Программирование микроконтроллеров

Введение

Раздел 2. Среды программирования. Схемы подключения микроконтроллера

Раздел 3. Практическая реализация программы на микроконтроллере

Список использованных источников

Введение

Актуальность темы. Микроконтроллеры используются во всех сферах жизнедеятельности человека, устройствах, которые окружают его. Простота подключения и большие функциональные возможности. С помощью программирования микроконтроллера можно решить многие практические задачи аппаратной техники.

Цель работы . На основе практического примера показать преимущественные характеристики использования микроконтроллеров, необходимости их внедрения в различные устройства.

Можно считать что микроконтроллер (МК) - это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты; высокие производительность, надежность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.

Микроконтроллер помимо центрального процессора (ЦП) содержит память и многочисленные устройства ввода/вывода: аналого-цифровые преобразователи, последовательные и параллельные каналы передачи информации, таймеры реального времени, широтно-импульсные модуляторы (ШИМ), генераторы программируемых импульсов и т.д. Его основное назначение - использование в системах автоматического управления, встроенных в самые различные устройства: кредитные карточки, фотоаппараты, сотовые телефоны, музыкальные центры, телевизоры, видеомагнитофоны и видеокамеры, стиральные машины, микроволновые печи, системы охранной сигнализации, системы зажигания бензиновых двигателей, электроприводы локомотивов, ядерные реакторы и многое, многое другое. Встраиваемые системы управления стали настолько массовым явлением, что фактически сформировалась новая отрасль экономики, получившая название EmbeddedSystems (встраиваемые системы).

Достаточно широкое распространение имеют МК фирмы ATMEL, которые располагают большими функциональными возможностями.

Применение МК можно разделить на два этапа: первый - программирование, когда пользователь разрабатывает программу и прошивает ее непосредственно в кристалл, и второй - согласование спроектированных исполнительных устройств с запрограммируемым МК. Значительно облегчают отладку программы на первом этапе - симулятор, который наглядно моделирует работу микропроцессора. На втором этапе для отладки используется внутрисхемный эмулятор, который является сложным и дорогим устройством, зачастую недоступным рядовому пользователю.

В тоже время в литературе мало уделено внимания вопросам обучения программированию некоторых недорогих МК, в сочетании с реальными исполнительными устройствами.

Разработка макета программатора отличающегося простотой, наглядностью и низкой себестоимостью, становиться необходимой как для самого программирования кристаллов, так и для наглядного обучения широкого круга пользователей основам программирования МК.

Раздел 1. Назначение и область применения, их архитектура

Микроконтроллер - компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства. Эти устройства выполняют свои задачи под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера.

К наиболее распространенным встроенным устройствам относятся устройства памяти и порты ввода/вывода (I/O), интерфейсы связи, таймеры, системные часы. Устройства памяти включают оперативную память (RAM), постоянные запоминающие устройства (ROM), перепрограммируемую ROM (EPROM), электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM). Таймеры включают и часы реального времени, и таймеры прерываний. Средства I/O включают последовательные порты связи, параллельные порты (I/O линии), аналого-цифровые преобразователи (A/D), цифроаналоговые преобразователи (D/A), драйверы жидкокристаллического дисплея (LCD) или драйверы вакуумного флуоресцентного дисплея (VFD). Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.

В отличие от микроконтроллера контроллером обычно называют плату, построенную на основе микроконтроллера, но достаточно часто при использовании понятия "микроконтроллер" применяют сокращенное название этого устройства, отбрасывая приставку "микро" для простоты. Также при упоминании микроконтроллеров можно встретить слова "чип" или "микрочип", "кристалл" (большинство микроконтроллеров изготавливают на едином кристалле кремния), сокращения МК или от английского microcontroller - MC.

микроконтроллер программа микросхема электронный

Микроконтроллеры можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах. и даже кофеварках. Среди производителей микроконтроллеров можно назвать Intel, Motorola, Hitachi, Microchip, Atmel, Philips, Texas Instruments, Infineon Technologies (бывшая Siemens Semiconductor Group) и многих других. Для производства современных микросхем требуются сверхчистые помещения.

Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность данных, обрабатываемых арифметико-логическим устройством (АЛУ). По этому признаку они делятся на 4-, 8-, 16-, 32 - и 64-разрядные. Сегодня наибольшая доля мирового рынка микроконтроллеров принадлежит восьмиразрядным устройствам (около 50 % в стоимостном выражении). За ними следуют 16-разрядные и DSP-микроконтроллеры (DSP - Digital Signal Processor - цифровой сигнальный процессор), ориентированные на использование в системах обработки сигналов (каждая из групп занимает примерно по 20 % рынка). Внутри каждой группы микроконтроллеры делятся на CISC - и RISC-устройства. Наиболее многочисленной группой являются CISC-микроконтроллеры, но в последние годы среди новых чипов наметилась явная тенденция роста доли RISC-архитектуры.

Тактовая частота, или, более точно, скорость шины, определяет, сколько вычислений может быть выполнено за единицу времени. В основном производительность микроконтроллера и потребляемая им мощность увеличиваются с повышением тактовой частоты. Производительность микроконтроллера измеряют в MIPS (Million Instruсtions per Second - миллион инструкций в секунду).

Термин контроллер образовался от английского слова to control - управлять. Эти устройства могут основываться на различных принципах работы от механических или оптических устройств до электронных аналоговых или цифровых устройств. Механические устройства управления обладают низкой надежностью и высокой стоимостью по сравнению с электронными блоками управления, поэтому в дальнейшем мы такие устройства рассматривать не будем. Электронные аналоговые устройства требуют постоянной регулировки в процессе эксплуатации, что увеличивает стоимость их эксплуатации. Поэтому такие устройства к настоящему времени почти не используются. Наиболее распространенными на сегодняшний день схемами управления являются схемы, построенные на основе цифровых микросхем.

