В этом учебном курсе по avr я постарался описать все самое основное для начинающих программировать микроконтроллеры avr
. Все примеры построены на микроконтроллере atmega8
. Это значит, что для повторения всех уроков вам понадобится всего один МК. В качестве эмулятора электронных схем используется Proteus – на мой взгляд, – лучший вариант для начинающих. Программы во всех примерах написаны на компиляторе C для avr CodeVision AVR. Почему не на каком-нибудь ассемблере? Потому что начинающий и так загружен информацией, а программа, которая умножает два числа, на ассемблере занимает около ста строк, да и в сложных жирных проектах используют С. Компилятор CodeVision AVR заточен под микроконтроллеры atmel, имеет удобный генератор кода, неплохой интерфейс и прямо с него можно прошить микроконтроллер.

В этом учебном курсе будет рассказано и показано на простых примерах как:

• Начать программировать микроконтроллеры, с чего начать, что для этого нужно.
• Какие программы использовать для написания прошивки для avr, для симуляции и отладки кода на ПК,
• Какие периферийные устройства находятся внутри МК, как ими управлять с помощью вашей программы
• Как записать готовую прошивку в микроконтроллер и как ее отладить
• Как сделать печатную плату для вашего устройства

Для того, чтобы сделать первые шаги на пути программирования МК, вам потребуются всего две программы:

• Proteus – программа-эмулятор (в ней можно разработать схему, не прибегая к реальной пайке и потом на этой схеме протестировать нашу программу). Мы все проекты сначала будем запускать в протеусе, а потом уже можно и паять реальное устройство.
• CodeVisionAVR – компилятор языка программирования С для AVR. В нем мы будем разрабатывать программы для микроконтроллера, и прямо с него же можно будет прошить реальный МК.

После установки Proteus, запускаем его
Он нам предлагает посмотреть проекты которые идут с ним, мы вежливо отказываемся. Теперь давайте создадим в ней самую простую схему. Для этого кликнем на значок визуально ничего не происходит. Теперь нужно нажать на маленькую букву Р (выбрать из библиотеки)
в панели списка компонентов, откроется окно выбора компонентов
в поле маска вводим название компонента, который мы хотим найти в библиотеке. Например, нам нужно добавить микроконтроллер mega8
в списке результатов тыкаем на mega8 и нажимаем кнопку ОК
. У нас в списке компонентов появляется микроконтроллер mega8

Таким образом добавляем в список компонентов еще резистор, введя в поле маска слово res
и светодиод led




Чтобы разместить детали на схеме, кликаем на деталь, далее кликаем по полю схемы, выбираем место расположения компонента и еще раз кликаем. Для добавления земли или общего минуса на схему слева кликаем “Терминал” и выбираем Ground. Таким образом, добавив все компоненты и соединив их, получаем вот такую простенькую схемку


Все, теперь наша первая схема готова! Но вы, наверное, спросите, а что она может делать? А ничего. Ничего, потому что для того, чтобы микроконтроллер заработал, для него нужно написать программу. Программа – это список команд, которые будет выполнять микроконтроллер. Нам нужно, чтобы микроконтроллер устанавливал на ножке PC0
логический 0 (0 вольт) и логическую 1 (5 вольт).

Написание программы для микроконтроллера

Программу мы будем писать на языке С в компиляторе CodeVisionAVR. После запуска CV, он спрашивает нас, что мы хотим создать: Source или Project

Мы выбираем последнее и нажимаем кнопку ОК. Далее нам будет предложено запустить мастер CVAVR CodeWizard (это бесценный инструмент для начинающего, потому как в нем можно генерировать основной скелет программы) выбираем Yes


Мастер запускается с активной вкладкой Chip, здесь мы можем выбрать модель нашего МК – это mega8, и частоту, на которой будет работать МК (по умолчанию mega8 выставлена на частоту 1 мегагерц), поэтому выставляем все, как показано на скриншоте выше.
Переходим во вкладку Ports


У микроконтроллера atmega8 3 порта: Port C, Port D, Port B. У каждого порта 8 ножек. Ножки портов могут находиться в двух состояниях:

