Принципы программирования микроконтроллеров. Программирование микроконтроллеров для начинающих. Выбор языка программирования и среды разработки для программирования

Я не раз и не два говорил, что изучение МК надо начинать с ассемблера. Этому был посвящен целый курс на сайте (правда он не очень последовательный, но постепенно я его причесываю до адекватного вида) . Да, это сложно, результат будет не в первый день, но зато ты научишься понимать что происходит у тебя в контроллере. Будешь знать как это работает, а не по обезьяньий копировать чужие исходники и пытаться понять почему оно вдруг перестало работать. Кроме того, Си намного проще натворить быдлокода, который вылезет вилами в самый неподходящий момент.

К сожалению все хотят результат немедленно. Поэтому я решил пойти с другой стороны — сделать обучалку по Си, но с показом его нижнего белья. Хороший программист-эмбеддер всегда крепко держит свою железку за шкварник, не давая ей ни шагу ступить без разрешения. Так что будет вначале Си код, потом то что родил компилятор и как все это работает на самом деле:)

С другой стороны у Си сильная сторона это переносимость кода. Если, конечно, писать все правильно. Разделяя алгоритмы работы и их железные реализации в разные части проекта. Тогда для переноса алгоритма в другой МК достаточно будет переписать только интерфейсный слой, где прописано все обращение к железу, а весь рабочий код оставить как есть. И, конечно же, читаемость. Сишный исходник проще понять с первого взгляда (хотя.. мне, например, уже пофигу на что фтыкать — хоть си, хоть асм:)), но, опять же, если правильно все написать. Этим моментам я тоже буду уделять внимание.

В качестве подопытной железки на которой будет ставиться львинная доля всех примеров будет моя отладочная плата .

Первая программа на Си для AVR

Выбор компилятора и установка среды
Для AVR существует множество разных компиляторов Си:
В первую очередь это IAR AVR C — почти однозначно признается лучшим компилятором для AVR, т.к. сам контроллер создавался тесном сотрудничистве Atmel и спецов из IAR. Но за все приходится платить. И этот компилятор мало того, что является дорогущим коммерческим софтом, так еще обладает такой прорвой настроек, что просто взять и скомпилить в нем это надо постраться. У меня с ним правда не срослось дружбы, проект загнивал на странных ошибках на этапе линковки (позже выяснил, что это был кривой кряк).

Вторым идет WinAVR GCC — мощный оптимизирующий компилятор. Полный опенсорц, кроссплатформенный, в общем, все радости жизни. Еще он отлично интегрируется в AVR Studio позволяя вести отладку прямо там, что адски удобно. В общем, я выбрал его.

Также есть CodeVision AVR C — очень популярный компилятор. Стал популярен в связи со своей простотой. Рабочую программу в нем получить можно уже через несколько минут — мастер стартового кода этом сильно способствует, штампуя стандартыне инициализации всяких уартов. Честно говоря, я как то с подозрением к нему отношусь — как то раз приходилось дизасмить прогу написаную этим компилером, каша какая то а не код получалась. Жуткое количество ненужных телодвижений и операций, что выливалось в неслабый обьем кода и медленное быстродействие. Впрочем, возможно тут была ошибка в ДНК писавшего исходную прошивку. Плюс он хочет денег. Не так много как IAR, но ощутимо. А в деморежиме дает писать не более чем 2кб кода.
Кряк конечно есть, но если уж воровать, так миллион, в смысле IAR:)

Еще есть Image Craft AVR C и MicroC от микроэлектроники. Ни тем ни другим пользоваться не приходилось, но вот SWG очень уж нахваливает MicroPascal , мол жутко удобная среда программирования и библиотеки. Думаю MicroC не хуже будет, но тоже платный.

Как я уже сказал, я выбра WinAVR по трем причинам: халявный, интегрируется в AVR Studio и под него написана просто прорва готового кода на все случаи жизни.

Так что качай себе инсталяху WinAVR с и AVR Studio. Далее вначале ставится студия, потом, сверху, накатывается WinAVR и цепляется к студии в виде плагина. Настоятельно рекомендую ставить WinAVR по короткому пути, что то вроде C:\WinAVR тем самым ты избежишь кучи проблем с путями.

Cоздание проекта
Итак, студия поставлена, Си прикручен, пора бы и попробовать что нибудь запрограммировать. Начнем с простого, самого простого. Запускай студию, выбирай там новый проект, в качестве компилятора AVR GCC и вписывай название проекта.

