5 bit più bassi non son fisicamente
implementati. I tre bit più alti non sono implementati e in letttura danno ‘0’. I
bit di controllo RD e WR iniziano la lettura e la scrittura rispettivamente. Essi
non possono essere cancellati ma solo settati via software. Vengono resettati via
hardware alla fine dell’operazione di lettura o di scrittura.
Il bit WREN,che viene resettato all’accensione, permetterà l’operazione di scrittura una volta settato.
Il bit WRERR viene settato quando una operazione di scrittura è interrotta da
un reset M CLR o da un reset tme-out WDT durante il normale funzionamento. In
queste situazioni, seguenti il reset, il programmatore può controllare il bit WRERR
e riscrivere la locazione; il dato e l’indirizzo non saranno modificati nei registri
EEDATA e EEADR.
Il bit di flag interrupt EEIF viene settato quando la scrittura è completa, e dovrà
essere resettato via software.
Il registro EECON2 non è un registro fisico, leggendo il suo contenuto si otterrà
‘0’. Viene usato esclusivamente nelle sequenze di scrittura Data EEPROM.
Per leggere una locazione nella Data Memory, il programmatore deve scrivere l’indirizzo nel registro EEADR e quindi settare il bit di controllo RD (EECON1<0>).
Il dato sarà disponibile nel ciclo di istruzione successivo, nel registro EEDATA; perciò può essere letto nell’istruzione seguente. EEDATA manterrà questo valore fino
ad un’altra lettura o fino a che il programmatore non lo sovrascriverà (durante una
operazione di scrittura).
Per scrivere una locazione nella EEPROM, bisogna per prima cosa scrivere l’indirizzo nel registro EEADR ed il dato nel registro EEDATA, e iniziare una specifica
sequenza per iniziare la scrittura di ogni byte. La scrittura non inizierà se la sequenza non è eseguita correttamente (scrivere 55h in EECON2, scrivere AAh in EECON2
e settare il bit WR) per ciascun byte. Bisogna inoltre disabilitare gli interrupt durante questo segmento di codice, ed il bit WREN di EECON1 deve essere settato
per abilitare la scrittura in modo da prevenire scritture accidentali nella EEPROM
dovute ad una esecuzione sbagliata del codice.
Il programmatore potrebbe lasciare resettato il bit WREN, eccetto quando si
aggiorna la memoria. Il bit WR non viene cancellato via hardware. Dopo che una
sequenza di scrittura è stata iniziata, cancellando il bit WREN non si influenza il
ciclo di scrittura e WR sarà inibito a meno che il bit WREN non sia settato.
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Alla fine del ciclo di scrittura, il bit WR viene cancellato via hardware e viene
settato il “EE Write Complete Interrupt Flag Bit” (EEIF), il programmatore può
abilitare questo interrupt o interrogare questo bit. EEIF deve essere cancellato via
software.
Per proteggere la EEPROM contro scritture spurie possono essere messi in atto
vari meccanismi. All’accensione WREN è cancellato. Anche il Power-up-time (72
ms di durata) previene scritture sulla EEPROM. La “write initiate sequence” e il
bit WREN aiutano entrambi a prevenire scritture accidentali durante brown-outs,
glitchers dell’alimentazione e malfunzionamento software.
Il modulo Data EEPROM non ha una sequenza di inzializzazione come altri
moduli ma, come per la RAM general pourpose è buona idea inizializzare tutte le
locazioni della data EEPROM con uno stato conosciuto.
Per interfacciare il µC con il mondo esterno è opportuno soffermarsi sulle linee
di I/O, il cui funzionamento è descritto nel paragrafo successivo.
3.3
Porte I/O
Il PIC16F877 dispone di un totale di 33 linee di I/O organizzate in 5 porte denominate PORTA, PORTB, PORTC, PORTD, PORTE.
La PORTA dispone di 5 linee configurabili sia in ingresso che in uscita identificate
dalle sigle RA0, RA1, RA2, RA3, RA4; La PORTB dispone di 8 linee anch’esse
configurabili sia in ingresso che in uscita identificate dalle sigle RB0, RB1, RB2,
RB3, RB4, RB5, RB6, RB7; anche la PORTC è una porta di I/O bidirezionale
i cui pin sono indicati come RC7:RC0; la PORTD invece può essere configurata
come porta I/O opuure come porta parallela slave per interfacciarsi con il bus di un
microprocessore; infine la PORTE è costituita di tre linee RE2:RE0.
La suddivisione delle linee in più porte è dettata dai vincoli dell’architettura
interna del dispositivo che prevede la gestione di dati di lunghezza massima pari ad
8 bit.
Per la gestione delle linee di I/O da programma, il PIC dispone di 2 registri interni per ogni porta chiamati TRISA e PORTA per la porta A, TRISB e PORTB
per la porta B e cosı̀ via per le altre porte. I registri TRIS determinano il funzionamento in ingresso o in uscita di ogni singola linea, i registri PORT determinano lo
stato delle linee in uscita o riportano lo stato delle linee in ingresso. Ognuno dei bit
contenuti in questi registri corrisponde univocamente ad una linea di I/O.
I pin di uso generale possono essere considerati come le più semplici periferiche.
Essi permettono al PICmicro di controllare e monitorare altri dispositivi. Per ag-
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giungere funzionalità e flessibilità al dispositivo, alcuni pin sono multiplexati con
funzioni alternative. Queste funzioni dipendono da quali periferiche sono implementate nel dispositivo. In generale quando è attiva una periferica il pin corrispondente
non può essere usato come un I/O generico.
Per la maggior parte delle porte, la direzione di I/O del pin (ingresso o uscita) è
controllata dal registro TRIS, data direction register. Il registro TRIS<X> controlla
la direzione di PORT<X>. Un ‘1’ nel TRIS fa si che la linea corrispondente sia un
ingresso, mentre uno ‘0’ la seleziona come uscita.
La figura seguente (figura 3.5) mostra una tipica porta di ingresso uscita. Questo
Figura 3.5: Tipica porta I/O
schema non comprende funzioni periferiche che possono essere multiplexate sul pin
di I/0. Leggendo il registro PORT si legge lo stato del pin mentre scrivendo su di
esso si scriverà il flip-flop latch della porta. Tutte le operazioni di scrittura (come
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le istruzioni BCF e BSF ) sono delle operazioni di read-modify-write, perciò una
scrittura su una porta implica che il pin sia letto, il suo valore modificato, e quindi
scritto sul F/F “port data latch”.
Quando le funzioni periferiche sono multiplexate verso un pin di I/O generico,
la funzionalità del pin cambia per far fronte alle richieste del modulo periferico. Un
esempio ne è il modulo convertitore A/D, che forza il pin alla funzione perferica
quando il dispositivo viene resettato. I pin PORT possono essere multiplexati con
ingressi analogici e tensioni analogiche di riferimento (VREF ). L’operazione di ciascuno di questi pin è selezionata, per essere un ingresso analogico o un I/O digitale,
settando o resettando il bit di controllo nel registro ADCON1 (A/D Control Register). Quando è selezionato come un ingresso analogico, questo pin sarà letto come
‘0’. I registri TRIS controllano la direzione del pin, anche quando esso è usato come
ingresso analogico.
Nella porta A il pin RA4 è un ingresso a Trigger Di Schmitt e un uscita open
drain, tutti gli altri pin della porta hanno livelli di ingresso TTL e dei drivers di
uscita CMOS. Tutti i pin hanno bit di direzione dato (registri TRIS) che li possono
configurare come ingresso o come uscita. Settando un bit del registro TRISA si pone
il corrispondente driver di uscita in modalità ad alta impedenza. Resetando il bit,
invece, viene messo il contenuto del latch di uscita sul pin selezionato.
La porta B è una porta bidirezionale di 8 bit, ed il corrispondente registro di
direzione dati è TRISB. Anche qui settando un bit del registro TRISB si pone il
corrispondente driver di uscita nella modalità di ingresso ad alta impedenza; mentre
mettendo il bit a ‘0’ il contenuto del latch di uscita passa sul pin selezionato.
Ogni pin della porta B ha internamente un transistor di weak pull-up, cancellando
un singolo bit di controllo, il bit RBP U (OPTION<7>), è possibile accendere tutti i
pull-up. Il weak pull-up viene automaticamente spento quando la porta è configurata
come uscita. I pull-up sono disabilitati all’accensione dal “Power-on Reset”.
