Программируемые микросхемы для начинающих. Вы еще не программируете микроконтроллеры? Тогда мы идем к вам

Запаивая еще одну микросхему на очередную плату или перерезая дорожку на плате в десятый раз для внесения очередных (но не последних) изменений в новое устройство, вы начинаете подумывать: «А не бросить мне это нудное занятие?!» Ваше новое устройство получается не таким, как вам бы хотелось, но и изменять схему и переделывать всё на плате вам уже надоело.
Перелистывая журналы по электронике, вы всё чаще встречаете слова: процессор, микроконтроллер, прошивка, программирование. Но эти слова для вас не имеют конкретного значения. Вы где-то слышали, а может даже и держали в руках то, о чем вы даже думаете с благоговейным трепетом… микроконтроллеры! То, что уменьшает размеры устройств, наделяя их недостижимыми для вас возможностями…Нет, вам, как электронщику, понятны общие идеи работы этих устройств, но об их практическом применении в своих изделиях не может быть и речи! Вы уже несколько раз пытались освоить микроконтроллеры, даже приобрели пару книг из серии «… для чайников» и скачали из интернета несколько популярных самоучителей. Проходило какое-то время, и всё останавливалось на самом интересном месте: схемы, показанные в книгах, вам были понятны, но вот методы создания программы для вас так и остались загадкой. Набрать несколько символов на английском (или каком-то там) языке в указанной книгой программе для вас не проблема. Но не ясна СУТЬ и МЕТОДЫ использования этих загадочных символов, последовательность которых в книге называли программой. Вы винили себя в тупости и откладывали идею освоения микроконтроллеров в дальний ящик. Да и зачем? Вы и так прекрасно справляетесь: у вас есть много-много микросхем, на которых вы разрабатываете свои устройства… Устройства на больших платах, которые вы долго-долго отлаживаете и переделываете…
Но знакомитесь с парнишкой из соседнего дома: он пишет программы, загружает их в микроконтроллер и то, что вам приходится отлаживать месяцами, он делает за несколько дней. Вы в панике, начинаете искать заброшенные книжки, и вспоминать всё ранее прочитанное… Он может, а вы – нет. Вы поближе знакомитесь с этим парнишкой, и под видом стороннего разговора начинаете расспрашивать его о микроконтроллерах и их возможностях. И он спокойно говорит о том, что контроллеры для него хобби. Вы просите его рассказать вам об их устройстве. Его ответы просты и незатейливы.

Микроконтроллеры. Что такое микроконтроллер?
Микроконтроллер - это маленький специализированный компьютер, по-русски микро-ЭВМ. Причем, эта микро-ЭВМ выполнена в одной микросхеме, на одном кристалле. Отсюда и полное название: «однокристальная микро-ЭВМ». Как и компьютер, микроконтроллер - это электронное устройство, работой которого управляет программа - последовательность команд, заранее загруженная в память. Эти команды выполняет процессор: этакий «мега-мозг», имеющий в своем составе АЛУ - арифметически-логическое устройство. Т.е, процессор «умеет» выполнять математические действия и производить логические операции над данными.

Разрядность процессора. Методы представления информации.
И процессор, и память - цифровые устройства, которые «понимают» сигналы только двух уровней: есть напряжение/ток, и нет напряжения/тока на линии. Эти два состояния принято записывать так: логическая единица - «1», и логический ноль - «0». Команды и данные - это набор единичек и нулей. Одна линия (называют разрядом) при двух её состояниях может передать только два значения. Но при увеличении количества разрядов увеличивается и количество значений: два разряда - уже четыре, а восемь разрядов - уже 256 значений. Разряд принято называть битом: один разряд это один бит. А набор из восьми разрядов - байтом: восемь бит это один байт. Но один байт имеет только 256 значений. Для передачи большего количества информации используется несколько, последовательно расположенных в памяти, байт. Два байта передают уже 65536 значений. Три байта - 16777216 значений! И так далее. Самыми распространенными являются процессоры, которые за одно действие могут обработать восемь разрядов, поэтому такие процессоры и называют восьмиразрядными.

Система команд процессора.
При разработке процессора в него закладывают возможность выполнения определенных команд. Команды, которые данный процессор в состоянии выполнять, называют набором команд. Что это за команды? Самые распространенные арифметические и логические команды, а также команды работы с портами - линиями связи процессора с внешним миром. Процессор, считав значение из ячейки памяти или состояние порта в собственную память - регистр, может произвести над ним математические или логические действия. Математически действия нам понятны: сложение, вычитание и другие. Под логическими действиями понимаются такие действия: сравнение - больше, меньше, равно; работа над разрядами ячейки памяти или регистра: обнуление или его установка, а также операции сдвига разрядов влево или вправо.

Память и её типы.
Данные могут быть считаны из памяти. Память - место, где какое-то время могут храниться программа и/или данные. Они могут храниться кратковременно - до отключения питания, или долговременно - независимо от наличия напряжения питания. Память первого типа используется для хранения промежуточных данных, используемых при выполнении различных операций. Поэтому её так и называют - «оперативная память». Память второго типа чаще используется для хранения программы. Типов долговременной памяти несколько: однократно программируемая память, память с электрическим стиранием и память, стираемая ультрафиолетовым или рентгеновским излучением. Физическое устройство и принцип работы памяти может быть разным, но суть одна: хранить данные. Для описания хранилища данных используют понятие «ячейка». Следовательно, чем больше ячеек, тем больше данных может быть сохранено. У каждой из ячеек имеется индивидуальный адрес. Процессор обращается к значению ячейки памяти именно по её адресу.

Порты. Режимы работы портов.
Данные так же могут быть получены из внешних устройств через линии связи - выводы микроконтроллера. Эти линии связи называют портами, а по-научному: устройства ввода и вывода данных. Выводы порта могут быть входами, с использованием которых процессор получает информацию извне от разных датчиков, или быть выходами, подавая сигналы на которые можно управлять внешними устройствами. В современных микроконтроллерах выводы практически всех портов двунаправленные, т.е., могут быть и входами, и выходами. Универсальные порты необходимо настраивать - установить режим работы на ввод или вывод. Для этого имеется специальная ячейка в памяти - регистр управления режимами работы порта. Например, для того, чтобы сделать входом необходимый вывод (разряд) порта, в разряд регистра управления записывают 1 или 0, в зависимости от модели микроконтроллера.

Периферийные устройства.
Но микроконтроллер содержит в своем составе не только процессор и память. Основную роль играют так называемые периферийные устройства: таймеры, счетчики, аналоговые компараторы, цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи, устройства последовательного обмена информацией (часто их называют последовательным портом). Часто микроконтроллер имеет и некоторое количество ячеек энергонезависимой памяти (чаще всего Flash), в которой могут быть сохранены различные данные.

Семейства микроконтроллеров.
Наличие всех перечисленных устройств в составе микроконтроллера необязательно. Чаще всего производитель выпускает несколько моделей изделий, имеющих в своем составе различные периферийные устройства. Микроконтроллеры с одним типом процессора (и набором исполняемых машинных кодов), но различными периферийными устройствами, относят к одному семейству. Так и говорят: микроконтроллеры семейства ATtiny.

Многофункциональность выводов микроконтроллера.
Может возникнуть вопрос: как все эти устройства «общаются» с внешним миром, если у большинства микросхем в корпусе DIP не более 40 выводов? Для решения проблемы нехватки выводов используют метод объединения функций нескольких устройств с использованием одного вывода. Например, выводы одного из портов (8 разрядов – 8 выводов) также используется и для работы аналогово-цифрового преобразователя, а выводы другого порта - как входы аналоговых компараторов, последовательного порта или для подключения других встроенных узлов. Для управления режимами работы выводов используется специальный регистр управления режимами работы порта (о нем рассказывалось ранее, при объяснении принципов работы портов). В большинстве микроконтроллеров выводы имеют несколько функций. Если обратиться к технической документации на контроллер, то при описании функции вывода будет сделано замечание об основной и об альтернативной функции данного вывода. Например: PD0/RX - нулевой разряд порта D одновременно является и входом последовательного порта, PB1/Ain0 - первый разряд порта В одновременно является входом аналогового компаратора.

