Микроконтроллеры для начинающих

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 PinBoard.

Дальше все будет разжевано буквально по шагам для старта с полного нуля.

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.

Также не забудь поставить галочу Create Folder, чтобы у тебя все сложилось в одной директории. Ну и укажи место Location, где будет лежать проект. Указывай по короткому пути, что то вроде C:\AVR\ Как показывает практика, чем короче путь тем лучше — меньше проблем при компиляции и линковке проектов.

Проц у меня в Pinboard по дефолту ATmega16, поэтому выбираю его. Те же у кого в PinBoard стоит Mega32 (по спец заказу ставил некторым 🙂 ) выбирают, соответственно ее.

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.

Кроме того, через USART мы теперь сможем достучаться до загрузчика (Pinboard идет с уже прошитым загрузчиком) и прошить наш контроллер не используя программатор.

Также накинем джамперы, соединяющие LED1 и LED2. Тем самым мы подключим светодиоды LED1 и LED2 к выводам PD4 и PD5 соотверственно.

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.

Посмотреть оглавление.

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 <avr/io.h>

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; }

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. Узнать подробней о типах данных

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. Подробней о локальных и глобальных переменных, а также времени жизни оных.

1 2 3 4 5 6 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:

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<<RXEN Означает следующее: взять 1 и поставить ее на место RXEN в байте. RXEN это 4й бит регистра UCSRB, так что 1<<RXEN образует двоичное число 00010000, TXEN — это 3й бит, а 1<<TXEN 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.

Пора сделать ШАГ! Нажми F11!
Видишь стрелочка сразу же скакнула на вторую строку, на UBRRH = HI(bauddivider);

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:

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

Дальше идет предварительные приготовления, Си без них не может.

1 +0000002A: 2411 CLR R1 Clear Register

Обнуление регистра R1

1 +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.

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.

1 +00000030: 940E0036 CALL 0x00000036 Call subroutine

Вот тут, собственно, идет переход к функции main. А через три команды как раз начинается Main. И переход идет через CALL, с сохранением адреса в стеке. При этом бездарно просерается два байта ОЗУ, а их всего 1024. =) Низачот! Впрочем, что то мне подсказывает, что обьявление main как inline int main(void) решит эту проблему, но не пробовал. Можешь сам проверить.

1 +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

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

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!

А вот тут косяк:

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 …

А пока вот тебе готовый проект с тем, что есть сейчас

Offtop:
Alexei78 сварганил плагинчик для файрфокса облегчающий навигацию по моему сайту и форуму.
Обсуждение и скачивание, а также спасибы автору сего плагина в его теме на форуме

Урок 0.

Итак, сегодня мы открываем цикл уроков программирования микроконтроллеров семейства AVR.

Сегодня будут рассмотрены следующие вопросы:

  1. Что такое микроконтроллер?
  2. Где применяются микроконтроллеры?

Вступление.

Микроконтроллеры везде. В телефонах, стиральных машинах, «умных домах»,станках на заводе а так же ещё в бесчисленном множестве технических устройств. Их повсеместное применение позволяет заменить сложные аналоговые схемы, более сжатыми цифровыми.

Так что же такое, микроконтроллер?

Микроконтроллер (Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.Можно представить его в виде простейшего компьютера, способного взаимодействовать с внешними устройствами.Например, открывать и закрывать транзисторы, получать данные с датчиков температуры, выводить данные на lcd экраны и т. д. . К тому же, микроконтроллер может производить различную обработку входных данных, как и Ваш персональный компьютер.

То есть, микроконтроллеры открывают нам практически безграничные возможности управления какими либо устройствами, благодаря наличию портов I/0(портов ввода(input)/вывода(output)), а так же возможности их программирования.

Где используются микроконтроллеры?

  1. Бытовая техника(Стиральные машины, микроволновые печи и.т.д.).
  2. Мобильная техника(Роботы, робототехнические системы, средства связи и др.).
  3. Промышленное оборудование(Системы управления станками).
  4. Вычислительная техника(Материнские платы,системы управления периферийными устройствами).
  5. Развлекательная техника(Детские игрушки, украшения).
  6. Транспорт(Системы управления двигателем автомобиля, системы безопасности)

Это далеко не полный список сфер применения микроконтроллеров. Часто, очень выгодно заменить набор управляющих микросхем одним микроконтроллером, ввиду упрощения производства, снижения энергопотребления.

Начало знакомства с AVR

AVR — семейство микроконтроллеров фирмы Atmel.Обладают достаточной производительностью для большинства любительских устройств. Так же находят широкое применение в промышленности.

Для их программирования используются языки AVR C и AVR Assembler.

Начать работу с ними достаточно просто. Существует несколько способов приступить к разработке устройств на базе микроконтроллеров AVR, о них мы поговорим в следующей части.

Спасибо за внимание!

Администрация сайта MKPROG.RU.

Другие уроки цикла.