Программирование avr контроллеров на си. AVR-программирование

Для программирования AVR-микроконтроллеров существует немало средств разработки, однако, наиболее популярным, несомненно, следует признать пакет AVR Studio . Есть ряд причин такой популярности – это бесплатный пакет, разработанный фирмой ATMEL , он объединяет в себе текстовый редактор, ассемблер и симулятор. Пакет AVR Studio также используется совместно с аппаратными средствами отладки. В предлагаемой статье на примерах рассматриваются приемы работы с пакетом, что поможет начинающим программистам быстрее понять взаимодействие отдельных компонентов AVR Studio.

В следующей части статьи будет рассказано об отладке в среде AVR Studio программ, написанных на языке Си.

Пакет AVR Studio имеет солидную историю развития, что отражается в количестве существующих версий. В конце 2003 г. выпущена версия 4.08, которая имеет ряд полезных дополнений, а в начале 2004 г. вышло обновление (Service Pack 1), добавляющее поддержку AVR-контроллеров третьего поколения семейства ATmega48. Производство микросхем этого семейства намечено на вторую половину 2004 г.

Дистрибутив пакета и Service Pack можно загрузить с сайта www.atmel.com или получить компакт-диск с этим дистрибутивом у российского дистрибьютора фирмы ATMEL.

Работу пакета AVR Studio удобно рассматривать на какой-либо конкретной программе. В качестве илюстрации мы рассмотрим создание проекта для простейшей программы, которая будет по очереди зажигать два светодиода. Для определенности возьмем микросхему Atmega128 и подключим два светодиода в выводам 31 и 32 (это биты 6 и 7 порта D микросхемы ATmega128). AVR-контроллеры имеют мощные выходные каскады, типовой ток каждого вывода составляет 20 мА, максимальный ток вывода – 40 мА, причем это относится как к втекающему, так и к вытекающему току. В нашем примере светодиоды подключены анодами к выводам контроллера, а катоды через гасящие резисторы соединены с землей. Это означает, что светодиод зажигается подачей «1» на соответствующий вывод порта. Принципиальная схема приведена на рисунке. На схеме также показаны две кнопки, которые будут использованы в одной из программ.

Здесь уместно сделать небольшое отступление о выборе типа микросхемы для простейшего примера. Действительно, с первого взгляда может показаться странным, зачем нужен такой мощный кристалл в 64-выводном корпусе там, где хватит и 8-выводной микросхемы ATtiny12 ? Однако, в таком подходе есть логика. Известно, что в основе практически любого AVR-контроллера лежит одинаковое ядро. По большому счету, контроллеры различаются объемом памяти, количеством портов ввода/вывода и набором периферийных модулей. Особенности каждого конкретного контроллера – привязка логических имен регистров ввода/вывода к физическим адресам, адреса векторов прерываний, определения битов портов и т.д. описаны в файлах с расширением.inc, которые входят в состав пакета AVR Studio. Следовательно, используя конкретный тип кристалла, можно отлаживать программу как собственно для него, так и для любого младшего кристалла. Далее, если использовать в качестве отладочного самый старший кристалл, на сегодня это ATmega128, можно отлаживать программу практически для любого AVR-контроллера, надо просто не использовать аппаратные ресурсы, которые отсутствуют у целевого микроконтроллера. Таким образом, например, можно отлаживать на ATmega128 программу, которая будет выполняться на ATtiny13 . При этом исходный код останется практически тем же, изменится лишь имя подключаемого файла с 128def.inc на tn13def.inc. У такого подхода также есть свои преимущества. Например, «лишние» порты ввода/вывода можно использовать для подключения ЖК-индикатора , на который можно выводить отладочную информацию. Или, воспользоваться внутрисхемным эмулятором, который подключается к JTAG-порту микросхемы ATmega128 (контроллер ATtiny13 такой порт не имеет). Таким образом, можно использовать единственную отладочную плату, на которой установлен «старший» AVR-контроллер, для отладки любых вновь разрабатываемых систем, естественно, базирующихся также на AVR-микроконтроллерах. Одна из таких плат называется AS-megaM. Именно она использовалась для создания примеров программ, приводимых в статье. Это универсальный одноплатный контроллер на базе микросхемы ATmega128, который содержит внешнее ОЗУ, два порта RS-232 , порт для подключения ЖК-индикатора, внутрисхемного программатора и эмулятора AT JTAG ICE . На плате также есть место для распайки микросхемы FLASH-ПЗУ серии АТ45 в корпусах TSOP32/40/48 и двухканального ЦАП серии AD5302/ AD5312/ AD5322 . Теперь, после объяснения причин использования AVR-монстра для зажигания пары сватодиодов, можно идти дальше.

