Основы программирования микроконтроллеров: Программирование микроконтроллеров AVR: основы

• Часть 1. Введение в микроконтроллеры. Начало
• Часть 2. Введение в микроконтроллеры. Дальнейшее начало
• Часть 3. Введение в микроконтроллеры. Hello World
• Часть 4. Введение в микроконтроллеры. Введение в микроконтроллеры. Прерывания
• Часть 6. Введение в микроконтроллеры. Подробнее о прерываниях
• Часть 7. Введение в микроконтроллеры. Таймеры
• Часть 8. Введение в микроконтроллеры.0008
• Часть 9. Знакомство с микроконтроллерами — Дополнительные таймеры и дисплеи
• Часть 10. Знакомство с микроконтроллерами — кнопки и дребезг
• Часть 11. Знакомство с микроконтроллерами — матрица кнопок и автоматическое повторение
• Часть 12. Знакомство с микроконтроллерами — управление WS2812 Светодиоды RGB
• Часть 13. Введение в микроконтроллеры — 7-сегментные дисплеи и мультиплексирование
• Часть 14. Введение в микроконтроллеры — Ада — 7 сегментов и обнаружение ошибок

Целевая аудитория

Эта серия руководств предназначена для студентов, любителей, программистов и разработчиков оборудования, которые хотят изучить основы программирования микроконтроллеров или заполнить некоторые пробелы в своих знаниях в области программирования. Этот учебник не научит вас программированию в целом, хотя в нем будут обсуждаться методы программирования, представляющие особый интерес для микроконтроллеров. Этот учебник также не научит вас проектировать аппаратное обеспечение, хотя и проиллюстрирует аппаратные проблемы, с которыми обычно сталкиваются при использовании микроконтроллеров. Я надеюсь, что это поможет новичку понять, что такое микроконтроллер (μC), какими возможностями он обычно обладает и как использовать эти возможности. Он будет идти с самого начала — как подключить и запрограммировать микроконтроллер на мигание и светодиод (микроконтроллерная версия программы «Hello World»), через различные функции и периферийные устройства, обычно используемые в микроконтроллерах, такие как прерывания, таймеры / счетчики, UART, SPI, I2C, АЦП, ЦАП, ШИМ, сторожевой таймер и т.д. Также будут рассмотрены общие темы, такие как подавление дребезга входных сигналов, фильтрация значений АЦП, управление жидкокристаллическими дисплеями символов и другие подобные задачи.

Эта статья доступна в формате PDF для удобной печати. Это относится практически ко всему, что вы прочтете в этом уроке. Если вы прочтете здесь «Х», не думайте, что это означает «Х и только Х, во всех возможных ситуациях, без исключений или оговорок, сейчас и навсегда». Разработчики микроконтроллеров придумали много разных, интересных, а иногда и просто странных способов сделать что-то. И как пользователь микроконтроллера и программист, вы тоже можете придумать много разных и интересных способов сделать что-то. По моему опыту, для программы, состоящей из N шагов, вероятно, существует как минимум N-квадрат способов написания этой программы. Цель этого руководства состоит в том, чтобы попытаться дать вам прочную основу для программирования микроконтроллеров, а не в том, чтобы быть всеобъемлющей энциклопедией в этой области. Для каждого примера программы я постараюсь написать ее простым и понятным способом, а затем дам вам возможность найти свои собственные хитрые приемы.

Другой возможный источник путаницы — терминология. Разные производители довольно часто используют разную терминологию для одних и тех же или похожих функций, регистров и опций конфигурации/состояния. В этом руководстве иногда я буду использовать терминологию, используемую одним из семейств микроконтроллеров , используемых в руководстве, а в других случаях я буду использовать неспецифическую терминологию. Я буду использовать то, что кажется подходящим для каждой ситуации.

Что такое встроенное программирование?

Встроенное программирование — это термин, обозначающий компьютерное программирование, которое используется во множестве управляемых компьютером устройств, которые окружают нас в наших домах, автомобилях, на рабочих местах и ​​в сообществах. Чтобы было ясно, все программирование микроконтроллеров является встроенным программированием, но не все встроенное программирование является программированием микроконтроллера. Об этом чуть подробнее будет сказано далее. Иногда эти термины используются взаимозаменяемо, но основное внимание в этой серии руководств всегда уделяется микроконтроллерам.

