ATtiny2313A precyzyjne opóźnienie 64s, okres 128s – analiza cykli, kwarc 8MHz, assembler

Pytanie

Czy w tym programie jest dokładne wypełnienie 64 sekund i okres 128 sekund.
.nolist
.include "tn2313adef.inc"
;.include "m32def.inc"
.list
.cseg
.equ fosc = 8 ;czestotliwosc kwarcu w MHz
.org 0x0000
rjmp ResetProcessor

ResetProcessor:
; ldi r16, high(RAMEND) ; init stack pointer
; out SPH, r16
ldi r16, low (RAMEND) ; init stack pointer
out SPL, r16

ldi r16, 0xff
out ddrd, r16
out portd, r16

ldi r18, 0xff
ldi r19, 0xff
ldi r20, 0xa1
ldi r21, 0x07

main:
ldi r16, 0b1010_1010
out portd, r16
nop
nop
rcall del_64s
ldi r16, 0b0101_0101
out portd, r16
rcall del_64s
rjmp main

del_64s:
MOVW R24, R20
Coarse:
MOVW R30, R18 ;
Loop:
SBIW R30, 0x01 ;
BRNE Loop ;
SBIW R24, 0x01 ;
BRNE Coarse ;

ldi r28, 0xfd
ldi r29, 0x1f
Fine:
SBIW R28, 0x01 ;
BRNE Fine

ret
.exit

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Tak. Matematycznie (licząc cykle) program daje dokładnie 64,000000 s na każdą połówkę (wypełnienie), a więc pełny okres 128,000000 s, przy założeniu taktowania dokładnie 8,000000 MHz i standardowych czasów instrukcji AVR.
• Klucz: del_64s + (rcall+ret) = 511 999 996 cykli, a narzut w pętli main dopełnia każdą połówkę do równych 512 000 000 cykli.

Szczegółowa analiza problemu

• Założenia: fCPU = 8 MHz → 1 cykl = 125 ns. Instrukcje: LDI=1c, OUT=1c, NOP=1c, MOVW=1c, SBIW=2c, BRNE (skok wyk.)=2c, BRNE (brak skoku)=1c, RCALL=3c, RET=4c, RJMP=2c.

1. Struktura opóźnienia del_64s

• Inicjacja zewnętrznego licznika:
  • MOVW R24,R20: R25:R24 = 0x07A1 = 1953 (1 cykl).
• Pętla zewnętrzna Coarse (1953 razy):
  • Na start każdej iteracji: MOVW R30,R18 → R31:R30 = 0xFFFF (1 cykl).
  • Pętla wewnętrzna Loop (od 0xFFFF do 0x0000):
    • 65 535 iteracji SBIW R30,1 (2c).
    • BRNE Loop: 65 534 razy skok (2c) + 1 raz bez skoku (1c).
    • Suma wewnętrzna: 65 535·2 + 65 534·2 + 1 = 262 139 cykli.
  • Dekrement zewnętrzny: SBIW R24,1 (2c).
  • BRNE Coarse: dla 1952 pierwszych iteracji skok (2c), w ostatniej bez skoku (1c).

2. Zliczenie cykli – część Coarse

• Koszt „wewnętrzny + MOVW Z” na 1 iterację zewnętrzną: 262 139 + 1 = 262 140 cykli.
• Dodatkowo na iterację: SBIW R24,1 = 2 cykle.
• 1953 iteracje: 1953·(262 140 + 2) = 511 963 326 cykli.
• BRNE Coarse (sumarycznie): 1952·2 + 1 = 3 905 cykli.
• MOVW R24,R20 na początku: 1 cykl.
• Razem Coarse: 511 963 326 + 3 905 + 1 = 511 967 232 cykle.

3. Pętla Fine

• LDI R28,0xFD; LDI R29,0x1F: 2 cykle łącznie.
• Licznik 0x1FFD = 8 189:
  • 8 189·SBIW (2c) + 8 188·BRNE(sk.) (2c) + 1·BRNE(nie sk.) (1c) = 32 755 cykli.
• Razem Fine: 2 + 32 755 = 32 757 cykli.

