Программирование контроллеров для начинающих своими руками пошаговая инструкция

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:

Программирование микроконтроллеров для начинающих

Введение в микроконтроллеры

Микроконтроллеры — это небольшие компьютеры на одном интегральном чипе, которые используются для управления различными устройствами и системами. Они содержат процессор, память и периферийные устройства, что делает их идеальными для встраиваемых систем. Примеры использования микроконтроллеров включают бытовую технику, автомобили, медицинские устройства и многое другое. В отличие от обычных компьютеров, микроконтроллеры предназначены для выполнения конкретных задач и часто работают в реальном времени.

Микроконтроллеры отличаются от микропроцессоров тем, что они включают в себя все необходимые компоненты для выполнения задач без необходимости в дополнительных внешних компонентах. Это делает их более компактными и экономичными. Например, микропроцессор требует внешней памяти и периферийных устройств для полноценной работы, тогда как микроконтроллер имеет встроенную память и периферийные устройства, такие как таймеры, АЦП и UART. Это позволяет создавать более компактные и энергоэффективные устройства.

Картинка с сайта: sky.pro

Выбор микроконтроллера и инструментов

Как выбрать микроконтроллер

Выбор микроконтроллера зависит от множества факторов, включая:

• Производительность: Сколько вычислительной мощности вам нужно? Например, для простых задач, таких как мигание светодиода, достаточно микроконтроллера с низкой производительностью, тогда как для сложных задач, таких как обработка сигналов или управление роботами, может потребоваться более мощный микроконтроллер.
• Память: Сколько памяти требуется для вашего проекта? Микроконтроллеры могут иметь различное количество флеш-памяти для хранения программ и оперативной памяти для выполнения задач. Оцените объем памяти, необходимый для вашего проекта, чтобы избежать проблем с нехваткой ресурсов.
• Периферийные устройства: Какие дополнительные функции вам нужны (например, АЦП, UART, SPI)? Микроконтроллеры могут иметь встроенные периферийные устройства, такие как аналогово-цифровые преобразователи (АЦП), интерфейсы UART, SPI и I2C. Убедитесь, что выбранный микроконтроллер поддерживает все необходимые вам функции.
• Стоимость: Какой у вас бюджет? Стоимость микроконтроллеров может варьироваться в зависимости от их характеристик и производителя. Определите свой бюджет и выберите микроконтроллер, который соответствует вашим требованиям и финансовым возможностям.

Популярные микроконтроллеры для начинающих включают семейства Arduino и STM32. Arduino особенно популярен благодаря своей простоте и большому сообществу пользователей. STM32 предлагает более широкий спектр возможностей и производительности, что делает его отличным выбором для более сложных проектов.

Инструменты для программирования

Для программирования микроконтроллеров вам понадобятся следующие инструменты:

• Среда разработки (IDE): Например, Arduino IDE или STM32CubeIDE. Эти среды разработки предоставляют удобные инструменты для написания, компиляции и загрузки кода на микроконтроллер. Arduino IDE особенно удобна для начинающих благодаря своей простоте и интуитивно понятному интерфейсу.
• Компилятор: Для преобразования вашего кода в машинный код, который может быть выполнен микроконтроллером. Компиляторы, такие как GCC, поддерживают различные архитектуры микроконтроллеров и обеспечивают оптимизацию кода для эффективного использования ресурсов.
• Программатор/отладчик: Для загрузки кода на микроконтроллер и отладки. Программаторы и отладчики позволяют загружать прошивки на микроконтроллер и отслеживать выполнение кода в реальном времени, что упрощает процесс отладки и устранения ошибок.

Основы программирования микроконтроллеров

Языки программирования

Наиболее распространенными языками программирования для микроконтроллеров являются C и C++. Эти языки обеспечивают высокий уровень контроля над аппаратными ресурсами и эффективное использование памяти. C и C++ позволяют напрямую работать с регистрами микроконтроллера и управлять периферийными устройствами, что делает их идеальными для встраиваемых систем.

Структура программы

Программа для микроконтроллера обычно состоит из двух основных частей:

1. Инициализация: Настройка всех необходимых периферийных устройств и начальных условий. В этой части программы вы задаете начальные значения регистров, конфигурируете порты ввода-вывода и настраиваете периферийные устройства, такие как таймеры и АЦП.
2. Основной цикл (loop): Бесконечный цикл, в котором выполняются основные задачи программы. Основной цикл программы выполняется непрерывно и содержит логику управления устройством. В этом цикле вы можете обрабатывать входные сигналы, управлять выходами и выполнять другие задачи.

