Język C. Wykład 9: Mikrokontrolery cz.1. Łukasz Gaweł Chemia C pokój 307

Transkrypt

1 Język C Wykład 9: Mikrokontrolery cz.1 Łukasz Gaweł Chemia C pokój 307 lukasz.gawel@pg.edu.pl

2 Trochę teorii..

3 Mikrokontroler (dawniej mikrokomputer jednoukładowy) jest to układ scalony z wyspecjalizowanym mikroprocesorem (CPU) zdolny do autonomicznej pracy w systemach kontrolno-pomiarowych. Posiada własną pamięć (RAM), pamięć programu (FRAM, MRAM, ROM, Flash) oraz układ do komunikacji z otoczeniem. Zastosowanie: Sprzęty gospodarstwa domowego; Motoryzacja; Aparaty fotograficzne; Rejestratory danych pomiarowych; Układy automatyki; Sprzęt medyczny, telekomunikacyjny itd..; I dużo, dużo więcej

4 Najważniejsi producenci mikrokontrolerów Atmel- AVR, ATTiny, ATmega32 Philips- ARM Microchip Technology- PIC ST Microelectronics- ST(X), np. ST6 Hitachi- Renesas Intel

5 Architektura mikrokontrolera Szerokość szyny danych (32-bit, 16-bit, 8-bit) określa liczbę linii danych (równolegle przesyłanych bitów), natomiast częstotliwość- maksymalną szybkość transmisji danych (CPU) Realizuje ciąg rozkazów zapisanych w pamięci programu, na danych pochodzących z pamięci bądź urządzeń peryferyjnych Służy do przekazywania adresów fizycznych z których CPU wykonuje odczyty i zapisy danych Służy do przekazywania sygnałów z CPU, jaki rodzaj operacji ma wykonać układ współpracujący (pamięć i peryferia) Pełka R., Mikrokontrolery architektura, programowanie, zastosowania

6 Jednostka centralna (procesor rdzeniowy) cechy: Synchroniczność- wszystkie operacje wykonywane w rytm sygnału zegarowego, Sekwencyjność- stan wyjść zależy nie tylko od stanu wejść, lecz również poprzednich stanów tego układu, Posiada własną pamięć- do przechowywania argumentów rozkazów niezbędnych do wykonania na nich określonych operacji. W zależności od typu, mikrokontroler wyposażony jest w różne typy wbudowanej pamięci wewnętrznej: pamięć RAM (ang. Random Access Memory) pamięć ROM (ang. Read-Only Memory) pamięć EPROM (ang. Erasable Programmable ROM) pamięć OTP (ang. One Time Programmable) pamięć EEPROM (ang. Electrically Erasable PROM) pamięć FLASH (ang. bulk erasable non-volatile memory)

7 Najważniejsze przykładowe informacje z kart charakterystyki mikrokontrolera (ATmega8): CPU: 8-bitowy RISC FLASH: 8K, programowalna, nieulotna pamięć programu SRAM: 1K, zmienne, stos, itp. EEPROM: 0.5K, nieulotna Timer/licznik/PWM x3 10-bit ADC x6, Analog Comparator SPI, USART, TWI 23 programowalne cyfrowe linie IO 19 przerwań sprzętowych (w tym 2 zewnętrzne) ISP: proste programowanie Zegar: max 16 MHz - prawie 16 mln instrukcji/s Wewnętrzny zegar 1-8 MHz

8 Mikrokontrolery- porty wejść/wyjść Port mikrokontrolera- zbiór nóżek mikroprocesora, gdzie każda odpowiada jednemu bitowi w rejestrze sterującym, dzięki czemu jesteśmy w stanie sterować podłączonymi komponentami W zależności od wpisów w rejestrze sterującym może pełnić funkcję: Sterującą- gdy jest skonfigurowany jako wyjście Zbierającą dane- gdy jest skonfigurowany jako wejście Odcinającą- gdy jest skonfigurowany jako wejście o wysokiej impedancji Domyślnie każda nóżka jest skonfigurowana jako wejście! Najczęściej występują porty A-D *W celu zdefiniowania właściwości portów zawsze należy sięgnąć po dokumentację techniczną mikrokontrolera! Mogą one różnić się parametrami (np. obciążenie prądowe oraz funkcje specjalistyczne)!

9 Mikrokontrolery- porty wejść/wyjść Opis nóżek mikrokontrolera (w uproszczeniu): PB0- PB7, PC0- PC4, PD0-PD7- porty wejścia/wyjścia z możliwością dołączania rezystorów Ponadto: Zasilające (VCC- plus, GND-masa- minus) Zerujące (domyślnie- stan wysoki 1) Podłączenia z programatorem *W celu zdefiniowania właściwości portów zawsze należy sięgnąć po dokumentację techniczną mikrokontrolera! Mogą one różnić się parametrami (np. obciążenie prądowe oraz funkcje specjalistyczne)!