Алгоритмы. Программы.
Команды для процессора даются в определенном порядке, в соответствии с ранее разработанным алгоритмом. Алгоритм - это последовательность выполнения процессором. Причем команды должна быть понятна процессору, и при этом иметь однозначное толкование, без какой-либо самостоятельности при её выполнении. Алгоритм можно записывать словесно. Например: начало программы; сделать нулевой разряд порта входом; сделать седьмой разряд порта выходом; считать значение нулевого разряда порта; если он равен логической единице, то выполнить следующие действия: загрузить в седьмой разряд порта логическую единицу; вернуться к началу программы. Так мы описали алгоритм работы схемы, состоящей из выключателя, лампочки (или другой нагрузки) и источника питания. Результат выполнения будет таков: при нажатии кнопки на вход порта поступает напряжение, процессор выполняет программу - подает на выход порта напряжение. И пока контакты буду замкнуты, на выходе порта будет напряжение.
Но такое написание весьма сложно воспринимать. Поэтому были разработаны методы графического описания алгоритма. Вот пример графической записи вышеописанного алгоритма.
Рис. Алгоритм-1. Графический метод описания алгоритма

Команды ветвления: условный и безусловный переходы.
К особым командам процессора относятся команды условного и безусловного перехода. Для того чтобы понять это, необходимо объяснить такое понятие как «указатель адреса выполняемой команды». У процессора имеется специальный регистр, в котором хранится адрес выполняемой в текущий момент команды. При подаче питания этот регистр обнуляется - в него записывается ноль. Далее процессор начинает выполнять команды, хранящиеся в памяти, начиная с нулевого адреса - ведь в регистре указателя адреса выполняемой команды указан ноль. Выполнив команду, этот указатель инкриминируется, т.е., его значение увеличивается. Процессор считывает следующую команду из памяти по адресу, указанную в указателе. Т.е, команды выполняются последовательно. Нарушить последовательность выполнения программы можно, используя команды условного и безусловного переходов. Для этого в одной из ячеек памяти хранится команда, указывающая процессору изменить значение регистра указателя адреса выполняемой команды. Команда безусловного перехода указывает процессору изменить порядок последовательно выполнения программы и начать выполнять команды, хранящиеся в памяти, начиная с ранее указанного адреса.
Команда условного перехода сложнее: при ее выполнении проверяется выполнения какого-либо условия. Например, необходимо сравнить значение двух ячеек памяти. Если значение первой ячейки больше, то продолжить выполнение программы по адресу А, иначе (т.е., значение первой ячейки меньше) - перейти по адресу С.

Прерывания и их типы. Приоритеты прерываний.
Имеется еще один способ «заставить» процессор прекратить последовательное исполнение программы и перейти к выполнению программы по определенному адресу - вызвать «прерывание». Понятие прерывание появилось вместе с первыми процессорами. Всё дело в том, что процессор управляет менее скоростными, чем он, устройствами. Например, процессор должен обрабатывать данные до появления определенного сигнала. Приведем простой пример: процессор выполняет программу подсчета количества импульсов, поступивших на один из его портов. При нажатии кнопки процессор должен прервать выполнение этой программы и выполнить другую программу: включить какое-либо устройство (т.е., подать на один из разрядов порта логическую единицу - «1»). Как решить эту задачу? Можно в самой программе постоянно опрашивать необходимый разряд порта, к которому подключена кнопка. Но при этом часть ресурсов (скорости) процессора будет практически впустую тратиться на опрос порта. Второй способ - это использование прерываний. У процессора (следовательно, и у микроконтроллера) имеется специальный вывод. Обычно его обозначают как «Int» (англ. «Interrupt» - прерывание). При подаче сигнала на вывод «Int» происходят следующие действия:
- остановка выполнения основной программы,
- в оперативной памяти сохраняется значение регистра указателя адреса выполняемой команды (место прерывания выполнения программы),
- после чего в этот же регистр загружается новый адрес (зависит от желания производителя процессора),
- в ячейке памяти с указанным адресом расположена команда безусловного перехода: «перейти по адресу хх»,
- в памяти, начиная с ячейки с адресом хх, расположена еще одна программа, назовем ее служебной программой.

В нашем случае служебная программа должна выдать в порт логическую единицу, тем самым включив необходимое устройство. А вот тут начинается самое интересное: последней командой служебной программы является команда «выход из прерывания». Получив эту команду, процессор считывает из памяти ранее сохраненное значение регистра указателя адреса выполняемой команды и загружает его в этот регистр. Следовательно, процессор продолжает выполнение основной программы с прерванного места.
Но прерывание может быть вызвано не только внешними сигналами, но и внутренними устройствами самого микроконтроллера: таймерами, счетчиками, последовательными портами и даже энергонезависимой памятью. Опять-таки, делается это в основном для того, чтобы уменьшить количество выполняемых команд по анализу состояния этих периферийных устройств. Приведем пример: процесс записи данных в энергонезависимую память весьма длителен, за это время процессор может выполнить весьма большое количество команд. Поэтому процессор выполняет основную программу, в ней выдает команду на стирание энергонезависимой памяти, после чего продолжает выполнение основной программы. Как только очистка энергонезависимой памяти завершена схемы управления формируют сигнал прерывания от этой памяти. Процессор прерывает выполнение основной программы и начинается процесс записи данных в память. Данный способ выполнения какого-либо действия вне основной программы называют фоновым режимом. Так же часто говорят: «эта часть программы выполняется в фоновом режиме».
При работе с прерываниями необходимо быть осторожным: возможна ситуация, при которой выполнение программы и работа всего устройства может быть нарушена. Дело в том, что микроконтроллер имеет несколько прерываний. Для управления режимами работы прерываний имеется регистр управления прерываниями. Вы при настройке режимов работы прерываний вы разрешили работу нескольких прерываний - это нормальная ситуация. Но, получив внешний или внутренний сигнал прерывания основной программы и перейдя к выполнению программы обработки прерывания, вы не отключили прерывания. Процессор выполняет служебную программу и в этот момент он получает еще один сигнал прерывания. Процессор прерывает выполнение служебной программы и переходит к выполнению программы обработки нового прерывания. Несложно догадаться, к чему это может привести.
Для решения этой проблемы был разработан метод присвоения каждому из прерываний степени важности, или «приоритета прерывания». В зависимости от модели микроконтроллера приоритет прерываний может быть задан жестко (а программист лишь разрешает или запрещает обработку того или оного прерывания), или быть реализован программистов программно (т.е., приоритет прерывания зависит от предпочтений программиста и алгоритма реализации конкретной задачи).

Управляем процессором. Языки программирования. Трансляторы.
Машинные коды. Ассемблер.
Команды для процессора - последовательности единиц и нулей. Часто команды процессора называют машинными кодами, подчеркивая, что данные команды изначально рассчитаны на конкретного исполнителя - машину, но не человека. Запоминать команды из цифр (машинные коды) весьма сложно. Поэтому для упрощения работы был придуман способ замены цифровых последовательностей на более понятные человеку символьные сокращения. Например, для команды «загрузить данные» придумали понятное сокращение «ld» (англ. «load» - загрузить), для команды «сравнить» - «cp» (англ. «compare» - сравнение) и так далее. Данный метод символьной записи команд процессора называют «ассемблер». Если при работе с машинными кодами программист непосредственно вводит команды управления процессором в память устройства, то при работе с ассемблером между программой и процессором имеется своеобразный посредник, который преобразует символьные обозначения в машинные коды. Программу, являющуюся посредником, называют транслятором, т.е., переводчиком. Но тут есть маленький нюанс: ассемблером называют не только метод символьного обозначения цифровых команд (машинных кодов), но и программу-транслятор, которая помогает программисту перевести символьные обозначения команд непосредственно в машинные команды. Поэтому часто используется следующий прием: когда говорят о языке - пишут Ассемблер, когда о программе - просто ассемблер.
У Ассемблера есть огромное достоинство: программы, написанные на Ассемблере, очень быстро выполняются процессором. Дело в том, что Ассемблер - это практически машинная команда. Но у ассемблера есть и минусы: основной минус – сложность написания программ, второй - даже относительно несложные программы имеют большой обьем исходного текста, что затрудняет анализ программы.