4. Zakończenie procedury

• RET: 4 cykle.
• Suma del_64s (bez RCALL): 511 967 232 + 32 757 + 4 = 511 999 993 cykle.
• Z narzutem wywołania RCALL (3 cykle): 511 999 996 cykli na każde wywołanie.

5. Pętla main – dwie połówki okresu

• Połówka 1:
  • ldi; out; nop; nop = 4 cykle.
  • rcall del_64s (wraz z ret i treścią) = 511 999 996 cykli.
  • Suma: 4 + 511 999 996 = 512 000 000 cykli → 64,000000 s.
• Połówka 2:
  • ldi; out = 2 cykle, rjmp = 2 cykle → łącznie 4 cykle poza rcall.
  • rcall del_64s = 511 999 996 cykli.
  • Suma: 4 + 511 999 996 = 512 000 000 cykli → 64,000000 s.
• Okres: 2·64 s = 128,000000 s.

Wniosek: Z punktu widzenia „cycle counting” kod jest perfekcyjnie zbalansowany do 64 s/połówkę.

Aktualne informacje i trendy

• W praktyce długie opóźnienia programowe coraz częściej zastępuje się sprzętowymi timerami z preskalerami i przerwaniami (niższy jitter, mniejszy pobór mocy w sleep).
• Dla precyzji „sekundowej” powszechnie używa się:
  • zewnętrznych rezonatorów zegarkowych 32,768 kHz (asynchroniczny Timer/Counter),
  • albo RTC/I2C (np. DS3231 – kompensacja temperaturowa).

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Kluczowe niuanse zliczania:
  • MOVW to 1 cykl (częsta pułapka – bywa błędnie liczone jako 2).
  • BRNE: 2 cykle, gdy skok jest wykonany; 1 cykl, gdy nie.
  • Ostatnia iteracja każdej pętli „oszczędza” 1 cykl na BRNE.
• NOP-y w pierwszej połówce i RJMP w drugiej połówce są dobrane tak, aby obie połówki miały identyczny narzut 4 cykli.

Aspekty etyczne i prawne

• Żadne szczególne kwestie prawne. Należy jedynie pamiętać, że deklaracja .equ fosc = 8 nie ustawia fizycznie źródła zegara – o poprawny dobór fuse’ów i dokładność rezonatora musi zadbać projektant.

Praktyczne wskazówki

• Zweryfikuj w sprzęcie:
  • ustawienia fuse (zewn. kwarc 8 MHz vs RC),
  • stabilność/ppm rezonatora; 50 ppm → ~3,2 ms błędu na 64 s (sprzętowo, nie programowo).
• Jeśli to ma być generator „systemowy”:
  • rozważ Timer1 z preskalerem + CTC/overflow i (opcjonalnie) asynchroniczny tryb z kwarcem 32,768 kHz.
• Do pomiaru:
  • podłącz pin do analizatora/oscyloskopu i zmierz okres; porównaj z wzorcem (GPSDO/OCXO), by oszacować błąd ppm.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Dokładność czasowa w praktyce ograniczona jest przez źródło zegara (tolerancja, temperatura, starzenie), a nie przez algorytm.
• Jeśli urządzenie pracuje z wewnętrznym RC, rzeczywisty okres może odbiegać o setki ppm (kalibracja OSCCAL może pomóc).

Sugestie dalszych badań

• Kalibracja częstotliwości (OSCCAL) pod docelowe warunki temperaturowe.
• Migracja na rozwiązanie z RTC, jeśli wymagany jest niski dryft dobowy.
• Analiza poboru mocy: wersja z timerem + tryby sleep może znacząco zmniejszyć zużycie energii.

Krótkie podsumowanie

• Licząc cykle, del_64s + narzut pętli main daje idealnie 512 000 000 cykli na połówkę → 64,000000 s, okres 128,000000 s.
• W realnym układzie błąd wyznaczy dokładność i stabilność zegara (kwarc/RC), nie sam kod. Jeśli potrzebujesz, mogę podać wariant z Timer1/RTC dla większej odporności na dryft.