Тактовая частота, на которой работает микроконтроллер AVR, определяет скорость его работы. Для некоторых realtime приложений (например для библиотеки V-USB) тактовая частота критически важный параметр, от которого зависит - будет программа работоспособна или нет. Поэтому важно уметь определять тактовую частоту, на которой работает микроконтроллер.

[На что влияет тактовая частота микроконтроллера?]

Ответ на этот вопрос прост - на скорость работы. Длительность каждого такта микроконтроллера AVR обычно соответствует времени выполнения одной инструкции на языке ассемблера (хотя есть инструкции ассемблера, время выполнения которых составляет 2, 3, и даже 4 такта). То есть чем выше тактовая частота, тем быстрее микроконтроллер работает, тем точнее его реакция на внешние события. Для приложений реального времени (например для программной работы с протоколом USB через библиотеку V-USB) бывает нужно очень точно знать длительность выполнения каждой инструкции программы.

Кроме того, в ядро AVR встроено множество периферийных аппаратных устройств - АЦП, UART, SPI, I2C и многое другое. Работа всех этих узлов зависит от тактовой частоты. Например, Вы не сможете точно задать скорость работы UART (RS-232), если не знаете его тактовую частоту.

Для вычисления задержек в программе часто используют удобные макросы-функции delay_us и delay_ms. Корректность их работы напрямую зависит от того, насколько рабочая частота микроконтроллера AVR соответствует программной константе F_CPU.

Таким образом, важно знать, как формируется тактовая частота, и уметь определять её действительное значение. Давайте разберем самые популярные варианты тактирования микроконтроллера AVR, чтобы научиться определять рабочую тактовую частоту.

[Кварцевый резонатор]

Очень часто (и это относится к макетным платам AVR-USB-MEGA16, AVR-USB162, AVR-USB162MU, metaboard, userial [1]) рабочая тактовая частота AVR точно равна частоте кварцевого резонатора (или просто кварца), который подключен к микроконтроллеру. В этом случае фьюзами (или программно) выключен встроенный предделитель тактовой частоты (prescaler). Ниже представлены примеры внешнего вида кварцевых резонаторов с маркировкой, где цифрами указана рабочая частота кварцевого резонатора.

На фотографии слева показан фрагмент старого варианта макетной платы AVR-USB-MEGA16 с кварцевым резонатором на 16 МГц. Многие примеры программ и готовые прошивки скомпилированы именно для этой частоты кварца. Справа показан новый вариант AVR-USB-MEGA16 с кварцем на 12 МГц.

Будьте внимательны, когда выбираете в программе тактовую частоту для микроконтроллера - если Вы случайно запрограммируете микроконтроллер, который работает на частоте 12 МГц, не той прошивкой (например, которая рассчитана на работу с частотой 16 МГц), то получите неработоспособное устройство USB, которое не будет определяться операционной системой. Очень много вопросов пользователей (почему мое устройство USB не работает?..) связано с некорректной тактовой частотой прошивки.

На этом фото показана макетная плата metaboard с микроконтроллером ATmega328-PU и кварцевым резонатором на 16 МГц. Здесь тоже для приложений USB используется программная обработка протокола на основе библиотеки V-USB. Поэтому все, что было сказано по поводу частоты кварца для макетной платы AVR-USB-MEGA16, в равной степени относится и к metaboard.

На этой фотографии показан фрагмент макетной платы AVR-USB162 с установленным кварцем на 16 МГц. Здесь используется микроконтроллер AT90USB162 с аппаратным интерфейсом USB, поэтому он намного быстрее справляется с задачей обработки протокола USB, чем обычный микроконтроллер AVR. Здесь тоже важна тактовая частота, на которой работает микроконтроллер - для приложений USB можно использовать кварцы на частоты 8 или 16 МГц, но программа очень строго должна это учитывать.

[Работа микроконтроллера от внутреннего тактового генератора]

Для приложений, где не нужно точно генерировать нужные интервалы времени, или когда не надо получить максимальное быстродействие микроконтроллера AVR, можно использовать встроенный в микроконтроллер RC-генератор. Частота этого генератора равна 8 МГц, по умолчанию она поделена на 8, и в результате микроконтроллер работает на частоте 1 МГц. Делитель может быть запрограммирован на разные коэффициенты деления, и также может быть отключен, так что максимальная рабочая тактовая частота микроконтроллера может быть 8 МГц. Достоинство такого генератора в том, что не нужно использовать внешний кварцевый резонатор, схема упрощается, конечное радиоэлектронное устройство можно сделать дешевле в производстве. Недостаток в том, что неточность RC-генератора ограничивает область применения такого варианта получения тактовой частоты.

