capitol 7

SISTEME CU MICROPROCESOARE. MICROCONTROLERUL PIC18F4455

119

7. TEMPORIZĂRI SOFTWARE

Cuprins

Introducere

Obiective

7.1 TIMPII DE EXECUŢIE AI INSTRUCŢIUNILOR

7.2 IMPLEMENTAREA ÎNTÂRZIERILOR

7.2.1 Temporizare de 1 microsecundă

7.2.2 Temporizare de 1 milisecundă

Concluzii

Întrebări de autoevaluare

Termeni esenţiali

TEMPORIZĂRI SOFTWARE

120

Introducere

Realizarea temporizărilor este esenţială în cadrul oricărui sistem de calcul

bazat pe microcontrolere. În contextul în care microcontrolerele

funcţionează la nivel de microsecundă, obţinerea unor temporizări chiar la

nivel de milisecundă are mai multe posibilităţi de implementare.

Cea mai simplă modalitate de realizare a unei temporizări este prin

utilizarea instrucţiunilor, sau mai bine zis a timpului de execuţie al

acestora. În acest capitol se vor studia mecanismele prin care se pot

genera temporizări la nivelul milisecundelor sau chiar al secundelor

utilizând instrucţiuni care izolate nu necesită mai mult de 0.2

microsecunde pentru execuţie.

Obiective

După parcurgerea acestui capitol cursantul va trebui:

- să înţeleagă principiul pe baza căruia se obţin întârzierile software;

- să poată implementa rutine de întârziere cu diferite durate;

- să poată adapta rutinele de întârziere prezentate pentru alte valori

ale frecvenţei de lucru;

- să utilizeze rutinele de întârziere în diferite aplicaţii care necesită

temporizări.

7.1 TIMPII DE EXECUŢIE AI INSTRUCŢIUNILOR

Timpul de execuţie al unei instrucţiuni este direct proporţional cu frecvenţa de lucru.

Aceeaşi instrucţiune se va executa mai repede pe sisteme care dispun de o frecvenţă de lucru

mai mare. Tactul de execuţie al instrucţiunilor şi de funcţionare al modulelor interne este

generat pe baza frecvenţei de oscilaţie produsă fie de un oscilator extern (ex. cristal de cuarţ)

conectat la pinii microcontrolerului, fie de oscilatorul intern al microcontrolerului, selectat

prin registrul OSCCON. În ambele cazuri, tactul de oscilaţie este divizat cu 4 pentru asigurarea

celor 4 microcicluri de prelucrare a instrucţiunilor (vezi Capitolul 1).[8]

Arhitectura bazată pe pipeline-ul de două nivele pentru execuţia instrucţiunilor asigură

faptul că durata unui ciclu instrucţiune este egală cu 4 tacţi de oscilaţie.

OSCOSCC F

TT 44 ==

Majoritatea instrucţiunilor microcontrolerului se executâ într-un timp egal cu durata

unui ciclu instrucţiune TC. Există totuşi câteva excepţii care necesită un timp de execuţie mai


121

lung. Aceste excepţii cuprind instrucţiunile care modifică valoarea numărătorului de program

(ex. instrucţiunile de salt) sau instrucţiunile lungi (reprezentate pe 4 octeţi) care nu pot fi

extrase din memorie într-o singură fază. Pentru aceste instrucţiuni timpul de execuţie poate fi

egal cu două sau trei cicluri instrucţiune.

În Tabelul 7.1 sunt prezentate instrucţiunile al căror timp de execuţie este variabil sau

este mai mare decât TC. Durata timpilor de execuţie pentru toate instrucţiunile este cuprinsă în

tabelele prezentate în Capitolul 2.

