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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Март 2010

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

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

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

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

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

Минимальный материальный набор для изучения программирования

С этой статьи мы начнем конкретно заниматься одним вопросом — программирование микроконтроллеров . Процесс будет проходить следующим образом — сначала статья по устройству микроконтроллера (к примеру, первая статья будет по портам ввода-вывода), а затем статья по программированию. Сегодняшний наш разговор вводный, и будет посвящен вопросам материального и программного обеспечения процесса изучения основ программирования микроконтроллеров.

Стартовый набор начинающего микроконтроллерщика

Для начала я бы разделил начинающих микроконтроллерщиков на три условные группы:
— радиолюбители, желающие собирать готовые решения на микроконтроллерах, но не имеющие желания изучать программирование
— желающие освоить программирование и собирать конструкции на микроконтроллерах, но выбравшие наиболее простой путь — Arduino
— желающие полностью разобраться в устройстве и программирование микроконтроллеров и собирать свои собственные конструкции

Для первой группы все очень просто:
— приобрести программатор и научиться с ним работать

Для второй группы остановлюсь немного подробнее.
Arduino ориентированна на начинающих, непрофессиональных пользователей, и состоит из двух частей — программной и аппаратной.
Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки для написания программ, их компиляции и программирования устройства.
Язык программирования — стандартный С++ с некоторыми изменениями облегчающими работу с этим языком (хотя есть возможность создавать программы или подключать готовые файлы проектов используя стандартный язык С++). Научиться программировать в Arduino очень просто (поэтому программы на Arduino называются «наброски») — весь процесс программирования сводится в основном к выбору необходимых готовых библиотек для получения конкретного результата.
Аппаратная часть состоит из готовой платы с микроконтроллером с необходимой обвязкой для нормальной работы микроконтроллера и плат расширения (шилды). Кроме того выпускается множество готовых датчиков и исполнительных устройств. Весь процесс сборки конструкции на Arduino напоминает конструктор «Лего» — выбираете необходимые платы расширения и устройства и стыкуете их с основной платой. Для загрузки программы отдельный программатор не требуется.
Arduino вещь конечно хорошая, но предназначена в основном только для тех, кто хочет собирать конструкции на микроконтроллерах, но не хочет загружать свои мозги лишними (по их мнению) знаниями (это сугубо мое мнение).

Ну а мы причислим себя к третьей группе и пойдем хотя и тернистым, но очень интересным путем.

Для того, чтобы начать практическое изучение как устройства, так и программирование микроконтроллера, нужно иметь минимальную материальную базу — стартовый набор. Стартовый набор, необходимый по моему разумению для освоения микроконтроллера можно приобрести в интернет-магазине сайта (так-что эту статью можно считать и коммерческой рекламой:)):

Хочу отметить комментарий одного читателя сайта. К сожалению комментарий куда-то улетучился, и не сохранилось даже имя читателя, но человек подметил очень точно — это не первый вариант набора, а уже третий, более дорогой — изменилась комплектация набора, она стала более расширенной, добавлены новые (нужные) комплектующие (прошу читателя сайта, оставившего комментарий, меня извинить за ошибку работы сайта). Я не пытаюсь навязать читателям сайта что-то купить в интернет-магазине сайта. Это совсем необязательно, можете заказать у Китайских товарищей.

А теперь к главному:
1. Для практических опытов нам потребуется микроконтроллер (а лучше три):
— наиболее популярные и востребованные микроконтроллеры — ATmega8A-PU и ATtiny2313A-PU, ATtiny13A- PU. Кстати, ATtiny13 очень популярный МК, и не зря его называют «малюткой» — малые возможности — но серьезные разработки.
2. Для записи программы в микроконтроллер необходим программатор:
— идеальное решение, на мой взгляд, — программатор USBASP, от которого мы к тому-же будем получать напряжение 5 Вольт для будущих конструкций.
3. Для визуальной оценки и выводов результатов работы программы необходимы средства отображения информации:
— светодиоды
— семисегментный светодиодный индикатор
— знакосинтезирующий (буквенно-цифровой) LCD дисплей
4. Для изучения процессов общения микроконтроллера с другими устройствами:
— цифровой датчик температуры DS18B20 и часы реального времени DS1307 (очень практичные устройства)
5. Кроме того нам потребуются транзисторы, резисторы, кварцевые резонаторы, конденсаторы, кнопки:
— биполярные транзисторы структуры NPN и PNP
— набор резисторов различного номинала
— кварцы (вот тут я выкинул лишнее) на 32,768 кГц, 8 МГц.
— керамические конденсаторы на 22 pF
— тактовые кнопки
6. Для сборки конструкций на микроконтроллере понадобится макетная плата для монтажа без пайки и набор перемычек к ней:
— макетная плата МВ102 (идеально иметь две такие платы — они стыкуются между собой, что очень пригодится в дальнейшем)
— соединительные перемычки к макетной плате трех типов — гибкие (мама-мама, папа-папа) и жесткие П-образной формы

Получается вот такой набор:

В дальнейшем, часть из этого набора — макетная плата и перемычки к ней, программатор всегда будут нужны для проектирования и тестирования ваших конструкций, а остальная часть может быть применена в этих конструкциях.

С материальной базой разобрались, переходим ко второму вопросу.

Выбор языка программирования и среды разработки для программирования

Честно говоря, выбор языка программирования и среды разработки вопрос очень ответственный, навязывать кому-то свои предпочтения и что-то советовать дело довольно-таки трудное.
Давайте попробуем подойти к этому выбору не предвзято, чисто с практической стороны.
1. Существует два основных языка программирования микроконтроллеров — Ассемблер (язык низкого уровня) и Си (язык высокого уровня).
Если мы хотим программировать микроконтроллеры используя полностью все их возможности (а мы это хотим), то необходимо изучать эти два языка.
2. Среда разработки для программирования микроконтроллеров.
Тут выбор большой и очень много мнений. Поэтому можно сказать: «Каждая лягушка хвалит свое болото». Мне, к примеру, очень нравится малораспространенная графическая среда разработки «Algorithm Builder», и «квакать» о ее преимуществах перед другими программами я могу очень долго. Но будем делать выбор, как было сказано выше, не предвзято и практично.
Микроконтроллеры AVR выпускает фирма Atmel, она же предоставляет в наше распоряжение бесплатную среду программирования «Atmel Studio» (бывшая AVR Studio). На ней мы и остановимся.
Интегральная среда разработки (IDE — Integrated development environment) Atmel Studio позволит нам:
— писать программы как на Ассемблере, так и на Си (Почему на Си. Программа «Atmel Studio» позволяет писать программы на трех языках (О чем мы и погорим в первой статье), но есть одно но: программы на Си++ мы рассматривать не будем, по одной причине, и в следующей статье я расскажу об этом
— отладить программу
— перевести программу в машинный код (откомпилировать)
— записать программу в микроконтроллер

Все, выбор мы сделали:

Теперь осталось выполнить два пункта:
1. Обзавестись каким-нибудь стартовым набором (для начала хватит и микроконтроллера ATmega8, нескольких светодиодов, пары кнопок и сопротивлений к ним).
2. Установить (именно установить, а не скачать, и с регистрацией) с официального сайта Atmel (http://www.atmel.com/ru/) программу Atmel Studio.
Программировать микроконтроллеры мы будем с использованием программатора USBASP.
Отдельной статьи по Atmel Studio я писать не буду, будем изучать ее постепенно, по мере надобности и в связке со статьями по устройству и программированию микроконтроллеров.