В зависимости от стоимости и габаритов устройства, которым требуется управлять, определяются и требования к контроллеру. Если объект управления занимает десятки метров по площади, как, например, автоматические телефонные станции, базовые станции сотовых систем связи или радиорелейные линии связи, то в качестве контроллеров можно использовать универсальные компьютеры. Управление при этом можно осуществлять через встроенные порты компьютера (LPT, COM, USB или Ethernet). В такие компьютеры при включении питания заносится управляющая программа, которая и превращает универсальный компьютер в контроллер.

Использование универсального компьютера в качестве контроллера позволяет в кратчайшие сроки производить разработку новых систем связи, легко их модернизировать (путём простой смены программы) а также использовать готовые массовые (а значит дешёвые) блоки.

Если же к контроллеру предъявляются особенные требования, такие, как работа в условиях тряски, расширенном диапазоне температур, воздействия агрессивных сред, то приходится использовать промышленные варианты универсальных компьютеров. Естественно, что эти компьютеры значительно дороже обычных универсальных компьютеров, но всё равно они позволяют экономить время разработки системы, за счёт того, что не нужно вести разработку аппаратуры контроллера.

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.

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ “

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

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

То есть, по сути, микроконтроллер – это устройство, позволяющее воплотить в жизнь наши идеи (даже бредовые), но, естественно, в пределах своих возможностей. И самое главное, воплощение идеи в жизнь достигается не созданием навороченных электронных конструкций, а лишь только, в основном, силой нашей мысли (желаете стать волшебником?).
Наибольшей популярностью у радиолюбителей пользуются два вида микроконтроллеров:
– PIC – фирмы Microchip Technology
– AVR – фирмы Atmel

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

Что нужно для того, чтобы научиться работать с микроконтроллерами? Я бы выделил несколько, на мой взгляд, главных условий:
1. Желание и настойчивость .
Тут все очень просто: есть желание – все получится. А желание с настойчивостью – вообще, вещь суперская.
2. Знание устройства микроконтроллера.
Здесь не важны глубокие знания (да может и вообще не нужны), но знать, что имеется “на борту” микроконтроллера необходимо. Только зная из чего состоит микроконтроллер, какие устройства в нем есть, их возможности, как они работают – только тогда мы сможем использовать возможности микроконтроллера на полную катушку.
3. Знание языка программирования и команд управления микроконтроллером.
Как будет работать микроконтроллер, какие задачи вы на него возлагаете и как он будет их выполнять, определяется заложенной в него программой – программой которую для микроконтроллера составляете вы сами. И на этом пункте мы остановимся несколько подробней, чтобы рассмотреть вопросы, которые могут появиться в будущем.

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

К примеру, мы хотим, чтобы микроконтроллер мигал светодиодом. Простенькая задача, но тем не менее, для того, чтобы микроконтроллер выполнил эту задачу, мы предварительно должны, шаг за шагом, описать все действия микроконтроллера, написать программу, которую он должен выполнить для получения нужного нам результата – мигающий светодиод. Нечто, вроде такого:
♦ Зажечь светодиод:
- настроить вывод к которому подключен светодиод для работы на вывод информации
- подать на этот вывод логический уровень, который позволит зажечь светодиод
♦ Подождать некоторое время:
- перейти к подпрограмме формирующей паузу (которую тоже нужно “разжевать”)
- по выполнению подпрограммы паузы вернуться в основную программу
♦ Погасить светодиод:
- подать на вывод логический уровень, гасящий светодиод
и так далее.
С термином Программа неразрывно связан другой термин – Алгоритм (как Волк и Заяц, Том и Джерри).

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

Если в программе мы подробнейшим образом прописываем действия микроконтроллера, то в алгоритме мы определяем порядок действий микроконтроллера, на основе которых мы потом создадим программу. По аналогии с вышеприведенном примером:
♦ Зажечь светодиод
♦ Подождать некоторое время
♦ Погасить светодиод
и так далее.
Таким образом, алгоритм – это предшественник программы . И чем тщательно и продумано будет создан алгоритм, тем проще будет создавать программу.

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

Команды для микроконтроллера имеют вид набора единичек и нулей:
00110101 011000100
так называемые – коды команд, а коды команд – это язык который понимает микроконтроллер. А для того, чтобы перевести наш алгоритм с русского языка на язык микроконтроллера – в эти самые наборы нулей и единичек, существуют специальные программы.
Эти программы позволяют описать порядок работы для микроконтроллера на более-менее понятном для нас языке, а затем перевести этот порядок на язык понятный микроконтроллеру, в результате чего получается так называемый машинный код – последовательность команд и инструкций (те самые нули и единички) которые только и понимает микроконтроллер. Текст программы, написанный программистом, называется исходным кодом . Перевод программы с языка программирования (исходного кода) на язык микроконтроллера (машинный код) производится трансляторами . Транслятор превращает текст программы в машинные коды, которые потом записываются в память микроконтроллера.
В таких программах порядок работы микроконтроллера описывается специальным языком – языком программирования. Язык программирования отличается от нашего, человеческого языка. Если наш язык общения служит в основном для того, чтобы обмениваться информацией, то:

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

Существует множество языков программирования и их можно разделить на два типа:
– языки программирования низкого уровня
– языки программирования высокого уровня
Чем они отличаются. А отличаются они своей близостью к микроконтроллеру.
На заре зарождения микропроцессорной техники, программы писали в машинных кодах, то есть весь алгоритм работы последовательно прописывали в виде нулей и единичек. Вот так, примерно, выглядела программа:

01000110
10010011
01010010

Вряд-ли кто сможет разобраться в таком наборе комбинаций из двух цифр, а труд первых программистов был очень трудоемкий. Для облегчения своей жизни, программисты и стали создавать первые языки программирования. Так вот, чем ближе язык программирования к такому набору нулей и единиц тем больше он “низкого уровня”, а чем дальше от них – тем больше “высокого уровня”.
Самые распространенные языки программирования для микроконтроллеров:
- язык низкого уровня – Ассемблер
– язык высокого уровня – С (Си)
Давайте посмотрим на примере их различия (эти примеры абстрактные).
Допустим нам надо сложить два числа: 25 и 35.
В машинных кодах эта команда может выглядеть так:
00000101 1101001
На языке низкого уровня:
ADD Rd, Rr
На языке высокого уровня:
25+35
Различие языков низкого и высокого уровня видны невооруженным глазом, комментарии, как говорится, излишни.
Но давайте копнемся в этих примерах поглубже. Пример машинного кода разбирать не будем, так как он идентичен примеру на Ассемблере. По своей сути, Ассемблерные команды это те же машинные коды (команды) которым просто, чтобы не заблудиться в нулях и единицах, присвоены буквенные аббревиатуры. Ассемблерной командой ADD Rd, Rr мы ставим микроконтроллеру задачу сложить два числа, которые находятся (а для этого мы должны их туда предварительно записать) – первое в Rd, второе в Rr, а результат сложения поместить в Rd. Как видите мы ставим очень конкретную задачу микроконтроллеру: где взять, что с этим сделать и куда поместить результат. В этом случае мы работаем напрямую с микроконтроллером.
Команда на языке высокого уровня: 25+35 , привычная для нас математическая запись, радующая наш глаз. Но в этом случае мы не работаем напрямую с микроконтроллером, мы просто ставим ему задачу сложить два числа. Результат и последовательность действий в данном случае будет тот-же, что и при выполнении ассемблерной команды: сначала эти два числа будут куда-то записаны, затем сложены а результат куда-то помещен.
И вот тут кроется главное отличие языков высокого уровня и низкого уровня. Если в Ассемблере мы контролируем весь процесс (хотим мы того, или нет): мы знаем где записаны эти два числа, и мы знаем где будет находиться результат, то в языке высокого уровня мы процесс не контролируем. Программа сама решает куда предварительно записать числа и куда поместить результат. В большинстве случаев нам это и не надо знать, ведь для нас главное итог – число 60 на выходе. Как результат, программы на языках высокого уровня более читаемы, приятны для глаза и меньше по размеру – ведь нам не приходится “лезть во все дыры” и расписывать каждый шаг микроконтроллера, программа это делает потом за нас, когда компилирует ее – переводит в машинные коды. Но тут есть и минус. Два одинаковых алгоритма написанных на Ассемблере и на Си, после преобразования их в машинные коды будут иметь разный размер: программа написанная на Ассемблере будет на 20-40% короче программы написанной на Си – черт его знает, каким путем идет Си для достижения нужного нам результата. И бывают случаи, когда нет доверия к языку высокого уровня и в программе на Си делают вставки кода, написанные на Ассемблере.
Профессиональные программисты, как правило, знают несколько языков программирования (или работают в команде, в которой есть специалисты по разным языкам), творчески соединяя их возможности и преимущества в одной программе. Ну а нам, любителям, надо знать хотя бы один язык (для начала), и начинать надо (а я в этом твердо уверен, и никто меня не переубедит) с языка низкого уровня – Ассемблера.

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

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

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

Всё популярнее становится тема электронного конструирования. Предлагаем вашему вниманию статью, которая расскажет, микроконтроллеров для начинающих.

Какие микроконтроллеры существуют?

Прежде всего, необходимо обрисовать ситуацию с микроконтроллерами. Дело в том, что они выпускаются не одной фирмой, а сразу несколькими, поэтому существует довольно много различных микроконтроллеров, которые имеют разные параметры, разные особенности при использовании и различные возможности. Различаются они по скорости быстродействия, дополнительным интерфейсам и количеству выводов. Самыми популярными на всем пространстве бывшего СССР являются представители РІС и AVR. Программирование микроконтроллеров AVR и РІС не составляет труда, что и обеспечило их популярность.

Как микроконтроллеры программируются?

Программирование микроконтроллеров осуществляется, как правило, с помощью специальных приспособлений, которые называются программаторами. Программаторы могут быть или покупными или самодельными. Но при прошивке микроконтроллера с помощью самодельного программатора шанс того, что он превратится в «кирпич», довольно высокий. Есть ещё один вариант, который можно рассмотреть на примере платы «Ардуино». Плата работает на МК фирмы Atmel, и в ней осуществляется программирование микроконтроллеров AVR. В плате уже есть заранее прошитый бутлоадер и порт USB, которые позволяют безопасно прошить используемый микроконтроллер, не давая пользователю доступа к данным, что могут этот самый МК вывести из строя. Программирование микроконтроллеров для начинающих не так сложно, как может показаться, и при определённой сноровке и сообразительности избавит вас от необходимости ехать за новым механизмом.

Аппаратные различия разных микроконтроллеров

При выборе микроконтроллеров следует обратить внимание на некоторые аппаратные различия даже не разных компаний, а и в одном модельном ряду. Для начала следует обратить внимание на возможность перезаписи информации на микроконтроллер. Эта функция позволит вам долго экспериментировать с одним МК. Также обратите внимание на количество выводов с их предназначением. Не обделяйте вниманием и частоту работы кристалла, на котором работает схема: от неё зависит количество операций в секунду, которые может выполнить микроконтроллер. При осмотре этих характеристик, а также памяти МК сначала может показаться, что на микроконтроллерах ничего толкового не сделаешь, но это ошибочное мнение. Помните, что программирование микроконтроллеров для начинающих не требует самой лучшей техники вначале, но про запас вы можете взять и что-то более мощное.

Языки программирования микроконтроллеров

В качестве языков программирования микроконтроллеров используется два: С/С++ и ассемблер. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Так, если говорить про ассемблер, то он даёт возможность сделать всё очень тонко и качественно, особенно важно это, когда не хватает оперативной памяти или оперативных мощностей (что, впрочем, довольно редко происходит). Но его изучение и написание программ на нём требует довольно много усилий, пунктуальности и времени. Поэтому для разработок на основе микроконтроллеров часто используют языки программирования С и С++. Они являются более понятными, по своему виду и структуре они близки человеческой речи, хотя и не представляют из себя её в полноценном понимании. Также они имеют очень хорошо проработанный функционал, который может запросто взаимодействовать с аппаратной частью, представляя, что это всего лишь элемент программы. При всех своих явных преимуществах на С и С++ создают более объемные программы, нежели на ассемблере.

