Для микроконтроллеров AVR существуют различные языки программирования, но, пожалуй, наиболее подходящими являются ассемблер и Си, поскольку в этих языках в наилучшей степени реализованы все необходимые возможности по управлению аппаратными средствами микроконтроллеров.

Ассемблер - это низкоуровневый язык программирования, использующий непосредственный набор инструкций микроконтроллера. Создание программы на этом языке требует хорошего знания системы команд программируемого чипа и достаточного времени на разработку программы. Ассемблер проигрывает Си в скорости и удобстве разработки программ, но имеет заметные преимущества в размере конечного исполняемого кода, а соответственно, и скорости его выполнения.

Си позволяет создавать программы с гораздо большим комфортом, предоставляя разработчику все преимущества языка высокого уровня.
Следует еще раз отметить, что архитектура и система команд AVR создавалась при непосредственном участии разработчиков компилятора языка Си и в ней учтены особенности этого языка. Компиляция исходных текстов, написанных на Си, осуществляется быстро и дает компактный, эффективный код.

Основные преимущества Си перед ассемблером: высокая скорость разработки программ; универсальность, не требующая досконального изучения архитектуры микроконтроллера; лучшая документируемость и читаемость алгоритма; наличие библиотек функций; поддержка вычислений с плавающей точкой.

В языке Си гармонично сочетаются возможности программирования низкого уровня со свойствами языка высокого уровня. Возможность низкоуровневого программирования позволяет легко оперировать непосредственно аппаратными средствами, а свойства языка высокого уровня позволяют создавать легко читаемый и модифицируемый программный код. Кроме того, практически все компиляторы Си имеют возможность использовать ассемблерные вставки для написания критичных по времени выполнения и занимаемым ресурсам участков программы.

Одним словом, Си - наиболее удобный язык как для начинающих знакомиться с микроконтроллерами AVR, так и для серьезных разработчиков.

Чтобы преобразовать исходный текст программы в файл прошивки микроконтроллера, применяют компиляторы.

Фирма Atmel поставляет мощный компилятор ассемблера, который входит в среду разработки Atmel Studio, работающую под Windows. Наряду с компилятором, среда разработки содержит отладчик и эмулятор.
Atmel Studio совершенно бесплатна и доступна на сайте Atmel .

В настоящее время представлено достаточно много компиляторов Си для AVR. Самым мощным из них считается компилятор фирмы IAR Systems из Стокгольма. Именно ее сотрудники в середине 90-х годов участвовали в разработке системы команд AVR. IAR C Compiler имеет широкие возможности по оптимизации кода и поставляется в составе интегрированной среды разработки IAR Embedded Workbench (EWB), включающей в себя также компилятор ассемблера, линкер, менеджер проектов и библиотек, а также отладчик. Цена полной версии пакета составляет 2820 EUR. На сайте компании можно бесплатно скачать оценочную версию на 30 дней или бессрочную с ограничением размера кода в 4 Кбайта.

Американской фирмой Image Craft из калифорнийского Пало-Альто выпускается компилятор языка Си, получивший достаточно широкую популярность. JumpStart C for AVR имеет приемлемую оптимизацию кода и не слишком высокую цену (от $50 до $499 в зависимости от версии). Демо-версия JumpStart C for AVR полностью функциональна в течение 45 дней.

Не меньшую популярность завоевал румынский Code Vision AVR C Compiler , цена полной версии этого компилятора относительно невысока и составляет 150 EUR. Компилятор поставляется вместе с интегрированной средой разработки, в которую, помимо стандартных возможностей, включена достаточно интересная функция - CodeWizardAVR Automatic Program Generator. Наличие в среде разработки последовательного терминала позволяет производить отладку программ с использованием последовательного порта микроконтроллера. У разработчиков можно скачать бесплатную оценочную версию с ограничением размера кода в 4 Кбайта и отключенным сохранением сгенерированного исходного кода на Си.

Компанией MikroElektronika , расположенной в сербском городе Белграде, выпускается целое семейство компиляторов для AVR-микроконтроллеров. Компилятор для языка Си под названием mikroC PRO for AVR стоит $249. Есть также mikroBasic и mikroPascal за ту же цену. На сайте разработчиков имеются демоверсии с ограничением размера кода в 4096 bytes. Плюсом этого семейства компиляторов является единая платформа и единая идеология, что может обеспечивать легкий переход не только между языками, но и между микроконтроллерами (есть версии компиляторов для PIC, STM32, 8051 ...).

