ATmega128 и ATmega128A

ATmega128 в семействе AVR: от ATmega103 до ATmega2560

ATmega103 выполнял 121 команду без аппаратного умножения, работал до 6 МГц (ATmega103L — до 4 МГц при 2,7–3,6 В), имел 4000 байт SRAM, один UART и флеш-память с ресурсом 1000 циклов записи. ATmega128 сохранил его корпус и назначение выводов: даташит называет новый кристалл стопроцентно совместимым по выводам и пригодным для установки на старые платы. Чтобы на нём без переделки работали и старые программы, предусмотрен режим совместимости, который включает фьюз M103C, — о нём отдельный раздел ниже.

Следующий шаг — ATmega128A, первая редакция даташита которого вышла в августе 2008 года. По функциям и выводам это тот же кристалл, но сделанный по другому техпроцессу; в AVR525 Atmel называет его функционально идентичной прямой заменой ATmega128. Тогда же появились ATmega1281 и ATmega2561 в тех же 64-выводных корпусах — по AVR097 они составляют с ATmega128 совместимое по выводам и функциям подсемейство, — а также 100-выводные ATmega1280 и ATmega2560. Последний стоит в Arduino Mega 2560.

EEPROM у всех кристаллов таблицы — 4 КБ. Питание: ATmega103 — 4,0–5,5 В (ATmega103L — 2,7–3,6 В до 4 МГц), ATmega128 — 4,5–5,5 В (ATmega128L — 2,7–5,5 В), ATmega128A, ATmega1281 и ATmega1280 — 2,7–5,5 В, причём 16 МГц допустимы от 4,5 В, ATmega2561 и ATmega2560 — 4,5–5,5 В. У ATmega1281, ATmega2561, ATmega1280 и ATmega2560 есть ещё варианты с буквой V, рассчитанные на питание от 1,8 В на пониженной частоте. Для ремонта важна последняя колонка: 64-выводные кристаллы прошиваются через линии порта E, а 100-выводные ATmega1280 и ATmega2560 — через PB2 и PB3, как большинство AVR. Схему программатора от Arduino Mega на ATmega128 переносить нельзя.

ATmega128 и ATmega128A: отличия и совместимость

Сигнатура у обоих кристаллов одна — 0x1E 0x97 0x02, набор фьюзов и их заводские значения тоже совпадают, поэтому одна и та же прошивка работает на обоих. В avrdude есть оба описания — m128 и m128a. Различаются только электрические параметры. AVR525 перечисляет три изменения: ниже ток в активном режиме и в режиме Idle, выше допустимое напряжение логического нуля на выходе и другие пределы внутренней подтяжки RESET. Позже пределы подтяжки выровнялись: в редакции 2467W даташита ATmega128 максимум сопротивления подтяжки RESET поднят с 60 до 85 кОм, как у ATmega128A.

Первое значение в строках с токами — типовое, второе — гарантированный максимум. Максимумы у двух версий одинаковые, поэтому источник питания, рассчитанный на ATmega128, подойдёт и для ATmega128A. Внимания требует только VOL: если выход ATmega128 работал на пределе — например, напрямую тянул ток 20 мА через светодиод или вход ТТЛ-логики, — у ATmega128A напряжение нуля может оказаться на 0,2 В выше.

Граница частоты у ATmega128A между 2,7 и 4,5 В на графике безопасной области даташита идёт по прямой от 8 до 16 МГц: при 3,3 В это около 10,7 МГц. На плате с питанием 3,3 В надёжный выбор — кварц 8 МГц, а 16 МГц требуют питания от 4,5 В.

Архитектура ядра ATmega128

ATmega128 построен на классическом ядре AVR с 32 регистрами — в справочнике команд Microchip этот вариант называется AVRe+. Память программ и память данных подключены к ядру разными шинами (гарвардская архитектура), поэтому пока выполняется одна команда, следующая уже выбирается из флеш-памяти. Этот одноступенчатый конвейер и даёт производительность, близкую к 1 MIPS на мегагерц: 16 MIPS при кварце 16 МГц.

• Регистры и АЛУ. 32 регистра r0–r31 по 8 бит соединены с АЛУ напрямую: за один такт оба операнда читаются из регистров, АЛУ выполняет операцию и записывает результат обратно. Пары r27:r26, r29:r28 и r31:r30 — 16-битные указатели X, Y и Z для косвенной адресации; Z ещё и адресует флеш-память в командах LPM, ELPM и SPM.
• Умножение. Аппаратный умножитель выполняет MUL, MULS, MULSU и дробные FMUL за 2 такта. У ATmega103 умножения не было.
• Счётчик команд PC — 16 бит, он адресует 64K слов, то есть все 128 КБ флеш-памяти. Поэтому CALL, RCALL и прерывание кладут в стек 2 байта адреса возврата, а JMP и CALL достают до любого адреса. Команд EIJMP и EICALL у ATmega128 нет: они нужны кристаллам с флеш-памятью больше 128 КБ.
• Стек находится в SRAM и растёт к младшим адресам. Даташит требует настроить указатель SP до первого вызова подпрограммы и до разрешения прерываний, а в таблице регистров его начальное значение — 0, поэтому в программах на ассемблере SP загружают явно. Стартовый код avr-gcc ставит стек на вершину внутренней SRAM, адрес 0x10FF.
• Прерывания. Реакция на прерывание — не меньше 4 тактов: за это время адрес возврата уходит в стек. Ещё 3 такта занимает JMP в векторе, возврат RETI — 4 такта. Если прерывание будит кристалл из режима сна, к реакции добавляются ещё 4 такта и время запуска генератора.