Quattro pin della porta B, RB7:RB4, hanno una caratteristica di interrupt su
cambiamento di stato. Soltanto i pin configurati come ingressi possono causare un
interrupt, ad esempio se qualche pin tra RB7:RB4 è configurato come un uscita viene
escluso dal confronto dell’interrupt sul cambiamento di stato. I pin di ingresso (tra
RB7:RB4) vengono comparati con il vecchio valore accumulato dall’ultima lettura
di PORTB, il disaccoppiamento prodotto da questa comparazione è mandato su
una porta OR per generare il RB Port Change Interrupt con il bit di flag RBIF
(INTCON<0>).
L’interrupt può svegliare il dispositivo dallo SLEEP, cioè farlo tornare attivo
uscendo dalla modalità di funzionamento a basso consumo di potenza. Il programmatore, nell’interrupt service routine, può cancellare l’interrupt nalla seguente
maniera:
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a) una lettura o una scrittura sulla PORTB terminerà la condizione di disaccopiamento;
b) cancellando il bit RBIF.
Una condizione di disaccoppiamento continuerà a settare il bit di flag RBIF, ma
leggendo il registro PORTB esso terminerà, e RBIF potrà essere resettato.
Anche la porta C è cosituita di 8 linee bidirezionali. Ciascun pin è individualmente configurabile come ingresso o uscita tramite il registro TRISC. I pin della
porta C hanno in ingresso un buffer Trigger di Schmitt.
Quando si abilitano le funzioni periferiche, bisogna definire i bit del registro TRIS
per ogni pin della porta. Infatti alcune periferiche controllano i bit TRIS rendendo
i pin corrispondenti delle uscite, altre perferiche settano, invece, i pin come ingressi.
La porta D ha le stesse caratteristiche della C, ma può essere configurata come
una porta microprocessore di 8 bit (parallel slave port) settando il bit di controllo
PSPMODE (TRISE<4>). In questo modo i buffer in ingresso sono di tipo TTL.
La porta E possiede tre pin (RE0/RD/AN5, RE1/W R/AN6 e RE2/CS/AN7)
che sono individualmente configurabili come ingressi o uscite, ed ed hanno in ingresso
un buffer Trigger di Schmitt. I pin della porta E sono multiplexati con ingressi
analogici, e quando vengono selezionati come tali, in lettura danno ’0’. Il registro
TRISE controlla la direzione dei pin RE, anche quando vengono usati come ingressi
analogici; ed in questo caso l’operatore deve assicurare che siano degli ingressi. Un
reset di accensione configura i pin come ingressi digitali.
Quando il bit PSPMODE (TRISE<4>) è settato, I pin della porta E cominciano il controllo degli ingressi I/O per la porta microprocessore. In questa modalità
l’utente deve assicurarsi che i bit TRISE<2:0> siano settati, e che essi siano configurati come ingressi digitali. Bisogna anche assicurare che il registro ADCON1 sia
configurato per I/O digitali, cosı̀ che i buffer di ingresso siano TTL.
3.4
Gli Interrupt
L’interrupt è una particolare caratteristica dei microprocessori in generale che consente di intercettare un evento esterno, interrompere momentaneamente il programma in corso, eseguire una porzione di programma specializzata per la gestione dell’evento verificatosi e riprendere l’esecuzione del programma principale. Ci sono
infatti eventi che può far comodo rilevare in un qualsiasi momento dell’esecuzione
del programma, come ad esempio l’arrivo di una comunicazione seriale, l’overflow di
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un timer, oppure un fronte su di un pin. In questi casi entrano in gioco gli interrupt:
ad un preciso evento richiesto, il controllore interrompe quello che stava facendo e
passa ad una “subroutine di interrupt”. Nel caso della seriale, tale subroutine si
incaricherà di ricevere correttamente il byte trasmesso dall’esterno. Al termine della
routine di interrupt il programma riprende dal punto in cui era stato lasciato.
Il PIC16F877 ha fino a 14 sorgemti di interrupt [21]:
il cambiamento di stato sulla linea RB0 (external interrupt, INT Pin Interrupt);
la fine del conteggio del registro TMR0 (TMR0 Overflow Interrupt);
il cambiamento di stato su una delle linee da RB4 a RB7 (PORTB Change
Interrupt);
il cambamento di stato del modulo Comparatore (Comparator Change Interrupt);
interrupt sulla porta parallela (Parallel Slave Port Interrupt);
interrupt sulla porta seriale (USART Interrupt);
Receive Interrupt;
Transmit Interrupt;
la fine di una conversione A/D (A/D Conversion Complete Interrupt);
interrupt sul modulo LCD (LCD Interrupt);
la fine della scrittura su una locazione EEPROM (Data EEPROM Write
Complete Interrupt);
la fine del conteggio del timer TMR1 (Timer1 Overflow Interrupt);
interrupt sul modulo Capture/Compare (CCP Interrupt);
interrupt sulla porta seriale sincrona (SSP Interrupt).
Qualunque sia l’evento abilitato, al suo manifestarsi il PIC interrompe l’esecuzione del programma in corso, memorizza automaticamente nello STACK il valore
corrente del PROGRAM COUNTER e salta all’istruzione presente nella locazione
di memoria 0004h denominata Interrupt Vector. È a questo punto che nel codice bisogna inserire la subroutine di gestione degli interrupt denominata Interrupt
Handler. Potendo abilitare più interrupt, tra i primi compiti dell’interrupt handler
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è la verifica di quale, tra gli eventi abilitati, ha generati l’interrupt e l’esecuzione
della parte di programma relativo.
Questo controllo può essere effettuato utilizzando gli interrupt flag. Siccome
qualunque interrupt genera una chiamata alla locazione 0004h, nel registro INTCON
sono presenti dei flag che indicano qual’è l’evento che ha generato l’interrupt, ad
esempio:
INTF (INTCON<1>), se vale ‘1’ l’interrupt è stato generato dal cambiamento
di stato sulla linea RB0 (IntPin Interrupt);
TOIF (INTCON<2>), se vale ‘1’ l’interrupt è stato generato al termine del
conteggio del TMR0 (RB Port Change Interrupt);
RBIF (INTCON<0>), se vale ‘1’ l’interrupt è stato generato dal cambiamento
di stato di una delle linee RB7:RB4 (TMR0 Overflow Interrupt).
Esso contiene anche il bit di abilitazione degli interrut periferici (PEIE, Peripheral Interrupt Enable bit), che abilita o disabilita l’interrupt periferico dal vectoring
quando viene rispettivamente settato o azzerato.
Lo schema logico degli interrupt del PIC16F877 è mostrato nella figura 3.6.
Il bit di abilitazione globale degli interrupt, (GIE, Global Interrupt Enable, INTCON<7>), abilita se settato, o disabilita, se resettato, tutti gli interrupt; esso viene
inizializzato a ‘0’ da un reset. La disabilitazione individuale di ciascun interrupt può
essere fatta agendo sui bit corrispondenti del registro INTCON.
Una vista dettagliata dei bit di questo registro e la descrizione delle loro funzioni
si possono vedere in figura 3.7. Quando viene generato un interrupt il PIC disabilita
automaticamente il bit GIE (Global Interrupt Enable) del registro INTCON in modo
da disabilitare tutti gli interrupt mentre è già in esecuzione un interrupt handler.
Per poter ritornare al programma principale e reinizializzare a ‘1’ questo bit occorre
utilizzare l’istruzione di “ritorno da un interrupt” (RETFIE), che permette cosı̀ di
eseguire tutti gli interrupt sospesi.
Non appena nell’interrupt service routine la sorgente dell’interrupt determinata
dal polling dei flag di interrupt. Generalmete i bit di flag devono essere cancellati
dall software prima di riabilitare l’interrupt globale, onde evitare interrupt ricorsivi.
I flag individuali vengono settati senza tener conto dei corrispondenti bit maschera
o del bit GIE.
Quando viene eseguita una istruzione che cancella il bit GIE, ogni interrupt che
era in sospeso per l’esecuzione nel prossimo ciclo viene ignorata. La CPU eseguirà
una NOP (nessuna operazione) nel ciclo immediatamente seguente l’istruzione che
cancella il bit GIE. Gli interrupt che erano stati ignorati sono ancora in sospeso per
essere serviti quando il bit GIE viene settato di nuovo.
57
Figura 3.6: Logica degli Interrupt [20]
58
Figura 3.7: Registro INTCON [20]
59
Siccome il dispositivo ha degli interrupt sulle periferiche ci sono altri registri, oltre al INTCON che li abilitano e che ne mantengono lo stato dei i flag: PIE1, PIE2,
PIR1, PIR2. A seconda del numero di sorgenti di interrupt periferici ci possono
essere più Peripheral Interrupt Enable register (PIE1, PIE2). Essi contengono i bit
di abilitazione individuale, per gli interrupt periferici. Per abilitare gli interrupt
periferici deve essere resettato il bit PEIE nel registro INTCON.
