Инструкция по программированию микросхем

Вы еще не программируете микроконтроллеры? Тогда мы идем к вам!

Картинка с сайта: habr.com

Здравствуйте, уважаемые Хабражители!

В этой статье я хочу рассказать о том, как однажды решил начать программировать микроконтроллеры, что для этого понадобилось и что в итоге получилось.

Тема микроконтроллеров меня заинтересовала очень давно, году этак в 2001. Но тогда достать программатор по месту жительства оказалось проблематично, а о покупке через Интернет и речи не было. Пришлось отложить это дело до лучших времен. И вот, в один прекрасный день я обнаружил, что

лучшие времена пришли

не выходя из дома можно купить все, что мне было нужно. Решил попробовать. Итак, что нам понадобится:

1. Программатор

На рынке предлагается много вариантов — от самых дешевых ISP (In-System Programming) программаторов за несколько долларов, до мощных программаторов-отладчиков за пару сотен. Не имея большого опыта в этом деле, для начала я решил попробовать один из самых простых и дешевых — USBasp. Купил в свое время на eBay за $12, сейчас можно найти даже за $3-4. На самом деле это китайская версия программатора от Thomas Fischl. Что могу сказать про него? Только одно — он работает. К тому же поддерживает достаточно много AVR контроллеров серий ATmega и ATtiny. Под Linux не требует драйвера.

Для прошивки надо соединить выходы программатора VCC, GND, RESET, SCK, MOSI, MISO с соответствующими выходами микроконтроллера. Для простоты я собрал вспомогательную схему прямо на макетной плате:

Картинка с сайта: habr.com

Слева на плате — тот самый микроконтроллер, который мы собираемся прошивать.

2. Микроконтроллер

С выбором микроконтроллера я особо не заморачивался и взял ATmega8 от Atmel — 23 пина ввода/вывода, два 8-битных таймера, один 16-битный, частота — до 16 Мгц, маленькое потребление (1-3.6 мА), дешевый ($2). В общем, для начала — более чем достаточно.

Под Linux для компиляции и загрузки прошивки на контроллер отлично работает связка avr-gcc + avrdude. Установка тривиальная. Следуя инструкции, можно за несколько минут установить все необходимое ПО. Единственный ньюанс, на который следует обратить внимание — avrdude (ПО для записи на контроллер) может потребовать права супер-пользователя для доступа к программатору. Выход — запустить через sudo (не очень хорошая идея), либо прописать специальные udev права. Синтаксис может отличаться в разных версиях ОС, но в моем случае (Linux Mint 15) сработало добавление следующего правила в файл /etc/udev/rules.d/41-atmega.rules:

# USBasp programmer
SUBSYSTEM=="usb", ATTR{idVendor}=="16c0", ATTR{idProduct}=="05dc", GROUP="plugdev", MODE="0666"

После этого, естественно, необходим перезапуск сервиса

service udev restart

Компилировать и прошивать без проблем можно прямо из командной строки (кто бы сомневался), но если проектов много, то удобнее поставить плагин AVR Eclipse и делать все прямо из среды Eclipse.

Под Windows придется поставить драйвер. В остальном проблем нет. Ради научного интереса попробовал связку AVR Studio + eXtreme Burner в Windows. Опять-таки, все работает на ура.

Начинаем программировать

Программировать AVR контроллеры можно как на ассемблере (AVR assembler), так и на Си. Тут, думаю, каждый должен сделать свой выбор сам в зависимости от конкретной задачи и своих предпочтений. Лично я в первую очередь начал ковырять ассемблер. При программировании на ассемблере архитектура устройства становится понятнее и появляется ощущение, что копаешься непосредственно во внутренностях контроллера. К тому же полагаю, что в особенно критических по размеру и производительности программах знание ассемблера может очень пригодиться. После ознакомления с AVR ассемблером я переполз на Си.

После знакомства с архитектурой и основными принципами, решил собрать что-то полезное и интересное. Тут мне помогла дочурка, она занимается шахматами и в один прекрасный вечер заявила, что хочет иметь часы-таймер для партий на время. БАЦ! Вот она — идея первого проекта! Можно было конечно заказать их на том же eBay, но захотелось сделать свои собственные часы, с блэк… эээ… с индикаторами и кнопочками. Сказано — сделано!

В качестве дисплея решено было использовать два 7-сегментных диодных индикатора. Для управления достаточно было 5 кнопок — “Игрок 1”, “Игрок 2”, “Сброс”, “Настройка” и “Пауза”. Ну и не забываем про звуковую индикацию окончания игры. Вроде все. На рисунке ниже представлена общая схема подключения микроконтроллера к индикаторам и кнопкам. Она понадобится нам при разборе исходного кода программы:

Картинка с сайта: habr.com

Разбор полета

Начнем, как и положено, с точки входа программы — функции main. На самом деле ничего примечательного в ней нет — настройка портов, инициализация данных и бесконечный цикл обработки нажатий кнопок. Ну и вызов sei() — разрешение обработки прерываний, о них немного позже.

int main(void)
{
	init_io();
	init_data();
	sound_off();
	sei();

	while(1)
	{
		handle_buttons();
	}
	return 0;
}

Рассмотрим каждую функцию в отдельности.

void init_io()
{
	// set output
	DDRB = 0xFF;
	DDRD = 0xFF;

