Viide
Vajalikud teadmised: [HW] Kontrollermoodul, [AVR] Loendurid/Taimerid, [LIB] Sisend-väljundviigud, [LIB] Viide, [LIB] Taimerid
Teooria
Tihti on mikrokontrollerite programmis vaja tekitada viiteid, et tegevusi ajastada või nende lõppu oodata. Üks idee poolest lihtsamaid meetodeid mikrokontrolleri töös paus tekitada on selle protsessor mingi muu tegevusega üle koormata - näiteks panna see lugema suuri arve. Protsessori taktsagedusest saab välja arvutada, mitmeni see arve loendama peaks, et kindlat ajalist viidet tekitada. Mingi arvu loendamine nullist protsessori taktsageduse väärtuseni hertsides tekitaks teoreetiliselt viite üks sekund. Praktikas see erinevatel põhjustel päris nii lihtne ei ole.
Kui mikrokontrolleri protsessor arvutab arvudega, mille kahendkuju on sama lai kui selle sisemine siin (AVR puhul 8-bitti), siis protsessoritel võtab üks aritmeetiline tehe, näiteks arvu liitmine ühega, aega 1 protsessori töötakt. Selleks, et arvutada tuhandete või miljonitega, peab arv olema 16- või 32-bitine ja nende arvutamiseks kulub 8-bitistel protsessoritel rohkem kui 1 töötakt. Niisiis, suurte arvude puhul peab tundma protsessori sisemust - täpsemalt selle käsustikku. Kuna kõrgtaseme keeles (näiteks C-keeles) programmeerides ei kirjutata programmi otse käsustiku baasil, peab tarkvaralise viite tekitamiseks tundma ka kompilaatorit, mis programmi masinkoodi teisendab. Just sellest sõltub, mitu instruktsiooni (ja sellest tulenevalt mitu takti) kulub aritmeetilisteks arvutusteks. Keerukust lisab veel asjaolu, et kompilaator võib programmi masinkoodi teisendada mitut moodi - näiteks tehes masinkoodi võimalikult mälusäästlikuks või võimalikult kiiresti täidetavaks. Neid kompilaatori tegevusi nimetatakse optimeerimiseks. Erinevate optimeerimise režiimidega tulevad ka tarkvaralise viite masinkood ja selle ajaline kestus erinevad.
Praktika
Järgnevalt on toodud näide tarkvaralise viite tekitamisest AVR mikrokontrolleriga. Kirjutatud on C-keele programmilõik, mis loendab for-tsüklis muutujat x nullist sajani. Iga tsükli sees toimub ühe mittemidagitegeva tühiinstruktsiooni täitmine. Seda on seal vaja, kuna tsükli sisu tühjaks jättes optimeerib kompilaator tsükli programmist üldse välja, sest see on tema arvates kasutu.
unsigned char x; // Tsükkel seni kuni x on 100 for (x = 0; x < 100; x++) { // Tühiinstruktsiooniga nop asm volatile ("nop"); }
Siinkohal on aga toodud sama C-keele programmilõik pärast kompileerimist. Vasakpoolsed 2 heksadetsimaalarvu on masinkood ja paremal on assemblerkeeles käsk koos operandi(de)ga. Masinkood ja assemblerkeel on üks-üheselt seotud, assembler on lihtsalt masinkoodi inimesele loetaval kujul esitamiseks. Kompileerimisel on kasutatud programmi pikkuse optimeerimist (kompilaatori parameeter -Os).
80 e0 ldi r24, 0x00 ; r24 registrisse arvu 0 laadimine 00 00 nop ; Tühioperatsioon 8f 5f subi r24, 0xFF ; r24 registrist 255 lahutamine, ehk +1 liitmine 84 36 cpi r24, 0x64 ; r24 registri võrdlemine arvuga 100 e1 f7 brne .-8 ; Kui võrdlus oli väär, siis siire 8 baiti tagasi
Kompileeritud kujul on näha, mis tegelikult C-keele tsüklist saab, ja selle järgi saab arvutada, mitu takti ühe tsükli perioodi täitmiseks kulub. Infot instruktsioonide toime ja tööaja kohta leiab AVR käsustiku andmelehest. Antud näites kulub ühe tsükli perioodis 4 instruktsiooni täitmiseks 4 takti, sest kõik instruktsioonid võtavad ühe töötakti. Lisaks kulub enne tsüklit 1 takt laadimisinstruktsiooni jaoks ja tsüklist väljudes 1 lisatakt. Oletades, et kontrolleri töötakt on 14,7456 MHz, võib välja arvutada kogu programmilõigu tekitatud ajalise viite:
(1 + 100 ⋅ 4 + 1) / 14745600 = 27,26 μs
Näites tekitatud viide on mikrosekundites ja kasutatav muutuja on 8-bitine, seega on ka masinkood üsna lihtne. Selleks, et tekitada pausi millisekundites, on vaja loendada palju suuremaid arve ja siis läheb ka masinkood pikemaks. Võib kasutada ka üksteise sees töötavaid tsükleid, kuid selle meetodi puhul pole kogu viide lineaarses sõltuvuses tsüklite arvust, sest iga tsükli tasemega tekivad pisikesed lisaviited.
Käesoleva teooriaosa eesmärk ei ole siiski masinkoodi tasandil täpset tarkvaralist viidet tekitada, sest see on üsna peen töö ja pealegi on viite tekitamiseks avr-libc ja Kodulabori teegis juba funktsioonid olemas. Need kasutatakse ka järgmistes näidetes.
Tarkvaralise viite puhul on aga oluline teada, et hoolimata oma põhimõttelisest lihtsusest on see äärmiselt ebaefektiivne meetod energiatarbe seisukohast. Kõigil neil taktidel, mil mikrokontroller tegeleb kasutu loendamisega, kulub energiat. Patareidega rakenduses ei ole seega soovitatav pikki tarkvaralisi viiteid teha, vaid tuleks kasutada raudvaralisi taimereid, mis töötavad iseseisvalt ning äratavad protsessori uneolekust üles, kui on vaja tööd jätkata.
AVR loenduri väärtuse muutusega kaasnevad sündmused
Tarkvaraline viide pole ainus meetod pausi tekitamiseks. Sama asja saab teha ka taimeriga. Taimer on riistvaraline kindla sagedusega suurenev või vähenev loendur. Loenduri taktsignaali saab enamasti tekitada mikrokontrolleri töötaktist või mingist välisest taktist. Taktsignaali sagedust saab üldjuhul ka mingi teguriga jagada väiksem taktsageduse saavutamiseks - seda tehakse taktijaguriga, mida inglise keeles nimetatakse prescaler. Oluline on siinkohal siiski fakt, et fikseeritud taktsagedusega loenduri väärtus on lineaarses sõltuvuses ajast. Aja saab välja arvutada, korrutades loenduri taktisignaali perioodi loenduri väärtusega.
AVR loendurit saab panna teavitama loenduri ületäitumisest (inglise keeles overflow) või kindla väärtuse saavutamisest (inglise keeles compare match). Ületäitumine tekib hetkel, kui loendur on omistanud maksimaalse võimaliku väärtuse ja alustab uuesti nullist loendamist. Kindla väärtuse saavutamise puhul aga toimub loenduri suurendamise hetkel selle uue väärtuse võrdlemine kasutaja poolt määratud väärtusega. Sündmuse tekkimise korral seatakse AVR olekuregistrites vastavad bitid automaatselt kõrgeks.
Selleks, et taimeriga viide tekitada, piisabki vaid loenduri seadistamisest ja olekubiti kõrgeks minemise ootamisest. Erinevalt tarkvaralisest viitest ei sõltu taimerite töö kompilaatorist, mis teeb nende kasutamise töökindlamaks. Samas võib AVR loendurite mitmekesisuse (või ka segasuse) tõttu nende seadistamine üsna tülikas tunduda. Olenevalt mikrokontrolleri taktsignaalist võib ka juhtuda, et see ei jagu täpselt soovitud viite perioodiga ja viide ei ole täpne.
Järgnev programmikood käib tarkvaralise viite funktsiooni sw_delay_ms kohta, mis tekitab parameetriga count etteantud viite millisekundites. Funktsioon kasutab omakorda avr-libc teegi poolenisti assemblerkeeles kirjutatud funktsiooni _delay_ms. Põhjus, miks harjutuses pole kohe _delay_ms kasutatud, on selles, et _delay_ms puhul võivad pikkade viidetega probleemid tekkida. sw_delay_ms funktsioon võimaldab aga probleemideta kuni 65535 ms viidet.
// Tarkvaraline viide millisekundites void sw_delay_ms(unsigned short count) { // Viite muutuja nullini loendamine while (count-- > 0) { // 1 ms viide spetsiaalse funktsiooniga _delay_ms(1); } }
Toodud funktsiooni kasutamiseks on järgnev programm, mis tekitab lõputus tsüklis kaks viidet: 100 ms ja 900 ms. Lühema viite jooksul LED põleb ja pikema ajal on kustunud - tulemusena LED perioodiliselt vilgatab.
// Kodulabori tarkvaralise viite näidisprogramm // Programm vilgutab ~1 sekundi järel hetkeks LED-i #include <homelab/pin.h> #include <homelab/delay.h> // Põhiprogramm int main(void) { // LED-i viigu väljundiks seadmine pin_setup_output(led_debug); // Lõputu tsükkel while (1) { // LED-i süütamine pin_clear(led_debug); // Tarkvaraline paus 100 millisekundit sw_delay_ms(100); // LED-i kustutamine pin_set(led_debug); // Tarkvaraline paus 900 millisekundit sw_delay_ms(900); } }
Kuigi näib, et LED vilgatab tõesti 1 sekundi järel, on aeg tegelikult siiski natuke pikem, sest LED-i ja viite funktsioonide väljakutsumised võtavad ka mõned mikrokontrolleri taktid aega.