La coppia di registri Peripheral Interrupt Flag (PIR1, PIR2) contengono i bit
di flag individuali per gli interrupt periferici. I bit di flag interrupt vengono settati
quando si verifica una condizione interrupt, senza tener conto dello stato dei corrispondenti bit di abilitazione o del GIE (INTCON<7>). Per questo il programma
dovrebbe assicurare che gli appropriati bit di flag siano cancellati (dal software) prima di abilitare un interrupt e dopo averlo servito.
La latenza di interrut è definita come il tempo che passa da un evento che genera
l’interrupt (quando il bit di flag viene settato) ed il momento in cui l’istruzione passa
all’indirizzo 0004h comincia l’esecuzione (quando questo interrupt è abillitato) [21].
Per gli interrupt sincroni (tipicamente interni) la latenza è di 3TCY . Per gli interrupt asincroni (tipicamente esterni), come l’INT o i Port B Change Interrupt, la
latenza sarà di 3 ÷ 3.75TCY (ciclo istruzione). La latenza esatta dipende da quando
si verifica l’evento dell’interrupt n relazione al ciclo istruzione.
L’interrupt esterno sul pin INT è triggerato sul fronte: sia su quello di salita se il
bit INTEDG (OPTION REG<6>) è settato, oppure di discesa se INTDG è cancellato. Quando un fronte valido appare sul pin INT, il bit di flag INTF (INTCON<1>)
viene settato. Questo interrupt può essere abilitato o disabilitato settando o cancellato, rispettivamente, il bit di abilitazione INTE (INTCON<4>). Il bit INTF deve
essere cancellato via software nell’ interrupt service routine prima di riabilitarlo.
L’interupt INT può svegliare il processore dallo SLEEP, se il bit INTE era settato
prima di entrare nello SLEEP.
Durante un interrupt, sltanto il valore del PC è salvato nello stack. Di solito i
programmatori possono voler salvare dei registri particolari durante un interrupt,
ad esempio il registro W o lo STATUS. L’azione d salvataggio dell’informazione
è comunemete chiamata PUSHing, mentre l’azione di richiamo prima del return è
detta POPing. Queste (PUSH e POP) non son istruzioni mnemoniche ma azioni
concettuali. Esse possono essere implememntati da una sequenza di istruzioni. Per
una comoda modularità del codice le linee che la implementano possono essere scritte
dentro delle macro.
60
3.5
Il convertitore A/D
Una delle periferiche più importanti dei PIC è quella relativa al convertitore A/D
(Analogico/Digitale). Il PIC 16F877 ha 8 ingressi analogici che permettono la conversione di un segnale di ingresso analogico, il cui valore oscilli tra 0 e VDD oppure
tra 0 ed una tensione esterna di riferimento, in un corrispondente numero digitale
a 10 bit. Essendo presente un solo modulo convertitore, gli ingressi devono essere
multiplexati da una logica interna, l’uscita del multiplexer viene inviata ad un circuito di sample and hold che a sua volta pilota il vero e proprio convertitore, che
genera il risultato per approssimazioni successive, come si può notare in figura 3.8
e 3.11 . La figura 3.8 mostra il diagramma a bloccghi del modulo A/D. Il segnale
Figura 3.8: Diagramma a blocchi del modulo A/D
61
viene comparato con la metà della tensione di riferimento e, se maggiore, il bit MSB
del risultato viene posto a ‘1’; viceversa se il segnale risulta minore, tale bit è posto
a zero. La comparazione successiva viene eseguita con la tensione di riferimento
ridotta ad un quarto ed il bit interessato è il MSB-1 ovvero il bit 8. Si procede in
questo modo (dimezzando ogni volta la tensione di comparazione) fino ad arrivare
all’LSB (bit 0). Con tale procedimento il tempo, per qualsiasi conversione è ben
definito ed equivale al tempo di 10 comparazioni. Quindi se il segnale in ingresso
vale 1 oppure 4 V il tempo di conversione sarà lo stesso.
La tensione di riferimento analogica è selezionabile dal software tra la tensione
di alimentazione positiva e negativa (VDD e VSS ) e il livello sui pin VREF (VREF +
sul pin AN3 e VREF − su AN2). Il convertitore A/D ha la caratteristica di poter
operare quando il dispositivo è in modalità SLEEP, a patto di aver settato il clock
A/D come derivato dall’oscillatore RC interno al convertitore.
Il modulo A/D possiede 4 registri [20]:
A/D Result Hig register (ADRESH);
A/D Result Low register (ADRESL);
A/D Control register 0 (ADCON0);
A/D Control register 1 (ADCON1).
Il registro ADCON0 controlla le operazioni del modulo A/D, mentre il registro
ADCON1 configura le funzioni dei pin della porta A; questi pin possono essere
configurati come ingressi analogici (RA3 può essere anche un riferimento di tensione)
o come I/O digitali.
I registri ADRESH e ADRESL contengono il risultato a 10 bit della conversione A/D. Quando essa è completa il risultato viene caricato nella coppia di registri
A/D result, il bit GO/DON E (ADCON0<2>) viene cancellato e il bit di flag dell’interrupt A/D, ADIF, viene settato. L’insieme dei registri e dei bit associati alla
conversione analogico/digitale è riportato nella figura 3.9
Il canale di ingresso analogico deve avere il corrispondente bit del registro TRIS
selezionato come ingresso. Dopo che il modulo A/D è stato configurato, prima che
inizi la conversione deve essere acquisito il canale selezionato, e dopo che è passato il
tempo di acquisizione può cominciare la conversione A/D che dovrebbe essere svolta
secondo i passi elencati di seguito [21]:
1. configurare il modulo A/D;
configurare i pin analogici, la tensione di riferimento e gli I/O digitali
(ADCON1);
selezionare i canali di ingresso A/D (ADCON0);
62
Figura 3.9: Registri e bit associati al modulo A/D
selezionare il clock di conversione A/D (ADCON0);
accendere il modulo A/D (ADCON0);
2. configurare gli interrupt A/D;
cancellare il bit ADIF;
settare il bit ADIE;
settare il bit PEIE;
settare il bit GIE
3. aspettare il tempo di acquisizione richiesto;
4. inizio conversione;
settare il bit GO/DON E (ADOCON0);
5. aspettare il completamento della conversione A/D da uno dei seguenti eventi:
polling per controllare la cancellazione del bit GO/DON E, oppure
aspettare che si verifichi un interrupt A/D;
6. leggere il risultato della conversione nella coppia di registri ADRESH:ADRESL,
cancellare il flag ADIF se richiesto;
7. per la prossima conversione si può tornare al passo 1. o al passo 2. a seconda
della necessità. Il tempo di conversione per ogni bit è definito come TAD .
63
Prima che cominci la prossima acquisizione è richiesto un minimo di attesa di
2TAD .
La figura 3.10 mostra la sequenza di conversione e i tempi usati. Il tempo di
Figura 3.10: Cicli TAD nella conversione A/D
acquisizione è il tempo per cui il condensatore di holding del modulo A/D è connesso
al livello di tensione esterno. C’è poi il tempo di conversione di 12 TAD , che è
l’intervallo tra il settaggio del bit GO e la fine della conversione. La somma di
questi due tempi rappresenta il tempo di campionamento.
Per avere la precisione specificata del convertitore A/D bisogna che al condensatore di tenuta di carica CHold sia permesso di caricarsi completamente al livello della
tensione di imgresso (figura 3.11). A questo proposito si possono fare le seguenti
Figura 3.11: Modello dell’ingresso analogico
considerazioni:
64
l’impedenza della sorgente analogica e quella interna di campionamento (RSS )
influiscono direttamente sul tempo richiesto per caricare CHold ;
la resistenza massima raccomandata per una sorgente analogica è 10 kW;
il tempo di acquisizione diminuisce con RS ;
l’impedenza di switch RSS varia con la tensione di alimentazione VDD .
Dopo aver selezionato il canale d’ingresso analogico l’acquisizione deve essere
fatta prima di cominciare la conversione, per stabilirne la durata minima può essere
usata l’equazione della figura 3.12. Essa assume che si utlizza un errore di 1/2 LSB
Figura 3.12: Calcolo del tempo di acquisizione
(1024 passi per la conversione) che è il massimo errore permesso perché la conversione incontri la risoluzione specificata.
Il tempo di conversione A/D di ogni bit è indicato come TAD quindi la conversione
a 10 bit richiede un tempo pari a 11.5∗TAD per essere portata a termine. La sorgente
del clock di conversione A/D è selezionabile via software tra le 4 possibili scelte
appresso elencate:
2TOSC ;
8TOSC ;
32TOSC ;
oscillatore RC interno.