Открывается рабочее поле с пустым *.c файлом.

Теперь не помешает настроить отображение путей в закладках студии. Для этого слазь по адресу:
Меню Tools — Options — General — FileTabs и выбираем в выпадающем списке «Filename Only». Иначе работать будет невозможно — на вкладке будет полный путь файла и на экране будет не более двух трех вкладок.

Настройка проекта
Вообще, классическим считается создание make файла в котором бы были описаны все зависимости. И это, наверное, правильно. Но мне, выросшему на полностью интегрированных IDE вроде uVision или AVR Studio этот подход является глубоко чуждым. Поэтому буду делать по своему, все средствами студии.

Тыкай в кнопку с шестеренкой.

Это настройки твоего проекта, а точнее настройки автоматической генерации make файла. На первой странице надо всего лишь вписать частоту на которой будет работать твой МК. Это зависит от фьюз битов, так что считаем что частота у нас 8000000Гц.
Также обрати внимание на строку оптимизации. Сейчас там стоит -Os это оптимизация по размеру. Пока оставь как есть, потом можешь попробовать поиграться с этим параметром. -O0 это отстутсвие оптимизации вообще.

Следующим шагом будет настройка путей. Первым делом добавь туда директорию твоего проекта — будешь туда подкладывать сторонние библиотеки. В списке появится путь «.\»

Make файл сгенерирован, его ты можешь поглядеть в папке default в своем проекте, просто пробегись глазами, посмотри что там есть.

На этом пока все. Жми везде ОК и переходи в исходник.

Постановка задачи
Чистый лист так и подмывает воплотить какую нибудь хитрую задумку, так как банальное мигание диодом уже не вставляет. Давай уж сразу брать быка за рога и реализуем связь с компом — это первым делом что я делаю.

Работать будет так:
При приходе по COM порту единички (код 0х31) будем зажигать диодик, а при приходе нуля (код 0х30) гасить. Причем сделано будет все на прерываниях, а фоновой задачей будет мигание другого диода. Простенько и со смыслом.

Собираем схему
Нам надо соединить модуль USB-USART конвертера с выводами USART микроконтроллера. Для этого берем перемычку из двух проводков и накидывам на штырьки крест накрест. То есть Rx контроллера соединяем с Tx конвертера, а Tx конвертера с Rx контроллера.

Получится, в итоге вот такая схема:

Подключение остальных выводов, питания, сброса не рассматриваю, оно стандартное

Пишем код

Сразу оговорюсь, что я не буду углубляться конкретно в описание самого языка Си. Для этого существует просто колоссальное количество материала, начиная от классики «Язык программирования Си» от K&R и заканчивая разными методичками.

Одна такая метода нашлась у меня в загашнике, я когда то именно по ней изучал этот язык. Там все кратко, понятно и по делу. Я ее постепенно верстаю и перестаскиваю на свой сайт.

Там правда еще не все главы перенесены, но, думаю, это ненадолго.

Вряд ли я опишу лучше, поэтому из учебного курса, вместо подробного разьяснения сишных тонкостей, я буду просто давать прямые линки на отдельные страницы этой методички.

Добавляем библиотеки.
Первым делом мы добавляем нужные библиотеки и заголовки с определениями. Ведь Си это универсальный язык и ему надо обьяснить что мы работаем именно с AVR, так что вписывай в исходник строку:

#include

Этот файл находится в папке WinAVR и в нем содержится описание всех регистров и портов контроллера. Причем там все хитро, с привязкой к конкретному контроллеру, который передается компилятором через make файл в параметре MCU и на основании этой переменной в твой проект подключается заголовочный файл с описанием адресов всех портов и регистров именно на этот контроллер. Во как! Без него тоже можно, но тогда ты не сможешь использовать символические имена регистров вроде SREG или UDR и придется помнить адрес каждого вроде «0xC1», а это голову сломать.

Сама же команда #include <имя файла> позволяет добавить в твой проект содержимое любого текстового файла, например, файл с описанием функций или кусок другого кода. А чтобы директива могла этот файл найти мы и указывали пути к нашему проекту (директория WinAVR там уже по дефолту прописана).

Главная функция.
Программа на языке Си вся состоит из функций. Они могут быть вложенными и вызываться друг из друга в любом порядке и разными способами. Каждая функция имеет три обязательных параметра:

Возвращаемое значение, например, sin(x) возвращает значение синуса икс. Как в математике, короче.
Передаваемые параметры, тот самый икс.
Тело функции.

