Podstawy techniki mikroprocesorowej Temat 1 Podstawy języka BASIC v.1.0 Uniwersytet Pedagogiczny, Instytut Techniki Dominik Rzepka, dominik.rzepka@agh.edu.pl, 2014 1. O czym ten przedmiot? Komputer, samochód, komórka, pralka, kuchenka mikrofalowa, sterownik ogrzewania, zegarek, licznik rowerowy, GPS, drukarka, ładowarka akumulatorów i wiele, wiele innych współczesnych urządzeń elektronicznych opiera swoje działanie o układ elektroniczny zwany mikroprocesorem. W zależności od zastosowania mikroprocesory mogą być niewielkie, niskomocowe, lutowane ręcznie albo też szybkie, wymagające specjalnego chłodzenia, specjalnych technik montażu. Ich wspólną cechą jest zasada działania. Mikroprocesor komunikuje się za pomocą zer i jedynek z układem pamięci, który przechowuje w sobie program. Program ten też zapisany jest jako szereg zer i jedynek, które odpowiadają za poszczególne instrukcje programu. Mikroprocesor pobiera te instrukcje i wykonuje je. Polecenia mikroprocesora składają się z instrukcji a) Matematycznych (dodawanie, odejmowanie, mnożenie, dzielenie) b) Operacji na pamięci przesyłanie danych z- i do- pamięci (przy czym pamięć może być też podłączona do wyprowadzeń procesora, może odpowiadać jakiemuś obszarowi ekranu, może też być przypisana do jakiegoś interfejsu komunikacyjnego, np. USB) c) Operacji warunkowych sprawdzaniu, czy jakiś warunek jest spełniony i wykonywaniu w zależności od niego jakiejś grupy instrukcji. Zera i jedynki są najbardziej naturalnym formatem poleceń dla mikroprocesora, ale dla programisty są one raczej nieczytelne. Dlatego dla ułatwienia stworzono język programowania, w którym każde polecenie mikroprocesora jest zapisywane w formie krótkich wyrazów (np. mov, add, sub, jump, itp.). Język ten nazywa się assemblerem. Różne rodziny procesorów mają różne assemblery, ale zazwyczaj ich polecenia są podobne. Tak więc tworzenie programu w assemblerze wymaga dość dokładnej znajomości rodzaju procesora, który będzie wykonywał program. Jeżeli zechcemy, żeby taki sam program wykonać na innym typie procesora, może się okazać, że trzeba go przepisać na nowo przy użyciu odpowiedniego assemblera. Aby uniknąć takich problemów i jeszcze bardziej uprościć pisanie programów, stworzono języki programowania wysokiego poziomu. Są one bardziej elastyczne, a ich forma (polecenia, składnia języka) przypomina bardziej naturalny język człowieka niż listę poleceń. Program napisany w takim języku jest tłumaczony na zera i jedynki przy pomocy kompilatora, który tworzy listę poleceń zrozumiałą dla procesora. Takimi językami są np. C i BASIC. Na naszych zajęciach nauczymy się pisać programy w BASIC u. Rodzina mikroprocesorów, którymi będziemy się posługiwać, nazywa się AVR i jest produkowana przez firmę Atmel. Głównym zestawem, na którym będziemy uruchamiać swoje programy będzie ZL11AVR
Rys. 1. Zestaw ZL11AVR 2. Środowisko BASCOM-AVR Mikroprocesory AVR będziemy programować przy użyciu środowiska BASCOM-AVR, które można za darmo ściągnąć ze strony firmy MCSElectronic (w darmowej wersji rozmiar wynikowego programu jest ograniczony do 4kB, ale nasz mikroprocesor ATTiny2313 i tak nie jest w stanie obsłużyć większego). Najważniejszymi poleceniami środowiska BASCOM-AVR są kompilacja oraz symulacja. Kompilacja polega na sprawdzeniu poprawności programu pod względem jego zgodności ze składnią języka i stworzeniu jego wersji zero-jedynkowej (binarnej), zapisywanej w pliku *.hex. Aby program zaczął działać na mikroprocesorze, trzeba użyć programatora, który prześle ten plik do pamięci mikroprocesora. Wcześniej jednak program musi zostać skompilowany, i aby tego dokonać, program w języku BASIC musi być zapisany gdzieś na dysku. Jeżeli dokonaliśmy w nim jakichś zmian, to kompilacja automatycznie zapisze je na dysku i przetworzy aktualną wersję pliku. Jeżeli jednak w naszym programie znajdą się błędy, kompilator NIE ZAPISZE nowej wersji binarnego pliku *.hex żeby to się stało, program musi być poprawny z punktu widzenia składni języka BASIC. Oczywiście program może mieć poprawną składnię, ale mimo to niekoniecznie musi działać tak, jak tego chcieliśmy. Kompilator nie powie nam, czy program będzie działał, a jedynie wskaże najbardziej ewidentne błędy składniowe. kompilacja symulacja Rys. 2. Środowisko BASCOM-AVR Drugi etap tworzenia programu to symulacja jego działania. Docelowo program będzie działał na procesorze i efekty tego działania mogą nie być całkiem proste do zaobserwowania. W przypadku programowania pod komputery PC efekty obserwujemy na monitorze, ale kiedy programujemy procesor na prostej płytce, pozbawionej ekranu, wyposażonej jedynie w diodowe wyświetlacze 7-segmentowe i niewielką liczbę pinów, możliwości pokazania wyniku działania programu są niewielkie. Dlatego symulacja programu na komputerze umożliwia stosunkowo łatwe obejrzenie efektów jego działania. Ćwiczenie 1. Wpisz do edytora program wyświetlający napis Hello world przy pomocy funkcji print. Jako wzór wykorzystaj kod z Rys. 2. Dodaj również linijkę komentarza, zaczynając ją od znaku apostrofu.