Пример программы на Arduino:

Этот простой пример показывает, как настроить встроенный светодиод на плате Arduino и заставить его мигать с интервалом в 1 секунду. Функция setup() выполняется один раз при запуске программы и используется для инициализации настроек. Функция loop() выполняется непрерывно и содержит основной код программы.

Практическое руководство: первый проект

Шаг 1: Подготовка

1. Выберите микроконтроллер: Например, Arduino Uno. Arduino Uno — это отличная плата для начинающих, так как она проста в использовании и имеет большое сообщество поддержки.
2. Установите среду разработки: Скачайте и установите Arduino IDE. Arduino IDE доступна для Windows, macOS и Linux и предоставляет все необходимые инструменты для разработки и загрузки кода на плату Arduino.
3. Подключите микроконтроллер: Подключите Arduino Uno к компьютеру с помощью USB-кабеля. Убедитесь, что драйверы для платы установлены правильно, чтобы компьютер мог распознать устройство.

Шаг 2: Написание кода

Откройте Arduino IDE и введите следующий код:

Этот код заставит встроенный светодиод на плате Arduino мигать с интервалом в 1 секунду. Функция pinMode() используется для настройки пина как выхода, а функции digitalWrite() и delay() управляют состоянием светодиода и задают задержку между переключениями.

Шаг 3: Загрузка кода

1. Выберите плату и порт: В меню «Инструменты» выберите вашу плату (Arduino Uno) и соответствующий порт. Убедитесь, что выбран правильный COM-порт, к которому подключена плата.
2. Загрузите код: Нажмите кнопку «Загрузить» в Arduino IDE. Код будет скомпилирован и загружен на микроконтроллер. Если все прошло успешно, вы увидите сообщение о завершении загрузки в нижней части окна IDE.

Шаг 4: Проверка работы

После загрузки кода встроенный светодиод на плате Arduino должен начать мигать с интервалом в 1 секунду. 🎉 Это означает, что ваш первый проект успешно завершен, и вы готовы перейти к более сложным задачам.

Советы и ресурсы для дальнейшего обучения

Советы

• Начинайте с простых проектов: Например, мигание светодиода или управление сервоприводом. Простые проекты помогут вам освоить основы программирования микроконтроллеров и научиться работать с различными периферийными устройствами.
• Изучайте документацию: Внимательно читайте документацию на микроконтроллер и периферийные устройства. Документация содержит важную информацию о функциях и возможностях микроконтроллера, а также примеры кода и схемы подключения.
• Экспериментируйте: Не бойтесь пробовать новые вещи и делать ошибки — это часть процесса обучения. Попробуйте изменить параметры в вашем коде, добавить новые функции и экспериментировать с различными периферийными устройствами.

Ресурсы

• Официальные сайты: Arduino (arduino.cc), STM32 (st.com). На этих сайтах вы найдете документацию, примеры проектов, библиотеки и другие полезные ресурсы для работы с микроконтроллерами.
• Форумы и сообщества: Arduino Forum, Reddit r/embedded. Форумы и сообщества — отличное место для получения помощи и обмена опытом с другими разработчиками. Вы можете задать вопросы, поделиться своими проектами и найти решения для возникающих проблем.
• Онлайн-курсы: Coursera, Udemy, edX. Онлайн-курсы предлагают структурированные программы обучения, которые помогут вам освоить программирование микроконтроллеров с нуля. Курсы часто включают видеоуроки, практические задания и проекты, что делает процесс обучения более эффективным.

Программирование микроконтроллеров — это увлекательное и полезное занятие, которое открывает множество возможностей для создания различных проектов. Начните с простых задач и постепенно переходите к более сложным проектам. Удачи! 😉

Читайте также

Достаточно часто в личке ко мне обращаются люди с просьбой дать ссылки на полезные сайты, нужную информацию по программированию микроконтроллеров, необходимые программы и т.п. находясь при этом в самом начале своего познания микроконтроллеров. Сам я проходил через это буквально полтора года назад, имея нулевые знания и знаю, насколько это сложно, дать себе первоначального пинка, разобраться в лавине информации по микроконтроллерам, которую выдают поисковики, когда на тебя обрушивается куча непонятной информации и т. п.