Все значения передаваемые и возвращаемые обязаны быть какого либо типа, в зависимости от данных.

Любая программа на Си должна содержать функцию main как точку входа в главную прогрмму, иначе это нифига не Си:). По наличию main в чужом исходнике из миллиона файлов можно понять, что это и есть головная часть программы откуда начинается все. Вот и зададим:

1 2 3 4 5

int main(void ) { return 0 ; }

int main(void) { return 0; }

Все, первая простейшая программа написана, не беда что она ничего не делает, мы же только начали.

Разберем что же мы сделали.
int это тип данных которая функция main возвращает.

Конечно, в микроконтроллере main ничего вернуть в принципе не может и по идее должна быть void main(void) , но GCC изначально заточен на PC и там программа может вернуть значение операционной системе по завершении. Поэтому GCC на void main(void) ругается Warning’ом.

Это не ошибка, работать будет, но я не люблю варнинги.

void это тип данных которые мы передаем в функцию, в данном случае main также не может ничего принять извне, поэтом void — пустышка. Заглушка, применяется тогда когда не надо ничего передавать или возвращать.

Вот такие вот { } фигурные скобочки это программный блок, в данном случае тело функции main , там будет распологаться код.

return — это возвращаемое значение, которое функция main отдаст при завершении, поскольку у нас int, то есть число то вернуть мы должны число. Хотя это все равно не имеет смысла, т.к. на микроконтроллере из main нам выходить разве что в никуда. Я возвращаю нуль. Ибо нефиг. А компилятор обычно умный и на этот случай код не генерит.
Хотя, если извратиться, то из main на МК выйти можно — например вывалиться в секцию бутлоадера и исполнить ее, но тут уже потребуется низкоуровневое ковыряние прошивки, чтобы подправить адреса перехода. Ниже ты сам увидишь и поймешь как это сделать. Зачем? Вот это уже другой вопрос, в 99.999% случаев это нафиг не надо:)

Сделали, поехали дальше. Добавим переменную, она нам не особо нужна и без нужны вводить переменные не стоит, но мы же учимся. Если переменные добавляются внутри тела функции — то они локальные и существуют только в этой функции. Когда из функции выходишь эти переменные удаляются, а память ОЗУ отдается под более важные нужды. .

1 2 3 4 5 6

int main(void ) { unsigned char i; return 0 ; }

int main(void) { unsigned char i; return 0; }

unsigned значит беззнаковый. Дело в том, что в двоичном представлении у нас старший бит отводится под знак, а значит в один байт (char) влазит число +127/-128, но если знак отбросить то влезет уже от 0 до 255. Обычно знак не нужен. Так что unsigned .
i — это всего лишь имя переменной. Не более того.

Теперь надо проинициализировать порты и UART . Конечно, можно взять и подключить библиотеку и вызвать какой нибудь UartInit(9600); но тогда ты не узнаешь что же произошло на самом деле.

Делаем так:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

int main(void ) { unsigned char i; #define XTAL 8000000L #define baudrate 9600L #define bauddivider (XTAL/(16*baudrate)-1) #define HI(x) ((x)>>8) #define LO(x) ((x)& 0xFF) UBRRL = LO(bauddivider) ; UBRRH = HI(bauddivider) ; UCSRA = 0 ; UCSRB = 1 << RXEN| 1 << TXEN| 1 << RXCIE| 0 << TXCIE; UCSRC = 1 << URSEL| 1 << UCSZ0| 1 << UCSZ1; }

int main(void) { unsigned char i; #define XTAL 8000000L #define baudrate 9600L #define bauddivider (XTAL/(16*baudrate)-1) #define HI(x) ((x)>>8) #define LO(x) ((x)& 0xFF) UBRRL = LO(bauddivider); UBRRH = HI(bauddivider); UCSRA = 0; UCSRB = 1<

Страшна? На самом деле реалного кода тут всего пять последних строк. Все что #define это макроязык препроцессора. Почти та же ботва, что и в Ассемблере, но синтаксис несколько иной.