Также в отдельных случаях, когда критичным является используемое оперативное пространство, можно соединить эти языки. Почти все среды разработки для С и С++ имеют возможность установки в программу ассемблерных вставок. Поэтому в случае возникновения проблемы на критическом участке можно написать ассемблерную вставку и интегрировать её в прошивку для микроконтроллера, а саму прошивку, точнее, большую её часть, написать на С или С++. Программирование микроконтроллеров на СИ является более лёгким, поэтому многие выбирают именно эти языки. Но те, кто не боится трудностей и хочет понять особенность работы аппаратуры, могут попробовать свои силы и с ассемблером.

Напутствие

Если появилось желание поэкспериментировать с прекрасно. Можно только посоветовать запастись терпением и настойчивостью, и тогда любые цели, поставленные перед изобретателем, окажутся осуществимыми. Программирование микроконтроллеров для начинающих и для опытных людей выглядит по-разному: что для начинающих сложно, то для опытных - рутина. Главное - помнить, что всё, что не противоречит законам физики, является осуществимым и решаемым.

Декабрь 2015 г.

1. Преимущества предлагаемого способа

Схемы устройств на микроконтроллерах (МК) обычно отличаются сочетанием двух трудносовместимых качеств: максимальной простотой и высокой функциональностью. К тому же функциональность может в дальнейшем меняться и расширяться без внесения каких-либо изменений в схему - путём лишь замены программы (перепрошивкой). Эти особенности объясняются тем, что создатели современных МК постарались разместить на одном кристалле всё, что только может потребоваться разработчику электронного устройства - по крайней мере настолько, насколько это возможно. В результате произошло смещение акцента со схемотехнического и монтажного на программный. С использованием МК теперь меньше приходится "нагружать" схему деталями, между компонентами становится меньше соединений. Это, конечно, делает схему более привлекательной для её повторения как опытными, так и начинающими электронщиками. Но, как обычно, за всё приходится платить. Здесь тоже не обошлось без своих сложностей. Если купить новый МК, установить его в правильно собранную из исправных деталей схему и подать питание, то ничего не получится - устройство не будет работать. Микроконтроллеру нужна программа.

Казалось бы с этим тоже всё просто - в интернете можно встретить множество схем с бесплатными прошивками. Но тут возникает одна загвоздка: прошивку необходимо как-то "залить" в микроконтроллер. Для того, кто никогда этим раньше не занимался, такая задача зачастую становится проблемой и главным отталкивающим фактором, нередко заставляющим отказаться от прелестей использования МК и поискать схемы на "рассыпухе" и жесткой логике. А ведь всё не так уж сложно, как может показаться на первый взгляд.

Проанализировав публикации в интернете, можно заметить, что данная проблема решается чаще всего одним из двух путей: покупкой готового программатора или изготовлением самодельного. При этом публикуемые схемы самодельных программаторов очень часто неоправданно сложны - гораздо сложнее, чем это действительно необходимо. Конечно, если предполагается каждый день прошивать МК, лучше иметь "крутой" программатор. Но если надобность в такой процедуре возникает нечасто, от случая к случаю, то можно вообще обойтись без программатора. Нет, конечно, речь идет не о том, чтобы научиться делать это силой мысли. Имеется в виду, что понимая, как происходит взаимодействие программатора с микроконтроллером при записи и считывании информации в режиме его программирования, мы можем обойтись подручными средствами более широкого назначения. Эти средства должны будут заменить как программную, так и аппаратную части программатора. Аппаратная часть должна обеспечить физическое соединение с микросхемой МК, возможность подавать логические уровни на его входы и считывать данные с его выходов. Программная часть должна обеспечить работу алгоритма, управляющего всеми необходимыми процессами. Отметим также, что качество записи информации в МК не зависит от того, насколько "крутой" у вас программатор. Такого понятия, как "лучше записалось" или "хуже" не существует. Есть только два варианта: "записалось" и "не записалось". Это объясняется тем, что непосредственно процессом записи внутри кристалла руководит сам МК. Нужно лишь обеспечить ему качественное питание (отсутствие помех и пульсаций) и правильно организовать интерфейс. Если по результатам контрольного считывания ошибок не выявлено, то все в порядке - можно использовать контроллер по назначению.

Для того, чтобы, не имея программатора, записать в МК программу, нам потребуется преобразователь порта USB-RS232TTL и , а также . Конвертер USB-RS232TTL позволяет при помощи порта USB создать COM-порт, отличающийся от "настоящего" лишь тем, что на его входах и выходах используются логические уровни TTL, то есть напряжение в интервале от 0 до 5 вольт (подробнее можно почитать в статье " "). Такой конвертер в любом случае полезно иметь в "хозяйстве", так что если у вас его еще нет, непременно стоит приобрести. Что касается логических уровней, то в нашем случае TTL - это даже преимущество перед обычным COM-портом, потому что входы и выходы такого порта можно напрямую подключать к любому микроконтроллеру, питающемуся от напряжения 5 В, в том числе ATtiny и ATmega. Но не пытайтесь использовать обычный COM-порт - там используются напряжения в интервале от -12 до +12 В (либо -15...+15В). Непосредственное соединение с микроконтроллером в этом случае недопустимо!!!

Идея создания скрипта для программы "Перпетуум М", реализующего функции программатора, возникла после ознакомления с рядом публикаций в интернете, предлагающих те или иные решения по прошивке МК. В каждом случае обнаруживались серьезные недостатки или чрезмерные сложности. Часто попадались схемы программаторов, содержащие в себе микроконтроллер и при этом вполне серьезно давались советы типа: "... а чтобы запрограммировать микроконтроллер для этого программатора нам потребуется... правильно - другой программатор!". Далее предлагалось сходить к другу, поискать платную услугу и т.п. Качество программного обеспечения, распространяемого в сети для этих целей, также не впечатлило - замечено множество проблем как с функциональностью, так и с "мутностью" пользовательского интерфейса. Зачастую много времени нужно потратить, чтобы понять, как использовать программу - ее необходимо изучать даже ради осуществления простейших действий. Иная программа может долго и усердно что-то делать, но о том, что ничего в МК не записывается, пользователь узнает только после полного завершения всей прошивки и последующего контрольного считывания. Встречается и такая проблема: пользователь пытается выбрать из списка поддерживаемых кристаллов свой МК, а его в списке нет. В этом случае воспользоваться программой не удастся - внесение в список недостающих МК, как правило, не предусмотрено. Кроме того ручной выбор контроллера из списка выглядит странно, если учесть, что программатор во многих случаях может сам определить тип МК. Все это сказано не для того, чтобы облить грязью существующие продукты, а для того, чтобы объяснить причину появления скрипта к программе "Перпетуум М", описываемого в данной статье. Проблема действительно существует, и она касается в первую очередь новичков, которым не всегда удается преодолеть данную "стену", чтобы сделать свой первый шаг в мир микроконтроллеров. В предлагаемом скрипте учтены недостатки, обнаруженные в других программах. Реализована максимальная "прозрачность" работы алгоритма, предельно простой интерфейс пользователя, не требующий изучения и не оставляющий шанса запутаться и "не туда нажать". При отсутствии нужного МК среди поддерживаемых есть возможность самостоятельно добавить его описание, взяв нужные данные из документации, скачанной с сайта разработчика МК. И, самое главное - скрипт открыт для изучения и модификации. Каждый желающий может, открыв в текстовом редакторе, изучать и править его на свое усмотрение, изменяя на свой вкус существующие функции и добавляя недостающие.

Первая версия скрипта была создана в июне 2015 года. В этой версии реализована только поддержка Atmel"овских МК серий ATtiny и ATmega с функциями записи/чтения флэш-памяти, с настройкой конфигурационных бит, с автоматическим определением типа контроллера. Запись и чтение EEPROM не реализованы. Были планы дополнить функциональность скрипта: добавить запись и чтение EEPROM, реализовать поддержку PIC-контроллеров и т.д. По этой причине скрипт до сих пор не был опубликован. Но из-за нехватки времени осуществление задуманного затянулось, и, чтобы лучшее не становилось врагом хорошего, решено опубликовать имеющуюся версию. Если уже реализованных функций окажется недостаточно, прошу не огорчаться. В этом случае вы можете попробовать самостоятельно добавить нужную функцию. Не стану скрывать: идея создания данного скрипта изначально несет в себе еще и образовательный смысл. Разобравшись в алгоритме и добавив к нему что-то свое, вы сможете глубже понять работу МК в режиме программирования, чтобы в будущем не оказаться в положении девушки перед сломавшимся автомоблем, задумчиво разглядывающей его внутренности и не понимающей, почему "не едет".

2. Интерфейс МК в режиме программирования

Существует несколько различных способов перевести контроллер в режим программирования и работать с ним в этом режиме. Самым простым в реализации для контроллеров серий ATtiny и ATmega является, пожалуй, SPI. Им и воспользуемся.

Но, прежде чем приступить к рассмотрению сигналов, необходимых для формирования SPI, сделаем ряд оговорок. Микроконтроллер имеет конфигурационные биты. Это что-то вроде тумблеров, переключение которых позволяет менять некоторые свойства микросхемы в соответствии с нуждами проекта. Физически это ячейки энергонезависимой памяти, вроде тех, в которые записывается программа. Разница в том, что их очень мало (до трех байт для ATmega), и они не входят в адресное пространство какой-либо памяти. Запись и чтение конфигурационных данных выполняется отдельными командами режима программирования МК. Сейчас важно отметить, что некоторые конфигурационные биты влияют на саму возможность использования SPI. При некоторых их значениях может оказаться, что SPI нельзя будет использовать. Если вам попадется такой микроконтроллер, то метод, предлагаемый в данной статье, не поможет. В этом случае придется либо изменить настройки конфигурационных бит в программаторе, который поддерживает иной режим программирования, либо использовать другой микроконтроллер. Но данная проблема касается только бывших в употреблении МК, либо тех, с которыми уже кто-то неудачно "поигрался". Дело в том, что новые МК поставляются с настройками конфигурационных бит, не препятствующими использованию SPI. Это подтверждается и результатами испытаний скрипта-программатора для программы "Перпетуум М", во время которых были успешно прошиты четыре разных МК (ATmega8, ATmega128, ATtiny13, ATtiny44). Все они были новые. Начальная настройка конфигурационных бит соответствовала документации и не мешала использованию SPI.

Учитывая сказанное выше, следует обращать внимание на следующие биты. Бит SPIEN в явном виде разрешает или запрещает использование SPI, следовательно в нашем случае его значение должно быть разрешающим. Бит RSTDISBL способен превратить один из выводов микросхемы (заранее предопределенный) во вход сигнала "сброс", либо не превратить (в зависимости от записанного в этот бит значения). В нашем случае вход "сброс" необходим (при его отсутствии не получится перевести МК в режим программирования через SPI). Есть еще биты группы CKSEL, задающие источник тактового сигнала. Они не препятствуют использованию SPI, но их тоже необходимо иметь в виду, потому что при полном отсутствии тактовых импульсов, либо при их частоте ниже допустимой для заданной скорости SPI, также ничего хорошего не получится. Обычно у новых МК, имеющих внутренний RC-генератор, биты группы CKSEL настроены на его использование. Нас это вполне устраивает - тактирование обеспечено без каких-либо дополнительных усилий с нашей стороны. Ни кварцевый резонатор припаивать, ни внешний генератор подключать не нужно. Если же указанные биты содержат иную настройку, придется позаботится о тактировании в соответствии с настройкой. В этом случае может потребоваться подключение к МК кварцевого резонатора или внешнего тактового генератора. Но в рамках данной статьи мы не будем рассматривать, как это делается. Примеры подключения МК для программирования, содержащиеся в данной статье, рассчитаны на самый простой случай.