Постараюсь объяснить на простом языке, для людей, умеющих держать паяльник, знающих, что такое цифровая микросхема логики, умеющих читать схемы и пользоваться мультиметром.

Микроконтроллеры бывают разных фирм, которые делают одно и тоже дело, но разными методами. Сравнить это можно с человеческими расами: европейцы, китайцы и африканцы например. Я лично работаю с микроконтроллерами фирмы Атмел, про них и буду говорить. Ну уж пошло сравнение с расами, пускай это будут европейцы.) Программы для микроконтроллеров пишут на языках программирования. Я рекомендую начать с языка Си. Это древний и простой язык. Для написания текста програмы используют программы компиляторы. Они позволяют создавать, редактировать и переваривать написанный программистом текст программы в код (прошивку), который можно загрузить (прошить) в микроконтроллер. Таких программ есть множество. Пример для Атмел: Code VisionAVR, родная от Атмел AVR Studio, Bascom-avr и ещё.
Эти программы делают одно и тоже дело, но своими методами, особенностями достоинствами и недостатками. При это текст Си в тих программах компиляторах немного отличается, но в общем похож. Можно сравнить с различием украинского, русского и белорусского языка. Я использую Code VisionAVR, что и советую начинающим.

Далее я приведу простой текст программы, написанный на языке Си в компиляторе Code VisionAVR для микроконтроллера ATTiny13A. В конце темы есть проект, прошивка и проект для эмулятора протеуса. Микроконтроллер в этой программе умеет делать простую вещь: при помощи кнопки менять логическое состояние на двух выходах, при этом короткое нажатие меняет состояние первого выхода а длинное — второго. В автомобиле например эту схему можно применить для управления одной кнопкой обогревом заднего стекла (которая есть у многих штатно) и добавленным обогревом зеркал. Нажал коротко на кнопку — сработал обогрев стекла, нажал ещё — обогрев стекла выключился. Если нажать и удерживать кнопку, то через какое-то время включиться обогрев зеркал. Если нажать и удерживать кнопку повторно — обогрев зеркал отключится.

Для понятия текста нужно знать грамматику, правила писанины языка Си, этого материала в интернете предостаточно. Так же желательно ознакомиться хотя бы с материалом, по использованию мастера создания проектов в CodeVisionAVR.

Текст программы:

/*****************************************************
This program was produced by the
CodeWizardAVR V2.05.0 Professional
Automatic Program Generator
© Copyright 1998-2010 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l.
www.hpinfotech.com

Project :
Version :
Date : 28.01.2012
Author :
Company :
Comments:

Chip type : ATtiny13A
AVR Core Clock frequency: 9,600000 MHz
Memory model : Tiny
External RAM size : 0
Data Stack size : 16
*****************************************************/

#include <tiny13a.h>
#include <delay.h>

unsigned char b, trig;

void main(void)
{
// Declare your local variables here

// Crystal Oscillator division factor: 1
#pragma optsize-
CLKPR=0x80;
CLKPR=0x00;
#ifdef _OPTIMIZE_SIZE_
#pragma optsize+
#endif

PORTB=0x01;
DDRB=0x06;

TCCR0A=0x00;
TCCR0B=0x00;
TCNT0=0x00;
OCR0A=0x00;
OCR0B=0x00;

GIMSK=0x00;
MCUCR=0x00;

TIMSK0=0x00;

ACSR=0x80;
ADCSRB=0x00;
DIDR0=0x00;

ADCSRA=0x00;

while (1)
{
if (PINB.0==0)
{
if (trig==0) b++;
if (b>100)
{
if (PINB.2==0)PORTB.2=1;
else PORTB.2=0;
trig=1;
b=0;
}
}
else
{
if (b>4)
{
if (PINB.1==0)PORTB.1=1;
else PORTB.1=0;
b=0;
}
b=0;
trig=0;
}

delay_ms(10);

}
}

А теперь поподробнее.