	// set input
	DDRC = 0b11100000;

	// pull-up resistors
	PORTC |= 0b00011111;

	// timer interrupts
	TIMSK = (1<<OCIE1A) | (1<<TOIE0);

	TCCR0 |= (1 << CS01) | (1 << CS00);

	TCCR1B = (1<<CS12|1<<WGM12);

	//OCRn =  (clock_speed / prescaler) * seconds - 1
	OCR1A = (F_CPU / 256) * 1 -1;
}

Настройка портов ввода/вывода происходит очень просто — в регистр DDRx (где x — буква, обозначающая порт) записивается число, каждый бит которого означает, будет ли соответствующий пин устройством ввода (соответствует 0) либо вывода (соответствует 1). Таким образом, заслав в DDRB и DDRD число 0xFF, мы сделали B и D портами вывода. Соответственно, команда DDRC = 0b11100000; превращает первые 5 пинов порта C во входные пины, а оставшиеся — в выходные. Команда PORTC |= 0b00011111; включает внутренние подтягивающие резисторы на 5 входах контроллера. Согласно схеме, к этим входам подключены кнопки, которые при нажатии замкнут их на землю. Таким образом контроллер понимает, что кнопка нажата.

Далее следует настройка двух таймеров, Timer0 и Timer1. Первый мы используем для обновления индикаторов, а второй — для обратного отсчета времени, предварительно настроив его на срабатывание каждую секунду. Подробное описание всех констант и метода настройки таймера на определенноый интервал можно найти в документации к ATmega8.

Обработка прерываний

ISR (TIMER0_OVF_vect)
{
	display();

	if (_buzzer > 0)
	{
		_buzzer--;
		if (_buzzer == 0)
			sound_off();
	}
}

ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
	if (ActiveTimer == 1 && Timer1 > 0)
	{
		Timer1--;
		if (Timer1 == 0)
			process_timeoff();
	}

	if (ActiveTimer == 2 && Timer2 > 0)
	{
		Timer2--;
		if (Timer2 == 0)
			process_timeoff();
	}
}

При срабатывании таймера управление передается соответствующему обработчику прерывания. В нашем случае это обработчик TIMER0_OVF_vect, который вызывает процедуру вывода времени на индикаторы, и TIMER1_COMPA_vect, который обрабатывает обратный отсчет.

Вывод на индикаторы

void display()
{
	display_number((Timer1/60)/10, 0b00001000);
	_delay_ms(0.25);

	display_number((Timer1/60)%10, 0b00000100);
	_delay_ms(0.25);

	display_number((Timer1%60)/10, 0b00000010);
	_delay_ms(0.25);

	display_number((Timer1%60)%10, 0b00000001);
	_delay_ms(0.25);

	display_number((Timer2/60)/10, 0b10000000);
	_delay_ms(0.25);

	display_number((Timer2/60)%10, 0b01000000);
	_delay_ms(0.25);

	display_number((Timer2%60)/10, 0b00100000);
	_delay_ms(0.25);

	display_number((Timer2%60)%10, 0b00010000);
	_delay_ms(0.25);

	PORTD = 0;
}

void display_number(int number, int mask)
{
	PORTB = number_mask(number);
	PORTD = mask;
}

Функция display использует метод динамической индикации. Дело в том, что каждый отдельно взятый индикатор имеет 9 контактов (7 для управления сегментами, 1 для точки и 1 для питания). Для управления 4 цифрами понадобилось бы 36 контактов. Слишком расточительно. Поэтому вывод разрядов на индикатор с несколькими цифрами организован по следующему принципу:

Картинка с сайта: habr.com

Напряжение поочередно подается на каждый из общих контактов, что позволяет высветить на соответствующем индикаторе нужную цифру при помощи одних и тех же 8 управляющих контактов. При достаточно высокой частоте вывода это выглядит для глаза как статическая картинка. Именно поэтому все 8 питающих контактов обоих индикаторов на схеме подключены к 8 выходам порта D, а 16 управляющих сегментами контактов соединены попарно и подключены к 8 выходам порта B. Таким образом, функция display с задержкой в 0.25 мс попеременно выводит нужную цифру на каждый из индикаторов. Под конец отключаются все выходы, подающие напряжение на индикаторы (команда PORTD = 0;). Если этого не сделать, то последняя выводимая цифра будет продолжать гореть до следующего вызова функции display, что приведет к ее более яркому свечению по сравнению с остальными.

Обработка нажатий

void handle_buttons()
{
	handle_button(KEY_SETUP);
	handle_button(KEY_RESET);
	handle_button(KEY_PAUSE);
	handle_button(KEY_PLAYER1);
	handle_button(KEY_PLAYER2);
}

void handle_button(int key)
{
	int bit;
	switch (key)
	{
		case KEY_SETUP: 	bit = SETUP_BIT; break;
		case KEY_RESET: 	bit = RESET_BIT; break;
		case KEY_PAUSE: 	bit = PAUSE_BIT; break;
		case KEY_PLAYER1: 	bit = PLAYER1_BIT; break;
		case KEY_PLAYER2: 	bit = PLAYER2_BIT; break;
		default: return;
	}

	if (bit_is_clear(BUTTON_PIN, bit))
	{
		if (_pressed == 0)
		{
			_delay_ms(DEBOUNCE_TIME);
			if (bit_is_clear(BUTTON_PIN, bit))
			{
				_pressed |= key;

				// key action
				switch (key)
				{
					case KEY_SETUP: 	process_setup(); break;
					case KEY_RESET: 	process_reset(); break;
					case KEY_PAUSE: 	process_pause(); break;
					case KEY_PLAYER1: 	process_player1(); break;
					case KEY_PLAYER2: 	process_player2(); break;
				}

				sound_on(15);
			}
		}
	}
	else
	{
		_pressed &= ~key;
	}
}

Эта функция по очереди опрашивает все 5 кнопок и обрабатывает нажатие, если таковое случилось. Нажатие регистрируется проверкой bit_is_clear(BUTTON_PIN, bit), т.е. кнопка нажата в том случае, если соответствующий ей вход соединен с землей, что и произойдет, согласно схеме, при нажатии кнопки. Задержка длительностью DEBOUNCE_TIME и повторная проверка нужна во избежание множественных лишних срабатываний из-за дребезга контактов. Сохранение статуса нажатия в соответствующих битах переменной _pressed используется для исключения повторного срабатывания при длительном нажатии на кнопку.
Функции обработки нажатий достаточно тривиальны и полагаю, что в дополнительных комментариях не нуждаются.

#define F_CPU 						4000000UL

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
#include <avr/interrupt.h>


#define DEBOUNCE_TIME 					20

#define BUTTON_PIN 					PINC
#define SETUP_BIT 					PC0
#define RESET_BIT 					PC1
#define PAUSE_BIT 					PC2
#define PLAYER1_BIT 					PC3
#define PLAYER2_BIT 					PC4

#define KEY_SETUP					0b00000001
#define KEY_RESET					0b00000010
#define KEY_PAUSE					0b00000100
#define KEY_PLAYER1					0b00001000
#define KEY_PLAYER2					0b00010000


volatile int ActiveTimer = 0;
volatile int Timer1 = 0;
volatile int Timer2 = 0;

volatile int _buzzer = 0;
volatile int _pressed = 0;


// function declarations

void init_io();
void init_data();
int number_mask(int num);
void handle_buttons();
void handle_button(int key);
void process_setup();
void process_reset();
void process_pause();
void process_timeoff();
void process_player1();
void process_player2();
void display();
void display_number(int mask, int number);
void sound_on(int interval);
void sound_off();

// interrupts

ISR (TIMER0_OVF_vect)
{
	display();

	if (_buzzer > 0)
	{
		_buzzer--;
		if (_buzzer == 0)
			sound_off();
	}
}

ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
	if (ActiveTimer == 1 && Timer1 > 0)
	{
		Timer1--;
		if (Timer1 == 0)
			process_timeoff();
	}

	if (ActiveTimer == 2 && Timer2 > 0)
	{
		Timer2--;
		if (Timer2 == 0)
			process_timeoff();
	}
}


int main(void)
{
	init_io();
	init_data();

	sound_off();

	sei();

	while(1)
	{
		handle_buttons();
	}
	return 0;
}

void init_io()
{
	// set output
	DDRB = 0xFF;
	DDRD = 0xFF;

	// set input
	DDRC = 0b11100000;

	// pull-up resistors
	PORTC |= 0b00011111;

	// timer interrupts
	TIMSK = (1<<OCIE1A) | (1<<TOIE0);

	TCCR0 |= (1 << CS01) | (1 << CS00);

	TCCR1B = (1<<CS12|1<<WGM12);

	//OCRn =  (clock_speed / prescaler) * seconds - 1
	OCR1A = (F_CPU / 256) * 1 -1;
}

void init_data()
{
	Timer1 = 0;
	Timer2 = 0;
	ActiveTimer = 0;
}

int number_mask(int num)
{
	switch (num)
	{
		case 0 : return 0xC0;
		case 1 : return 0xF9;
		case 2 : return 0xA4;
		case 3 : return 0xB0;
		case 4 : return 0x99;
		case 5 : return 0x92;
		case 6 : return 0x82;
		case 7 : return 0xF8;
		case 8 : return 0x80;
		case 9 : return 0x90;
	};

	return 0;
}

void process_setup()
{
	Timer1 += 60;
	Timer2 += 60;

	// overflow check (5940 seconds == 99 minutes)
	if (Timer1 > 5940 || Timer2 > 5940)
	{
		Timer1 = 0;
		Timer2 = 0;
	}
}

void process_reset()
{
	init_data();
}

void process_timeoff()
{
	init_data();

	sound_on(30);
}

void process_pause()
{
	ActiveTimer = 0;
}

void process_player1()
{
	ActiveTimer = 2;
}

void process_player2()
{
	ActiveTimer = 1;
}

void handle_button(int key)
{
	int bit;
	switch (key)
	{
		case KEY_SETUP: 	bit = SETUP_BIT; break;
		case KEY_RESET: 	bit = RESET_BIT; break;
		case KEY_PAUSE: 	bit = PAUSE_BIT; break;
		case KEY_PLAYER1: 	bit = PLAYER1_BIT; break;
		case KEY_PLAYER2: 	bit = PLAYER2_BIT; break;
		default: return;
	}

	if (bit_is_clear(BUTTON_PIN, bit))
	{
		if (_pressed == 0)
		{
			_delay_ms(DEBOUNCE_TIME);
			if (bit_is_clear(BUTTON_PIN, bit))
			{
				_pressed |= key;