Per una corretta conversione il clock di conversione A/D (TAD ) deve essere selezionato per assicurare un minimo TAD di 1.6 µs. La figura 3.13 mostra il tempo TAD
risultante derivato dalla frequenza del dispositivo e dal clock A/D selezionato.
65
Figura 3.13: TAD corrispondente alla frquenza operativa del dispositivo
I registri ADCON1 e TRIS controllano le operazioni dei pin della porta A/D,
i pin che si vuole configurare come ingressi analogici devono avere i corrispondenti
bit del registro TRIS settati (ingresso) perché se essi sono a ‘0’ verrà convertito il
livello digitale di uscita (VOH oppure VOL ).
Per cominciare una conversione abbiamo detto che deve essere settato il bit
GO/DON E, ma ciò non può avvenire nella stessa istruzione che accende l’A/D, a
causa del tempo di acquisizione richiesto. Se invece si cancella GO/DON E durante
la conversione questa verrà interrotta, la coppia di registri che contiene il risultato della conversione non sarà aggiornato con quella parziale. ADRESH:ADRESL
continueranno a contenere l’ultimo valore completo o l’ultimo valore scritto in essi.
Dopo l’interruzione della conversione bisogna aspettate 2TAD prima di cominciare
una nuova acquisizione. Dopo 2TAD l’acquisizione sul canale selezionato comincia
automaticamente.
La coppia di registri ADRESH:ADRESL rappresentano la locazione dove viene
caricato il risultato a 10 bit della conversione A/D, essi hanno una larghezza complessiva di 16 bit. Il modulo A/D da la flessibilità di giustificare a sinistra o a destra
i 10 bit del risutato nei 16 bit del registro risultato a seconda del valore del bit “A/D
Format Select” (ADFM). La figura 3.14 mostra l’operazione della giustificazione del
risultato A/D. I bit extra vengono caricati come ‘0’. Quando l’A/D è disabilitato
questi registri possono essere usati come registri di uso generale.
Il modulo A/D può operare durante la modalità SLEEP, ma si richiede che la
sorgente del clock A/D sia settata su RC (ADCS1:ADCS0=‘11’). Con questa opzione il modulo A/D aspetta un “ciclo istruzione” prima di cominciare la conversione
in modo da permettere alla istruzione SLEEP di essere eseguita. La conversione
durante lo SLEEP fa si che vengano eliminati tutti i rumori interni di switching.
66
Figura 3.14: Giustificazione del risultato [20]
Quando la conversione è completata il bit GO/DON E sarà cancellato, e il risultato caricato nel registro ADRES. Se l’interrupt A/D è abilitato, il dispositivo verrà
svegliato dallo SLEEP altrimenti, il modulo A/D verrà allora spento, sebbene il bit
ADON rimarrà settato. Quando la sorgente del clock A/D non è RC una istruzione di SLEEP causa l’interruzione della conversione corrente e lo spegnimento
del modulo A/D (per risparmiare energia), sebbene il bit ADON rimarrà settato.
Per permettere la conversione durante lo SLEEP bisogna assicurarsi che l’istruzione
SLEEP stia immadiatamente dopo quella che setta il bit GO/DON E.
In sistemi dove la frequenza del dispositivo è bassa, è preferito l’uso del clock
RC mentre a frequenze medie o alte, TAD può essere derivato dall’oscillatore del
dispositivo. L’errore assoluto del convertitore, cioè la massima deviazione di una
transizione reale rispetto ad una transizione ideale per ogni codice, include la somma
di tutti i contributi: errore di quantizzazione, errore di non linearità integrale, errore
di non linearità differenziale, errore di fondo scala, errore di off–set.
L’errore assoluto del convertitore A/D è specificato esserre < ±1LSB per VDD =
VREF , ma comunque la precisione del convertitore A/D diminuisce al divergere di
VDD da VREF . Per un dato intervallo di tensioni di ingresso, il codice digitale di
uscita sarà lo stesso. Questo è dovuto alla quantizzazione dell’ingresso analogico in
un codice digitale. L’errore di quantizzazione è tipicamente di 1/2 LSB ed è innato
al processo di conversione analogico/digitale; la sola strada per ridurlo è quella di
incrementare la risoluzione.
L’errore di off-set è la differenza tra la tensione ideale di ingresso relativa a 1/2
LSB e quella reale che invece provoca la transizione tra 0 e il primo LSB [11]. Gli
errori di off-set traslano l’intera funzione di trasferimento.
67
L’errore di guadagno è la differenza tra la tensione ideale di ingresso che dovrebbe
generare un codice uguale al fondo scala e il vero valore che invece genera tale codice.
Questo errore altera la pendenza della curva di risposta reale rispetto a quella ideale
[11]. La differenza tra l’errore di guadagno e l’errore di fondo scala è che l’errore
full-scale non tiene conto dell’errore di off-set.
L’errore di non linearità si riferisce all’uniformità del cambiamento del codice.
Errori di non linearità possono essere calibrati fuori dal sistema.
L’errore di non linearità integrale misutra la transizione reale del codice contro
la transizione del codice adattata dall’errore di guadagno per ogni codice. La non
linearità differenziale è la massima deviazione, espressa in LSB, che si può avere
rispetto alla transizione ideale del codice. Se la differenza è maggiore di ±1 LSB si
ha la perdita del codice di uscita [11].
Se la tensione di ingresso eccede i valori limite (VDD o VSS ) per più di 0.3 V,
allora la precisione della conversione è fuori dalle specifiche. A volte aggiunto un
filtro RC esterno con funzione di anti-aliasing. La resistenza R può essere selezionata per assicurare che l’impedenza totale della sorgente sia mantenuta sotto i 10 kW
raccomandati dalle specifiche. Ogni componente esterno connesso (attraverso alta
impedenza) ad un pin di ingresso analogico (condensatore, diodo zener, ecc.) deve
avere una corente di perdita (leakage) sul pin molto piccola.
La funzione di trasferimento ideale del convertitore A/D è definita come segue:
la prima transizione si ha quando la tensione di ingresso analogica (VAIN ) è 1 LSB
(o VREF analogica/1024). Sia quella ideale che quella reale sono mostrate in figura
3.15
3.6
Modulo USART
Il modulo Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter (USART), conosciuto anche come Serial Communication Interface (SCI), è uno dei due moduli
di I/O seriale che possiede il PIC16F877. Le modalità di funzionamento della perferica sono le seguenti: asincrona full-duplex (per comunicare con terminali dispositivi
periferici quali terminali CRT e PC), sincrona-master half-duplex e sincrona-slave
half-duplex (per comunicare con periferiche come circuiti intedrati A/D e D/A o
EEPROM seriali ecc.). I registri che controllano la trasmissione, la ricezione e lo
stato della periferica USART sono il TXSTA e il RCSTA, la cui funzioni sapecifiche
sono riportate nella figure 3.16 e 3.17. Per selezionare il funzionamento dei pin
RC6/TX/CK e RC7/RX/DT del PIC come USART devono essere settati i bit SPEN
(RCSTA<7>) e TRISC<7:6>. La possibilità di funzionamento full-duplex deriva
dal fatto che sono contemporaneamente presenti due sezioni, una per la trasmissione
68
Figura 3.15: Funzione di trasferimento del convertitore A/D [20]
69
Figura 3.16: Registro TXSTA [20]
70
Figura 3.17: Registro RCSTA [20]
71
ed una per la ricezione con un unico componenete in comune: il generatore di baud
rate (BRG).
Esso è l’unico componente comune alle due sezioni e serve sia per l’operatività
sincrona che per quella asincrona. È costituito dal registro SPBRG, che controlla
il funzionamento di un timer ad 8 bit, e da un divisore. Nel modo asincrono il bit
BRGH (TXSTA<2>) controlla anche il baud rate, mentre viene ignorato nel modo
sincrono.
Dati il baud rate desiderato e la frequenza dell’oscillatore FOSC , per calcolare il
corretto valore da inserire nel registro SPBRG ed i settaggi dei bit SYNC e BRG
del registro TXSTA si hanno a disposizione tre semplici formule come si può vedere
dalla tabella 3.2, dove la X rappresenta il numero compreso tra 0 e 255 da inserire nel
registro SPBRG. Per facilitare i calcoli la Microchip offre le tabelle per le frequenze
SYNC
0
1
BRGH=0
(bassa velocità)
BaudRate = FOSC /(64 ∗ (X + 1))
(mod. asinc.)
BaudRate = FOSC /(4 ∗ (X + 1))
(mod. sinc.)