Они облегчат твои рутинные операции по вычислении нужных коэффициентов. В первой строке мы говорим что вместо XTAL можно смело подставлять 8000000, а L — указание типа, мол long — это тактовая частота процессора. То же самое baudrate — частота передачи данных по UART.

bauddivider уже сложней, вместо него будет подставлятся выражение вычисленное по формуле из двух предыдущих.
Ну, а LO и HI из этого результата возьмут младший и старший байты, т.к. в один байт оно явно может не влезть. В HI делается сдвиг икса (входной параметр макроса) восемь раз в вправо, в результате от него останется только старший байт. А в LO мы делаем побитовое И с числом 00FF, в результате останется только младший байт.

Так что все что сделано как #define можно смело выкинуть, а нужные числа подсчитать на калькуляторе и сразу же вписать их в строки UBBRL = …. и UBBRH = …..

Можно. Но! Делать этого КАТЕГОРИЧЕСКИ НЕЛЬЗЯ !

Работать будет и так и эдак, но у тебя в программе появятся так называемые магические числа — значения взятые непонятно откуда и непонятно зачем и если ты через пару лет откроешь такой проект то понять что это за значения будет чертовски трудно. Да и сейчас, захочешь ты изменить скорость, или поменяешь частоту кварца и все придется пересчитывать заново, а так поменял пару циферок в коде и все само. В общем, если не хочешь прослыть быдлокодером, то делай код таким, чтобы он легко читался, был понятен и легко модифицировался.

Дальше все просто:
Все эти «UBRRL и Со» это регистры конфигурации UART передатчика с помощью которого мы будем общаться с миром. И сейчас мы присвоили им нужные значения, настроив на нужную скорость и нужный режим.

Запись вида 1< Означает следующее: взять 1 и поставить ее на место RXEN в байте. RXEN это 4й бит регистра UCSRB , так что 1< образует двоичное число 00010000, TXEN — это 3й бит, а 1< даст 00001000. Одиночная «|» это побитовое ИЛИ , так что 00010000 | 00001000 = 00011000. Таким же образом выставляются и добавляются в общуюу кучу остальные необходимые биты конфигурации. В итоге, собраное число записывается в UCSRB. Подробней расписано в даташите на МК в разделе USART. Так что не отвлекаемся на технические детали.

Готово, пора бы посмотреть что получилось. Жми на компиляцию и запуск эмуляции (Ctrl+F7).

Отладка
Пробежали всякие прогресс бары, студия переменилась и возле входа в функцию main появилась желтая стрелочка. Это то где процессор в текущий момент, а симуляция на паузе.

Дело в том, что изначально, на самом деле, она стояла на строке UBRRL = LO(bauddivider); Ведь то что у нас в define это не код, а просто предварительные вычисления, вот симулятор немного и затупил. Но теперь он осознал, первая инструкция выполнена и если ты залезешь в дерево I/O View , в раздел USART и поглядишь там на байт UBBRL то увидишь, что там значение то уже есть! 0х33.

Сделай еще один шаг. Погляди как изменится содержимое другого регистра. Так прошагай их все, обрати внимание на то, что все указаные биты выставляются как я тебе и говорил, причем выставляются одновременно для всего байта. Дальше Return дело не пойдет — программа кончилась.

Вскрытие
Теперь сбрось симуляцию в ноль. Нажми там Reset (Shift+F5) . Открывай дизассемблированный листинг, сейчас ты увидишь что происходит в контроллере в самом деле. View -> Disassembler . И не ЫЫАААА!!! Ассемблер!!! УЖОС!!! А НАДО. Чтобы потом, когда что то пойдет не так, не тупил в код и не задавал ламерских вопросах на форумах, а сразу же лез в потроха и смотрел где у тебя затык. Ничего там страшного нет.

Вначале будет ботва из серии:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 +00000000: 940C002A JMP 0x0000002A Jump +00000002: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000004: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000006: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000008: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000000A: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000000C: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000000E: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000010: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000012: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000014: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000016: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000018: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000001A: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000001C: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000001E: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000020: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000022: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000024: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000026: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000028: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
00000000: 940C002A JMP 0x0000002A Jump +00000002: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000004: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000006: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000008: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000000A: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000000C: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000000E: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000010: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000012: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000014: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000016: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000018: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000001A: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000001C: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +0000001E: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000020: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000022: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000024: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000026: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump +00000028: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump

Это таблица векторов прерываний. К ней мы еще вернемся, пока же просто посмотри и запомни, что она есть. Первая колонка — адрес ячейки флеша в которой лежит команда, вторая код команды третья мнемоника команды, та самая ассемблерная инструкция, третья операнды команды. Ну и автоматический коммент.
Так вот, если ты посмотришь, то тут сплошные переходы. А код команды JMP четырех байтный, в нем содержится адрес перехода, записанный задом наперед — младший байт по младшему адресу и код команды перехода 940C

0000002B: BE1F OUT 0x3F,R1 Out to I/O location

Запись этого нуля по адресу 0x3F, Если ты поглядишь в колонку I/O view, то ты увидишь что адрес 0x3F это адрес регистра SREG — флагового регистра контроллера. Т.е. мы обнуляем SREG, чтобы запустить программу на нулевых условиях.

