Tarkvaraline viide

Vajalikud teadmised: [HW] Kontrollermoodul, [AVR] Arhitektuur, [LIB] Sisend-väljundviigud, [LIB] Viide

Tihti on mikrokontrollerite programmis vaja tekitada viiteid, et tegevusi ajastada või nende lõppu oodata. Üks idee poolest lihtsamaid meetodeid mikrokontrolleri töös paus tekitada on selle protsessor mingi muu tegevusega üle koormata - näiteks panna see lugema suuri arve. Protsessori taktsagedusest saab välja arvutada, mitmeni see arve loendama peaks, et kindlat ajalist viidet tekitada. Mingi arvu loendamine nullist protsessori taktsageduse väärtuseni hertsides tekitaks teoreetiliselt viite üks sekund. Praktikas see erinevatel põhjustel päris nii lihtne ei ole.

Kui mikrokontrolleri protsessor arvutab arvudega, mille kahendkuju on sama lai kui selle sisemine siin (AVR puhul 8-bitti), siis protsessoritel võtab üks aritmeetiline tehe, näiteks arvu liitmine ühega, aega 1 protsessori töötakt. Selleks, et arvutada tuhandete või miljonitega, peab arv olema 16- või 32-bitine ja nende arvutamiseks kulub 8-bitistel protsessoritel rohkem kui 1 töötakt. Niisiis, suurte arvude puhul peab tundma protsessori sisemust - täpsemalt selle käsustikku.

Kuna kõrgtaseme keeles (näiteks C-keeles) programmeerides ei kirjutata programmi otse käsustiku baasil, peab tarkvaralise viite tekitamiseks tundma ka kompilaatorit, mis programmi masinkoodi teisendab. Just sellest sõltub, mitu instruktsiooni (ja sellest tulenevalt mitu takti) kulub aritmeetilisteks arvutusteks. Keerukust lisab veel asjaolu, et kompilaator võib programmi masinkoodi teisendada mitut moodi - näiteks tehes masinkoodi võimalikult mälusäästlikuks või võimalikult kiiresti täidetavaks. Neid kompilaatori tegevusi nimetatakse optimeerimiseks. Erinevate optimeerimise režiimidega tulevad ka tarkvaralise viite masinkood ja selle ajaline kestus erinevad.

Järgnevalt on toodud näide tarkvaralise viite tekitamisest AVR mikrokontrolleriga. Kirjutatud on C-keele programmilõik, mis loendab for-tsüklis muutujat x nullist sajani. Iga tsükli sees toimub ühe mittemidagitegeva tühiinstruktsiooni täitmine. Seda on seal vaja, kuna tsükli sisu tühjaks jättes optimeerib kompilaator tsükli programmist üldse välja, sest see on tema arvates kasutu.

unsigned char x;
 
// Tsükkel seni kuni x on 100
for (x = 0; x < 100; x++)
{
	// Tühiinstruktsiooniga nop
	asm volatile ("nop");
}

Siinkohal on aga toodud sama C-keele programmilõik pärast kompileerimist. Vasakpoolsed 2 heksadetsimaalarvu on masinkood ja paremal on assemblerkeeles käsk koos operandi(de)ga. Masinkood ja assemblerkeel on üks-üheselt seotud, assembler on lihtsalt masinkoodi inimesele loetaval kujul esitamiseks. Kompileerimisel on kasutatud programmi pikkuse optimeerimist (kompilaatori parameeter -Os).

80 e0     ldi  r24, 0x00   ; r24 registrisse arvu 0 laadimine
00 00     nop              ; Tühioperatsioon
8f 5f     subi r24, 0xFF   ; r24 registrist 255 lahutamine, ehk +1 liitmine
84 36     cpi  r24, 0x64   ; r24 registri võrdlemine arvuga 100
e1 f7     brne .-8         ; Kui võrdlus oli väär, siis siire 8 baiti tagasi