• Выход

С помощью регистра DDRx.y мы можем устанавливать ножку входом или выходом. Если в

• DDRx.y = 0 – вывод работает как ВХОД
  
• DDRx.y = 1 вывод работает на ВЫХОД
  

Когда ножка сконфигурирована как выход, мы можем выставлять на ней лог 1 (+5 вольт) и логический 0 (0 вольт). Это делается записью в регистр PORTx.y. Далее будет подробно рассказано про порты ввода-вывода. А сейчас выставляем все, как показано на скриншоте, и кликаем File->Generate, Save and Exit. Дальше CodeWizard предложит нам сохранить проект, мы его сохраняем и смотрим на код:

#include //библиотека для создания временных задержек
void main(void)
{
PORTB=0x00;
DDRB=0x00;
PORTC=0x00;
DDRC=0x01; // делаем ножку PC0 выходом
PORTD=0x00;
DDRD=0x00;
// Timer/Counter 0 initialization
TCCR0=0x00;
TCNT0=0x00;
// Timer/Counter 1 initialization
TCCR1A=0x00;
TCCR1B=0x00;
TCNT1H=0x00;
TCNT1L=0x00;
ICR1H=0x00;
ICR1L=0x00;
OCR1AH=0x00;
OCR1AL=0x00;
OCR1BH=0x00;
OCR1BL=0x00;
// Timer/Counter 2 initialization
ASSR=0x00;
TCCR2=0x00;
TCNT2=0x00;
OCR2=0x00;
// External Interrupt(s) initialization
MCUCR=0x00;
// Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization
TIMSK=0x00;
// Analog Comparator initialization
ACSR=0x80;
SFIOR=0x00;
while (1)
{
};
}

Здесь вам может показаться все страшным и незнакомым, но на самом деле все не так. Код можно упростить, выкинув инициализацию неиспользуемых нами периферийных устройств МК. После упрощения он выглядит так:

#include //библиотека для работы с микроконтроллером mega8
#include //библиотека для создания временных задержек
void main(void)
{
DDRC=0x01; /* делаем ножку PC0 выходом запись 0x01 может показаться вам незнакомой, а это всего лишь число 1 в шестнадцатиричной форме,
эта строка будет эквивалентна 0b00000001 в двоичной, далее я буду писать именно так.*/
while (1)
{
};
}

Всё хорошо. Но для того, чтобы светодиод замигал, нам нужно менять логический уровень на ножке PC0. Для этого в главный цикл нужно добавить несколько строк:

#include //библиотека для работы с микроконтроллером mega8
#include //библиотека для создания временных задержек
void main(void)
{
DDRC=0x01; /* делаем ножку PC0 выходом запись 0x01 может показаться вам незнакомой, а это всего лишь число 1 в шестнадцатиричной форме,
эта строка будет эквивалентна 0b00000001 в двоичной, далее я буду писать именно так.*/
while (1)//главный цикл программы
{// открывается операторная скобка главного цикла программы
PORTC.0=1; //выставляем на ножку 0 порта С 1
delay_ms(500); //делаем задержку в 500 милисекунд
PORTC.0=0; //выставляем на ножку 0 порта С 0
delay_ms(500); //делаем задержку в 500 милисекунд
};// закрывается операторная скобка главного цикла программы
}

Все, теперь код готов. Кликаем на пиктограму Build all Project files, чтобы скомпилировать (перевести в инструкции процессора МК) нашу программу. В папке Exe, которая находится в нашем проекте, должен появиться файл с расширением hex, это и есть наш файл прошивки для МК. Для того, чтобы нашу прошивку скормить виртуальному микроконтроллеру в Proteus, нужно два раза кликнуть на изображении микроконтроллера в протеусе. Появится вот такое окошко


кликаем на пиктограму папки в поле Program File, выбераем hex – файл нашей прошивки и нажимаем кнопку ОК.
Теперь можно запустить симуляцию нашей схемы. Для этого нажимаем кнопку “Воспроизвести” в нижнем левом углу окна Протеус.

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 ProjectNew 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

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 ProjectBuild или нажатием кнопки F7. Процесс компиляции отображается в окне “Output”. Это окно можно «вытащить» командой ViewOutput.

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 DebugStart 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

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

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ “

Что такое микроконтроллер, и для чего он нужен. Давайте обратимся к его определению:

– микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами, или по другому – простенький компьютер (микро-ЭВМ), способный выполнять несложные задачи.

То есть, по сути, микроконтроллер – это устройство, позволяющее воплотить в жизнь наши идеи (даже бредовые), но, естественно, в пределах своих возможностей. И самое главное, воплощение идеи в жизнь достигается не созданием навороченных электронных конструкций, а лишь только, в основном, силой нашей мысли (желаете стать волшебником?).

Наибольшей популярностью у радиолюбителей пользуются два вида микроконтроллеров:

– PIC
– фирмы Microchip Technology

– AVR
– фирмы Atmel

Сразу хочу сделать небольшое отступление и пояснить одну свою позицию. Я не собираюсь ни сейчас, ни потом, рассуждать о достоинствах того или иного вида микроконтроллеров, того или иного программного обеспечения, и вообще всего, что связано с микроконтроллерами, что-то советовать, но а тем более – навязывать читателям. Все это дело вкуса, личных предпочтений и поставленных конечных целей в изучении микроконтроллеров. Ну а так как “необъятное – не объять”, все свое дальнейшее повествование я буду вести применительно к микроконтроллерам AVR и, не очень распространенной, но мной любимой, программы “Algorithm Builder”. У разных типов микроконтроллеров, программ, есть, конечно, различия, но многое у них и общее. А познавать мир микроконтроллеров мы будем так, чтобы потом, полученные знания можно было бы без проблем применить и к PICам, и к любому программному обеспечению. И еще раз напомню, данная серия статей – моя попытка помочь тем, кто впервые услышал о существовании микроконтроллеров и желает постичь работу с ними.

Что нужно для того, чтобы научиться работать с микроконтроллерами? Я бы выделил несколько, на мой взгляд, главных условий:

1. Желание и настойчивость

.
Тут все очень просто: есть желание – все получится. А желание с настойчивостью – вообще, вещь суперская.
2. Знание устройства микроконтроллера.


Здесь не важны глубокие знания (да может и вообще не нужны), но знать, что имеется “на борту” микроконтроллера необходимо. Только зная из чего состоит микроконтроллер, какие устройства в нем есть, их возможности, как они работают – только тогда мы сможем использовать возможности микроконтроллера на полную катушку.
3. Знание языка программирования и команд управления микроконтроллером.


Как будет работать микроконтроллер, какие задачи вы на него возлагаете и как он будет их выполнять, определяется заложенной в него программой – программой которую для микроконтроллера составляете вы сами. И на этом пункте мы остановимся несколько подробней, чтобы рассмотреть вопросы, которые могут появиться в будущем.

Программа

(в переводе это слово означает – “предписание”) – предварительное описание предстоящих событий или действий.

К примеру, мы хотим, чтобы микроконтроллер мигал светодиодом. Простенькая задача, но тем не менее, для того, чтобы микроконтроллер выполнил эту задачу, мы предварительно должны, шаг за шагом, описать все действия микроконтроллера, написать программу, которую он должен выполнить для получения нужного нам результата – мигающий светодиод. Нечто, вроде такого:
♦ Зажечь светодиод:

– настроить вывод к которому подключен светодиод для работы на вывод информации

– подать на этот вывод логический уровень, который позволит зажечь светодиод

♦ Подождать некоторое время:

– перейти к подпрограмме формирующей паузу (которую тоже нужно “разжевать”)

– по выполнению подпрограммы паузы вернуться в основную программу

♦ Погасить светодиод:

– подать на вывод логический уровень, гасящий светодиод

и так далее.

С термином Программа
неразрывно связан другой термин – Алгоритм
(как Волк и Заяц, Том и Джерри).

Алгоритм

– набор инструкций, описывающих порядок действия для достижения нужного результата.

Если в программе мы подробнейшим образом прописываем действия
микроконтроллера, то в алгоритме мы определяем порядок действий
микроконтроллера, на основе которых мы потом создадим программу. По аналогии с вышеприведенном примером:
♦ Зажечь светодиод

♦ Подождать некоторое время

♦ Погасить светодиод

и так далее.