Järgnev programmikood on taimeril põhinev ehk riistvaraline viitefunktsioon, mida on natuke lihtsustatud. Loendamise põhimõte on sama, mis tarkvaralise viite funktsioonilgi - tekitatakse soovitud arv 1 ms pikkuseid viiteid. Viite tekitamiseks on kasutusel 8-bitine loendur 0. Eelnevalt on juba välja arvutatud, et 14,7456 MHz taktsageduse puhul peab loenduri taktsignaal olema vähemalt 64-ga jagatud, et 1 ms jooksul 8-bitine loendur üle ei täituks. See, mis väärtust loendur omama peab, et ületäitumine toimuks 1 ms järel, on esitatud avaldise kujul ja omistatud muutujale timer_start. F_CPU on makro-keele konstant, mis näitab taktsagedust hertsides. Nimetatud taktsageduse puhul peaks loenduri väärtus 25,6 olema, kuid kuna murdarve kasutada ei saa, siis loenduri algväärtuseks saab 26. Siin tekib paraku ka viga viite ajas, kuid see on üsna väike (-1,7 μs).
Tsüklis toimub loenduri algväärtustamine ja ületäitumise lipukese nullimine (sellesse 1 kirjutades). Seejärel oodatakse, kuni loendur loendab algväärtusest 256-ni, ehk ületäitumiseni. Ületäitumise hetkel läheb ületäitumise lipuke kõrgeks ja 1 ms viide ongi toimunud. Funktsiooni lõpus taimer peatatakse.
// Riistvaraline viide millisekundites ATmega kontrolleril void hw_delay_ms(unsigned short count) { // Taimeri algväärtuse arvutamine register unsigned char timer_start = 256 - F_CPU / 1000 / 64; // Taimeri käivitamine timer0_init_normal(TIMER0_PRESCALE_64); // Viite muutuja nullini loendamine while (count-- > 0) { // Taimeri algväärtustamine timer0_set_value(timer_start); // Ületäitumise lipukese nullimine timer0_overflow_flag_clear(); // Ületäitumise ootamine while (!timer0_overflow_flag_is_set()) { asm volatile ("nop"); } } // Ületäitumise lipukese nullimine timer0_overflow_flag_clear(); // Taimeri peatamine timer0_stop(); }
Esitatud viite funktsioon kasutab aga taimerite teeki, mille lähtekood ATmega kontrollerile näeb välja järgmine:
// Taimer 0 taktijaguri valiku tüüp typedef enum { TIMER0_NO_PRESCALE = 0x01, TIMER0_PRESCALE_8 = 0x02, TIMER0_PRESCALE_32 = 0x03, TIMER0_PRESCALE_64 = 0x04, TIMER0_PRESCALE_128 = 0x05, TIMER0_PRESCALE_256 = 0x06, TIMER0_PRESCALE_1024 = 0x07 } timer0_prescale; // Taimer 0 normaalrežiimi seadistamine inline void timer0_init_normal(timer0_prescale prescale) { TCCR0 = prescale & 0x07; } // Taimer 0 peatamine inline void timer0_stop() { TCCR0 = 0x00; } // Taimer 0 loenduri väärtuse määramine inline void timer0_set_value(unsigned char value) { TCNT0 = value; } // Taimer 0 ületäitumise lipukese nullimine inline void timer0_overflow_flag_clear(void) { bit_set(TIFR, TOV0); } // Taimer 0 ületäitumise lipukese oleku lugemine inline bool timer0_overflow_flag_is_set(void) { return (bit_is_set(TIFR, TOV0) ? true : false); }
Järgnevalt on toodud samasugune programm nagu tarkvaralise viite näiteski. Lühemal 100 ms poolperioodil LED süüdatakse, pikemal 900 ms poolperioodil kustutatakse. Tulemusena vilgatab LED iga sekundi järel. Paraku pole ka selles näites periood täpselt 1 sekund, sest programmi muude funktsioonide täitmine igas tsüklis võtab samuti aega. Täpseks ajastuseks tuleb kasutada 16-bitist taimerit koos katkestustega.
// Kodulabori riistvaralise viite näidisprogramm // Programm vilgutab ~1 sekundi järel hetkeks LED-i (led_debug) #include <homelab/pin.h> #include <homelab/delay.h> // Põhiprogramm int main(void) { // LED-i viigu väljundiks seadmine pin_setup_output(led_debug); // Lõputu tsükkel while (1) { // LED-i süütamine pin_clear(led_debug); // Riistvaraline paus 100 millisekundit hw_delay_ms(100); // LED-i kustutamine pin_set(led_debug); // Riistvaraline paus 900 millisekundit hw_delay_ms(900); } }