Модульность программ. Часто повторяющиеся задачи.
Каждый программист за время своей работы накапливал определенное количество программ. Но многие программы содержат одинаковые действия. Например, во многих программах производится опрос клавиатуры и анализ нажатой кнопки. Значит, эту часть кода программы можно переносить из одной программы в другую. Из таких кусочков (модулей) постепенно сформировались библиотеки программ. Программисты стали «лепить» программу из модулей: т.е., вставляли необходимый модуль в необходимое место программы. Такой подход ускорял процесс написания программы и увеличивал надежность работы программы в целом за счет использования уже отлаженных модулей. Но с первых дней возникла проблема совместного использования модулей: ведь каждый программист писал модули по собственному «стандарту» - как ему было удобнее в тот или иной момент. Поэтому постепенно выработался стандарт (точнее, несколько стартов) написания этих модулей. В них была описана структура модулей для их более удобного «склеивания» в одну программу.

Языки программирования и их функциональное разделение.
Постепенно эти разрозненные стандарты использования модулей сформировали то, что позднее будет названо «языками программирования». Как и человеческие языки, язык программирования имеет несколько подуровней, которые определяют как написание отдельных слов (модулей) и методы их записи, так и правила их использования. Со временем языки программирования преобразовывались и видоизменялись. Постепенно все языки программирования разделились на несколько групп, в зависимости от «профессиональной ориентации»:
- прикладные языки программирования (FORTRAN для математиков, FoxPro для финансовых работников);
- универсальные (Pascal и Basic);
- системные (Ассемблер и Си).

Системные слова языки стали называть низкоуровневыми, т.е., программист работает на нижнем, наиболее приближенном к процессору, уровне. А языки, при работе с которыми программист не сталкивается с непосредственным управлением работой процессора, стали называть Языками Высокого Уровня (часто обозначают как ЯВУ). Не путайте это сокращение с названием языка «Ява» - «Java».

Трансляция программы. Методы трансляции программы.
Как и при использовании Ассемблера, программу, написанную на любом языке высокого уровня, необходимо преобразовать в понятные процессору команды. Вначале это делалось в ручную: в таблице находили команду на ассемблере и записывали ее в машинном коде. Для ускорения процесса преобразования (трансляции) программы были написаны специальные программы - трансляторы. Существует два метода трансляции программы: интерпретация и компиляция. Следовательно, и транслятор называют либо интерпретатор, либо компилятор. При использовании интерпретатора исходный текст программы анализируется и последовательно, команда за командой, выполняется интерпретатором. В интерпретаторе содержатся модули всех используемых действий. Такое покомандное преобразование очень медленное. Но данный метод имеет большой плюс: программу можно остановить, изменить ее код и продолжить её выполнение. Это удобно при отладке программы. Так же в данном случае мы имеем исходный текст программы и можем его многократно редактировать.
При использовании компилятора текст программы анализируется, и создается файл с машинными командами, так называемый исполняемый файл. Это обеспечивает очень высокую скорость выполнения откомпилированной программы - ведь преобразование текста программы в машинные коды происходит только один раз при её компиляции. Но изменить программу «на лету» не получится: необходимо изменить текст программы и заново её откомпилировать. Если исходный текст отсутствуют по какой-либо причине, то перекомпилировать программу невозможно, а изменить исполняемый файл крайне сложно.

Процесс создания программы. Среды разработки программ.
С появлением трансляторов процесс создания программы стал выглядеть так:
- разрабатывается алгоритм работы будущей программы,
- алгоритм кодируется (т.е., описывается в виде команд языка программирования),
- полученный код записывается в каком-либо текстовом редакторе,
- файл с текстом программы передается в транслятор,
- транслятор преобразовывает символьные команды в понятные процессору команды и сохраняет их в файл,
- этот файл загружают в память.
Как видим, программисту приходилось работать в нескольких программах. Чаще всего все эти программы писались разными производителями, поэтому совместимость этих программ между собой не гарантировалась. Их совместимость приходилось выяснять методом проб и ошибок.

Интегрированная среда разработки программ.
В последнее время появился новый подход: «Интегрированная Среда Разработки» (англ. «IDE»). Под интеграцией понимается выполнение в одной программе всего процесса создания программы: написав текст программы, программист щелчком мыши запускает трансляцию текста программы в машинные коды, после чего полученный исполняемый файл автоматически загружается в память процессорного устройства. Т.е., все делается в одной программе. Такой подход ускоряет работу программиста.

Первые сложности.
Все предыдущие главы были вводным курсом, готовящим вас к восприятию новой информации. На пути у нас имеется несколько проблем.
1. Большой объем разносторонней информации : электроника, устройство микроконтроллеров, алгоритмы, синтаксис языков программирования, описания работы с программным инструментарием. И как писать? Один читатель - хороший электронщик, но ни разу не писал программы, другой - программист, но электроника – на уровне радио кружка, третий - что-то среднее...

2. Выбор МК : если все микроконтроллеры хороши, то на основе какого изделия и какого производителя строить процесс дальнейшего обучения и практического применения микроконтроллеров?
Для того чтобы выбрать микроконтроллер для ОБУЧЕНИЯ нам необходимо выполнить следующие условия:
А) выбранный для обучения микроконтроллер должен быть доступным и недорогим.
Б) он должен быть современным изделием, но не самым новым.

Теперь подробнее о каждом пункте.
С пунктом А всё понятно: какой смысл изучать изделие, которое трудно приобрести или его цена заоблачная для новичка.
Пункт Б требует пояснения. Дело в том, что новые изделия всегда имеют какие-либо недоработки. Они обнаруживаются только через какие-то время, пока кто-то случайно не наткнётся на данную проблему в ходе работы с данным изделием. Но новинки не сразу попадают в новые конструкции: требуется время на написание программ для новых моделей. Тут присутствует человеческий фактор: у разработчиков уже имеются готовые решения на предыдущих моделях микроконтроллеров, и переходить на новые - сложно.
Также все новые микроконтроллеры имеют только фирменное описание. А оно написано на английском языке и с использованием многочисленных профессиональных терминов: ведь на профессионалов и рассчитано! А мы - ученики… Через какие-то время появляются примеры конструкций, более подробные описания с многочисленными комментариями и советами. Потом кто-то начнет переводить документацию на русский язык (не всё, но хотя бы самое сложное или наиболее часто используемое).
К новому микроконтроллеру может не быть и инструментария: компиляторы, отладчики и программаторы «не понимают» это изделие. Опять ожидание, пока авторы этих программ не обновят свои творения...

3. Необходимо выбрать язык программирования , на котором мы планируем писать программы для МК.
Выбор языка программирования - весьма щепетильное занятие. Для обучения программированию микроконтроллеров хотелось бы использовать язык программирования с простым синтаксисом: программист должен заниматься программой, но не ее оформлением!
Тут надо заранее сделать пояснение: в настоящее время среди разработчиков программ и устройств на микроконтроллерах популярны три «семейства» языков: Си (Пишут как «С»), Паскаль (Pascal) и Бейсик (BASIC). Паскаль изначально разрабатывался как инструмент изучения программированию. Бейсик самой структурой похож на Паскаль, но запись команд упрощена и требований к оформлению программы значительно меньше. Си – принято считать языком для профессионалов. Си – это как китайская философия: важен не только символ (команда), но и его начертание и цвет. Шутки шутками, но моё мнение таково: Си – это кошмар. Его использование оправдывается лишь в некоторых, весьма узко профильных, задачах. Но наша задача – попробовать свои силы, и минимально их тратить на задачи, не имеющих прямой связи с основной целью.

