GELE5343 Chapitre 1 : Introduction aux syst`emes `a microprocesseurs

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GELE5343 Chapitre 1 :

Introduction aux syst` emes ` a microprocesseurs

Gabriel Cormier, Ph.D., ing.

Universit´e de Moncton

Hiver 2013

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Introduction

Contenu

1 Introduction

2 D´efinition

3 March´e

4 Caract´eristiques

5 PIC32

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D´efinition

Syst` eme embarqu´ e

Dispositif contenant un microprocesseur Parfois invisible `a l’utilisateur

Pas nécessaire d’avoir un système à la fine pointe

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D´efinition

Syst` eme embarqu´ e

Utile pour :

Flexibilité : plus facile à modifier le logiciel (software) que le matériel (hardware)

Plus facile `a corriger les erreurs

Permet d’ajouter de la fonctionnalit´e plus tard (peut ˆetre une source de revenus)

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D´efinition

Exemples

Sonicare Elite : Brosse `a dent ´electrique (8 bit) Imprimantes

Carte de contrˆole de disque dur Automobiles, avions

Cam´era num´erique

Sant´e : pacemaker, ´equipement de diagnostique

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March´e

March´ e

Selon certains estim´es : 100 fois plus de microcontrˆoleurs vendus que de microprocesseurs de PC

March´e de gros volume, mais moins grand revenus

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March´e

March´ e des microprocesseurs en 2002

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Volume Dollars

32-Bit 16-Bit 8-Bit 4-Bit DSP

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March´e

March´ e des microprocesseurs en 2006

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%

Type

64-Bit 32-Bit 16-Bit 8-Bit 4-Bit

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March´e

March´ e des microprocesseurs en 2012

DSP; 7%

4/8 bit; 6%

16 bit; 7%

32 bit; 10%

MPU; 70%

PART DU MARCHÉ DES MICROPROCESSEURS, 2012 (73.8 G$)

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March´e

March´ e des microprocesseurs en 2011

0 5000 10000 15000 20000 25000

Marché des microcontrolleurs (M$)

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March´e

Langage de programmation des microprocesseurs en 2006

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70%

C C++

C#

Java Assembleur Autres

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March´e

Langage de programmation des microprocesseurs en 2011

C C++

.NET Java Assembleur Autres

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March´e

Croissance pr´ evue du march´ e 2011 – 2016

Communications Automobile Total Industriel Gov./Mil.

Ordinateur Consommateur

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March´e

Vendeurs principaux en 2011

Entreprise Rang 2011 March´e % changement de 2010

Renesas Electronics 1 17.3% -1%

Freescale Semiconductor 2 10.1% 4%

Atmel 3 7.4% 25%

Microchip 4 6.7% 6%

Infineon 5 6.6% 18%

Texas Instruments 6 5.5% 4%

Fujitsu 7 5.5% -17%

NXP Semiconductors 8 4.8% -2%

ST Microlectronics 9 4.4% -3%

Samsung 10 3.4% -1%

Autres 28.4% 2%

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Caract´eristiques

Microcontrˆ oleurs : Caract´ eristiques

Très souvent des systèmes à temps réel Contraintes de minutage très importantes Deux catégories : Critique et non critique

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Caract´eristiques

Syst` emes critiques

Défaillance peut être catastrophique : freins dans voiture, système de coussins gonflables, stimulateur cardiaque, etc.

Le microprocesseur doit détecter correctement les entrées et appliquer la sortie appropriée selon le délai prescrit.

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Caract´eristiques

Syst` emes non critiques

Système où la défaillance n’est pas catastrophique Erreurs de minutage ou de fonctionnement pas critiques Ex : lecteur MP3

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Caract´eristiques

Autres caract´ eristiques

Auto-d´emarrage Horloge de surveillance Coˆut

Fiabilit´e

Consommation de puissance Performance

Design et d´eveloppement

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Caract´eristiques

Design et d´ eveloppement

Généralement, à base d’événements

Communiqu´es au processeur par des interruptions (interrupt)

Doit gérer ces interruptions (ex : plus d’un en même temps) ; priorités Contrôle des exceptions (ex : division par zéro ?)

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Caract´eristiques

Design et d´ eveloppement

Généralement, choisir le microcontrôleur le moins cher qui fait le travail.

Ne pas négliger l’expérience avec un manufacturier Vérifier si du code peut être réutilisé

Vérifier la facilité et coût des outils de développement

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Caract´eristiques

Design et d´ eveloppement

Souvent, les microcontrˆoleurs n’ont pas de syst`eme d’exploitation (operating system)

Si oui, c’est un système d’exploitation en temps réel (SETR ouRTOS) Réagit à des événements de fa¸con consistante (délai toujours le même)

Pas comme Windows qui vous dit d’attendre ! Quelques exemples :

INTEGRITY LynxOS OSE

Windows CE

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Caract´eristiques

Erreur logicielles catastrophiques

Attention aux erreurs logiciels

Therac-25 (1985 – 1987) : quelques patients morts à cause de doses massives de radiation, due à une mauvaise séquence de clavier dans un intervalle de 8 s lors de traitements pour le cancer.

Ariane 5 - vol 501 (1996) : fusée et satellite de 500M$ détruit à cause d’erreur de conversion d’une valeur 64 bit virgule flottante à 16 bit entier (overflow ou dépassement).

Phobos 1 (1998) : code de débogage a été activé par erreur de 1 caractère, et la sonde n’a pas pu recharger ses batteries et a été perdue.

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Caract´eristiques

Erreur logicielles catastrophiques

Apollo 11 (1969) : Armstrong a été forcé de faire un atterrissage manuel à cause d’une erreur dans le manuel.

Missile Patriot (1991) : Un missile Patriot n’a pas intercept´e un Scud irakien causant la mort de 28 personnes, due `a une erreur

d’arrondissement de 1/10¹¹. Le système n’était pas con¸cu pour opérer continuellement, et l’erreur d’arrondissement s’est multipliée et a causé une erreur de minutage.

