W mikrokontrolerach ATmega i ATtiny układ dystrybucji sygnałów zegarowych był tak prosty, że wręcz aż prymitywny. W szczególności w procesorach starej generacji, takich jak ATmega8, mogliśmy wybrać źródło sygnału zegarowego przy pomocy fusebitów i podczas pracy procesora w żaden sposób nie można było go zmienić. Ponadto, błędne ustawienie fusebitów mogło prowadzić do zablokowania procesora. Najwyższy czas, by porzucić poczciwą ósemkę i przejść na mikrokontrolery nowej generacji!

W XMEGA układ zegarowy jest zdecydowanie bardziej rozbudowany. Mamy do dyspozycji różne źródła sygnału zegarowego, takie jak wbudowany generator szybki 32 MHz, energooszczędny 32 kHz oraz normalny 2 MHz, który uruchamia się zawsze po włączeniu zasilania. Możemy te częstotliwości podzielić preskalerem lub pomnożyć wbudowanym układem PLL. Oprócz tego, możemy oczywiście podłączyć różne kwarce, a w razie uszkodzenia kwarcu, procesor samoczynnie przełączy się na wbudowany generator. Mało tego – podczas pracy możemy zmieniać nie tylko częstotliwość zegara, ale również źródło sygnału. Różne peryferia mogą być taktowane różnymi zegarami, a niektóre z nich mogą pracować nawet z częstotliwością 128 MHz!

Uproszczony schemat układu dystrybucji sygnałów zegarowych przedstawiono na rysunku 1. Po wybraniu jednego z pięciu dostępnych źródeł, mamy do dyspozycji aż trzy preskalery, umożliwiające taktowanie poszczególnych peryferiów mikrokontrolera różnymi zegarami. CLK_CPU to zegar dla rdzenia procesora i może mieć maksymalnie 32MHz. CLK_PER taktuje większość peryferiów. CLK_PER2 i CLK_PER4 służą do taktowania peryferiów zdolnych do pracy z zegarem szybszym od CLK_CPU. Oprócz tego, mamy jeszcze osobne zegary dla RTC i USB, jeśli mikrokontroler jest wyposażony w te peryferia.

Rys. 1. Układ dystrybucji sygnałów zegarowych

Sposób wyboru źródła sygnału zegarowego sprowadza się do trzech punktów:

1. Konfiguracja i uruchomienie generatora,
2. Oczekiwanie na stabilizację generatora,
3. Przełączenie źródła.

W tej części kursu napiszemy kilka funkcji, umożliwiających przełączenie źródła sygnału taktującego oraz obserwację efektów tej zmiany przy pomocy migającej diody i wyświetlacza LCD ze sterownikiem HD44780. Wykorzystamy wewnętrzny generator RC 2 MHz, 32 MHz, a także zewnętrzny generator kwarcowy i układ PLL. Schemat układu, wykorzystywanego podczas ćwiczeń, przedstawiono na rysunku 2, a jego zdjęcie jest na rysunku 3.

Rys. 2. Schemat układu demonstracyjnego

Rys. 3. Układ demonstracyjny zbudowany na płytce stykowej

Zacznijmy od przeanalizowania funkcji main().

#define F_CPU 62000000UL
#include 
#include 
#include 
#include "hd44780.h"

int main(void) {
    
    // zmienna
    uint8_t pll         = 4;
    
    // diody
    PORTE.DIR           =    PIN0_bm;                        // dioda LED
                    
    // przyciski
    PORTA.DIRCLR        =    PIN0_bm;                        // przycisk - RC 2MHz
    PORTA.PIN0CTRL      =    PORT_OPC_PULLUP_gc;             // podciągnięcie do zasilania
    PORTE.DIRCLR        =    PIN5_bm;                        // przycisk FLIP - RC 32MHz
    PORTE.PIN5CTRL      =    PORT_OPC_PULLUP_gc;             // podciągnięcie do zasilania
    PORTE.DIRCLR        =    PIN6_bm;                        // przycisk - XTAL
    PORTE.PIN6CTRL      =    PORT_OPC_PULLUP_gc;             // podciągnięcie do zasilania
    PORTF.DIRCLR        =    PIN4_bm;                        // przycisk - PLL
    PORTF.PIN4CTRL      =    PORT_OPC_PULLUP_gc;             // podciągnięcie do zasilania
    
    // wyświetlacz LCD
    LcdInit();
    
    // komunikat o źródłe sygnału zegarowego
    LcdClear();
    Lcd("RC 2MHz");
    
    // włączenie przerwań
    sei();
    
    while(1) {
        PORTE.OUTTGL    =    PIN0_bm;
        _delay_ms(50);
        
        if(!(PORTA.IN & PIN0_bm)) Osc2MHz();
        if(!(PORTE.IN & PIN5_bm)) Osc32MHz();
        if(!(PORTE.IN & PIN6_bm)) OscXtal();
        if(!(PORTF.IN & PIN4_bm)) {    
            pll++;                                           // zwiększ zmienną pll
            if(pll > 31) pll = 1;                            // jeśli pll większe od 31 to ustaw na 1
            OscPLL(pll);                                     // funkcja konfigurująca PLL
        }
    }
}

Zwróćmy uwagę na funkcję opóźniającą _delay_ms(50); Co w niej jest nie tak? Funkcja powoduje, że procesor kręci się w pustej pętli nic nie robiąc, aż upłynie żądany czas. Jednak funkcja _delay_ms() oblicza ilość potrzebnych cykli na podstawie definicji #define F_CPU 62000000UL. W przypadku kiedy częstotliwość taktowania się zmienia, to pamiętajmy, że standardowe funkcje opóźniające nie uwzględniają aktualnej częstotliwości, w związku z czym odmierzony czas nie będzie prawidłowy. Zaobserwujemy ten problem w naszym programie testowym – dioda podłączona do E0 będzie mrugać z różną częstotliwością, mimo że w pętli głównej jest _delay_ms(50) ze stałym argumentem równym 50.

Pliki źródłowe omawianego programu można pobrać na dole strony – będziemy używać biblioteki do obsługi wyświetlacza autorstwa Radosława Kwietnia, którą opisałem w 5 części kursu. W kolejnych odcinkach przedstawię, jak działają poszczególne generatory i jak skonfigurować ich rejestry kontrolne.

Dominik Leon Bieczyński

www.leon-instruments.pl