Поистине культовой стала интегрированная среда разработки . Она включает мощные компиляторы Си и ассемблера, программатор AVRDUDE, отладчик, симулятор и множество других вспомогательных программ и утилит. WinAVR прекрасно интегрируется со средой разработки AVR Studio от Atmel. Ассемблер идентичен по входному коду ассемблеру AVR Studio. Компиляторы Си и ассемблера имеют возможность создания отладочных файлов в формате COFF, что позволяет применять не только встроенные средства, но и использовать мощный симулятор AVR Studio. Еще одним немаловажным плюсом является то, что WinAVR распространяется бесплатно без ограничений (производители поддерживают GNU General Public License).

В качестве резюме стоит сказать, что WinAVR является идеальным выбором для тех, кто начинает осваивать микроконтроллеры AVR. Именно эта среда разработки и рассматривается в качестве основной в данном курсе.

Программирование микроконтроллеров AVR для начинающих

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

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

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.

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.

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.

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.

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

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.

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

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.

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.

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.

Для программирования AVR-микроконтроллеров существует немало средств разработки, однако, наиболее популярным, несомненно, следует признать пакет AVR Studio . Есть ряд причин такой популярности – это бесплатный пакет, разработанный фирмой ATMEL , он объединяет в себе текстовый редактор, ассемблер и симулятор. Пакет AVR Studio также используется совместно с аппаратными средствами отладки. В предлагаемой статье на примерах рассматриваются приемы работы с пакетом, что поможет начинающим программистам быстрее понять взаимодействие отдельных компонентов AVR Studio.

В следующей части статьи будет рассказано об отладке в среде AVR Studio программ, написанных на языке Си.

Пакет AVR Studio имеет солидную историю развития, что отражается в количестве существующих версий. В конце 2003 г. выпущена версия 4.08, которая имеет ряд полезных дополнений, а в начале 2004 г. вышло обновление (Service Pack 1), добавляющее поддержку AVR-контроллеров третьего поколения семейства ATmega48. Производство микросхем этого семейства намечено на вторую половину 2004 г.

Дистрибутив пакета и Service Pack можно загрузить с сайта www.atmel.com или получить компакт-диск с этим дистрибутивом у российского дистрибьютора фирмы ATMEL.

Работу пакета AVR Studio удобно рассматривать на какой-либо конкретной программе. В качестве илюстрации мы рассмотрим создание проекта для простейшей программы, которая будет по очереди зажигать два светодиода. Для определенности возьмем микросхему Atmega128 и подключим два светодиода в выводам 31 и 32 (это биты 6 и 7 порта D микросхемы ATmega128). AVR-контроллеры имеют мощные выходные каскады, типовой ток каждого вывода составляет 20 мА, максимальный ток вывода – 40 мА, причем это относится как к втекающему, так и к вытекающему току. В нашем примере светодиоды подключены анодами к выводам контроллера, а катоды через гасящие резисторы соединены с землей. Это означает, что светодиод зажигается подачей «1» на соответствующий вывод порта. Принципиальная схема приведена на рисунке. На схеме также показаны две кнопки, которые будут использованы в одной из программ.

Здесь уместно сделать небольшое отступление о выборе типа микросхемы для простейшего примера. Действительно, с первого взгляда может показаться странным, зачем нужен такой мощный кристалл в 64-выводном корпусе там, где хватит и 8-выводной микросхемы ATtiny12 ? Однако, в таком подходе есть логика. Известно, что в основе практически любого AVR-контроллера лежит одинаковое ядро. По большому счету, контроллеры различаются объемом памяти, количеством портов ввода/вывода и набором периферийных модулей. Особенности каждого конкретного контроллера – привязка логических имен регистров ввода/вывода к физическим адресам, адреса векторов прерываний, определения битов портов и т.д. описаны в файлах с расширением.inc, которые входят в состав пакета AVR Studio. Следовательно, используя конкретный тип кристалла, можно отлаживать программу как собственно для него, так и для любого младшего кристалла. Далее, если использовать в качестве отладочного самый старший кристалл, на сегодня это ATmega128, можно отлаживать программу практически для любого AVR-контроллера, надо просто не использовать аппаратные ресурсы, которые отсутствуют у целевого микроконтроллера. Таким образом, например, можно отлаживать на ATmega128 программу, которая будет выполняться на ATtiny13 . При этом исходный код останется практически тем же, изменится лишь имя подключаемого файла с 128def.inc на tn13def.inc. У такого подхода также есть свои преимущества. Например, «лишние» порты ввода/вывода можно использовать для подключения ЖК-индикатора , на который можно выводить отладочную информацию. Или, воспользоваться внутрисхемным эмулятором, который подключается к JTAG-порту микросхемы ATmega128 (контроллер ATtiny13 такой порт не имеет). Таким образом, можно использовать единственную отладочную плату, на которой установлен «старший» AVR-контроллер, для отладки любых вновь разрабатываемых систем, естественно, базирующихся также на AVR-микроконтроллерах. Одна из таких плат называется AS-megaM. Именно она использовалась для создания примеров программ, приводимых в статье. Это универсальный одноплатный контроллер на базе микросхемы ATmega128, который содержит внешнее ОЗУ, два порта RS-232 , порт для подключения ЖК-индикатора, внутрисхемного программатора и эмулятора AT JTAG ICE . На плате также есть место для распайки микросхемы FLASH-ПЗУ серии АТ45 в корпусах TSOP32/40/48 и двухканального ЦАП серии AD5302/ AD5312/ AD5322 . Теперь, после объяснения причин использования AVR-монстра для зажигания пары сватодиодов, можно идти дальше.