BRGH=1
(alta velocità)
BaudRate = FOSC /(16 ∗ (X + 1))
N/A
Tabella 3.2: Formule per il Baud Rate
di clock più comuni e per i baud rate più impiegati [20]. Può essere conveniente
usare la modalità ad alto baud rate (BRGH=1) anche per bassi clock di baud,
perché l’equazione FOSC /(16 ∗ (X + 1)) può, in alcuni casi, ridurre l’errore di baud
rate.
Come abbiamo visto nel paragrafo 2.4 la comunicazione tra il PIC ed un PC
attraverso il bus RS-485 su due fili soltanto richiede che la comunicazione sia di
tipo Half Duplex con il PC che funge da master ed il PIC16F877 da Slave. Per tale
ragione in questo paragrafo verrà descritta soltanto la parte del modulo USART che
riguarda trasmissione e ricezione nella modalità “Slave Sincrona”.
3.6.1
Trasmissione nella modalità Slave Sincrona
Nella modalità sincrona il dato è trasmesso in maniera half-duplex (trasmissione
e ricezione non avvengono nello stesso momento), quando si è in trasmissione la
ricezione è inibita e viceversa. La modalità sincrona viene abilitata settando il
bit SYNC (TXSTA<4>) e settando il bit SPEN (RCSTA<7>) i bit RC6/TX/CK
e RC7/RX/DT vengono configurati risettivamente come CK (colck) e DT (linea
dato); infine la modalità slave si configura azzerando il bit CSRC (TXSTA<7>). Il
diagramma a blocchi del trasmettitore USART è mostrato in figura 3.18. Il cuore
72
Figura 3.18: Schema a blocchi del trasmettitore USART [20]
di questa sezione è il transmit shift register TSR che prende i dati dal read/write
transmit buffer register TXREG, a sua volta caricato via software. Il registro TSR
non è caricato finche non viene trasmesso l’ultimo bit del dato precedente, non
appena questo avviene il TSR viene riempito con un nuovo dato dal TXREG in un
ciclo istruzione. Quest’ultimo rimane allora vuoto, ciò provoca il settaggio del bit di
flag interrupt TXIF (PIR1<4>) senza tener conto dello stato del bit di abilitazione
TXIE (PIE1<4>); TXIF sarà resettato al caricamento di un nuovo dato in TXREG.
Mentre il bit TXIF indica lo stato di TXREG, un altro bit TRMT (TXSTA<1>)
mostra lo stato del registro TSR; è un bit a sola lettura settato dallo svuotamento di
TSR, non è associato a nessun interrupt e non è mappato nella RAM cosı̀ da poter
essere interrogato dal programmatore per vedere lo stato di TSR.
La trasmissione è abilitata settando il bit di abilitazione TXEN (TXSTA<5>),
ma non comincerà fin quando TXREG non è stato caricato con il dato. Il primo bit
del dato verrà shiftato fuori sul fronte di salita del clock sulla linea CK. Il dato in
uscità sarà stabile nell’intorno del fronte di discesa del clock sincrono.
La trasmissione può anche cominciare dopo aver caricato il registro TXREG,
cosa vantaggiosa quando si utilizzano bassi baud rate. Se durante la trasmissione
viene cancellato il bit TXEN oppure vengono azzerati CREN o SREN, essa sarà
interrotta, il trasmettitore resettato e i pin DT e CK portati ad alta impedenza (per
la ricezione).
Per selezionare la trasmissione a 9 bit, deve essere settato il bit TX9 (TXSTA<6>) e il nono bit del dato deve venir scritto in TX9D (TXSTA<0>) perché
la scrittura del dato in TXREG sia un trasferimento immediato in TSR (se questo è
vuoto). Il 9° bit deve essere scritto prima di scrivere gli 8 bit dato sul TSR, se questo
73
è vuoto, altrimenti potrebbe essere caricato in TSR un 9° bit dato non corretto.
Per configurare una Synchronous Slave Transmission dovrebbero essere eseguiti
i seguenti passi [20]:
1. abilitare la synchronous slave serial port settando i bit SYNC e SPEN e
azzerando CSRC;
2. azzerare i bit Cren e SREN;
3. se si desidera l’interrupt si settano i bit: TXIE, GIE e PEIE;
4. se si desidera la trasmissione a 9 bit si setta TX9;
5. si abilita la trasmissione settando il bit TXEN che setterà anche TXIF;
6. se è selezionata la trasmissione a 9 bit, il 9° bit può essere caricato in TX9D;
7. si carica il dato in TXREG, comincia la trasmissione;
3.6.2
Ricezione nella modalità Slave Sincrona
Il diagramma del blocco ricevitore è mostrato in figura 3.19. In modalità sincrona
Figura 3.19: Schema a blocchi del ricevitore USART [20]
la ricezione è abilitata settando uno dei bit di abilitazione SREN (RCSTA<5>) o
CREN (RCSTA<5>), ed il dato viene campionato sul pin RC7/RX/DT in corrispondenza del fronte di discesa del clock. Se è settato il bit di abilitazione SREN,
74
verrà ricevuta una sola parola, mentre se è settato CREN la ricezione sarà continua finché esso non verrà azzerato; se sono entrambi ad ‘1’ è CREN ad avere la
precedenza.
Dopo la ricezione dell’ultimo bit il dato viene trasferito dal Receive Shift Register
(RSR) al registro RCREG, quando il trasferimento è completo viene settato il flag
di interrupt RCIF (PIR1<5>) che è un bit a sola lettura resettato dall’hardware
quando RCREG è stato letto ed è vuoto.
L’RCREG è un registro doppiamente bufferato, è cioè un FIFO a 2 livelli. Sarà
quindi possibile ricevere 2 byte di dati e trasferire al RCREG FIFO un 3° byte
per iniziare lo scorrimento verso il registro RSR. All’arrivo dell’ultimo bit del 3°
byte, se il registro RCREG è ancora pieno verrà settato il bit Overrun Error OERR
(RCSTA<1>) e la parola in RSR persa. In questo caso il registro RCREG può
essere letto due volte per recuperare i 2 byte nel FIFO e il bit OERR deve essere
azzerato dal programmatore resettando il receive logic bit, CREN. Se il bit OERR
è settato, il trasferimento dal registro RSR al RCREG è inibito, perciò è essenziale
cancelllarlo se esso è al livello ‘1’.
Il 9° bit dato ricevuto viene bufferato allo stesso modo dei dati ricevuti. Poiché
leggendo RCREG, il bit RX9D verrà caricato con un nuovo valore è necessario che il
programmatore legga il registro RCSTA prima di leggere nuovamente RCREG allo
scopo di non perdere la precedente informazione nel bit RX9D.
Per eseguire una ricezione nella modalità Slave sincrona è opportuno seguire le
seguenti istruzioni:
1. abilitare la synchronous slave serial port settando i bit SYNC e SPEN e
azzerando il bit CSRC;
2. se sono desiderati gli interrupt si settano i bit RCIE, GIE e PEIE;
3. se si vuole la ricezione a 9 bit si setta il bit RC9;
4. si abilita la ricezione settando il bit CREN;
5. il bit di flag RCIF sarà settato quando la ricezione è completa e un interrupt
sarà generato se il bit RCE è stato settato;
6. leggere il registro RCSTA per prendere il 9° bit (se abilitato) e vedere se c’è
stato qualche errore durante la ricezione;
7. leggere gli 8 bit del dato ricevuto dal registro RCREG;
8. se ci sono stati errori, cancellare l’errore resettando il bit CREN.
75
3.7
Modulo SSP
Il modulo Synchronous Seria Port (SSP) è una interfaccia seriale utilizzabile per
comunicazioni con altre perfiferiche, tipo EEPROM seriali, registri a scorrimento,
drivers per display, convertitori A/D o microcontrollori. Il modulo SSP può operare
in due modalità:
Serial Peripheral Interface (SPI);
Inter-Integrated Circuit (I 2 C)
– modalità Slave;
– controllo della rampa di I/O, rivelazione dei bit di Start e Stop per
facilitare l’implementazione software dei modi Master e Multi-master.
Per interfacciare la memoria EEPROM esterna utilizzerò la modalità I 2 C, perciò
soltanto ad essa farò riferimento nel seguito.
Il bus IIC è nato dalla Philips/Signetics per far dialogare più dispositivi su due
soli fili, uno per il clock ed uno per il dato. I dati vengono trasferiti in modo seriale
e alla frequenza di 100 kHz o 400 kHz a seconda dei dispositivi collegati. Sul bus
IIC possono risiedere diversi master e diversi slave che interagiscono tramite un
protocollo ormai collaudato. Concettualmente, un master inizia un dialogo con uno
slave indicandolo con un indirizzo, i successivi trasferimenti di dati sono in funzione
dei due dialoganti.