1 2 3 4 +0000002C: E5CF LDI R28,0x5F Load immediate +0000002D: E0D4 LDI R29,0x04 Load immediate +0000002E: BFDE OUT 0x3E,R29 Out to I/O location +0000002F: BFCD OUT 0x3D,R28 Out to I/O location
0000002C: E5CF LDI R28,0x5F Load immediate +0000002D: E0D4 LDI R29,0x04 Load immediate +0000002E: BFDE OUT 0x3E,R29 Out to I/O location +0000002F: BFCD OUT 0x3D,R28 Out to I/O location

Это загрузка указателя стека. Напрямую грузить в I/O регистры нельзя, только через промежуточный регистр. Поэтому сначала LDI в промежуточный, а потом оттуда OUT в I/O. О стеке я тоже еще расскажу подробней. Пока же знай, что это такая динамическая область памяти, висит в конце ОЗУ и хранит в себе адреса и промежуточные переменные. Вот сейчас мы указали на то, откуда у нас будет начинаться стек.

00000032: 940C0041 JMP 0x00000041 Jump

Прыжок в сааааамый конец программы, а там у нас запрет прерываний и зацикливание наглухо само на себя:

1 2 +00000041: 94F8 CLI Global Interrupt Disable +00000042: CFFF RJMP PC-0x0000 Relative jump
00000041: 94F8 CLI Global Interrupt Disable +00000042: CFFF RJMP PC-0x0000 Relative jump

Это на случай непредвиденых обстоятельств, например выхода из функции main. Из такого зацикливания контроллер можно вывести либо аппаратным сбросом, либо, что вероятней, сбросом от сторожевой собаки — watchdog. Ну или, как я говорил выше, подправить это мест в хекс редакторе и ускакать куда нам душе угодно. Также обрати внимание на то, что бывает два типа переходов JMP и RJMP первый это прямой переход по адресу. Он занимает четыре байта и может сделать прямой переход по всей области памяти. Второй тип перехода — RJMP — относительный. Его команда занимает два байта, но переход он делает от текущего положения (адреса) на 1024 шага вперед или назад. И в его параметрах указывается смещение от текущей точки. Используется чаще, т.к. занимает в два раза меньше места во флеше, а длинные прееходы нужны редко.

1 +00000034: 940C0000 JMP 0x00000000 Jump
00000034: 940C0000 JMP 0x00000000 Jump

А это прыжок в самое начало кода. Перезагрузка своего рода. Можешь проверить, все вектора прыгают сюда. Из этого вывод — если ты сейчас разрешишь прерывания (они по дефолту запрещены) и у тебя прерывание пройзойдет, а обработчика нет, то будет программный сброс — программу кинет в самое начало.

Функция main. Все аналогично, даже можно и не описывать. Посмотри только что в регистры заносится уже вычисленное число. Препроцессор компилятора рулит!!! Так что никаких «магических» чисел!

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 <
00000036: E383 LDI R24,0x33 Load immediate +00000037: B989 OUT 0x09,R24 Out to I/O location 15: UBRRH = HI(bauddivider); +00000038: BC10 OUT 0x20,R1 Out to I/O location 16: UCSRA = 0; +00000039: B81B OUT 0x0B,R1 Out to I/O location 17: UCSRB = 1<
А вот тут косяк:

1 2 3 +0000003E: E080 LDI R24,0x00 Load immediate +0000003F: E090 LDI R25,0x00 Load immediate +00000040: 9508 RET Subroutine return
0000003E: E080 LDI R24,0x00 Load immediate +0000003F: E090 LDI R25,0x00 Load immediate +00000040: 9508 RET Subroutine return

Спрашивается, для чего это компилятор добавляет такую ботву? А это не что иное, как Return 0, функцию то мы определили как int main(void) вот и просрали еще целых четыре байта не пойми на что:) А если сделать void main(void) то останется только RET, но появится варнинг, что мол у нас функция main ничего не возвращает. В общем, поступай как хошь:)

Сложно? Вроде бы нет. Пощелкай пошаговое исполнение в режиме дизассемблера и позырь как процессор выполняет отдельные инструкции, что при этом происходит с регистрами. Как происходит перемещение по командам и итоговое зацикливание.