При программировании в среде AVR Studio надо выполнить стандартную последовательность действий:

компиляция

Создание проекта начинается с выбора строки меню Project\New Project. В открывшемся окне “Create new Project” надо указать имя проекта, (в нашем случае – sample1) и имя файла инициализации. После нажатия кнопки “Next” открывается окно “Select debug platform and device”, где выбирается отладочная платформа (симулятор или эмулятор) и тип микроконтроллера.

Можно выбрать один из предлагаемых внутрисхемных эмуляторов, заметим, что у каждого эмулятора свой список поддерживаемых микросхем. Для рассматриваемого примера мы выбираем в качестве отладочной платформы AVR Simulator и микросхему ATmega128. После нажатия кнопки “Finish” нашему взору предстают собственно рабочие окна пакета AVR Studio, пока пустые. Следует в правое окно поместить исходный текст программы. Это можно сделать двумя способами, либо набрать весь текст непосредственно в окне редактора, либо загрузить уже существующий файл. Ниже приведен полный текст простейшей программы с комментариями.

; Пример «Управление светодиодами» ; написан для отладочной платы AS-MegaM ; Частота задающего генератора 7,37 МГц; светодиоды подключены к выводам PD6 и PD7 и через резисторы - на общий провод. ; подключение файла описания ввода-вывода микросхемы ATmega128 .include "m128def.inc" ; начало программы begin: ; первая операция - инициализация стека; если этого не сделать, то вызов подпрограммы или прерывания; не вернет управление обратно; указатель на конец стека устанавливается на последний адрес внутреннего ОЗУ - RAMEND ldi r16,low(RAMEND) out spl,r16 ldi r16,high(RAMEND) out sph,r16 ; для того, чтобы управлять светодиодами, подключенными к выводам PD6 и PD7, ; необходимо объявить эти выводы выходными. ; для этого нужно записать "1" в соответствующие биты регистра DDRD (DataDiRection) ldi r16,(1<<6) | (1<<7) out DDRD,r16 ; основной цикл программы loop: ldi r16,(1<<6) ; светится один светодиод out PORTD,r16 rcall delay ; задержка ldi r16,(1<<7) ; светится второй светодиод out PORTD,r16 rcall delay ; задержка rjmp loop ; повторение цикла; процедура задержки; примерно полсекунды при частоте 7,37 МГц; три пустых вложенных цикла соответственно delay: ldi r16,30 ; 30 delay1: ldi r17,200 ; 200 delay2: ldi r18,200 ; и еще 200 итераций delay3: dec r18 brne delay3 dec r17 brne delay2 dec r16 brne delay1 ret ; возврат в главную программу

Проект может состоять из нескольких файлов, при этом один файл назначается основным. Все операции удобно производить, используя контекстную кнопку мыши. После подключения исходного файла окна имеют следующий вид.

Компиляция проекта производится командой \Project\Build или нажатием кнопки F7. Процесс компиляции отображается в окне “Output”. Это окно можно «вытащить» командой \View\Output.

В принципе, мы уже получили выходной файл в формате.hex, который уже можно загружать в микросхему и наблюдать перемигивание светодиодов. Однако, цель статьи – показать полный цикл работы в среде AVR Studio, поэтому мы переходим к стадии отладки. Это делается командой \Debug\Start Debugging.

Теперь устанавливаем в окне “Simulator Options” частоту кварца 7,3728 МГц для точного измерения времени выполнения программы.

Остальные опции следует оставить без изменения. Теперь можно выполнять программу в пошаговом режиме при помощи мыши или кнопки F11.

Пакет AVR Studio содержит мощные средства для просмотра и редактирования состояния внутренних регистров и портов ввода/вывода отлаживаемого микроконтроллера, а также время, выполнения программы. Доступ к ним осуществляется через окно “I/O”.

На самом деле, количество информации, доступное через окна просмотра пакета AVR Studio настолько велико, что для получения максимального комфорта нужно использовать компьютер в двухмониторной конфигурации.

Для отладки нашего примера, чтобы получить доступ к битам порта D, надо раскрыть строку I/O ATMEGA128 и затем строку PORTD. Теперь видны все три регистра этого порта, PORTD, DDRD и PIND. Чтобы увидеть поля Value, Bits и Address, придется расширить правую границу окна, потеснив при этом окно с исходным текстом программы.

Теперь, проходя программу в пошаговом режиме, можно видеть изменение текущих состояний этих регистров в поле Bits. Есть возможность оперативного изменения состояния любого бита регистров порта, причем это можно делать либо записью нового кода в поле Value, либо непосредственно, щелкнув мышью на нужном бите регистра.

Для самостоятельных упражнений, предлагается следующая программа, которая отличается от предыдущей тем, что зажиганием светодиодов управляют две кнопки.

; Пример «Управление светодиодами от кнопок» ; написан для отладочной платы AS-MegaM ; светодиоды подключены к выводам PD6 и PD7 и через резисторы - на общий провод. ; кнопки - на PE4 и PE5 .include "m128def.inc" ; основная программа begin: ; инициализация стека ldi r16,low(RAMEND) out spl,r16 ldi r16,high(RAMEND) out sph,r16 ; инициализация светодиодов ldi r16,(1<<6) | (1<<7) out DDRD,r16 ; инициализация выводов, к которым подключены кнопки (на вход) ; внутренние подтягивающие резисторы подключены; для этого в PORTE нужно установить соответствующие биты в единицы ldi r16,(1<<4) | (1<<5) out PORTE,r16 ; а в DDRE - в нули ldi r16,0 out DDRE,r16 ; бесконечный цикл forever: in r16,PINE ; теперь в r16 находится текущее "состояние" кнопок com r16 ; кнопка "нажимается" нулем, поэтому инвертируем регистр lsl r16 ; переносим биты 4,5 в позиции 6,7 lsl r16 ; и обновляем "показания" светодиодов andi r16,(1<<6) | (1<<7) out PORTD,r16 rjmp forever ; цикл выполняется бесконечно

Таким образом, на примере простейших программ показаны некоторые возможности пакета AVR Studio. Надо понимать, что это лишь первое знакомство, позволяющее быстрее освоиться с базовыми командами пакета. Между тем, возможности рассматриваемого пакета намного шире. Например, здесь можно отлаживать программы написанные на языках высокого уровня. В частности, Си-компилятор фирмы ImageCraft пользуется отладчиком AVR Studio «как родным». Для этого при компиляции исходного кода надо установить опцию генерации выходного файла в формате, совместимом с AVR Studio. При этом появляется возможность производить отладку в исходных кодах.

Еще одна из многих характеристик пакета AVR Studio - возможность подключения внешних программ. Например, для обеспечения вызова оболочки внутрисхемного программатора AS2 нужно выполнить несколько простых операций.

В меню Tools главного окна AVR Studio надо выбрать пункт Customize;

В окне Customize выбрать пункт Tools;

Двойным нажатием кнопки мыши или нажав Insert на клавиатуре, добавить новую команду в список и назвать ее "Программатор AS2";

Указать путь к исполняемому файлу программатора, введя его непосредственно в поле для ввода "Command", или нажав на кнопку "…" справа от этого поля;

Теперь в меню Tools появился пункт "Программатор AS2".

Средства пакета AVR Studio 4.08 позволяют подключать вспомогательные программы – plugins. Первый plugin для AVR Studio – это программа графического редактора, упрощающая процесс инициализации ЖК-индикатора, которым может непосредственно управлять AVR-контроллер ATmega169. Максимальный логический размер ЖК-индикатора составляет 100 сегментов, каждому элементу индикатора ставится в соответствие бит в специальном регистре контроллера. Чтобы упростить рутинную процедуру привязки определенных битов к каждому сегменту, можно использовать вышеупомянутую программу.

Во время посещения «родины AVR» - норвежского офиса фирмы ATMEL, один из авторов статьи беседовал с Ларсом Квенилдом, руководителем группы программистов, которая создала и поддерживает пакет AVR Studio. Этот человек, классический программист, с бородой, в свитере и обутый в сандали на носки, рассказал о перспективах развития пакета. В следующую версию (4.09) - будет включен интерфейс для нового внутрисхемного эмулятора – JTAGICE mkII (он называется также AT JTAGICE2), который во второй половине года придет на смену AT JTAGICE. У этого эмулятора есть два существенных отличия. С одной стороны, добавлена поддержка нового однопроводного отладочного интерфейса для младших AVR-контроллеров, debugWIRE. Этот интерфейс интересен тем, что он не занимает для своей работы дополнительные выводы микроконтроллера, так как использует для обмена вывод Reset микроконтроллера! С другой стороны (можно понимать это выражение буквально), у эмулятора AT JTAGICE2 появится, наконец, интерфейс USB для связи с компьютером.