Я не раз и не два говорил, что изучение МК надо начинать с ассемблера. Этому был посвящен целый курс на сайте (правда он не очень последовательный, но постепенно я его причесываю до адекватного вида) . Да, это сложно, результат будет не в первый день, но зато ты научишься понимать что происходит у тебя в контроллере. Будешь знать как это работает, а не по обезьяньий копировать чужие исходники и пытаться понять почему оно вдруг перестало работать. Кроме того, Си намного проще натворить быдлокода, который вылезет вилами в самый неподходящий момент.

К сожалению все хотят результат немедленно. Поэтому я решил пойти с другой стороны — сделать обучалку по Си, но с показом его нижнего белья. Хороший программист-эмбеддер всегда крепко держит свою железку за шкварник, не давая ей ни шагу ступить без разрешения. Так что будет вначале Си код, потом то что родил компилятор и как все это работает на самом деле:)

С другой стороны у Си сильная сторона это переносимость кода. Если, конечно, писать все правильно. Разделяя алгоритмы работы и их железные реализации в разные части проекта. Тогда для переноса алгоритма в другой МК достаточно будет переписать только интерфейсный слой, где прописано все обращение к железу, а весь рабочий код оставить как есть. И, конечно же, читаемость. Сишный исходник проще понять с первого взгляда (хотя.. мне, например, уже пофигу на что фтыкать — хоть си, хоть асм:)), но, опять же, если правильно все написать. Этим моментам я тоже буду уделять внимание.

В качестве подопытной железки на которой будет ставиться львинная доля всех примеров будет моя отладочная плата .

Первая программа на Си для AVR

Выбор компилятора и установка среды
Для AVR существует множество разных компиляторов Си:
В первую очередь это IAR AVR C — почти однозначно признается лучшим компилятором для AVR, т.к. сам контроллер создавался тесном сотрудничистве Atmel и спецов из IAR. Но за все приходится платить. И этот компилятор мало того, что является дорогущим коммерческим софтом, так еще обладает такой прорвой настроек, что просто взять и скомпилить в нем это надо постраться. У меня с ним правда не срослось дружбы, проект загнивал на странных ошибках на этапе линковки (позже выяснил, что это был кривой кряк).

Вторым идет WinAVR GCC — мощный оптимизирующий компилятор. Полный опенсорц, кроссплатформенный, в общем, все радости жизни. Еще он отлично интегрируется в AVR Studio позволяя вести отладку прямо там, что адски удобно. В общем, я выбрал его.

Также есть CodeVision AVR C — очень популярный компилятор. Стал популярен в связи со своей простотой. Рабочую программу в нем получить можно уже через несколько минут — мастер стартового кода этом сильно способствует, штампуя стандартыне инициализации всяких уартов. Честно говоря, я как то с подозрением к нему отношусь — как то раз приходилось дизасмить прогу написаную этим компилером, каша какая то а не код получалась. Жуткое количество ненужных телодвижений и операций, что выливалось в неслабый обьем кода и медленное быстродействие. Впрочем, возможно тут была ошибка в ДНК писавшего исходную прошивку. Плюс он хочет денег. Не так много как IAR, но ощутимо. А в деморежиме дает писать не более чем 2кб кода.
Кряк конечно есть, но если уж воровать, так миллион, в смысле IAR:)

Еще есть Image Craft AVR C и MicroC от микроэлектроники. Ни тем ни другим пользоваться не приходилось, но вот SWG очень уж нахваливает MicroPascal , мол жутко удобная среда программирования и библиотеки. Думаю MicroC не хуже будет, но тоже платный.

Как я уже сказал, я выбра WinAVR по трем причинам: халявный, интегрируется в AVR Studio и под него написана просто прорва готового кода на все случаи жизни.

Так что качай себе инсталяху WinAVR с и AVR Studio. Далее вначале ставится студия, потом, сверху, накатывается WinAVR и цепляется к студии в виде плагина. Настоятельно рекомендую ставить WinAVR по короткому пути, что то вроде C:\WinAVR тем самым ты избежишь кучи проблем с путями.

Cоздание проекта
Итак, студия поставлена, Си прикручен, пора бы и попробовать что нибудь запрограммировать. Начнем с простого, самого простого. Запускай студию, выбирай там новый проект, в качестве компилятора AVR GCC и вписывай название проекта.

Открывается рабочее поле с пустым *.c файлом.

Теперь не помешает настроить отображение путей в закладках студии. Для этого слазь по адресу:
Меню Tools — Options — General — FileTabs и выбираем в выпадающем списке «Filename Only». Иначе работать будет невозможно — на вкладке будет полный путь файла и на экране будет не более двух трех вкладок.

Настройка проекта
Вообще, классическим считается создание make файла в котором бы были описаны все зависимости. И это, наверное, правильно. Но мне, выросшему на полностью интегрированных IDE вроде uVision или AVR Studio этот подход является глубоко чуждым. Поэтому буду делать по своему, все средствами студии.

Тыкай в кнопку с шестеренкой.

Это настройки твоего проекта, а точнее настройки автоматической генерации make файла. На первой странице надо всего лишь вписать частоту на которой будет работать твой МК. Это зависит от фьюз битов, так что считаем что частота у нас 8000000Гц.
Также обрати внимание на строку оптимизации. Сейчас там стоит -Os это оптимизация по размеру. Пока оставь как есть, потом можешь попробовать поиграться с этим параметром. -O0 это отстутсвие оптимизации вообще.

Следующим шагом будет настройка путей. Первым делом добавь туда директорию твоего проекта — будешь туда подкладывать сторонние библиотеки. В списке появится путь «.\»

Make файл сгенерирован, его ты можешь поглядеть в папке default в своем проекте, просто пробегись глазами, посмотри что там есть.

На этом пока все. Жми везде ОК и переходи в исходник.

Постановка задачи
Чистый лист так и подмывает воплотить какую нибудь хитрую задумку, так как банальное мигание диодом уже не вставляет. Давай уж сразу брать быка за рога и реализуем связь с компом — это первым делом что я делаю.

Работать будет так:
При приходе по COM порту единички (код 0х31) будем зажигать диодик, а при приходе нуля (код 0х30) гасить. Причем сделано будет все на прерываниях, а фоновой задачей будет мигание другого диода. Простенько и со смыслом.

Собираем схему
Нам надо соединить модуль USB-USART конвертера с выводами USART микроконтроллера. Для этого берем перемычку из двух проводков и накидывам на штырьки крест накрест. То есть Rx контроллера соединяем с Tx конвертера, а Tx конвертера с Rx контроллера.

Получится, в итоге вот такая схема:

Подключение остальных выводов, питания, сброса не рассматриваю, оно стандартное

Пишем код

Сразу оговорюсь, что я не буду углубляться конкретно в описание самого языка Си. Для этого существует просто колоссальное количество материала, начиная от классики «Язык программирования Си» от K&R и заканчивая разными методичками.