/*****************************************************
This program was produced by the
CodeWizardAVR V2.05.0 Professional
Automatic Program Generator
© Copyright 1998-2010 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l.
www.hpinfotech.com

Project :
Version :
Date : 28.01.2012
Author :
Company :
Comments:

Chip type : ATtiny13A
AVR Core Clock frequency: 9,600000 MHz
Memory model : Tiny
External RAM size : 0
Data Stack size : 16
*****************************************************/

Это шапка, в которой содержится описание проекта, необходимые данные. Текст закомментирован знаками комментария /* в начале и */ в конце. Все, что находится между этими знаками программой не выполняется. Самое полезное здесь это указание типа микроконтроллера и его частота.

#include <tiny13a.h>
#include <delay.h>

Это ссылка на библиотеку. Если какая либо библиотека необходима, то она должна быть здесь указана. У нас есть библиотека самого микроконтроллера tiny13a.h, и библиотека задержек времени.

unsigned char a, b, trig;

Объявление трех переменных. unsigned char . Что это такое можно посмотреть здесь Вообще всё непонятное копируем в буфер и ищем в поисковике.

void main(void)
{
// Declare your local variables here

void main(void) — это оператор, говорящий что началась основная часть программы на Cи и микроконтроллер будет её с этого места выполнять. Все что начинается с // — это комментарий. Старайтесь чаще ими пользоваться. Вообще конкретный комментарий генерирует сам компилятор, как и во многих других местах. Большинство комментариев я удалил, что уменьшить текст.

// Crystal Oscillator division factor: 1
#pragma optsize-
CLKPR=0x80;
CLKPR=0x00;
#ifdef _OPTIMIZE_SIZE_
#pragma optsize+
#endif

В комментарии по английски написано, что это такое. Это первая команда микроконтроллеру, одна из команд, которая настраивает нужные функции, порты и необходимые части микроконтроллера, необходимые для его работы и запуска.
Конкретно это настройка частоты делителя тактовой частоты микроконтроллера. Теперь подробнее:

Микроконтроллер имеет тактовый генератор, который задается в мастере и который потом можно изменить в свойствах проекта если что. У нас эта частота 9.6 мегагерца, как видно в шапке.

При прошивке микроконтроллера эту же частоту нужно указать во фьюзах.
CLKPR=0x80; и CLKPR=0x00; это команды настройки регистра внутреннего делителя этой частоты. Задается оно в мастере в первом окне «CHIP». Если у нас выбран делитель 1, то тактовая частота делиться на 1, то есть остается без изменений. Если указать например делитель 128, то соответственно тактовая частота делиться на это число. 9.6Мгц / 128 = 75кГц. и значения регистра делителя будет выглядеть:
CLKPR=0x80;
CLKPR=0x07;

Особо внимательные заметили, в регистр делителя CLKPR сначала пишется число 0x80 а затем сразу 0x00. Нафига пишется сначала одно значение а потом сразу другое? Если у вас возникают какие либо вопросы по регистрам и не только, приучайтесь сразу читать даташиты. Там все подробные ответы на чистом английском языке. Открываете даташит, вставляете в поисковик текста название регистра (CLKPR ) и ищете его описание, за что какие биты данного регистра отвечают. Конкретно у этого регистра для изменения делителя необходимо записать единичку в седьмой бит, после чего микроконтроллер даст изменить и выбрать необходимый делитель в первых четырех битах этого регистра. После того, как пройдет четыре такта выполнения команд процессора, изменить регистр будет уже нельзя. Нужно снова сначала изменить седьмой бит CLKPR=0x80 а затем указать делитель CLKPR=нужный делитель

PORTB=0x01;
DDRB=0x06;

Команды управления и настройкой портов микроконтроллеров — ножек чипа. Задается тоже в мастере. В этих регистрах задается работа на вход порта PB0 и подключается к нему внутренний Pull-up резистор. Порты PB1 и PB2 настраиваются «на выход» с логическим нулем на выходе в их состоянии.

В колонке DataDitection мы указывает тип порта: вход или выход (in или out)
В колонке PullUp/Output Value указываем подключение подтягивающего резистора pullup если порт настроен на вход (P — подключен, Т — неподключен) Если порт настроен на выход, то можно указать его логическое состояние 0 или 1. У нас нули. Строчки Bit0 — Bit5 это порты микроконтроллера PORTB0 — PORTB5

Если посмотреть сгенерированный компилятором комментарий, то можно увидеть соответствие пинов и их настройку:
// Input/Output Ports initialization
// Port B initialization
// Func5=In Func4=In Func3=In Func2=Out Func1=Out Func0=In
// State5=T State4=T State3=T State2=0 State1=0 State0=P