Литература

1. Материалы технического семинара AVR Technical Training. Atmel. Norway. December 2003.
2. Николай Королев, Дмитрий Королев AVR-микроконтроллеры второго поколения: средcтва разработчика. // Компоненты и технологии, 2003 № 7
3. AVR-микроконтроллеры второго поколения: новые аппаратные возможности // Компоненты и технологии. 2003. № 4 .
4. Николай Королев, Дмитрий Королев. AVR-микроконтроллеры: большое в малом. //Схемотехника», 2001, №5
5. Николай Королев, Дмитрий Королев. AVR-микроконтроллеры: программные средства // Компоненты и технологии, 2000. № 4 .
6. Николай Королев. AVR: аппаратные средства разработчика // Компоненты и технологии, 1999 № 1
7. Николай Королев. RISC- микроконтроллеры фирмы ATMEL //Chip-News 1998, №2
8. Николай Королев, Дмитрий Королев AVR: новые 8-разрядные RISC-микроконтроллеры фирмы ATMEL //Микропроцессор Ревю, 1998, №1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Е. В. Коротицкий, Ю. Е. Коротицкая

Основы языка си для микроконтроллеров avr

Учебное пособие

Санкт-Петербург

1. Основы языка Си для микроконтроллеров avr

Универсальный язык С был разработан как инструмент для написания операционной среды UNIX.

Язык С поддерживает процедурно-ориентированную парадигму программирования, т.е. парадигма – взаимосвязанный набор процедур.

Для языка Си характерны лаконичность, современный набор конструкций управления потоком выполнения, структур данных и обширный набор операций.

1. Препроцессор языка Cи его команды

Препроцессор (макропроцессор) - это составная часть языка Си, которая обрабатывает исходный текст программы до того, как он пройдет через компилятор. Препроцессор читает строки текста и выполняет действия, определяемые командными строками. Если первым символом в строке, отличным от пробела, является символ #, то такая строка рассматривается препроцессором как командная. Командные строки называются директивами препроцессора.

Препроцессор компилятора CodeVisionAVRимеет несколько директив. В Табл. 1 даётся их краткое описание.

Табл. 1 –Директивы препроцессора компилятора CodeVisionAVR

Директива	Назначение
	Используется для включения в программу другого файла
	Используется для замены одних лексических единиц языка Си на другие, а также для генерации макросов
	Используется для отмены действия директивы #define
	Используются для условной компиляции
	Используется для изменения встроенных макросов _LINE_и_FILE_
	Позволяет остановить компиляцию и отобразить сообщение об ошибках
	Используются для включения в исходную программу ассемблерного кода
	Разрешает специальные директивы компилятора

ВСЕ директивы препроцессора начинаются со знака #. После директив препроцессора точка с запятой НЕ СТАВИТСЯ.

1. Директива #include

Пример:

Директива # include

#include "имя_файла" и #include <имя_файла>

Имя_файла состоит из имени файла.

Директива # include широко используется для включения в программу так называемых заголовочных файлов (файлы с расширением. h ), содержащих определения периферийных устройств и векторов прерываний используемого микроконтроллера, прототипы библиотечных функций, прототипы функций, определённых пользователем, и т. д.

#include "имя_файла.h"

1. Директивы #define, #undef

Директива # define служит для замены часто использующихся одних лексических единиц языка Си (констант, ключевых слов, операторов или выражений) на другие, так называемыеидентификаторы. Идентификаторы, заменяющие текстовые или числовые константы, называютименованными константами. Идентификаторы, заменяющие фрагменты программ, называютмакроопределениями, причём макроопределения могут иметь аргументы.

Директива # define имеет две синтаксические формы:

#define идентификатор текст

#define идентификатор (список параметров) текст

Перед компиляцией программы препроцессор в соответствии с директивой # define заменит все идентификаторы, встречающиеся в программе, на соответствующий им текст.

Пример:

#define А 15 #define В (А+20) // Эти директивы заменят в тексте программы

каждый идентификатор А на число 15, а каждый идентификатор В на выражение (15+20) вместе с окружающими его скобками.