При программировании в среде AVR Studio надо выполнить стандартную последовательность действий:

компиляция

Создание проекта начинается с выбора строки меню Project\New Project. В открывшемся окне “Create new Project” надо указать имя проекта, (в нашем случае – sample1) и имя файла инициализации. После нажатия кнопки “Next” открывается окно “Select debug platform and device”, где выбирается отладочная платформа (симулятор или эмулятор) и тип микроконтроллера.

Можно выбрать один из предлагаемых внутрисхемных эмуляторов, заметим, что у каждого эмулятора свой список поддерживаемых микросхем. Для рассматриваемого примера мы выбираем в качестве отладочной платформы AVR Simulator и микросхему ATmega128. После нажатия кнопки “Finish” нашему взору предстают собственно рабочие окна пакета AVR Studio, пока пустые. Следует в правое окно поместить исходный текст программы. Это можно сделать двумя способами, либо набрать весь текст непосредственно в окне редактора, либо загрузить уже существующий файл. Ниже приведен полный текст простейшей программы с комментариями.

; Пример «Управление светодиодами» ; написан для отладочной платы AS-MegaM ; Частота задающего генератора 7,37 МГц; светодиоды подключены к выводам PD6 и PD7 и через резисторы - на общий провод. ; подключение файла описания ввода-вывода микросхемы ATmega128 .include "m128def.inc" ; начало программы begin: ; первая операция - инициализация стека; если этого не сделать, то вызов подпрограммы или прерывания; не вернет управление обратно; указатель на конец стека устанавливается на последний адрес внутреннего ОЗУ - RAMEND ldi r16,low(RAMEND) out spl,r16 ldi r16,high(RAMEND) out sph,r16 ; для того, чтобы управлять светодиодами, подключенными к выводам PD6 и PD7, ; необходимо объявить эти выводы выходными. ; для этого нужно записать "1" в соответствующие биты регистра DDRD (DataDiRection) ldi r16,(1<<6) | (1<<7) out DDRD,r16 ; основной цикл программы loop: ldi r16,(1<<6) ; светится один светодиод out PORTD,r16 rcall delay ; задержка ldi r16,(1<<7) ; светится второй светодиод out PORTD,r16 rcall delay ; задержка rjmp loop ; повторение цикла; процедура задержки; примерно полсекунды при частоте 7,37 МГц; три пустых вложенных цикла соответственно delay: ldi r16,30 ; 30 delay1: ldi r17,200 ; 200 delay2: ldi r18,200 ; и еще 200 итераций delay3: dec r18 brne delay3 dec r17 brne delay2 dec r16 brne delay1 ret ; возврат в главную программу

Проект может состоять из нескольких файлов, при этом один файл назначается основным. Все операции удобно производить, используя контекстную кнопку мыши. После подключения исходного файла окна имеют следующий вид.

Компиляция проекта производится командой \Project\Build или нажатием кнопки F7. Процесс компиляции отображается в окне “Output”. Это окно можно «вытащить» командой \View\Output.

В принципе, мы уже получили выходной файл в формате.hex, который уже можно загружать в микросхему и наблюдать перемигивание светодиодов. Однако, цель статьи – показать полный цикл работы в среде AVR Studio, поэтому мы переходим к стадии отладки. Это делается командой \Debug\Start Debugging.

Теперь устанавливаем в окне “Simulator Options” частоту кварца 7,3728 МГц для точного измерения времени выполнения программы.

Остальные опции следует оставить без изменения. Теперь можно выполнять программу в пошаговом режиме при помощи мыши или кнопки F11.

Пакет AVR Studio содержит мощные средства для просмотра и редактирования состояния внутренних регистров и портов ввода/вывода отлаживаемого микроконтроллера, а также время, выполнения программы. Доступ к ним осуществляется через окно “I/O”.

На самом деле, количество информации, доступное через окна просмотра пакета AVR Studio настолько велико, что для получения максимального комфорта нужно использовать компьютер в двухмониторной конфигурации.

Для отладки нашего примера, чтобы получить доступ к битам порта D, надо раскрыть строку I/O ATMEGA128 и затем строку PORTD. Теперь видны все три регистра этого порта, PORTD, DDRD и PIND. Чтобы увидеть поля Value, Bits и Address, придется расширить правую границу окна, потеснив при этом окно с исходным текстом программы.

Теперь, проходя программу в пошаговом режиме, можно видеть изменение текущих состояний этих регистров в поле Bits. Есть возможность оперативного изменения состояния любого бита регистров порта, причем это можно делать либо записью нового кода в поле Value, либо непосредственно, щелкнув мышью на нужном бите регистра.

Для самостоятельных упражнений, предлагается следующая программа, которая отличается от предыдущей тем, что зажиганием светодиодов управляют две кнопки.

; Пример «Управление светодиодами от кнопок» ; написан для отладочной платы AS-MegaM ; светодиоды подключены к выводам PD6 и PD7 и через резисторы - на общий провод. ; кнопки - на PE4 и PE5 .include "m128def.inc" ; основная программа begin: ; инициализация стека ldi r16,low(RAMEND) out spl,r16 ldi r16,high(RAMEND) out sph,r16 ; инициализация светодиодов ldi r16,(1<<6) | (1<<7) out DDRD,r16 ; инициализация выводов, к которым подключены кнопки (на вход) ; внутренние подтягивающие резисторы подключены; для этого в PORTE нужно установить соответствующие биты в единицы ldi r16,(1<<4) | (1<<5) out PORTE,r16 ; а в DDRE - в нули ldi r16,0 out DDRE,r16 ; бесконечный цикл forever: in r16,PINE ; теперь в r16 находится текущее "состояние" кнопок com r16 ; кнопка "нажимается" нулем, поэтому инвертируем регистр lsl r16 ; переносим биты 4,5 в позиции 6,7 lsl r16 ; и обновляем "показания" светодиодов andi r16,(1<<6) | (1<<7) out PORTD,r16 rjmp forever ; цикл выполняется бесконечно

Таким образом, на примере простейших программ показаны некоторые возможности пакета AVR Studio. Надо понимать, что это лишь первое знакомство, позволяющее быстрее освоиться с базовыми командами пакета. Между тем, возможности рассматриваемого пакета намного шире. Например, здесь можно отлаживать программы написанные на языках высокого уровня. В частности, Си-компилятор фирмы ImageCraft пользуется отладчиком AVR Studio «как родным». Для этого при компиляции исходного кода надо установить опцию генерации выходного файла в формате, совместимом с AVR Studio. При этом появляется возможность производить отладку в исходных кодах.

Еще одна из многих характеристик пакета AVR Studio - возможность подключения внешних программ. Например, для обеспечения вызова оболочки внутрисхемного программатора AS2 нужно выполнить несколько простых операций.

В меню Tools главного окна AVR Studio надо выбрать пункт Customize;

В окне Customize выбрать пункт Tools;

Двойным нажатием кнопки мыши или нажав Insert на клавиатуре, добавить новую команду в список и назвать ее "Программатор AS2";

Указать путь к исполняемому файлу программатора, введя его непосредственно в поле для ввода "Command", или нажав на кнопку "…" справа от этого поля;

Теперь в меню Tools появился пункт "Программатор AS2".

Средства пакета AVR Studio 4.08 позволяют подключать вспомогательные программы – plugins. Первый plugin для AVR Studio – это программа графического редактора, упрощающая процесс инициализации ЖК-индикатора, которым может непосредственно управлять AVR-контроллер ATmega169. Максимальный логический размер ЖК-индикатора составляет 100 сегментов, каждому элементу индикатора ставится в соответствие бит в специальном регистре контроллера. Чтобы упростить рутинную процедуру привязки определенных битов к каждому сегменту, можно использовать вышеупомянутую программу.

Во время посещения «родины AVR» - норвежского офиса фирмы ATMEL, один из авторов статьи беседовал с Ларсом Квенилдом, руководителем группы программистов, которая создала и поддерживает пакет AVR Studio. Этот человек, классический программист, с бородой, в свитере и обутый в сандали на носки, рассказал о перспективах развития пакета. В следующую версию (4.09) - будет включен интерфейс для нового внутрисхемного эмулятора – JTAGICE mkII (он называется также AT JTAGICE2), который во второй половине года придет на смену AT JTAGICE. У этого эмулятора есть два существенных отличия. С одной стороны, добавлена поддержка нового однопроводного отладочного интерфейса для младших AVR-контроллеров, debugWIRE. Этот интерфейс интересен тем, что он не занимает для своей работы дополнительные выводы микроконтроллера, так как использует для обмена вывод Reset микроконтроллера! С другой стороны (можно понимать это выражение буквально), у эмулятора AT JTAGICE2 появится, наконец, интерфейс USB для связи с компьютером.

Литература

1. Материалы технического семинара AVR Technical Training. Atmel. Norway. December 2003.
2. Николай Королев, Дмитрий Королев AVR-микроконтроллеры второго поколения: средcтва разработчика. // Компоненты и технологии, 2003 № 7
3. AVR-микроконтроллеры второго поколения: новые аппаратные возможности // Компоненты и технологии. 2003. № 4 .
4. Николай Королев, Дмитрий Королев. AVR-микроконтроллеры: большое в малом. //Схемотехника», 2001, №5
5. Николай Королев, Дмитрий Королев. AVR-микроконтроллеры: программные средства // Компоненты и технологии, 2000. № 4 .
6. Николай Королев. AVR: аппаратные средства разработчика // Компоненты и технологии, 1999 № 1
7. Николай Королев. RISC- микроконтроллеры фирмы ATMEL //Chip-News 1998, №2
8. Николай Королев, Дмитрий Королев AVR: новые 8-разрядные RISC-микроконтроллеры фирмы ATMEL //Микропроцессор Ревю, 1998, №1

Для микроконтроллеров AVR существуют различные языки программирования, но, пожалуй, наиболее подходящими являются ассемблер и Си, поскольку в этих языках в наилучшей степени реализованы все необходимые возможности по управлению аппаратными средствами микроконтроллеров.

Ассемблер - это низкоуровневый язык программирования, использующий непосредственный набор инструкций микроконтроллера. Создание программы на этом языке требует хорошего знания системы команд программируемого чипа и достаточного времени на разработку программы. Ассемблер проигрывает Си в скорости и удобстве разработки программ, но имеет заметные преимущества в размере конечного исполняемого кода, а соответственно, и скорости его выполнения.

Си позволяет создавать программы с гораздо большим комфортом, предоставляя разработчику все преимущества языка высокого уровня.
Следует еще раз отметить, что архитектура и система команд AVR создавалась при непосредственном участии разработчиков компилятора языка Си и в ней учтены особенности этого языка. Компиляция исходных текстов, написанных на Си, осуществляется быстро и дает компактный, эффективный код.

Основные преимущества Си перед ассемблером: высокая скорость разработки программ; универсальность, не требующая досконального изучения архитектуры микроконтроллера; лучшая документируемость и читаемость алгоритма; наличие библиотек функций; поддержка вычислений с плавающей точкой.

В языке Си гармонично сочетаются возможности программирования низкого уровня со свойствами языка высокого уровня. Возможность низкоуровневого программирования позволяет легко оперировать непосредственно аппаратными средствами, а свойства языка высокого уровня позволяют создавать легко читаемый и модифицируемый программный код. Кроме того, практически все компиляторы Си имеют возможность использовать ассемблерные вставки для написания критичных по времени выполнения и занимаемым ресурсам участков программы.

Одним словом, Си - наиболее удобный язык как для начинающих знакомиться с микроконтроллерами AVR, так и для серьезных разработчиков.

Чтобы преобразовать исходный текст программы в файл прошивки микроконтроллера, применяют компиляторы.

Фирма Atmel поставляет мощный компилятор ассемблера, который входит в среду разработки Atmel Studio, работающую под Windows. Наряду с компилятором, среда разработки содержит отладчик и эмулятор.
Atmel Studio совершенно бесплатна и доступна на сайте Atmel .

В настоящее время представлено достаточно много компиляторов Си для AVR. Самым мощным из них считается компилятор фирмы IAR Systems из Стокгольма. Именно ее сотрудники в середине 90-х годов участвовали в разработке системы команд AVR. IAR C Compiler имеет широкие возможности по оптимизации кода и поставляется в составе интегрированной среды разработки IAR Embedded Workbench (EWB), включающей в себя также компилятор ассемблера, линкер, менеджер проектов и библиотек, а также отладчик. Цена полной версии пакета составляет 2820 EUR. На сайте компании можно бесплатно скачать оценочную версию на 30 дней или бессрочную с ограничением размера кода в 4 Кбайта.

Американской фирмой Image Craft из калифорнийского Пало-Альто выпускается компилятор языка Си, получивший достаточно широкую популярность. JumpStart C for AVR имеет приемлемую оптимизацию кода и не слишком высокую цену (от $50 до $499 в зависимости от версии). Демо-версия JumpStart C for AVR полностью функциональна в течение 45 дней.

Не меньшую популярность завоевал румынский Code Vision AVR C Compiler , цена полной версии этого компилятора относительно невысока и составляет 150 EUR. Компилятор поставляется вместе с интегрированной средой разработки, в которую, помимо стандартных возможностей, включена достаточно интересная функция - CodeWizardAVR Automatic Program Generator. Наличие в среде разработки последовательного терминала позволяет производить отладку программ с использованием последовательного порта микроконтроллера. У разработчиков можно скачать бесплатную оценочную версию с ограничением размера кода в 4 Кбайта и отключенным сохранением сгенерированного исходного кода на Си.

Компанией MikroElektronika , расположенной в сербском городе Белграде, выпускается целое семейство компиляторов для AVR-микроконтроллеров. Компилятор для языка Си под названием mikroC PRO for AVR стоит $249. Есть также mikroBasic и mikroPascal за ту же цену. На сайте разработчиков имеются демоверсии с ограничением размера кода в 4096 bytes. Плюсом этого семейства компиляторов является единая платформа и единая идеология, что может обеспечивать легкий переход не только между языками, но и между микроконтроллерами (есть версии компиляторов для PIC, STM32, 8051 ...).

Поистине культовой стала интегрированная среда разработки . Она включает мощные компиляторы Си и ассемблера, программатор AVRDUDE, отладчик, симулятор и множество других вспомогательных программ и утилит. WinAVR прекрасно интегрируется со средой разработки AVR Studio от Atmel. Ассемблер идентичен по входному коду ассемблеру AVR Studio. Компиляторы Си и ассемблера имеют возможность создания отладочных файлов в формате COFF, что позволяет применять не только встроенные средства, но и использовать мощный симулятор AVR Studio. Еще одним немаловажным плюсом является то, что WinAVR распространяется бесплатно без ограничений (производители поддерживают GNU General Public License).

В качестве резюме стоит сказать, что WinAVR является идеальным выбором для тех, кто начинает осваивать микроконтроллеры AVR. Именно эта среда разработки и рассматривается в качестве основной в данном курсе.

Как-то сразу потянуло давать советы по поводу выбора среды программирования для AVR контроллеров. Только не надо кидать в меня тапками. Я совсем чуть-чуть 🙂

Языков программирования для микроконтроллеров много. Сред программирования так же не мало и сравнивать их между собой некорректно. Лучших языков программирования не существует. Значит, придется выбрать наиболее подходящие для Вас язык и среду программирования.

Если Вы, в данный момент, стоите перед выбором, на чем начать работать, то вот Вам несколько рекомендаций.

Прежний опыт программирования. Не стоит пренебрегать прежним опытом в программировании. Даже если это был Бейсик. Даже если это было давно в школе. Программирование как езда на велосипеде – стоит только начать и быстро вспоминаешь все забытое. Начните с Бейсика – освойтесть – позже будет проще выбрать что-то более подходящее для Ваших целей.

Помощь окружения. Ваши друзья пишут на Паскале? Для Вас вопрос решен – пишите на Паскале! Вам всегда помогут советом, подкинут библиотек, дадут на изучение готовые проекты. Вобщем рады будут принять в свое сообщество. Если поступите наоборот — получите обратный результат. Друзья сишники заклюют Вас, решившего изучать Ассемблер. Помощи не ждите.

Хорошая книга по программированию AVR очень здорово поможет. К сожалению их очень мало. Если Вам в руки попалась книга, и вы считаете что в ней очень доступно все расписано – попробуйте. Не советую учиться по электронным книгам, в крайнем случае, распечатайте. Очень неудобно переключаться между средой и текстом файла книги. Гораздо приятнее читая книгу тут же пробовать, не отвлекаясь на переключения, кроме того, на полях можно делать пометки, записывать возникшие идеи.

Среда программирования попроще. Если есть на выбор несколько сред программирования Вашего языка – не сомневайтесь, выбирайте ту, что проще. Пусть она менее функциональна. Пусть она компилирует страшно раздутый код. Главное чтобы было просто начать работать. После того как Вы освоитесь в простой среде вы с легкостью перейдете на более продвинутую и «правильную» среду. И не слушайте тех, кто говорит, что вы потеряете больше времени – они не правы. Ученикам младших классов не задают читать «Войну и мир» им дают книги попроще – с картинками.

Библиотеки. Наличие библиотек спорно для изучения языка. Конечно, позже они очень облегчат жизнь, но поначалу «Черные ящики»-библиотеки непонятны и не очень способствуют пониманию языка. С другой стороны облегчают чтение программы и позволяют новичку, не особо напрягаясь, строить сложные программы. Так что, их наличием особо не заморачивайтесь. По крайней мере, по началу.

Эффективный код. Выбор среды программирования для изучения программирования только по тому, насколько эффективный код та компилит – плохая идея. Вам главное комфортно начать изучение – что там получается «на выходе» дело десятое. Конечно, позже можно над этим и поработать.

Визарды. Любое устройство на борту кристалла нуждается в настройке при помощи портов. Процедура довольно муторная и даташиты обязательны. Кроме того, есть нюансы, в которые новичку не просто вкурить. Поэтому в среде очень желательно наличие визардов. Вызарды это автоматические настройщики SPI, I2C, USART и т.д. Чем больше устройств поддерживается, тем лучше. Выставляешь необходимые параметры периферии, а визард сам генерирует код, который обеспечит заданные параметры. Очень упрощает жизнь.

Общие рекомендации такие – программирование на начальном этапе должно быть максимально простым (пусть даже примитивным). Среда программирования должна быть легка в освоении (так как Вам надо, для начала, освоить программирование а не тратить время на ковыряние в настройках). Желательно русифицирована. Также не помешает русский мануал и примеры программ. Желательна возможность прошивки кристалла из среды. Далее при освоении основ программирования можно переходить и на более сложные оболочки.

Еще одна рекомендация, напоследок – работайте с реальным кристаллом. Не бойтесь его спалить. Нарабатывайте практический опыт. Работа с эмуляторами (например Proteus) хоть и освободит от возни с паяльником, но никогда не сможет дать то удовлетворение которое Вы получите от заработавшей программы, первых помигиваний светодиодом! Понимание того, что вы сделали своими руками реальную рабочую схему вселяет уверенность и стимул двигаться дальше!

(Visited 7 377 times, 1 visits today)

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.

Побитовые операции основаны на логических операциях, которые мы уже рассмотрели ранее. Они играют ключевую роль при программировании микроконтроллеров AVR и других типов. Практически ни одна программа не обходится без применения побитовых операций. До этого мы намеренно избегали их, чтобы облегчить процесс изучения программирования МК.

Во всех предыдущих статьях мы программировали только порты ввода-вывода а и не задействовали дополнительные встроенные узлы, например, такие как таймеры, аналогово-цифровые преобразователи, прерывания и другие внутренние устройства без которых МК теряет всю свою мощь.

Прежде, чем перейти к освоению встроенных устройств МК, необходимо научится управлять или проверять отдельные биты регистров МК AVR. Ранее же мы выполняли проверку или устанавливали разряды сразу всего регистра. Давайте разберемся, в чем состоит отличие, а затем продолжим далее.

Побитовые операции

Чаще всего при программировании микроконтроллеров AVR мы пользовались , поскольку она имеет большую наглядность по сравнению с и хорошо понятна для начинающих программистов МК. Например, нам нужно установить только 3-й бит порта D. Для этого, как мы уже знаем, можно воспользуемся следующим двоичным кодом:

PORTD = 0b00001000;

Однако этой командой мы устанавливаем 3-й разряд в единицу, а все остальные (0, 1, 2, 4, 5, 6 и 7-й) мы сбрасываем в ноль. А теперь давайте представим ситуацию, что 6-й и 7-й разряды задействованы как входы АЦП и в это время на соответствующие выводы МК поступает сигнал от какого-либо устройства, а мы, применяемой выше командой, обнуляем эти сигналы. В результате чего микроконтроллер их не видит и считает, что сигналы не приходили. Поэтому вместо такой команды нам следует применить другую, которая бы установила только 3-й бит в единицу, при этом не влияя на остальные биты. Для это обычно применяется следующая побитовая операция:

PORTD |= (1<<3);