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Caract´eristiques

Manufacturiers

AMD : www.amd.com

Analog Devices : www.analog.com/processors

ARM :www.arm.com/products/CPUs/embedded.html(IP) ATMEL :www.atmel.com/products

Freescale :www.freescale.com(Motorola)

Intel : www.intel.com/design/embedded/solutions Microchip :www.microchip.com(PIC)

MIPS : www.mips.com/products/processors(IP) TI :focus.ti.com

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PIC32

Caract´eristiques :

80 MHz, 1.56 DMIPS/MHz Multiplication en 1 cycle Cache 256 Bytes

Contrˆoleur DMA 8 canaux Convertisseur A/N 10 bit

Port parall`ele 16 bit pour vid´eo (QVGA) USB, Ethernet

Unit´e arithm´etique en entier (pas de FPU)

512 KB m´emoire, 128KB RAM (PIC32MX460F512L)

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PIC32

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GELE5343 Chapitre 2 :

R´ evision de la programmation en C

Hiver 2013

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Introduction

Contenu

1 Introduction

2 Flot de programmation

3 Variables et ´evaluations

4 Boucles

5 Optimisation

6 Compteur

7 Interruptions

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Introduction

Rappel : C

On s’int´eresse seulement aux commandes communes de programmation pour des microcontrˆoleurs.

Ressources web :

www.cprogramming.com C: Wikipedia

The C book

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Flot de programmation

Fonctions D´efinitions Programme principal

main() D´eclarations Initialisation des fonctions Commandes de pr´eprocesseur

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Flot de programmation

D´ eclarations

Commandes avec “#” sont pour le pr´eprocesseur

Pr´eprocesseur : passe `a travers le document 1 fois avant de compiler

#include <stdio.h>: Va chercher le contenu du fichier stdio.h pour le placer dans le fichier actuel

#define foo bar: cherche pour foodans le fichier et le remplace par bar. Utile pour des constantes.

#pragma : Commandes propres à l’implémentation : dépend du compilateur. Si ces commandes ne sont pas comprises par le compilateur, elles sont ignorées.

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Variables et ´evaluations

Types de variables

Entiers :

int: entier, à 32 bits. Utilisera 4B en mémoire. De −2³¹ à2³¹−1 short : entier à 16 bits (2B en mémoire). De−2¹⁵à2¹⁵−1 long long : entier à 64 bits (8B en mémoire). De−2⁶³ à2⁶³−1 unsigned: permet d’avoir des entiers positifs seulement. Ex : unsigned short, de 0à65 535

char : pour des caract`eres ; 8 bits. Utile pour des compteurs de−128

`

a127(ou 0`a255).

Ex : int i = 22ouint i = 0x0016 (en hexad´ecimal)

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Types de variables

Autres :

float : chiffre `a virgule flottante, 32 bits

long double: chiffre `a virgule flottante `a 64 bits

(34)

Quel type utiliser ?

Multiplication Bits Cycles Performance relative

Int Float

char 8 6 1 –

short 16 6 1 –

int 32 6 1 –

long long 64 21 3.5 –

float 32 71 11.8 1

long double 64 159 26.5 2.23

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Vecteurs et matrices

On ajoute des parenthèses carrées lors de la déclaration.

char c[10]: matrice de 10 entiers de 8 bits Le premier élément est l’élément0 :

Selon l’exemple, on ac[0]`ac[9].

Il faut initialiser le vecteur au complet avant de l’utiliser ; on ne peut pas avoir de matrice de dimension inconnue.

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Evaluation de variables ´

Evaluations logiques´

Faux est repr´esent´e par 0

Vrai est repr´esent´e par n’importe quel entier sauf 0

|| : op´erateur OU (OR)

&& : op´erateur ET (AND)

!: op´erateur NON (NOT) Ex : Sia= 17etb= 1,

a || best VRAI a && best VRAI

!aest FAUX

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Comparaison de variables

== “est ´egal `a”

!= “n’est pas ´egal `a”

>“plus grand que”

>= “plus grand ou ´egal `a”

<“plus petit que”

<= “plus petit ou ´egal `a”

Exemple : sia= 10, a>1est VRAI -a >= 0est FAUX a == 17est FAUX a != 3est VRAI

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Incr´ ementation

Deux autres op´erateurs : ++ :

i++´equivalent `a i = i+1 --

i--´equivalent `a i = i-1

Peut être appliqué avant ou après une assignation. Ex : soita= 0 et b= 1 :

a = b++donnea= 1,b= 2 a = ++bdonnea= 2,b= 2

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Boucles

Trois types principaux de boucles : Boucle for

Boucle while Boucle do- while

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Boucles

Boucle for

c h a r i ;

f o r ( i =0; i<5; i ++) { // f a i r e q u e l q u e c h o s e

// s e r a e x ´e c u t ´e p o u r i = 0 , 1 , 2 , 3 e t 4 }

Les trois arguments :

i=0: initialise le compteur

i<5: v´erifie s’il faut s’arrˆeter avec une expression logique

(41)

Boucles

Boucle while

w h i l e ( x ) {

// f a i r e q u e l q u e c h o s e }

x: n’importe quelle expression logique

Le code dans la boucle sera ex´ecut´e aussi longtemps que xest vrai.

(42)

Boucles

Boucle do

do {

// f a i r e q u e l q u e c h o s e } w h i l e ( x )

x: n’importe quelle expression logique

Le code dans la boucle sera ex´ecut´e 1 fois, puis ensuite aussi longtemps que xest vrai.

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Optimisation

Optimisation du programme

Espace mémoire limité sur un microcontrôleur Espace RAM limité

Il faut faire plus attention `a la programmation

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Optimisation

M´ emoire

Eviter les grosses librairies (ex :´ printf) Eviter l’allocation dynamique de m´´ emoire Eviter les structures complexes´

Attention aux d´eclarations de variables (ne pas utiliser intsi char est suffisant)

Les calculs en virgule flottante sont beaucoup plus longs Il peut ˆetre plus efficace d’utiliser des tables pour les fonctions complexes (sin,cos, etc.) que de faire le calcul directement.

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Compteur

Compteurs

Le PIC32 a 6 compteurs, mais seulement 5 devraient ˆetre utilis´es.

Le compteur de coeur du CPU ne devrait pas ˆetre utilis´e (il est cependant accessible).

Les compteurs utilisent l’horloge de périphérique (qui est plus petite ou égale à l’horloge CPU).