Uruchamianie programu zaczynamy od kompilacji przy pomocy czarnej ikony układu scalonego, lub przyciskając klawisz F7. Jeżeli wszystko poszło dobrze, możemy wypróbować symulację naciskając ikonę czerwonego układu scalonego, lub klawisz F2. W oknie, które się pokaże naciskamy ikonę z trójkątem i obserwujemy efekt w polu podpisanym jako UART0. Uruchomienie symulacji Ogólny schemat tworzenia i uruchamiania programu w języku BASIC jest przedstawiony na poniższym rysunku. Tekst programu w BASICu, pisany w edytorze BASCOM-AVR (plik *.bas) kompilator Binarny kod programu w pliku *.hex symulator Program symulowany na PC programator Program działający na mikroprocesorze
3. BASIC - zmienne Zmienne są jednym z podstawowych elementów programu. Pozwalają przechować wynik działania i wykorzystać go później do różnych celów. W zależności od rodzaju przechowywanej zawartości, zmienne mogą mieć różne typy. Przykładowo, liczby mogą być przechowywane w zmiennych typu: Byte liczby całkowite od 0 do 255 Integer liczby całkowite od - 32 768 do +32 767 Single, Double liczby zmiennoprzecinkowe Aby użyć w programie zmiennej, trzeba zadeklarować jej typ i nazwę. W BASIC u robi się to przy pomocy polecenia Dim Dim nazwa_zmiennej as typ_zmiennej np. Dim liczba as Integer Przykładowy program, który dodaje do siebie dwie liczby ma formę: Przykład 1. Dim liczba_1 as Integer Dim liczba_2 as Integer Dim wynik as Integer 'wstawiamy do pierwszej zmiennej wartość 10 liczba_1 = 10 'wstawiamy do drugiej zmiennej wartość 5 liczba_2 = 5 'wpisujemy wartość pierwszej zmiennej Print liczba_1 'wpisujemy wartość drugiej zmiennej Print liczba_2 'dodajemy liczby wynik = liczba_1 + liczba_2 Ćwiczenie 2. a) Dodaj do powyższego programu wyświetlanie wyniku funkcją print. Przesymuluj program. b) Napisz kod, który przed wyświetleniem zwiększy wynik o 1. c) Dodaj trzecią zmienną, przypisz do niej wartość 20 i wykonaj dodawanie trzech liczb. Uwaga BASIC nie akceptuje wykonywania w jednej linijce na więcej jednej operacji. Tak więc polecenie wynik = liczba_1 + liczba_2 + liczba_3 jest niedozwolone. Wymyśl sposób na obejście tego ograniczenia. Ćwiczenie 3. Napisz program obliczający działania i wyświetlający wynik. Pamiętaj o kolejności wykonywania działań. a) (2 + 8)/4 + 1 b) 2*5 + 8 2 c) (2+5)/3. Sprawdź wynik uzyskany przy pomocy operacji na zmiennych typu Integer. Następnie użyj zmiennych typu Single i sprawdź różnicę w wyniku. Z czego ona wynika? d) Napisz program operujący wyłącznie na zmiennych przechowujących wartości z zakresu 0..255. Przypisz zmiennej wartość 255, a następnie zwiększ jej wartość o 1. Sprawdź wynik funkcją print.