Рис. 1. Обмен данными по SPI в режиме программирования

Теперь обратимся к рисунку 1, взятому из документации на МК ATmega128A. На нем показан процесс передачи одного байта в МК и одновременного приема одного байта из МК. Оба эти процесса, как видим, используют одни и те же тактовые импульсы, поступающие от программатора в микроконтроллер на его вход SCK - один из выводов микросхемы, для которого в режиме программирования по SPI отведена такая роль. Еще две сигнальные линии обеспечивают прием и передачу данных по одному биту за такт. Через вход MOSI данные поступают в микроконтроллер, а с выхода MISO снимаются считываемые данные. Обратите внимание на две пунктирные линии, проведенные от SCK к MISO и MOSI. Они показывают, в какой момент микроконтроллер "проглатывает" выставленный на входе MOSI бит данных, и в какой момент сам выставляет на выход MISO свой бит данных. Все достаточно просто. Но чтобы ввести МК в режим программирования нам еще потребуется сигнал RESET. Не забудем также про общий провод GND и питание VCC. В общей сложности выходит, что к микроконтроллеру для его прошивки по SPI нужно подключить всего 6 проводков. Ниже разберем это подробнее, а пока добавим, что обмен данными с МК в режиме программирования по SPI выполняется пакетами по 4 байта. Первый байт каждого пакета в основном полностью отводится под кодирование команды. Второй байт в зависимости от первого может быть продолжением кода команды, либо частью адреса, а может иметь произвольное значение. Третий байт используется в основном для передачи адресов, но во многих командах может иметь произвольное значение. Четвертый байт обычно передает данные, либо имеет произвольное значение. Одновременно с передачей четвертого байта в некоторых командах принимаются данные, поступающие из МК. Подробности по каждой команде можно найти в документации на контроллер в таблице под названием "SPI Serial Programming Instruction Set". Пока отметим лишь, что весь обмен с контроллером построен из последовательности 32-битных пакетов, в каждом из которых передается не более одного байта полезной информации. Это не очень оптимально, но в целом работает неплохо.

3. Подключение МК для программирования

Чтобы обеспечить подачу на входы микроконтроллера всех необходимых сигналов для организации интерфейса SPI и чтение данных с его выхода MISO, не обязательно создавать программатор. Это легко осуществить при помощи самого обыкновенного конвертера USB-RS232TTL.

В интернете часто можно встретить информацию о том, что такие конвертеры неполноценны, что с ними ничего серьезного сделать нельзя. Но в отношении большинства моделей конвертеров такое мнение ошибочно. Да, существуют в продаже конвертеры, у которых доступны не все входы и выходы по сравнению со стандартным COM-портом (например, только TXD и RXD), имеющие при этом неразборную конструкцию (микросхема залита пластмассой - невозможно добраться до ее выводов). Но такие и покупать не стоит. В некоторых случаях получить недостающие входы и выходы порта можно, подпаяв проводки непосредственно к микросхеме. Пример такого "усовершенствованного" конвертера показан на рисунке 2 (микросхема PL-2303 - подробнее о назначении ее выводов в статье " "). Это одна из самых дешевых моделей, но обладающая своими преимуществами при использовании в самодельных конструкциях. Широко распространены и полнофункциональные шнуры-переходники со стандартным девятиконтактным разъемом на конце, как у COM-порта. От обычного COM-порта они отличаются только уровнями TTL и несовместимостью с устаревшим программным обеспечением и некоторым старым оборудованием. Можно еще отметить, что шнуры на микросхеме CH34x на различных экстремальных тестах показывают себя гораздо более надежными и стабильными по сравнению с преобразователями на PL-2303. Впрочем, при обычном использовании разница не заметна.

При выборе конвертера USB-RS232TTL следует также обращать внимание на совместимость его драйвера с версией используемой операционной системы.

Рассмотрим подробнее принцип соединения микроконтроллера и конвертера USB-RS232TTL на примере четырех разных моделей МК: ATtiny13, ATtiny44, ATmega8 и ATmega128. На рисунке 3 показана общая схема такого соединения. Вас может удивить, что сигналы RS232 (RTS, TXD, DTR и CTS) используются не по назначению. Но не стоит об этом беспокоиться: программа "Перпетуум М" способна работать с ними напрямую - устанавливать значения на выходах и читать состояния входа. Во всяком случае широко распространенные конвертеры USB-RS232TTL на микросхемах CH34x и PL-2303 такую возможность обеспечивают - это проверено. С другими популярными конвертерами также проблем быть не должно, так как для доступа к порту используются стандартные функции Windows.

Резисторы, показанные на общей схеме, в принципе можно не устанавливать, но все-таки лучше установить. Каково их назначение? Используя ТТЛ"овские входы и выходы конвертера и пятивольтное питание микроконтроллера, мы тем самым избавляемся от необходимости согласования логических уровней - все и так вполне корректно. Значит, соединения могут быть непосредственными. Но во время экспериментов бывает всякое. Например по закону подлости отвертка может упасть как раз в то место, куда она никак не могла бы упасть, и замкнуть то, что ни в коем случае нельзя замыкать. В роли "отвертки", конечно, может оказаться все, что угодно. Резисторы в этом случае иногда уменьшают последствия. Еще одно их назначение состоит в устранении возможного конфликта выходов. Дело в том, что по окончании программирования микроконтроллер переходит в обычный режим работы, и может так получиться, что его вывод, соединенный с выходом конвертера (RTS, TXD или DTR) тоже становится выходом, согласно только что записанной в МК программе. В этом случае будет очень нехорошо, если два напрямую соединенных выхода будут "бороться" - пытаться установить разные логические уровни. В такой "борьбе" кто-то может и "проиграть", а нам этого не надо.