4. Нам необходима среда разработки программ для микроконтроллеров . Её выбор напрямую зависит от типа используемого МК и языка программирования.
Среда разработки программ очень важна для успешного освоения программирования микроконтроллеров. Писать программы в текстовом редакторе вроде «Блокнота» можно, но неудобно (проверено!). Да и в командной строке вызывать компилятор - дело неблагодарное в наш, графическо-оконный, век.
Выбор среды разработки напрямую зависит от микроконтроллера, на котором мы будет строить практическую часть обучения. Ко всему прочему нам надо иметь бесплатный инструментарий. Но, как показало тестирование таких программ, бесплатное ПО чаще всего имеет посредственное качество как с точки зрения и пользования, так и с точки зрения изучения программирования МК: наличие ошибок или недоработок в самих трансляторах создают дополнительные сложности и лишают уверенности в собственных силах.
Сойдет и демонстрационная версия, которая имела бы минимум ограничений и работала хотя бы пол года - именно такой срок необходим для получения навыков работы с микроконтроллерами в домашних условиях.

5. Программатор, с использованием которого будем загружать написанные программы в память МК . Выбор программатора также зависит от типа используемого МК. Есть, конечно, «универсальные» программаторы, позволяющие работать с разными микроконтроллерами и микросхемами памяти, но они дорогие. Да и не нужны в большинстве случаев. Поэтому проще изготовить что-то узкоспециализированное для данного семейства МК.
Но дело не столько в сложности схем программатора, а в методе подключения этого программатора к ПК. Тут необходимо пояснить: программатор - это электронный адаптер, преобразующий сигналы компьютерных интерфейсов (порты СОМ, LPT и USB) в сигналы, подаваемые на выводы МК для загрузки программы в его память. Электронным адаптером управляет программа ПК, которая и «заставляет» адаптер выдавать необходимые последовательности сигналов на выводы МК.
Если адаптер программатора, подключаемый к ПК через порты COM и LPT, возможно изготовить в домашних условиях - «на коленке», то изготовления такого адаптера, но подключаемого к USB порту, уже несколько проблематично: сердцем такого адаптера часто является… микроконтроллер. Тут возникает парадокс: для того чтобы запрограммировать МК нам необходимо запрограммировать МК.
Напрашивается логичный вопрос: а для чего изготавливать сложный адаптер, подключаемый к USB, когда можно сделать простой и подключить его к LPT или COM порту. Все дело в том, что многие (практически все) современные ПК не имеют в своем составе этих портов. Поэтому придется изготавливать более сложный адаптер для программирования МК.

Март 2010

Эти вопросы я задавал себе в марте, а сейчас уже конец ноября. Но это время не прошло даром: я нашел выход из ситуаций, описанных выше, и нашел ответы на все мучавшие меня вопросы. А теперь обо всём по порядку.

Ответ на вопрос номер 1
Если материалы предыдущих глав еще как-то можно было логически систематизировать и преподносить поэтапно, то материалы в последующих главах даются параллельно: одно подразумевает другое. Возможно, вам мой метод подачи новых материалов покажется несколько сумбурным, но придумать что-то более красивое по оформлению я не смог.

Ответ на вопрос номер 2
Микроконтроллер производства компании ATMEL ATMEGA48. Хорошо описан, выпускается уже несколько лет, не планируется к снятию с производства еще как минимум 3 года, имеет оптимальные технические параметры.

Ответы на вопросы 3 и 4
Среда программирования - BASCOM (производитель MCS Electronics, автор Марк Альбертс). Язык программирования по стилю и требованиям к оформлению текста программы схож с Паскалем, но синтаксис команд взят из BASIC.
Причины выбора:
- полнофункциональная демонстрационная версия компилятора (единственное ограничение: генерируемый компилятором код ограничен объемом 4 КБайт)
- желание автора программы сотрудничать (я сделал перевод сообщений интерфейса и справочной системы на русский язык, он добавил русский язык в эту программу)
- наличие русскоязычного форума пользователей данного компилятора

Ответ на вопрос номер 5
Совместить простоту схемы и USB не получилось. Было решено описать две модели программаторов: одна подключается к LPT порту компьютера, вторая к COM порту. При отсутствии этих портов вторая версия программатора может быть подключена к компьютеру с использованием преобразователя USB-COM. Так получаем связку USB-COM-программатор-микроконтроллер.
Первая модель программатора известна как STK-200/300, содержит микросхему буфера с третьим состоянием и несколько резисторов. Вторая модель - известный программатор USBasp.

Людей, работающих с программной частью микроконтроллеров, редко причисляют к классическим разработчикам ПО. Всё дело в том, что помимо софтверных знаний, им требуются ещё кое-какие сведения об используемом железе. Многих программистов такие знания не касаются вовсе.

Плюс, разработчик приложений или сайтов всегда подсознательно стремится к триумфу. Создание уникального и популярного продукта является той отметкой, разделяющей карьеру на нормальную и успешную. А создавая программу для микроконтроллера, вы вряд ли будете думать об общественной оценке вашего вклада. Впрочем, давайте по порядку.

Возраст

Начнём с главного: когда уже (ещё) можно начать прокладывать свой путь в профессию? Ответ предсказуем: чем раньше, тем лучше. И изобилие специальных наборов для детей к этому располагает. Даже дело не в том, что с возрастом вам будет сложнее перестраиваться и обучаться этой дисциплине. Просто опыт, как и во многих других IT-профессиях, здесь играет решающее значение.

Но не всё так плохо. Всё же в России этот рынок не очень развит. Начав путь разработчика ПО для МК после 30, вы сможете сделать неплохую карьеру в какой-то одной сфере или конкретном месте деятельности. Если, конечно, не пытаться стать «многостаночником». Всегда бывают исключения, но многое зависит от вашей прошлой деятельности. Наверное, стоит принять во внимание, что даже 10 лет в этой профессии не впечатляют работодателя.

Знания

От пустых слов перейдём к реальным требованиям. «MustKnow» в программировании микроконтроллеров - язык C/C++. Да, мировые тенденции сейчас указывают на переход на более совершенные или хотя бы простые языки ( Arduino или D). Но это будущее довольно отдалённое, закладывать путь в него можно разве что сегодняшним школьникам младших классов.

Кроме того, будет очень полезным знание ассемблера. Это необходимо для пошагового отслеживания исполнения кода, чтобы избежать плавающих ошибок и неоправданных потерь в быстродействии.

В остальном довольно общая компьютерная наука: протоколы передачи, простейшее знание электроники и схемотехники (хотя бы принципы работы АЦП/ЦАП, работать с ключами, питанием и пр.), умение читать (и понимать) техническую документацию на английском языке. Но главное - не работать по принципу “научного тыка”, в противном случае ваши микроконтроллеры рискуют превратиться в “камни”.

Еще один совет: постигать все эти знания необходимо на практике. Начать можно с дешёвых, но эффективных готовых плат со всей необходимой обвязкой, вроде Arduino или Raspberry Pi, которые в будущем наверняка станут для вас хорошими помощниками. А уже потом, если возникнет желание, поиграть с периферией.

Литература

На прошлой неделе, подачи одного из пользователей GeekBrains, я всерьёз задумался над вопросом “Где можно пройти курсы по программированию микроконтроллеров?”, да и вообще о профильной литературе в целом (и это несмотря на профильное высшее образование и около 10 лет опыта работы). Дело не в том, что их не существует (есть и курсы , и книги), просто главный инструмент разработчика ПО для МК - техническая документация, поставляемая вместе с платформой.

Все универсальные книги могут описать отличия, преимущества и недостатки тех или иных микроконтроллеров, на что обратить внимание при написании кода, обучить “красоте” и основным принципам. Но огромный плюс и он же главный недостаток данной профессии - подробная индивидуальная инструкция по работе с каждым более-менее серьёзным контроллером.

Это означает, что абсолютно любой человек может взять, прочитать её и через несколько мгновений организовать стандартное мигание “светодиодами”. Но даже с 50 годами стажа вы не сможете сесть за незнакомый микроконтроллер и, не читая документацию, сделать с ним что-то полезное (придётся, как минимум взглянуть на расположение контактов и их назначение по умолчанию).

IDE

Как и у популярных направлений программирования, здесь также имеются собственные IDE. Каждая крупная компания выпускает собственную среду разработки для своих продуктов. Есть и универсальные решения. Стоит обратить внимание на Keil uVision - это такой универсальный и, пожалуй, наиболее популярный инструмент (хоть и не лучший) на все случаи жизни. Полный перечень можете найти .

Работа

Если вам действительно нравится идея программировать микроконтроллеры, создавая уникальные современные гаджеты, то найти вакансии себе по душе не составит труда. Люди данной профессии востребованы, причём как в стартапах, так и в крупных прогосударственных структурах, в том числе военных.

Финансово трудно придётся новичкам (до 1 года опыта): зарплата в районе 20 тыс. рублей в месяц для программиста МК. Это вполне реальная цифра в регионах. Зато если вы живёте в столице, у вас есть опыт работы с популярным видом МК (от 3 лет активной деятельности) и голова на плечах, то вполне можно рассчитывать и на 150 тыс. рублей в месяц. В целом, не сказать, что конкуренция за места у данных разработчиков высокая, но с течением времени она неизбежно растёт.

Опять же, для людей с опытом есть вариант поискать счастье за границей. Особенно если у вас уже есть опыт полноценной работы. Дело в том, что в России идея IoT пока не слишком развивается. Да и вообще автоматизация пока не затрагивает небольшие системы. А в США, Японии и других развитых странах хороший разработчик ПО для МК - на вес золота. Правда, придётся учитывать иной уровень конкуренции и серьёзные требования по производительности труда.

И кстати

В любом случае, прежде чем осознанно встать на эти рельсы, займитесь программированием МК в качестве хобби. Сделайте “умной” свою комнату или дом, повторите несколько экспериментов из , опубликуйте собственные достижения, посвятите этому делу мозги и душу. И если не возникнет ощущения “колхоза”, то... добро пожаловать в клуб!

Микроконтроллерами называют особый вид микросхем, используемый для управления различными электронными устройствами.

Это миниатюрные компьютеры, все составляющие которых (процессор, ОЗУ, ПЗУ) располагаются на одном кристалле. От микропроцессоров их отличает наличие таймеров, контроллеров, компараторов и других периферийных устройств. В настоящее время микроконтроллеры используются при производстве:

• датчиков для автомобилей;
• игрушек;
• индикаторов напряжения, зарядных устройств;
• пультов управления;
• миниатюрных электронных приборов.

Управление осуществляется при помощи специальных программ.

Начинать осваивать программирование микроконтроллеров для начинающих рекомендуется с изучения архитектуры и разновидностей. Промышленность выпускает следующие виды МК:

• встраиваемые;
• 8-, 16- и 32-разрядные;
• цифровые сигнальные процессоры.

Производителям микроконтроллеров приходится постоянно балансировать между габаритами, мощностью и ценой изделий. Поэтому до сих пор в ходу 8-разрядные модели. Они обладают довольно низкой производительностью, но во многих случаях данный факт является преимуществом, т.к. позволяет экономить энергоресурсы. Цифровые сигнальные процессоры способны обрабатывать в реальном времени большие потоки данных. Однако их стоимость намного выше.

Количество используемых кодов операций может быть неодинаковым. Поэтому применяются системы команд RISC и CISC. Первая считается сокращенной и выполняется за один такт генератора. Это позволяет упростить аппаратную реализацию ЦП, повысить производительность микросхемы. CISC - сложная система, способная значительно увеличить эффективность устройства.

Изучить программирование микроконтроллеров для начинающих невозможно без понимания алгоритмов. На ЦП микросхемы команды подаются в определенном порядке. Причем их структура должна восприниматься процессором однозначно. Поэтому сначала программист составляет последовательность выполнения команд. Заставить ЦП немедленно остановить программу можно при помощи вызова прерывания. Для этого используют внешние сигналы либо встроенные периферийные устройства.

Семейства микроконтроллеров

Чаще всего встречаются микроконтроллеры следующих семейств:

• MSP430 (TI);
• ARM (ARM Limited);
• MCS 51 (INTEL);
• STMB (STMicroelectronics);
• PIC (Microchip);
• AVR (Atmel);
• RL78 (Renesas Electronics).

Одной из наиболее популярных в электронной промышленности является продукция компании Atmel, построенная на базе RISC-ядра. Первые микросхемы, разработанные в 1995 году, относятся к группе Classic. Изучать программирование микроконтроллеров AVR для начинающих желательно на более современных моделях:

• Mega - семейство мощных микросхем с развитой архитектурой.
• Tiny - недорогие изделия, имеющие восемь выводов.

Необходимо помнить, что совместимость систем команд сохраняется лишь при переносе программы с малопроизводительного МК на более мощный.

Изделия компании «Атмел» просты и понятны. Однако для использования всего функционала придется разработать программное обеспечение. Приступать к программированию микроконтроллеров AVR для начинающих рекомендуется с загрузки специализированной среды Atmel Studio. Актуальная версия предоставляется официальным сайтом производителя на бесплатной основе. Для разработки ПО в этой среде дополнительные программные компоненты не требуются.

Комплекс «Атмел Студио» включает огромное количество примеров готовых проектов. Это поможет новичку быстрее освоить базовые возможности и начать создавать собственные программы. В нем также имеются модули для компиляции и окончательной отладки кода. Параллельно с его освоением нужно изучать языки программирования. Без них разработать программное обеспечение невозможно.

Языки программирования

По своей структуре языки программирования микроконтроллеров мало отличаются от тех, что используются для персональных компьютеров. Среди них выделяют группы низкого и высокого уровня. Современные программисты в основном используют С/С++ и Ассемблер. Между приверженцами этих языков ведутся бесконечные споры о том, какой из них лучше.

Низкоуровневый Ассемблер в последнее время сдает позиции. Он использует прямые инструкции, обращенные непосредственно к чипу. Поэтому от программиста требуется безукоризненное знание системных команд процессора. Написание ПО на Ассемблере занимает значительное время. Главным преимуществом языка является высокая скорость исполнения готовой программы.

На самом деле, можно использовать практически любые языки программирования микроконтроллеров. Но популярнее всех С/С++. Это язык высокого уровня, позволяющий работать с максимальным комфортом. Более того, в разработке архитектуры AVR принимали участие создатели Си. Поэтому микросхемы производства «Атмел» адаптированы именно к этому языку.

С/С++ - это гармоничное сочетание низкоуровневых и высокоуровневых возможностей. Поэтому в код можно внедрить вставки на Ассемблере. Готовый программный продукт легко читается и модифицируется. Скорость разработки достаточно высокая. При этом доскональное изучение архитектуры МК и системы команд ЦП не требуется. Компиляторы Си снабжаются библиотеками внушительного размера, что облегчает работу программиста.

Нужно отметить, что выбор оптимального языка программирования зависит также от аппаратного обеспечения. При малом количестве оперативной памяти использовать высокоуровневый Си нецелесообразно. В данном случае больше подойдет Ассемблер. Он обеспечивает максимальное быстродействие за счет короткого кода программы. Универсальной среды программирования не существует, но в большинстве бесплатных и коммерческих приложений можно использовать как Ассемблер, так и С/С++.