				// key action
				switch (key)
				{
					case KEY_SETUP: 	process_setup(); break;
					case KEY_RESET: 	process_reset(); break;
					case KEY_PAUSE: 	process_pause(); break;
					case KEY_PLAYER1: 	process_player1(); break;
					case KEY_PLAYER2: 	process_player2(); break;
				}

				sound_on(15);
			}
		}
	}
	else
	{
		_pressed &= ~key;
	}
}

void handle_buttons()
{
	handle_button(KEY_SETUP);
	handle_button(KEY_RESET);
	handle_button(KEY_PAUSE);
	handle_button(KEY_PLAYER1);
	handle_button(KEY_PLAYER2);
}

void display()
{
	display_number((Timer1/60)/10, 0b00001000);
	_delay_ms(0.25);

	display_number((Timer1/60)%10, 0b00000100);
	_delay_ms(0.25);

	display_number((Timer1%60)/10, 0b00000010);
	_delay_ms(0.25);

	display_number((Timer1%60)%10, 0b00000001);
	_delay_ms(0.25);

	display_number((Timer2/60)/10, 0b10000000);
	_delay_ms(0.25);

	display_number((Timer2/60)%10, 0b01000000);
	_delay_ms(0.25);

	display_number((Timer2%60)/10, 0b00100000);
	_delay_ms(0.25);

	display_number((Timer2%60)%10, 0b00010000);
	_delay_ms(0.25);

	PORTD = 0;
}

void display_number(int number, int mask)
{
	PORTB = number_mask(number);
	PORTD = mask;
}

void sound_on(int interval)
{
	_buzzer = interval;

	// put buzzer pin high
	PORTC |= 0b00100000;
}

void sound_off()
{
	// put buzzer pin low
	PORTC &= ~0b00100000;
}

Прототип был собран на макетной плате:

Картинка с сайта: habr.com

После тестирования прототипа пришло время все это добро разместить в корпусе, обеспечить питание и т.д.

Картинка с сайта: habr.com

Ниже показан окончательный вид устройства. Часы питаются от 9-вольтовой батарейки типа “Крона”. Потребление тока — 55 мА.

Картинка с сайта: habr.com

Заключение

Потратив $20-25 на оборудование и пару вечеров на начальное ознакомление с архитектурой микроконтроллера и основными принципами работы, можно начать делать интересные DIY проекты. Статья посвящается тем, кто, как и я в свое время, думает, что начать программировать микроконтроллеры — это сложно, долго или дорого. Поверьте, начать намного проще, чем может показаться. Если есть интерес и желание — пробуйте, не пожалете!

Удачного всем программирования!

P.S. Ну и напоследок, небольшая видео-демонстрация прототипа:

В статье рассказывается:

Что это? Программирование микроконтроллеров тесно связано с интернетом вещей. То есть вы пишите программу для компактного умного устройства, который управляет, к примеру, десятками девайсов в вашем умном доме или определенными процессами на производстве.

Как научиться? Чтобы научиться программировать микроконтроллеры, необходимо для начала разобраться в самой архитектуре этих устройств, понять, как они работают, выучить один из языков программирования. Всё это можно сделать на специальных курсах.

Что такое микроконтроллер

Эту микросхему (микроконтроллер) можно назвать ЭВМ, собранной на одном кристалле. Она также содержит процессор и периферийные устройства, оперативную память и ПЗУ. Такой однокристальный компьютер предназначен для управления периферией и вполне способен выполнять некоторые вычислительные функции.

В классическом исполнении ПК или телефон оснащен микропроцессором, у которого все вспомогательные модули (блок питания, таймеры, устройства ввода-вывода и др.), без которых невозможна его работа, находятся отдельно.

Картинка с сайта: gb.ru

Микроконтроллер принципиально отличается тем, что в единую микросхему интегрированы не только ядро процессора и память, но и множество дополнительных устройств, предназначение которых состоит в решении различных задач. Между основными производителями подобных микросхем происходит даже негласное соревнование по количеству и функционалу периферийных устройств, а не по тактовой частоте или объёму памяти.

Развитие и программирование микроконтроллеров происходит одновременно с разработкой новых процессоров. Разработанный в далеком 1980 году Intel 8051 до сих пор можно увидеть даже в современных изделиях. Время от времени отличий между этими устройствами становилось меньше.

Бывало, что разрабатывались модели микроконтроллеров с внешним основным запоминающим устройством, и, наоборот, производители процессоров часто реализовывали интеграцию периферийных устройств на одном кристалле. Можно вспомнить, что ранние ПК оснащались вычислителями с вынесенным кэшем. Но, тем не менее эволюция осуществляется по двум независимым направлениям.

За последние 10 лет наибольшую популярность завоевали такие модели микроконтроллеров:

• 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel;
• 16-битные MSP430 фирмы TI;
• 32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM. Разработчики других компаний могут её приобрести и использовать как базу для конструирования своих наработок.

Такие интегральные устройства разработали и начали производить с целью значительно снизить размеры изделий, функционирование которых не требует больших вычислительных мощностей. Кроме этого, монтаж одного чипа обходится дешевле, чем сборка на плате нескольких отдельных элементов.