Tabel 7.1.Timpii de execuţie ai instrucţiunilor

Instrucţiune Timp de execuţie Descriere

Instrucţiuni de mutare

MOVFF 2TC Instrucţiune lungă de 32 de biţi

LFSR 2TC Instrucţiune lungă de 32 de biţi

Instrucţiuni de comparaţie şi salt

CPFSEQ TC sau 2TC sau 3TC

CPFSGT TC sau 2TC sau 3TC

CPFSLT TC sau 2TC sau 3TC

DECFSZ TC sau 2TC sau 3TC

DCFSNZ TC sau 2TC sau 3TC

INCFSZ TC sau 2TC sau 3TC

INFSNZ TC sau 2TC sau 3TC

TSTSFZ TC sau 2TC sau 3TC

BTFSC TC sau 2TC sau 3TC

BTFSS TC sau 2TC sau 3TC

TC – fără salt;

2TC – cu salt peste instrucţiune de 16 biţi

3TC – cu salt peste instrucţiune de 32 biţi

Instrucţiuni de salt

BC TC sau 2TC

BN TC sau 2TC

BNC TC sau 2TC

BNN TC sau 2TC

BNOV TC sau 2TC

BNZ TC sau 2TC

BOV TC sau 2TC

BZ TC sau 2TC

TC – fără salt;

2TC – cu salt

BRA 2TC Salt necondiţionat

GOTO 2TC Instrucţiune lungă de 32 de biţi. Salt necondiţionat

Instrucţiuni de apel de subrutină

CALL 2TC Instrucţiune lungă de 32 de biţi cu salt / apel

RCALL 2TC Apel de subrutina = salt la o adresă din memorie


122

Tabel 7.1.Timpii de execuţie ai instrucţiunilor (continuare)

Instrucţiune Timp de execuţie Descriere Instrucţiuni de revenire din subrutină

RETURN 2TC

RETFIE 2TC

RETLW 2TC

Instrucţiuni tabelare

Revenire din subrutină = salt la adresa de

revenire din subrutină (se modifică PC)

TBLRD* 2TC C1: citire memorie, C2: scriere TABLAT

TBLWT* 2TC C1: citire TABLAT, C2: scriere memorie

Analizând Tabelul 7.1 se poate observa că instrucţiuni simple precum MOLW, BSF sau

CLRF se execută într-un timp egal cu durata unui ciclu instrucţiune TC, pe când instrucţiunile

lungi, cele de salt necondiţionat, cele de apel şi revenire din subrutină şi instrucţiunile tabelare

se execută într-un timp dublu egal cu durata a două cicluri instrucţiune 2TC. Pe de altă parte

există o serie de instrucţiuni care realizează salturi condiţionate ale căror timpi de execuţie

depind de context. Cazul unei asemenea instrucţiuni va fi analizat în exemplul următor.

Exemplu

Să analizăm timpul de execuţie al instrucţiunii CPFSEQ. Se consideră cele trei

cazuri posibile evidenţiate în Fig. 7.1.

Fig. 7.1. Timpii de execuţie ai instrucţiunii CPFSEQ

În cazul a. condiţia de salt nu este îndeplinită, iar instrucţiunea CPFSEQ se

execută într-un timp TC.

În cazul b. condiţia de salt este îndeplinită, trebuie să se realizeze saltul peste

o instrucţiune scurtă (ex. BCF), iar instrucţiunea CPFSEQ se execută într-un

timp 2TC.

În cazul c. condiţia de salt este îndeplinită, trebuie să se realizeze saltul peste


123

o instrucţiune lungă (ex. GOTO), iar instrucţiunea CPFSEQ se execută într-un

timp 3TC.

După cum s-a menţionat anterior, durata unui ciclu instrucţiune depinde de frecvenţa

de lucru a microcontrolerului. Fără a cunoaşte cu exactitate această frecvenţă de oscilaţie nu

putem calcula cu exactitate durata unui ciclu instrucţiune TC şi astfel nu putem şti care este

timpul necesar execuţiei instrucţiunilor.

Întrucât microcontrolerele suportă numeroase frecvenţe de lucru vom analiza două

valori frecvent întâlnite în practică: FOSC=4MHz, respective FOSC = 20MHz. Pornind de la

aceste două valori rezultă următoarea durată a unui ciclu instrucţiune:

sMHzF

TT

sMHzF

TT

OSCOSCC

OSCOSCC

μ====

μ====

2.020

444

14

444

În aceste condiţii, în cazul unui microcontroler care dispune de un oscilator cu

frecvenţa de oscilaţie de 20MHz, instrucţiunea CPFSEQ, analizată anterior va fi executată în

0.2μs, 0.4μs sau 0.6μs în funcţie de contextul în care aceasta este executată. Având

posibilitatea de a calcula timpul necesar execuţiei fiecărei instrucţiuni putem proiecta

subrutine sau secţiuni de cod care se vor executa într-un anumit timp, implementând astfel

întârzieri software.

7.2 IMPLEMENTAREA ÎNTÂRZIERILOR

În contextul celor prezentate anterior, în aceast paragraf se vor prezenta câteva

exemple pentru implementarea unor temporizări uzuale.

7.2.1 Temporizare de 1 microsecundă

În cazul unei frecvenţe de lucru de 4MHz, temporizarea de 1 microsecundă poate lua

forma unui apel a instrucţiunii NOP. Această instrucţiune nu realizează nici o operaţie,

execuţia ei nu modifică nici un registru, ci doar consumă timpul procesorului.

Din cauza setului de instrucţiuni disponibil o temporizare la nivel de microsecundă are

moduri multiple de implementare. Practic, în cazul FOSC=4MHz orice instrucţiune scurtă se va

executa în timp de 1μs.


124

De regulă, se recomandă ca o temporizare să poată fi utilizată cât mai uşor şi să

asigure o interfaţă care să ascundă detaliile legate de implementare. Astfel, de obicei

temporizarea trebuie să ia forma unei rutine. Astfel, un exemplu de rutină care produce o

întârziere de 1 microsecundă în cazul unei frecvenţe de lucru de 20MHz este următorul:

Delay1us:

NOP ;0.2us RETURN ;0.4us […] CALL Delay1us ;0.4us

În exemplul anterior, timpul necesar execuţiei rutinei Delay1us se calculează în

felul următor:

∆(Delay1us) = ∆(CALL) + ∆(NOP) + ∆(RETURN) = 0.4μs + 0.2μs + 0.4μs = 1μs

În rutina Delay1Micro s-a utilizat instrucţiunea NOP deoarece aceasta nu afectează

nici un registru. Astfel, rutina creată poate fi utilizată în orice context de execuţie. Desigur, în

locul instrucţiunii NOP se poate utiliza orice altă instrucţiune care să se execute în 0.2μs, dacă

se iau în considerare şi efectele posibile ale instrucţiunii incluse în rutină.

Exemplu

Să se genereze în mod repetat pe PORTA<0> un tren de impulsuri de forma

urmatoare:

Fig. 7.2. Tren de impulsuri

Pentru a rezolva această cerinţă, trebuie configurat portul A, astfel încât

bitul 0 să fie de ieşire. Mai este necesară definirea unor subrutine pentru

temporizările implicate. Apelul acestor subrutine, corelat cu seterea şi

resetarea bitului de ieşire conduc la obţinerea funcţionalităţii dorite.

Următorul cod sursă cuprinde rezolvarea acestei probleme.[8]


125

#include “P18F4455.INC” ORG 0x800 ;salt peste suburutine la programul principal

GOTO Main Delay1us: ;0.2us+0.4us+CALL = 1us

NOP RETURN

Delay2us: ;1us+0.2us+0.4us+CALL = 2us

CALL Delay1us NOP RETURN

Delay3us: ;2us+0.2us+0.4us+CALL = 3us

CALL Delay2us NOP RETURN

Delay5us: ;1us+3us+0.2us+0.4us+CALL = 5us

CALL Delay1us CALL Delay3us NOP RETURN

Main: ; iniţializare port

CLRF PORTA BCF TRISA, 0

Bucla_main: ;Generarea impulsurilor

BSF PORTA, 0 CALL Delay2us BCF PORTA, 0 CALL Delay2us BSF PORTA, 0 CALL Delay3us BCF PORTA, 0 CALL Delay1us BSF PORTA, 0 CALL Delay1us BCF PORTA, 0 CALL Delay1us BSF PORTA, 0 CALL Delay5us BCF PORTA, 0 CALL Delay1us GOTO Bucla_main ;Reluarea ciclului

END


126

7.2.2 Temporizare de 1 milisecundă

După cum s-a văzut până acum implementarea unei întârzieri software constă pur şi

simplu din consumarea timpului procesorului prin lipsa unor operaţii pe durata de timp dorită.