Микроконтроллеры PIC

Первые микроконтроллеры PIC появились во второй половине прошлого века. Быстрые 8-разрядные микросхемы компании Microchip мгновенно завоевали популярность. Двухшинная гарвардская архитектура обеспечивает беспрецедентную скорость. Ее разрабатывали на основе набора регистров, для которого характерно разделение шин.

Выбирая язык программирования микроконтроллеров PIC, необходимо учитывать, что в основе микросхем семейства лежит уникальная конструкция RISC-процессора. Симметричная система команд позволяет произвольно выбирать метод адресации, выполнять операции в любом регистре. На данный момент компания «Микрочип» выпускает 5 разновидностей МК, которые совместимы по программному коду:

1. PIC18CXXX (75 команд, встроенный аппаратный стек);
2. PIC17CXXX (58 команд 16-разрядного формата);
3. PIC16CXXX (35 команд, большой набор периферийных устройств);
4. PIC16C5X (33 команды 12-разрядного формата, корпуса с 18–28 выводами);
5. PIC12CXXX (версии с 35 и 33 командами, интегрированный генератор).

В большинстве случаев МК PIC имеют однократно программируемую память. Встречаются более дорогие модели с Flash или ультрафиолетовым стиранием. Ассортимент из 500 наименований позволяет подобрать изделие для любой задачи. Сейчас производитель концентрирует усилия на развитии 32-разрядных версий с увеличенным объемом памяти.

Языки программирования микроконтроллеров PIC - это Ассемблер и Си. Для кодирования подходят любые интегрированные среды разработки (IDE). Программировать с их помощью очень удобно. Они автоматически переводят текст программы в машинный код. Важной характеристикой IDE является возможность пошаговой симуляции работы готового ПО. Мы рекомендуем пользоваться средой разработки MPLAB. Ее созданием занималась компания Microchip.

Перед началом работы в MPLAB советуем каждый раз заводить отдельную папку. Это нужно, чтобы не запутаться в файлах проектов. Интерфейс программы интуитивно понятный, и трудностей с ним возникнуть не должно. Для отладки используются фирменные отладчики Pickit, ICD, REAL ICE, IC PROG. В них имеется возможность просмотра содержимого памяти, установки контрольных точек.

Здравствуйте, уважаемые Хабражители!

В этой статье я хочу рассказать о том, как однажды решил начать программировать микроконтроллеры, что для этого понадобилось и что в итоге получилось.

Тема микроконтроллеров меня заинтересовала очень давно, году этак в 2001. Но тогда достать программатор по месту жительства оказалось проблематично, а о покупке через Интернет и речи не было. Пришлось отложить это дело до лучших времен. И вот, в один прекрасный день я обнаружил, что лучшие времена пришли не выходя из дома можно купить все, что мне было нужно. Решил попробовать. Итак, что нам понадобится:

1. Программатор

На рынке предлагается много вариантов - от самых дешевых ISP (In-System Programming) программаторов за несколько долларов, до мощных программаторов-отладчиков за пару сотен. Не имея большого опыта в этом деле, для начала я решил попробовать один из самых простых и дешевых - USBasp. Купил в свое время на eBay за $12, сейчас можно найти даже за $3-4. На самом деле это китайская версия программатора от Thomas Fischl . Что могу сказать про него? Только одно - он работает. К тому же поддерживает достаточно много AVR контроллеров серий ATmega и ATtiny. Под Linux не требует драйвера.

Для прошивки надо соединить выходы программатора VCC, GND, RESET, SCK, MOSI, MISO с соответствующими выходами микроконтроллера. Для простоты я собрал вспомогательную схему прямо на макетной плате:

Слева на плате - тот самый микроконтроллер, который мы собираемся прошивать.

2. Микроконтроллер

С выбором микроконтроллера я особо не заморачивался и взял ATmega8 от Atmel - 23 пина ввода/вывода, два 8-битных таймера, один 16-битный, частота - до 16 Мгц, маленькое потребление (1-3.6 мА), дешевый ($2). В общем, для начала - более чем достаточно.

Под Linux для компиляции и загрузки прошивки на контроллер отлично работает связка avr-gcc + avrdude. Установка тривиальная. Следуя инструкции , можно за несколько минут установить все необходимое ПО. Единственный ньюанс, на который следует обратить внимание - avrdude (ПО для записи на контроллер) может потребовать права супер-пользователя для доступа к программатору. Выход - запустить через sudo (не очень хорошая идея), либо прописать специальные udev права. Синтаксис может отличаться в разных версиях ОС, но в моем случае (Linux Mint 15) сработало добавление следующего правила в файл /etc/udev/rules.d/41-atmega.rules:

# USBasp programmer SUBSYSTEM=="usb", ATTR{idVendor}=="16c0", ATTR{idProduct}=="05dc", GROUP="plugdev", MODE="0666"

После этого, естественно, необходим перезапуск сервиса
service udev restart
Компилировать и прошивать без проблем можно прямо из командной строки (кто бы сомневался), но если проектов много, то удобнее поставить плагин и делать все прямо из среды Eclipse.

Под Windows придется поставить драйвер. В остальном проблем нет. Ради научного интереса попробовал связку AVR Studio + eXtreme Burner в Windows. Опять-таки, все работает на ура.

Начинаем программировать

Программировать AVR контроллеры можно как на ассемблере (AVR assembler), так и на Си. Тут, думаю, каждый должен сделать свой выбор сам в зависимости от конкретной задачи и своих предпочтений. Лично я в первую очередь начал ковырять ассемблер. При программировании на ассемблере архитектура устройства становится понятнее и появляется ощущение, что копаешься непосредственно во внутренностях контроллера. К тому же полагаю, что в особенно критических по размеру и производительности программах знание ассемблера может очень пригодиться. После ознакомления с AVR ассемблером я переполз на Си.

После знакомства с архитектурой и основными принципами, решил собрать что-то полезное и интересное. Тут мне помогла дочурка, она занимается шахматами и в один прекрасный вечер заявила, что хочет иметь часы-таймер для партий на время. БАЦ! Вот она - идея первого проекта! Можно было конечно заказать их на том же eBay, но захотелось сделать свои собственные часы, с блэк… эээ… с индикаторами и кнопочками. Сказано - сделано!

В качестве дисплея решено было использовать два 7-сегментных диодных индикатора. Для управления достаточно было 5 кнопок - “Игрок 1” , “Игрок 2” , “Сброс” , “Настройка” и “Пауза” . Ну и не забываем про звуковую индикацию окончания игры. Вроде все. На рисунке ниже представлена общая схема подключения микроконтроллера к индикаторам и кнопкам. Она понадобится нам при разборе исходного кода программы:

Разбор полета

Начнем, как и положено, с точки входа программы - функции main . На самом деле ничего примечательного в ней нет - настройка портов, инициализация данных и бесконечный цикл обработки нажатий кнопок. Ну и вызов sei() - разрешение обработки прерываний, о них немного позже.

Int main(void) { init_io(); init_data(); sound_off(); sei(); while(1) { handle_buttons(); } return 0; }
Рассмотрим каждую функцию в отдельности.

Void init_io() { // set output DDRB = 0xFF; DDRD = 0xFF; // set input DDRC = 0b11100000; // pull-up resistors PORTC |= 0b00011111; // timer interrupts TIMSK = (1<

Настройка портов ввода/вывода происходит очень просто - в регистр DDRx (где x - буква, обозначающая порт) записивается число, каждый бит которого означает, будет ли соответствующий пин устройством ввода (соответствует 0) либо вывода (соответствует 1). Таким образом, заслав в DDRB и DDRD число 0xFF, мы сделали B и D портами вывода. Соответственно, команда DDRC = 0b11100000; превращает первые 5 пинов порта C во входные пины, а оставшиеся - в выходные. Команда PORTC |= 0b00011111; включает внутренние подтягивающие резисторы на 5 входах контроллера. Согласно схеме, к этим входам подключены кнопки, которые при нажатии замкнут их на землю. Таким образом контроллер понимает, что кнопка нажата.