Contrˆol´es par 3 SFR (Special Function Register), ex pour Timer1 : TMR1: contient la valeur (16 bit) du compteur

T1CON: contrôle l’activation et le mode d’opération PR1: Période du compteur (16 bit : valeur max 65 535)

(46)

Compteur

Compteurs

Timer1 est 16 bits, Timer2 à Timer5 peuvent être combinés pour 32 bits (mais 16 bits par défaut)

Les compteurs utilisent l’horloge de p´eriph´eriquePBCLK

Il faut r´egler le diviseur d’horloge FBDIV correctement (valeur par d´efaut = 8 ; PBCLK = CLK/8) ;

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Compteur

Compteurs

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Compteur

Compteurs

T1CON :

7 : 0 TGATE — TCKPS<1 : 0> — TSYNC TCS —

15 : 8 TON FRZ SIDL TMWDIS TMWIP — — —

Bit 15/7 Bit 14/6 Bit 13/5 Bit 12/4 Bit 11/3 Bit 10/2 Bit 9/1 Bit 8/0

Les bits 16 `a 31 ne sont pas utilis´es

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Compteur

Compteur T1

TON: Active le compteur

TCS: Horloge du compteur : 0 = horloge interne

TCKPS : Multiplicateur ; 00 = 1, 01 = 8, 10 = 64, 11 = 256 SIDL : comportement en mode inactif du CPU (0 si pas important) TSYNC : Synchronisation avec une horloge externe = 1 (0 sinon) TGATE : Pour horloge externe

FRZ: Pour le d´ebogage (0 par d´efaut)

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Compteur

Exemple

Supposons qu’on veut un compteur de p´eriode 0.2s, avec une horloge de 36MHz interne.

T = 1

f_pb ×M_{P S}×P Rx

oùfpb est la fréquence de l’horloge de périphérique,MP S est le

multiplicateur du compteur, et PRxest le nombre de cycles n´ecessaire pour avoir le d´elai voulu.

0.2 = 1

36×10⁶(256)(P Rx)

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Compteur

Exemple (suite)

Avec Timer1 :

TON = 1 : Activer le Timer

TCS = 0 : On utilise l’horloge interne TCKPS = 11: Multiplicateur = 256

TGATE = 0, TSYNC = 0: On utilise l’horloge interne SIDL = 0: Mode veille pas important

7 : 0 TGATE — TCKPS<1 : 0> — TSYNC TCS —

15 : 8 TON FRZ SIDL TMWDIS TMWIP — — —

(52)

Compteur

Compteurs

T2CON :

7 : 0 TGATE TCKPS<2 : 0> T32 — TCS —

15 : 8 TON — SIDL — — — — —

Les bits 16 `a 31 ne sont pas utilis´es. TCKPSest 3 bits pour Timer2-5

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Compteur

Compteur T2

TON: Active le compteur

TCS: Horloge du compteur : 0 = horloge interne TCKPS : Multiplicateur ; (valeur `a 3 bits)

000 = 1, 001 = 2, 010 = 4, 011 = 8 100 = 16, 101 = 32, 110 = 64, 111 = 256

SIDL : comportement en mode inactif du CPU (0 si pas important) T32: 0 = mode 16 bit, 1 = mode 32 bit

(54)

Interruptions

Interruption : ´ev´enement interne ou externe qui demande rapidement l’attention du CPU

PIC32 : 64 sources d’interruption

L’action à effectuer : ISR (Interrupt Service Routine) Généralement asynchrone

3 – 4 cycles entre l’interruption et l’action correspondante

(55)

Interruptions

Exception

Exception : perturbe le fonctionnement normal du programme Exception

Interruption Reset

Division par 0

Erreur m´emoire

· · ·

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Interruptions

Quelques r` egles...

Le compilateur s’occupe des procédures complexes d’interruption, si : Le ISR ne retourne pas de valeur (type void) : asynchrone Aucun paramètre est retourné au ISR (paramètre void) N’est pas appelé par d’autres fonctions

Idéalement, ne devrait pas appeler d’autres fonctions : rendement Le langage C n’a pas été con¸cu pour utiliser des interruptions...

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Interruptions

Sources d’interruption

Sources externes :

5 pins externes avec d´etection du niveau

22 pins externes branch´ees au module de notification de changement 5 entr´ees Input Capture

5 sorties Output Compare 2 interfaces port s´erie (UART)

4 interfaces s´eries synchrone (SPI et I²C) 1 port parall`ele

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Interruptions

Sources d’interruption

Sources internes :

1 compteur interne 32 bit 5 compteurs internes 16 bit

1 convertisseur analogique-num´erique 1 module comparateur analogique 1 horloge et calendrier

1 contrˆoleur Flash 1 moniteur d’horloge 2 interruptions logiciel

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Interruptions

Priorit´ es

Chaque source d’interruption a 7 bits de contrˆole : Interrupt Enable :-IE; un seul bit :

0, l’événement ne génère pas d’interruption ; 1, l’interruption peut être évaluée.

La valeur par d´efaut est 0 pour toutes les interruptions.

Interrupt Flag:-IF; un seul bit, est activé (valeur 1) chaque fois que l’événement a lieu, indépendamment de IE. If faut le remettre à 0 manuellement à la fin de la routine d’interruption, sinon l’interruption est ré-activée immédiatement.

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Interruptions

Priorit´ es

Group Priority Level:-IP; il y a 7 niveaux de priorité, de ipl1à ipl7. Si deux interruptions ont lieu en même temps, celle avec la priorité la plus élevée est effectuée en premier. Nécessite 3 bits. Par défaut, toutes les interruptions sont àipl0.

Subpriority Level : 4 niveaux de priorité dans le même groupe En cas d’équivalence, le tableau 5.2 pp. 86–88 donne les priorités.

(61)

Interruptions

D´ eclarations

v o i d a t t r i b u t e ( ( i n t e r r u p t ( i p l X ) , v e c t o r ( 0 ) ) ) I n t e r r u p t H a n d l e r ( v o i d) {

// c o d e i c i }

ou

#pragma i n t e r r u p t I n t e r r u p t H a n d l e r i p l X v e c t o r 0 v o i d I n t e r r u p t H a n d l e r ( v o i d) {

// c o d e i c i }

InterruptHandler est le nom de l’interruption

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Interruptions

D´ eclarations : macros PIC32

v o i d I S R ( 0 , i p l X ) I n t e r r u p t H a n d l e r ( v o i d) { // c o d e i c i

}

D´efinit danssys/attribs.h

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Interruptions

Librairie

Librairieint.h :#include <int.h>

Plusieurs macros pour simplifier l’implantation Compris dans#include <plib.h>

Macros commencent par m:

INTEnableSystemSingleVectoredInt(): fonction pour initialiser correctement le module de contrôle des interruptions. À utiliser ! ! ! mXXSetIntPriority( x): Assigne le niveau de priorité de

l’interruptionXX. Les abr´eviations sont donn´ees dans le tableau 5.2 pp.