Номиналы трех резисторов выбраны на уровне 4,3 КОм. Это касается соединений выход конвертера - вход микроконтроллера. Точность резисторов роли не играет: можно уменьшить их сопротивление до 1 КОм или увеличить до 10 КОм (но во втором случае увеличивается риск помех при использовании длинных проводов на пути к МК). Что же касается соединения вход конвертера (CTS) - выход микроконтроллера (MISO), то здесь применен резистор сопротивлением 100 Ом. Это объясняется особенностями входа использованного конвертера. Во время испытаний был использован конвертер на микросхеме PL-2303, входы которой, судя по всему, подтянуты к плюсу питания относительно низким сопротивлением (порядка нескольких сот Ом). Чтобы "перебить подтяжку" пришлось поставить резистор со столь маленьким сопротивлением. Впрочем, можно его вообще не ставить. На конвертере это всегда вход. Выходом он стать не может, а значит, конфликта выходов не будет при любом развитии событий.

Если микросхема имеет отдельный вывод AVCC для питания аналогово-цифрового преобразователя (например, ATmega8 или ATmega128), его следует соединить с выводом общего питания VCC. Некоторые микросхемы имеют более одного вывода питания VCC или более одного GND. Например, ATmega128 имеет 3 вывода GND и 2 вывода VCC. В постоянной конструкции одноименные выводы лучше соединить между собой. В нашем же случае на время программирования можно задействовать по одному выводу VCC и GND.

А вот как выглядит подключение ATtiny13. На рисунке показано назначение выводов, используемых при программировании через SPI. Рядом на фото - как временное подключение выглядит в реальности.

Кто-то может сказать, что это несерьезно - соединения на проводках. Но мы же с вами люди здравомыслящие. Наша цель состоит в том, чтобы запрограммировать микроконтроллер, затратив на это минимум времени и прочих ресурсов, а не в том, чтобы перед кем-то покрасоваться. Качество при этом не страдает. Метод "на проводках" в данном случае вполне эффективен и оправдан. Прошивка контроллера - процедура разовая, поэтому нет смысла обвешивать ее "стразиками". Если же предполагается менять прошивку в дальнейшем, не извлекая контроллер из схемы (в готовом изделии), то это учитывается в монтаже при изготовлении устройства. Обычно для этой цели устанавливается разъем (RESET, SCK, MOSI, MISO, GND), а МК может быть прошит даже после установки на плату. Но это уже творческие изыски. Мы же рассматриваем самый простой случай.

Теперь перейдем к МК ATtiny44. Здесь все примерно так же. По рисунку и фото даже новичку не составит труда разобраться с подключением. Подобно ATtiny44 можно подключать МК ATtiny24 и ATtiny84 - назначение выводов у этой троицы совпадает.

Еще один пример временного подключения контроллера для его программирования - ATmega8. Здесь выводов побольше, но принцип тот же - несколько проводков, и вот уже контроллер готов к "заливке" в него информации. Лишний черный провод на фото, идущий от вывода 13, в программировании участия не принимает. Он предназначен для снятия с него звукового сигнала после выхода МК из режима программирования. Это связано с тем, что во время отладки скрипта для "Перпетуум М" в МК закачивалась программа музыкальной шкатулки.

Часто один контроллер выпускается в разных корпусах. При этом назначение выводов для каждого корпуса распределено по-своему. Если корпус вашего контроллера не похож на тот, что изображен на рисунке, уточните назначение выводов по технической документации, скачать которую можно с сайта разработчика МК.

Для полноты картины посмотрим подключение микросхемы МК с большим числом "ножек". Назначение лишнего черного провода на фото, идущего от вывода 15, точно такое же, как в случае с ATmega8.

Вероятно, вы уже убедились, что все достаточно просто. Кто умеет считать выводы у микросхем (от метки по кругу против часовой стрелки), тот разберется. И не забывайте про аккуратность. Микросхемы любят аккуратных и не прощают небрежного к себе отношения.

Прежде чем переходить к программной части, убедитесь, что драйвер конвертера USB-RS232TTL корректно установлен (проверьте диспетчер устройств Windows). Запомните или запишите номер виртуального COM-порта, появляющегося при подключении конвертера. Этот номер нужно будет вписать в текст скрипта, о котором читайте ниже.

4. Скрипт - программатор для "Перпетуум М"

С аппаратной частью "программатора" разобрались. Это уже полдела. Теперь осталось разобраться с программной частью. Ее роль будет выполнять программа "Перпетуум М" под управлением скрипта, в котором и реализованы все необходимые функции по взаимодействию с микроконтроллером.

Архив со скриптом следует распаковать в ту же папку, где находится программа perpetuum.exe. В этом случае при запуске файла perpetuum.exe на экран будет выводиться меню со списком установленных скриптов, среди которых будет строка "Программатор МК AVR" (она может быть единственной). Именно эта строка нам и потребуется.

Скрипт находится в папке PMS в файле "Программатор МК AVR.pms". Этот файл можно просматривать, изучать и править при необходимости в обычном текстовом редакторе вроде "Блокнота" Windows. Перед использованием скрипта скорее всего потребуется внести изменения в текст, связанные с настройкой порта. Для этого уточните в диспетчере устройств Windows имя используемого порта и, при необходимости, внесите соответствующую поправку в строку "ИмяПорта="COM4";" - вместо цифры 4 может стоять другая цифра. Также при использовании другой модели конвертера USB-RS232TTL может потребоваться изменение настроек инвертирования сигналов (строки скрипта, начинающиеся со слова "Высокий"). Проверить инвертирование сигналов конвертером USB-RS232TTL можно с помощью одного из примеров, содержащегося в инструкции к программе "Перпетуум М" (раздел функций для работы с портом).

Во вложенной папке MK_AVR находятся файлы с описаниями поддерживаемых контроллеров. Если нужного контроллера среди них не окажется, вы можете добавить нужный самостоятельно, действуя по аналогии. Возьмите за образец один из файлов, и при помощи текстового редактора введите необходимые данные, взяв их из документации на свой микроконтроллер. Главное - будьте внимательны, вводите данные без ошибок, иначе МК не запрограммируется, или запрограммируется неправильно. В исходной версии поддерживаются 6 микроконтроллеров: ATtiny13, ATtiny24, ATtiny44, ATtiny84, ATmega8 и ATmega128. В скрипте реализовано автоматическое распознавание подключенного контроллера - вручную указывать не нужно. При отсутствии считанного из МК идентификатора среди имеющихся описаний, выдается сообщение, что распознать контроллер не удалось.