Kompileeritud kujul on näha, mis tegelikult C-keele tsüklist saab, ja selle järgi saab arvutada, mitu takti ühe tsükli perioodi täitmiseks kulub. Infot instruktsioonide toime ja tööaja kohta leiab AVR käsustiku andmelehest. Antud näites kulub ühe tsükli perioodis 4 instruktsiooni täitmiseks 4 takti, sest kõik instruktsioonid võtavad ühe töötakti. Lisaks kulub enne tsüklit 1 takt laadimisinstruktsiooni jaoks ja tsüklist väljudes 1 lisatakt. Oletades, et kontrolleri töötakt on 14,7456 MHz, võib välja arvutada kogu programmilõigu tekitatud ajalise viite:

(1 + 100 ⋅ 4 + 1) / 14745600 = 27,26 μs

Näites tekitatud viide on mikrosekundites ja kasutatav muutuja on 8-bitine, seega on ka masinkood üsna lihtne. Selleks, et tekitada pausi millisekundites, on vaja loendada palju suuremaid arve ja siis läheb ka masinkood pikemaks. Võib kasutada ka üksteise sees töötavaid tsükleid, kuid selle meetodi puhul pole kogu viide lineaarses sõltuvuses tsüklite arvust, sest iga tsükli tasemega tekivad pisikesed lisaviited.

Käesoleva harjutuse eesmärk ei ole siiski masinkoodi tasandil täpset tarkvaralist viidet tekitada, sest see on üsna peen töö ja pealegi on viite tekitamiseks avr-libc ja Kodulabori teegis juba funktsioonid olemas. Need kasutatakse ka järgmistes näidetes.

Tarkvaralise viite puhul on aga oluline teada, et hoolimata oma põhimõttelisest lihtsusest on see äärmiselt ebaefektiivne meetod energiatarbe seisukohast. Kõigil neil taktidel, mil mikrokontroller tegeleb kasutu loendamisega, kulub energiat. Patareidega rakenduses ei ole seega soovitatav pikki tarkvaralisi viiteid teha, vaid tuleks kasutada raudvaralisi taimereid, mis töötavad iseseisvalt ning äratavad protsessori uneolekust üles, kui on vaja tööd jätkata.

Järgnev programmikood käib tarkvaralise viite funktsiooni sw_delay_ms kohta, mis tekitab parameetriga count etteantud viite millisekundites. Funktsioon kasutab omakorda avr-libc teegi poolenisti assemblerkeeles kirjutatud funktsiooni _delay_ms. Põhjus, miks harjutuses pole kohe _delay_ms kasutatud, on selles, et _delay_ms puhul võivad pikkade viidetega probleemid tekkida. sw_delay_ms funktsioon võimaldab aga probleemideta kuni 65535 ms viidet.

//
// Tarkvaraline viide millisekundites
//
void sw_delay_ms(unsigned short count)
{
	// Viite muutuja nullini loendamine
	while (count-- > 0)
	{
		// 1ms viide spetsiaalse funktsiooniga
		_delay_ms(1);
	}
}

Toodud funktsiooni kasutamiseks on järgnev programm, mis tekitab lõputus tsüklis kaks viidet: 100 ms ja 900 ms. Lühema viite jooksul LED põleb ja pikema ajal on kustunud - tulemusena LED perioodiliselt vilgatab.

//
// Kodulabori tarkvaralise viite demonstratsioonprogramm.
// Programm vilgutab ~1 sekundi järel hetkeks LED-i.
//
#include <homelab/pin.h>
#include <homelab/delay.h>
 
//
// Test LED-i viigu määramine
//
pin debug_led = PIN(B, 7);
 
//
// Põhiprogramm
//
int main(void)
{
	// LED-i viigu väljundiks seadmine
	pin_setup_output(debug_led);
 
	// Lõputu tsükkel	
	while (true)
	{
		// LED-i süütamine
		pin_clear(debug_led);
 
		// Tarkvaraline paus 100 millisekundit
		sw_delay_ms(100);
 
		// LED kustutamine
		pin_set(debug_led);
 
		// Tarkvaraline paus 900 millisekundit
		sw_delay_ms(900);
	}
}

Kuigi näib, et LED vilgatab tõesti 1 sekundi järel, on aeg tegelikult siiski natuke pikem, sest LED-i ja viite funktsioonide väljakutsumised võtavad ka mõned mikrokontrolleri taktid aega.