Program obliczający wynik działań byłby znacznie bardziej przydatny, gdyby dane wejściowe podawał użytkownik, a nie programista. Dane od użytkownika można zdobyć przy pomocy funkcji input. Stwórz nowy plik, zapisz go pod nazwą test_input, wpisz do niego zawartość poniższego przykładu, zasymuluj kilka razy program i przetestuj kilka różnych liczb wpisywanych z klawiatury. ZAPAMIĘTAJ! Zmienne typu integer przechowują tylko liczby całkowite! Przykład 2. Dim liczba_1 as Integer 'wczytujemy wartość zmiennej liczba_1 od użytkownika Print "wpisz liczbe" Input liczba_1 'wyświetlamy wczytaną wartość Print "podales wartosc" Print liczba_1 Ćwiczenie 4. Napisz program pobierający od użytkownika dwie liczby, dodający je do siebie i wyświetlający wynik. 4. BASIC instrukcje warunkowe Aby dalej rozwinąć program kalkulator, który tworzymy, należałoby dać użytkownikowi możliwość wyboru działania, jakie chce obliczyć. Tak więc w zależności od tego, co wpisze użytkownik program powinien wykonywać różne partie kodu. Można to zrealizować przy pomocy instrukcji warunkowych. Wypróbuj działanie programu z poniższego przykładu. Stwórz nowy plik i zapisz go pod nazwą test_if. Przepisz program, zasymuluj go kilka razy i spróbuj za każdym razem wpisać inną liczbę: 1, 2 lub 3. Przykład 3. Dim wybor as Integer 'wczytujemy wartość zmiennej wybor od użytkownika Print "wpisz liczbe" Input wybor 'wyświetlamy wybór użytkownika If wybor = 2 then Print "wybrales opcje numer 2" Ćwiczenie 5. Napisz program kalkulator pobierający od użytkownika dwie liczby oraz typ działania, które ma wykonać. Niech 1 oznacza dodawanie, 2 odejmowanie, 3 mnożenie a 4 dzielenie. Wyświetl użytkownikowi opis poszczególnych działań tak, aby wiedział co może wybrać. W zależności od wybranego działania, program ma wykonać odpowiedni kod, umieszczony w warunku if then end if, a na końcu wyświetlić wynik funkcją print.
Ćwiczenie 6. Jakie błędy popełniono przy pisaniu poniższych instrukcji? a) If wybor = 1 b) End c) d) If wybor == 1 then Przyjrzyjmy się jeszcze raz przykładowi 2. Jeżeli wybor = 1, to sprawdzanie czy wybor = 2 nie ma sensu, bo wiemy już, że nie równa się 2, tylko 1. Jeżeli zależy nam na szybkości wykonywania kodu, to takie niepotrzebne sprawdzania warunków należy eliminować. Można to zrobić przy pomocy instrukcji else, która wykonuje się tylko wtedy, gdy warunek if NIE ZOSTAŁ spełniony. Stwórz nowy plik test_if_else, wpisz do niego zawartość poniższego przykładu, zasymuluj go kilkukrotnie i spróbuj wpisać za każdym razem inną wartość zmiennej wybor 1, 2 lub 3. Przykład 4. Dim wybor as Integer 'wczytujemy wartość zmiennej wybor od użytkownika Print "wpisz liczbe" Input wybor 'wyświetlamy wybór użytkownika Print "Na pewno nie wybrales opcji numer 1. Sprawdzamy, czy wybrales 2." If wybor = 2 then Print "wybrales opcje numer 2" Print "Nie wybrales tez opcji numer 2" Zwróć uwagę, że wewnątrz pierwszej instrukcji else..end if znajduje się druga instrukcja if..then..else..end if. Taka sytuacja jest nazywana zagnieżdżeniem warunków. WAŻNE! Każda instrukcja typu if..then oraz typu if..then..else MUSI mieć odpowiadające jej zakończenie end if. Ćwiczenie 7. Przerób program kalkulator z wykorzystaniem instrukcji else i zagnieżdżenia warunków.