Если перевести из 16-тиричного в двоичный значение регистров, то можно понять даже без даташита назначение битов в регистре:

PORTB=0x01 PORTB=0b00000001
DDRB=0x06 DDRB=0b00000110

Напоминаю, что при разложении в двоичный код младшие значения справа а старшие слева.
Незначащие нули слева можно не писать:

PORTB=0b1;
DDRB=0b110;

А можно вообще написать в десятичной системе:
PORTB=1;
DDRB=6;

Далее по тексту кода идет:

TCCR0A=0x00;
TCCR0B=0x00;
TCNT0=0x00;
OCR0A=0x00;
OCR0B=0x00;
TCCR0A=0x00;
TCCR0B=0x00;
TCNT0=0x00;
OCR0A=0x00;
OCR0B=0x00;
GIMSK=0x00;
MCUCR=0x00;
TIMSK0=0x00;
ACSR=0x80;
ADCSRB=0x00;
DIDR0=0x00;
ADCSRA=0x00;

Настройка таймера микроконтроллера, прерываний, АЦП, компаратора и всего такого пока сложного. Пока его не используем — рановато. У всех этих регистров стоят в значениях нули, это значит, что они отключены. А особо внимательные заметили, что какой-то регистр ACSR имеет значение =0x80; Лезем в даташит и читаем:

Analog Comparator Control and Status Register – ACSR

Вообще, как правило название всех регистров это сокращение от первых букв или части их полного названия.

Если стоит значение данного регистра 0x80, значит в двоичной системе это число 10000000, значит стоит единичка в 7 бите этого регистра, значит читаем в даташите, что он означает:

• Bit 7 – ACD: Analog Comparator Disable
When this bit is written logic one, the power to the Analog Comparator is switched off.
This bit can be set at any time to turn off the Analog Comparator. This will reduce power
consumption in Active and Idle mode. When changing the ACD bit, the Analog Comparator
Interrupt must be disabled by clearing the ACIE bit in ACSR. Otherwise an interrupt
can occur when the bit is changed.

По-русски это означает, что установка единицы в этом бите отключает аналоговый компаратор, что его можно выключить в любой момент, что это приводит к снижению потребления электричества, и в конце текста написано про зависимости и что нужно соблюдать, если нужно изменять этот бит.

while (1)

После того, как микроконтроллер настроен запущен и выполнена инициализация необходимых частей и выполнены необходимые первоначальные команды в void main(void) в дело вступает его величество главный цикл. Все что находиться внутри этого главного цикла while (1) и заключено в скобки начала { и конца } будет крутиться, команды выполняться по кругу от начал до конца. А у нас в нашем коде будет крутиться алгоритм опроса кнопки, подключенной к порту PB0, от состояния которой (нажата кнопка или нет) будет меняться состояние выходных портов PB1 и PB2

Картинка с сайта: www.drive2.ru

На картинке видна схема собранную в эмуляторе Протеус схему, которая позволяет видеть работу кода программы.

Теперь про сами основные команды, которые находятся внутри цикла. Все команды используют один оператор if Это условие ЕСЛИ.

if (PINB.0==0)
{
кучка кода;
}
else
{
ещё кучка кода;
}

Подробнее:

if (PINB.0==0)

Если в регистре PINB в бите, отвечающем за порт PB0 микроконтроллера.0 содержится значение равное нулю ==0, то выполняем кучку кода, которая находится далее в границах скобок { и }
Короче, если нажата кнопка то выполняется следующий код в границах последующих скобок { и }
Далее после кучки кода в скобках видим оператор else и ещё кучку кода за ним в скобках { и }

Оператор else переводится не как ещё а как иначе

Оператор if и else всегда работают в паре, сначала идет if затем else. Оператор else можно не использовать совсем, если он не нужен.