Полный список команд с флагами и тактами — в статье «Система команд AVR». По приложению A справочника команд из набора AVRe+ у ATmega128 нет только EIJMP и EICALL, а ELPM для чтения верхней половины флеш-памяти есть.

Память ATmega128: флеш, SRAM, EEPROM и внешняя шина

У ATmega128 три адресных пространства: память программ (флеш-память), память данных, куда входят регистры, ввод-вывод и SRAM, и EEPROM, к которой обращаются через регистры ввода-вывода.

Флеш-память и секция загрузчика

Флеш-память на 128 КБ организована как 64K слов по 16 бит и выдерживает не меньше 10 000 циклов записи и стирания. Пишется она страницами по 128 слов (256 байт), всего страниц 512. Память делится на две части: секцию приложения в начале и секцию загрузчика в конце. Размер секции загрузчика задают фьюзы BOOTSZ1:0, а команда SPM, которая пишет во флеш-память, работает только из секции загрузчика.

Даташит приводит адреса в словах, а компоновщик avr-gcc и файлы HEX считают в байтах — вдвое больше. Секцию загрузчика на 8 КБ при сборке размещают с байтового адреса 0x1E000, например ключом -Wl,--section-start=.text=0x1E000.

Независимо от фьюзов флеш-память разделена ещё и на две фиксированные области. В RWW (Read-While-Write, 0x0000–0xEFFF, 120 КБ) можно стирать и записывать страницы, пока код из NRWW продолжает выполняться. NRWW (0xF000–0xFFFF, 8 КБ) — область, при записи которой процессор останавливается до конца операции. Секция загрузчика всегда лежит в NRWW, поэтому загрузчик может принимать данные по UART, пока пишет страницу приложения. Пока идёт запись в RWW, читать оттуда нельзя — значит, на это время прерывания должны быть запрещены или перенесены в секцию загрузчика битом IVSEL.

Константы выше 64 КБ: ELPM и RAMPZ

Команда LPM берёт адрес байта из 16-битного указателя Z и поэтому видит только первые 64 КБ флеш-памяти. Верхняя половина читается командой ELPM: старший, семнадцатый бит адреса она берёт из бита RAMPZ0 регистра RAMPZ. В avr-libc обычные pgm_read_byte() и pgm_read_word() работают через LPM и ограничены нижними 64 КБ. Документация avr-libc отдельно предупреждает, что с таблицами за этой границей они не работают. Типичный случай — загрузчик на кристалле с флеш-памятью больше 64 КБ: он и сам лежит выше границы. Для таких данных адрес получают макросом pgm_get_far_address(), а читают функциями pgm_read_byte_far() и аналогичными.

Память данных: регистры, ввод-вывод, SRAM

Первые 4352 байта адресного пространства данных в обычном режиме устроены так:

В расширенном вводе-выводе лежат регистры, которых не было у ATmega103: UBRR0H (0x90), UCSR0C (0x95), регистры USART1, таймера 3, TWI, XMCRA и XMCRB. Компилятор сам выберет для них LDS и STS, а в ассемблере IN и OUT к ним не применить.

У ATmega128 есть и тонкость с битовыми командами: SBI и CBI переписывают весь регистр ввода-вывода. Если в регистре есть флаги, которые сбрасываются записью единицы, команда sbi на соседний бит сбросит и ожидающий флаг вместе с его прерыванием — даташит упоминает это, например, для ADIF в ADCSRA.

EEPROM

EEPROM на 4 КБ выдерживает не меньше 100 000 циклов записи, данные во флеш-памяти и EEPROM хранятся 20 лет при 85 °C и 100 лет при 25 °C. Запись одного байта длится 8448 тактов калиброванного RC-генератора частотой около 1 МГц, то есть около 8,5 мс, независимо от того, от какого источника тактируется ядро. При чтении процессор останавливается на 4 такта, при запуске записи — на 2.

Запись защищена последовательностью: после установки бита EEMWE в регистре EECR бит EEWE нужно записать не позднее чем через 4 такта, иначе запись не начнётся. Поэтому на время этой пары команд прерывания запрещают, а если в программе есть загрузчик, ещё и дожидаются окончания операции SPM. В avr-libc всё это делают функции из avr/eeprom.h. От порчи данных при просадке питания даташит рекомендует держать кристалл в сбросе детектором BOD. Фьюз EESAVE сохраняет содержимое EEPROM при полном стирании кристалла программатором.