O altă modalitate de a realiza acest lucru constă în consumarea timpului cu decrementarea

unei variabile de la o valoare prestabilită spre 0, după cum se poate vedea în Fig. 7.3. Prin

alegerea unei valori adecvate pentru valoarea iniţială, se poate obţine întârzierea dorită.

Bineînţeles, această întârziere depinde de frecvenţa de lucru a microcontrolerului. Pentru acest

exemplu vom considera FOSC = 4MHz care determină un ciclu instrucţiune cu durata TC=1μs.

Fig. 7.3. Întârziere de o milisecundă obţinută prin decrementarea unui contor

Subrutina următoare conţine implementarea întârzierii cu durata de 1 milisecundă în

cazul FOSC = 4MHz.

N EQU d’249’ Delay1ms:

MOVLW N ;1us Bucla1ms:

DECF WREG ;N*1us NOP ;N*1us BNZ Bucla1ms ;(N-1)*2us+1us RETURN ;2us

[…]

CALL Delay1ms ;2us


127

Timpul necesar execuţiei rutinei Delay1ms se calculează în felul următor:

∆(Delay1ms)= ∆(MOVLW) + N·(∆(DECF)+ ∆(NOP)) +(N-1)·∆(BNZ)cu salt + ∆(BNZ)fără salt

+ ∆(RETURN) + ∆(CALL) = 1μs+249·(1μs+1μs)+248·2μs+1μs+2μs+2μs=1000μs=1ms

Pentru a ajunge la o temporizare de 1 milisecundă în cazul FOSC = 20MHz se poate

utiliza codul următor:

N EQU d’217’ Delay1ms:

MOVLW N ;0.2us Bucla1ms:

CALL Delay1us ;N*1us CALL Delay1us ;N*1us CALL Delay1us ;N*1us CALL Delay1us ;N*1us DECFSZ WREG,W ;(N-1)*0.2us+0.6us GOTO Bucla1ms ;(N-1)*0.4us NOP ;0.2us NOP ;0.2us NOP ;0.2us NOP ;0.2us RETURN ;0.4us

[…]

CALL Delay1ms ;0.4us

Durata întârzierii atinse se calculează în felul următor:

∆(Delay1ms) = ∆(MOVLW) + (N-1)·( 4·∆(Delay1us) + ∆(DECFSZ)fără salt + ∆(GOTO) ) +

4·∆(Delay1us) + ∆(DECFSZ)cu salt + 4·∆(NOP) + ∆(RETURN)+ ∆(CALL) = 0.2μs + (217 -

1)·(4·1μs + 0.2μs + 0.4μs) + 4·1μs + 0.6μs + 4·0.2μs + 0.4μs + 0.4μs = 1000μs=1ms

În implementarea subrutinei de mai sus s-a considerat definită în prealabil subrutina

Delay1us conform celor prezentate în paragraful 4.2.1.

Pornind de la rutina care implementează întârzierea de o milisecundă se pot

implementa alte subrutine pentru obţinerea unor temporizări cu durată mai mare. În funcţie de

specificul aplicaţiilor implementate, aceste temporizări pot fi mai mult sau mai puţin exacte.

Exemplul următor detaliază acest lucru.


128

Exemplu

Se doreşte implementarea unei subrutine care realizează o temporizare cu

durata de 100ms. În mod obişnuit o asemenea temporizare s-ar putea obţine

prin apelul repetat de o sută de ori al subrutinei Delay1ms implementată

anterior, conform Fig. 7.4.

Fig. 7.4. Întârziere de 100ms

Subrutina următoare ar putea reprezenta o soluţie la această problemă

Contor EQU 0x00 Delay100ms:

MOVLW d’100’ ;0.2us MOVWF Contor ;0.2us

Bucla100ms: CALL Delay1ms ;100*1ms DECFSZ Contor, F ;(100-1)*0.2us+0.6us GOTO Bucla ;(100-1)*0.4us RETURN ;0.4us

[…]

CALL Delay100ms ;0.4us

Calculând durata întârzierii obţinute prin utilizarea acestei subrutine

obţinem ∆(Delay100ms)=100061.2μs=100.0612ms. Întârzierea astfel

obţinută nu este într-u totul exactă, dar abaterea faţă de valoarea dorită este

nesemnificativă. În general, asemenea abateri nu influenţează aplicaţiile

care necesită temporizări cu un astfel de ordin de mărime (zeci, sute de

milisecunde).


129

Una din problemele frecvent întâlnite în aplicaţiile pentru microcontrolere este

problema eliminării oscilaţiilor apărute la apăsarea sau eliberarea unui buton în vederea

detectării frontului crescător sau descrescător.

Detectarea apăsării unui buton necesită o atenţie deosebită deoarece o serie de

elemente fizice influenţează direct semnalul rezultat. Întrucât contactele unui buton (sau

releu) nu se închid perfect instantaneu la fiecare apăsare, semnalul rezultat va prezenta foarte

multe zgomote / oscilaţii imediat după apăsare, zgomote care sunt percepute de

microcontroler ca apăsări succesive ale butonului.

În Fig. 7.5 se exemplifică acest fenomen.

Fig. 7.5. Oscilaţii la apăsarea / eliberarea butoanelor

Intervalul de stabilizare al semnalului poate varia foarte mult în funcţie de tipul

butonului şi caracteristicile apăsării efectuate (ex. o apăsare lentă sau una rapidă). Tocmai din

această cauză, înainte de a trece la implementare, se recomandă determinarea acestui interval

de stabilizare cu ajutorul unui osciloscop (Fig. 7.6). De regulă butoanele uzuale au acest

interval cuprins între 200μs şi 10ms.

Fig. 7.6. Vizualizarea pe osciloscop a oscilaţiilor apărute la eliberarea unui buton


130

Eliminarea oscilaţiilor din intervalul de stabilizare se face prin program relativ simplu.

Ideea de bază este de a citi periodic (eşantiona) semnalul care provine de la buton şi de a filtra

zgomotele produse. Există mai multe abordări privind rezolvarea acestei probleme. Una dintre

ele presupune utilizarea unui contor pentru a determina durata de timp în care semnalul a fost

în stare logică ‘0’. Dacă semnalul respectiv a fost ’0’ continuu o anumită durată de timp,

atunci acel semnal poate fi considerat stabil, iar butonul apăsat. Practic, la apariţia unui front

de apăsare se aşteaptă un timp ∆t în care alte fronturi nu se iau în considerare. După expirarea

acestui interval se poate considera că a avut loc o apăsare.

Exemplul următor oferă o soluţie la această problemă.

Exemplu

Se consideră un buton conectat la PORTD<0> al unui microcontroler cu

frecvenţa de lucru FOSC=20MHz. La apăsarea butonului, pe pinul portului se

va citi valoarea 0 logic. Se consideră intervalul de stabilizare al semnalului

provenit de la buton având durata ∆t=10ms. De asemenea, se mai consideră

ca fiind definite anterior: subrutina de iniţializare a portului Init_port,

subrutina de o microsecundă Delay1us şi subrutina de o milisecundă

Delay1ms.

Se cere să se determine apariţia frontului ca urmare a apăsării butonului şi

să se elimine oscilaţiile apărute.

Fig. 7.7. Eliminarea oscilaţiilor din intervalul de stabilizare


131

În Fig. 7.7 se prezintă algoritmul utilizat pentru eliminarea oscilaţiilor

apărute în intervalul de stabilizare a semnalului provenit de la buton ca

urmare a apăsării acestui.

Programul va sta într-o buclă de testare / eşantionare a semnalului provenit

de la buton până se va detecta o apăsare (semnalul va fi 0 logic). Dacă după

∆t=10ms butonul continuă să fie apăsat, atunci apăsarea se va considera ca

fiind validă, iar programul va continua. Dacă după ∆t=10ms butonul nu este

apăsat (semnalul este 1 logic) atunci se consideră că la prima testare au fost

detectate doar niste oscilaţii care nu trebuie interpretate ca fiind apăsări

valide ale butonului.

Programul utilizează o variablilă denumită Front utilizată pentru a marca

starea semnalului de intrare de pe port între cele două testări succesive. La

apariţia unei apăsări valide variabila Front se va schimba din 0x00 în

0xFF, în caz contrar îşi va păstra starea avută iniţial.

Front EQU 0x00 Contor10ms EQU 0x01

GOTO Main ;salt peste subrutine […]

Delay10ms: ;subrutina de 10ms

MOVLW d’10’ MOVWF Contor10ms

Bucla10ms: CALL Delay1ms DECFSZ Contor10ms,F GOTO Bucla10ms RETURN […]

Main: ;programul principal

CALL Init_port ;iniţializare porturi CLRF Front ;Front=0x00

Test_btn: ;testare buton

BTFSS PORTD,0 GOTO Buton_apasat GOTO Test_btn

Buton_apasat:

CALL Delay10ms ;aştept ∆t=10ms MOVF Front, W ;salvez starea anterioară


132

BTFSS PORTD,0 ;a 2-a testare a butonului SETF Front ;apăsare validă. Front=0x00 CLRF Front ;apăsare invalidă. Front=0xFF

Test_front: ;testare front CPFSGT front GOTO Front_detectat GOTO Test_btn

Front_detectat:

[…] ;acţiuni efectuate la ;detectarea unei apăsări ;valide

Concluzii

Una dintre cele mai accesibile metode de a reliza temporizări presupune

utilizarea timpului de execuţie al instrucţiunilor. Dacă se cunoaşte durata

acestui timp se pot proiecta subrutine sau secţiuni de cod care

implementează întârzieri software cu diferite durate.

Întârzierile software reprezintă o soluţie de realizare a temporizărilor care

este disponibilă în cazul tuturor microcontrolerelor pentru care se

cunoaşte timpul de execuţie al instrucţiunilor.

1. Ce este o întârziere software?

2. În ce condiţii timpul de execuţie al instrucţiunii DECFSZ este TC,

sau 2TC sau 3TC?

3. Care este durata unui ciclu instrucţiune în cazul utilizării unei

frecvenţe de lucru de 48MHz?

4. Cum s-ar implementa o subrutină care implementează o întârziere

cu durata de 1μs în cazul utilizării unei frecvenţe de lucru de

48MHz?

5. În cazul subrutinei de 100ms implementată în acest curs, cât ar fi

abaterea obţinută dacă instrucţiunea Delay1us ar implementa de

fapt o întârziere de 1.2μs?

6. De ce apar oscilaţii la apăsarea butoanelor?

Întrebări de autoevaluare

7. De ce instrucţiunea MOVFF se execută într-un timp de 2TC?


133

Termeni esenţiali

Ciclu instrucţiune

Durata de timp egală cu 4TOSC a fazelor instrucţiunii

Instrucţiuni

Comenzi codificate binar pe care le execută UCP

Întârziere software

Temporizare realizată pe baza timpului de execuţie al instrucţiunilor

Pipeline

Tehnică utilizată pentru a creşte numărul de instrucţiuni care pot fi

executate în unitatea de timp. Pipeline-ul nu reduce timpul necesar

execuţiei unei instrucţiuni, ci creşte numărul de instrucţiuni care pot fi

procesate simultan

Subrutină

Structură de organizare a programelor care ia forma unor instrucţiuni

cuprinse între o etichetă şi o instrucţiune de revenire din subrutină.

Unitate independentă de program, plasată în memorie în altă zonă decât

programul principal

capitol 7

Documents