На каждый имеющийся у вас настольный компьютер, ноутбук или планшет приходится дюжина или более (возможно, намного больше) микроконтроллеров, тихо выполняющих свои встроенные функции, и с этими устройствами многие люди даже не осознают, что речь идет о крошечном компьютере. запуск программы. Но они есть, и они есть, и эти программы нужно было написать, и именно поэтому миру нужно встроенное программирование. Микроконтроллеры добавляют интеллект бесчисленным устройствам и системам, позволяя этим устройствам и системам работать лучше, быстрее, безопаснее, эффективнее, удобнее, с большей пользой, и во многих случаях допуская само существование устройств и систем, которые нельзя было бы построить иначе. . Потратьте некоторое время на то, чтобы осмотреться и попытаться понять, где работают микроконтроллеры, и вы начнете понимать, насколько они стали вездесущими с момента их изобретения более 40 лет назад.

Вдобавок ко всему, многие люди, включая меня, считают программирование микроконтроллеров особенно увлекательной и полезной ветвью дерева программирования, и мы просто как программируем встроенные системы. Способы, сильно отличающиеся от большинства программ для настольных компьютеров или мэйнфреймов, встроенные программы делают вещи делают вещи , и для встроенного программиста вещи, делающие вещи, бесконечно круты.

Что такое встроенная система?

На этот вопрос нет идеального ответа, так как каждый ответ будет иметь некоторые исключения. Однако для наших целей давайте объявим, что встроенная система — это система, в которой используется один или несколько микрокомпьютеров (то есть от маленьких до очень и очень маленьких компьютеров), на которых выполняются специальные специальные программы и которые подключены к специализированному оборудованию для выполнения определенного набора функций. . Это можно сравнить с компьютером общего назначения, таким как знакомый настольный компьютер или ноутбук, которые не предназначены для запуска только одной специальной программы с одним специализированным набором оборудования. Это не идеальное определение, но это начало.

Некоторые примеры встроенных систем:

• Сигнализация / система безопасности

• Автомобильный круиз-контроль

• Термостат отопления / кондиционирования воздуха

• Микроволновая печь

• Контроллер противоскольжения

• Контроллер светофора

• Торговый автомат

• Газовый насос

• Портативная игра-судоку

• Контроллер ирригационной системы

• Рыба-поющая стена (или эквивалент этого сезона подарков)

• Мультикоптер

• Осциллограф

• Марсоход

По большей части я перечислил примеры встроенных приложений на менее сложном конце спектра, так как это, в конце концов, начальное руководство. К концу этой серии руководств у вас должно быть хорошее общее представление о том, как будет запрограммировано большинство этих приложений, и в общих чертах, какие типы ввода-вывода, синхронизации, прерывания и аппаратного обеспечения и функций для них потребуются.

В приведенном выше списке есть несколько вещей, на которые стоит обратить внимание. В то время как многие встроенные системы используют довольно традиционные пользовательские устройства ввода-вывода (клавиатуры, дисплеи), многие другие этого не делают. Кроме того, многие встроенные системы взаимодействуют напрямую с людьми, а другие нет (и мы все еще ждем, будет ли марсоход напрямую взаимодействовать с какими-либо марсианами).

Чем отличается встроенное программирование?

Встроенные программы должны тесно взаимодействовать со специализированными компонентами и специальными схемами, составляющими аппаратное обеспечение. В отличие от программирования поверх полнофункциональной операционной системы, где детали аппаратного обеспечения максимально удалены от внимания и контроля программиста, большая часть встроенного программирования работает непосредственно с аппаратным обеспечением и на нем. Сюда входит не только аппаратное обеспечение ЦП, но и аппаратное обеспечение, из которого состоят все периферийные устройства (как встроенные, так и внешние) системы. Таким образом, встроенный программист должен иметь хорошие знания об оборудовании, по крайней мере, в том, что касается написания программного обеспечения, которое правильно взаимодействует с этим оборудованием и манипулирует им. Эти знания часто распространяются на определение ключевых компонентов аппаратного обеспечения (микроконтроллер, устройства памяти, устройства ввода-вывода и т. д.), а в небольших организациях иногда доходят до проектирования и компоновки (в виде печатной платы) аппаратного обеспечения. Встроенному программисту также необходимо хорошо разбираться в отладочном оборудовании, таком как мультиметры, осциллографы, логические анализаторы и тому подобное.