Далее следует настройка двух таймеров, Timer0 и Timer1. Первый мы используем для обновления индикаторов, а второй - для обратного отсчета времени, предварительно настроив его на срабатывание каждую секунду. Подробное описание всех констант и метода настройки таймера на определенноый интервал можно найти в документации к ATmega8.

Обработка прерываний

ISR (TIMER0_OVF_vect) { display(); if (_buzzer > 0) { _buzzer--; if (_buzzer == 0) sound_off(); } } ISR(TIMER1_COMPA_vect) { if (ActiveTimer == 1 && Timer1 > 0) { Timer1--; if (Timer1 == 0) process_timeoff(); } if (ActiveTimer == 2 && Timer2 > 0) { Timer2--; if (Timer2 == 0) process_timeoff(); } }

При срабатывании таймера управление передается соответствующему обработчику прерывания. В нашем случае это обработчик TIMER0_OVF_vect, который вызывает процедуру вывода времени на индикаторы, и TIMER1_COMPA_vect, который обрабатывает обратный отсчет.

Вывод на индикаторы

Void display() { display_number((Timer1/60)/10, 0b00001000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer1/60)%10, 0b00000100); _delay_ms(0.25); display_number((Timer1%60)/10, 0b00000010); _delay_ms(0.25); display_number((Timer1%60)%10, 0b00000001); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2/60)/10, 0b10000000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2/60)%10, 0b01000000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2%60)/10, 0b00100000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2%60)%10, 0b00010000); _delay_ms(0.25); PORTD = 0; } void display_number(int number, int mask) { PORTB = number_mask(number); PORTD = mask; }

Функция display использует метод динамической индикации. Дело в том, что каждый отдельно взятый индикатор имеет 9 контактов (7 для управления сегментами, 1 для точки и 1 для питания). Для управления 4 цифрами понадобилось бы 36 контактов. Слишком расточительно. Поэтому вывод разрядов на индикатор с несколькими цифрами организован по следующему принципу:

Напряжение поочередно подается на каждый из общих контактов, что позволяет высветить на соответствующем индикаторе нужную цифру при помощи одних и тех же 8 управляющих контактов. При достаточно высокой частоте вывода это выглядит для глаза как статическая картинка. Именно поэтому все 8 питающих контактов обоих индикаторов на схеме подключены к 8 выходам порта D, а 16 управляющих сегментами контактов соединены попарно и подключены к 8 выходам порта B. Таким образом, функция display с задержкой в 0.25 мс попеременно выводит нужную цифру на каждый из индикаторов. Под конец отключаются все выходы, подающие напряжение на индикаторы (команда PORTD = 0;). Если этого не сделать, то последняя выводимая цифра будет продолжать гореть до следующего вызова функции display, что приведет к ее более яркому свечению по сравнению с остальными.

Обработка нажатий

Void handle_buttons() { handle_button(KEY_SETUP); handle_button(KEY_RESET); handle_button(KEY_PAUSE); handle_button(KEY_PLAYER1); handle_button(KEY_PLAYER2); } void handle_button(int key) { int bit; switch (key) { case KEY_SETUP: bit = SETUP_BIT; break; case KEY_RESET: bit = RESET_BIT; break; case KEY_PAUSE: bit = PAUSE_BIT; break; case KEY_PLAYER1: bit = PLAYER1_BIT; break; case KEY_PLAYER2: bit = PLAYER2_BIT; break; default: return; } if (bit_is_clear(BUTTON_PIN, bit)) { if (_pressed == 0) { _delay_ms(DEBOUNCE_TIME); if (bit_is_clear(BUTTON_PIN, bit)) { _pressed |= key; // key action switch (key) { case KEY_SETUP: process_setup(); break; case KEY_RESET: process_reset(); break; case KEY_PAUSE: process_pause(); break; case KEY_PLAYER1: process_player1(); break; case KEY_PLAYER2: process_player2(); break; } sound_on(15); } } } else { _pressed &= ~key; } }

Эта функция по очереди опрашивает все 5 кнопок и обрабатывает нажатие, если таковое случилось. Нажатие регистрируется проверкой bit_is_clear(BUTTON_PIN, bit) , т.е. кнопка нажата в том случае, если соответствующий ей вход соединен с землей, что и произойдет, согласно схеме, при нажатии кнопки. Задержка длительностью DEBOUNCE_TIME и повторная проверка нужна во избежание множественных лишних срабатываний из-за дребезга контактов. Сохранение статуса нажатия в соответствующих битах переменной _pressed используется для исключения повторного срабатывания при длительном нажатии на кнопку.
Функции обработки нажатий достаточно тривиальны и полагаю, что в дополнительных комментариях не нуждаются.

Полный текст программы

#define F_CPU 4000000UL #include #include #include #define DEBOUNCE_TIME 20 #define BUTTON_PIN PINC #define SETUP_BIT PC0 #define RESET_BIT PC1 #define PAUSE_BIT PC2 #define PLAYER1_BIT PC3 #define PLAYER2_BIT PC4 #define KEY_SETUP 0b00000001 #define KEY_RESET 0b00000010 #define KEY_PAUSE 0b00000100 #define KEY_PLAYER1 0b00001000 #define KEY_PLAYER2 0b00010000 volatile int ActiveTimer = 0; volatile int Timer1 = 0; volatile int Timer2 = 0; volatile int _buzzer = 0; volatile int _pressed = 0; // function declarations void init_io(); void init_data(); int number_mask(int num); void handle_buttons(); void handle_button(int key); void process_setup(); void process_reset(); void process_pause(); void process_timeoff(); void process_player1(); void process_player2(); void display(); void display_number(int mask, int number); void sound_on(int interval); void sound_off(); // interrupts ISR (TIMER0_OVF_vect) { display(); if (_buzzer > 0) { _buzzer--; if (_buzzer == 0) sound_off(); } } ISR(TIMER1_COMPA_vect) { if (ActiveTimer == 1 && Timer1 > 0) { Timer1--; if (Timer1 == 0) process_timeoff(); } if (ActiveTimer == 2 && Timer2 > 0) { Timer2--; if (Timer2 == 0) process_timeoff(); } } int main(void) { init_io(); init_data(); sound_off(); sei(); while(1) { handle_buttons(); } return 0; } void init_io() { // set output DDRB = 0xFF; DDRD = 0xFF; // set input DDRC = 0b11100000; // pull-up resistors PORTC |= 0b00011111; // timer interrupts TIMSK = (1< 5940 || Timer2 > 5940) { Timer1 = 0; Timer2 = 0; } } void process_reset() { init_data(); } void process_timeoff() { init_data(); sound_on(30); } void process_pause() { ActiveTimer = 0; } void process_player1() { ActiveTimer = 2; } void process_player2() { ActiveTimer = 1; } void handle_button(int key) { int bit; switch (key) { case KEY_SETUP: bit = SETUP_BIT; break; case KEY_RESET: bit = RESET_BIT; break; case KEY_PAUSE: bit = PAUSE_BIT; break; case KEY_PLAYER1: bit = PLAYER1_BIT; break; case KEY_PLAYER2: bit = PLAYER2_BIT; break; default: return; } if (bit_is_clear(BUTTON_PIN, bit)) { if (_pressed == 0) { _delay_ms(DEBOUNCE_TIME); if (bit_is_clear(BUTTON_PIN, bit)) { _pressed |= key; // key action switch (key) { case KEY_SETUP: process_setup(); break; case KEY_RESET: process_reset(); break; case KEY_PAUSE: process_pause(); break; case KEY_PLAYER1: process_player1(); break; case KEY_PLAYER2: process_player2(); break; } sound_on(15); } } } else { _pressed &= ~key; } } void handle_buttons() { handle_button(KEY_SETUP); handle_button(KEY_RESET); handle_button(KEY_PAUSE); handle_button(KEY_PLAYER1); handle_button(KEY_PLAYER2); } void display() { display_number((Timer1/60)/10, 0b00001000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer1/60)%10, 0b00000100); _delay_ms(0.25); display_number((Timer1%60)/10, 0b00000010); _delay_ms(0.25); display_number((Timer1%60)%10, 0b00000001); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2/60)/10, 0b10000000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2/60)%10, 0b01000000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2%60)/10, 0b00100000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2%60)%10, 0b00010000); _delay_ms(0.25); PORTD = 0; } void display_number(int number, int mask) { PORTB = number_mask(number); PORTD = mask; } void sound_on(int interval) { _buzzer = interval; // put buzzer pin high PORTC |= 0b00100000; } void sound_off() { // put buzzer pin low PORTC &= ~0b00100000; }

Прототип был собран на макетной плате.

