Среднечастотный частотомер на AVR. Часть 1, динамическая индикация.

  Давно хотелось иметь функциональный генератор с приличными характеристиками и не фантастической сложностью. Поэтому на Ali был прикуплен чип XR-2206, поиском по инету найдена схема генератора — XR-2206 5Hz to 300kHz Function Generator. Конструкция достаточно хорошо проработана и описана.
  Собственно к схеме генератора претензий нет, некоторые вещи я бы сделал по другому, но это потом в процессе изготовления. Мне сразу не понравилась цифровая шкала генератора (там же, страница 2). Его программа представляет сборку из скетчей Arduino, я их не понимаю и не горю желанием изучать. Да и применение ATmega328 мне показалось неоправданно жирным. Короче решил спроектировать свою цифровую шкалу на ATmega8A. Результат представляю вашему вниманию, код написан на ассемблере AVR в среде AVR Studio 4.19.

  Принцип электронно-счетного способа измерения частоты заключается в непосредственном подсчете кол-ва импульсов измеряемой частоты за образцовый период времени. Частота и время являются обратными величинами и связаны формулой F = 1 / T, где частота представлена в герцах, а время в секундах.
  В данном измерителе образцовый период времени равен 1 сек, кол-во подсчитаных за этот период импульсов будет равно измеряемой частоте в герцах.
  Формирователем образцового периода является Таймер 2, работающий в асинхронном режиме от «часового» кварца 32768 Hz. Контроллер тактируется от внутреннего RC-генератора частотой 8 MHz. Максимальная частота измеряемых импульсов при этом равна 8 / 2,5 = 3,2 MHz.
По классификации DIHALT программа представляет собой «Флаговый автомат + прерывания».
  Я буду приводить куски программы с описанием для лучшего понимания работы. Полные исходники можно скачать в конце статьи. К исходникам приложен проект Proteus 7.10 с симуляцией работы программы. Статья описывает особенности примененных кодовых решений, схемотехническое построение и схему подключения можно посмотреть на схеме Proteus. Сразу скажу, на схеме Proteus могут отсутствовать некоторые детали, не нужные для симуляции, но обязательные при изготовлении конструкции. Но ориентироваться на нее можно, тем более статья не расчитана на новичков в схемотехнике AVR, больше на программистов.

  Проект включает файл макросов FQMacros.inc. Применение макросов для RISC контроллеров делает текст проекта короче и более удобочитаемым. Содержание:

;------ MACROS -----------------------------------------------------------------;
; OUTI	@0 (константа)
.MACRO  OUTI                        ; вывод константы в порт
    LDI   Temp, @1                  ;
    OUT   @0, Temp                  ;
.ENDM
;
; LDIL	@0 (регистр (R0..R15)), @1 (константа)
.MACRO  LDIL                        ; загрузка константы в младший регистр
    LDI   Temp, @1                  ;
    MOV   @0, Temp                  ;
.ENDM
;
; LDIZ @0 (адрес памяти программ (слово))
.MACRO  LDIZ                        ; загрузка адреса перед LPM
    LDI   ZL, Low(@0*2)             ;
    LDI   ZH, High(@0*2)            ;
.ENDM
;
; LDIDX @0 (индексный регистр X, Y, Z), @1 (адрес (слово))
.MACRO  LDIDX                       ; загрузка адреса в индексный регистр
    LDI   @0L, Low(@1)              ;
    LDI   @0H, High(@1)             ;
.ENDM
;
; ADIDX @0 (индексный регистр X, Y, Z), @1 (регистр)
.MACRO  ADIDX                       ; сложение адреса со смещением
    ADD   @0L, @1                   ;
    LDI   Temp, 0x00                ;
    ADC   @0H, Temp                 ;
.ENDM

  Из названия классификации понятно, что логика работы флагового автомата построена на работе с флагами. Под флагом понимается логический примитив, который может принимать два состояния — выключен/включен. В двоичной логике это бит.
  И хотя в AVR нет полноценного битового процессора (как в MCS-51), построить флаговый автомат не так сложно. Принцип один и тот же, различается реализация.

;------ Предназначение регистров -----------------------------------------------;
.DEF    Counter     = R0            ; Счетчик динамической индикации
.DEF    FxOVF       = R1            ; Старший байт частоты (счетный)
.DEF    Safe        = R16           ; Сохранение SREG в прерывании
.DEF    Temp        = R17           ; Временный регистр
.DEF    Cycler      = R18           ; Временный регистр
.DEF    BITx1       = R19           ; Битовый регистр
.EQU    MRK_BCD     = 0             ; Флаг преобразования PackBCD <- BIN
.EQU    MRK_B2B     = 1             ; Флаг преобразования UnpackBCD <- PackBCD
.EQU    MRK_Symb    = 2             ; Флаг преобразования Symbols code <- UnpackBCD
.EQU    MRK_Key     = 6             ; Флаг опроса клавиатуры
.EQU    MRK_Dyn     = 7             ; Флaг обновления динамической индикации

Битовый регистр BITx1 назначен из «верхних» регистров как работающий со всеми командами AVR. Тут же предопределены и флаги.

Задействованы прерывания всех трех имеющихся таймеров ATMega8A:

• Таймер 0, восьмиразрядный, выполняет функцию системного таймера для управления динамической индикацией. При частоте контроллера 8 МГц и предделителе 64 частота прерываний ~488 Гц (флаг MRK_Dyn), что дает обновление с частотой ~61 Гц для каждого разряда (при задействованных 8 разрядах). Если задействованы 7 разрядов, каждый разряд будет обновляться с частотой ~70 Гц и т.д.
• Таймер 1, шестнадцатиразрядный, выполняет функцию счета импульсов с внешнего входа. Т.к. шестнадцатиразрядный счетчик может вместить не более 65536 импульсов, он программно расширен еще на 8 разрядов (FxOVF, в сумме 24 разряда), что дает емкость 16777216 импульсов. В данном случае это более чем достаточно, т.к. частота на входе таймера ограничена 2,5 тактовой (3,2 МГц), что дает 3200000 импульсов. Таким образом подсчет импульсов измеряемой частоты производится аппаратно шестнадцатиразрядным таймером, при переполнении его прерывание инкрементирует дополнительный регистр.
• Таймер 2, восьмиразрядный, выполняет функцию формирования измерительного интервала. Для этого к нему подключен «часовой» кварц 32768 Гц, что при предделителе 128 позволяет получить импульсы с частотой 1 Гц. Прерывание переносит результат измерений из рабочих регистров в ОЗУ, обнуляет рабочие счетные регистры, устанавливает флаг готовности результата измерений (MRK_BCD) и перед новым измерением обнуляет свой регистр и предделитель. Начинается новое измерение, предыдущее обрабатывается флаговым автоматом.