Внешняя память XMEM

ATmega128 умеет работать с внешним ОЗУ, флеш-памятью или периферией, отображёнными в пространство данных. Порт A становится мультиплексированной шиной адреса и данных AD0–AD7, порт C — старшим байтом адреса A8–A15, а PG2, PG1 и PG0 — сигналами ALE, RD и WR. Младший байт адреса защёлкивается внешним регистром вроде 74AHC573 по спаду ALE: даташит рассчитан на серию 74AHC, а обычные 74HC не успевают уже на частотах выше 8 МГц при 4 В и 4 МГц при 2,7 В.

Интерфейс включается битом SRE в регистре MCUCR. Внешняя память начинается с адреса 0x1100, так что напрямую доступно 61 184 байта. К первым 4352 байтам микросхемы объёмом меньше 64 КБ обращаются через «зеркало»: у ОЗУ на 32 КБ без линии A15 они видны по адресам 0x8000–0x90FF. Каждое обращение к внешней памяти на такт длиннее, чем к внутренней, а для медленных микросхем добавляют 1–3 такта ожидания битами SRW. Пространство можно разбить на два сектора с разным числом тактов ожидания (биты SRL2:0), отдать ненужные старшие линии адреса порту C (биты XMM2:0 в XMCRB) и включить удержание уровней на шине AD0–AD7 (бит XMBK). Стек во внешней памяти держать невыгодно: вызовы подпрограмм, прерывания и возвраты станут на 3 такта длиннее.

Режим совместимости с ATmega103: фьюз M103C

Самая неожиданная особенность ATmega128: он поставляется в режиме совместимости с ATmega103. Об этом прямо пишут оба даташита — и ATmega128, и ATmega128A, — а AVR080 уточняет, что с завода фьюз M103C запрограммирован. В этом режиме кристалл повторяет ATmega103 по распределению памяти, работе выводов и векторам прерываний, а всё, чего у ATmega103 не было, отключается:

• нет расширенного пространства ввода-вывода: SRAM — 4000 байт по адресам 0x0060–0x0FFF, внешняя память начинается с 0x1000;
• остаётся один USART только в асинхронном режиме, без буфера приёма и только с младшими 8 битами UBRR; USART1 нет;
• нет TWI, таймера 3 и третьего канала сравнения OCR1C таймера 1, а векторы прерываний с адресами 0x0030–0x0044 исчезают;
• порт C работает только на выход и при сбросе не переходит в высокоимпедансное состояние, порт F — только вход, порт G — только сигналы внешней памяти и вход кварца 32 кГц;
• не работают загрузчик и команда SPM, нельзя подстроить внутренний RC-генератор, а у шины XMEM нет секторов, освобождения выводов порта C и удержания уровней на шине;
• сторожевой таймер (если не запрограммирован WDTON) меняет настройки без защитной последовательности, внешние прерывания INT0–INT3 реагируют только на уровень, а в MCUCSR остаются только флаги EXTRF и PORF.

Есть и аппаратное следствие: пока фьюз M103C не снят, порт C после каждого сброса работает на выход и, по AVR080, выдаёт нули. Даташит предупреждает: если кристалл запаян на плату до программирования, при первом включении порт C сразу работает на выход. Если к порту C подключены выходы других микросхем, их стоит развязать резисторами или прошить фьюзы до монтажа.

Оставлять M103C запрограммированным имеет смысл только для старой прошивки ATmega103, которую нельзя пересобрать. JTAG, кстати, в режиме совместимости продолжает работать: фьюз M103C не отменяет JTAGEN, и для полной совместимости AVR080 советует снять и его.

Тактирование ATmega128: источники, CKOPT и время запуска

Источник тактирования выбирают фьюзы CKSEL3:0, а фьюз CKOPT меняет режим генератора. Фьюз «запрограммирован» — значит, его бит равен 0.

Кварцевый резонатор и CKOPT

С кварцем или резонатором диапазон частот зависит от CKOPT. Незапрограммированный CKOPT (1) — экономичный режим с малым размахом сигнала на XTAL2, частота до 8 МГц, и XTAL2 нельзя использовать для тактирования других микросхем. Запрограммированный CKOPT (0) даёт полный размах от нуля до питания и рабочий диапазон 1–16 МГц, но генератор потребляет больше.

Отсюда правило: для кварца 16 МГц CKOPT обязательно программируют. Керамические резонаторы работают до 8 МГц при CKOPT = 1 и до 16 МГц при CKOPT = 0, а конденсаторы для них берут из документации резонатора. C1 и C2 по даташиту всегда одинаковые.

Бит CKSEL0 вместе с SUT1:0 задаёт время запуска генератора. Для кварца (CKSEL0 = 1) это 16K тактов после выхода из Power-down и Power-save; после сброса добавляется задержка от сторожевого генератора: 4,1 мс при SUT1:0 = 10 (питание нарастает быстро), 65 мс при SUT1:0 = 11 (медленно) или ничего при SUT1:0 = 01, когда сброс держит детектор BOD. Короткие варианты на 258 и 1K тактов предназначены для керамических резонаторов.