Вариант работы генератора (RC-генератор, внешний кварц, коэффициент деления частоты) определяется фьюзами микроконтроллера AVR. Фьюзы микроконтроллера AVR могут быть изменены только с помощью внешнего программатора (интерфейсы ISP, JTAG, или может быть применен так называемый "параллельный" интерфейс программирования). Большинство микроконтроллеров AVR, которые выходят с заводов Atmel, поставляются настроенными на работу от внутреннего генератора, с включенным делителем на 8, т. е. при подаче питания они сразу заработают на частоте 1 МГц. В некоторых пределах тактовую частоту можно подстраивать программно с помощью записи значений констант в специальный настроечный регистр. Подробнее про фьюзы и настройку тактирования микроконтроллера AVR Вы можете узнать из даташита на Ваш микроконтроллер.

[Использование PLL]

Некоторые микроконтроллеры позволяют для получения тактовой частоты использовать PLL. Эта аббревиатура расшифровывается как Phase Locked Loop, что означает фазовая автоподстройка частоты, ФАПЧ. Смысл этого всего в том, что микроконтроллер работает от внутренней тактовой частоты, которая генерируется путем умножения и деления частоты внутреннего RC-генератора, причем частота RC-генератора подстраивается программно. Хороший пример использования такого генератора - приложения V-USB с микроконтроллером ATtiny45 (или ATtiny85), например USBrelay [2]. Микроконтроллер работает на частоте 16.5 МГц, которая получена с помощью RC-генератора и PLL. Частота точно подстраивается программно по синхросигналам начала фрейма USB (так называемый сигнал SOF, Start Of Frame), которые имеют очень точную периодичность 1 мс. Подробнее про PLL см. даташит микроконтроллера и исходный код USB-Relay [2].

[Определение тактовой частоты с помощью осциллографа]

В некоторых сложных случаях трудно заранее знать, на какой частоте работает микроконтроллер. Например, не промаркирован внешний резонатор, или Вы сомневаетесь в том, как запрограммировали фьюзами внутренний RC-генератор.

Если используется внешний резонатор (кварцевый или керамический), то тактовую частоту можно определить, подключившись к выходной ножке тактового генератора - коснувшись щупом одного из ножек резонатора. Будьте внимательны, подключиться надо именно к выходу генератора, и щуп осциллографа должен иметь малую входную емкость (чем меньше, тем лучше, желательно не более 20 пФ). Обычно малая входная емкость щупа получается, когда щуп осциллографа переключен на коэффициент деления 1:10). Чтобы точно узнать, какая ножка микроконтроллера является выходом, обратитесь к даташиту микроконтроллера. Осциллограф покажет тактовую частоту на выходе генератора, и рабочая тактовая частота микроконтроллера будет равна этой частоте с учетом коэффициента предделителя (если он включен фьюзами или программно).

Когда используется внутренний RC-генератор, и когда Вы не уверены в том, насколько правильно запрограммировали фьюзы предделителя, может помочь измерение длительности выполнения команд программы. Для этого случае Вы можете вставить в главный цикл main программы две простые команды установки и сброса любого выбранного порта микроконтроллера, и потом осциллографом измерить полученную длительность выходного сигнала на этом порте. Вот простой пример такой программы (приведен только фрагмент кода, управляющей ножкой порта PB0):

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

void main (void)
{
   ...
   DDRB |= (1 << PB0);
   while (1)
   {
      PORTB |=  (1 << PB0);
      PORTB &= ~(1 << PB0);
      ...
   }
}

Принцип определения тактовой частоты прост. В этом примере кода Вы видите две команды, управляющие разрядом 0 порта B, которые следуют друг за другом (запись константы в регистр PORTB). Первая команда устанавливает выходной уровень ножки PB0 в состояние лог. 1, вторая команда в лог. 0. Это измерение уровней можно проконтролировать осциллографом, подсоединив щуп к ножке порта PB0. Каждая команда записи в регистр PORTB компилируется в одну команду ассемблера, длительность которой можно узнать из даташита на микроконтроллер. В данном примере будут использоваться команды ORI и ANDI, имеющие длительность выполнения 1 цикл. Таким образом, между первой и второй командой пройдет время одного цикла, одного периода тактовой частоты микроконтроллера, т. е. длительность импульса лог. 1 будет равна длительности периода рабочей тактовой частоты. На рисунке упрощенно показана форма сигнала на выходе порта PB0 и соответствующая ей тактовая частота.

Длительность импульса лог. 1 на выходе порта PB0 можно измерить с помощью осциллографа, и по ней определить тактовую частоту, на которой работает микроконтроллер.

[Ссылки]

1. Макетные платы с интерфейсом USB.
2. usb-Relay - маленькое USB-устройство, управляющее включением и выключением реле.
3. AVR: как рассчитать время выполнения команды.