Но здесь есть, конечно, и свои ограничения. На современном технологическом уровне пока ещё невозможно на одном кристалле получить устройство, сравнимое по мощности и функциональным возможностям со сборками интегральных схем на довольно внушительных по размерам платах персонального компьютера.

• Тактовая частота колеблется около величины в 200 МГц (чаще даже ниже – не превышая 100 МГц).
• Объём ОЗУ и памяти программ составляет от нескольких десятков килобайт до 1 Мб.

Классификация микроконтроллеров

Устройства подразделяются по параметрам:

• разрядность;
• система команд;
• архитектура памяти.

Разрядность – это удельная величина количества информации, передаваемой за один цикл работы процессора или микроконтроллера. Это понятие неразрывно связано с понятием тактовой частоты — количества операций за единицу времени. Объединение всех элементов на одном кристалле породило проблему скорости передачи информации между процессором и другими устройствами на шине, так как любая пересылка данных не может происходить быстрее продолжительности одного такта.

Минимальное время на выполнение одной команды – это один такт. Единицей информации является бит (разряд). Поэтому чем больше можно передать таких разрядов, тем выше скорость процессора.

По разрядности различают:

• 8-бит;
• 16-бит;
• 32-бита;
• 64-бита.

Классификация по типу системы команд:

• RISC-архитектура, или вычислитель с комплектом редуцированных команд. Этот подход к проектированию процессоров с целью повышения их скорости за счет упрощения декодирования инструкций позволяет повысить тактовую частоту. Часто UNIX-системы работают на устройствах с этой архитектурой.
• СISC-архитектура (complexinstruction set computer) характеризуется нефиксированным значением длины команд и небольшим количеством регистров, имеющих жестко заданный набор функций. Классическим примером является процессоры Motorola MC680x0. Некоторые процессоры Intel совместимы с СISC, но у них всё же RISC-ядро, и их можно отнести к гибридным.

Типы памяти:

• Архитектура Фон-Неймана – это принцип одновременного хранения в ячейках памяти и данных. Недостатком такого принципа является ограничение пропускной способности между вычислителем и памятью. Отчасти такая проблема решается кэшировнием, но оно приводит к усложнению всей архитектуры и вызывает когерентность памяти. Основы были заложены Нейманом в 1944 году.
• Гарвардская архитектура. Отличается от предыдущей тем, что для хранения инструкций и данных предназначены отдельные физические устройства. По такому же принципу построены каналы данных и команд. Была разработана Говардом Эйкеном в конце 30-х годов 20 века.

Применение систем на микропроцессорах позволило значительно уменьшить габариты устройств при одновременном увеличении функционала. Выбор компонентов, различных по архитектуре, разрядности, объёму и типу памяти, оказывает влияние на итоговую цену всего устройства. В условиях серийного и массового выпуска стоимость значительно снижается.

3 условия для программирования микроконтроллеров

Условие №1: Готовность к реализации поставленной задачи

Без этого ничего не получится. Даже закончив курсы по программированию микроконтроллеров, без настойчивости в решении возникающих проблем, невозможно получить положительные результаты.

Условие №2: Иметь понятие о структуре микроконтроллера

Без чёткого представления принципа действия этого устройства вряд ли получится освоить даже азы программирования микроконтроллеров. Не стоит, конечно же, изучать его строение до уровня эксперта, но основы должны быть достаточно хорошо изучены.

Картинка с сайта: gb.ru

Условие №3: Уверенное знание инструкций управления микроконтроллером

Микроконтроллер не может работать без полученной команды. Программирование микроконтроллеров с нуля начинается с изучения этих инструкций, которых насчитывается свыше 130 единиц. Не следует зубрить все из них без исключения, так как некоторые команды часто дублируют друг друга.

Но первыми шагами в программировании микроконтроллеров для начинающих будет освоение управляющих инструкций, без которых не получить красивый и лаконичный код. Зная команды управления, вы заставите работать устройство в соответствии с вашими желаниями.

Программы и алгоритмы для микроконтроллеров

Программа

В основе программирования микроконтроллеров лежит набор выполняемых в определённой последовательности инструкций. Это и есть программа (в переводе с греческого это слово означает – “запись”), которая, по сути, является последовательными шагами определённого алгоритма действий. Руководствуясь этими предписаниями, устройство и будет осуществлять те или иные действия.

В качестве практического программирования микроконтроллеров рассмотрим следующий тривиальный случай: нам необходимо, чтобы светодиод начал мигать. Для этого необходимо с помощью команд «рассказать» управляющему устройству последовательность выполняемых им манипуляций, то есть написать программу.

Что-то вроде такого:

Активировать светодиод:

• подготовить вывод микроконтроллера, к которому подключен светодиод для работы;
• осуществить подачу логического уровня, который позволит светодиоду начать излучение в видимом диапазоне.

Картинка с сайта: gb.ru

Выдержать паузу:

• выполнить подпрограмму, формирующую задержку, значение которой необходимо указать;
• после завершения подпрограммы паузы сделать возврат в основную программу.

Потушить светодиод:

• подать на вывод микроконтроллера логический уровень, гасящий светодиод. Указать число итераций.

Понятие «Программа» тесно связано с другим термином – «Алгоритм».

Алгоритм является совокупностью точно заданных правил, задающих порядок их выполнения для решения определённых задач

Алгоритм – набор инструкций, описывающих порядок действия для достижения нужного результата. Одна и та же совокупность правил в разных средах программирования микроконтроллеров может быть реализована неодинаковыми методами.