Внутренний RC-генератор

Внутренний генератор даёт 1, 2, 4 или 8 МГц (номинал при 5 В и 25 °C), CKOPT при этом должен быть не запрограммирован. При сбросе в регистр OSCCAL автоматически загружается калибровочный байт для 1 МГц, и тогда отклонение частоты не превышает ±3 % при 5 В и 25 °C; пользовательская калибровка по указаниям по применению Atmel даёт ±1 % при фиксированных напряжении и температуре. Калибровочные байты для 2, 4 и 8 МГц тоже записаны на заводе, в старших байтах строки сигнатуры по адресам 1–3, но загружаются они только вручную: программатор читает их (в avrdude — область calibration), а программа записывает нужный байт в OSCCAL. Без этого на частоте 8 МГц генератор работает с калибровкой для 1 МГц.

Если калибровку меняют программно, частоту не поднимают больше чем на 10 % выше номинала: от того же генератора отсчитываются времена записи EEPROM и флеш-памяти. Errata ATmega128A добавляет ещё одно правило: после повышения частоты больше чем на 2 % регистром OSCCAL или делителем XDIV следующие 8 команд должны быть NOP при запрещённых прерываниях.

Делитель XDIV и часовой кварц

Регистр XDIV делит тактовую частоту ядра и всей периферии на 129 − d, где d — значение битов XDIV6:0, то есть в 2–129 раз. Это способ снизить потребление без смены фьюзов, но с оговоркой: при включённом делителе таймер 0 можно использовать только в асинхронном режиме, иначе прерывания теряются.

Кварц 32,768 кГц для часов реального времени подключают к TOSC1 и TOSC2 (PG4 и PG3) — к ним, а не к XTAL1 и XTAL2. Внешние конденсаторы не нужны: внутренние ёмкостью 36 пФ уже стоят. Тогда таймер 0 считает секунды и в режиме Power-save, когда всё остальное остановлено.

Фьюзы ATmega128: таблица и заводские значения

У ATmega128 три байта фьюзов. Программатор читает запрограммированный фьюз как 0. Фьюзы не стираются при полном стирании кристалла, а после записи бита блокировки LB1 их уже не изменить, поэтому сначала пишут фьюзы, потом биты защиты.

Итого с завода: Extended = 0xFD, High = 0x99, Low = 0xE1. Значения совпадают в даташитах ATmega128 и ATmega128A и в заголовке avr-libc iom128.h (константы EFUSE_DEFAULT, HFUSE_DEFAULT, LFUSE_DEFAULT). Фьюз SPIEN по ISP изменить нельзя — только через JTAG или параллельным программатором.

Типовые наборы фьюзов

Во всех строках, кроме заводской, секция загрузчика остаётся 8 КБ, а BOOTRST не запрограммирован: программа стартует с адреса 0. В варианте с BOD выбрано время запуска SUT1:0 = 01 — даташит рекомендует его для кварца при включённом детекторе. Для 8 МГц от RC-генератора не забудьте загрузить в OSCCAL калибровочный байт для 8 МГц.

BOD и сторожевой таймер

Детектор пониженного питания (BOD) держит кристалл в сбросе, пока напряжение ниже порога: 2,7 В при BODLEVEL = 1 (по даташиту ATmega128A — от 2,4 до 2,9 В) или 4,0 В при BODLEVEL = 0 (от 3,7 до 4,5 В), гистерезис 100 мВ. Включают его фьюзом BODEN. Для схемы с кварцем 16 МГц и питанием 5 В нужен порог 4,0 В: с порогом 2,7 В кристалл продолжит работать при напряжении, на котором 16 МГц уже не гарантированы.

Сторожевой таймер тактируется своим генератором с частотой около 1 МГц при 5 В и сбрасывает кристалл через 16K–2048K периодов этого генератора: от 14 мс до 1,8 с при 5 В и от 14,8 мс до 1,9 с при 3 В. Фьюзы M103C и WDTON задают уровень защиты от случайного отключения:

Защитная последовательность: одной записью установить WDCE и WDE в регистре WDTCR, затем в течение 4 тактов записать новые WDE и WDP2:0 при сброшенном WDCE.

JTAGEN: почему не работают PF4–PF7

С завода запрограммирован JTAGEN, и выводы PF4–PF7 заняты интерфейсом JTAG: PF4 — TCK, PF5 — TMS, PF6 — TDO, PF7 — TDI. Пока JTAG включён, на TDI, TMS и TCK включены подтягивающие резисторы — даже во время сброса, — а каналы АЦП 4–7 на этих выводах не работают. Типичная картина: программа меряет напряжение на ADC5 или мигает светодиодом на PF6, а вывод не реагирует.

Есть два выхода. Первый — снять фьюз JTAGEN, то есть записать единицу в бит 6 старшего байта: заводское значение 0x99 превращается в 0xD9, а в наборах из таблицы выше JTAG уже выключен. Второй — оставить фьюз и отключать JTAG программой: бит JTD в регистре MCUCSR нужно записать дважды за четыре такта.