10 Mikrokontrolery- porty wejść/wyjść Rejestry sterujące: DDRx- rejestr określający kierunek przesyłania danych (1-wyjście, 0-wyjście) x- numer pinu od 0 do 7 (przy 8-pinowych mikrokontrolerach) PORTx- rejestr danych portu- zawiera wartość wystawianą na port (1- stan wysoki, 0- stan niski) PINx- rejestr wejściowy portu (pozwala odczytać wartość na określonym pinie)

11 Co niezbędne do rozpoczęcia pracy z μc? Zaprojektowanie schematu! Mikrokontroler (koszt rzędu kilkunastu zł) Płytka stykowa lub zestaw uruchomieniowy Elementy elektroniczne, którymi chcemy sterować Programator (wykonany samodzielnie, bądź zakup za kilkadziesiąt zł) Komputer z niezbędnym oprogramowaniem (darmowym!)

12 Przykładowy schemat podłączeń mikrokontrolera ATmega8 (minimum) Wykorzystany schemat pochodzi ze strony:

13 Programator Zawsze można programator zbudować samodzielnie, w internecie jest mnóstwo dostępnych schematów

14 Programator Najpopularniejszym złączem wykorzystywanym przez programatory do komunikacji z mikrokontrolerami (patrz żółte kropki na schemacie mikrokontrolera) jest złącze KANDA

15 Języki programowania mikrokontrolerów Język C- uniwersalny, prosty w obsłudze, popularny, dobra optymalizacja, darmowe środowiska programistyczne i kompilatory, największa baza gotowych programów, Assembler- trudny w opanowaniu, skomplikowany kod źródłowy dla nawet prostych operacji, niezwykle przydatny gdy chodzi o optymalizację pamięci zużywanej przez program, Bascom- mniej popularny, ograniczony jedynie do mikrokontrolerów AVR, do obsługi prostych projektów, płatne środowisko pracy, wolniejszy niż dwa powyższe, mikroc, mikrobasic, mikropascal- płatne, coraz mniej popularne.

16 Środowiska programistyczne ATMEL Studio- oryginalne, wielofunkcyjne stanowisko do programowania w języku Assembler oraz C/C++, obsługuje rodzinę mikrokontrolerów AVR, ARM, można symulować działanie mikrokontrolera WinAVR + kompilator C (gnu gcc*)- pakiet narzędzi niezbędnych do pracy z mikrokontrolerami, nieco starsze, większa gama mikrokontrolerów, lżejszy niż powyższy Mniej popularne: AVR Studio, PonyProg2000 * Dla dociekliwych parametry gnu gcc:

17 Kompilator języka C dla platformy AVR Najpopularniejszy zestaw narzędzi dla tej platformy bazuje na porcie kompilatora gcc: avr-gcc i dla systemu Windows nosi nazwę WinAVR W skład pakietu wchodzi: kompilator C/C++, zestaw plików nagłówkowych dla wszystkich mikrokontrolerów AVR, program make, powłoka bash wraz z podstawowymi narzędziami, edytor Programmer s Notepad 2, program AVRdude* do programowania pamięci mikrokontrolerów *AVR Downloader/Uploader

18 Środowiska obsługujące programatory AVRDude- mało przyjazny użytkownikowi, należy wprowadzać komendy z poziomu wiersza poleceń, jednakże są dostępne nakładki, dzięki którym wgrywanie programów staje się czytelniejsze MkAvrCalculator- czytelny, łatwy sposób sprawdzenia połączenia pomiędzy mikrokontrolerem a PC, obsługuje różne typy programatorów stk500v1-2, USBasp itp., wersja darmowa ograniczona do najpopularniejszych mikrokontrolerów, prosty sposób odczytu i zapisu programów z i do mikrokontrolera inne

19 Edytory Programmers Notepad- zawarty w pakiecie WinAVR, posiada wgrane niezbędne dane do kompilowania programów przeznaczonych do mikrokontrolerów, oraz do współpracy z programatorem Każdy inny przeznaczony do języka C Bardziej zaawansowane narzędzia: AVR Studio Eclipse CDT Visual Studio Express

20 Pierwsze kroki

21 Na początek schemat Włącznik Układ, którym będziemy sterować Programator Niezbędne minimalne połączenia, by mikrokontroler pracował prawidłowo Wykorzystany schemat pochodzi ze strony:

22 Połączenie w rzeczywistości

23 MkAvrCalculator Sprawdzenie poprawnego podłączenia programatora i mikrokontrolera Wybór użytego programatora Wybór użytego portu programatora Sprawdzenie podłączonego μc Wyświetla nazwę i sygnaturę podłączonego μc