Другое отличие от компьютеров общего назначения состоит в том, что большинство (но не все) встраиваемых систем весьма ограничены по сравнению с первыми. Микрокомпьютеры, используемые во встроенных системах, могут иметь размер программной памяти от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч байт, а не гигабайты в настольном компьютере, и обычно имеют даже меньший объем памяти данных (ОЗУ), чем память программ. Кроме того, процессоры часто представляют собой 8- и 16-разрядные устройства меньшего размера, в отличие от 32-разрядных и более крупных устройств, используемых в настольных компьютерах (хотя небольшие 32-разрядные микроконтроллеры сейчас стоят менее доллара в умеренных количествах, что удивительно). Меньший размер слова ЦП означает, среди прочего, что программе потребуется больше инструкций (и, следовательно, больше тактовых циклов), чем эквивалентной программе, работающей на ЦП с большим размером слова. И, наконец, скорость, с которой работают микроконтроллеры меньшего размера, намного меньше, чем скорость, с которой работает ПК. Типичная тактовая частота микроконтроллера меньшего размера составляет от 1 до 200 МГц, а не тактовая частота ПК.

В чем разница между микрокомпьютером, микропроцессором и микроконтроллером?

Под микропроцессором обычно понимают однокристальный центральный процессор (ЦП), при этом ЦП является «мозгом» компьютера — частью компьютера, выполняющей программные инструкции. Микрокомпьютер — это любой компьютер, построенный на основе микропроцессора, вместе с памятью программ и данных, а также устройствами ввода-вывода и другими периферийными устройствами по мере необходимости. Микроконтроллер (часто сокращаемый до μC в этом руководстве) — это одночиповое устройство, в которое встроен не только микропроцессор, но и энергонезависимая память программ (ПЗУ) и энергозависимых данных (ОЗУ), а также полезные периферийные устройства. такие как ввод-вывод общего назначения (GPIO), таймеры и каналы последовательной связи. Отсюда следует, что все микроконтроллеры являются микрокомпьютерами, но не все микрокомпьютеры используют микроконтроллеры.

В небольших встраиваемых системах чаще всего используются микроконтроллеры, а не конструкции на основе микропроцессоров , поскольку микроконтроллеры обеспечивают наиболее компактную конструкцию и самую низкую стоимость оборудования. С другой стороны, более крупные встроенные системы могут использовать один или несколько микропроцессоров, если не удается найти микроконтроллер с подходящей скоростью и функциональностью. Это может распространяться на использование промышленных ПК и даже более мощного оборудования. Также возможно включать как микропроцессоры, так и микроконтроллеры в сложную встраиваемую систему. Единственными реальными правилами являются использование любых устройств, соответствующих задаче, с учетом ограничений по бюджету, доступности, времени, инструментам и т. д.

Следует также отметить, что к большинству микроконтроллеров можно добавить внешнюю память и периферийные устройства, если встроенный микс не позаботится обо всех потребностях системы. Когда имеет смысл добавлять такие внешние устройства, а не выбирать более крупный микроконтроллер с необходимыми ресурсами на борту, это выбор, который необходимо делать на индивидуальной проектной основе.

Что такое N-разрядный ЦП/микропроцессор/микроконтроллер?

Существует дискуссия о том, что значит называть устройство N-битным процессором, но в большинстве случаев это довольно очевидно. Если устройство может выполнять большинство своих инструкций по обработке данных со словами данных размером до N бит, то устройство является N-битным процессором. Например, устройство может иметь полный набор инструкций, которые могут работать с 8-битными данными, а также несколько инструкций, которые работают с 16-битными данными. Это устройство следует считать 8-битным, даже если отдел маркетинга утверждает обратное и называет его 16-битным чипом.