Одна такая метода нашлась у меня в загашнике, я когда то именно по ней изучал этот язык. Там все кратко, понятно и по делу. Я ее постепенно верстаю и перестаскиваю на свой сайт.

Там правда еще не все главы перенесены, но, думаю, это ненадолго.

Вряд ли я опишу лучше, поэтому из учебного курса, вместо подробного разьяснения сишных тонкостей, я буду просто давать прямые линки на отдельные страницы этой методички.

Добавляем библиотеки.
Первым делом мы добавляем нужные библиотеки и заголовки с определениями. Ведь Си это универсальный язык и ему надо обьяснить что мы работаем именно с AVR, так что вписывай в исходник строку:

1

#include

#include

Этот файл находится в папке WinAVR и в нем содержится описание всех регистров и портов контроллера. Причем там все хитро, с привязкой к конкретному контроллеру, который передается компилятором через make файл в параметре MCU и на основании этой переменной в твой проект подключается заголовочный файл с описанием адресов всех портов и регистров именно на этот контроллер. Во как! Без него тоже можно, но тогда ты не сможешь использовать символические имена регистров вроде SREG или UDR и придется помнить адрес каждого вроде «0xC1», а это голову сломать.

Сама же команда #include <имя файла> позволяет добавить в твой проект содержимое любого текстового файла, например, файл с описанием функций или кусок другого кода. А чтобы директива могла этот файл найти мы и указывали пути к нашему проекту (директория WinAVR там уже по дефолту прописана).

Главная функция.
Программа на языке Си вся состоит из функций. Они могут быть вложенными и вызываться друг из друга в любом порядке и разными способами. Каждая функция имеет три обязательных параметра:

• Возвращаемое значение, например, sin(x) возвращает значение синуса икс. Как в математике, короче.
• Передаваемые параметры, тот самый икс.
• Тело функции.

Все значения передаваемые и возвращаемые обязаны быть какого либо типа, в зависимости от данных.

Любая программа на Си должна содержать функцию main как точку входа в главную прогрмму, иначе это нифига не Си:). По наличию main в чужом исходнике из миллиона файлов можно понять, что это и есть головная часть программы откуда начинается все. Вот и зададим:

1 2 3 4 5

int main(void ) { return 0 ; }

int main(void) { return 0; }

Все, первая простейшая программа написана, не беда что она ничего не делает, мы же только начали.

Разберем что же мы сделали.
int это тип данных которая функция main возвращает.

Конечно, в микроконтроллере main ничего вернуть в принципе не может и по идее должна быть void main(void) , но GCC изначально заточен на PC и там программа может вернуть значение операционной системе по завершении. Поэтому GCC на void main(void) ругается Warning’ом.

Это не ошибка, работать будет, но я не люблю варнинги.

void это тип данных которые мы передаем в функцию, в данном случае main также не может ничего принять извне, поэтом void — пустышка. Заглушка, применяется тогда когда не надо ничего передавать или возвращать.

Вот такие вот { } фигурные скобочки это программный блок, в данном случае тело функции main , там будет распологаться код.

return — это возвращаемое значение, которое функция main отдаст при завершении, поскольку у нас int, то есть число то вернуть мы должны число. Хотя это все равно не имеет смысла, т.к. на микроконтроллере из main нам выходить разве что в никуда. Я возвращаю нуль. Ибо нефиг. А компилятор обычно умный и на этот случай код не генерит.
Хотя, если извратиться, то из main на МК выйти можно — например вывалиться в секцию бутлоадера и исполнить ее, но тут уже потребуется низкоуровневое ковыряние прошивки, чтобы подправить адреса перехода. Ниже ты сам увидишь и поймешь как это сделать. Зачем? Вот это уже другой вопрос, в 99.999% случаев это нафиг не надо:)

Сделали, поехали дальше. Добавим переменную, она нам не особо нужна и без нужны вводить переменные не стоит, но мы же учимся. Если переменные добавляются внутри тела функции — то они локальные и существуют только в этой функции. Когда из функции выходишь эти переменные удаляются, а память ОЗУ отдается под более важные нужды. .

1 2 3 4 5 6

int main(void ) { unsigned char i; return 0 ; }

int main(void) { unsigned char i; return 0; }

unsigned значит беззнаковый. Дело в том, что в двоичном представлении у нас старший бит отводится под знак, а значит в один байт (char) влазит число +127/-128, но если знак отбросить то влезет уже от 0 до 255. Обычно знак не нужен. Так что unsigned .
i — это всего лишь имя переменной. Не более того.

Теперь надо проинициализировать порты и UART . Конечно, можно взять и подключить библиотеку и вызвать какой нибудь UartInit(9600); но тогда ты не узнаешь что же произошло на самом деле.

Делаем так:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

int main(void ) { unsigned char i; #define XTAL 8000000L #define baudrate 9600L #define bauddivider (XTAL/(16*baudrate)-1) #define HI(x) ((x)>>8) #define LO(x) ((x)& 0xFF) UBRRL = LO(bauddivider) ; UBRRH = HI(bauddivider) ; UCSRA = 0 ; UCSRB = 1 << RXEN| 1 << TXEN| 1 << RXCIE| 0 << TXCIE; UCSRC = 1 << URSEL| 1 << UCSZ0| 1 << UCSZ1; }

int main(void) { unsigned char i; #define XTAL 8000000L #define baudrate 9600L #define bauddivider (XTAL/(16*baudrate)-1) #define HI(x) ((x)>>8) #define LO(x) ((x)& 0xFF) UBRRL = LO(bauddivider); UBRRH = HI(bauddivider); UCSRA = 0; UCSRB = 1<

Страшна? На самом деле реалного кода тут всего пять последних строк. Все что #define это макроязык препроцессора. Почти та же ботва, что и в Ассемблере, но синтаксис несколько иной.

Они облегчат твои рутинные операции по вычислении нужных коэффициентов. В первой строке мы говорим что вместо XTAL можно смело подставлять 8000000, а L — указание типа, мол long — это тактовая частота процессора. То же самое baudrate — частота передачи данных по UART.

bauddivider уже сложней, вместо него будет подставлятся выражение вычисленное по формуле из двух предыдущих.
Ну, а LO и HI из этого результата возьмут младший и старший байты, т.к. в один байт оно явно может не влезть. В HI делается сдвиг икса (входной параметр макроса) восемь раз в вправо, в результате от него останется только старший байт. А в LO мы делаем побитовое И с числом 00FF, в результате останется только младший байт.

Так что все что сделано как #define можно смело выкинуть, а нужные числа подсчитать на калькуляторе и сразу же вписать их в строки UBBRL = …. и UBBRH = …..

Можно. Но! Делать этого КАТЕГОРИЧЕСКИ НЕЛЬЗЯ !

Работать будет и так и эдак, но у тебя в программе появятся так называемые магические числа — значения взятые непонятно откуда и непонятно зачем и если ты через пару лет откроешь такой проект то понять что это за значения будет чертовски трудно. Да и сейчас, захочешь ты изменить скорость, или поменяешь частоту кварца и все придется пересчитывать заново, а так поменял пару циферок в коде и все само. В общем, если не хочешь прослыть быдлокодером, то делай код таким, чтобы он легко читался, был понятен и легко модифицировался.

