Тактовая частота, фьюзы и F_CPU

Откуда берётся тактовая частота

Источник тактового сигнала выбирают четыре бита фьюзов CKSEL3…0 (табл. 9-1 даташита):

После источника стоит делитель системной частоты — регистр CLKPR (раздел 9.11). Фьюз CKDIV8 задаёт его начальное значение: если фьюз запрограммирован, после сброса частота делится на 8 (раздел 9.12.2).

С завода ATmega328P поставляется с внутренним RC-генератором 8 МГц и запрограммированным CKDIV8, то есть работает на 1 МГц (раздел 9.2.1). Точность заводской калибровки RC-генератора — ±10 % при 3 В и 25 °C (табл. 29-9): для мигания хватит, а для UART уже на грани. Поэтому на Arduino Uno стоит внешний источник 16 МГц, а кристалл настроен фьюзами на него. Наибольшая частота при питании 4,5–5,5 В — 20 МГц.

Фьюзы: три байта

Фьюзы — это биты энергонезависимой конфигурации, которые программа сама изменить не может. У ATmega328P три байта: младший, старший и расширенный (раздел 28.2). Главное правило: 0 — фьюз запрограммирован, 1 — нет. Стирание кристалла (Chip Erase) фьюзы не меняет.

Заводские значения собраны нами из столбцов «Default Value» табл. 28-6, 28-8 и 28-9, значения Uno — из boards.txt ядра Arduino. Расшифруем фьюзы Uno:

• Младший 0xFF = 1111 1111: CKDIV8 не запрограммирован — делителя нет; CKSEL3…1 = 111 — кварцевый генератор на 8–16 МГц (табл. 9-3).
• Старший 0xDE = 1101 1110: SPIEN = 0 — программирование по SPI разрешено; BOOTSZ = 11 — загрузчик 256 слов с адреса 0x3F00 (табл. 27-13); BOOTRST = 0 — после сброса управление получает загрузчик.
• Расширенный 0xFD: BODLEVEL = 101 — детектор пониженного питания сбрасывает кристалл при 2,5–2,9 В, типично 2,7 В (табл. 29-12).

Прочитать фьюзы можно программатором: avrdude -c usbasp -p m328p -U lfuse:r:-:h -U hfuse:r:-:h -U efuse:r:-:h. Загрузчик Optiboot фьюзы не читает и не пишет — для этого нужен ISP-программатор.

Опасные фьюзы

Неверно записанный фьюз может сделать кристалл недоступным для ISP-программатора. Перед записью всегда проверяйте значения в калькуляторе фьюзов AVR.

Последний случай лечится просто — снижением скорости программатора ключом -B avrdude. Кристалл без тактов оживляют, подав на XTAL1 сигнал от другого микроконтроллера или генератора. После DWEN выключить debugWIRE может отладчик с его поддержкой, а после RSTDISBL и SPIEN поможет только высоковольтный параллельный программатор (раздел 28.7). Подробности — в разделе о фьюзах на странице ATmega328P.

F_CPU и задержки

Макрос F_CPU ничего не настраивает в кристалле — он только сообщает avr-libc, сколько тактов в секунде. Функция _delay_ms(t) превращается в цикл на F_CPU · t / 1000 тактов. Если F_CPU больше реальной частоты, задержки растягиваются, если меньше — сокращаются. Если F_CPU не задан вовсе, util/delay.h выдаёт предупреждение и считает частоту равной 1 МГц.

Ещё одно свойство задержек из документации avr-libc: на время _delay_ms прерывания не запрещаются, поэтому каждое сработавшее прерывание удлиняет задержку на время своего обработчика.

Делитель частоты можно поменять и из программы, не трогая фьюзы. Запись в CLKPR защищена: сначала пишется байт с единицей только в CLKPCE, а новое значение CLKPS3…0 — не позже чем через четыре такта (раздел 9.12.2):

#include <avr/interrupt.h>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

/* Remove the factory divide-by-8: 8 MHz RC -> 8 MHz system clock. */
static void clock_div1(void)
{
    uint8_t sreg = SREG;        /* remember the interrupt flag */
    cli();                      /* no interrupt between the two writes */
    CLKPR = _BV(CLKPCE);        /* enable the change for 4 cycles */
    CLKPR = 0;                  /* CLKPS3..0 = 0000: divide by 1 */
    SREG = sreg;                /* restore the interrupt flag */
}

int main(void)
{
    clock_div1();
    for (;;) {
    }
}

С оптимизацией -Os обе записи компилируются в две соседние команды и укладываются в четыре такта; без оптимизации такой код может не сработать. После вызова такой функции на чистом кристалле F_CPU надо задавать равной 8 МГц.

Задание

На плату без кварца поставили чистый ATmega328P, и программатором записали младший байт фьюзов 0xE2.

1. На какой частоте теперь работает кристалл?
2. Программа собрана с -DF_CPU=16000000UL. Сколько на самом деле длится _delay_ms(1000)?

Что дальше

В уроке 5 частота станет основой точного времени: таймер с предделителем и прерыванием отсчитает миллисекунды без пустых циклов. Все биты фьюзов, заводские значения и готовую команду avrdude показывает калькулятор фьюзов AVR, а фактическую длительность _delay_ms при разных частотах — калькулятор задержек AVR. Коротко о фьюзах и битах защиты — термины «Фьюзы AVR» и «Биты защиты»; о кварцевом резонаторе — термин «Кварцевый резонатор»; о сбросе по питанию — «Детектор пониженного питания». Регистры CLKPR и OSCCAL — на странице регистров CPU ATmega328P.