В архиве со скриптом содержится также дополнительная информация. В папке "inc-файлы контроллеров AVR" находится очень полезная и обширная коллекция файлов описаний контроллеров. Эти файлы используются при написании собственных программ для МК. Еще четыре папки "MusicBox_..." содержат файлы с программой на Ассемблере и готовой к закачке в МК прошивкой отдельно для ATtiny13, ATtiny44, ATmega8 и ATmega128. Если вы уже подключили один из этих МК для программирования, как это предложено в данной статье, то можете прямо сейчас его прошить - получится музыкальная шкатулка. Об этом ниже.

При выборе в меню скриптов строчки "Программатор МК AVR", скрипт начинает исполняться. При этом он открывает порт, посылает в МК команду перехода в режим программирования, принимает подтверждение от МК об успешном переходе, запрашивает идентификатор МК и отыскивает описание данного МК по его идентификатору среди имеющихся файлов с описаниями. Если не находит нужного описания, выдает соответствеющее сообщение. Если же описание найдено, далее открывается главное меню программатора. Его скриншот вы можете видеть на рисунке 8. Далее разобраться не сложно - меню очень простое.

В первой версии скрипта некоторые функции полноценного программатора не реализованы. Например, нет возможности читать и писать в EEPROM. Но если вы откроете скрипт в текстовом редакторе, то увидите, что он имеет очень небольшой размер при том, что основное в нем уже реализовано. Это говорит о том, что добавить недостающие функции не так уж и сложно - язык очень гибкий, он позволяет в небольшой программе реализовать богатую функциональность. Но для большинства случаев хватит даже имеющихся функций.

Некоторые ограничения функциональности описаны непосредственно в тексте скрипта:
//реализована запись только с нулевого адреса (Extended Segment Address Record игнорируется, LOAD OFFSET - тоже)
//порядок и непрерывность следования записей в HEX-файле не проверяется
//контрольная сумма не проверяется
Это касается работы с HEX-файлом, из которого берется код прошивки для МК. Если этот файл не искажен, проверка контрольной суммы ни на что не повлияет. Если искажен - средствами скрипта это выявить не удастся. Остальные ограничения в большинстве случаев не помешают, но иметь в виду их все-таки нужно.

5. Музыкальная шкатулка - простая поделка для начинающих

Если у вас есть один из этих микроконтроллеров: ATtiny13, ATtiny44, ATmega8 или ATmega128, вы можете легко превратить его в музыкальную шкатулку или музыкальную открытку. Для этого достаточно записать в МК соответствующую прошивку - одну из тех четырех, которые размещены в папках "MusicBox_..." в одном архиве со скриптом. Коды прошивок хранятся в файлах с расширением ".hex". Использовать ATmega128 для такой поделки, конечно, "жирновато", как и ATmega8. Но это может быть полезно для тестирования или экспериментов, иначе говоря - в учебных целях. Тексты программ на Ассемблере также прилагаются. Программы создавались не с нуля - за основу была взята программа музыкальной шкатулки из книги А.В.Белова "Микроконтроллеры AVR в радиолюбительской практике". Исходная программа претерпела ряд существенных изменений:
1. адаптирована для каждого из четырех МК: ATtiny13, ATtiny44, ATmega8 и ATmega128
2. ликвидированы кнопки - к контроллеру вообще ничего не нужно подключать, кроме питания и звукоизлучателя (мелодии воспроизводятся одна за другой в бесконечном цикле)
3. длительность каждой ноты уменьшена на длительность паузы между нотами для устранения нарушения музыкального ритма
4. подключена восьмая мелодия, незадействованная в книжной версии
5. из субъективного: некоторые "улучшайзинги" для оптимизации и более легкого восприятия алгоритма

В некоторых мелодиях слышится фальшь и даже грубые ошибки, особенно в "Улыбке" - в середине. Коды мелодий взяты из книги (а точнее - скачаны с сайта автора книги вместе с исходным asm-файлом) и не подвергались изменениям. Судя по всему, в кодировке мелодий имеются ошибки. Но это не проблема - кто "дружит" с музыкой, без труда во всем разберется и исправит.

В ATtiny13 из-за отсутствия 16-битного счетчика для воспроизведения нот пришлось использовать 8-битный, что привело к некоторому снижению точности звучания нот. Но на слух это мало заметно.

Насчет конфигурационных бит. Их настройка должна соответствовать состоянию нового микроконтроллера. Если ваш МК ранее где-то использовался, нужно проверить состояние его конфигурационных бит, и, при необходимости, привести их в соответствие настройкам нового микроконтроллера. Узнать состояние конфигурационных бит нового микроконтроллера можно из документации на этот МК (раздел "Fuse Bits"). Исключение составляет ATmega128. У этого МК имеется бит M103C, который включает режим совместимости с более старым ATmega103. Активизация бита M103C сильно урезает возможности ATmega128, причем у нового МК этот бит активен. Нужно сбросить M103C в неактивное состояние. Для манипуляций с конфигурационными битами используйте соответствующий раздел меню скрипта-программатора.

Схему музыкальной шкатулки приводить нет смысла: в ней только микроконтроллер, питание и пьезозвукоизлучатель. Питание подается точно так же, как мы это проделали при программировании МК. Звукоизлучатель подключается между общим проводом (вывод GND контроллера) и одним из выводов МК, номер которого можно посмотреть в файле с ассемблерным кодом программы (*.asm). В начале текста программы для каждого МК в комментариях имеется строчка: "звуковой сигнал формируется на выводе ХХ". При завершении работы скрипта - программатора микроконтроллер выходит из режима программирования и переходит в обычный режим работы. Сразу же начинается воспроизведение мелодий. Подключив звукоизлучатель, можно это проверить. Оставлять звукоизлучатель подключенным во время программирования кристалла можно только в том случае, если звук снимается с вывода, не задействованного в SPI, иначе дополнительная емкость на выводе может помешать программированию.