Среды программирования. Схемы подключения микроконтроллера

Очевидно, что в общем случае одной команде CISC соответствует несколько команд RISC. Однако обычно выигрыш от повышения быстродействия в рамках RISC перекрывает потери от менее эффективной системы команд, что приводит к более высокой эффективности RISC систем в целом по сравнению с CISC.

Однако в настоящее время грань между CISC и RISC архитектурой стремительно стирается. Например, МК семейства AVR фирмы Atmel имеют систему команд из 120 инструкций, что соответствует типу CISC. Однако большинство из них выполняется за один такт, что является признаком RISC архитектуры. Сегодня принято считать, что признаком RISC архитектуры является выполнение команд за один такт тактового генератора. Число команд само по себе значения уже не имеет.

Типы памяти МК.

Можно выделить три основных вида памяти, используемой в МК:

а) память программ;

б) память данных;

в) регистры МК.

Память программ представляет собой постоянную память, предназначенную для хранения программного кода и констант. Эта память не изменяет содержимого в процессе выполнения программы. Память данных предназначена для хранения переменных в ходе выполнения программы. Регистры МК - этот вид памяти включает внутренние регистры процессора и регистры, которые служат для управления периферийными устройствами.

Для хранения программ обычно служит один из видов постоянной памяти: ROM (масочные ПЗУ), PROM (однократно программируемые ПЗУ), EPROM (электрически программируемые ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием) или EEPROM (ПЗУ с электрической записью и стиранием, к этому виду также относятся современные микросхемы Flash-памяти). Все эти виды памяти являются энергонезависимыми - это означает, что содержимое памяти сохраняется после выключения питания МК.

Многократно программируемые ПЗУ - EPROM и EEPROM (Electrically Erasable Programmable Memory) подразделяются на ПЗУ со стиранием ультрафиолетовым (УФ) облучением (выпускаются в корпусах с окном), и МК с электрически перепрограммируемой памятью, соответственно.

В настоящее время протоколы программирования современной EEPROM памяти позволяют выполнять программирование МК непосредственно в составе системы, где он работает. Такой способ программирования получил название - ISP (In System Programming). И теперь можно периодически обновлять программное обеспечение МК без удаления из платы. Это дает огромный выигрыш на начальных этапах разработки систем на базе МК или в процессе их изучения, когда масса времени уходит на многократный поиск причин неработоспособности системы и выполнение последующих циклов стирания-программирования памяти программ.

Функционально Flash-память мало отличается от EEPROM. Основное различие состоит в способности стирания записанной информации. В памяти EEPROM стирание производится отдельно для каждой ячейки, а во Flash-памяти стирание осуществляется целыми блоками.

ОЗУ (RAM) - оперативное запоминающее устройство, используется для хранения данных. Эту память называют еще памятью данных. Число циклов чтения и записи в ОЗУ неограниченно, но при отключение питания вся информация теряется.

 

Раздел 2. Среды программирования. Схемы подключения микроконтроллера

 

Программная среда "AVR Studio" - это мощный современный программный продукт, позволяющий производить все этапы разработки программ для любых микроконтроллеров серии AVR. Пакет включает в себя специализированный текстовый редактор для написания программ, мощный программный отладчик.

Кроме того, "AVR Studio" позволяет управлять целым рядом подключаемых к компьютеру внешних устройств, позволяющих выполнять аппаратную отладку, а также программирование ("прошивку") микросхем AVR.

Программная среда "AVR Studio" работает не просто с программами, а с проектами. Для каждого проекта должен быть отведен свой отдельный каталог на жестком диске. В AVR Studio одновременно может быть загружен только один проект.

При загрузке нового проекта предыдущий проект автоматически выгружается. Проект содержит всю информацию о разрабатываемой программе и применяемом микроконтроллере. Он состоит из целого набора файлов.

Главный из них - файл проекта. Он имеет расширение aps. Файл проекта содержит сведения о типе процессора, частоте тактового генератора и т.д. Он также содержит описание всех остальных файлов, входящих в проект. Все эти сведения используются при отладке и трансляции программы.

Кроме файла aps, проект должен содержать хотя бы один файл с текстом программы. Такой файл имеет расширение asm. Недостаточно просто поместить файл asm в директорию проекта. Его нужно еще включить в проект. Проект может содержать несколько файлов asm. При этом один из них является главным. Остальные могут вызываться из главного при помощи оператора. include. На этом заканчивается список файлов проекта, которые создаются при участии программиста.