86 – 88 du manuel.

mXXClearIntFlag(): permet de remettre `a 0 leIFd’une interruption.

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Interruptions

Interruption : Exemple

#i n c l u d e <p 3 2 x x x x . h>

#i n c l u d e <p l i b . h> // i n c l u s m a c r o s p o u r i n t e r r u p t i o n s i n t c o u n t ;

#pragma i n t e r r u p t I n t e r r u p t H a n d l e r i p l 1 v e c t o r 0 v o i d I n t e r r u p t H a n d l e r ( v o i d) {

c o u n t ++;

m T 2 C l e a r I n t F l a g ( ) ; // −I F = 0 }

main ( ) {

PR2 = 1 5 ; // P ´e r i o d e du c o m p t e u r

T2CON = 0 x 8 0 3 0 ; // C o n t r ˆo l e du c o m p t e u r

m T 2 S e t I n t P r i o r i t y ( 1 ) ; // P r i o r i t ´e 1 `a c a u s e de i p l 1 I N T E n a b l e S y s t e m S i n g l e V e c t o r e d I n t ( ) ;

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Interruptions

Interruptions multiples

Priorité résout seulement une partie du problème

Décide seulement laquelle est exécutée si 2 sont déclenchées en même temps

Si une interruption est déjà active, qu’arrive-t’il si une 2e est déclenchée ?

Par d´efaut, il faut attendre la fin de l’interruption avant de d´eclencher la 2e.

Parfois une interruption de plus haute priorit´e doit interrompre une de moindre priorit´e

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Interruptions

Interruptions multiples

On doit manuellement réétablir les interruptions aussitôt dans le ISR Nécessite une instruction assembleur MIPS

asm("ei") : r´eactiver les interruptions (enable interrupt)

Vérifier par code la source de l’interruption : ex, mT3GetIntFlag() pour vérifier si l’interruption liée à Timer3 a été déclenchée

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Interruptions

Interruptions multiples : Exemple

v o i d I S R ( 0 , i p l 1 ) I n t e r r u p t H a n d l e r ( v o i d) { asm ( ” e i ” ) ;

i f ( m T 3 G e t I n t F l a g ( ) ){ // c o d e

m T 3 C l e a r I n t F l a g ( ) ; }

e l s e i f ( m T 2 G e t I n t F l a g ( ) ){ // c o d e

m T 2 C l e a r I n t F l a g ( ) ; }

} main ( ) {

PR3 = 2 0 ; // P é r i o d e du c o m p t e u r 3 ; e x e m p l e PR2 = 1 5 ; // P é r i o d e du c o m p t e u r 2 ; e x e m p l e T3CON = 0 x 8 0 3 0 ; // C o n t r ô l e du c o m p t e u r T2CON = 0 x 8 0 3 0 ; // C o n t r ô l e du c o m p t e u r

m T 3 S e t I n t P r i o r i t y ( 3 ) ; // P l u s h a u t e p r i o r i t ´e m T 2 S e t I n t P r i o r i t y ( 1 ) ;

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Interruptions

Interruptions multiples

Les versions plus récentes du PIC ont les interruptions imbriquées par défaut

L’exemple précédent n’est plus recommandé

La commandeasm("ei") est activée par défaut à l’appel de la routine

On modifie l’appel `a la routine :

void ISR Single( 0, ipl1) InterruptHandler( void)

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Interruptions

Interruptions multiples : approche multi-vecteurs

Le PIC32 offre une approche alternative pour g´erer des interruptions multiples

Vecteurs multiples et registres multiples

Tableau 5.3 pp. 99 – 100 montre les diff´erents vecteurs du PIC32 64 vecteurs pour 96 interruptions (limites dues au MIPS)

Ex : Timer1 : le vecteur est TIMER 1 VECTOR , vecteur no 4

(70)

Interruptions

Interruptions multiples : approche multi-vecteurs

L’utilisation de vecteurs différents accélère l’application des interruptions

Pour vitesse max, utiliser ipl7 : registres spéciaux L’approche imbriquée est quand même valide

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Interruptions

Interruptions multiples : approche multi-vecteurs : Exemple

v o i d I S R ( TIMER 3 VECTOR , i p l 7 ) T 3 I n t e r r u p t H a n d l e r ( v o i d) { // c o d e

m T 3 C l e a r I n t F l a g ( ) ; }

v o i d I S R ( TIMER 2 VECTOR , i p l 1 ) T 2 I n t e r r u p t H a n d l e r ( v o i d) { asm ( ” e i ” ) ;

// c o d e

m T 2 C l e a r I n t F l a g ( ) ; }

} main ( ) {

PR3 = 2 0 ; // P é r i o d e du c o m p t e u r 3 ; e x e m p l e PR2 = 1 5 ; // P é r i o d e du c o m p t e u r 2 ; e x e m p l e T3CON = 0 x 8 0 3 0 ; // C o n t r ô l e du c o m p t e u r T2CON = 0 x 8 0 3 0 ; // C o n t r ô l e du c o m p t e u r

m T 3 S e t I n t P r i o r i t y ( 7 ) ; // P l u s h a u t e p r i o r i t ´e m T 2 S e t I n t P r i o r i t y ( 1 ) ;

I N T E n a b l e S y s t e m S i n g l e V e c t o r e d I n t ( ) ;

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Ports

Ports entr´ ee-sortie (I/O)

Ports A `a G sont programmables I/O TRISx : direction, 1 = Input, 0 = Output.

Ex :TRISA = 1veut dire que le port A est en mode entr´ee.

PORTx : lecture / ´ecriture au port.

Ex :PORTD = 0x0020veut dire que le bit 5 du port D est haut.

En mode lecture, acceptent jusqu’`a 5 V en entr´ee.