Пример:

#define X(a,b,c) ((а)*(b)-(с)) // Препроцессор в соответствии с этой директивой заменит фрагмент Y=X(k+m,k-m,n); на фрагмент

Киселев Роман, Май 2007 Статья обновлена 26 Мая 2014

Итак, что вообще такое микроконтроллер (далее МК)? Это, условно говоря, маленький компьютер, размещенный в одной интегральной микросхеме. У него есть процессор (арифметическо-логическое устройство, или АЛУ), flash-память, EEPROM-память, множество регистров, порты ввода-вывода, а также дополнительные «навороты», такие как таймеры, счетчики, компараторы, USARTы и т. п. Микроконтроллер после подачи питания загружается и начинает выполнять программу, записанную в его flash-памяти. При этом он может через порты ввода/вывода управлять самыми разнообразными внешними устройствами.

Что же это означает? Это значит, что в МК можно реализовать любую логическую схему, которая будет выполнять определенные функции. Это значит, что МК – микросхема, внутреннее содержимое которой, фактически, мы создаем сами. Что позволяет, купив несколько совершенно одинаковых МК, собрать на них совершенно разные схемы и устройства. Если вам захочется внести какие-либо изменения в работу электронного устройства, то не нужно будет использовать паяльник, достаточно будет лишь перепрограммировать МК. При этом не нужно даже вынимать его из вашего дивайса, если вы используете AVR, т. к. эти МК поддерживают внутрисхемное программирование. Таким образом, микроконтроллеры ликвидируют разрыв между программированием и электроникой.

AVR – это 8-битные микроконтроллеры, т. е. их АЛУ может за один такт выполнять простейшие операции только с 8-ми битными числами. Теперь пора поговорить о том, какой МК мы будем использовать. Я работаю с МК ATMega16. Он очень распространенный и приобрести его можно практически в любом магазине радиодеталей где-то за 100 руб. Если вы его не найдете – тогда можно купить любой другой МК серии MEGA, но в этом случае придется искать к нему документацию, т. к. одни и те же «ножки» разных МК могут выполнять разные функции, и, подключив, казалось бы, правильно все выводы, вы, может быть, получите рабочее устройство, а, может быть, лишь облако вонючего дыма. При покупке ATMega16 проверьте, чтобы он был в большом 40-ножечном DIP-корпусе, а также купите к нему панельку, в которую его можно будет вставить. Для работы с ним потребуются также дополнительные устройства: светодиоды, кнопки, разъемы и т. п..

ATMega16 обладает очень большим количеством самых разнообразных функций. Вот некоторые его характеристики:

• Максимальная тактовая частота – 16 МГц (8 МГц для ATMega16L)
• Большинство команд выполняются за один такт
• 32 8-битных рабочих регистра
• 4 полноценных 8-битных порта ввода/вывода
• два 8-битных таймера/счетчика и один 16-битный
• 10-разрядный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)
• внутренний тактовый генератор на 1 МГц
• аналоговый компаратор
• интерфейсы SPI, I2C, TWI, RS-232, JTAG
• внутрисхемное программирование и самопрограммирование
• модуль широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

Полные характеристики этого устройства, а также инструкции по их применению можно найти в справочнике (Datasheetе) к этому МК. Правда, он на английском языке. Если вы знаете английский, то обязательно скачайте этот Datasheet, в нем много полезного.

Приступим, наконец, к делу. Я рекомендую изготовить для микроконтроллера специальную макетно-отладочную плату, на которой можно будет без паяльника (или почти без него) собрать любую электрическую схему с микроконтроллером. Использование такой платы значительно облегчит работу с МК и ускорит процесс изучения его программирования. Выглядит это так:

Что для этого понадобится?

Во-первых, потребуется сама плата. Я купил уже готовую в магазине радиодеталей за 115 руб. Потом припаял к ней все необходимые детали. Получилась неимоверно удобная вещь, на которой можно за считанные минуты собрать какую-либо электрическую схему путем перетыкания шлейфов и установки микросхем и индикаторов.

Для соединения элементов схемы очень удобно использовать шлейфы, на концах которых установлены разъемы. Эти разъемы надеваются на «ножки», торчащие рядом с каждым портом МК. Микроконтроллер следует устанавливать в панельку, а не припаивать к плате, иначе его очень трудно будет вынуть в случае, если вы его случайно сожжете. Ниже приведена цоколевка МК ATMEGA16:

Поясним, какие ножки нас сейчас интересуют.

• VCC – сюда подается питание (4,5 – 5,5 В) от стабилизированного источника
• GND – земля
• RESET – сброс (при низком уровне напряжения)
• XTAL1, XTAL2 – сюда подключается кварцевый резонатор
• PA, PB, PC, PD – порты ввода/вывода (A, B, C и D соответственно).