По объему 8-битные микроконтроллеры составляют самый большой сегмент рынка встраиваемых систем. Многие приложения просто не нуждаются в дополнительной мощности и никогда не будут нуждаться в ней. 16-разрядные устройства более мощные, но они занимают место между 8-разрядными устройствами младшего уровня и 32-разрядными устройствами высокого класса. 32-разрядные устройства находятся на верхнем уровне встраиваемого спектра для всех, кроме самых сложных или высокопроизводительных конструкций, но их цена постоянно снижается.

Какие семейства микроконтроллеров используются в этих руководствах?

Чтобы дать небольшой обзор различных разновидностей доступных микроконтроллеров, это руководство будет написано для одного 8-битного семейства (Atmel AVR) и одного 32-битного семейства (архитектура ARM Cortex M3 в форме семейство STM32). Эти два семейства были выбраны, чтобы дать довольно широкое представление об устройствах и подходах, используемых в мире микроконтроллеров. Первые несколько примеров программного обеспечения будут написаны на языке ассемблера для каждого из этих семейств, а также на языке C. После этого примеры будут написаны только на языке C.

Что еще нужно для этих уроков?

Хотя я полагаю, что вы могли бы проработать большую часть этого руководства, используя только симулятор микроконтроллера, я настоятельно рекомендую вам иметь либо плату для обучения/отработки микроконтроллера, либо даже просто микросхему микроконтроллера, набор компонентов и макетную плату с питанием. Кроме того, вам понадобится компилятор C, предназначенный для вашего устройства, и, возможно, ассемблер для вашего устройства. У вас не должно возникнуть проблем с поиском бесплатного ассемблера для вашего чипа, и вы также сможете найти бесплатный компилятор C, даже если это версия коммерческого компилятора с ограниченной функциональностью. Вам также понадобится способ загрузки ваших программ в ваш микроконтроллер. Детали этого процесса загрузки будут тесно зависеть от конкретного микроконтроллера и платы, на которой он установлен.

Что касается контрольно-измерительного оборудования, цифровые мультиметры очень дешевы, и нет никаких оправданий тому, чтобы их не иметь. Такие места, как Harbour Freight, иногда продают их по несколько долларов. Другой элемент оборудования, который должен быть у любого встроенного инженера, — это приличный осциллограф. Не паникуйте, для этих руководств не требуется прицел. Однако, если вы сможете заполучить один из них, вы узнаете больше и сэкономите себе немало времени в придачу. USB-прицелы дают хорошую отдачу, как и некоторые импортные прицелы (или, конечно, работающие бывшие в употреблении прицелы). В конце прошлого года я побаловал себя прекрасным осциллографом Agilent с огромным (для меня) экраном и каждый раз, когда использую его, радуюсь потраченным деньгам.

Что касается микроконтроллеров, используемых в этих учебных пособиях, вот подробная информация об аппаратном обеспечении, которое я буду использовать для каждого из семейств процессоров:

AVR

•Аппаратное обеспечение: плата Atmel STK-500 с установленным ATmega8515

•Инструменты: Atmel Studio 6 (бесплатно)

ARM Cortex M3

• Аппаратное обеспечение: STM32VLDiscovery Board, установленная на специальной стыковочной плате

• Инструменты: Rowley Crossworks (150 долларов США за персональную лицензию — рекомендуем IAR Embedded Workbench Kickstart Edition для получения бесплатного набора инструментов)

Какой язык программирования?

Самое время немного поговорить о различных языках программирования, которые можно использовать для написания встраиваемого программного обеспечения. В этом уроке я буду использовать два языка: C и ассемблер. Первое, на что я хочу обратить внимание, это то, что это , а не , единственные два языка, доступные программистам встраиваемых систем, и что во многих случаях другие языки могут быть лучшим выбором. При этом и Си, и язык ассемблера полезны не только для изучения программирования на микроСи, но и для фактического продуктивного программирования на микроСи. Они также широко распространены в том смысле, что независимо от того, какой микроконтроллер вы выберете, он почти наверняка будет иметь доступ как к ассемблеру (для обработки исходного кода на языке ассемблера), так и к компилятору C (для обработки исходного кода C). То же самое определенно не относится к другим языкам. Но я бы посоветовал вам рассмотреть другие языки, если вы так склонны, и, если они доступны для вашего семейства устройств.

Что касается языка ассемблера, даже если вы не планируете использовать язык ассемблера в своих встроенных программах, я настоятельно рекомендую вам хотя бы немного ознакомиться с концепциями и набором инструкций вашего микроконтроллера. Причина этого в том, что, даже если вы в конечном итоге не напишете какой-либо язык ассемблера (я почти никогда не напишу больше), в какой-то момент вы обнаружите, что вам нужно изучить вывод вашего компилятора и/или ваш компилятор. файлы запуска, написанные или выведенные на ассемблере.

Также обратите внимание, что термин «язык ассемблера» часто сокращается в этом руководстве и в других местах до «asm» или «ASM».

Как работает встроенная программа?

Прежде чем говорить о встроенном программировании, здесь уместно дать краткий обзор того, как запускается и работает встроенная программа. Если предположить, что вы сгенерировали программный файл и загрузили его в программную память микроконтроллера (все шаги, о которых мы поговорим более подробно позже), хорошие вещи происходят, когда вы либо включаете устройство, либо нажимаете кнопку RESET. Когда микроконтроллер выходит из состояния сброса в результате любого действия, он всегда переходит в определенное место в памяти, как определено производителем, чтобы начать выполнение любого кода, найденного там или указанного там. Иногда эта ячейка памяти содержит непосредственно код; например после выхода из сброса выполнение программы начинается с адреса программы 0. В других случаях фиксированная ячейка памяти представляет собой вектор, ячейку, которая содержит фактический адрес начала программы; например после выхода из состояния сброса контроллер загрузит в свой программный счетчик значение, найденное по программному адресу 0xFFFE, и, таким образом, начнет выполнение кода с адреса, найденного в ячейках 0xFFFE и 0xFFFF (при условии, что 16-битный программный адрес хранится в 2 байтах). В первом случае вам нужно будет убедиться, что ваша программа загрузилась по указанному стартовому адресу, а во втором случае вы загрузите свою программу везде, где память программы была помещена в адресное пространство контроллера, и вам нужно будет сделать убедитесь, что вы затем загрузите этот начальный адрес в вектор адреса сброса. Обратите внимание, что выбор метода запуска не зависит от вас, он будет встроен в конструкцию выбранного вами микроконтроллера. AVR использует первый метод, а Cortex M3 — второй.

Когда встроенная программа начинает выполняться, обычно необходимо выполнить достаточное количество операций по инициализации и обслуживанию, прежде чем начнется работа программы. Большая часть этой инициализации – это то, что средний программист настольных компьютеров никогда не увидит, поскольку он обрабатывается загрузочным кодом компьютера и операционной системой. Но во встроенной системе вполне вероятно, что нет операционной системы, и весь загрузочный код и другой код запуска должен быть предоставлен явно. Некоторое очень важное оборудование может потребоваться сначала инициализировать, например. оборудование, которое контролирует время доступа к памяти и карты адресов, а также аппаратное обеспечение системных часов. Затем может потребоваться некоторая инициализация программного обеспечения, например, установка указателя стека и, возможно, копирование данных из энергонезависимой памяти в энергозависимую память, где к ним можно получить доступ и, возможно, изменить. После этого обычно следует еще один этап аппаратной инициализации, настройки любых периферийных устройств, необходимых системе, и установки начальных состояний вывода. Наконец, может произойти еще один раунд инициализации программного обеспечения.

Эта инициализация обычно разбивается на две части: первые шаги аппаратной и программной инициализации часто выполняются в так называемом коде запуска, а последующие аппаратные и программные шаги выполняются в пользовательской программе. Это разграничение более отчетливо в программе C, где код запуска невидим для программы C, поскольку это код, который происходит до запуска main() и заканчивается переходом или вызовом main(), где начинается видимая программа C. . В программе на ассемблере все шаги инициализации могут быть одинаково видны в пользовательском коде, хотя даже в этом случае первые шаги могут находиться в отдельном исходном файле запуска.

Примечание к примерам программ

Каждый раздел учебника будет включать несколько коротких примеров программ.