Таким образом, алгоритм – это предшественник программы
. И чем тщательно и продумано будет создан алгоритм, тем проще будет создавать программу.

Итого, программа для микроконтроллера – это последовательность действий микроконтроллера в виде набора команд и инструкций, которые он должен выполнить для достижения поставленных нами целей.

Команды для микроконтроллера имеют вид набора единичек и нулей:
00110101 011000100

так называемые – коды команд,

а коды команд – это язык который понимает микроконтроллер. А для того, чтобы перевести наш алгоритм с русского языка на язык микроконтроллера – в эти самые наборы нулей и единичек, существуют специальные программы.
Эти программы позволяют описать порядок работы для микроконтроллера на более-менее понятном для нас языке, а затем перевести этот порядок на язык понятный микроконтроллеру, в результате чего получается так называемый машинный код

– последовательность команд и инструкций (те самые нули и единички) которые только и понимает микроконтроллер. Текст программы, написанный программистом, называется исходным кодом

. Перевод программы с языка программирования (исходного кода) на язык микроконтроллера (машинный код) производится трансляторами

. Транслятор превращает текст программы в машинные коды, которые потом записываются в память микроконтроллера.
В таких программах порядок работы микроконтроллера описывается специальным языком – языком программирования. Язык программирования отличается от нашего, человеческого языка. Если наш язык общения служит в основном для того, чтобы обмениваться информацией, то:

Язык программирования

– это способ передачи команд, инструкций, чёткого руководства к действию для микроконтроллера.

Существует множество языков программирования и их можно разделить на два типа:

– языки программирования низкого уровня


– языки программирования высокого уровня


Чем они отличаются. А отличаются они своей близостью к микроконтроллеру.
На заре зарождения микропроцессорной техники, программы писали в машинных кодах, то есть весь алгоритм работы последовательно прописывали в виде нулей и единичек. Вот так, примерно, выглядела программа:

01000110

10010011

01010010

Вряд-ли кто сможет разобраться в таком наборе комбинаций из двух цифр, а труд первых программистов был очень трудоемкий. Для облегчения своей жизни, программисты и стали создавать первые языки программирования. Так вот, чем ближе язык программирования к такому набору нулей и единиц тем больше он “низкого уровня”, а чем дальше от них – тем больше “высокого уровня”.
Самые распространенные языки программирования для микроконтроллеров:
– язык низкого уровня – Ассемблер


– язык высокого уровня – С (Си)


Давайте посмотрим на примере их различия (эти примеры абстрактные).
Допустим нам надо сложить два числа: 25 и 35.

В машинных кодах эта команда может выглядеть так:

00000101 1101001

На языке низкого уровня:

ADD Rd, Rr

На языке высокого уровня:

25+35

Различие языков низкого и высокого уровня видны невооруженным глазом, комментарии, как говорится, излишни.
Но давайте копнемся в этих примерах поглубже. Пример машинного кода разбирать не будем, так как он идентичен примеру на Ассемблере. По своей сути, Ассемблерные команды это те же машинные коды (команды) которым просто, чтобы не заблудиться в нулях и единицах, присвоены буквенные аббревиатуры. Ассемблерной командой ADD Rd, Rr
мы ставим микроконтроллеру задачу сложить два числа, которые находятся (а для этого мы должны их туда предварительно записать) – первое в Rd, второе в Rr, а результат сложения поместить в Rd. Как видите мы ставим очень конкретную задачу микроконтроллеру: где взять, что с этим сделать и куда поместить результат. В этом случае мы работаем напрямую с микроконтроллером.
Команда на языке высокого уровня: 25+35
, привычная для нас математическая запись, радующая наш глаз. Но в этом случае мы не работаем напрямую с микроконтроллером, мы просто ставим ему задачу сложить два числа. Результат и последовательность действий в данном случае будет тот-же, что и при выполнении ассемблерной команды: сначала эти два числа будут куда-то записаны, затем сложены а результат куда-то помещен.
И вот тут кроется главное отличие языков высокого уровня и низкого уровня. Если в Ассемблере мы контролируем весь процесс (хотим мы того, или нет): мы знаем где записаны эти два числа, и мы знаем где будет находиться результат, то в языке высокого уровня мы процесс не контролируем. Программа сама решает куда предварительно записать числа и куда поместить результат. В большинстве случаев нам это и не надо знать, ведь для нас главное итог – число 60 на выходе. Как результат, программы на языках высокого уровня более читаемы, приятны для глаза и меньше по размеру – ведь нам не приходится “лезть во все дыры” и расписывать каждый шаг микроконтроллера, программа это делает потом за нас, когда компилирует ее – переводит в машинные коды. Но тут есть и минус. Два одинаковых алгоритма написанных на Ассемблере и на Си, после преобразования их в машинные коды будут иметь разный размер: программа написанная на Ассемблере будет на 20-40% короче программы написанной на Си – черт его знает, каким путем идет Си для достижения нужного нам результата. И бывают случаи, когда нет доверия к языку высокого уровня и в программе на Си делают вставки кода, написанные на Ассемблере.
Профессиональные программисты, как правило, знают несколько языков программирования (или работают в команде, в которой есть специалисты по разным языкам), творчески соединяя их возможности и преимущества в одной программе. Ну а нам, любителям, надо знать хотя бы один язык (для начала), и начинать надо (а я в этом твердо уверен, и никто меня не переубедит) с языка низкого уровня – Ассемблера.

Ну что, я думаю и тут нам все понятно, – язык программирования изучать надо, по-другому – никак.

Команды и инструкции для управления микроконтроллером.

У микроконтроллеров AVR более 130 различных команд, которые позволяют ему реализовать все заложенные в нем возможности. Но сразу скажу – мало кто из любителей знает их все и тем более пользуется всеми. Обычно, в любительской практике хватает знания и половины команд, а то и меньше. Но изучать команды надо. Чем больше команд вы будете знать, тем изощреннее (в хорошем смысле слова) и элегантнее программы будут получаться.

Арифметико-логическое устройство и организация памяти – память программ, память данных, энергонезависимая память

♦
♦
♦

Микроконтроллеры Atmega8 являются самыми популярными представителями своего семейства. Во многом они этим обязаны, с одной стороны, простоте работы и понятной структуре, с другой – довольно широким функциональным возможностям. В статье будет рассмотрено программирование Atmega8 для начинающих.

Общая информация

Микроконтроллеры встречаются везде. Их можно найти в холодильниках, стиральных машинках, телефонах, заводских станках и большом количестве других технических устройств. Микроконтроллеры бывают как простыми, так и чрезвычайно сложными. Последние предлагают значительно больше возможностей и функционала. Но разбираться сразу в сложной технике не выйдет. Первоначально необходимо освоить что-то простое. И в качестве образца будет взят Atmega8. Программирование на нём не является сложным благодаря грамотной архитектуре и дружелюбному интерфейсу. К тому же он является обладателем достаточной производительности, чтобы использовать в большинстве Более того, они применяются даже в промышленности. В случае с Atmega8 программирование предусматривает знание таких языков как AVR (C/Assembler). С чего же начать? Освоение этой технологии возможно тремя путями. И каждый выбирает сам, с чего начать работу с Atmega8:

1. Программирование через Arduino.
2. Покупка готового устройства.
3. Самостоятельная сборка микроконтроллера.

Нами будет рассмотрен первый и третий пункт.

Arduino

Это удобная платформа, выполненная в виде что подходит для быстрого создания различных устройств. В плате уже есть всё необходимое в виде самого микроконтроллера, его обвязки и программатора. Пойдя по этому пути, человек получит следующие преимущества:

1. Низкий порог требований. Не нужно обладать специальными навыками и умениями для разработки технических устройств.
2. Широкий спектр элементов будет доступен для подключения без дополнительной подготовки.
3. Быстрое начало разработки. С Arduino можно сразу переходить к созданию устройств.
4. Наличие большого количества учебных материалов и примеров реализаций различных конструкций.