Per cominciare e terminare la comunicazione bisogna generare le condizioni di
START e di STOP. Si ha uno START quando il dato passa da livello alto a basso
mentre la linea del clock è alta. Si ha invece una condizione di STOP quando il dato
passa da basso ad alto con il clock a livello alto. Per indirizzare i dispositivi sono
disponibili indirizzi a 7 o a 10 bit il cui formato è specificato più avanti nelle figure
3.28 e 3.29. Insieme all’indirizzo viene inoltre passata allo slave l’indicazione se
trattasi dell’invio di un dato o di un comando. Tutti i dati devono necessariamente
essere trasmessi con blocchi di 8 bit e non esiste un limite al numero di byte che è
possibile trasmettere durante un dialogo. Dopo ogni byte ricevuto, il modulo slave
genera un segnale di acknowledge (ACK), cioè di avvenuta ricezione portando bassa
la linea dei dati.
Se ciò non avviene, allora il Master deve subito interrompere il dialogo in corso
con tale modulo. Questo meccanismo viene usato quando lo slave non ha più informazioni da inviare oppure ha altri compiti più urgenti da svolgere. In questo caso
lo slave deve liberare la linea SDA portandola ad alta impedenza per permettere
al master di generare la condizione di STOP che abbiamo già descritto. Al master
è inoltre consentito generare la condizione di STOP anche durante un impulso di
acknowledge da parte dello slave per terminare rapidamente un dialogo.
76
Se durante un colloquio lo slave ha necessità di ritardare la trasmissione di un
byte, ad esempio perché si deve calcolare un certo risultato oppure perché attende
a sua volta un segnale da un’altra perfiferica, è sufficiente che forzi a basso livello la
linea del clock, portando cosı̀ il master in uno stato di attesa (wait) indeterminata.
Il dialogo riprende quando lo slave decide di liberare la linea SCL.
Per mezzo di questo protocollo che permette la messa in attesa del master anche
durante il passaggio di un singolo bit, possiamo dire che in determinati momenti si
invertono le funzioni dei due dialoganti. Quando uno slave si guasta e, per coincidenza setta bassa la sua linea SCL, si blocca tutto il circuito fino a quando non si
provvedera alla riparazione fisica.
Vediamo adesso in dettaglio le caratteristiche e il modo di funzionamento dei
registri e degli altri componenti che operano nella modalità IIC
La periferica SPI-IIC è stata realizzata tenendo conto di tutte le caratteristiche necessarie ad un dispositivo di tipo slave, mentre per ovvie ragioni (diversità
di impiego da programma a programma) nella funzionalità master offre supporto
hardware per lo sviluppo di rapidi comandi software per una veloce gestione del
modulo. La periferica IIC offre sia lo standard a 100 kHz sia quello a 400 kHz come
pure il formato di indirizzamento a 7 e a 10 bit. Due pin sono impiegati dei dati
(SCL e SDA) e devono essere configurati in input o in output dal programmatore
attraverso i bit corrispondenti nel registro di configurazione della porta dedicata.
In registri utilizzati da questo modulo sono 5:
SSP Control Register (SSPCON);
SSP Control Register2 (SSPCON2);
SSP Status Register (SSPSTAT);
Serial Receive/Transmit Buffer (SSPBUF);
SSP Shift Register (SSPSR) — non direttamente accessibile;
SSP Address Register (SSPADD).
Una visione dettagliata dei registri SSPCON, SSPCON2 e SSPSTAT si triva nelle
figure 3.20 3.21 3.22. Il registro SSPCON permette il controllo delle operazioni
del bus, per abilitare le funzioni del modulo SSP bisogna settare il bit SSP Enable,
SSPEN (SSPCON<5>) e 4 bit di selezione modo (SSPCON<3:0>) permettono di
selezionare una delle seguenti modalità:
IIC Slave mode (indirizzo a 7 bit);
IIC Slave mode (indirizzo a 10 bit);
77
Figura 3.20: Registro SSPSTAT [20]
78
Figura 3.21: Registro SSPCON [20]
79
Figura 3.22: Registro SSPCON2 [20]
80
IIC Master mode, clock=OSC/4 (SSPADD+1)
Prima di selezionare uno dei modi IIC, i pin SCL e SDA devono essere programmati
come ingressi settando i bit TRIS appropriati, per poi selezionare la modalità IIC
portando ad ‘1’ il bit SSPEN.
Il registro SSPSTAT contiene informazioni sullo stato del trasferimento dati, esse
comprendono il rilevamento dei bit di START e di STOP, l’informazione se il byte
ricevuto è un dato o un indirizzo o se il prossimo byte rappresenta la parte finale di
un indirizzo a 10 bit, se il trasferimento è in lettura o in scrittura.
Il registro SSPBUF è quello sul quale viene scritto o da cui viene letto il dato
trasferito. Il SSPSR shifta il dato dentro o fuori il dispositivo. Nelle operazioni di
ricezione i registri SSPBUF e SSPSR creano un ricevitore dopiamente bufferato, la
qual cosa permette di cominciare la ricezione del prossimo byte rima della lettura
dell’ultimo dato ricevuto. Quando viene ricevuto un byte completo, viene trasferito
nel registro SSPBUF e viene settato il bit di flag SSPIF. Se viene ricevuto un altro
byte completo prima che il bit SSPOV (SSPCON<6>) venga settato, il byte nel
registro SSPSR viene perduto.
Il registro SSPADD mantiene l’indirizzo dello slave. Nel modo a 10 bit bisogna
che l’utente scriva il byte alto nell’indirizzo (1111 0 A9 A8 0). Seguendo l’indirizzo
del byte alto bisogna caricare il byte basso all’indirizzo (A7:A0).
3.7.1
Modalità master
La modalità master viene supportata dalla generazione di un interrupt ad ogni
condizione di START o di STOP. I bit di START (S) e di STOP (P) sono azzerati
da un reset oppure quando il modulo SSP viene disabilitato. Il possesso del bus
può essere preso quando il bit P è settato oppure quando il bus è in “IDLE” e sia
P che S sono a ’0’. Per quel che riguarda le linee SCL e SDA, in modalità master
i corrispondenti pin di uscita sono sempre a basso livello come valore sulla porta, e
per modificarli in ‘1’ si deve impostare ad ‘1’ (ricezione) il bit corrispondente alla
direzione di quel pin. In pratica è stato realizzato un sistema che quando vale ‘1’
impedisce di far scorrere corrente attraverso un’eventuale linea tenuta a basso livello.
L’interrupt è generato dalle condizioni di START, STOP, byte trasferito; e poiché
è possibile implementare sia la modalità master che la modalità slave, il software
dovrà discriminare la sorgente dell’interrupt.
Quando si fa lavorare il PIC come master, sia i tempi che il dialogo vengono
interamente gestiti dal programmatore. Se invece occorresse inserire il PIC in un
circuito che ha già il modulo master i problemi non sarebbero certamente pochi, primo fra tutti il continuo dialogo con il master preesistente per capire se il dispositivo
è quello indirizzato oppure no, con evidente perdita di tempo e di risorse.
81
Il diagramma a blocchi del modlo SSP nel caso che funzioni nella modalità IIC
master è mostrato nella figura 3.23.
Figura 3.23: Schema a blocchi del modulo SSP (IIC Master Mode) [20]
Il modo master viene abilitato settando e azzerando gli appropriati bit SSPM nel
registro SSPCON e settando il bit SSPEN. Appena il modo master viene abilitato
il programmatore ha a disposizione 6 opzioni:
rivendicare una condizione di START su SDA e SCL;
rivendicare una condizione di START ripetuto su SDA e SCL;
scrivere sul registro SSPBSUF iniziando la trasmissione di un dato o di un
indirizzo;
generare una condizione di STOP su SDA e SCL;
configurare la porta IIC per ricevere un dato;
generare una condizione di acknowledge alla fine della ricezione di un byte
dato.
Il modulo SSP, quando configurato come IIC Master Mode non permette di
accodare gli eventi, ad esempio il programmatore non può iniziare una condizione di
82
START e immediatamente scrivere sul registro SSPBUF per iniziare la trsmissione,
prima che la condizione di START sia completata. In questo caso il SSPBF non
sarà scritto, e il bit NCOL sarà settato, indicando che una scrittura sul SSPBUF
non c’è stata.
Il dispositivo master genera tutti gli impulsi del clock seriale e le condizioni di
START e STOP. Un trasferimento è terminato con una condizione di STOP o con
una condizione di START ripetuta. Poiché la condizione di START ripetuta segna
l’inizio di un prossimo trasferimento seriale, il bus IIC non verrà rilasciato.