En mode sortie, la tension est 3.3 V

Par d´efaut, les ports sont en mode lecture (Input)

(73)

Ports

Librairies

La librairie plib.hdonne acc`es `a plusieurs macros Ex : mPORTASetBits( BIT 8 | BIT 10)

Ex : PORTSetBits( IOPORT A, BIT 8 | BIT 10) Pour r´egler les ports comme entr´ee ou sortie :

PORTSetPinsDigitalIn(IOPORT x, BIT y) PORTSetPinsDigitalOut(IOPORT x, BIT y)

(74)

Ports

Lecture

Fonctions et macros de lecture : mPORTxRead()

mPORTxReadBits()

PORTRead(IO PORT ID) : lecture de tous les bits

PORTReadBits(IO PORT ID, bits): lecture des bits sp´ecifi´es

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Ports

Ecriture ´

Fonctions et macros d’´ecriture : mPORTxWrite(bits) mPORTxSetBits(bits) mPORTxClearBits(bits) mPORTxToggleBits(bits)

PORTWrite(IO PORT ID): ´ecriture de tous les bits

PORTSetBits(IO PORT ID, bits) : écriture des bits spécifiés (à 1) PORTClearBits(IO PORT ID, bits): écriture de 0 aux bits spécifiés PORTToggleBits(IO PORT ID, bits) : inverse la valeur des bits spécifiés

(76)

GELE5343 Chapitre 3 : M´ emoire

Hiver 2013

(77)

Introduction

Contenu

1 Introduction

2 Chaˆıne

3 Allocation de m´emoire

4 Pointeurs

5 Bus m´emoire

6 Configuration

(78)

Chaˆıne

Chaˆınes

Chaˆıne : s´erie de caract`eres (string)

Initialisation (un caract`ere) : char c = 0x41ouchar c = ’a’; Plusieurs caract`eres :

char s[5]: {’H’, ’E’, ’L’, ’L’, ’O’}

char s[5]: "HELLO"

char s[]: "HELLO"

Le code\0est automatiquement ajout´e `a la fin de la chaˆıne (code de fin de chaˆıne).

(79)

Chaˆıne

Caract` ere

Peut être utilisé avec des incrémenteurs c h a r c ;

c = ’ a ’

c++; // c r e p r ´e s e n t e m a i n t e n a n t ’ b ’ Ne fonctionne pas avec des chaˆınes

c h a r s [ 1 5 ] ;

s = ” H e l l o ! ” ; // E r r e u r !

(80)

Chaˆıne

String.h

string.h: manipuler des chaˆınes

strcpy( s, "Hello");: copier une chaˆıne dans une autre strcat( s, "World");: ajouter une chaˆıne `a la fin d’une autre i = strlen( s) : Calcule la longueur de la chaˆıne

(81)

Allocation de m´emoire

Allocation de m´ emoire

Le compilateur g´en`ere le code qui manipule les variables.

L’éditeur de liens (linker) détermine où les variables sont placées en mémoire (adresse physique)

Ex : char s[] = "GELE5343 Systemes"

Linker réserve 18 bytes continues en mémoire (dans régiondata) La valeur d’initialisation est placé dans une table de 18 bytes dans l’espace Flash (dans régionrodata)

Compilateur cr´ee une routine qui sera appel´ee avantmain()pour copier la valeur en RAM

2x la m´emoire est utilis´e : 1 fois en Flash et 1 fois en RAM

(82)

Allocation de m´ emoire

Si la chaˆıne ne sera pas modifi´ee, utiliserconst Seul l’espace en Flash (rodata) sera utilis´e Pas besoin de routine d’initialisation Ne gaspille pas le RAM

(83)

Table de m´ emoire

Compilateur cr´ee un fichier .map

Montre l’allocation en m´emoire (valeurs et addresses) Contient :

Liste des fichiers inclus

Configuration de la m´emoire : position et taille de chaque espace m´emoire

Table de m´emoire

(84)

Table de m´ emoire

Contient :

Section .reset: code à exécuter après un reset

Section .vector x: pointeurs aux sources d’interruption Section .startup: code d’initialisation

Section .text: plusieurs régions, contiennent le code généré par le code source du programme

Section .rodata: donn´ees constantes (read-only) Section .data: m´emoire pour variables globales Section .data1: autres variables

(85)

Pointeurs

Pointe `a l’adresse en m´emoire

Mécanisme puissant pour manipuler la mémoire Facile de causer des erreurs de mémoire

(86)

Pointeurs

Exemple :

i n t ∗p i ; // p o i n t e u r

i n t i ; // c o m p t e u r

i n t a [ 1 0 ] ; // m a t r i c e f o r ( i =0; i<10; i ++)

a [ i ] = i ;

p i = a ; // p o i n t e l ’ a d r e s s e de a f o r ( i =0; i<10; i ++) {

∗p i = i ; p i ++;

(87)

Pointeurs

Exemple

Boucle 1 :

Multiplie la valeur deipar la dimension (4 bytes) pour trouver le d´ecalage de l’adresse

Ajoute le décalage à l’adresse initiale Assigne la valeur deien mémoire Boucle 2 :

Le pointeur incr´emente automatiquement l’adresse Assigne la valeur en m´emoire

Simplifi´e `a :*pi++ = i;

(88)

Pointeurs

Tas (Heap)

Espace mémoire réservé pour les objets alloués dynamiquement Outils dans stdlib.h

Fonctions fondamentales :

void *malloc(sizet size): Réserve un bloc mémoire de la dimension demandée et retourne un pointeur à ce bloc

void free(void *ptr): Libère le bloc de mémoire pointé par ptr Pour le PIC32, la quantité de mémoire réservée pour le tas doit être explicitée par le programme ; la valeur par défaut est 0

(89)

Bus m´emoire

Bus m´ emoire

PIC32 : Bus m´emoire de type Von Neumann

Un bus donne accès à la mémoire de programme (Flash) et à la mémoire de données (RAM)

Permet d’ex´ecuter du code de la m´emoire RAM

Utilise un pipeline `a 5 ´etages et cachepre-fetch pour avoirune instruction par cycle d’horloge

(90)

Configuration

Le PIC 32 poss`ede plusieurs bits de configuration

Utilis´es pour les r´eglages d’horloges (affectent la consommation de puissance)

Varient selon le modèle du PIC32 (vérifier les fiches) Appliquées avec commandes #pragma

(91)