Но есть и определённые минусы. Так, Arduino программирование Atmega8 не позволяет глубже окунуться в мир микроконтроллера и разобраться во многих полезных аспектах. Кроме этого, придётся изучить язык программирования, что отличается от применяемых AVR (C/Assembler). И ещё: Arduino имеет довольно узкую линейку моделей. Поэтому рано или поздно возникнет необходимость использовать микроконтроллер, что не используется в платах. А в целом это неплохой вариант работы с Atmega8. Программирование через Arduino позволит получить уверенный старт в мире электроники. И у человека вряд ли опустятся руки из-за неудач и проблем.

Самостоятельная сборка

Благодаря дружелюбности конструкции их можно сделать самими. Ведь для этого нужны дешевые, доступные и простые комплектующие. Это позволит хорошо изучить устройство микроконтроллера Atmega8, программирование которого после сборки будет казаться более лёгким. Также при необходимости можно самостоятельно подобрать иные комплектующие под конкретную задачу. Правда, здесь есть и определённый минус – сложность. Самостоятельно собрать микроконтроллер, когда нет нужных знаний и навыков, нелегко. Этот вариант мы и рассмотрим.

Что же нужно для сборки?

Первоначально необходимо заполучить сам Atmega8. Программирование микроконтроллера без него самого, знаете ли, невозможно. Он обойдётся в несколько сотен рублей – обеспечивая при этом достойный функционал. Также стоит вопрос о том, как будет осуществляться программирование Atmega8. USBAsp – это довольно хорошее устройство, что себя зарекомендовало с лучшей стороны. Но можно использовать и какой-то другой программатор. Или же собрать его самостоятельно. Но в таком случае существует риск, что при некачественном создании он превратит микроконтроллер в неработающий кусочек пластика и железа. Также не помешает наличие макетной платы и перемычек. Они не обязательны, но позволят сэкономить нервы и время. И напоследок – нужен источник питания на 5В.

Программирование Atmega8 для начинающих на примере

Давайте рассмотрим, как в общих чертах осуществляется создание какого-то устройства. Итак, допустим, что у нас есть микроконтроллер, светодиод, резистор, программатор, соединительные провода, и источник питания. Первый шаг – это написание прошивки. Под нею понимают набор команд для микроконтроллера, что представлен в качестве конечного файла, имеющего специальный формат. В нём необходимо прописать подключение всех элементов, а также взаимодействие с ними. После этого можно приступать к сборке схемы. На ножку VCC следует подать питание. К любой другой, предназначенной для работы с устройствами и элементами,подключается сначала резистор, а потом светодиод. При этом мощность первого зависит от потребностей в питании второго. Можно ориентироваться по такой формуле: R=(Up-Ups)/Is. Здесь p – это питание, а s – светодиод. Давайте представим, что у нас есть светодиод, потребляющий 2В и требующий ток питания на уровне 10 мА, переводим в более удобный для математических операций вид и получаем 0.01А. Тогда формула будет выглядеть следующим образом: R=(5В-2В)/0.01А=3В/0.01А=300 Ом. Но на практике часто оказывается невозможным подобрать идеальный элемент. Поэтому берётся наиболее подходящий. Но нужно использовать резистор с сопротивлением выше значения, полученного математическим путём. Благодаря такому подходу мы продлим срок его службы.

А что же дальше?

Итак, у нас есть небольшая схема. Теперь осталось подключить к микроконтроллеру программатор и записать в его память прошивку, что была создана. Здесь есть один момент! Выстраивая схему, необходимо её создавать таким образом, чтобы микроконтроллер можно было прошивать без распайки. Это позволит сберечь время, нервы и продлит срок службы элементов. В том числе и Atmega8. Внутрисхемное программирование, нужно отметить, требует знаний и умений. Но оно же позволяет создавать более совершенные конструкции. Ведь часто бывает, что во время распайки элементы повреждаются. После этого схема готова. Можно подавать напряжение.