Nella modalità Master Transmit il dato seriale viene posto in uscita attraverso
SDA, mentre SCL manda in uscita il clock. Il primo byte trasmesso contiene l’indirizzo dello slave ricevente, (7 bit) ed il bit Read/Write (R/W ). In questo caso il bit
R/W sarà uno ‘0’ logico. Dopo che ciascun byte è stato trasmesso viene ricevuto
un bit di acknowledge. Le condizioni di START e di STOP sono degli output che
servono ad indicare l’inizio e la fine di un trasferimento seriale.
Nella modalità Master Receiver il primo byte trasmesso contiene l’indirizzo slave
del dispositivo trasmittente (7 bit) e il bit R/W . In questo caso il bit R/W sarà un
‘1’ logico. Cosı̀ il primo byte trasmesso è un indirizzo slave a 7 bit seguito da un ‘1’
ad indicare il bit di ricezione.
Il baud rate generator è usato per settare la frequenza di clock SCL tra 100
kHz, 400 kHz o 1 MHz per le operazioni IIC. Il valore del baud rate generator è
contenuto nei 7 bit più bassi del registro SSPADD. Il baud rate generator comincerà
automaticamente a contare su una scrittura sul SSPBUF. Appena l’operazione è
completa (i.e. trasmissione dell’ultimo bit dato seguita da ACK) il clock interno
fermerà automaticamente il conteggio e il pin SCL rimarrà nell’ultimo stato.
Una tipica sequenza che si potrebbe seguire è la seguente:
a) il programmatore genera una condizione di START settandil bit di abilitazione
dello START, SEN (SSPCON2<0>);
b) SSPIF è settato. Il modulo SSP aspetterà il tempo richiesto allo START prima
che ogni altra operazione abbia luogo;
c) il programmatore carica il SSPBUF con l’indirizzo da trsmettere;
d) l’indirizzo viene shiftato fuori dal pin SDA fino a che tutti tutti gli 8 bit non
sono trasmessi;
e) il modulo SSP shifta nel bit ACK del dispositivo slave, e scrive il suo valore nel
registro SSPCON2 (SSPCON2<6>);
f ) il modulo SSP genera un interrupt alla fine del 9° ciclo di clock settando il bit
SSPIF;
g) l’utente carica il SSPBUF con 8 bit di dati;
83
h) il dato è shiftato fuori dal pin SDA fino a che tutti glil vengono trasmessi;
i) il modulo SSP shifta nel bit ACK del dispositivo slave, e scrive il suo valore nel
registro SSPCON2 (SSPCON2<6>);
j) il modulo SSP genera un interrupt alla fine del 9° coclo di clock settando il bit
SSPIF;
k) il programmatore genera una condizione di STOP settando lo “stop enable bit”,
PEN (SSPCON2<2>);
l) un interrupt viene generato appena la condizione di STOP è completa.
3.7.2
Baud Rate Generator
Nella modalità IIC, il valore per il BRG è messo nei 7 bit più bassi del registro
SSPADD (figura 3.24).
Figura 3.24: Schema a blocchi del baud rate generator [20]
Quando il BRG è ricaricato con questo valore, comincia a contare verso il basso
fino a 0 e si ferma quando è terminato un caricamento successivo. Nel modo master
il BRG viene ricaricato automaticamente. Se sta avendo luogo una arbitrazione
del clock, per esempio, il BRG sarà ricaricato fino a quando il pin SCL non verrà
campionato alto (figura 3.25).
84
Figura 3.25: Temporizzazioni del baud rate generator con arbitrazione del clock [20]
3.7.3
Temporizzazione della condizione di Start
Per iniziare una condizione di START il programmatore setta lo “Start condition
enable bit”, SEN (SSPCON2<0>). Se i pin SDA e SCL sono campionati alti, il
baud rate generator è ricaricato con il contenuto di SSPADD<6:0>, e comincia il
suo conteggio. Se SCL e SDA sono entrambi campionati alti quando il BRG finisce
il conteggio (TBRG ), il pin SDA è portato basso. L’azione dell’SDA portato basso
mentre SCL è alto rappresenta la condizione di START, e causa il settaggio del bit
S (SSPSTAT<3>). In seguito a questo, il baud rate generator è ricaricato con il
contenuto di SSPADD<6:0> e ricomincia il suo conteggio. Quando il BRG termina
il conteggio (TBRG ) il bit SEN (SSPCON2<0>) sarà automaticamente cancellato
dall’hardware ed esso è sospeso lasciando la linea SDA bassa. La condizione di
START è completa.
Se all’inizio della condizione di START i pin SDA e SCL sono già campionati
bassi, o se durante la condizione di START la linea SCL è campionata bassa, si
ha una collisione di bus: il bit di “Bus Collision Interrupt Flag”, BCLIF, viene
settato, la condizione di START è terminata e il modulo IIC viene resettato nello
stato IDLE.
Se il programmatore scrive il SSPBUF quando è in progressione una sequenza di
START, viene settato il bit il bit WCOL e il contenuto del buffer rimane inalterato.
Poiché non è permesso l’accodamento degli eventi, la scrittura sui 5 bit bassi di
SSPCON2 è disabilitata finché la condizione di START è completa.
85
Figura 3.26: Temporizzazione del 1° bit di start [20]
3.7.4
Temporizzazione della “condizione di start ripetuta”
Una condizione di START Ripetuta si ha quando il bit RSEN (SSPCON2<1>) è
programmato alto e il modulo logico IIC è nello stato IDLE. Quando il bit RSEN
è settato, il pin SCL è rivendicato basso, il baud rate generator è caricato con il
contenuto di SSPADD<5:0> e comincia il conteggio. Il pin SDA è liberato (portato
alto) per un conteggio del BRG (TBRG ). Quando il baud rate generator finisce,
se SDA è campionato alto, il pin SCL sarà rivendicato (portato alto). Quando
il pin SCL è campionato alto il baud rate generator è ricaricato con il contenuto
di SSPADD<6:0> e comincia il conteggio. SDA e SCL devono essere campionati
alti per un TBRG . Questa azione è allora seguita da una rivendicazione del pin SDA
(SDA=0) per un TBRG mentre SCL è alto. Dopo di ciò, il bit RSEN (SSPCON2<1>)
sarà automaticamente cancellato e il baud rate generator non ricaricato, lasciando
il pin SDA basso. Il bit S (SSPSTAT<3>) sarà settato non appena vine rilevata
una condizione di START sui pin SDA e SCL. Il bit SSPIF non sarà settato fino a
quando il baud rate generator viene spento.
Se RSEN è programmato mentre qualche altro evento è in progressione, non
produrrà effetti. Una collisione di bus durante durante una condizione di START
ripetuta può accadere se:
SDA è campionato basso quando SCL va da basso ad alto;
SCL va basso prima che SDA sia rivendicato basso. Questo può indicare che
un altro Master è in attesa di trasmettere un dato ‘1’.
Immediatamente dopo il settaggio del bit SSPIF, il programmatore può scrivere il
SSPBUF con 7 bit indirizzo nel modo a 7 bit, o il primo indirizzo di default nel
modo a 10 bit. Dopo che i primi 8 bit sono trasmessi ed un ACK ricevuto, il programmatore può allora trasmettere degli addizionali 8 bit di indirizzo (modo 10 bit)
86
o 8 bit di dato (modo 7 bit).
Figura 3.27: Forma d’onda di una condizione di start ripetuta [20]
3.7.5
Trasmissione nella modalità Master
La trasmissione di un byte dato, un indirizzo a 7 bit o la metà di un indirizzo a
10 bit è compiuto scrivendo semplicemente un valore sul registro SSPBUF. Questa
azione setterà il bit “Buffer Full Flag”, BF, e permetterà al baud rate generator
di cominciare il conteggio e iniziare la prossima trasmissione. Ciascun bit dell’indirizzo/dato sarà shiftato fuori dal pin SDA dopo il fronte di caduta di SCL che
è mantenuto basso per un conteggio di roll-over del baud rate generator (TBRG ).
Quando il pin SCL è liberato alto, esso è mantenuto cosı̀ per TBRG , il dato sul pin
SDA deve rimanere stabile per questa durata e qualche hold time dopo il prossimo
fronte di discesa di SCL. Dopo che l’ottavo bit è shiftato fuori (il fronte di discesa
dell’ottavo clock), il flag BF viene cancellato e il Master libera SDA permettendo
al dispositivo Slave attualmete indirizzato di rispondere con un bit ACK durante il
tempo del nono bit, se c’è un accopiamento di indirizzi o se il dato è propriamente
ricevuto. Lo stato di ACK viene scritto nel bit ACKDT sul fronte di discesa del
nono clock.