Ćwiczenie 8. Jaki błędy popełniono przy pisaniu poniższych instrukcji? a) If wybor = 2 then Print "wybrales opcje numer 2" Print "Nie wybrales tez opcji numer 2" b) If wybor = 1 If wybor = 2 Print "wybrales opcje numer 2" Print "Nie wybrales tez opcji numer 2" W sytuacji, gdy mamy do sprawdzenia dużo warunków opisującywanych tą samą zmienną, program można znacząco uprościć dzięki zastosowaniu instrukcji select..case. Stwórz w edytorze nowy plik test_select, wypełnij go treścią poniższego przykładu i wypróbuj jego działanie dla różnych danych wejściowych tak, aby wykonać kod z każdego przypadku (case). Przykład 5. Dim I As Byte Input "Podaj liczbe (0-10) ", I Select Case I Case 1 : Print "1" Case 2 : Print "2" Case 3 to 5 : Print "3-5" Case Is >= 6 : Print ">= 6" Case : Print "Liczba poza zakresem" End Select Ćwiczenie 9. Przerób program kalkulator, wykorzystując instrukcję select..case. 5. BASIC pętle Nasz kalkulator ma jeszcze jedną niedogodność, której prawdziwe kalkulatory nie posiadają. Po wykonaniu operacji matematycznej i podaniu wyniku program kończy działanie i żeby obliczyć coś jeszcze, trzeba go uruchomić od nowa. Można go więc przerobić tak, żeby po podaniu wyniku automatycznie pytał o kolejne działanie do wykonania. W tym celu posłużymy się pętlą. Wpisz do edytora zawartość poniższego przykładu, zapisz go pod nazwą test_loop i zaobserwuj jego działanie w symulatorze.
Przykład 6. Print "tekst przed petla" Do Print "tekst wewnatrz petli" Loop Print "tekst po petli" Ponieważ pętla do..loop nie ma warunku kończącego, będzie się wykonywała w nieskończoność i ostatni tekst nigdy nie zostanie wyświetlony (dotyczy to również dowolnego innego kodu za pętlą do..loop). Ćwiczenie 10. Napisz program, który będzie w pętli zwiększał wartość zmiennej liczba o 1 (zob. ćw. 2b), oraz wyświetlał tę wartość funkcją print. Ćwiczenie 11. Napisz program, który będzie w pętli zwiększał wartość zmiennej liczba o 1, zaczynając od 0. Jeżeli zmienna liczba będzie miała wartość mniejszą niż 10 wyświetl ją funkcją print (do sprawdzenia wartości zmiennej liczba wykorzystaj instrukcję if..then). Ćwiczenie 12. Napisz program, który będzie w pętli odliczał na przemian od 1 do 10, a następnie od 10 do 1. W tym celu dodaj zmienną kierunek, która będzie określała, czy zliczanie odbywa się w górę czy w dół. Kiedy liczba osiągnie 1 lub 10, zmień wartość zmiennej kierunek. Sprawdzenia wartości zmiennych liczba i kierunek dokonaj przy pomocy instrukcji if..then.else. Wynik odliczania wyświetlaj funkcją print. Ćwiczenie 13. Zmodyfikuj program kalkulator w taki sposób, aby po wykonaniu działania pytał o kolejne działanie. Dodaj do opcji wyboru działania opcję Zakończ. Jeżeli użytkownik ją wybierze, wykonaj instrukcję exit do. W niektórych sytuacjach potrzebujemy wykonać jakąś operację skończoną, ale dość dużą ilość razy. Potrzebna jest wtedy pętla, która posiada warunek kończący jej wykonywanie. Do pętli do..loop możemy dodać warunek until, który będzie określał kiedy pętla się zakończy. Utwórz w edytorze nowy plik test_loop_until, wpisz do niego zawartość poniższego przykładu i zaobserwuj wyniki symulacji. Przykład 7. Dim Liczba as Integer Print "tekst przed petla" Liczba = 0 Do Liczba = Liczba + 1 Print Liczba ; " wyswietlenie tekstu" Loop Until Liczba = 10 Print "Tekst został wypisany 10 razy" Innym przydatnym rodzajem pętli jest instrukcja for..to..next, która automatycznie zwiększa (lub zmniejsza) wartość zmiennej sterującej pętlą. Wpis zawartość poniższego przykładu do pliku test_for i przetestuj jego działanie.
Przykład 8. Dim A as Integer For A = 1 To 10 Step 2 Print "Wartosc A " ; A Next A Ćwiczenie 14. Zmodyfikuj przykład 7 tak, aby a) Zliczanie odbywało się od 10 do 50 z krokiem 5 b) Zliczanie odbywało się od 20 do 10 z krokiem -1 c) Zliczanie odbywało się od -20 do 0 z krokiem 1 6. Przykładowe zadania na kolokwium Poza zadaniami z laboratorium obowiązuje znajomość następujących zagadnień: 1. Jakiego rodzaju błędy wykrywa kompilator? 2. Co zawiera plik *.bas, a co plik *.hex? 3. Jakie wartości wyświetli program Dim A as Byte A = 3.7 Print A A = 255 A = A + 2 Print A A = 11 A = A / 2 Print A 4. Przerób poniższy program na wersje wykorzystującą instrukcję else Dim A as Byte, B as Byte If A = 0 then B = A If A > 1 then B = A + 1