Отличие алгоритма от программы состоит в том, что он определяет общий порядок действия устройства, который потом и находит подробнейшее воплощение в коде. По аналогии с вышеприведенном примером:

• Активировать светодиод.
• Сделать паузу.
• Деактивировать светодиод.

В самом широком смысле алгоритм является универсальным описанием процесса, который уже при помощи различных языков воплощается в программе. И чем подробнее составлен набор инструкций, тем легче потом будет его кодировать.

Языки программирования микроконтроллеров

К большому сожалению электронные устройства не понимают человеческую речь. Все команды должны быть переведены на понятный им язык.

Инструкции, воспринимаемые микроконтроллером, имеют вид последовательности единичек и нулей:

• 00110101 011000100

Это код команд. Для того чтобы перевести наши слова в этот вид, существуют специальные программы.

Они помогают описать в понятных нам терминах порядок работы устройства, а затем представить этот алгоритм в виде, доступном пониманию микроконтроллера. В итоге получается машинный код, то есть последовательность команд в виде опкода (двоичное исчисление). Программа, написанная человеком на одном из языков, называется исходным кодом. Перевод программы с исходного кода на машинный осуществляют трансляторы. Использование различных языков позволяет реализовывать, например, программирование микроконтроллеров на ассемблере.

Эти программы составляются с применением специальных наборов семантических, лексических правил – языков программирования, являющихся способом передачи команд, инструкций, чёткого руководства к действию для микроконтроллера.

Существует большое количество языков, но подразделяются они на два типа:

• Низкоуровневые языки программирования.
• Языки программирования высокого уровня.

Их отличие состоит в «близости» к микроконтроллеру.

Когда были изобретены первые электронные устройства, программы для них составлялись только при помощи машинного кода, то есть алгоритм работы записывался последовательностью двоичного кода. Пример такой программы:

01010010
01000110
10010011

Такое лаконизм и отсутствие наглядности даже у специалиста вызовет затруднения в определении, о чём же конкретно идёт речь. Поэтому в стремлении сделать инструкции более понятными большинству людей стали разрабатываться языки программирования, содержащие слова. Другими словами, чем больше единиц и нулей – тем ниже уровень.

Наиболее востребованные языки программирования:

• язык низкого уровня – Ассемблер.
• язык высокого уровня – С (Си).

Таким образом, подходят не только низкоуровневые, но возможно и программирование микроконтроллеров на С.

Приведём абстрактный пример их различия:

Допустим перед нами стоит задача найти сумму чисел: 25 и 35.

Машинным кодом это описывается так:

• 00000101 1101001

На языке низкого уровня:

• ADD Rd, Rr

На языке высокого уровня:

• 25+35

Как видите, разница в наглядности очевидна.

Поговорим об этих примерах подробнее. Не будем заострять внимание на примере машинного кода, так как он подобен реализации на Ассемблере. На этом языке команды, по своей сути, это те же наборы единиц и нолей, только их последовательностям присвоены буквенные обозначения.

Инструкция ADD Rd, Rr ставит перед микроконтроллером задачу сложения двух чисел, находящихся соответственно в Rd и в Rr (но предварительно необходимо их туда записать). Таким образом, контроллер получает чёткое указание: где что находится, что надо просуммировать, и куда записать результат. В этом заключается работа с электронным устройством напрямую.

Третий пример выглядит как обычная математическая запись. Но, в этом случае микроконтроллер не является прямым объектом нашего воздействия. Перед ним поставлена задача, аналогичная команде на Ассемблере: записать эти числа, произвести арифметическое действие. Записать сумму.

Здесь то и есть главное принципиальное отличие высокоуровневых и языков низкого уровня. Кодирование на Ассемблере независимо от нашего желания подразумевает полный контроль всего процесса: нам известно, в каком месте записаны эти два числа, и мы знаем, где будет результат. Другая картина при использовании языка С: программа сама решает местонахождение чисел и их суммы. В большинстве случаев в этом и нет необходимости, главное получить итог – число 60 на выходе.

Считается, что программы, написанные на языках высокого уровня, лучше воспринимаются, более лаконичны и наглядны (есть и противники такой оценки), им не нужно досконально расписывать каждое действие микроконтроллера.

Эту задачу выполнит компилятор – «переводчик» на машинный код. Тут и скрывается один из недостатков: один и тот же алгоритм, реализованный на Ассемблере и на С после компиляции, будет иметь разный размер. Низкоуровневая программа будет чуть ли не вдовое короче. В некоторых случаях даже делают вставки на Ассемблере в программу, написанную на С.

Быстрый способ начать программировать микроконтроллеры

Специалисты, проектирующие электронные устройства, часто оперируют таким термином как «быстрый старт». Им описывают случаи, когда необходимо в сжатые сроки испытать после тестового программирования, например, микроконтроллер Atmel и посмотреть, как он выполняет элементарные задачи.

Оперативно получив приемлемый результат, можно более углубленно изучить все тонкости и «подводные камни» этого процесса.

Ознакомиться с принципами работы с микроконтроллерами, используя «быстрый старт», освоить методы программирования и создания различных по функционалу умных электронных устройств вам помогут некоторые курсы, обучение в которых построено по принципу «от простого к сложному». Наглядность и обилие практических примеров позволит вам в короткие сроки достигнуть мастерства в программировании микроконтроллеров.