В нашей ситуации алгоритм можно описать так:

если (нажата кнопка подключенная к порту PB0)
{
то выполняем кучку кода;
}
иначе (кнопка не нажата)
{
выполняем эту кучку кода;
}

Так как это все находится внутри главного цикла, то этот код будет выполняться по кругу, будет постоянно опрашиваться кнопка и будет выполняться нужная кучка кода

Теперь рассмотрим кучку кода, которая выполняется, если кнопка нажата:

if (trig==0) b++;
if (b>100)
{
if (PINB.2==0)PORTB.2=1;
else PORTB.2=0;
trig=1;
b=0;
}

Операторы можно вкладывать друг в друга, как матрешку. то есть выполняется одно условие, потом если условие сработало, то другое внутри первого условия и т.д.

if (trig==0) b++;

Если переменное значение trig равняется нулю, то выполняем инкремент переменной b Инкремент — операция увеличения значения, хранящегося в переменной, на 1. То есть при проходе выполнения кода, если процессор натыкается на команду инкремента b++, то процессор прибавляет единичку в число, которое находится в переменной b
Так же здесь применяется упрощенная «орфография» написания условия и команды, без скобок { и }:

if (trig==0) b++;
это же самое что:
if (trig==0)
{
b++;
}

Такое представление используют, если после условия всего одна команда.

Немного отвлеклись, возвращаемся:

if (trig==0) b++; — если значение переменной равно нулю (а оно у нас равно нулю) то выполняем инкремент переменной b — переменная в была равна нулю, теперь стало единице.

Следующая операция:

if (b>100)
{
кучка кода;
}

Если переменная b больше ста, то выполняем кучку кода внутри скобок.

Переменная b за каждый круг цикла прибавляется на единичку и в итоге через сто «кругов» главного цикла выполниться условие, которая находится далее внутри скобок { и }

Теперь рассмотрим что же там делается, если нажата кнопка, если прошло сто кругов цикла:

if (PINB.2==0)PORTB.2=1;
else PORTB.2=0;
trig=1;
b=0;

Здесь мы видим ещё одно условие (жирная такая матрешка получилась))

if (PINB.2==0)PORTB.2=1;
Если регистр состояния выходного порта PB, а точнее PB2 равен нулю, то меняем его состояние на единичку PORTB.2=1.
else PORTB.2=0;
Иначе пишем в регистр нолик. Или если по-другому: если регистр состояния выходного порта PB2 равен единице, то меняем его на ноль.

Короче если происходит выполнение этих условий и команд, то меняется логическое состояние выхода 2 (PB2) на схеме.

Если полностью описать: если нажата кнопка, если прошло сто кругов главного цикла, то меняем логическое состояние выхода 2 — PORTB.2 в коде он же порт PB2 на схеме.

Как уже стало понятно этот кусок кода отрабатывает длительное нажатие кнопки.
Но этого мало, дальше ещё есть две выполняемые команды присвоения:

trig=1;
b=0;

trig=1; присвоение единице этой переменной необходимо, что бы описанное выше условие работы инкремента b++ перестало работать
b=0; обнуляем переменную b.

В итоге при длительном нажатии кнопки, условие при котором меняется состояние порта PB2 выполняется единожды, до тех пор, пока кнопка не будет отжата кнопка, ибо инкремент не будет работать и условие if (b>100) больше не сработает, если тупо нажать кнопку и не отпускать совсем.

Теперь вторая часть кучки кода, которая следует за первым условием:
else
{
if (b>4)
{
if (PINB.1==0)PORTB.1=1;
else PORTB.1=0;
b=0;
}
b=0;
trig=0;
}

Если кнопка отжата:
Опишем её с конца:

trig=0; присваиваем переменной trig значение ноль. Необходимо, что бы после длительного нажатия, когда наступит последующее отжатие кнопки микроконтроллер снова был готов к нажатиям кнопки ( срабатывало условие инкремента if (trig==0) b++;)

b=0; При не нажатой кнопке значение переменной b равняется нулю.

if (b>4)
{
if (PINB.1==0)PORTB.1=1;
else PORTB.1=0;
b=0;
}
Подробнее:
if (b>4)
Если значение переменной b больше четырех, то выполняем следующий код:
if (PINB.1==0)PORTB.1=1;
else PORTB.1=0;

Если состояние порта BP1 равно нулю, то делаем единицу, если нет, то ноль.

Это условие и команда отрабатывает кроткое нажатие кнопки. Если нажата кнопка, то начинает работать инкремент b++; значение которого начинает увеличиваться. Если отжать кнопку и при этом значение переменной b будет больше четырех ( но меньше ста — а то сработает длинное нажатие) то состояние выходного порта PB1 (он же выход 1 на схеме, он же PORTB.1 в коде) поменяется, сработает алгоритм короткого нажатия кнопки.