Синтаксис ее мы подробно разберем далее. А сейчас еще один пример. Допустим нам нужно проверить состояние 3-го разряда регистра PIND, тем самым проверяя состояние кнопки. Если данный разряд сброшен в ноль, то мы знаем, что кнопка нажата и далее выполняется код команды, который соответствует состоянию нажатой кнопки. Ранее мы бы воспользовались следующей записью:

if (PIND == 0b00000000)

{ какой-либо код}

Однако с помощью нее мы проверяем не отдельный, – 3-й, а сразу все биты регистра PIND. Поэтому даже если кнопка нажат и нужный разряд сброшен, но в это время на какой-либо другой вывод порта D поступит сигнал, то соответствующий быт установится в единицу, и условие в круглых скобках будет ложным. В результате код, находящийся в фигурных скобках, не будет выполняться даже при нажатой кнопке. Поэтому для проверки состояния отдельного 3-го бита регистра PIND следует применять побитовую операцию:

if (~PIND & (1<<3))

{ какой-либо код}

Для работы с отдельными битами микроконтроллера в арсенале языка программирования C имеются , с помощью которых можно изменять или проверять состояние одного или нескольких отдельных бит сразу.

Установка отдельного бита

Для установки отдельного бита, например порта D, применяется побитовая операция ИЛИ. Именно ее мы применяли в начале статьи.

PORTD = 0b00011100; // начальное значение

PORTD = PORTD | (1<<0); применяем побитовую ИЛИ

PORTD |= (1<<0); // сокращенная форма записи

PORTD == 0b00011101; // результат

Эта команда выполняет установку нулевого разряда, а остальные оставляет без изменений.

Для примера установим еще 6-й разряд порта D.

PORTD = 0b00011100; // начальное состояние порта

PORTD |= (1<<6); //

PORTD == 0b01011100; // результат

Чтобы записать единицу сразу в несколько отдельных бит, например нулевой, шестой и седьмой порта B применяется следующая запись.

PORTB = 0b00011100; // начальное значение

PORTB |= (1<<0) | (1<<6) | (1<<7); //

PORTB == 0b1011101; // результат

Сброс (обнуление) отдельных битов

Для сброса отдельного бита применяются сразу три ранее рассмотренные команды: .

Давайте сбросим 3-й разряд регистра PORTC и оставим без изменений остальные.

PORTC = 0b00011100;

PORTC &= ~(1<<3);

PORTC == 0b00010100;

Выполним подобные действия для 2-го и 4-го разрядов:

PORTC = 0b00111110;

PORTC &= ~((1<<2) | (1<<4));

PORTC == 0b00101010;

Переключение бита

Кроме установки и сброса также применяется полезная команда, которая переключает отдельный бит на противоположное состояние: единицу в ноль и наоборот. Данная логическая операция находит широкое применение при построении различных световых эффектов, например, таких как новогодняя гирлянда. Рассмотрим на примере PORTA

PORTA = 0b00011111;

PORTA ^= (1<<2);

PORTA == 0b00011011;

Изменим состояние нулевого, второго и шестого битов:

PORTA = 0b00011111;

PORTA ^= (1<<0) | (1<<2) | (1<<6);

PORTA == 0b01011010;

Проверка состояния отдельного бита. Напомню, что проверка (в отличии от записи) порта ввода-вывода осуществляется с помощью чтения данных из регистра PIN.

Наиболее часто проверка выполняется одним из двух операторов цикла: if и while. С этими операторами мы уже знакомы ранее.

Проверка разряда на наличие логического нуля (сброса) с if

if (0==(PIND & (1<<3)))

Если третий разряд порта D сброшен, то выполняется Код1. В противном случае, выполняется Код2.

Аналогичные действия выполняются при и такой форме записи:

if (~PIND & (1<<3))

Проверка разряда на наличие логической единицы (установки) с if

if (0 != (PIND & (1<<3)))

if (PIND & (1<<3))

Приведенные выше два цикла работаю аналогично, но могут, благодаря гибкости языка программирования C, иметь разную форму записи. Операция!= обозначает не равно. Если третий разряд порта ввода-вывода PD установлен (единица), то выполняется Код1, если нет ‑ Код2.

Ожидание сброса бита с while

while (PIND & (1<<5))

Код1 будет выполняться пока 5-й разряд регистра PIND установлен. При сбросе его начнет выполняться Код2.

Ожидание установки бита с while

Здесь синтаксис языка С позволяет записать код двумя наиболее распространёнными способами. На практике применяются оба типа записи.