Дальше все просто:
Все эти «UBRRL и Со» это регистры конфигурации UART передатчика с помощью которого мы будем общаться с миром. И сейчас мы присвоили им нужные значения, настроив на нужную скорость и нужный режим.

Запись вида 1< Означает следующее: взять 1 и поставить ее на место RXEN в байте. RXEN это 4й бит регистра UCSRB , так что 1< образует двоичное число 00010000, TXEN — это 3й бит, а 1< даст 00001000. Одиночная «|» это побитовое ИЛИ , так что 00010000 | 00001000 = 00011000. Таким же образом выставляются и добавляются в общуюу кучу остальные необходимые биты конфигурации. В итоге, собраное число записывается в UCSRB. Подробней расписано в даташите на МК в разделе USART. Так что не отвлекаемся на технические детали.

Готово, пора бы посмотреть что получилось. Жми на компиляцию и запуск эмуляции (Ctrl+F7).

Отладка
Пробежали всякие прогресс бары, студия переменилась и возле входа в функцию main появилась желтая стрелочка. Это то где процессор в текущий момент, а симуляция на паузе.

Дело в том, что изначально, на самом деле, она стояла на строке UBRRL = LO(bauddivider); Ведь то что у нас в define это не код, а просто предварительные вычисления, вот симулятор немного и затупил. Но теперь он осознал, первая инструкция выполнена и если ты залезешь в дерево I/O View , в раздел USART и поглядишь там на байт UBBRL то увидишь, что там значение то уже есть! 0х33.

Сделай еще один шаг. Погляди как изменится содержимое другого регистра. Так прошагай их все, обрати внимание на то, что все указаные биты выставляются как я тебе и говорил, причем выставляются одновременно для всего байта. Дальше Return дело не пойдет — программа кончилась.

Вскрытие
Теперь сбрось симуляцию в ноль. Нажми там Reset (Shift+F5) . Открывай дизассемблированный листинг, сейчас ты увидишь что происходит в контроллере в самом деле. View -> Disassembler . И не ЫЫАААА!!! Ассемблер!!! УЖОС!!! А НАДО. Чтобы потом, когда что то пойдет не так, не тупил в код и не задавал ламерских вопросах на форумах, а сразу же лез в потроха и смотрел где у тебя затык. Ничего там страшного нет.

Вначале будет ботва из серии:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

+00000000: 940C002A JMP 0x0000002A Jump +00000002: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000004: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000006: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000008: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000000A: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000000C: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000000E: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000010: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000012: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000014: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000016: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000018: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000001A: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000001C: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000001E: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000020: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000022: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000024: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000026: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000028: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump

00000000: 940C002A JMP 0x0000002A Jump +00000002: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000004: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000006: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000008: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000000A: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000000C: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000000E: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000010: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000012: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000014: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000016: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000018: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000001A: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000001C: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000001E: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000020: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000022: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000024: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000026: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000028: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump

Это таблица векторов прерываний. К ней мы еще вернемся, пока же просто посмотри и запомни, что она есть. Первая колонка — адрес ячейки флеша в которой лежит команда, вторая код команды третья мнемоника команды, та самая ассемблерная инструкция, третья операнды команды. Ну и автоматический коммент.
Так вот, если ты посмотришь, то тут сплошные переходы. А код команды JMP четырех байтный, в нем содержится адрес перехода, записанный задом наперед — младший байт по младшему адресу и код команды перехода 940C

0000002B: BE1F OUT 0x3F,R1 Out to I/O location

Запись этого нуля по адресу 0x3F, Если ты поглядишь в колонку I/O view, то ты увидишь что адрес 0x3F это адрес регистра SREG — флагового регистра контроллера. Т.е. мы обнуляем SREG, чтобы запустить программу на нулевых условиях.

1 2 3 4

+0000002C: E5CF LDI R28,0x5F Load immediate +0000002D: E0D4 LDI R29,0x04 Load immediate +0000002E: BFDE OUT 0x3E,R29 Out to I/O location +0000002F: BFCD OUT 0x3D,R28 Out to I/O location

0000002C: E5CF LDI R28,0x5F Load immediate +0000002D: E0D4 LDI R29,0x04 Load immediate +0000002E: BFDE OUT 0x3E,R29 Out to I/O location +0000002F: BFCD OUT 0x3D,R28 Out to I/O location

Это загрузка указателя стека. Напрямую грузить в I/O регистры нельзя, только через промежуточный регистр. Поэтому сначала LDI в промежуточный, а потом оттуда OUT в I/O. О стеке я тоже еще расскажу подробней. Пока же знай, что это такая динамическая область памяти, висит в конце ОЗУ и хранит в себе адреса и промежуточные переменные. Вот сейчас мы указали на то, откуда у нас будет начинаться стек.

00000032: 940C0041 JMP 0x00000041 Jump

Прыжок в сааааамый конец программы, а там у нас запрет прерываний и зацикливание наглухо само на себя:

1 2	+00000041: 94F8 CLI Global Interrupt Disable +00000042: CFFF RJMP PC-0x0000 Relative jump

00000041: 94F8 CLI Global Interrupt Disable +00000042: CFFF RJMP PC-0x0000 Relative jump

Это на случай непредвиденых обстоятельств, например выхода из функции main. Из такого зацикливания контроллер можно вывести либо аппаратным сбросом, либо, что вероятней, сбросом от сторожевой собаки — watchdog. Ну или, как я говорил выше, подправить это мест в хекс редакторе и ускакать куда нам душе угодно. Также обрати внимание на то, что бывает два типа переходов JMP и RJMP первый это прямой переход по адресу. Он занимает четыре байта и может сделать прямой переход по всей области памяти. Второй тип перехода — RJMP — относительный. Его команда занимает два байта, но переход он делает от текущего положения (адреса) на 1024 шага вперед или назад. И в его параметрах указывается смещение от текущей точки. Используется чаще, т.к. занимает в два раза меньше места во флеше, а длинные прееходы нужны редко.

1	+00000034: 940C0000 JMP 0x00000000 Jump

00000034: 940C0000 JMP 0x00000000 Jump

А это прыжок в самое начало кода. Перезагрузка своего рода. Можешь проверить, все вектора прыгают сюда. Из этого вывод — если ты сейчас разрешишь прерывания (они по дефолту запрещены) и у тебя прерывание пройзойдет, а обработчика нет, то будет программный сброс — программу кинет в самое начало.

Функция main. Все аналогично, даже можно и не описывать. Посмотри только что в регистры заносится уже вычисленное число. Препроцессор компилятора рулит!!! Так что никаких «магических» чисел!