Если значение переменной b при отжатии меньше четырех, то условие не срабатывает и ничего не происходит. необходимо для работы «дребезга контактов» и ложных срабатываний.

И последнее это присвоение переменной b нулевого значения, что бы обработка алгоритма короткого нажатия происходило единожды.

В оконцовке главного цикла виднеется команда:

delay_ms(10);

Это задержка в главном цикле. То есть, выполняется пошагово команды, затем процессор натыкается на команду delay_ms(10); и начинает её выполнять. В итоге процессор будет 10 миллисекунд ждать и ничего не делать в этой строчке, затем опять приступит к выполнению команд.
Находясь в одном общем цикле, скорость нарастания значения инкремента b++ зависит от времени задержки, указанной в delay_ms.

Команда delay_ms находится в библиотеке задержек #include <delay.h>, которую мы для этого и включили в начале кода.

Как видно из описания, длинное нажатие срабатывает от фронта сигнала нажатия кнопки ( начинает работать инкремент) а короткое нажатие кнопки — по спаду, то есть срабатывает по отжатию кнопки.

Вообще выполняемая здесь последовательность: условие + инкремент достаточно часто используемая команда и в языке Си присутствует отдельный оператор для этого for

Архив с прошивкой, исходником и моделью Протеуса:
umat.ru/files/Button_13.zip
ВНИМАНИЕ!
Архив перезалил 22 сентября 2014 года, обнаружил косяк в выставленной частоте в проекте. Теперь тактовая частота 1.2 Мегагерца, при этом фьюзы стоят по дефолту и их при прошивке трогать вообще не надо

Пример реализации схемы rusgg
www.drive2.ru/cars/gaz/ga…usgg/journal/570874/#post

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

Картинка с сайта: microkontroller.ru

Рано или поздно, любой радиолюбитель (я так думаю), приходит к мысли о применении в своих разработках микроконтроллеров. Микроконтроллер позволяет существенно «облегчить» радиолюбительскую конструкцию, сделать ее проще и намного функциональнее.

Что нужно для того, чтобы начать пользоваться всеми возможностями микроконтроллеров? Я считаю, что не так уж и много. Главное в этом деле — желание. Будет желание, будет и результат.

 В этом разделе (и в разделе «Устройство AVR») сайта я постараюсь помочь начинающим «микроконтроллерщикам» сделать первый, он же самый трудный шаг навстречу микроконтроллерам — попробуем разобраться в устройстве и программировании микроконтроллеров AVR семейства ATtiny и ATmega.

В сети существует множество сайтов затрагивающих так или иначе «микроконтроллерную» тематику, много также и различной литературы для начинающих. Поэтому я не собираюсь «переплюнуть» всех и вся и создать очередной шедевр мыслительных мук в виде пособия по микроконтроллерам для начинающих. Я постараюсь систематизировать, собрать в кучу  все нужное  на мой взгляд, для первого шага в мир микроконтроллеров, и изложить более-менее доступным языком.

В своих статьях я буду опираться на материалы из публикаций популярных авторов микроконтроллерной тематики: Рюмика С.М., Белова А.В., Ревича Ю.В., Евстифеева А.В., Гребнева В.В., Мортона Д., Трамперта В., Фрунзе А.В. и Фрунзе А.А. (и многих других), а также материалы радиолюбительских сайтов. Ну и, может быть, немного своих «умных мыслей».

Программирование микроконтроллеров AVR фирмы Atmel

1. Микроконтроллеры — первый шаг

Эта статья, как и все последующие, — маленький шажок в мир микроконтроллеров. И таких «шажков» у нас будет много, пока не дойдем до того момента, когда сможем сказать: «Микроконтроллер — последний шаг». Но и это, скорее всего, из области фантастики — нельзя объять необъятное, — мир микроконтроллеров постоянно развивается и совершенствуется. Наша задача — сделать первый шаг, логическим итогом которого должна стать первая, самостоятельно разработанная и собранная конструкция на микроконтроллере.

2. Системы счисления: десятичная, двоичная и шестнадцатиричная

Как вы наверняка знаете, существует много разных систем счисления, одними пользуются и сейчас (наша, родная, десятичная система; римская система, известная нам как «римские цифры»), другие остались в глубоком прошлом (системы счисления инков и майя, древнеегипитская система, вавилонская).
Тут, я думаю, вопросов у нас нет, что такое системы счисления нам понятно — отображение чисел символами. А вот какая связь систем счисления с микроконтроллерами.

