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.

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
♦
♦
♦

Современное радиолюбительство невозможно представить без микроконтроллеров, и это очевидно. В последние десятилетия микроконтроллеры различных производителей стали широко распространены в разных сферах деятельности человека. Нередко их можно встретить в самых неожиданных устройствах и конструкциях. Мы с вами являемся свидетелями компьютеризации и автоматизации окружающих нас процессов. Истина такова, что без знания основ программирования создавать современные конкурентоспособные устройства стало практически невозможно…

Если вы читаете эту статью, вероятно у вас возникло желание понять, как работают микроконтроллеры, и скорее всего появились вопросы:

4. Какую литературу изучать?

Попробуем ответить на эти вопросы.

1. Какой микроконтроллер выбрать для работы?

Большой популярностью у радиолюбителей пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 фирмы TI, а также 32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM .

В промышленности, несколько иначе, первое место с большим отрывом занимает Renesas Electronics на втором Freescale , на третьем Samsung , затем идут Microchip и TI , далее все остальные.
Популярность определяется ценой и доступностью, немалую роль играют наличие технической информации и стоимость программного сопровождения.

Мы будем изучать 8-битные микроконтроллеры AVR, семейства ATMEGA 8 и 16 серии . Выбор определился, опять же доступностью, наличием множества любительских разработок, огромным количеством учебного материала. Наличием разнообразных встроенных компонентов и функциональностью этого семейства.

2. Какую среду разработки использовать для программирования выбранного микроконтроллера?

Для AVR созданы разные интегрированные среды разработки (IDE, Integrated development environment).
IDE – это система программных средств, используемая программистами для разработки программного обеспечения (ПО), в состав которой входят:
текстовый редактор,
компилятор и/или интерпретатор,
средства автоматизации сборки,
отладчик.

Наиболее распространенные из них AVRStudio, ATmelStudio, WINAVR, CodeVision, IAR Embedded Workbench .
Для того, чтобы писать программы, мы воспользуемся бесплатной IDE ATmelStudio версии 6 и выше.
Скачать Atmel Studio можно с официального сайта после регистрации (регистрация абсолютно бесплатная и ни к чему не обязывает!)

ATmelStudio позволяет создавать проекты, и писать программы как в ассемблере, так и на СИ.

Изначально всегда стоит вопрос: какой язык программирования выбрать, чтобы писать эффективные программы?

Отвечу просто: нужно уметь писать как минимум на двух языках ассемблере и СИ. Ассемблер просто необходим, когда нужно написать быстрые и компактные подпрограммы и макросы, различные драйверы устройств. Но, когда требуется создать объемный проект, построенный на сложных алгоритмах, без знания СИ может быть потрачено очень много времени, особенно в процессе отладки, а если возникнет желание перенести на другую платформу, например PIC18, или STM, может стать неразрешимой проблемой.
Кроме этого, сейчас появились аппаратные вычислительные платформы Arduino , работа с которыми требует знаний языка СИ++.
Поэтому будем писать программы как в ассемблере, так и на СИ.

Чтобы наглядно видеть результат своей работы, не используя паяльник или макетную плату достаточно установить программу Proteus .

3. Как прошивать контроллер, и какие дополнительные приборы и акссесуары нужны для удобной работы с ними?

Используем датагорский . Кроме этого, нужно будет приобрести макетные платы, блок питания с выходным напряжением 5 Вольт. Можно в качестве БП с малыми пульсациями использовать , применив стабилитрон на 5 Вольт.
Возможно, со временем мы с Игорем предложим проект для сборки отладочной платы.

4. Какую литературу изучать?

А вот, например:
Практическое программирование AVR на ассемблере. Ревич, 2011
1000 и одна микроконтроллерная схема Вып. 1-2. Рюмик, 2010-2011
10 практических устройств на МК AVR Книга 1-2. Кравченко, 2008-2009
Самоучитель разработчика устройств на МК AVR. Белов, 2008
МК AVR семейств Tiny и Atmega. Ефстифеев, 2008
CodeVisionAVR. Пособие для начинающих. Лебедев, 2008
Микропроцессорное управление устройствами, тиристоры, реле. Белов, 2008
Аналоговые интерфейсы МК. Стюард, Болл, 2007
Создаем устройства на МК AVR. Белов, 2007
МК AVR в радиолюбительской практике. Полный разбор ATTINY2313. Белов, 2007
Сетевой и межсетевой обмен данными с МК. Иди, 2007
МК AVR. практикум для начинающих. Хартов, 2007
Применение AVR Схемы, алгоритмы, программы. Баранов, 2006
Микроконтроллеры AVR. Вводный курс. Мортон, 2006
Измерение, управление и регулирование с помощью AVR. Трамперт, 2006
Программирование на языке С для AVR и PIC МК. Шпак, 2006
Конструирование устройств на МК. Белов, 2005
МK - это же просто, тома 1-3. Фрунзе, 2002-2003
Язык программирования Си, 2-е издание. Керниган, Ритчи, 2009
Программирование микроконтроллеров ATMEL на языке С. Прокопенко, 2012

5. Где в интернете можно задавать вопросы и получать конкретные ответы?

Задавать вопросы вы можете на нашем или любом другом форуме, где так или иначе затронуты темы по микроконтроллерам. Главное на форумах правильно формулировать вопросы, чтобы четко получать ответы. Абстрактные вопросы не приветствуются, и скорее всего вместо ответа вы получите жесткую критику, или ваш вопрос останется без внимания!

Теперь рассмотрим поближе нашего фаворита, микроконтроллер ATMEGA 8

8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением
Прогрессивная RISC архитектура
130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл
32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения
Полностью статическая работа
Приближающаяся к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц) производительность
Встроенный 2-цикловый перемножитель

Энергонезависимая память программ и данных
8 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash)
Обеспечивает 1000 циклов стирания/записи
Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки
Обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write)
512 байт EEPROM
Обеспечивает 100000 циклов стирания/записи
1 Кбайт встроенной SRAM
Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя

Встроенная периферия
Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения
Один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения
Счетчик реального времени с отдельным генератором
Три канала PWM
8-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусах TQFP и MLF)
6 каналов с 10-разрядной точностью
6-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусе PDIP)
4 канала с 10-разрядной точностью
2 канала с 8-разрядной точностью
Байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс
Программируемый последовательный USART
Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый)
Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором
Встроенный аналоговый компаратор

Специальные микроконтроллерные функции
Сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания
Встроенный калиброванный RC-генератор
Внутренние и внешние источники прерываний
Пять режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby и снижения шумов ADC

Выводы I/O и корпуса
23 программируемые линии ввода/вывода
28-выводной корпус PDIP, 32-выводной корпус TQFP и 32-выводной корпус MLF

Рабочие напряжения
2,7 - 5,5 В (ATmega8L)
4,5 - 5,5 В (ATmega8)

Рабочая частота
0 - 8 МГц (ATmega8L)
0 - 16 МГц (ATmega8)

отличия ATMEGA16 от 8
16 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash)

Интерфейс JTAG (совместимый с IEEE 1149.1)
Возможность сканирования периферии, соответствующая стандарту JTAG
Расширенная поддержка встроенной отладки
Программирование через JTAG интерфейс: Flash, EEPROM памяти, перемычек и битов блокировки

Четыре канала PWM / ШИМ

8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь
8 несимметричных каналов
7 дифференциальных каналов (только в корпусе TQFP)
2 дифференциальных канала с программируемым усилением в 1, 10 или 200 крат (только в корпусе TQFP)

Шесть режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby, Extended Standby и снижения шумов ADC

32 программируемые линии ввода/вывода

40-выводной корпус PDIP и 44-выводной корпус TQFP

AtmelStudio

Если Вы только начинаете, то нужно скачать и установить программу AtmelStudio с официальной страницы atmel.com
После установки программы AtmelStudio можно приступить к созданию проекта.
Проект – это ваша программа, которую вы будете писать, отлаживать и прошивать, после компиляции, в память микроконтроллера.

Чтобы создать проект, надо открыть программу, появиться такая заставка,

и откроется страница создания проекта

Чтобы создать новый проект, нужно кликнуть по «New Project…»
В этом случае откроется новое окно, где можно выбрать язык программирования, название проекта, его месторасположение, название пакета с файлами проекта и возможность создания каталога для дальнейшего использования в других перекрестных проектах. Чтобы создать проект, где мы будем программировать в ассемблере, нужно выбрать - Assembler , после этого поменяем название проекта, его расположение, и выбираем ОК.

Появится следующее окно

Выбираем “megaAVR, 8-bit” и находим нужный нам микроконтроллер, мы выбрали ATmega8. В правой части заставки появляется список устройств, работающих с этим микроконтроллером, один из которых мы можем подключить. Выбираем ОК.

Появляется страница редактора текста, которая позволяет редактировать и отлаживать программу. Пока страница чистая, указано время и дата создания и название файла проекта, имя пользователя. Есть дополнительные окно устройств ввода-вывода, окно отчетов компиляции программы. Теперь мы

можем программировать в ассемблере.
Аналогично создается проект для программирования на языке СИ.

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.

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.