Как изучить новый, но необычайно перспективный вид деятельности? Станьте специалистом в сфере интернета вещей. Вы познакомитесь с основами программирования и создания устройств для Интернета вещей. Научитесь проектировать, разрабатывать и тестировать умные устройства, которые будут управляться через интернет. Курс проводится профессиональными преподавателями, которые помогут вам освоить все необходимые знания и навыки для успешной карьеры в IT-сфере. Не упустите свой шанс стать разработчиком умных устройств!

GeekBrains представляет учебное пособие «Факультет. Инженер умных устройств».

Пройдя этот курс вы можете стать специалистом в области интернета вещей — Internet of Things (IoT) и научиться создавать сеть умных гаджетов. Изучите язык C, способы компилирования, отладки и программирования микроконтроллеров Arduino. Кроме этого, овладев необходимыми знаниями, наработаете опыт работы по технологиям удалённого доступа (Bluetooth, Wi-Fi). Что позволит с лёгкостью конструировать современные встраиваемые системы.

Картинка с сайта: gb.ru

Дарим скидку от 60%
на обучение «Инженер-аналитик» до 01 июня

Уже через 9 месяцев сможете устроиться на работу с доходом от 150 000 рублей

Забронировать скидку

Картинка с сайта: gb.ru

Плюсы прохождения данного курса:

• Регулярно обновляемая программа. Фундаментом служит принцип experiential learning, или по-русски: «повторение – мать учения», который поможет систематизировать накопленные знания и получить практический опыт. Между теоретическими блоками предусмотрен практикум в 7-14 дней для самостоятельного проектирования.
• Получение в виде бонуса Starter box. Подаренное оборудование для работы в первой четверти пригодится для практической работы. Теория чередуется с тренировками, закрепляющими полученные знания. Изучите устройство и принцип действия транзисторов, датчиков и др., и, наконец, самостоятельно сможете осуществить программирование микроконтроллеров.
• Улучшение навыков программирования. В конце каждой четверти в рамках дискуссионного клуба происходит выступление эксперта. Все участники могут напрямую обмениваться опытом и своими наработками.

  Читайте также!

  Суть языков программирования: для чего они нужны

  

  Картинка с сайта: gb.ru

• Компетентные учителя. Авторами этой программы являются преподаватели GeekBrains, имеющие опыт запуска проектов в масштабах России. Единственные представители СНГ на международном форуме Arduino Day 2021, объединившим как любителей, так и профессионалов, занятых конструированием умных устройств.

PCBTok предлагает гибкие способы доставки для наших клиентов, вы можете выбрать один из способов ниже.

1. DHL

DHL предлагает услуги международной экспресс-доставки в более чем 220 стран мира.
DHL сотрудничает с PCBTok и предлагает очень выгодные тарифы для клиентов PCBTok.
Обычно доставка посылки по всему миру занимает 3-7 рабочих дней.

2. ИБП

UPS получает факты и цифры о крупнейшей в мире компании по доставке посылок и одном из ведущих мировых поставщиков специализированных транспортных и логистических услуг.
Обычно доставка посылки по большинству адресов в мире занимает 3-7 рабочих дней.

3. ТНТ

В TNT работает 56,000 61 сотрудников в XNUMX стране мира.
Доставка посылок в руки занимает 4-9 рабочих дней.
наших клиентов.

4. FedEx

FedEx предлагает решения по доставке для клиентов по всему миру.
Доставка посылок в руки занимает 4-7 рабочих дней.
наших клиентов.

5. Воздух, море / воздух и море

Если ваш заказ большого объема с PCBTok, вы также можете выбрать
доставлять по воздуху, по морю / воздуху вместе и по морю, когда это необходимо.
По вопросам доставки обращайтесь к своему торговому представителю.

Примечание: если вам нужны другие, обратитесь к своему торговому представителю за решениями по доставке.

Вы можете использовать следующие способы оплаты:

Телеграфный перевод (TT): Телеграфный перевод (TT) — это электронный метод перевода средств, используемый в основном для международных банковских транзакций. Переносить очень удобно.

Банковский перевод: Чтобы произвести оплату банковским переводом с помощью банковского счета, вам необходимо посетить ближайшее отделение банка и сообщить информацию о банковском переводе. Ваш платеж будет завершен через 3-5 рабочих дней после завершения денежного перевода.

Paypal: Платите легко, быстро и безопасно с PayPal. многие другие кредитные и дебетовые карты через PayPal.

Кредитная карта: Вы можете оплатить кредитной картой: Visa, Visa Electron, MasterCard, Maestro.

Для проекта нам понадобятся:

• программатор CH341A;
• микросхемы памяти EEPROM.

1Обзор программатораCH341A

Как следует из названия программатора, его основная часть – это микросхема CH341A. Рядом с ней располагается кварцевый резонатор на 12 МГц, а также стабилизатор напряжения AMS1117, который выдаёт 3,3 вольта. По бокам от USB разъёма, которым программатор подключается к компьютеру, располагаются светодиодные индикаторы: сверху (на фото) – индикатор питания (POWER), а снизу – индикатор обмена данными между ПК и программатором (RUN). Он включается, когда программатор считывает данные из программируемой микросхемы и когда происходит запись.