3. Логические операции, логические выражения, логические элементы

Все современные цифровые технологии основываются на логических операциях, без них никуда не деться. Все цифровые микросхемы в своей работе используют логические схемы (выполняют логические операции, в том числе и микроконтроллер).
Создавая программу, мы прописываем все действия микроконтроллера основываясь на своей логике с применением логических операций, иногда даже и не подозревая об этом, которые применяем к логическим выражениям.

4. Битовые операции
В прошлой статье была рассмотрена тема логических операций и выражений. В этой статье мы рассмотрим логические битовые операции. Битовые операции очень близки к логическим операциям, можно даже сказать, что это одно и тоже. Разница только в том,что логические операции применяются к высказываниям, а битовые операции, с такими же правилами и результатами применяются к битам.

5. Прямой, обратный и дополнительный коды двоичного числа

Прямой, обратный и дополнительный коды двоичного числа — способы представления двоичных чисел с фиксированной запятой в компьютерной (микроконтроллерной) арифметике, предназначенные для записи отрицательных и неотрицательных чисел

6. USBASP программатор для микроконтроллеров AVR — идеальное решение для начинающих, и не только

Сегодня мы рассмотрим как, без особых затрат и быстро, запрограммировать любой микроконтроллер AVR поддерживающий режим последовательного программирования (интерфейс ISP) через USB-порт компьютера. В качестве программатора мы будем использовать очень простой и популярный программатор USBASP, а в качестве программы — AVRdude_Prog V3.3, которая предназначена для программирования МК AVR.

7. Программа AVRDUDE_PROG: программирование микроконтроллеров AVR ATmega и ATtiny

Популярнейшая программа AVRDUDE_PROG 3.3 предназначена для программирования микроконтроллеров AVR ATmega и ATtiny

8. Основы программирования микроконтроллеров AVR

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

9. Русификация программы Atmel Studio

В этой статье мы поговорим о проблемах русификации программы Atmel Studio, как перевести программу на русский (или другой) язык, и как сделать более удобной работу программы с программатором USBASP. После установки программы Atmel Studio весь интерфейс будет на английском языке. Кому-то, кто знаком с английским, или уже привык работать с программами с английским интерфейсом, это вполне устроит. Меня лично, такой подход создателей программы к великому и могучему не устраивает, мне более комфортно работать с русскими меню.

10. Введение в язык программирования С (Си) для микроконтроллеров

В этой статье будут рассмотрены основные сведение о языке С, структура программы на языке С, дано понятие о функциях, операторах и комментариях данного языка программирования.

11. Переменные и константы в языке С (Си) для микроконтроллеров AVR

В этой статье будут рассмотрены типы переменных в языке С (Си) для микроконтроллеров AVR, объявление переменных, способы задания констант, будет дан обзор арифметических операций языка С, присваивания, инкремента и декремента.

12. Управление портами микроконтроллеров AVR на языке С (Си)

В этой статье будет рассмотрено управление портами микроконтроллеров AVR на языке программирования С (Си): установка выводов порта на вход или выход, считывание значений на входах портов, программа для управления миганием светодиода.

13. Циклы в языке С (Си) для микроконтроллеров AVR

В данной статье будут рассмотрены циклы в языке программирования Си для микроконтроллеров AVR. Будут рассмотрены циклы типа «для» (for) и циклы типа «пока» (while), будет показано как осуществить принудительное прерывание цикла и организовать бесконечный цикл.

14. Массивы в программировании микроконтроллеров AVR

В данной статье мы рассмотрим основы использования массивов в языке С для микроконтроллеров AVR и рассмотрим их практическое применение в программе для изменения цифр на семисегментном индикаторе.

15. Конечные автоматы в микроконтроллерах AVR

В данной статье мы рассмотрим применительно к микроконтроллерам AVR такой интересный стиль программирования микроконтроллеров как автоматное программирование. Точнее это даже не стиль программирования а целая концепция, благодаря которой программист микроконтроллеров может существенно облегчить свою жизнь. Благодаря ей многие задачи, поставленные перед программистом, решаются гораздо легче и проще, избавляя программиста от многих сложностей. Автоматное программирование часто также называют Switch-технологией

(30 голосов, оценка: 4,77 из 5)
Загрузка…

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 27 апреля

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.