Таким образом программа имеет три независимые ветви (потока) выполнения:

1. Регенерация динамической индикации по прерыванию таймера 0 (~488 Гц).
2. Инкремент старшего байта счетного регистра по прерыванию таймера 1 (~49 Гц при входной частоте 3,2 МГц).
3. Перенос содержимого счетного регистра в ОЗУ и обработка входных данных по прерыванию таймера 2 (1 Гц).

;------ Таблица прерываний------------------------------------------------------;
.CSEG
;------ Начальная инициализация ------------------------------------------------;
.ORG 0                              ; 0x0000
    RJMP   _Reset                   ; Power-on Reset   
;------ Прерывание таймера 2 ---------------------------------------------------;
.ORG OVF2addr                       ; 0x0004 (в словах)
    RJMP   OVF2_VECTOR              ; Timer/Counter2 Overflow
;------ Прерывание таймера 1 ---------------------------------------------------;
.ORG OVF1addr                       ; 0x0008 (в словах)
    RJMP   OVF1_VECTOR              ; Timer/Counter1 Overflow
;------ Прерывание таймера 0 ---------------------------------------------------;
.ORG OVF0addr                       ; 0x0009 (в словах)
    IN     Safe, SREG               ; сохранить флаги SREG (SBR изменяет флаги Z,C,N,V,H,S)
    SBR    BITx1, (1<<MRK_Dyn)      ; установить флаг начала регенерации дисплея
    OUT    SREG, Safe               ; восстановить флаги SREG
    RETI                            ;
.ORG INT_VECTORS_SIZE               ; 0x0013 (в словах)

  Как обычно по нулевому адресу расположен переход на код инициализации внутренних используемых устройств контроллера, предустановка переменных и т.д. Здесь можно отметить не совсем привычный код инициализации таймера 2 в асинхронном режиме. После включения асинхронного режима (бит AS2 регистра ASSR) и установки режима таймера (регистр TCCR2) разрешать общие прерывания можно только после подтверждения таймером о изменении режима. В зависимости от того, какой регистр был изменен TCNT2, OCR2, или TCCR2 подтверждение будет выдано битами TCN2UB, OCR2UB, или TCR2UB регистра ASSR. Пока хоть один бит единичный, включать прерывания нельзя.

;------ внешние подключения ----------------------------------------------------;
.EQU    T1          = PORTD5        ; вход частотомера, ножка 11 PDIP
;------ подключение разрядов семисегментного индикатора ------------------------;
.EQU    Rat1        = PORTB0        ; разряд PORTB0, PORTB, ножка 14 PDIP
.EQU    Rat2        = PORTD7        ; разряд PORTD7, PORTD, ножка 13 PDIP
.EQU    Rat3        = PORTD6        ; разряд PORTD6, PORTD, ножка 12 PDIP
.EQU    Rat4        = PORTD4        ; разряд PORTD4, PORTD, ножка 6 PDIP
.EQU    Rat5        = PORTD3        ; разряд PORTD3, PORTD, ножка 5 PDIP
.EQU    Rat6        = PORTD2        ; разряд PORTD2, PORTD, ножка 4 PDIP
.EQU    Rat7        = PORTD1        ; разряд PORTD1, PORTD, ножка 3 PDIP
.EQU    Rat8        = PORTD0        ; разряд PORTD0, PORTD, ножка 2 PDIP
;------ подключение сегментов семисегментного индикатора -----------------------;
.EQU    SegA        = PORTC5        ; разряд PORTC5, PORTC, ножка 28 PDIP
.EQU    SegB        = PORTC4        ; разряд PORTC4, PORTC, ножка 27 PDIP
.EQU    SegC        = PORTC3        ; разряд PORTC3, PORTC, ножка 26 PDIP
.EQU    SegD        = PORTC2        ; разряд PORTC2, PORTC, ножка 25 PDIP
.EQU    SegE        = PORTC1        ; разряд PORTC1, PORTC, ножка 24 PDIP
.EQU    SegF        = PORTC0        ; разряд PORTC0, PORTC, ножка 23 PDIP
.EQU    SegG        = PORTB2        ; разряд PORTB1, PORTB, ножка 16 PDIP
.EQU    SegH        = PORTB1        ; разряд PORTB2, PORTB, ножка 15 PDIP
;
_Reset: ; Начальная инициализация
;------ Установить вершину стека -----------------------------------------------;
    OUTI  SPH, High(RAMEND)         ;
    OUTI  SPL, Low(RAMEND)          ;
;------ Отключить сторожевой таймер --------------------------------------------;
    OUTI  WDTCR, (1<<WDE)|(1<<WDCE) ;
    OUTI  WDTCR, (0<<WDE)           ;
;------ Отключить аналоговый компаратор ----------------------------------------;
    OUTI  ACSR, (1<<ACD)            ;
;------ Конфигурация портов ----------------------------------------------------;
    OUTI  DDRB, (1<<SegG)|(1<<SegH)|(1<<Rat1)
    OUTI  DDRC, (1<<SegA)|(1<<SegB)|(1<<SegC)|(1<<SegD)|(1<<SegE)|(1<<SegF)
    OUTI  DDRD, (1<<Rat8)|(1<<Rat7)|(1<<Rat6)|(1<<Rat5)|(1<<Rat4)|(1<<Rat3)|(1<<Rat2)
    OUTI  PORTD, (1<<T1)            ; Т1 - вход с поддтяжкой
;------ Очистка регистров ------------------------------------------------------;
    CLR   FxOVF                     ; обнуление счетного регистра
    CLR   BITx1                     ; обнуление битового регистра
    CLR   Counter                   ; обнуление счетчика динамической индикации
    CLRIBIT PORTD, Rat8             ; гашение
    CLRIBIT PORTD, Rat7             ; всех
    CLRIBIT PORTD, Rat6             ; разрядов
    CLRIBIT PORTD, Rat5             ; индикатора
    CLRIBIT PORTD, Rat4             ; -//-
    CLRIBIT PORTD, Rat3             ; -//-
    CLRIBIT PORTD, Rat2             ; -//-
    CLRIBIT PORTB, Rat1             ; -//-
;------ Настроить таймер 0, режим Normal ---------------------------------------;
    OUTI  TCCR0, (1<<CS01)|(1<<CS00); прескалер 64
;------ Настроить таймер 1, режим Normal, внешний импульс ----------------------;
    OUTI  TCCR1B, (1<<CS12)|(1<<CS11)|(1<<CS10)
;------ Настроить таймер 2, Asynchronous Operation -----------------------------;
    ; на входах TOSC1 (XTAL1) и TOCSC2 (XTAL2) "часовой" кварц 32768 Hz
    OUTI  ASSR, (1<<AS2) 
    ; Normal, прерывание по переполнению
    OUTI  TCCR2, (1<<CS22)|(1<<CS20); прескалер 128
;------ Включить прерывания ----------------------------------------------------;
    OUTI  TIMSK, (1<<TOIE0)|(1<<TOIE1)|(1<<TOIE2) ; разрешить прерывания таймеров
SEI_TEST_EN:                        ; проверка на допустимость разрешения прерываний
    IN    Temp, ASSR                ;
    ANDI  Temp, (1<<TCN2UB)|(1<<OCR2UB)|(1<<TCR2UB)
    TST   Temp                      ; проверка битов TCN2UB, OCR2UB, TCR2UB
    BRNE  SEI_TEST_EN               ; возврат, если биты не сброшены
    SEI                             ; разрешить прерывания
;------ Номер версии прошивки --------------------------------------------------;
    LDIDX Z, Ident*2+iSize-vSize-1  ; Загрузить адрес в идентификаторе
    LDIDX Y, RAM_Symbol+vSize       ; Загрузить адрес в буфере кодов цифр
    LDI   Cycler, vSize             ; длина строки версии
locIdent:
    LPM   Temp, Z+                  ; Загрузить байт строки версии
    ST    -Y, Temp                  ; перенести в буфер кодов цифр
    DEC   Cycler                    ;
    BRNE  locIdent                  ;