Algorithm Builder предназначен для производства полного цикла разработки начиная от ввода алгоритма, включая процесс отладки и заканчивая программированием кристалла.

Algorithm Builder довольно нетрадиционная  программа в плане языка программирования; ассемблер, завернутый в красивую  обертку визуального программирования. Algorithm Builder - визуальный ассемблер  или построитель ассемблера с  помощью которого на выходе  можно получить максимально эффективный  код.

Работа с переменными и константами организована гениально просто. Инициализация производиться в отдельном окне в виде таблицы - освобождая алгоритм от лишних записей. В буквальном смысле слова все разложено по полочкам.

Algorithm Builder имеет удобный  настройщик периферии (таймеры, UART, ADC, SPI и т.д.) позволяющий, не читая  даташитов, просто выбрать необходимые  параметры работы устройства  в окне настройки. В этом же  окне Builder честно покажет набор  инструкций, обеспечивающих эти  параметры.

Переходы осуществляются в программе очень наглядно - вектором. Если требуется перейти по условию в какую либо точку программы - нужно просто провести вектор в эту точку. Это освобождает программу от бесчисленных имен меток, которые в классическом ассемблере являются неизбежным балластом. Переходы по именованным меткам так же возможны.

Внутрисхемное программирование кристалла. При использовании внутрисхемного программатора микроконтроллер подключается к COM порту компьютера через несложный адаптер (три диода и несколько резисторов). Также есть вариант USB подключения. Программатор ведет подсчет числа перепрограммирований кристалла, сохраняя счетчик непосредственно в кристалле. Процесс программирования кристалла очень прост - в два "хода".

Мониторная отладка на кристалле. Algorithm Builder обеспечивает мониторную отладку на кристалле (On Chip debug) которая позволяет наблюдать содержимое реального кристалла в заданной точке останова. При этом для связи микроконтроллера с компьютером используется только один вывод, причем по выбору пользователя. Мониторная отладка может быть применена к любому типу кристалла, имеющего SRAM. Это софтверный вариант debugWIRE.

Для того, чтобы написанная программа превратилась в результирующий код и заработала в конкретном микропроцессорном устройстве, ее нужно оттранслировать и "зашить" в программную память микроконтроллера.

При написании программ обычно нельзя обойтись без процедуры отладки. Отладка выполняется на компьютере при помощи специальной инструментальной программы - отладчика. Он позволяет пошагово выполнять отлаживаемую программу, а также выполняет ее поэтапно с использованием, так называемых точек останова.

В процессе выполнения программы под управлением отладчика можно на экране компьютера:

видеть содержимое любого регистра микроконтроллера;

видеть содержимое ОЗУ и EEPROM;

наблюдать за последовательностью выполнения команд, контролируя правильность отработки условных и безусловных переходов;

наблюдать за работой таймеров, отработкой прерываний.

В процессе отладки также можно наблюдать логические уровни на любом внешнем выходе микроконтроллера. А также имитировать изменение сигналов на любом входе. Процесс отладки позволяет убедиться в том, что разрабатываемая программа работает именно так, как нужно.

Существует три основных вида отладчиков:

программные;

аппаратные;

комбинированные программно-аппаратные.

Программный отладчик

Программный отладчик - это компьютерная программа, которая имитирует работу процессора на экране компьютера. Она не требует наличие реальной микросхемы или дополнительных внешних устройств и позволяет отладить программу чисто виртуально.

Однако программный отладчик позволяет проверить только логику работы программы. При помощи такого отладчика невозможно проверить работу схемы в режиме реального времени или работу всего микропроцессорного устройства в комплексе, т. е невозможно гарантировать правильную работу и всех подключенных к микроконтроллеру дополнительных микросхем и элементов.

Аппаратный отладчик

Основа аппаратного отладчика - специальная плата, подключаемая к компьютеру, работающая под его управлением и имитирующая работу реальной микросхемы микроконтроллера. Плата имеет выводы, соответствующие выводам реальной микросхемы, на которых в процессе отладки появляются реальные сигналы.

При помощи этих выводов отладочная плата может быть включена в реальную схему. Возникающие в процессе отладки электрические сигналы можно наблюдать при помощи осциллографа. Можно нажимать реальные кнопки и наблюдать работу светодиодов и других индикаторов.