Configuration

Horloges

Le PIC 32 poss`ede 5 oscillateurs (sources d’horloge)

Oscillateur interne (FRC) : pour opération à haute vitesse avec faible consommation de puissance. Ne nécessite aucun composant externe ; 8 MHz±2%

Oscillateur à basse fréquence (LPRC) : opération à basse fréquence et faible consommation de puissance. Ne nécessite aucun composant externe ; 32 kHz, faible précision

Oscillateur primaire externe (POSC) : opération à haute fréquence et précision. Cristaux de fréqence max 20 MHz peuvent être branchés (OSCI, OSCO)

(92)

Configuration

Horloges

Oscillateur secondaire (SOSC) : opération à basse fréquence et faible consommation de puissance. Branchés à SOSCI et SOSCO ;

32.768 kHz, tr`es grande pr´ecision

Source externe (EC) : permet `a un circuit externe de compl`etement remplacer l’oscillateur

(93)

Configuration

Horloges

Contraintes de puissance :

La consommation de puissance va déterminer la taille des batteries à utiliser ; pour des applications mobiles, c’est très critique

La performance détermine la quantité de travail effectuée par le microcontrôleur

Plus la fréquence d’horloge est élevée, plus la consommation de puissance est élevée

Ex : le PIC32M4 consomme 11 mA `a 4 MHz, mais 64 mA `a 72 MHz

(94)

Configuration

Contrˆ ole d’horloges

Le PIC32 offre les caract´eristiques suivantes :

Commutation pendant l’op´eration entre les sources externes et internes d’oscillateurs

Contrˆole pendant l’op´eration des diviseurs d’horloge

Contrôle pendant l’opération du circuit PLL (multiplicateur de fréquence)

Mode IDLE (inactif), où le CPU est arrêté et les périphériques continuent

Mode SLEEP (sommeil), où le CPU et les périphériques sont arrêtés Contrôle du diviseur d’horloge de périphérique (PBCLK) séparément

(95)

Configuration

Oscillateur principal du PIC32

Running 147

So when using the Explorer 16 board or the PIC32 Starter Kit, to respect the first rule we will need to reduce the input frequency from 8 MHz to 4 MHz. Looking at the block diagram in Figure 7.1 or the simplified diagram in Figure 7.3 , you will notice how the input divider is conveniently available to us to perform the first frequency reduction.

4 MHz 72 MHz

8 MHz

System Clock

72 MHz Input

Divider PLL

Output Divider

1 : 2 118 1 : 1

Figure 7.3 : Primary oscillator clock chain.

The multiplication factor of the PLL can be selected among a number of values ranging from 15 all the way up to 24 and it is controlled by thePLLMULT bits. Since the maximum operating frequency of the PIC32MX is (at the time of this writing) restricted to 75 MHz, selecting a factor of 18 will give 72 MHz, the closest match compatible with the device operating specifications. The output divider block provides us with a final opportunity to manage the clock frequency. When we will need the maximum performance, we will leave the output divider set to a 1:1 ratio. Should our application require it, we will be able to reduce the power consumption by dividing the output frequency all the way down to 1:256 th or approximately 280 kHz. Below this frequency we would be much better served by using the secondary oscillator (SOSC), its operating range is in fact between 32 kHz and 100 kHz, or by the low power internal oscillator (LPRC) operating at approximately 32 kHz. For our reference, from the advanced datasheet we learn that the typical power consumption of the PIC32 when operating off the LPRC would be just 200 A!

The Peripheral Bus Clock

As another way to optimize performance and power consumption in an application, the PIC32 feeds a separate clock signal to all the peripherals. This is obtained by sending the System clock through yet another divide circuit (extending further the chain of modules illustrated in Figure 7.3 ), producing the PB clock signal. Very often a high processor

Le PLL nécessite une fréquence ≤4 MHz, donc il faut diviser la fréquence du cristal par 2

On contrˆole l’ensemble `a l’aide du registre 32bit OSCCON, ou par configuration #pragma

Gabriel Cormier (UdeM) GELE5343 Chapitre 3 Hiver 2013 20 / 27

(96)

Configuration

Registre OSCCON

146 Day 7

The Primary Oscillator Clock Chain

We will begin our exploration at the primary oscillator clock signal chain, since it is the most common and, in many of the following chapters, we will need to develop demonstration projects that will require either a high level of performance or high clock accuracy. As you can verify visually, on the Explorer 16 demonstration board and PIC32 Starter Kit, an 8 MHz crystal is connected across the OSCI and OSCO pins. At this frequency (below 10 MHz) it is recommended we set the primary oscillator for operation in XT mode.

Depending on the application, we are immediately confronted with two possibilities. We could use the 8 MHz input signal as is or feed it to a multiplier (PLL) circuit. The appeal of the second option is obvious, but with it comes the need to learn more about PLL circuits.

Phase locked loops (PLLs) are complex little circuits, but the designers have managed to hide all the complexity of the PIC32 PLL from us with the condition that we respect a few simple rules. First, we need to feed it with a specific input frequency range ( 4 MHz). Second, we need to allow it time to stabilize or “ lock ” before we attempt to execute code and synchronize with it. A simple control mechanism is provided (via the OSCCON register illustrated in Figure 7.2 ) to select the frequency multiplication factor (^PLLMULT ) and to verify the proper locking ( ^SLOCK ).

U-0

— —

—

— bit 31

bit 23

bit 15

U-0 R-0 R-0

COSC2:0

R-0 U-0

U-0 R/W-x R/W-x R/W-x

R/W-0 R/W-x R/W-x

R/W-x R/W-x R/W-x

R/W-0 R/W-0

SOSCEN OSWEN CF

r-0 SLPEN

SLOCK

r-0 R-0 R/W-0 R/W-0

R/W-0 CLKLOCK

R/W-x R/W-x R/W-x

R-0 U-0

bit 24

bit 16

bit 8 R/W-x R/W-x R/W-x

FRCDIV2:0

PLLMULT2:0

NOSC2:0 PBDIV1:0

SOSCRDY DRMEN

PLLODIV2:0

(97)

Configuration

Registre OSCCON

Input divider : FRCDIV

Effet Bit Config (#pragma)