В качестве источника питания можно использовать все, что выдает 7-11 В постоянного тока. Для стабильной работы МК нужно стабилизированное питание. В качестве стабилизатора можно использовать микросхемы серии 7805. Это линейные интегральные стабилизаторы, на вход которых подают 7-11 В постоянного нестабилизированного тока, а на выходе получают 5 В стабилизированного. Перед 7805 и после него нужно поставить фильтрующие конденсаторы (электролитические для фильтрации помех низких частот и керамические для высоких). Если не удается найти стабилизатор, то можно в качестве источника питания использовать батарейку на 4,5 В. От нее МК нужно питать напрямую.

Ниже приведу схему подключения МК:

Давайте теперь разберемся, что здесь для чего.

BQ1 – это кварцевый резонатор, задающий рабочую частоту МК. Можно поставить любой до 16 МГц, но, поскольку мы планируем работать в будущем и с COM-портом, то рекомендую использовать резонаторы на следующие частоты: 14,7456 МГц, 11,0592 МГц, 7,3725 МГц, 3,6864 МГц или 1,8432 МГц (позже станет ясно, почему). Я использовал 11,0592 МГц. Понятное дело, что чем больше частота, тем выше и скорость работы устройства.

R1 – подтягивающий резистор, который поддерживает напряжение 5 В на входе RESET. Низкий уровень напряжения на этом входе означает сброс. После сброса МК загружается (10 – 15 мс) и начинает выполнять программу заново. Поскольку это высокоомный вход, то нельзя оставлять его «болтающимся в воздухе» - небольшая наводка на нем приведет к непредвиденному сбросу МК. Именно для этого и нужен R1. Для надежности рекомендую также установить конденсатор С6 (не более 20 мкФ).

SB1 – кнопка сброса.

Кварцевый резонатор и фильтрующий конденсатор C3 должны располагаться как можно ближе к МК (не далее 5-7 см), т. к. иначе могут возникать наводки в проводах, приводящие к сбоям в работе МК.

Синим прямоугольником на схеме обведен собственно программатор. Его удобно выполнить в виде провода, один конец которого втыкается в LPT порт, а другой – в некий разъем рядом с МК. Провод не должен быть чрезмерно длинным. Если возникнут проблемы с этим кабелем (обычно не возникают, но всякое бывает) то придется спаять адаптер Altera ByteBlaster. О том, как это сделать, написано в описании к программатору AVReal.

Теперь, когда разобрались с железом, пора перейти к программному обеспечению.

Для программирования AVR есть несколько сред разработки. Во-первых, это AVR Studio – официальная система программирования от Atmel. Она позволяет писать на ассемблере и отлаживать программы, написанные на ассемблере, С и С++. IAR – это коммерческая система программирования на C, С++ и ассемблере. WinAVR – компилятор с открытыми исходниками. AtmanAVR – система программирования для AVR с интерфейсом, почти «один в один» таким же, как у Visual C++ 6. AtmanAVR также позволяет отлаживать программы и содержит множество вспомогательных функций, облегчающих написание кода. Эта система программирования коммерческая, но, согласно лицензии, ее можно в течение месяца использовать «нахаляву».

Я предлагаю начать работу с IAR как с наиболее «прозрачной» средой разработки. В IAR проект целиком создается «ручками», соответственно, сделав несколько проектов, вы уже будете четко знать, что означает каждая строчка кода и что будет, если ее изменить. При работе же с AtmanAVR придется либо пользоваться предварительно созданным шаблоном, который очень громоздкий и трудный для понимания для человека, не имеющего опыта, либо иметь множество проблем с заголовочными файлами при сборке проекта «с нуля». Разобравшись с IAR, мы впоследствии рассмотрим другие компиляторы.

Итак, для начала раздобудьте IAR. Он очень распространен и его нахождение не должно быть проблемой. Скачав где-либо IAR 3.20, устанавливаем компилятор / рабочую среду, и запускаем его. После этого можно начинать работу.

Запустив IAR, выбираем file / new / workspace , выбираем путь к нашему проекту и создаем для него папку и даем имя, например, «Prog1». Теперь создаем проект: Project / Create new project… Назовем его также – «Prog1». Щелкаем правой кнопкой мыши на заголовке проекта в дереве проектов и выбираем «Options»

Здесь будем настраивать компилятор под конкретный МК. Во-первых, нужно выбрать на вкладке Target тип процессора ATMega16, на вкладке Library Configuration установить галочку Enable bit definitions in I/O-include files (чтобы можно было использовать в коде программы имена битов различных регистров МК), там же выбрать тип библиотеки С/ЕС++. В категории ICCAVR нужно на вкладке Language установить галочку Enable multibyte support, а на вкладке Optimization выключить оптимизацию (иначе она испортит нашу первую программу).