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

<

00000036: E383 LDI R24,0x33 Load immediate +00000037: B989 OUT 0x09,R24 Out to I/O location 15: UBRRH = HI(bauddivider); +00000038: BC10 OUT 0x20,R1 Out to I/O location 16: UCSRA = 0; +00000039: B81B OUT 0x0B,R1 Out to I/O location 17: UCSRB = 1<

А вот тут косяк:

1 2 3

+0000003E: E080 LDI R24,0x00 Load immediate +0000003F: E090 LDI R25,0x00 Load immediate +00000040: 9508 RET Subroutine return

0000003E: E080 LDI R24,0x00 Load immediate +0000003F: E090 LDI R25,0x00 Load immediate +00000040: 9508 RET Subroutine return

Спрашивается, для чего это компилятор добавляет такую ботву? А это не что иное, как Return 0, функцию то мы определили как int main(void) вот и просрали еще целых четыре байта не пойми на что:) А если сделать void main(void) то останется только RET, но появится варнинг, что мол у нас функция main ничего не возвращает. В общем, поступай как хошь:)

Сложно? Вроде бы нет. Пощелкай пошаговое исполнение в режиме дизассемблера и позырь как процессор выполняет отдельные инструкции, что при этом происходит с регистрами. Как происходит перемещение по командам и итоговое зацикливание.

Продолжение следует через пару дней …

Offtop:
Alexei78 сварганил плагинчик для файрфокса облегчающий навигацию по моему сайту и форуму.
Обсуждение и скачивание,

Я категорически против такого подхода. Обычно это все заканчивается - либо ничем, либо забитые форумы с мольбами помочь. Даже если кому то помогают, то в 90% он больше никогда не всплывет на сайтах по электронике. В остальных 10% он так и продолжает заливать форумы мольбами, его будут сначала пинать, затем поливать грязью. Из этих 10% отсеивается еще 9%. Далее два варианта: либо таки до глупой головы доходит и все же происходит goto к началу, либо в особо запущенных вариантах, его удел копировать чужие конструкции, без единой мысли о том как это работает. Из последних зачастую рождаются ардуинщики.

Путь с нуля на мой взгляд заключается в изучении периферии и особенностей, если это микроконтроллер. Правильнее сначала разобраться с тем как дрыгать ножками, потом с таймерами, затем интерфейсами. И только тогда пытаться поднимать свой FAT. Да это не быстро, да это потребует времени и усилий, но практика показывает, как бы вы не пытались сократить этот путь, все равно всплывут проблемы, которые придется решать и время вы потратите куда больше, не имея этой базы.

Только не нужно путать теплое и мягкое. Первое - из всех правил есть исключения, лично видел людей, которые в руках раньше не держали микроконтроллеров, но за крайне короткий срок смогли обскакать бывалых опытных радиолюбителей, их в расчет не берем. Второе - мне попадались личности, которые начинали с копирования схем и сходу разбирались, но скорее это тоже исключение из правил. Третье - и среди ардуинщиков попадаются опытные программисты, это ведь всего навсего платформа, но и это скорее исключение.

Если говорить об общей массе, то дела обстоят именно так как я описал вначале: нежелание разбираться с основами, в лучшем случае оттягивает момент того, когда придется вернуться к этим вопросам. В худшем случае, вы быстро упретесь в потолок своих знаний и все время винить в своих проблемах кого то другого.

2. Перед решением задачи, дробите ее до абсурда вплоть до «припаять резистор», это помогает, проверено. Мелкие задачи решать куда проще. Когда большая задача разбита на кучу мелких действий, то все что остается - это выполнить их. Могу привести еще один годный совет, хоть он вам и покажется бредовым - заведите блокнотик и пишите в него все что собираетесь сделать. Вы думаете, итак запомню, но нет. Допустим сегодня у меня хорошее настроение и думаю о том, как собрать плату. Запиши план действий: сходить купить резистор, подготовить провода, сделать крепление дисплея. Потом все забудешь, откроешь блокнотик и смотришь - ага сегодня настроение попилить и построгать, сделаю крепление. Или собираешь ты плату и уже осталось допаять последний компонент, но не тут то было резисторы кончились, вот записал бы перед тем как паять, то вспомнил.

3. Не пользуйтесь кодогенераторами, нестандартными фичами и прочими упрощалками, хотя бы на первых этапах. Могу привести свой личный пример. Во времена активного использования AVR я пользовался кодогеном CAVR. Меня он полностью устраивал, хотя все говорили, что он кака. Звоночки звенели постоянно, были проблемы с библиотеками, с синтаксисом, с портированием, но было тяжело от этого отказаться. Я не разбирался как это работает, просто знал где и как поставить галочки.

Кол в мой гроб был вбит с появлением STM32, нужно было обязательно переползать на них, вот тогда то и появились проблемы. Проблемы мягко сказано, фактически мне пришлось осваивать микроконтроллеры и язык Си с нуля. Больше я не повторял прошлых ошибок. Надо сказать это уже пригодилось и не один раз. С тех пор мне довелось поработать с другими платформами и никаких затруднений не испытываю, подход оправдывает себя.

По поводу всех улучшалок и упрощалок, было одно очень хорошее сравнение, что они подобны инвалидным коляскам, которые едут по рельсам, можно ехать и наслаждаться, но вставать нельзя, куда везут - туда и приедешь.

4. Изучайте язык Си. Эх, как же часто я слышу, как начинающие радиолюбители хвалятся, что хорошо знают сишку. Для меня это стало кормом, всегда люблю проконсультироваться у таких собеседников. Обычно сразу выясняется, что язык они совершенно не знают. Могу сказать, что не смотря на кажущуюся простоту, людей которые действительно хорошо бы его знали, встречал не так много. В основном все его знают на столько, на сколько требуется для решения задач.

Однако, проблема на мой взгляд заключается в том, что не зная возможностей, вы сильно ограничиваете себя. С одной стороны не оптимальные решения, которые потребуют более мощного железа, с другой стороны не читаемый код, который сложно поддерживать. На мой взгляд, читаемость и поддерживаемость кода занимает одно из важнейших мест и мне сложно представить, как можно этого добиться не используя все возможности языка Си.

Очень многие начинающие брезгуют изучением языка, поэтому если вы не будете как все, то сразу станете на две ступени выше остальных новичков. Так же не никакой разницы, где изучать язык. На мой взгляд, микроконтроллер для этого не очень подходит. Гораздо проще поставить какую нибудь Visual studio или Qt Creator и порешать задачки в командной строке.

Хорошим подспорьем будет также изучение всяких тестов по языку, которые дают при собеседованиях. Если порыться то можно много нового узнать.

5. Изучение ассемблера? Бояться его не нужно, равно как и боготворить. Не нужно думать, что умея написать программу на ассемблере, вы сразу станете гуру микроконтроллеров, почему то это частое заблуждение. В первую очередь это инструмент. Даже если вы не планируете использовать его, то все равно я бы настоятельно рекомендовал написать хотя бы пару программ. Это сильно упростит понимание работы микроконтроллера и внутреннего устройства программ.

6. Читайте даташит. Многие разработчики, пренебрегают этим. Изучая даташит вы будете на две ступени выше тех разработчиков. Делать это крайне полезно, во первых это первоисточник, какие бы сайты вы не читали, в большинстве случаев они повторяют информацию из даташита, зачастую с ошибками и недосказанностями. Кроме того, там может находиться информация, о которой вы не задумываетесь сейчас, но которая может пригодиться в будущем. Может статься так, что вылезет какая то ошибка и вы вспомните что да, в даташите об этом было сказано. Если ваша цель стать хорошим разработчиком, то этого этапа не избежать, читать даташиты придется, чем раньше вы начнете это делать, тем быстрее пойдет рост.

7. Часто народ просит прислать даташит на русском. Даташит - это то, что должно восприниматься как истина, самая верная информация. Даже там не исключены ошибки. Если к этому добавятся ошибки переводчика, он ведь тоже человек, может даже не нарочно, просто опечататься. Либо у него свое видение, может что-то упустить, на его взгляд не важное, но возможно крайне важное для вас. Особенно смешной становится ситуация, когда нужно найти документацию на не сильно популярные компоненты.

На мой взгляд, намного проще исключить заранее весь слой этих проблем, чем вылавливать их потом. Поэтому я категорически против переводов, единственный верный совет - изучайте английский язык, чтобы читать даташиты и мануалы в оригинале. Понять смысл фразы с помощью программ переводчиков можно, даже если уровень вашего языка полный ноль.

Мною был проведен эксперимент: в наличии был студент, даташит и гугл переводчик. Эксперимент №1: студенту вручен даташит и дано задание самостоятельно найти нужные значения, результат - «да как я смогу», «да я не знаю английский», «я ничего не нашел/я не понял» типичные фразы, говорящие о том, что он даже не пытался. Эксперимент №2: тому же студенту, вручен все тот же даташит и тоже задание, с той разницей, что я сел рядом. Результат - через 5 минут он сам нашел все нужные значения, абсолютно без моего участия, без знания английского.

8. Изобретайте велосипед. Например, изучаете какую то новую штуку, допустим транзистор, дядька Хоровиц со страниц своей книги авторитетно заявляет, что транзистор усиливает, всегда говорите - НЕ ВЕРЮ. Берем в руки транзистор включаем его в схему и убеждаемся что это действительно так. Есть целый пласт проблем и тонкостей, которые не описываются в книгах. Прочувствовать их можно только, когда возьмешь в руки и попробуешь собрать. При этом получаем кучу попутных знаний, узнаем тонкости. Кроме того, любая теория без практики забудется намного быстрее.

На первоначальном этапе, мне очень сильно помог один метод - сначала собираешь схему и смотришь как она работает, а затем пытаешься найти обоснование в книге. То же самое и с программной частью, когда есть готовая программа, то проще разобраться в ней и соотнести куски кода, какой за что отвечает.

Также важно выходить за рамки дозволенного, подать побольше/поменьше напряжение, делать больше/меньше резисторы и следить за изменениями в работе схемы. В мозгу все это остается и оно пригодится в будущем. Да это чревато расходом компонентов, но я считаю это неизбежным. Первое время я сидел и палил все подряд, но теперь перед тем как поставить тот или иной номинал, всегда вспоминаю те веселые времена и последствия того, если поставить неверный номинал.

9. А как бы я сделал это, если бы находился на месте разработчиков? Могу ли я сделать лучше? Каждый раз задавайте себе эти вопросы, это очень хорошо помогает продвигаться в обучении. Например, изучите интерфейсы 1wire, i2c, spi, uart, а потом подумайте чем они отличаются, можно ли было сделать лучше, это поможет осознать почему все именно так, а не иначе. Так же вы будете осознавать, когда и какой лучше применить.

10. Не ограничивайтесь в технологиях. Важно что этот совет имеет очень тонкую грань. Был этап в жизни, когда из каждой подворотни доносилось «надо бы знать ПЛИС», «а вот на ПЛИС то можно сделать». Формально у меня не было целей изучать ПЛИСины, но и пройти мимо было никак нельзя. Этому вопросу было выделено немного времени на ознакомление. Время не прошло зря, у меня был целый ряд вопросов, касаемых внутреннего устройства микроконтроллеров, именно после общения с плисинами я получил ответы на них. Подобных примеров много, все знания, которые я приобретал в том или ином виде, рано или поздно пригодились. У меня нет ни единого бесполезного примера.

Но как было сказано, вопрос технологий имеет тонкую грань. Не нужно хвататься за все подряд. В электронике много направлений. Может вам нравится аналог, может цифра, может вы специалист по источникам питания. Если не понятно, то попробуйте себя везде, но практика показывает, что вначале лучше сконцентрироваться на чем то конкретном. Даже если нужно жать в нескольких направлениях, то лучше делать это ступеньками, сначала продавить что то одно.

11. Если спросить начинающего радиолюбителя, что ему больше нравится программирование или схемотехника, то с вероятностью 99% ответ будет программирование. При этом большую часть времени эти программисты тратят на изготовление плат ЛУТом/фоторезистом. Причины в общем то понятны, но довольно часто это переходит в некий маразм, который состоит в изготовлении плат ради изготовления плат.

В интернетах практически единственный трушный путь к программированию это стать джедаем изготовления печатных плат. Я тоже прошел через этот путь, но каждый раз задаю себе вопрос зачем? С тех пор, как я приобрел себе пару плат, на все случаи жизни, каждый раз думаю о том, что мог бы спокойно прожить все это время без самодельных плат. Мой совет, если есть хоть капля сомнений, то лучше не заморачиваться и взять готовую отладочную плату, а время и средства лучше бы потратить на программирование.

12. Следующий совет, особенно болезненный, мне очень не хочется его обсуждать, но надо. Часто мне пишут, мол ххх руб за ууу дорого, где бы подешевле достать. Вроде бы обычный вопрос, но обычно я сразу напрягаюсь от него, так как зачастую он переходит в бесконечные жалобы на отсутствие денег. У меня всегда возникает вопрос: почему бы не оторвать пятую точку и не пойти работать? Хоть в тот же макдак, хоть на стройку, потерпеть месяц, зато потом можно приобрести парочку плат, которых хватит на ближайший год. Да я знаю, что маленьких городах и селах сложно найти работу, переезжайте в большой город. Работайте на удаленке, в общем нужно крутиться. Просто жаловаться нет смысла, выход из ситуации есть, кто ищет его тот находит.

13. В ту же копилку внесу очень болезненный вопрос инструмента. Инструмент должен позволять вам максимально быстро разрабатывать устройства. Почему то очень многие разработчики не ценят свое время. Типичный пример, дешевая обжимка для клемм, на которой так любят экономить многие работодатели. Проблема в том, что она даже обжимает не правильно, из-за этого провода вываливаются. Приходится производить кучу дополнительных манипуляций, соответственно тратить время. Но как известно дурак платит трижды, поэтому низкая цена кримпера возрастет во много раз, за счет затрачиваемого времени и плохого качества обжима.

Не говорю что дешевое = плохое, нет - все зависит от ситуации. Вернусь к примеру кримпера, было время когда обжимал чем попало, поэтому часто возникали проблемы. Особенно неприятно, когда заводишь плату и она не работает, после долгих поисков ошибки понимаешь что из-за плохо обжатого проводочка, обидно. С тех пор как появилась нормальная обжимка этих проблем нет. Да внутренняя жаба и квакала, и душилась от ее стоимости, но ни разу не пожалел об этом решении. Все что я хочу сказать, что поработав с нормальным инструментом, совершенно не хочется возвращаться к плохому, даже не хочется обсуждать это. Как показывает практика, лучше не экономить на инструментах, если сомневаетесь - возьмите у кого нибудь потестить, почитайте отзывы, обзоры.

14. Заведите сайт, можно писать на нем, что угодно, просто как записки. Практика показывает, что работодатели все равно его не читают, но сам факт производит большой эффект.

15. Тонкий вопрос: профильное высшее образование, нужно ли оно? Мне известны не единичные случаи, когда люди работали абсолютно без образования и по опыту и знаниям они могли дать прикурить любому дипломированному специалисту. Собственно, у меня нет профильного образования, испытываю ли я от этого дискомфорт? В определенной степени да.

Еще в самом начале, когда микроконтроллеры были для меня хобби, я много помогал с курсовыми и дипломами разных вузов, просто чтобы оценить свой уровень. Могу сказать уверенно, что уровень в целом невысок вне зависимости от имени вуза. Учиться несколько лет, для того чтобы написать такой диплом, совершенно необязательно. Достигнуть этого можно самостоятельно за весьма короткий срок. И все же зачастую бывали моменты, когда студенты знали какой то предмет, который они проходили на 2-3 курсе, а я этого не знал. Хоть все эти знания и компенсировались самообразованием, но все же лучше было бы не тратить на это время.

Вуз ради бумажки. Могу сказать, что были и такие ситуации, когда предлагали работу, которая требовала обязательного наличия образования и было обидно, что именно в тот момент бумажки не было. Но в целом, история показывает, что большинству работодателей наплевать на вашу бумажку.

Следующий момент довольно часто не учитывается, это окружение. Не забывайте, что люди, с которыми вы учитесь это ваше поколение, не исключено что вам с ними работать. Количество фирм работающих в одной отрасли сильно ограничено. Практика показывает, что даже в больших городах все и все друг о друге знают, вплоть до интимных подробностей.

Еще один момент это возможности. Зачастую у вузов есть свои возможности - оборудование, может какие то секции, может какие то программы работы за рубежом, этим нужно пользоваться, если есть хоть малейшая возможность. Если в вузе вы не видите перспективы, идите в другой, мир на каком то одном не заканчивается.

Если подытожить то совет таков: если есть хоть малейшая возможность - нужно идти учиться, обязательно по профилю, если есть хоть какие то шансы, то лезть везде, а не отсиживать штаны на задней парте. Заводить знакомства, параллельно дома самому практиковаться, развиваться.

16. Поздно ли начинать программировать в 20, 30, 40, 50 лет? Практика других людей показывает, что возраст вообще не помеха. Многие почему то не учитывают то, что есть целый пласт работы, которую молодые в силу своих амбиций не хотят делать. Поэтому работодатели предпочитают брать тех, кто будет ее тащить. Это ваш шанс зацепиться, а дальше все зависит только от вас.

И последний совет. Многие радиолюбители необщительные, сердитые и раздражительные - считайте это спецификой работы. Излучайте добро и позитив, будьте хорошим человеком.

Микроконтроллеры являются небольшими, но одновременно очень удобными приспособлениями для тех, кто желает создавать различные удивительные роботизированные или автоматизированные вещи у себя дома. В рамках этой статьи будет рассмотрено программирование AVR для начинающих, различные аспекты и нюансы этого процесса.

Общая информация

Микроконтроллеры можно встретить везде. Они есть в холодильниках, стиральных машинах, телефонах, станках на производстве, умных домах и ещё во множестве различных технических устройств. Их повсеместное применение обусловлено возможностью замены более сложных и масштабных аналоговых схем устройств. Программирование МК AVR позволяет обеспечить автономное управление над электронными устройствами. Эти микроконтроллеры можно представить как простейший компьютер, что может взаимодействовать с внешней техникой. Так, им под силу открывать/закрывать транзисторы, получать данные с датчиков и выводить их на экраны. Также микроконтроллеры могут осуществлять различную обработку входной информации подобно персональному компьютеру. Если освоить программирование AVR с нуля и дойти до уровня профессионала, то откроются практически безграничные возможности для управления различными устройствами с помощью портов ввода/вывода, а также изменения их кода.

Немного о AVR

В рамках статьи будет рассмотрено семейство микроконтроллеров, выпускаемых фирмой Atmel. Они имеют довольно неплохую производительность, что позволяет использовать их во многих любительских устройствах. Широко применяются и в промышленности. Можно встретить в такой технике:

1. Бытовой. Стиральные машины, холодильники, микроволновые печи и прочее.
2. Мобильной. Роботы, средства связи и так далее.
3. Вычислительной. Системы управления периферийными устройствами, материнские платы.
4. Развлекательной. Украшения и детские игрушки.
5. Транспорт. Системы безопасности и управления двигателем автомобиля.
6. Промышленное оборудование. Системы управления станками.

Это, конечно же, не все сферы. Они применяются там, где выгодно использовать не набор управляющих микросхем, а один микроконтроллер. Это возможно благодаря низкому энергопотреблению и Для написания программ используются языки С и Assembler, немного изменённые под семейство микроконтроллеров. Такие изменение необходимы из-за слабых вычислительных возможностей, которые исчисляются, как правило, в десятках килобайт. AVR-программирование без изучения этих языков не представляется возможным.

Как получить свой первый микроконтроллер?

AVR-программирование требует:

1. Наличия необходимой среды разработки.
2. Собственно самих микроконтроллеров.

Второй пункт рассмотрим подробнее. Существует три возможности обзавестись требуемым устройством:

1. Купить непосредственно сам микроконтроллер.
2. Обзавестись устройством в составе конструктора (например - Arduino).
3. Собрать микроконтроллер самостоятельно.

В первом пункте ничего сложного нет, поэтому сразу перейдём ко второму и третьему.

Обзавестись устройством в составе конструктора

В качестве примера будет выбран известный Arduino. Это по совместительству удобная платформа для быстрой и качественной разработки различных электронных устройств. Плата Arduino включает в себя определённый набор компонентов для работы (существуют различные конфигурации). В неё обязательно входит AVR-контроллер. Этот подход позволяет быстро начать разработку устройства, не требует специальных умений и навыков, имеет значительные возможности в плане подключения дополнительных плат, а также в интернете можно найти много информации на интересующие вопросы. Но не обошлось и без минусов. Покупая Arduino, человек лишает себя возможности более глубоко окунуться в AVR-программирование, лучше узнать микроконтроллер, специфику его работы. Также негатива добавляет и относительно узкая линейка моделей, из-за чего часто приходится покупать платы под конкретные задачи. Особенностью также является и то, что программирование на "СИ" здесь отличается довольно сильно от стандартной формы. Несмотря на все свои недостатки, Arduino подходит для изучения новичкам. Но злоупотреблять не стоит.

Самостоятельная сборка

Следует отметить, что микроконтроллеры AVR отличаются достаточной дружелюбностью к новичкам. Собрать их самостоятельно можно с доступных, простых и дешевых комплектующих. Если говорить о плюсах, то такой подход позволяет лучше ознакомиться с устройством, самостоятельно выбирать необходимые комплектующие, подгоняя конечный результат под выдвигаемые требования, использование стандартных языков программирования и дешевизна. Из минусов можно отметить только сложность самостоятельной сборки, когда она осуществляется впервые, и нет нужных знаний и навыков.

Как работать?

Итак, допустим, что вопрос с микроконтроллером решился. Далее будет считаться, что он был приобретён или же куплен самостоятельно. Что ещё нужно, чтобы освоить AVR-программирование? Для этой цели нужна среда разработки (в качестве базиса подойдёт и обычный блокнот, но рекомендую остановиться на Notepad++). Хотя существуют и другие программы для программирования AVR, приведённое обеспечение сможет справиться со всеми требованиями. Также необходим программатор. Его можно приобрести в ближайшем магазине, заказать по интернету или собрать самостоятельно. Не помешает и печатная плата. Она не обязательна, но её использование позволяет сэкономить свои нервы и время. Также покупается/создаётся самостоятельно. И последнее - это источник питания. Для AVR необходимо обеспечить поступление напряжения на 5В.

Где и как учиться?

Создавать шедевры с нуля не получиться. Здесь необходимы знания, опыт и практика. Но где их взять? Существует несколько путей. Первоначально можно самостоятельно выискивать нужную информацию в мировой сети. Можно записать на курсы программирования (дистанционные или очные) для получения базовых навыков работы. Каждый подход имеет свои преимущества. Так, дистанционные курсы программирования будут более дешевыми, а может и бесплатными. Но если что-то не будет получаться, то при очных занятиях опытный разработчик сможет быстрее найти причину проблемы. Также не лишним будет ознакомиться с литературой, что находится в свободном доступе. Конечно, на одних книгах выехать не получится, но получить базовые знания про устройство, программирование на "СИ", "Ассемблере" и о других рабочих моментах можно.

Порты ввода/вывода

Это чрезвычайно важная тема. Без понимания того, как работают порты ввода/вывода, не представляется возможным внутрисхемное программирование AVR вообще. Ведь взаимодействие микроконтроллера с внешними устройствами осуществляется именно при их посредничестве. На первый взгляд новичка может показаться, что порт - это довольно запутанный механизм. Чтобы избежать такого впечатления, не будем детально рассматривать схему его работы, а только получим общее представление об этом. Рассмотрим программную реализацию. В качестве примера устройства был выбран микроконтроллер AtMega8 - один из самых популярных из всего семейства AVR. Порт ввода/вывода представляет собой три регистра, которые отвечают за его работу. На физическом уровне они реализовываются как ножки. Каждой из них соответствует определённый бит в управляющем реестре. Каждая ножка может работать как для ввода информации, так и для её вывода. Например, на неё можно повесить функцию зажигания светодиода или обработку нажатия кнопки. Кстати, три регистра, о которых говорилось, это: PORTx, PINx и DDRx. Каждый из них является восьмиразрядным (не забываем, что мы рассматриваем AtMega8). То есть один бит занимается определённой ножкой.

Работа регистров

Наиболее весомым в плане ориентации является управляющий DDRx. Он также является восьмиразрядным. Значения для него могут быть записаны 0 или 1. Как меняется работа контроллера при использовании нулей и единицы? Если в определённом бите выставить 0, то соответствующая ему ножка будет переключена в режим входа. И с неё можно будет считывать данные, что идут с внешних устройств. Если установить 1, то микроконтроллер сможет управлять чем-то (например, дать приказ транзистору пропустить напряжение и зажечь светодиод). Вторым по важности является PORTx. Он занимается управлением состояния ножки. Давайте рассмотрим пример. Допустим, у нас есть порт вывода. Если мы устанавливаем логическую единицу в PORTx, то посылается сигнал от микроконтроллера управляющему устройству начать работу. Например, зажечь светодиод. При установлении нуля он будет гаситься. То есть работать с управляющим регистром DDRx постоянно, нет надобности. И напоследок давайте о PINx. Этот регистр отвечает за отображение состояния ножки контроллера, когда она настроена на состояние ввода. Следует отметить, что PINx может работать исключительно в режиме чтения. Записать в него ничего не получится. Но вот прочитать текущее состояние ножки - это без проблем.

Работа с аналогами

AVR не являются единственными микроконтроллерами. Этот рынок поделен между несколькими крупными производителями, а также между многочисленными китайскими имитирующими устройствами и самоделками. Во многом они подобны. К примеру, программирование PIC/AVR сильно не отличается. И если есть понимание чего-то одного, то понять всё остальное будет легко. Но начинать путь рекомендуем всё же с AVR благодаря его грамотной структуре, дружелюбности к разработчику и наличию большого количества вспомогательных материалов, из-за чего процесс разработки можно значительно ускорить.

Техника безопасности

Когда будет вестись программирование микроконтроллеров AVR на "СИ" или на "Ассемблере", то необходимо работать очень осторожно. Дело в том, что выставив определённую комбинацию регистров и изменив внутренние настройки, можно спокойно заблокировать микроконтроллер. Особенно это касается фьюзов. Если нет уверенности в правильности своих действий, то лучше отказаться от их использования. Это же относится и к программаторам. Если покупать заводскую аппаратуру, то она будет прошивать микроконтроллеры без проблем. При сборке своими руками может возникнуть печальная ситуация, при которой программатор заблокирует устройство. Это может произойти как из-за ошибки в программном коде, так и через неполадки в нём самом. Кстати, об ещё одном (на этот раз позитивном) моменте, который ранее вскользь упоминался, но так и не был раскрыт полностью. Сейчас практически все современные микроконтроллеры обладают функцией внутрисхемного программирования. Что это значит? Допустим, что устройство было запаяно на плате. И чтобы сменить его прошивку, сейчас не нужно его выпаивать, ведь такое вмешательство может повредить сам микроконтроллер. Достаточно подключиться к соответствующим выводам и перепрограммировать его при их посредстве.

Какую модель выбрать?

В рамках статьи была рассмотрена AtMega8. Это довольно посредственный за своими характеристиками микроконтроллер, которого, тем не менее, хватает для большинства поделок. Если есть желание создать что-то масштабное, то можно брать уже своеобразных монстров вроде Atmega128. Но они рассчитаны на более опытных разработчиков. Поэтому, если нет достаточного количества опыта, то лучше начинать с небольших и простых устройств. К тому же они и значительно дешевле. Согласитесь, одно дело случайно заблокировать микроконтроллер за сто рублей, а совсем иное - за полтысячи. Лучше набить себе руку и разобраться в различных аспектах функционирования, чтобы в последующем не терять значительные суммы. Первоначально можно начать с AtMega8, а потом уже ориентироваться по своим потребностям.

Заключение

Вот и была рассмотрена тема программирования AVR в самых общих чертах. Конечно, ещё о многом можно рассказывать. Так, к примеру, не было рассмотрено маркирование микроконтроллеров. А оно может о многом сказать. Так, в основном микроконтроллеры работают на напряжении в 5В. Тогда как наличие, к примеру, буквы L может сказать о том, что для работы устройства достаточно только 2,7 В. Как видите, порой знания о маркировке могут сыграть очень важную роль в плане корректной и долговечной работы устройств. Время функционирования микроконтроллеров - это тоже интересная тема. Каждое устройство рассчитано на определённый период. Так, некоторые могут отработать тысячу часов. Другие же имеют гарантийный запас в 10 000!

Поделись статьей:

Похожие статьи

17 апреля 2015
Лучшие смартфоны Fly Аппаратная платформа: процессор, память, быстродействие

17 апреля 2015
Соляная лампа «Каменный цветок

17 апреля 2015
Продуктивные способы потратить время в интернете

17 апреля 2015
Как установить приложение плей маркет на ноутбук