Se il master riceve un acknowledge, il “acknowledge status bit”, ACKSTAT, viene
cancellato, altrimenti il bit viene settato. Dopo il nono clock il bit SSPIF è settato e
il master clock (baud rate generator) è sospeso fino a che il prossimo byte dato viene
caricato nel SSPBUF lasciando SCL basso e SDA immutato (figura 3.28). Dopo la
scrittura in SSPBUF, ciascun bit di indirizzo sarà shiftato fuori sul fronte di discesa
di SCL fino a che tutti i 7 bit indirizzo e il bit R/W non sono completati. Sul fronte
di discesa dell’ottavo clock il master de-rivendicherà il pin SDA permettendo allo
87
slave di rispondere con un acknowledge. Sul fronte di discesa del nono clock il master
campionerà il pin SDA per vedere se l’indirizzo è stato recepito dallo slave. Lo stato
del bit ACK è caricato nel bit di stato ACKSTAT (SSPCON2<6>). Dopo il fronte
di discesa del nono clock di trasmissione dell’indirizzo, il bit SSPIF è settato, il flag
BF è cancellato, e il baud rate generator è spento fin quando un altra scrittura sul
SSPBUF ha luogo, mantenendo SCL basso e permettendo ad SDA di flottare.
Nel modo trasmettitore, il bit BF (SSPSTAT<0>) è settato quando la CPU
scrive sul SSPBUF e è cancellato quando tutti gli 8 bit sono shiftati fuori.
Se il programmatore scrive il SSPBF quando una trasmissione è già in progressione (i.e. SSPSR sta ancora shiftando fuori un byte dato), allora WCOL viene settato
e il contenuto del buffer rimane inalterato (la scrittura non avviene). WCOL deve
essere cancellato via software.
In trasmissione, il bit ACKSTAT (SSPCON2<6>) è cancellato quando lo Slave
ha inviato un acknowledge (ACK = 0), ed è settato quando lo Slave non restituisce
l’acknowledge (ACK = 1). Uno Slave invia un acknowledge quando ha recepito il
suo indirizzo (compresa una chiamata generale), oppure quando ha ricevuto il suo
dato senza errori.
3.7.6
Ricezione nella modalità Master
La ricezione nel modo master è abilitata programmando il “receive enable bit, RCEN
(SSPCON2<3>).
Il modulo SSP deve essere nello stato IDLE prima che il bit CREN sia settato,
oppure RCEN non verrà considerato. Il baud rate generator comincia il suo conteggio, e su ogni rollover, lo stato del pin SCL cambia (da alto a basso e da basso
ad alto), e il dato viene shiftato nel SSPSR. Dopo il fronte di discesa dell’ottavo
clock, il “receive enable flag” è automaticamente azzerato, il contenuto del SSPSR
viene caricato nel SSPBUF, il flag BF settato, il flag SSPIF settato e il baud rate
generator è sospeso dal conteggio mantenendo SCL basso. L’SSP è adesso nello
stato IDLE, aspettando il prossimo comando. quando il buffer è letto dalla CPU, il
BF viene automaticamente cancellato. L’utente può allora inviare un acknowledge
alla fine della ricezione settando il bit di “acknowledge sequence enable” ACKEN
(SSPCON2<4>) figura 3.29.
Nelle operazioni di ricezione il bit BF viene settato quando vengono caricati un
byte indirizzo o dato in SSPBUF dal registro SSPSR, viene azzerato quando viene
letto il registro SSPBUF. Il bit SSPOV viene settato quando vengono ricevuti 8
bit nel registro SSPSR, e il bit BF è già settato da una precedente ricezione. Se il
programmatore scrive il registro SSPBUF quando una ricezione è già in atto (i.e.
SSPSR sta ancora shiftando in un byte dato), allora il bit WCOL verrà settato ed
88
Figura 3.28: Temporizzazione della trasmissione a 7 o a 10 bit [20]
89
Figura 3.29: Temporizzazione della ricezione a 7 bit [20]
90
il contenuto del buffer rimarrà inalterato (non si ha scrittura).
3.7.7
Temporizzazione di una sequenza di Acknoweledge
Una sequenza di acknowledge è abilitata settando il bit di abilitazione sequenza di
acknowledge ACKEN (SSPCON2<4>). Quando questo bit è settato il pin SCL
è portato basso e il contenuto del acknowledge data bit è presentato sul bit SDA.
Se il programmatore vuole generare un acknowledge allora il bit ACKDT potrebbe
essere cancellato, altrimenti il programmatore potrebbe settare il bit ACK prima di
cominciare una sequenza di acknowledge. Il baud rate generator allora conta per una
periodo di rollover (TBRG ) e il pin SCL viene derivendicato (tirato alto). Quando il
pin SCL viene campionato alto (arbitrazione di clock) il baud rate generator conta
per TBRG . Il pin SCL è allora tirato basso. Dopo ciò il bit ACKEN è automaticamente cancellato, il baud rate generator è spento e il modulo SSP va nel modo
IDLE (figura 3.30).
Figura 3.30: Forma d’onda della sequenza di acknowledge [20]
Se il programmatore scrive il SSPBUF quando è in atto una sequenza di acknoledge il bit WCOL verrà settato ed il contenuto del buffere sarà inalterato.
91
3.7.8
Temporizzazione della condizione di Stop
Un bit di STOP è rivendicato sul pin SDA alla fine di una ricezione/trasmissione
settando il bit “Stop sequence enable” PEN (SSPCON2<2>). Alla fine di una
trasmissione ricezione la linea SCL è mantenuta bassa dopo dopo il fronte di discesa
del 9° clock. Quando il bit PEN è settato il master rivendicherà la linea SDA bassa.
Quando la linea SDA è campionata bassa il baud rate generator è ricaricato e conta
verso il basso fino a 0, finito il conteggio il pin SCL sarà portato alto ed un TBRG
(conteggio di rollover del BRG) dopo il pin SDA sarà derivendicato.
Quando il pin SDA è campionato alto mentre SCL è alto, il bit P (SSPSTAT<4>)
viene settato. Un TBRG dopo il bit PRN è cancellato e il bit SSPIF è settato (figura
3.31). Ogni volta che il firmware decide di prendere il controllo del bus esso stabilirà
per prima cosa se il bus è occupato testando i bit S e P nel registro SSPSTAT. Se il
bus è occupato allora la CPU può essere interrotta (notified) quando è rilevato un
bit di STOP (i.e. il bus è libero).
Figura 3.31: Condizione di STOP in ricezione o in trasmissione [20]
3.7.9
Arbitrazione del clock
Una arbitrazione di clock si ha quando il master, durante una ricezione/trasmissione,
o una condizione di START o di STOP ripetuto derivendica il pin SCL (SCL può
92
flottare alto), allora il baud rate generator (BRG) viene sospeso dal conteggio fino
a quando SCL è effettivamente campionato alto. In questo caso il BRG è caricato
con il contenuto di SSPADD<6:0> e comincia il conteggio. Cosı̀ si assicura che il
tempo alto del SCL sarà sempre almeno un conteggio di rollover del BRG nel caso
che il clock sia mantenuto basso da un dspositivo esterno (figura 3.32).
Figura 3.32: Arbitrazione di clock nella modalità trasmettitore master [20]
3.7.10
Considerazioni sulla connessione del bus I 2 C
Un dispositivo può essere collegato al bus IIC secondo la modalità mostrata in
figura 3.33 Per dispositivi bus IIC standard-mode, il valore dei resistori RP e RS
nella figura dipende dai seguenti parametri:
tensione di alimentazione;
capacità del bus;
numero di dispositivi connessi (corrante di ingresso + corrente di dispersione
(leakage)).
La tensione di alimentazione limita il minimo valore del resistore Rp dovuto
allo specificato limite della corrente di sink di 3 mA a VOLM AX = 0.4V per le
rappresentazioni di uscita specificate. Per esempio con una tensione di alimentazione
VDD = 5V ± 10% e VOLM AX = 0.4V a 3 mA, RP min = (5.5 − 0.4)/0.003 = 1.7kΩ.
Il margine di rumore desiderato di 0.1VDD per il livello basso, limita il massimo
valore di RS. I resistori sono opzionali e usati per migliorare la suscettibilità ESD.
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Figura 3.33: Esempio di un dispositivo sul bus IIC [20]
La capacità del bus è la capacità è la capacità totale del filo, delle connessioni e dei
pin, questa capacità limita il massimo valore di RP dovuto allo spaecificato tempo
di salita.
Dopo aver concluso l’analisi delle priferiche del PIC16F877 di particolare interesse per il progetto del nodo di sicurezza ci si potà occupare, nel seguente capitolo, della
sua programmazione dando una breve descrizione della programmazione assembly e
delle istruzioni specifiche del dispositivo.
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