FRC divisé par 1 000 FPLLIDIV = DIV 1 FRC divisé par 2 (défaut) 001 FPLLIDIV = DIV 2 FRC divisé par 3 010 FPLLIDIV = DIV 3 FRC divisé par 4 011 FPLLIDIV = DIV 4 FRC divisé par 5 100 FPLLIDIV = DIV 5 FRC divisé par 6 101 FPLLIDIV = DIV 6 FRC divisé par 10 110 FPLLIDIV = DIV 10 FRC divisé par 12 111 FPLLIDIV = DIV 12

(98)

Configuration

Registre OSCCON

Multiplicateur PLL : PLLMULT

Horloge multipliée par 15 000 PLLMULT = MUL 15 Horloge multipliée par 16 001 PLLMULT = MUL 16 Horloge multipliée par 17 010 PLLMULT = MUL 17 Horloge multipliée par 18 011 PLLMULT = MUL 18 Horloge multipliée par 19 100 PLLMULT = MUL 19 Horloge multipliée par 20 101 PLLMULT = MUL 20 Horloge multipliée par 21 110 PLLMULT = MUL 21 Horloge multipliée par 24 111 PLLMULT = MUL 24

(99)

Configuration

Registre OSCCON

Multiplicateur de sortie : PLLODIV

Sortie PLL divisée par 1 000 FPLLODIV = DIV 1 Sortie PLL divisée par 2 001 FPLLODIV = DIV 2 Sortie PLL divisée par 4 010 FPLLODIV = DIV 4 Sortie PLL divisée par 8 011 FPLLODIV = DIV 8 Sortie PLL divisée par 16 100 FPLLODIV = DIV 16 Sortie PLL divisée par 32 101 FPLLODIV = DIV 32 Sortie PLL divisée par 64 110 FPLLODIV = DIV 64 Sortie PLL divisée par 256 111 FPLLODIV = DIV 256

(100)

Configuration

Registre OSCCON

S´election d’oscillateur : COSC

FRC 000 FNOSC = FRC

FRC avec PLL 001 FNOSC = FRCPLL

Oscillateur principal (XT, HS ou EC) 010 FNOSC = PRI Oscillateur principal avec PLL 011 FNOSC = PRIPLL Oscillateur secondaire (SOSC) 100 FNOSC = SOSC Oscillateur interne faible puissance (LPRC) 101 FNOSC = LPRC Oscillateur interne rapide divis´e par 16 110 FNOSC = FRCDIV16 Oscillateur interne rapide divis´e par FRCDIV 111 FNOSC = FRCDIV

(101)

Configuration

Registre DEVCFG1

S´election d’oscillateur principal : POSCMD

EC (Horloge externe) 00 POSCMD = EC XT (R´esonateur externe) 01 POSCMD = XT HS (Haute vitesse) 10 POSCMD = HS

D´esactiv´e 11 POSCMD = OFF

(102)

Configuration

Registre DEVCFG1

Configuration de base :

#pragma c o n f i g POSCMOD=XT, FNOSC=PRIPLL

#pragma c o n f i g FPLLIDIV=DIV 2 , FPLLMUL=MUL 20

#pragma c o n f i g FPLLODIV=DIV 1

On utilise le cristal externe de 8 MHz, divisé par 2 pour entrée au PLL, puis multiplié par 20 (pour obtenir 80 MHz), puis finalement divisé par 1.

(103)

GELE5343 Chapitre 4 : Bus et interface

Hiver 2013

(104)

Introduction

Contenu

1 Introduction

2 GPIB

3 Bus I²C

4 SPI

5 UART

6 SMBus

(105)

GPIB

GPIB : General Purpose Interface Bus Standard IEEE-488

Protocole de communication pour instruments de mesure

Initialement appelé HP-IB (développé par HP, fin des années 60) Permet la communication entre différents instruments

(106)

GPIB

Permet de brancher jusqu’`a 31 appareil en chaˆıne (th´eorique) mais 20 en pratique.

(107)

GPIB

Dispositifs : rˆ oles

Contrôleur : contrôle les dispositifs. Seul 1 contrôleur peut être actif à la fois.

Ecouteur (listener) : Peut recevoir des donn´´ ees lorsqu’indiqu´e par le contrˆoleur

Transmetteur (talker) : transmet des données sur le bus lorsqu’indiqué par le contrôleur

(108)

GPIB

Pins

Pin Nom Fonction

1 DIO1 Bit Entrée/Sortie 2 DIO2 Bit Entrée/Sortie 3 DIO3 Bit Entrée/Sortie 4 DIO4 Bit Entrée/Sortie 5 EOI End-or-Identity 6 DAV Data Valid 7 NRFD Not ready for data 8 NDAC Not data accepted 9 IFC Interface clear

Pin Nom Fonction

13 DIO5 Bit Entrée/Sortie 14 DIO6 Bit Entrée/Sortie 15 DIO7 Bit Entrée/Sortie 16 DIO8 Bit Entrée/Sortie 17 REN Remote Enable 18 GND Pour DAV 19 GND Pour NFRD 20 GND Pour NDAC 21 GND Pour IFC

(109)

GPIB

Pins

16 pins pour signaux et 8 pins pour ground : 8 pins entr´ee - sortie

3 pins handshake 5 pins interface

Normalement, low <0.8V et high >2V.

(110)

GPIB

Donn´ ees

DOI1 `a DOI8 :

Permettent de transférer les adresses, contrôle et données Adresses et contrôle : format définit dans IEEE-488

Données : pas définit par le standard ; souvent chaˆınes de caractères ASCII.

DOI1 est le LSB

(111)

GPIB

Handshake

Contrôlent le transfert de messages Permet d’accuser réception des données Garanti la réception sans erreurs

NRFD (vient d’un écouteur) : tous les dispositifs doivent être prêt avant d’envoyer données

NDAC (vient d’un écouteur) : pas encore accepté les données. Tous les dispositifs doivent remettre à zéro avant la prochaine opération.

DAV : données prêtes à être lues

(112)

GPIB

Transmission de donn´ ees

Quand un contrˆoleur ou transmetteur veut transmettre des donn´ees : DAV = high (data not valid)

V´erifier NRFD = low V´erifier NDAC = low

Si tout correct, placer donn´ees sur le bus

(113)

GPIB

Transmission de donn´ ees (suite...)

Les dispositifs qui re¸coivent des donn´ees vont : Relˆacher NRFD

Quand tous ont relˆach´e, NRFD = high

Quand NRFD = high, contrˆoleur applique DAV = low (donn´ees valides)

(114)

GPIB

Transmission de donn´ ees (suite...)

Ensuite, les receveurs vont : NRFD = low (occup´e)

Relˆacher NDAC lorsque les donn´ees sont re¸cues

Quand le dernier relˆache NDAC, le contrˆoleur peut replacer DAV = high pour transmettre le prochain byte.

La vitesse d´epend du dispositif le plus lent.

(115)

GPIB

Gestion d’interface

5 lignes de contrˆole :

ATN (Attention) : Contrˆole indique qu’il va placer une adresse ou byte de contrˆole sur la ligne.

EOI (End or Identify) : Transmetteur devrait l’utiliser pour indiquer la fin de la transmission de donn´ees.

IFC (Interface Clear) : Pour initialisation des dispositifs

REN (Remote Enable) : Seulement pour le contrˆoleur : indique au dispositif d’ignorer le panneau

SRQ (Service Request) : Comme une interruption. Le dispositif indique au contrôleur qu’une action est nécessaire. Le contrôleur

(116)

GPIB

Adresses

Jusqu’`a 15 dispositifs sur un bus

Adresses de 0 à 30, réglées sur le dispositif (software ou hardware) Adresses secondaires possibles, de 0 à 30 aussi

Adresses secondaires d´ependent du dispositif

(117)

GPIB

Transmission de donn´ ees

(118)

GPIB

Programmation

La programmation des dispositifs varie selon le manufacturier Il y a un manuel de programmation pour chaque dispositif Le standard GPIB n’impose pas de modèle de programmation Les commandes sont des séquences de caractères

Ex : CH1:VOLTS 1.0E-1 r`egle l’affichage `a 100mV/division sur le canal 1 de l’oscilloscope Tektronics TDS 340

Ex : CH1:VOLTS?demande `a l’oscilloscope quel est l’affichage du canal 1 (r´eponse :1.0E-1)

Ex : MEASure:VOLTage:AC? 20, 0.001Indique à un multimètre de mesurer la tension AC, sur une échelle de 20V, avec une résolution de

(119)

Bus I²C

Bus I

²

C

D´evelopp´e par Phillips

Bus bidirectionnel `a 2 fils : SDA (serial data line) et SCL (serial clock line)

Chaque dispositif sur le bus a une adresse unique

S´erie, 8 bit, 100kbit/s (mode normal) ou 400kbit/s (mode rapide) Filtre de protection sur le dispositif

Capacitance max sur la ligne de 400pF (limite le nombre de dispositifs)

(120)

Bus I²C

Diagramme 174 Day 8

The Exploration

The PIC32MX family offers seven communication peripherals that are designed to assist in all common embedded-control applications. As many as six of them are serial communication peripherals; they transmit and receive a single bit of information at a time. They are:

●

2 the Universal Asynchronous Receiver and Transmitters (UARTs)

●

2 the SPI synchronous serial interfaces

●

2 the I

²

C synchronous serial interfaces

The main difference between a synchronous interface (like the SPI or I

²

C) and an asynchronous one (like the UART) is in the way the timing information is passed from transmitter to receiver. Synchronous communication peripherals need a physical line (a wire) to be dedicated to the clock signal, providing synchronization between the two devices. The device(s) that originates the clock signal is typically referred to as the master , as opposed to the device(s) that synchronizes with it, called the slave(s) .

Synchronous Serial Interfaces

The I

²

C interface (see Figure 8.1 ), for example, uses two wires and therefore two pins of the microcontroller: one for the clock (SCL) and one bidirectional for the data (SDA).

PIC32 I²C interface

I²C Peripheral

Clock (SCL)

Data (SDA)

(Master) (Slave)

Figure 8.1 : I

²

C interface block diagram.

The SPI interface (see Figure 8.2 ) instead separates the data line in two, one for the input

(SDI) and one for the output (SDO), requiring one extra wire but allowing simultaneous

Gabriel Cormier (UdeM) GELE5343 Chapitre 4 Hiver 2013 18 / 42

(121)

Bus I²C

PIC32 : Registre de contrˆ ole I

²

C

I2CxCON :

7 : 0 GCEN STREN ACKDT ACKEN RCEN PEN RSEN SEN

15 : 8 ON FRZ SIDL SCLREL STRICT MA10M DISSLW SMEN

Bit 15/7

Bit 14/6

Bit 13/5

Bit 12/4

Bit 11/3

Bit 10/2

Bit 9/1

Bit 8/0

Les bits 16 `a 31 ne sont pas utilis´es

(122)

Bus I²C

PIC32 : I2CxCON

ON : Activation I²C : 1 = ON, 0 = OFF

FRZ: Debug : 1 = arrêter exécution lors de debug, 0 = continuer SIDL : Mode IDLE : 1 = arrêter si CPU en mode IDLE, 0 = continuer SCLREL: Contrôle du SCL : 1 = relâche horloge, 0 = force ou

maintien horloge `a low

STRICT: Adressage stricte : 1 = activé, 0 = désactivé A10M : Adresses 10bit : 1 = adresses 10bit, 0 = adresses 7bit DISSLW: Slew-rate : 1 = désactivé, 0 = activé

SMEN : Compatibilité SMBus : 1 = activé, 0 = désactivé

(123)

Bus I²C

PIC32 : I2CxCON

GCEN : Activation Call Enable : 1 = ON, 0 = OFF

STREN : Horloge modifiée ; mode secondaire : 1 = ON, 0 = OFF ACKDT : Acknowledge ; mode primaire : 1 = NACK, 0 = ACK ACKEN : Acknowledge sequence : 1 = envoie bit ACKDT, 0 = OFF RCEN : Receive enable : 1 = activé, 0 = désactivé

PEN: Stop enable : 1 = activé, 0 = désactivé RSEN : Restart enable : 1 = activé, 0 = désactivé SEN: Start enable : 1 = activé, 0 = désactivé

(124)

Bus I²C

Connexion

(125)

Bus I²C

Transfert de bit

Horloge doit ˆetre haute pour avoir des donn´ees valides

(126)

Bus I²C

Transfert de bits

Conditions de début et d’arrêt (généré par le maˆıtre).

Microcontrôleurs doivent échantillonner à 2x l’horloge pour détecter la