Важные моменты

Хочется дать новичкам полезные советы про программирование Atmega8. Встроенные переменные и функции не менять! Прошивать устройство созданной программой желательно после её проверки на отсутствие «вечных циклов», что заблокируют любое иное вмешательство, и с использованием хорошего передатчика. В случае использования самоделки для этих целей следует быть морально готовым к выходу микроконтроллера из строя. Когда будете прошивать устройство с помощью программатора, то следует соединять соответствующие выходы VCC, GND, SCK, MOSI, RESET, MISO. И не нарушайте технику безопасности! Если техническими характеристиками предусмотрено, что должно быть питание в 5В, то нужно придерживаться именно такого напряжения. Даже использование элементов на 6В может негативно сказать на работоспособности микроконтроллера и сократить срок его службы. Конечно, батареи на 5В имеют определённые расхождения, но, как правило, там всё в разумных рамках. К примеру, максимальное напряжение будет держаться на уровне 5,3В.

Обучение и совершенствование навыков

На счастье, Atmega8 является очень популярным микроконтроллером. Поэтому найти единомышленников или же просто знающих и умеющих людей не составит труда. Если нет желания изобретать заново велосипед, а просто хочется решить определённую задачу, то можно поискать требуемую схему на просторах мировой сети. Кстати, небольшая подсказка: хотя в русскоязычном сегменте робототехника довольно популярна, но, если нет ответа, то следует его поискать в англоязычном – он содержит на порядок большее количество информации. Если есть определённые сомнения в качестве имеющихся рекомендаций, то можно поискать книги, где рассматривается Atmega8. Благо, компания-производитель берёт во внимание популярность своих разработок и снабжает их специализированной литературой, где опытные люди рассказывают, что и как, а также приводят примеры работы устройства.

Сложно ли начать создавать что-то своё?

Достаточно иметь 500-2000 рублей и несколько свободных вечеров. Этого времени с лихвой хватит, чтобы ознакомиться с архитектурой Atmega8. После небольшой практики можно будет спокойно создавать свои собственные проекты, выполняющие определённые задачи. К примеру, роботизированную руку. Одного Atmega8 должно с лихвой хватить, чтобы передать основные моторные функции пальцев и кисти. Конечно, это довольно сложная задача, но вполне посильная. В последующем вообще можно будет создавать сложные вещи, для которых понадобятся десятки микроконтроллеров. Но это всё впереди, перед этим необходимо получить хорошую школу практики на чем-то простом.

Задача: Разработаем программу управления одним светодиодом. При нажатии на кнопку светодиод горит, при отпускании гаснет.

Для начала разработаем принципиальную схему устройства. Для подключения к микроконтроллеру любых внешних устройств используются порты ввода-вывода. Каждый из портов способен работать как на вход так и на выход. Подключим светодиод к одному из портов, а кнопку к другому. Для этого опыта мы будем использовать контроллер Atmega8
. Эта микросхема содержит 3 порта ввода-вывода, имеет 2 восьмиразрядных и 1 шестнадцатиразрядный таймер/счетчик. Также на борту имеется 3-х канальный ШИМ, 6-ти канальный 10-ти битный аналого-цифровой преобразователь и многое другое. По моему мнению микроконтроллер прекрасно подходит для изучения основ программирования.

Для подключения светодиода мы будем использовать линию PB0, а для считывания информации с кнопки воспользуемся линией PD0. Схема приведена на рис.1.

Занятие №2. Переключение светодиода

Занятие №3. Мигание светодиодом

Занятие №4. Бегущие огни

Занятие №5. Бегущие огни с использованием таймера

Занятие №6. Бегущие огни. Использование прерываний по таймеру

Занятие №7. Операторы управления битами

Занятие №8. Реализация ШИМ

Цифровые устройства, например, микроконтроллер может работать только с двумя уровнями сигнала, т.е. ноль и единица или выключено и включено. Таким образом, вы можете легко использовать его для контроля состояния нагрузки, например включит или выключить светодиод. Так же вы можете использовать его для управления любым электрическим прибором, используя соответствующие драйверы (транзистор, симистор, реле и т.д.).Но иногда нужно больше, чем просто “включить” и “выключить” устройство. Поэтому, если вы хотите контролировать яркость светодиода (или лампы) или скорости двигателя постоянного тока, то цифровые сигналы просто не могу этого сделать. Эта ситуация очень часто встречается в цифровой технике и называется Широтно-Импульсной Модуляцией(PWM).