Далее выбираем категорию XLINK. Здесь нужно определить формат откомпилированного файла. Поскольку сейчас мы задаем опции для режима отладки (Debug), о чем написано в заголовке, то на выходе нужно получить отладочный файл. Позже мы его откроем в AVR Studio. Для этого нужно выбрать расширение.cof, а тип файла – ubrof 7.

Теперь нажимаем ОК, после чего меняем Debug на Release.

Снова заходим в Options, где все параметры, кроме XLINK, выставляем те же. В XLINK меняем расширение на.hex, а формат файла на intel-standart.

Вот и все. Теперь можно приступать к написанию первой программы. Создаем новый Source/text и набираем в нем следующий код:

#include "iom16.h" short unsigned int i; void main (void ) { DDRB = 255; PORTB = 0; while (1) { if (PORTB == 255) PORTB = 0; else PORTB++; for (i=0; i

Файл «iom16.h» находится в папке (C:\Program Files)\IAR Systems\Embedded Workbench 3.2\avr\inc . Если вы используете другой МК, например, ATMega64, то выбирайте файл «iom64.h». В этих заголовочных файлах хранится информация о МК: имена регистров, битов в регистрах, определены имена прерываний. Каждая отдельная «ножка» порта A, B, C или D может работать либо как вход, либо как выход. Это определяется регистрами Data Direction Register (DDR). 1 делает «ножку» выходом, 0 – входом. Таким образом, выставив, например, DDRA = 13, мы делаем выходами «ножки» PB0, PB2, PB3, остальные – входы, т.к. 13 в двоичном коде будет 00001101.

PORTB – это регистр, в котором определяется состояние «ножек» порта. Записав туда 0, мы выставляем на всех выходах напряжение 0 В. Далее идет бесконечный цикл. При программировании МК всегда делают бесконечный цикл, в котором МК выполняет какое-либо действие, пока его не сбросят или пока не произойдет прерывание. В этом цикле пишут как бы «фоновый код», который МК выполняет в самую последнюю очередь. Это может быть, например, вывод информации на дисплей. В нашем же случае увеличивается содержимое регистра PORTB до тех пор, пока он не заполнится. После этого все начинается сначала. Наконец, цикл for на десять тысяч тактов. Он нужен для формирования видимой задержки в переключении состояния порта В.

Теперь сохраняем этот файл в папке с проектом как Prog1.c, копируем в папку с проектом файл iom16.h, выбираем Project/Add Files и добавляем «iom16.h» и «Prog1.c». Выбираем Release, нажимаем F7, программа компилируется и должно появиться сообщение:

Total number of errors: 0

Total number of warnings: 0

Приведу фотографию своего программатора:

Скачиваем программатор AVReal. Копируем его (AVReal32.exe) в папку Release/exe, где должен лежать файл Prog1.hex. Подаем питание на МК, подключаем кабель-программатор. Открываем Far Manager (в нем наиболее удобно прошивать МК), заходим в эту папку, нажимаем Ctrl+O. Поскольку у нас совершенно новый МК, то набиваем

avreal32.exe +MEGA16 -o11.0592MHZ -p1 -fblev=0,jtagen=1,cksel=F,sut=1 –w

Не забудьте правильно указать частоту, если используете не 11059200 Гц! При этом в МК прошиваются т.н. fuses – регистры, управляющие его работой (использование внутреннего генератора, Jtag и т.п.). После этого он готов к приему первой программы. Программатору в качестве параметров передают используемый LPT-порт, частоту, имя файла и другие (все они перечислены в описании к AVReal). Набираем:

Avreal32.exe +Mega16 -o11.0592MHz -p1 -e -w -az -% Prog1.hex

В случае правильного подключения программатор сообщит об успешном программировании. Нет гарантии, что это получится с первого раза (при первом вызове программы). У меня самого бывает программируется со второго раза. Возможно, LPT-порт глючный или возникают наводки в кабеле. При возникновении проблем тщательно проверьте свой кабель. По своему опыту знаю, что 60% неисправностей связаны с отсутствием контакта в нужном месте, 20% - с наличием в ненужном и еще 15% - с ошибочной пайкой не того не к тому. Если ничего не получится, читайте описание к программатору, попробуйте собрать Byte Blaster.

Предположим, у вас все работает. Если теперь подключить к порту В МК восемь светодиодов (делайте это в выключенном состоянии МК, и желательно последовательно со светодиодами включить резисторы в 300-400 Ом) и подать питание, то произойдет маленькое чудо – по ним побежит «волна»!

© Киселев Роман
Май 2007