24 MkAvrCalculator- błędy nowicjusza Prawdopodobnie błąd sterownika programatora Prawdopodobnie błąd podłączenia do złych pinów Niewłaściwy dobór programatora

25 Pierwszy program (omówienie niektórych komend) Częstotliwość zegara procesora μc (należy sprawdzić z kartą techniczną μc) Dodaje plik nagłówkowy zawierający deklaracje rejestrów IO. Zapewnia komunikację μc z urządzeniami Definiuje porty użyte do komunikacji z urządzeniami zewnętrznymi Ustawia port PB0 oraz PB1 jako port wyjściowy Ustawia stan wysoki na wyjściu sterującym PB0 (dioda się nie świeci) Wykorzystano edytor Programmers Notepad

26 I to wszystko? Wystarczy skompilować i gotowe? Mikrokontroler już steruje układem? Niestety nie

27 Konfiguracja kompilatora (pliku Make) By móc skompilować wcześniej napisany program, należy zmodyfikować plik kompilatora Make, a następnie umieścić ten plik w tym samym folderze, co plik z napisanym programem Plik kompilatora edytujemy za pomocą programu mfile (z pakietu WinAVR)

28 Konfiguracja pliku Make- podstawowe zmiany Zmiana nazwy pliku make

29 Konfiguracja pliku Make- podstawowe zmiany Zmiana nazwy pliku make Wybór typu mikrokontrolera

30 Konfiguracja pliku Make- podstawowe zmiany Zmiana nazwy pliku make Wybór typu mikrokontrolera Rodzaj używanego programatora Uwaga! Brak programatora USBasp w liście rozwijanej*

31 Konfiguracja pliku Make- podstawowe zmiany Zmiana nazwy pliku make Wybór typu mikrokontrolera Rodzaj używanego programatora Uwaga! Brak programatora USBasp w liście rozwijanej* Typ portu do którego podłączony jest programator Zmiana możliwości edycji pliku make w oknie dialogowym (bez zaznaczenia tej edycji nie jesteśmy w stanie go samodzielnie edytować)

32 Konfiguracja pliku Make- podstawowe zmiany Rodzaj używanego programatora Uwaga! Brak programatora USBasp w liście rozwijanej* By zmienić typ programatora na USBasp Należy w oknie dialogowym odszukać ścieżkę AVRDUDE_PROGRAMMER i wpisać ręcznie USBasp Tak skonfigurowany plik Make zapisujemy w folderze zawierającym wcześniej napisany program. Jeżeli używamy tego samego programatora i mikrokontrolera, można ten plik powielać

33 Kompilacja programu W celu kompilacji utworzonego programu w programie Programmers Notepad korzystamy z funkcji Po czym otrzymujemy stosowny komunikat o powodzeniu kompilacji W efekcie zostały utworzone: main.hex binarny kod programu, który zostanie załadowany do mikrokontrolera main.elf program wraz z informacjami dla debuggera main.lss skompilowany program w wersji czytelnej (assembler)

34 Wprowadzenie programu do mikrokontrolera W tym celu należy posłużyć się również Programmers Notepad Po pozytywnym zaprogramowaniu mikrokontrolera otrzymamy odpowiedź

35 Pierwsze problemy jakie można napotkać Problem ze sterownikami programatora- tyczy się to głównie starszych programatorów, dla których nie ma wersji sterowników dla wersji 64- bit (niestety czasami tyczy się to również nowszych programatorów). W tym przypadku nie ma możliwości wykorzystania i wykrycia μc. Problem z niewłaściwym podpięciem programatora do mikrokontrolera- wystarczy podpiąć jeden niewłaściwy pin, byśmy nie mogli połączyć się z μc, zatem uwaga jest bardzo ważna! Nauka podstawowych wejść/wyjść jest niezbędna Niewłaściwy wybór programatora, bądź rodzaju mikrokontrolera w Mfile! Będzie skutkować niepoprawną próbą zaprogramowania Błędy programowe, ukierunkowanie niewłaściwych portów Większość rozwiązań można znaleźć na forach dyskusyjnych

36 Przydatne książki oraz linki Francuz T., Język C dla mikrokontrolerów AVR. Od podstaw do zaawansowanych aplikacji, wyd. Helion Kardaś M. Mikrokontrolery AVR Język C Podstawy programowania wyd. II, wyd. obsługa Eclipse - ogólnodostępny pdf opisujący funkcje AVRDude oraz modułów wykorzystywanych przy funkcji #include forum firmy ATNEL, dostawcy m.in. USB- AspCable i MkAVRCalculator, liczne rozwiązania problemów, dostępne gotowe programy etc. - kolejne forum o tematyce robotyki Liczne kursy online, które pozwolą wam zacząć przygodę z μc: