MSP430 - учебный курс. Часть 4 - генератор констант и система тактирования.

Сегодня заканчиваем обзор ядра, чтобы приступить к остальным полезняшкам.

План.
1. Генератор констант.
2. Система тактирования.

До понедельника, надеюсь, потестирую свой новый контроллер и перейдём к свежим сериям MSP430. Уних есть некоторые преимущества, но в целом архитектура одинакова с сотой серией.

Для начала несколько замечаний по предыдущему материалу.

Замечание 1. По режимам адресации.
Т.к. регистры ядра не имеют физического адреса, выражаемого числом, то к ним неприменимы следующие режимы адресации:

• символьный;
• абсолютный;
• непосредственный.

Замечание2. По байтному и словному доступу.
В словном режиме недопустимо обращение по нечётным адресам памяти!
При обмене «регистр -> память»:

• при словном режиме младшая часть регистра помещается по меньшему (чётному) адресу, старшая по следующему (+1).
• при байтном режиме по адресу обращения помещается младшая часть, старшая игнорируется.

При обмене «память -> регистр»:

• при словном режиме в младшую часть регистра помещается значение из меньшего (чётного) адреса, в старшую из следующего (+1).
• при байтном режиме в младшую часть регистра помещается значение из ячейки по адресу обращения, в старшую заносится 0.

Замечание 3. Регистр PC (aka R0).
Инкремент счетчика команд (только на число, кратное 2!) происходит в момент предшествующий дешифрации команды, после выборки. Это значит, что на момент исполнения команды, счётчик команд указывает на следующую команду. Т.е. код:

mov     PC, R4

даст нам в R4 указатель не на эту команду, а на следующую (в данном случае +2).

А теперь приступим к сегодняшнему уроку.

1. Генератор констант.

Самый непонятный и пугающий зверь — фирменная фишка TI (по крайней мере, я нигде подобного не встречал).
Когда столкнулся с этим впервые то ничего не понял. Понял только одно — что-то хитрое с регистром R3. Вроде он есть, но пользоваться им нельзя. В документации — дремучий лес. Настойчивые расспросы старших товарищей привели к мысли, что есть средство генерирующее какие-то числа аппаратно. «Зачем?» — подумал я, — «Прописал константу в коде команды и всё ок!»
«Зачем?» — сказали товарищи, — «Прописал константу в коде команды и всё ок, будет тебе оптимизация, не парься!»
Но я не понимал в чём соль. Пытливый ум продолжил ковырять документацию и чудесное откровение снизошло сверху (из глубин подсознания).
В общем, ларчик просто открывался. Есть регистр R3 (также частично задействован и R2), который используется особым образом.
Суть в том, что в повседневной деятельности программист часто использует константы 0, +-1, 2, 4, 8. Обычно их помещают в код команды, что приводит к разрастанию объема команды и увеличению времени выполнения, т.к. оно требуется на выборку из памяти дополнительного аргумента. Все помнят, что в x86 команду "mov AX, 0" старались замещать аналогичной по результату "xor AX, AX". Так же и здесь, но TI пошел ещё дальше.
Предположим, нам нужно поместить 1 в регистр. Что делать? "mov #1, R"? Без генератора констант команда в коде и её исполнение выглядело бы так:

• выбрать команду из памяти и дешифровать;
• т.к. команда с аргументом, то выбрать аргумент и поместить его в регистр.

Как видим — 2 такта и 2 слова в памяти программ для классических RISC.
Но товарищи техасцы, как известно, люди суровые. Они предложили отдать на откуп один регистр (а вы часто используете более 8 штук?) для оптимизации и сказали: «Пусть при обращении к этому регистру будет автоматически появляться какое-то число». Таким образом цепочка сократилась до:

• выбрать команду из памяти, дешифровать и поместить константу в регистр.

Итог — 1 такт и 1 слово.

Т.к. мы можем использовать 4 способа адресации к регистру, то получаем 4 разных числа. Вы спросите, где ещё две константы? Вспомним о регистре R2 aka SR. Как мы можем его использовать? Считать флаги, да установить флаги. Т.е., только в регистровом режиме. В самом деле, не имеют смысла адреса по значению флагов. Таким образом у нас есть ещё три режима, свободных для данного регистра. Но, по какой-то прихоти, ковбои запретили индекный режим для R2, поэтому остались только косвенные. Вот вам и ещё 2 числа.
Итого имеем: для получения константы без использования аргумента дополнительно к коду команды надо обратиться к R2 или R3 с использованием определённых режимов адресации. А т.к. компилятор штука умная, то нам нет нужды помнить о них — мы просто подставляем нужную константу в команду.
Проиллюстрируем.

#include "msp430.h"                     ; #define controlled include file

        NAME    main                    ; module name

        PUBLIC  main                    ; make the main label vissible
                                        ; outside this module
        ORG     0FFFEh
        DC16    init                    ; set reset vector to 'init' label

        RSEG    CSTACK                  ; pre-declaration of segment
        RSEG    CODE                    ; place program in 'CODE' segment

init:   MOV     #SFE(CSTACK), SP        ; set up stack

main:   NOP                             ; main program
        MOV.W   #WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL  ; Stop watchdog timer
	
	mov	R2, R4			; R2 -> R4
	;mov	0(R2), R4		; запрещено
	
	mov	R3, R4			; 0 -> R4
	mov	#0, R4			; то же
	
	mov	0(R3), R4		; 1 -> R4
	mov	#1, R4			; то же
	
	mov	@R3, R4			; 2 -> R4
	mov	#2, R4			; то же
	
	mov	@R3+, R4		; -1 -> R4
	mov	#-1, R4			; то же
	

	mov	@R2, R4			; 4 -> R4
	mov	#4, R4			; то же
	
	mov	@R2+, R4		; 8 -> R4
	mov	#8, R4			; то же
	
	mov	#3, R4			; 3 -> R4

	mov	#16, R4			; 16 -> R4
	
        JMP $                           ; jump to current location '$'
                                        ; (endless loop)
        END

Здесь я привёл попарно примеры с явным использованием адресации и с указанием константы. В конце, для контраста, поместил использование констант 3 и 16, которые не генерируются аппаратно, а помещаются аргументом к команде.
При отладке откройте окна «Register» и «Disassembly» в IAR (из меню «View»). В окне дешифрованного кода вы увидите, что мнемоники для явного указания и просто константы дают одинаковый код. Там же увидите разницу в размере кода, на примере последних команд. А в окне регистров (при этом должна быть выбрана секция «CPU Registers» в списке окна) внизу есть значение «CCSTEP», в котором указано количество тактов на последнюю выполненную команду.
Как говориться: почувствуйте разницу.

2. Система тактирования.

Как уже было упомянуто, у MSP430 имеется несколько источников тактовых сигналов. Повторим их.

• DCO (Digital Controlled Oscillator) — внутренний, построен на RC-цепочке и имеет частоту в пределах 120 кГц… 10 МГц (750 кГц по умолчанию, максимум ограничен контроллером и не может быть выше рабочей частоты, даже если источник это позволяет), может меняться программно или с помощью внешнего резистора, но девиация сильно зависит от температуры.
• LFXT1 (Low Frequency eXternal) — внешний, работает в двух режимах: высокочастотном (450 кГц… 8 МГц) и низкочастотном (оптимизирован под часовой кварц 32768 Гц, при этом не нужны внешние конденсаторы).
• XT2 (eXternal) — внешний, высокочастотный — 450 кГц… 8 МГц.

Выбор источника тактирования осуществляется программно. При этом, по умолчанию запускается на встроенном. Если мы пытаемся подключить внешний источник и нам это не удалось, контроллер вернётся к работе на встроенный и не зависнет.

Общая схема системы тактирования выглядит так:

Кварцы снаружи (опционально, как и доп резистор), остальное внутри контроллера. XT2 (обведено пунктиром) присутствует только в старших моделях (на 64 и более ног).
Не пугайтесь массы обозначений — разжуём и всё станет ясно как летним днём. Чтобы не путаться, источниками назовём DCO, LFXT1 (или просто, XT1) и XT2. А нижеперечисленное будет сигналами.

Каждый источник формирует свой конечный сигнал:

• DCOCLK;
• LFXTCLK;
• XT2CLK.

Эти сигналы формируются просто, за исключением первого. У него масса настроек. В дальнейшем, эти сигналы используются для формирования системы тактирования внутри микроконтроллера. Там есть три внутренних тактовых сигнала, от которых тактируются все устройства контроллера (ядро и память, периферия):

• MCLK (Master Clock) — основной, используется для тактирования ядра и некоторой периферии (ЭСППЗУ, АЦП, контроллер ПДП).
• SMCLK (Sub-System Master Clock) — дополнительный, может использоваться для тактирования периферии.
• ACLK (Auxiliary Clock) — вспомогательный, может использоваться для тактирования периферии (обычно низкоскоростной).

Как видно из схемы, для этих сигналов есть выбор — от какого источника работать.

• ACLK обделён — работает исключительно от LFXT1.
• MCLK — можно завести от любого источника.
• SMCLK — работает от DCO или XT2.

Всё это богатство предназначено для оптимизации по энергопотреблению. Кстати, с этим у MSP430 вообще всё интересно. Можно, к примеру, включить конкретный модуль периферии, отключив всё остальное, вплоть до ядра. Контроллер будет мирно спать почти не потребляя, пока не наступит событие от периферии или немаскируемое прерывание. Или вообще послать всё в глубокий сон до сброса. Можно сделать наоборот, но ядро является самым потребляющим устройством. Источники тактирующих сигналов можно менять программно «на ходу».

Стандартный джентльменский набор:

• DCO — по умолчанию 750 кГц;
• LFXT1 — часовой кварц 32768 Гц;
• XT2 — HS-кристалл 8 МГц с конденсаторами 6..12 пФ.

Данный набор позволяет построить систему с гибкими возможностями. Я так поступил со своим FET140 — у него на плате были посадочные места под внешние кварцы и конденсаторы (плата MSP-TS430PM64 rev. 0.1).

Сильно размусоливать не будем, подробности можно найти в документах «Руководство пользователя» («User's guide») на конкретные серии, найти можно на сайте TI. Вот ссылки (ссылки прямые на PDF):
http://www.ti.com/litv/pdf/slau049f — MSP430x1xx
http://www.ti.com/litv/pdf/slau144f — MSP430x2xx
Есть чудесные русские переводы этих документов для сотой и четырёхсотой серий, а также примеров применений. Раньше лежали на сайте Компела, но сейчас их там нет. Есть онлайновые варианты на сайте http://gaw.ru. Сразу на главной есть ссылки. Я же обозначу основные моменты.

Как уже было сказано, ядро тактируется сигналом MCLK, который может быть выбран от любого из источников. Выбор осуществляется битами SELMx. После коммутатора сигнал проходит через программируемый делитель, коэффициент деления задаётся битами DIVMx. Бит CPUOFF позволяет отключить тактирующий сигнал от ядра (вывести его из этого режима может сигнал сброса или прерывание). Обратите внимание — название бита говорит о его функции, т.е. «1» отключает сигнал тактирования!

Тактирование периферии осуществляется каким-либо из основных тактирующих сигналов. Не для всей периферии доступен MCLK. Обычно используются SMCLK (как правило, для высокоскоростной, при этом сигнал берется от источника XT2, а туда обычно вешают мегагерцовые кварцы), ACLK (для низкоскоростной, т.к. обычно на LFXT1 висит часовой кварц) и некоторые внешние источники для таймеров (эти источники не входят в главную систему тактирования; обычно это счетные импульсы для модуля захвата/сравнения).

Сигнал ACLK также имеет свой делитель, коэффициент деления задают биты DIVAx. Сигнал неотключаемый, но вы можете его просто не использовать.

Сигнал SMCLK может подаваться от источников DCO или XT2, выбор осуществляется битом SELS. После коммутатора стоит делитель, коэффициент деления выбирается битами DIVSx. И, наконец, битом SCG1 можно выключить этот сигнал (выключение — «1»!).

Выбор сигнала тактирования осуществляется индивидуально для каждого модуля периферии (каждый модуль имеет биты выбора).

Рассмотрим кратко источники тактирования.

XT2.
Самый простой в плане управления. Есть бит XT2OFF, который отключает источник. Всё.

LFXT1.
Ненамного сложнее. Имеется бит OSCOFF, отключающий весь источник. Бит XTS переключает режимы между высокой («1») и низкой 32768 Гц («0») частотой. Биты LFOff и XT1Off отключают индивидуально усилители для каждого из режимов.

DCO.
«Старый дедушка Колль
был весёлый король...»
Да, здесь много весёлых и занятных вещей. Но все они становятся просты, если немного вникнуть.
Источник DCO имеет множество тонких настроек. Основан на RC-генераторе.
Бит DCOR выбирает внутренний («0») или внешний («1») резистор для генератора. От этого выбора будет зависеть основная частота. Биты RSELx выбирают диапазон частот, а DCOx выбирают одну из 8 частот, распределённых равномерно в диапазоне. Биты MODx управляют работой хитрого модулятора, позволяющего осуществить дополнительное управление диапазонами частот (подробности в документации, я этим не пользовался). Бит SCG0 отключает («1») источник вообще.

Вот и все тонкости тактирования. Есть ещё несколько (скорость запуска источников, сбои в их работе), но мы их рассмотрим по мере использования в следующих статьях и при накоплении вопросов.

Фух, читайте и да наступит вам просветление!