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

/* Release PF4..PF7 from JTAG while the JTAGEN fuse stays programmed.
 * JTD must be written twice within four clock cycles: call it before sei(). */
static void jtag_disable(void)
{
  uint8_t v = MCUCSR | (1 << JTD);
  MCUCSR = v;
  MCUCSR = v;
}

Две записи подряд компилятор превращает в две команды OUT, которые выполняются за два такта. Если JTAG не подключён к другой аппаратуре, даташит советует его отключать в любом случае: иначе выход TDO может давать статический ток. Фьюз OCDEN не оставляют запрограммированным в готовом изделии: при включённой отладке часть тактовой системы работает во всех режимах сна, и потребление растёт.

Распиновка ATmega128: TQFP-64 и QFN/MLF-64

ATmega128 и ATmega128A выпускаются в корпусах TQFP-64 (14 × 14 мм, шаг выводов 0,8 мм) и QFN/MLF-64 (9 × 9 мм) с одинаковой нумерацией выводов. Нижнюю площадку корпуса QFN/MLF припаивают к общему проводу.

Из 64 выводов 53 — линии ввода-вывода портов A–F (по 8) и порта G (5). Почти у каждой линии есть альтернативные функции:

Выход порта рассчитан на 20 мА при 5 В: напряжение единицы при этом не ниже 4,2 В, нуля — не выше 0,7 В у ATmega128 и 0,9 В у ATmega128A. Абсолютный максимум — 40 мА на вывод. Суммарный ток всех выводов не должен превышать 400 мА, а каждой из четырёх групп — 100 мА: PA0–PA7, PG2, PC3–PC7; PC0–PC2, PG0–PG1, PD0–PD7, XTAL2; PB0–PB7, PG3–PG4, PE0–PE7; PF0–PF7. Неиспользуемые выводы даташит советует не оставлять плавающими, а включать на них внутреннюю подтяжку: прямое соединение с питанием или землёй опасно, если вывод по ошибке станет выходом.

Периферия ATmega128

Таймеры-счётчики 0–3

Каналов ШИМ всего восемь: два 8-битных (OC0 и OC2) и шесть с разрядностью от 2 до 16 бит у таймеров 1 и 3. Но OC2 и OC1C выведены на один и тот же PB7. Когда включены оба, срабатывает модулятор OCM1C2: на вывод идёт их логическое И или ИЛИ в зависимости от бита PORTB7. Так можно, например, промодулировать несущую данными, как в ИК-пультах.

16-битные регистры таймеров (TCNT1, OCR1A, ICR1 и другие) пишут старшим байтом вперёд, а читают младшим вперёд: у каждого 16-битного таймера один временный регистр старшего байта на все его 16-битные регистры. На C компилятор соблюдает порядок сам, но если 16-битный регистр трогают и в прерывании, и в основной программе, доступ в основной программе нужно защитить от прерываний.

USART0 и USART1

Два USART умеют асинхронный и синхронный режимы, кадры с 5–9 битами данных, контроль чётности, 1 или 2 стоповых бита, режим двойной скорости U2X и мультипроцессорный режим с адресными кадрами. Скорость задаёт 12-битный регистр UBRR: у USART0 его старший байт UBRR0H и регистр UCSR0C находятся в расширенном вводе-выводе (0x90 и 0x95), поэтому в режиме M103C их нет. Выводы: RXD0 и TXD0 — PE0 и PE1 (те же, что для ISP), XCK0 — PE2; RXD1 и TXD1 — PD2 и PD3, XCK1 — PD5. Пример настройки — ниже, расчёт UBRR для любой частоты — в калькуляторе скорости UART.

SPI и TWI (I²C)

SPI занимает PB0 (SS), PB1 (SCK), PB2 (MOSI) и PB3 (MISO). Ведущим модуль тактирует шину частотой до fosc/2 — 8 МГц при кварце 16 МГц, ведомым гарантированно работает при SCK не выше fosc/4. Ловушка с выводом SS у ATmega128 та же, что у других AVR: если в режиме ведущего PB0 настроен на вход и на нём появился ноль, модуль сам переходит в режим ведомого. Подробно об этом и о режимах CPOL/CPHA — в статье про SPI.

TWI — аппаратный I²C на PD0 (SCL) и PD1 (SDA): ведущий и ведомый, 7-битные адреса, арбитраж, скорость до 400 кГц и пробуждение по совпадению адреса даже из Power-down. Подключение и подтягивающие резисторы — в статье про I²C.

АЦП и аналоговый компаратор

АЦП последовательного приближения разрядностью 10 бит подключён к порту F через мультиплексор:

• 8 несимметричных входов ADC0–ADC7, диапазон от 0 до опорного напряжения.
• Дифференциальные входы. С общим минусом ADC1 — семь каналов (плюс — ADC0 или ADC2–ADC7), с общим минусом ADC2 — ещё пять (ADC0, ADC1, ADC3–ADC5), все с единичным усилением. Пары ADC1–ADC0 и ADC3–ADC2 можно пропустить через усилитель 10× или 200×, а сочетания вроде ADC0–ADC0 нужны, чтобы измерить и вычесть собственное смещение. Результат дифференциального измерения — в дополнительном коде от −512 до +511. Даташит обещает около 8 бит реального разрешения при усилении 1× и 10× и около 7 бит при 200×; полоса усилителя — 4 кГц, после смены дифференциального канала усилителю нужно до 125 мкс на установку.
• Опорное напряжение: AVCC, внутреннее 2,56 В (от 2,3 до 2,7 В по даташиту ATmega128A) или внешнее на AREF. При внутренних источниках на AREF ставят конденсатор на общий провод; если на AREF подано внешнее напряжение, внутренние источники включать нельзя — они замкнутся на него.
• Скорость. Для полной точности тактовая частота АЦП должна быть 50–200 кГц. Преобразование длится 13 тактов АЦП (первое после включения — 25), так что при кварце 16 МГц и делителе 128 АЦП тактируется частотой 125 кГц и выдаёт около 9600 отсчётов в секунду.
• Режимы: одиночный запуск битом ADSC или непрерывный (бит ADFR — у ATmega128 нет других источников автозапуска), а для минимального шума — запуск при входе в режим сна ADC Noise Reduction.

Аналоговый компаратор сравнивает AIN0 (PE2, плюс) и AIN1 (PE3, минус). На плюс можно подать внутреннее опорное напряжение около 1,23 В, а на минус — любой вход ADC0–ADC7 через мультиплексор АЦП: бит ACME в SFIOR при выключенном АЦП.

Внешние прерывания и режимы сна

Восемь внешних прерываний INT0–INT7 срабатывают по фронту, спаду или низкому уровню. INT0–INT3 (PD0–PD3) обнаруживаются асинхронно и будят кристалл из любого режима сна по фронту; у INT4–INT7 (PE4–PE7) для обнаружения фронта нужен работающий тактовый сигнал, поэтому из глубокого сна их будит только уровень. Режим сна выбирают биты SM2:0 в MCUCR — они расположены в непривычном порядке: SM1 и SM0 в битах 4 и 3, SM2 в бите 2.

Standby и Extended Standby доступны только с внешним кварцем или резонатором. Перед глубоким сном выключают АЦП (ADEN = 0) и компаратор: сами они не отключаются.

Векторы прерываний ATmega128

Таблица векторов занимает адреса 0x0000–0x0044: 35 векторов по два слова, в каждом — команда JMP. Чем меньше адрес, тем выше приоритет. Векторы 25–35 в режиме ATmega103 не существуют. Фьюз BOOTRST переносит в секцию загрузчика вектор сброса, а бит IVSEL в MCUCR — остальные векторы.

Программирование ATmega128: ISP, JTAG и загрузчик

ISP: данные идут через PE0 и PE1, а не через MOSI и MISO

Главная ловушка ATmega128. Программирование по ISP использует модуль SPI, но линии данных у него свои: вход PDI на PE0 (вывод 2) и выход PDO на PE1 (вывод 3). Тактовый сигнал SCK идёт, как обычно, на PB1 (вывод 11), сброс — на RESET (вывод 20). Выводы MOSI (PB2) и MISO (PB3) в программировании не участвуют — даташит подчёркивает это отдельно. Так было уже у ATmega103, так осталось у ATmega128, ATmega128A, ATmega1281 и ATmega2561.

Ошибку обычно делают, перенося разводку с ATmega328P или ATmega2560, у которых ISP действительно сидит на MOSI и MISO порта B. Программатор при этом обычно сообщает сигнатуру 0x000000 или 0xFFFFFF. Ещё три правила для разъёма ISP:

• PE0 и PE1 — это ещё и RXD0 и TXD0. Если к USART0 подключён преобразователь USB–UART или RS-232, его выход держит линию RXD0 и мешает программатору управлять PE0. AVR042 советует защищать линии ISP, к которым подключено что-то ещё, последовательными резисторами — типовое значение 330 Ом — или разрывать их перемычкой на время прошивки.
• Частота SCK. Высокий и низкий уровни SCK должны длиться больше двух тактов процессора (при тактовой частоте от 12 МГц — больше трёх). У нового кристалла ядро работает от RC-генератора 1 МГц, значит, SCK должен быть ниже 250 кГц. После перехода на кварц 16 МГц предел поднимается примерно до 2,6 МГц.
• Вход PEN. Вместо сигнала RESET в режим программирования можно войти, удерживая PEN (вывод 1) в нуле при включении питания. Чтобы потом вернуться к обычной работе, питание приходится выключать. На плате PEN оставляют свободным: он подтянут внутри.

Прошивка через avrdude

avrdude знает ATmega128 как m128 и ATmega128A как m128a. Пример для недорогого программатора USBasp: сначала прочитать сигнатуру на медленной частоте, затем записать фьюзы для кварца 16 МГц и программу.

avrdude -c usbasp -p m128 -B 125kHz
avrdude -c usbasp -p m128 -B 125kHz -U lfuse:w:0xff:m -U hfuse:w:0xc9:m -U efuse:w:0xff:m
avrdude -c usbasp -p m128 -U flash:w:firmware.hex:i

Ключ -B задаёт частоту SCK; в avrdude 8 её можно указать в герцах, в старых версиях — периодом в микросекундах (-B 8 — те же 125 кГц). Формат m означает, что значение фьюза записано прямо в командной строке. После перехода на кварц 16 МГц предел частоты SCK поднимается почти до 2,6 МГц, поэтому программу можно записывать быстрее.