Картинка с сайта: soltau.ru

Для подключения программируемых микросхем установлена 16-контактная DIP панель с нулевым усилием (ZIF), которая промаркирована TFXTDOL. С обеих сторон панели располагаются две группы контактов. Их назначение описано на нижней стороне программатора и приводится на фото ниже:

Картинка с сайта: soltau.ru

По названиям выводов понятно, что верхняя (на фото) гребёнка предназначена для обмена по интерфейсу SPI, а нижняя – по UART. Также тут имеется площадка для пайки, на которую можно припаять программируемую микросхему.

Лучше использовать переходные панели с нулевым усилением (т.н. ZIF панели), которые позволяют подключать микросхемы к программатору без пайки посредством DIP панели на верхней стороне.

С помощью перемычки, которая по умолчанию установлена между контактами 1 и 2, можно менять режим работы программатора. Так, если перемычка установлена между контактами 1 и 2, программатор работает в параллельном режиме и определяется в диспетчере устройств Windows как параллельный порт (USB-EPP/I2C), а если между контактами 2 и 3 – в последовательном режиме и определяется в диспетчере устройств как COM-порт.

Картинка с сайта: soltau.ru

Программатор предназначен для чтения и записи данных в микросхемы flash-памяти серий 24 и 25. На шелкографии на нижней стороне программатора CH341A указано, каким образом нужно подключать программируемую микросхему каждой из серий. Приобрести программатор можно на Али-Экспресс, например, здесь, а подходящие микросхемы памяти здесь.

2Софт для работы с программатором CH341A

Программатор CH341A поставляется с программой, которая, к сожалению, давно прекратила своё развитие. Последняя версия программы 1.30 датируется 2009 годом. Программа имеет предельно простой и интуитивно понятный интерфейс, который мы подробней рассмотрим чуть далее. Скачать программу можно в приложении в конце статьи.

Картинка с сайта: soltau.ru

Также существует альтернативное программное обеспечение (например, Программатор SPI, I2C, Microwire FLASH/EEPROM v1.4.0), которое, к сожалению, также не отличается дружелюбным интерфейсом и на сегодняшний день более не поддерживается.

Однако, со своей основной задачей программатор вполне успешно справляется даже со штатным программным обеспечением. В чём мы сейчас и убедимся.

3Чтение и запись ПЗУ с помощью программатора CH341A

Установим программируемую микросхему в DIP-панель и зажмём с помощью специального рычага. Первая ножка микросхемы flash-памяти обозначена на корпусе точкой.

Картинка с сайта: soltau.ru

На нижней стороне программатора, как мы уже видели, отмечено, как необходимо располагать программируемую микросхему.

Картинка с сайта: soltau.ru

Картинка с сайта: soltau.ru

Будьте предельно внимательны при установке программируемой микросхемы. Если её неправильно (и неудачно) подключить, можно вывести из строя или микросхему, или сам программатор. Явным признаком неправильного подключения микросхемы может служить сильный разогрев частей программатора или программируемой микросхемы.

Подключим программатор к компьютеру, перемычка установлена между контактами 1 и 2. При первом запуске программатора необходимо установить драйверы. Скачать драйверы для программатора CH341A можно по ссылке в конце статьи.

После установки драйвера запустим программу CH341A Programmer. Программа автоматически определит, что программатор подключён. В правом нижнем углу в статусной строке программы появится надпись, оповещающая о том, что программа нашла программатор: Состояние: Подключено

Если программа не определила программатор, статусная строка отобразит соответствующее предупреждение.

Нажмите кнопку «Определить» (в разных версиях программы встречаются разные варианты перевода, а изначально интерфейс программы на китайском языке). Программа, если сможет, покажет наиболее подходящие варианты. Также вы можете выбрать тип микросхемы вручную, нажав кнопку «Поиск чипов».

Картинка с сайта: soltau.ru

После того, как чип выбран, нажмите кнопку «Чтение». Программа прочитает и отобразит содержимое чипа в шестнадцатеричном формате (а также в виде текстовых символов в кодировке ASCII).

Кстати, в программе отображается подсказка в виде изображения, как должна быть расположена микросхема при программировании. Так вот, не смотрите на неё. Правильное положение указано на самом программаторе CH341A, как мы видели ранее, и оно не совпадает с нарисованным в программе.

Для записи данных в ПЗУ нужно ввести в поле представления данных в 16-ном формате необходимый массив байтов, а затем нажать кнопку «Запись». Программа начнёт запись данных в микросхему флеш-памяти. Светодиодный индикатор RUN на программаторе загорится оранжевым цветом. По завершении записи программа проверит успешность записи, сверив переданный массив с содержимым в памяти микросхемы, а индикатор погаснет.

Можно убедиться в том, что данные успешно записаны, отключив программатор от компьютера, а затем подключив его и заново считав содержимое ПЗУ.

Можно сохранить считанный из ПЗУ массив данных в файл. Для этого нужно нажать кнопку «Сохранить» и указать желаемое имя файла. А можно, наоборот, загрузить в память данные из файла, нажав кнопку «Открыть».

Как правило, расширения файлов для хранения данных ПЗУ – *.bin, *.hex и *.rom. Но по сути расширение файла в данном случае не имеет никакого значения.

Скачать программу CH341 Programmer и драйверы для программатора CH341A можно по ссылкам в конце статьи.