Здесь как и в предыдущем случае, можем видеть всю информации об отлаживаемой программе: наблюдать содержимое регистров, ОЗУ, портов ввода-вывода; контролировать ход выполнения программы.

В аппаратном отладчике так же, как и в программном, можно выполнять программу в пошаговом режиме и применять точки останова. Недостатком аппаратного отладчика является его высокая стоимость.

Имитаторы

Имитаторы - программы, которые позволяют на экране компьютера "собрать" любую электронную схему, включающую в себя самые разные электронные компоненты:

a) транзисторы;

b) резисторы;

c) конденсаторы;

d) операционные усилители;

e) логические и цифровые  микросхемы, в том числе и микроконтроллеры.

Такие программы обычно содержат обширные базы электронных компонентов и конструктор электронных схем. Собрав схему, можно виртуально записать в память микроконтроллера вашу программу, а затем "запустить" всю схему в работу.

Для контроля результатов работы схемы имитатор имеет виртуальные вольтметры, амперметры и осциллографы, которые можно "подключать" к любой точке схемы, "измерять" различные напряжения, а также "снимать" временные диаграммы.

Такие программы в настоящее время получают все большее распространение. Они позволяют разработать любую схему с микроконтроллером или без него, без использования паяльника и реальных деталей. На экране компьютера можно полностью отладить свою схему и лишь потом браться за паяльник.

Недостатком данного отладчика является то, что он требует значительных вычислительных ресурсов. Особенно в том случае, когда отлаживается схема, включающая как микроконтроллер, так и некоторую аналоговую часть. Кроме того, имитатор не всегда верно имитирует работу некоторых устройств. Однако подобные программы имеют очень большие перспективы.

WinAVR

WinAVR представляет собой  набор инструментальных средств  для работы с микроконтроллерами  семейства AVR фирмы ATMEL. В него вошли  следующие компоненты:

компилятор языка C avr-gcc,

библиотека компилятора avr-libs,

ассемблер avr-as,

интерфейс программатора avrdude,

интерфейс JTAG ICE avarice,

Debuger avr-gdb,

редактор programmers notepad.

Весь этот набор собран в один инсталляционный пакет и предназначен для установки на платформу Windows.

Главным преимуществом моего выбора именно этой микросхемы является ее широкая доступность и не высокая цена.

 

Рис.2.1 Типовая схема включения микроконтроллера АТ89С2051

 

Элементы R1, С1 составляют цепь начального сброса микроконтроллера. Она служит для перевода в исходное состояние всех внутренних систем микроконтроллера сразу после включения питания. Кварцевый резонатор Z1 определяет частоту встроенного тактового генератора микроконтроллера. Этот генератор предназначен для синхронизации всех внутренних процессов микроконтроллера. Микросхема АТ89С2051 допускает выбирать частоту кварцевого резонатора до 24 МГц. Нижний предел частоты не ограничивается. Конденсаторы С2 и СЗ - это согласующие элементы для кварца. Микроконтроллер АТ89С2051 допускает применение в качестве времязадающей цепи резонансного контура, и даже подключение внешнего тактового генератора. Оставшиеся выводы микроконтроллера представляют собой два порта ввода/вывода, которые обозначены Р1 и РЗ. Именно к этим двум портам и подключаются периферийные устройства.

Практически ни одно микропроцессорное устройство не обходится без кнопок и простейших датчиков на основе обычных контактов. При помощи этого вида периферийных элементов в микропроцессорное устройство поступает различная информация, которая используется для изменения алгоритма работы программы.

Примером может служить датчик поворота (Рис.2.2) - механические контакты, связанные с поворачиваемым устройством.

 

Рис.2.2 Простая схема подключения датчика на основе геркона

 

На вход микроконтроллера через резистор R1 подается напряжение от источника питания +5 В. Микросхема воспринимает это напряжение как сигнал логической единицы. При срабатывании датчика контакты замыкаются и соединяют вывод микроконтроллера с общим проводом. В результате напряжение на входе Р1.0 падает до нуля. В следствии микросхема воспринимает входной уровень сигнала как логический ноль. Резистор R1 при этом служит токоограничивающим элементом, предотвращая короткое замыкание между шиной питания и общим проводом.

Рассмотрим программу для обслуживания вышеупомянутого датчика (Листинг 2.3.), которая, постоянно опрашивает датчик и в зависимости от состояния запускает одну из двух специальных процедур.