JTAG: программирование и отладка

Через JTAG ATmega128 и прошивают, и отлаживают пошагово (On-Chip Debug) — например, отладчиком Atmel-ICE. Для прошивки нужен запрограммированный JTAGEN, для отладки — ещё и OCDEN. По даташиту программирование через JTAG не требует управления выводами RESET и тактирования: хватает четырёх сигналов TAP. Если программа отключает JTAG битом JTD, прошивка через JTAG по-прежнему возможна: нужно удерживать RESET в нуле, и через два такта JTD сбросится. Для пошаговой отладки так нельзя — выводы JTAG должны быть отданы ему целиком.

Раскладка разъёма — стандартная 10-контактная по AVR042. Выводы JTAG одновременно входы АЦП, и AVR042 предупреждает: конденсатор аналогового фильтра на таком входе мешает программированию, на время работы с JTAG его отключают, а нагрузка линий должна быть резистивной.

Загрузчик и самопрограммирование

Загрузчик — программа в секции загрузчика, которая принимает новую прошивку по UART, SPI или другому интерфейсу и пишет её во флеш-память командой SPM. Чтобы загрузчик запускался после сброса, программируют BOOTRST: вектор сброса переезжает на начало секции загрузчика (байтовый адрес 0x1E000 при BOOTSZ1:0 = 00). Прерывания загрузчику переносят битом IVSEL в MCUCR, причём бит меняют защищённой последовательностью: сначала единица в IVCE, затем за 4 такта новое значение IVSEL.

Защищают секции биты блокировки BLB0x и BLB1x: можно запретить SPM запись в секцию приложения или в саму секцию загрузчика и запретить чтение одной секции из другой. Снять эти биты, как и LB1 и LB2, можно только полным стиранием кристалла. Загрузчик не работает в режиме M103C — это ещё одна причина снимать этот фьюз.

Высоковольтное параллельное программирование

Последнее средство, когда ISP и JTAG недоступны: параллельное программирование с напряжением 11,5–12,5 В на выводе RESET. Им можно исправить любые фьюзы, включая SPIEN и JTAGEN. Нужен параллельный программатор: по AVR080, параллельное программирование ATmega128 поддерживает, например, STK500. Если фьюзы выбрали внешний кварц или RC-цепочку и тактировать кристалл через XTAL1 не получается, даташит предлагает особый порядок входа в режим: подать питание одновременно с 12 В на RESET и первым делом переключить CKSEL3:0 на внешний тактовый сигнал (0000).

Минимальная схема включения ATmega128

Ниже — схема по рекомендациям даташита и AVR042 для питания 5 В и кварца 16 МГц. Без кварца, на внутреннем RC-генераторе, схема ещё проще, но для UART точности RC-генератора обычно не хватает.

• Развязка питания. Конденсатор 100 нФ — у каждой пары выводов VCC и GND (21–22 и 52–53), с минимальной петлёй до выводов. AVR042 требует отдельный конденсатор на каждую пару выводов питания и ещё один, керамический или танталовый, на входе питания платы.
• AVCC — через LC-фильтр. Вывод AVCC питает порт F и АЦП, и даташит требует подключать его к VCC даже без АЦП, а напряжения не должны отличаться больше чем на 0,3 В. С АЦП AVCC питают через дроссель 10 мкГн с конденсатором 100 нФ — схема из раздела даташита о снижении шумов АЦП.
• AREF. При опоре от AVCC или внутреннего источника 2,56 В — конденсатор 100 нФ на общий провод. Внешнее опорное напряжение подают сюда же, но тогда внутренние источники не выбирают.
• Кварц 16 МГц с конденсаторами 22 пФ — верхняя граница рекомендованного даташитом диапазона 12–22 пФ, — как можно ближе к XTAL1 и XTAL2. Фьюзы: CKSEL3:0 = 1111, CKOPT запрограммирован.
• RESET подтянут к питанию резистором: AVR042 рекомендует не меньше 4,7 кОм, на схеме — 10 кОм, внутренняя подтяжка 30–85 кОм в шумной обстановке слабовата. Конденсатор 100 нФ на общий провод дополнительно защищает от помех. Высоковольтное программирование требует, чтобы RESET выдерживал 12 В, поэтому внутреннего диода на питание у этого вывода нет; если HV-программирование не нужно, AVR042 советует поставить внешний диод от RESET к VCC.
• Разъём ISP — на PE0, PE1, PB1 и RESET, как в предыдущем разделе.
• PEN оставляют свободным, а у корпуса QFN/MLF нижнюю площадку соединяют с общим проводом.

Пример на C: эхо через USART0 на 9600 бит/с

Программа для avr-gcc и avr-libc: ATmega128 или ATmega128A, кварц 16 МГц, фьюзы Low = 0xFF, High = 0xC9, Extended = 0xFF. Всё, что приходит на RXD0 (PE0), отправляется обратно через TXD0 (PE1) в формате 8N1.

Значение регистра скорости при U2X = 0 считается по формуле из даташита:

Реальная скорость — 16 000 000 / (16 · 104) = 9615 бит/с, на 0,2 % выше номинала; это значение есть и в таблице даташита. Заголовок util/setbaud.h делает тот же расчёт при компиляции и сам решает, нужен ли U2X: по умолчанию он допускает ошибку до 2 %.

/* ATmega128/ATmega128A, 16 MHz crystal, fuses L=0xFF H=0xC9 E=0xFF.
 * USART0 echo at 9600 baud, 8N1: RXD0 = PE0, TXD0 = PE1. */
#define F_CPU 16000000UL
#define BAUD 9600

#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>
#include <util/setbaud.h>

static void usart0_init(void)
{
  UBRR0H = UBRRH_VALUE;                   /* 0 */
  UBRR0L = UBRRL_VALUE;                   /* 103: 9615 baud, +0.2 % */
#if USE_2X
  UCSR0A |= (1 << U2X0);
#else
  UCSR0A &= ~(1 << U2X0);
#endif
  UCSR0C = (1 << UCSZ01) | (1 << UCSZ00); /* 8 data bits, no parity, 1 stop bit */
  UCSR0B = (1 << RXEN0) | (1 << TXEN0);
}

static uint8_t usart0_getc(void)
{
  while (!(UCSR0A & (1 << RXC0))) {}
  return UDR0;
}

static void usart0_putc(uint8_t c)
{
  while (!(UCSR0A & (1 << UDRE0))) {}
  UDR0 = c;
}

int main(void)
{
  usart0_init();
  for (;;) {
    usart0_putc(usart0_getc());
  }
}

Сборка и прошивка:

avr-gcc -mmcu=atmega128 -Os -o echo.elf echo.c
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom echo.elf echo.hex
avrdude -c usbasp -p m128 -U flash:w:echo.hex:i

UCSR0C после сброса и так равен 0x06 (8N1), строка с ним оставлена для наглядности. В режиме M103C регистров UBRR0H и UCSR0C нет, и запись в них попадёт в SRAM — ещё одна причина сначала снять этот фьюз. Преобразователь USB–UART подключают крест-накрест: его TXD — к RXD0 (PE0), его RXD — к TXD0 (PE1); для настоящего COM-порта нужен преобразователь уровней, о нём — в статье про RS-232. На время прошивки по ISP преобразователь отключают от PE0 или ставят в эту линию резистор.

Без кварца, на заводских фьюзах, ядро работает от RC-генератора 1 МГц. Тогда для 9600 бит/с даташит даёт UBRR = 6 с ошибкой −7 % — связь не работает — или UBRR = 12 с ошибкой 0,2 % в режиме U2X. Но к этим 0,2 % добавляется погрешность самого генератора до ±3 %, а для кадра 8N1 в режиме U2X даташит рекомендует ошибку приёмника не больше ±1,5 %. Подобрать кварц и UBRR для других скоростей поможет калькулятор скорости UART.

Типичные ошибки и отладка

Как оживить кристалл после неверных фьюзов

Чаще всего ISP перестаёт работать из-за фьюзов тактирования: программирование по ISP идёт от системной частоты, и если выбран источник, которого нет, ядро стоит. AVR080 прямо предупреждает, что после такой ошибки вернуться в режим ISP может оказаться невозможно. Порядок действий:

1. Определите, что было записано. Если выбран кварц (CKSEL3:0 = 1111–1010), впаяйте его с конденсаторами. Если RC-цепочка — поставьте R и C на XTAL1. Подать в этих режимах внешний такт на XTAL1 может не получиться: даташит прямо оговаривает это для параллельного программирования.
2. Если выбран внешний тактовый сигнал (0000), подайте на XTAL1 меандр с размахом от нуля до напряжения питания — с генератора или вывода другого микроконтроллера, например 1 МГц, — и установите частоту SCK программатора ниже четверти этой частоты. Затем запишите правильные фьюзы.
3. Если JTAGEN остался запрограммированным, исправьте фьюзы через JTAG: по даташиту для этого не нужно управлять выводами сброса и тактирования.
4. Если не помогло ничего, остаётся высоковольтное параллельное программирование с 12 В на RESET.

Отключить сам вывод RESET фьюзом у ATmega128 нельзя — такого фьюза, как RSTDISBL у ATmega328P, у него нет, — а SPIEN нельзя изменить по ISP. Поэтому, если работать только через ISP, потерять доступ к кристаллу можно лишь ошибкой в фьюзах тактирования.

Для остальных кристаллов семейства — сравнение серий, программаторы и среды разработки — смотрите раздел об AVR. Регистры, флаги и такты команд разобраны в статье «Система команд AVR», подключение периферии — в статьях про SPI, I²C и RS-232.