О макросе CLRIBIT и идентификаторе Ident см. ниже.
  Прерывания первой и второй ветви могут вносить погрешность в измерения за счет задержки счетного прерывания (AVR не имеет регистра приоритетности прерываний). Для мимизации такой погрешности, подпрограммы обработки сделаны максимально короткими. Подпрограмма таймера 0 собственно и не оформлена в виде подпрограммы, ее код размещен прямо в таблице прерываний на месте прерываний USART. Разместить таким же образом подпрограмму таймера 1 не хватает места.
  Сокращению времени обработки служит и использование специально выделенного регистра Safe, работа с ним в два раза быстрее использования стека (POP, PUSH). Сохранение и восстановление SREG обязательно, т.к. команда SBR может изменить флаги Z,C,N,V,H,S.

;------ Прерывание таймера 1 ---------------------------------------------------;
OVF1_VECTOR:                        ; INC изменяет флаги Z,N,V,S
    IN     Safe, SREG               ; сохранить флаги SREG
    INC    FxOVF                    ; инкрементировать счетный регистр
    OUT    SREG, Safe               ; восстановить флаги SREG	
    RETI                            ;
;------ Прерывание таймера 2 (раз в 1 сек) -------------------------------------;
OVF2_VECTOR:                        ; SBR изменяет флаги Z,C,N,V,H,S; CLR - Z,C,N,V,S
    MOV    Safe, Temp               ; сохранить временный регистр
    STS    RAM_Val_H, FxOVF         ; перенос значения счетного регистра в память
    IN     Temp, TCNT1L             ; перенос значения
    STS    RAM_Val_L, Temp          ; счетного
    IN     Temp, TCNT1H             ; регистра
    STS    RAM_Val_M, Temp          ; в память
    LDI    Temp, 0x00               ; обнуление
    OUT    TCNT1H, Temp             ; счетного
    OUT    TCNT1L, Temp             ; регистра
    OUTI   SFIOR, (1<<PSR2)         ; сброс предделителя таймера 2
    MOV    Temp, Safe               ; восстановить временный регистр
    IN     Safe, SREG               ; сохранить флаги SREG
    CLR    FxOVF                    ; обнуление счетного регистра
    SBR    BITx1, (1<<MRK_BCD)      ; установить флаг начала обработки измерений
    OUT    SREG, Safe               ; восстановить флаги SREG	
    RETI                            ;

Распределение оперативной памяти:

;------ Разрядность дисплея ----------------------------------------------------;
.EQU    BufSize      =  7           ; Кол-во цифр на диcплее
.;----- Резервирование ячеек ОЗУ -----------------------------------------------;
.DSEG
.ORG SRAM_START
    RAM_Val_L:     .byte    1       ; Измеренное значение, младший байт
    RAM_Val_M:     .byte    1       ; Измеренное значение, средний байт
    RAM_Val_H:     .byte    1       ; Измеренное значение, старший байт
BegPackBCD:
    RAM_BCD_0:     .byte    1       ; Упакованный BCD, 1 байт
    RAM_BCD_1:     .byte    1       ; Упакованный BCD, 2 байт
    RAM_BCD_2:     .byte    1       ; Упакованный BCD, 3 байт
    RAM_BCD_3:     .byte    1       ; Упакованный BCD, 4 байт
EndPackBCD:
.EQU	SizePackBCD	= EndPackBCD - BegPackBCD
    RAM_UnBCD:     .byte    BufSize ; Неупакованные BCD
    RAM_Symbol:    .byte    BufSize ; Коды цифр (symbols)

Цикл обработки результата измерения при этом выглядит так:

1. Прерывание таймера 2 (OVF2_VECTOR) переносит измеренное значение в ОЗУ (RAM_Val_X);
2. Подпрограмма PackBCD < — BIN преобразует бинарное значение в упакованный BCD (RAM_BCD_X);
3. Подпрограмма UnpackBCD < — PackBCD распаковывает BCD в неупакованный (RAM_UnBCD);
4. Подпрограмма Symbols code < — UnpackBCD преобразует неупакованный BCD в коды символов семисегментного дисплея (RAM_Symbol);
5. Цикл может в любое время прерываться регенерацией дисплея и инкрементом счетного регистра;

  На этом цикл заканчивается до следующего прерывания таймера 2. Размещение промежуточных данных в ОЗУ сделано для полной изоляции подпрограмм друг от друга, также это очень помогает в отладке. Из-за особеностей флагового автомата подпрограммы не оформлены как подпрограммы, нет обращения по метке, нет вызовов RCALL и RET в конце. Во флаговом автомате вызов подпрограммы осуществляется установкой соответствующего флага, в конце подпрограммы этот флаг снимается, и если требуется устанавливается флаг следующей операции. Основной цикл при этом выглядит так:

Main:                               ; Основной цикл
;
;== Преобразование Symbols code <- UnpackBCD с гашением 0, MRK_Symb = 1 ========;
    SBRS  BITx1, MRK_Symb           ; если нет  флага начала обработки, на выход
    RJMP  locMP_02                  ;
//  Код подпрограммы UnpackBCDtoSymbolsCode
    CBR   BITx1, (1<<MRK_Symb)      ; сбросить флаг текущего шага 
locMP_02: ;=====================================================================;
;
;== Преобразование UnpackBCD <- PackBCD, MRK_B2B = 1 ===========================;
    SBRS  BITx1, MRK_B2B            ; если нет  флага начала обработки, на выход
    RJMP  locMP_01                  ;
//  Код подпрограммы PackBCDtoUnpackBCD
    SBR   BITx1, (1<<MRK_Symb)      ; установить флаг следующего шага
    CBR   BITx1, (1<<MRK_B2B)       ; сбросить флаг текущего шага 
locMP_01: ;=====================================================================;
;
;== Преобразование PackBCD <- BIN, MRK_BCD = 1 =================================;
    SBRS  BITx1, MRK_BCD            ; если нет  флага начала обработки, на выход
    RJMP  locMP_00                  ;
//  Код подпрограммы BINtoPackBCD
    SBR   BITx1, (1<<MRK_B2B)       ; установить флаг следующего шага
    CBR   BITx1, (1<<MRK_BCD)       ; сбросить флаг текущего шага
locMP_00: ;=====================================================================;
;
;== Регенерация дисплея, MRK_Dyn = 1 ===========================================;
    SBRS  BITx1, MRK_Dyn            ; если нет  флага обновления, на выход
    RJMP  locMP_Dn                  ;
;*******************************************************************************;
; 1. Гасится текущий отображаемый разряд;                                       ;
;*******************************************************************************;
; 2. Счетчик разрядов декрементируется;                                         ;
; . . . . . . . . . . . . . .
; После цикла сканирования во время перезагрузки счетчика
    SBR   BITx1, (1<<MRK_Key)       ; установить флаг опроса клавиатуры
; . . . . . . . . . . . . . .
;*******************************************************************************;
; 3. Устанавливается семисегментный код символа;                                ;
;*******************************************************************************;
; 4. Зажигается следующий разряд;                                               ;
;*******************************************************************************;
    CBR   BITx1, (1<<MRK_Dyn)       ; сбросить флаг обновления индикации
locMP_Dn: ;=====================================================================;
;
;== Опрос клавиатуры, MRK_Key = 1 ==============================================;
    SBRS  BITx1, MRK_Key            ; если нет  флага начала обработки, на выход
    RJMP  locMP_Kb                  ;
//  Обработка кнопок, не реализовано
    CBR   BITx1, (1<<MRK_Key)       ; сбросить флаг 
locMP_Kb:
;
    RJMP  Main                      ; бесконечный цикл

  Обратите внимание, что подпрограммы обработки результата измерений размещены в обратной последовательности. Это нужно для того, чтобы после каждого действия происходил выход в главный цикл для проверки флагов регенерации дисплея и опроса клавиатуры.
  Код первой подпрограммы обрабатывающей результаты измерения BINtoPackBCD основан на аппноте Atmel AVR204 и преобразует трехбайтовое бинарное представление числа в четырехбайтовый упакованный BCD формат. Название подпрограмм даны условно, т.к. во флаговом автомате они оформлены нестандартно, без метки. Полный код BINtoPackBCD:

.DEF    tBCD0       = R2            ; BCD value digits 1 and 0 
.DEF    tBCD1       = R3            ; BCD value digits 3 and 2 
.DEF    tBCD2       = R4            ; BCD value digits 4 and 5 
.DEF    tBCD3       = R5            ; BCD value digits 6 and 7
.EQU    AdBCD0      = 2             ; address of tBCD0 
.EQU    AdBCD3      = 5             ; address of tBCD3 
.DEF    FxBUF_L     = R20           ; Младший байт частоты (рабочий)
.DEF    FxBUF_M     = R21           ; Средний байт частоты (рабочий)
.DEF    FxBUF_H     = R22           ; Старший байт частоты (рабочий)
;
;== Преобразование PackBCD <- BIN, MRK_BCD = 1 =================================;
    SBRS  BITx1, MRK_BCD            ; если нет  флага начала обработки, на выход
    RJMP  locMP_00                  ;
//
    IN    Temp, MCUCSR              ; проверка на холодный старт
    ANDI  Temp, (1<<EXTRF)|(1<<PORF);
    BREQ  locBCD0                   ; если нет - выход
    CLR   Temp                      ;
    OUT   MCUCSR, Temp              ;
    RJMP  locBCD4                   ; отбрасывание первого измерения
locBCD0:
    LDS   FxBUF_H, RAM_Val_H        ; загрузка
    LDS   FxBUF_M, RAM_Val_M        ; измеренного
    LDS   FxBUF_L, RAM_Val_L        ; значения из ОЗУ
;--- Код на основе аппноты AVR204 ----------------------------------------------;
    LDI   Cycler, 24                ; Кол-во итераций (24 бита) 
    CLR   tBCD3                     ; очистить
    CLR   tBCD2                     ; регистры 
    CLR   tBCD1                     ; результата
    CLR   tBCD0                     ; -//-
    CLR   ZH                        ; очистить старший байт индексного регистра
locBCD1:
    LSL   FxBUF_L                   ; сдвинуть
    ROL   FxBUF_M                   ; входное
    ROL   FxBUF_H                   ; значение
    ROL   tBCD0                     ; и вдвинуть
    ROL   tBCD1                     ; его
    ROL   tBCD2                     ; в
    ROL   tBCD3                     ; результат
    DEC   Cycler                    ; декрементировать счетчик цикла
    BREQ  locBCD3                   ; выход при нуле
    LDI   r30, AdBCD3+1             ; в Z адрес старшего регистра результата + 1
locBCD2: 
    LD    Temp, -Z                  ; загрузить старший регистр результата (предекремент)
    SUBI  Temp, -$03                ; сложить с 0x03
    SBRC  Temp, 3                   ; если бит 3 очищен, пропустить след. команду 
    ST    Z, Temp                   ; сохранить в регистре результата
    LD    Temp, Z                   ; загрузить старший регистр результата
    SUBI  Temp, -$30                ; сложить с 0x30 
    SBRC  Temp, 7                   ; если бит 7 очищен, пропустить след. команду
    ST    Z, Temp                   ; сохранить в регистре результата
    CPI   ZL, AdBCD0                ; конец достигнут?
    BRNE  locBCD2                   ; если нет, повторить
    RJMP  locBCD1                   ; продолжить цикл 
locBCD3:
    STS   RAM_BCD_0, tBCD0          ; сохранение
    STS   RAM_BCD_1, tBCD1          ; упакованного
    STS   RAM_BCD_2, tBCD2          ; BCD
    STS   RAM_BCD_3, tBCD3          ; в ОЗУ
//
    SBR   BITx1, (1<<MRK_B2B)       ; установить флаг следующего шага
locBCD4:
    CBR   BITx1, (1<<MRK_BCD)       ; сбросить флаг текущего шага
locMP_00: ;=====================================================================;
;
.UNDEF 	tBCD0                       ; R2
.UNDEF 	tBCD1                       ; R3
.UNDEF 	tBCD2                       ; R4
.UNDEF 	tBCD3                       ; R5
.UNDEF  FxBUF_L                     ; R20
.UNDEF  FxBUF_M                     ; R21
.UNDEF  FxBUF_H                     ; R22

  Обратите внимание, в коде проверяется наличие как флага «холодного» старта PORF, так и флага внешнего сброса EXTRF. Это связано с тем, что в модели Proteus вместо PORF устанавливается EXTRF. Пришлось извернуться, для железа это безразлично, реакция на «холодный» и «теплый» старт будет одинакова.
  В AVR очень неудобно работать с упакованными BCD числами, поэтому следующей подпрограммой PackBCDtoUnpackBCD мы их распакуем:

.DEF    Mask_4      = R20           ; маска ниббла
.DEF    PackBCD     = R21           ; упакованный BCD
.DEF    CopyBCD     = R22           ; копия -//-
;
;== Преобразование UnpackBCD <- PackBCD, MRK_B2B = 1 ===========================;
    SBRS  BITx1, MRK_B2B            ; если нет  флага начала обработки, на выход
    RJMP  locMP_01                  ;
//
    LDIDX X, RAM_UnBCD              ; адрес буфера неупакованного BCD
    LDIDX Y, RAM_BCD_0              ; адрес буфера упакованного BCD
    LDI   Mask_4, 0b00001111        ; маска ниббла
    LDI   Cycler, SizePackBCD       ; кол-во байт упакованного BCD
locP2U:
    LD    PackBCD, Y+               ; чтение упакованного BCD
    MOV   CopyBCD, PackBCD          ; копия
    AND   PackBCD, Mask_4           ; младший ниббл
    ST    X+, PackBCD               ; в буфер неупакованного BCD
    SWAP  CopyBCD                   ; перевернем копию
    AND   CopyBCD, Mask_4           ; старший ниббл
    ST    X+, CopyBCD               ; в буфер неупакованного BCD
    DEC   Cycler                    ;
    BRNE  locP2U                    ;
//
    SBR   BITx1, (1<<MRK_Symb)      ; установить флаг следующего шага
    CBR   BITx1, (1<<MRK_B2B)       ; сбросить флаг текущего шага 
locMP_01: ;=====================================================================;
;
.UNDEF    Mask_4                    ; R20
.UNDEF    PackBCD                   ; R21
.UNDEF    CopyBCD                   ; R22

Чтобы полностью подготовить результат к выводу на семисегментные индикаторы, необходим программный дешифратор BCD кода в семисегментный. Заодно можно погасить незначащие нули.

;== Преобразование Symbols code <- UnpackBCD с гашением 0, MRK_Symb = 1 ========;
    SBRS  BITx1, MRK_Symb           ; если нет  флага начала обработки, на выход
    RJMP  locMP_02                  ;
//
    CLT                             ; очистить флаг Т
    LDIDX X, RAM_UnBCD+BufSize      ; конец буфера неупакованного BCD
    LDIDX Y, RAM_Symbol+BufSize     ; конец буфера кодов цифр
    LDI   Cycler, BufSize           ; кол-во знакомест
locSm0:
    DEC   Cycler                    ; флаг Z=1 - последняя цифра
    LDIZ  TBL_DIGITS                ; Загрузить адрес таблицы кодов символов
    LD    Temp, -X                  ; загрузить неупакованный BCD 
    BRTS  locSm1                    ; если Т установлен
    BREQ  locSm1                    ; если последняя цифра
    TST   Temp                      ;
    BREQ  locSm2                    ; если ноль
    SET                             ; установить флаг Т
locSm1:
    ADD   ZL, Temp                  ; Найти
    CLR   Temp                      ; нужный 
    ADC   ZH, Temp                  ; символ
    LPM   Temp, Z                   ; загрузить код символа
locSm2:
    ST    -Y, Temp                  ; сохранить код символа
    TST   Cycler                    ;
    BRNE  locSm0                    ;
//
    CBR   BITx1, (1<<MRK_Symb)      ; сбросить флаг текущего шага 
locMP_02: ;=====================================================================;

  Код перебирает все цифры из буфера неупакованных BCD начиная со старшей. Пока в буфере 0 он будет перенесен в буфер кодов цифр без преобразования, а т.к. все биты равны нулю, для семисегментного индикатора это гашение. Как только встретился не ноль, будет установлен флаг Т. После этого текущий и все последующие разряды будут пребразованы в коды семисегментного индикатора. Последняя (самая младшая) цифра в числе всегда переносится в буфер кодов цифр с преобразованием (это если на индикаторе одни нули).

  В представленной программе особенностью управления сегментами и разрядами индикатора является их индивидуальное управление. Сегментам и разрядам можно назначить выводы любых портов в произвольном порядке. Это упрощает разводку печатной платы. Например у данного варианта программы для корпуса PDIP выводы разрядов индикатора с одной стороны корпуса, сегментов с другой.

;*******************************************************************************;
; 1. Гасится текущий отображаемый разряд;                                       ;
;*******************************************************************************;
    MOV   TmpDyn, Counter           ;
    ANDI  TmpDyn, 0b00000111        ; не более 8 разрядов
    LSL   TmpDyn                    ; Команда занимает 2 слова
    LDIDX Z, LocEn0                 ; адрес таблицы команд
    ADIDX Z, TmpDyn                 ; адрес команды в таблице
    IJMP                            ; переход на команду
LocEn0:
;--- Разряд 1 ------------------------------------------------------------------;
    CLRIBIT PORTB, Rat1             ;
    RJMP  LocEn1                    ;
;--- Разряд 2 ------------------------------------------------------------------;
    CLRIBIT PORTD, Rat2             ;
    RJMP  LocEn1                    ;
;--- Разряд 3 ------------------------------------------------------------------;
    CLRIBIT PORTD, Rat3             ;
    RJMP  LocEn1                    ;
;--- Разряд 4 ------------------------------------------------------------------;
    CLRIBIT PORTD, Rat4             ;
    RJMP  LocEn1                    ;
;--- Разряд 5 ------------------------------------------------------------------;
    CLRIBIT PORTD, Rat5             ;
    RJMP  LocEn1                    ;
;--- Разряд 6 ------------------------------------------------------------------;
    CLRIBIT PORTD, Rat6             ;
    RJMP  LocEn1                    ;
;--- Разряд 7 ------------------------------------------------------------------;
    CLRIBIT PORTD, Rat7             ;
    RJMP  LocEn1                    ;
;--- Разряд 8 ------------------------------------------------------------------;
    CLRIBIT PORTD, Rat8             ;
LocEn1:

;*******************************************************************************;
; 2. Счетчик разрядов декрементируется;                                         ;
;*******************************************************************************;
    MOV   TmpDyn, Counter           ;
    DEC   TmpDyn                    ; счетчик разрядов декрементируется
    BRPL  LocDn0                    ; обработаны еще не все разряды
    LDI   TmpDyn, BufSize-1         ; предустановка счетчика
    SBR   BITx1, (1<<MRK_Key)       ; установить флаг опроса клавиатуры
LocDn0:
    MOV   Counter, TmpDyn           ; сохраним до следующей регенерации

;*******************************************************************************;
; 3. Устанавливается семисегментный код символа;                                ;
;*******************************************************************************;
    LDIDX Z, RAM_Symbol             ; адрес буфера кодов цифр
    ADIDX Z, TmpDyn                 ; Найти нужный символ
    LD    Pattern, Z                ; Загрузить код цифры
;--- 1 сегмент -----------------------------------------------------------------;
    LSL   Pattern                   ; сдвиг влево, старший разряд в С
    BRCS  loc70                     ; если С = 1
    CLRIBIT PortB, SegH             ;
loc70:
    BRCC  loc71                     ; если С = 0
    SETIBIT PortB, SegH             ;
loc71:
;--- 2 сегмент -----------------------------------------------------------------;
    LSL   Pattern                   ; сдвиг влево, следующий разряд в С
    BRCS  loc60                     ; если С = 1
    CLRIBIT PortB, SegG             ;
loc60:
    BRCC  loc61                     ; если С = 0
    SETIBIT PortB, SegG             ;
loc61:
;--- 3 сегмент -----------------------------------------------------------------;
    LSL   Pattern                   ; сдвиг влево, следующий разряд в С
    BRCS  loc50                     ; если С = 1
    CLRIBIT PortC, SegF             ;
loc50:
    BRCC  loc51                     ; если С = 0
    SETIBIT PortC, SegF             ;
loc51:
;--- 4 сегмент -----------------------------------------------------------------;
    LSL   Pattern                   ; сдвиг влево, следующий разряд в С
    BRCS  loc40                     ; если С = 1
    CLRIBIT PortC, SegE             ;
loc40:
    BRCC  loc41                     ; если С = 0
    SETIBIT PortC, SegE             ;
loc41:
;--- 5 сегмент -----------------------------------------------------------------;
    LSL   Pattern                   ; сдвиг влево, следующий разряд в С
    BRCS  loc30                     ; если С = 1
    CLRIBIT PortC, SegD             ;
loc30:
    BRCC  loc31                     ; если С = 0
    SETIBIT PortC, SegD             ;
loc31:
;--- 6 сегмент -----------------------------------------------------------------;
    LSL   Pattern                   ; сдвиг влево, следующий разряд в С
    BRCS  loc20                     ; если С = 1
    CLRIBIT PortC, SegC             ;
loc20:
    BRCC  loc21                     ; если С = 0
    SETIBIT PortC, SegC             ;
loc21:
;--- 7 сегмент -----------------------------------------------------------------;
    LSL   Pattern                   ; сдвиг влево, следующий разряд в С
    BRCS  loc10                     ; если С = 1
    CLRIBIT PortC, SegB             ;
loc10:
    BRCC  loc11                     ; если С = 0
    SETIBIT PortC, SegB             ;
loc11:
;--- 8 сегмент -----------------------------------------------------------------;
    LSL   Pattern                   ; сдвиг влево, следующий разряд в С
    BRCS  loc00                     ; если С = 1
    CLRIBIT PortC, SegA             ;
loc00:
    BRCC  loc01                     ; если С = 0
    SETIBIT PortC, SegA             ;
loc01:

;*******************************************************************************;
; 4. Зажигается следующий разряд;                                               ;
;*******************************************************************************;
    MOV   TmpDyn, Counter           ;
    ANDI  TmpDyn, 0b00000111        ; не более 8 разрядов
    LSL   TmpDyn                    ; Команда занимает 2 слова
    LDIDX Z, (LocDs0)               ; адрес таблицы команд
    ADIDX Z, TmpDyn                 ; адрес команды в таблице
    IJMP                            ; переход на команду
LocDs0:
;--- Разряд 1 ------------------------------------------------------------------;
    SETIBIT PORTB, Rat1             ;
    RJMP  LocDs1                    ;
;--- Разряд 2 ------------------------------------------------------------------;
    SETIBIT PORTD, Rat2             ;
    RJMP  LocDs1                    ;
;--- Разряд 3 ------------------------------------------------------------------;
    SETIBIT PORTD, Rat3             ;
    RJMP  LocDs1                    ;
;--- Разряд 4 ------------------------------------------------------------------;
    SETIBIT PORTD, Rat4             ;
    RJMP  LocDs1                    ;
;--- Разряд 5 ------------------------------------------------------------------;
    SETIBIT PORTD, Rat5             ;
    RJMP  LocDs1                    ;
;--- Разряд 6 ------------------------------------------------------------------;
    SETIBIT PORTD, Rat6             ;
    RJMP  LocDs1                    ;
;--- Разряд 7 ------------------------------------------------------------------;
    SETIBIT PORTD, Rat7             ;
    RJMP  LocDs1                    ;
;--- Разряд 8 ------------------------------------------------------------------;
    SETIBIT PORTD, Rat8             ;
LocDs1:

  Программа может управлять индикаторами и с общим анодом и с общим катодом. Достигнуто это с помощью средств условной компиляции препроцессора ассемблера. В программе определен дефайн и два макроса, в случае компиляции для индикатора с ОА дефайн нужно раскоментировать:

;#define Common_Anode_Display    ; дисплей с ОА, инверсное управление
;
.MACRO  SETIBIT                 ; установка бита в порту
#ifdef Common_Anode_Display
    CBI   @0, @1                ; инверсная
#else
    SBI   @0, @1                ; прямая
#endif
.ENDM
;
.MACRO  CLRIBIT                 ; сброс бита в порту
#ifdef Common_Anode_Display
    SBI   @0, @1                ; инверсный
#else
    CBI   @0, @1                ; прямой
#endif
.ENDM

  Чаще всего сегменты индикатора подключают к портам контроллера руководствуясь удобством разводки печатной платы. Для отображения семисегментного разряда с десятичной точкой достаточно байта. Каждый сегмент и точка будут соответствовать своему биту.
  Для удобства подбора сегментов и соответствующих им битов в программе применен следующий способ определения кодов символов.

;==== Битовые маски для дисплея ================================================;
;
;            a
;            --
;          f|  |b
;           g--
;          e|  |c
;            -- .h
;            d
;
.EQU    Seg_A       = 0b00000001 
.EQU    Seg_B       = 0b00000010
.EQU    Seg_C       = 0b00000100 
.EQU    Seg_D       = 0b00001000 
.EQU    Seg_E       = 0b00010000
.EQU    Seg_F       = 0b00100000
.EQU    Seg_G       = 0b01000000 
.EQU    Seg_H       = 0b10000000 
;
.EQU    CH_0        = Seg_A | Seg_B | Seg_C | Seg_D | Seg_E | Seg_F
.EQU    CH_1        = Seg_B | Seg_C
.EQU    CH_2        = Seg_A | Seg_B | Seg_D | Seg_E | Seg_G
.EQU    CH_3        = Seg_A | Seg_B | Seg_C | Seg_D | Seg_G
.EQU    CH_4        = Seg_B | Seg_C | Seg_F | Seg_G
.EQU    CH_5        = Seg_A | Seg_C | Seg_D | Seg_F | Seg_G
.EQU    CH_6        = Seg_A | Seg_C | Seg_D | Seg_E | Seg_F | Seg_G
.EQU    CH_7        = Seg_A | Seg_B | Seg_C
.EQU    CH_8        = Seg_A | Seg_B | Seg_C | Seg_D | Seg_E | Seg_F | Seg_G
.EQU    CH_9        = Seg_A | Seg_B | Seg_C | Seg_D | Seg_F | Seg_G
;
.EQU    CH_v        = Seg_C | Seg_D | Seg_E
;
TBL_DIGITS:
  .DB     CH_0, CH_1, CH_2, CH_3, CH_4, CH_5, CH_6, CH_7, CH_8, CH_9  ; 0-9

Отладка в Proteus
  К студии 4.19 легко подключить в качестве отладчика Proteus. Это позволяет подавать на схему внешние сигналы и тут же считывать их программой. Или подавая программно сигналы на ножки увидеть их последовательность на цифровом графике, измерить их длительность. Пример того как симулятор показывает сигналы на разрядах дисплея при динамической индикации, эдесь Rat1..Rat8 — разряды, видно что задействовано семь разрядов, восьмой не используется:



  Сигналы Tst0, Tst1, Tst2 — это исполнение подпрограмм BINtoPackBCD, PackBCDtoUnpackBCD, UnpackBCDtoSymbolsCode соответственно. На графике они видны черточками, т.к. время их исполнения гораздо меньше цикла 1 сек. Proteus позволяет как угодно раздвинуть график и замерить время исполнения.



Левый (зеленый) курсор ставится левой кнопкой мышки, правый (красный) — той же кнопкой при нажатом CTRL. Внизу в окошке видно время исполнения подпрограммы BINtoPackBCD — 192 мкс.

Идентификатор, дата создания прошивки

Сразу после таблицы прерываний в программе расположен идентификатор.

.ORG INT_VECTORS_SIZE
;------ Идентификатор ----------------------------------------------------------;
Ident:                              ;
    .DB  0, "anakost", 0, __DATE__, 0, CH_v, CH_1 | Seg_H, CH_0, 0
.EQU  iSize = (PC - Ident)*2        ; размер идентификатора (в байтах)
.EQU  vSize = 3                     ; размер информации о версии
;

  В нем помещен копирайт, в качестве которого использован ник автора, и дата компиляции прошивки. В НЕХ файле этот идентификатор не видно, т.к. НЕХ это ASCII представление двоичного файла. Зато в бинарном файле этот идентификатор легко найти невооруженным взглядом:



  Здесь есть одна тонкость. По умолчанию AVRStudio 4.19 формирует идентификатор даты в виде строки «Jan 29 2015». Это не очень совпадает с российским представлением времени. Чтобы это исправить необходимо установить ISO формат даты в препроцессоре ассемблера. Тогда формат даты примет вид DD.MM.YYYY, где: DD — число, MM — месяц, YYYY — год.
Сделать это несложно, находим меню «Project -> Assembler Options» и открываем настройки ассемблера. В поле «Additional Parameters» вписываем ключ командной строки -FD"%%d.%%m.%%Y". Подробнее в хелпе AVRStudio.

  В конце идентификатора расположен номер версии прошивки, в данном случае «v1.0». Версия выводится первые две секунды работы программы, символы представлены в семисегментной кодировке дисплея. Две секунды потому, что в первую секунду результата измерений еще нет, показывать нечего. Интереснее со второй секундой. Дело в том, что генератор с низкочастотным «часовым» кварцем 32768 Гц довольно долго (по компьютерным меркам) выходит на стабильный рабочий режим. Из-за этого первое измерение после запуска будет неверным. Поэтому в программе оно пропускается, отображение результатов начинается со второго.

О выборе регистра флагов для флагового автомата.

  В данной программе для регистра флагов выбран регистр из старшей половины адресов. К сожалению такая возможность есть не всегда. Почему именно из старшей половины, можно ли использовать из младшей? К сожалению команды SBR, CBR работают только с регистрами из старшей половины.
  Какие еще регистры можно отдать под флаги автомата? Любые из области ввода/вывода. Главное, чтобы их адрес был не более 0х1F (ограничение команд SBI, CBI), они допускали битовую адресацию и не использовались в устройстве.
  Я практически не использую блок TWI, и его регистры (TWAR-адреса, TWBR-скорости передачи) идеально подходят для данной цели. Регистр управления TWCR лучше не использовать, т.к. его изменение может включить блок TWI, что приведет к бесконтрольному изменению содержимого других регистров TWI. К счастью регистр управления TWCR и невозможно использовать для флагового автомата, т.к. его адрес 0х36 и команды SBI, CBI с ним работать не будут. С регистром данных TWDR будут, но его лучше не использовать из других соображений, при включении питания все биты будут установлены в 1 и переустановить их можно будет только после первого прерывания. С регистром состояния TWSR тоже будут, но пять битов этого регистра отображают внутреннее состояние блока TWI, один недоступен, для програмирования доступны только два бита.
  Практическая замена пар команд SBI < — SBR и CBI < — CBR имеет особенность, команды SBR и CBR принимают в качестве аргумента не номер бита а битовую маску. Команды SBI и CBI принимают в качестве аргумента как раз номер бита, об этом надо помнить. Пары команд SBRS — SBIS и SBRС — SBIС все принимают в качестве аргумента номер бита, замена возможна изменением одной буквы. Если это важно, команды SBR и CBR в два раза быстрее (1 цикл) команд SBI и CBI (2 цикла).
Учтите также что переименование регистров I/O производится не через .DEF, а через .EQU или .SET, примерно так:

.EQU    BITx1       = TWAR	    	; Битовый регистр

P.S. В некоторые новые ревизии AVR чипов добавлены регистры общего назначения (не связанные с внутренними устройствами контроллера) GPIOR0, GPIOR1 и GPIOR2. Их адреса менее 0x1F (у ATtiny2313A, но и у других GPIOR0 этому требованию соответствует), и они идеально подходят для флагового автомата.

Продолжение будет.

  Оно будет посвящено работе данной программы с различными контроллерами дисплея. Хотя данное устройство задумывалось как самодостаточное, меня заставил задуматься выхлоп компилятора:



  Обидно же, память свободна, а почти все ножки (кроме ISP) заняты. Конечно первое что приходит в голову, применить аналог ATMega8A в корпусе с большим кол-вом ножек. В данном случае прекрасно подойдет ATMega8535. Главное, наличие асинхронного таймера 2 (например в ATMega8515 он отсутствует).
  Другой вариант, вместо динамической индикации применить статическую с внешним контроллером дисплея (как в оригинале). Об этом во второй части.

В приложенном архиве FreqDyn.zip проекты AVR Studio и Proteus. Подробнее файл Readme внутри.

P.S. Продолжения доступны:
  Часть 2, статическая индикация.
  Часть 3, + милливольтметр.