Программирование микроконтроллеров

Введение

Раздел 2. Среды программирования. Схемы подключения микроконтроллера

Раздел 3. Практическая реализация программы на микроконтроллере

Список использованных источников

Введение

Актуальность темы. Микроконтроллеры используются во всех сферах жизнедеятельности человека, устройствах, которые окружают его. Простота подключения и большие функциональные возможности. С помощью программирования микроконтроллера можно решить многие практические задачи аппаратной техники.

Цель работы . На основе практического примера показать преимущественные характеристики использования микроконтроллеров, необходимости их внедрения в различные устройства.

Можно считать что микроконтроллер (МК) - это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты; высокие производительность, надежность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.

Микроконтроллер помимо центрального процессора (ЦП) содержит память и многочисленные устройства ввода/вывода: аналого-цифровые преобразователи, последовательные и параллельные каналы передачи информации, таймеры реального времени, широтно-импульсные модуляторы (ШИМ), генераторы программируемых импульсов и т.д. Его основное назначение - использование в системах автоматического управления, встроенных в самые различные устройства: кредитные карточки, фотоаппараты, сотовые телефоны, музыкальные центры, телевизоры, видеомагнитофоны и видеокамеры, стиральные машины, микроволновые печи, системы охранной сигнализации, системы зажигания бензиновых двигателей, электроприводы локомотивов, ядерные реакторы и многое, многое другое. Встраиваемые системы управления стали настолько массовым явлением, что фактически сформировалась новая отрасль экономики, получившая название EmbeddedSystems (встраиваемые системы).

Достаточно широкое распространение имеют МК фирмы ATMEL, которые располагают большими функциональными возможностями.

Применение МК можно разделить на два этапа: первый - программирование, когда пользователь разрабатывает программу и прошивает ее непосредственно в кристалл, и второй - согласование спроектированных исполнительных устройств с запрограммируемым МК. Значительно облегчают отладку программы на первом этапе - симулятор, который наглядно моделирует работу микропроцессора. На втором этапе для отладки используется внутрисхемный эмулятор, который является сложным и дорогим устройством, зачастую недоступным рядовому пользователю.

В тоже время в литературе мало уделено внимания вопросам обучения программированию некоторых недорогих МК, в сочетании с реальными исполнительными устройствами.

Разработка макета программатора отличающегося простотой, наглядностью и низкой себестоимостью, становиться необходимой как для самого программирования кристаллов, так и для наглядного обучения широкого круга пользователей основам программирования МК.

Раздел 1. Назначение и область применения, их архитектура

Микроконтроллер - компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства. Эти устройства выполняют свои задачи под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера.

К наиболее распространенным встроенным устройствам относятся устройства памяти и порты ввода/вывода (I/O), интерфейсы связи, таймеры, системные часы. Устройства памяти включают оперативную память (RAM), постоянные запоминающие устройства (ROM), перепрограммируемую ROM (EPROM), электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM). Таймеры включают и часы реального времени, и таймеры прерываний. Средства I/O включают последовательные порты связи, параллельные порты (I/O линии), аналого-цифровые преобразователи (A/D), цифроаналоговые преобразователи (D/A), драйверы жидкокристаллического дисплея (LCD) или драйверы вакуумного флуоресцентного дисплея (VFD). Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.

В отличие от микроконтроллера контроллером обычно называют плату, построенную на основе микроконтроллера, но достаточно часто при использовании понятия "микроконтроллер" применяют сокращенное название этого устройства, отбрасывая приставку "микро" для простоты. Также при упоминании микроконтроллеров можно встретить слова "чип" или "микрочип", "кристалл" (большинство микроконтроллеров изготавливают на едином кристалле кремния), сокращения МК или от английского microcontroller - MC.

микроконтроллер программа микросхема электронный

Микроконтроллеры можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах. и даже кофеварках. Среди производителей микроконтроллеров можно назвать Intel, Motorola, Hitachi, Microchip, Atmel, Philips, Texas Instruments, Infineon Technologies (бывшая Siemens Semiconductor Group) и многих других. Для производства современных микросхем требуются сверхчистые помещения.

Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность данных, обрабатываемых арифметико-логическим устройством (АЛУ). По этому признаку они делятся на 4-, 8-, 16-, 32 - и 64-разрядные. Сегодня наибольшая доля мирового рынка микроконтроллеров принадлежит восьмиразрядным устройствам (около 50 % в стоимостном выражении). За ними следуют 16-разрядные и DSP-микроконтроллеры (DSP - Digital Signal Processor - цифровой сигнальный процессор), ориентированные на использование в системах обработки сигналов (каждая из групп занимает примерно по 20 % рынка). Внутри каждой группы микроконтроллеры делятся на CISC - и RISC-устройства. Наиболее многочисленной группой являются CISC-микроконтроллеры, но в последние годы среди новых чипов наметилась явная тенденция роста доли RISC-архитектуры.

Тактовая частота, или, более точно, скорость шины, определяет, сколько вычислений может быть выполнено за единицу времени. В основном производительность микроконтроллера и потребляемая им мощность увеличиваются с повышением тактовой частоты. Производительность микроконтроллера измеряют в MIPS (Million Instruсtions per Second - миллион инструкций в секунду).

Термин контроллер образовался от английского слова to control - управлять. Эти устройства могут основываться на различных принципах работы от механических или оптических устройств до электронных аналоговых или цифровых устройств. Механические устройства управления обладают низкой надежностью и высокой стоимостью по сравнению с электронными блоками управления, поэтому в дальнейшем мы такие устройства рассматривать не будем. Электронные аналоговые устройства требуют постоянной регулировки в процессе эксплуатации, что увеличивает стоимость их эксплуатации. Поэтому такие устройства к настоящему времени почти не используются. Наиболее распространенными на сегодняшний день схемами управления являются схемы, построенные на основе цифровых микросхем.

В зависимости от стоимости и габаритов устройства, которым требуется управлять, определяются и требования к контроллеру. Если объект управления занимает десятки метров по площади, как, например, автоматические телефонные станции, базовые станции сотовых систем связи или радиорелейные линии связи, то в качестве контроллеров можно использовать универсальные компьютеры. Управление при этом можно осуществлять через встроенные порты компьютера (LPT, COM, USB или Ethernet). В такие компьютеры при включении питания заносится управляющая программа, которая и превращает универсальный компьютер в контроллер.

Использование универсального компьютера в качестве контроллера позволяет в кратчайшие сроки производить разработку новых систем связи, легко их модернизировать (путём простой смены программы) а также использовать готовые массовые (а значит дешёвые) блоки.

Если же к контроллеру предъявляются особенные требования, такие, как работа в условиях тряски, расширенном диапазоне температур, воздействия агрессивных сред, то приходится использовать промышленные варианты универсальных компьютеров. Естественно, что эти компьютеры значительно дороже обычных универсальных компьютеров, но всё равно они позволяют экономить время разработки системы, за счёт того, что не нужно вести разработку аппаратуры контроллера.