Продолжение следует через пару дней …

Offtop:
Alexei78 сварганил плагинчик для файрфокса облегчающий навигацию по моему сайту и форуму.
Обсуждение и скачивание,
Декабрь 2015 г.
1. Преимущества предлагаемого способа

Схемы устройств на микроконтроллерах (МК) обычно отличаются сочетанием двух трудносовместимых качеств: максимальной простотой и высокой функциональностью. К тому же функциональность может в дальнейшем меняться и расширяться без внесения каких-либо изменений в схему - путём лишь замены программы (перепрошивкой). Эти особенности объясняются тем, что создатели современных МК постарались разместить на одном кристалле всё, что только может потребоваться разработчику электронного устройства - по крайней мере настолько, насколько это возможно. В результате произошло смещение акцента со схемотехнического и монтажного на программный. С использованием МК теперь меньше приходится "нагружать" схему деталями, между компонентами становится меньше соединений. Это, конечно, делает схему более привлекательной для её повторения как опытными, так и начинающими электронщиками. Но, как обычно, за всё приходится платить. Здесь тоже не обошлось без своих сложностей. Если купить новый МК, установить его в правильно собранную из исправных деталей схему и подать питание, то ничего не получится - устройство не будет работать. Микроконтроллеру нужна программа.
Казалось бы с этим тоже всё просто - в интернете можно встретить множество схем с бесплатными прошивками. Но тут возникает одна загвоздка: прошивку необходимо как-то "залить" в микроконтроллер. Для того, кто никогда этим раньше не занимался, такая задача зачастую становится проблемой и главным отталкивающим фактором, нередко заставляющим отказаться от прелестей использования МК и поискать схемы на "рассыпухе" и жесткой логике. А ведь всё не так уж сложно, как может показаться на первый взгляд.
Проанализировав публикации в интернете, можно заметить, что данная проблема решается чаще всего одним из двух путей: покупкой готового программатора или изготовлением самодельного. При этом публикуемые схемы самодельных программаторов очень часто неоправданно сложны - гораздо сложнее, чем это действительно необходимо. Конечно, если предполагается каждый день прошивать МК, лучше иметь "крутой" программатор. Но если надобность в такой процедуре возникает нечасто, от случая к случаю, то можно вообще обойтись без программатора. Нет, конечно, речь идет не о том, чтобы научиться делать это силой мысли. Имеется в виду, что понимая, как происходит взаимодействие программатора с микроконтроллером при записи и считывании информации в режиме его программирования, мы можем обойтись подручными средствами более широкого назначения. Эти средства должны будут заменить как программную, так и аппаратную части программатора. Аппаратная часть должна обеспечить физическое соединение с микросхемой МК, возможность подавать логические уровни на его входы и считывать данные с его выходов. Программная часть должна обеспечить работу алгоритма, управляющего всеми необходимыми процессами. Отметим также, что качество записи информации в МК не зависит от того, насколько "крутой" у вас программатор. Такого понятия, как "лучше записалось" или "хуже" не существует. Есть только два варианта: "записалось" и "не записалось". Это объясняется тем, что непосредственно процессом записи внутри кристалла руководит сам МК. Нужно лишь обеспечить ему качественное питание (отсутствие помех и пульсаций) и правильно организовать интерфейс. Если по результатам контрольного считывания ошибок не выявлено, то все в порядке - можно использовать контроллер по назначению.
Для того, чтобы, не имея программатора, записать в МК программу, нам потребуется преобразователь порта USB-RS232TTL и , а также . Конвертер USB-RS232TTL позволяет при помощи порта USB создать COM-порт, отличающийся от "настоящего" лишь тем, что на его входах и выходах используются логические уровни TTL, то есть напряжение в интервале от 0 до 5 вольт (подробнее можно почитать в статье " "). Такой конвертер в любом случае полезно иметь в "хозяйстве", так что если у вас его еще нет, непременно стоит приобрести. Что касается логических уровней, то в нашем случае TTL - это даже преимущество перед обычным COM-портом, потому что входы и выходы такого порта можно напрямую подключать к любому микроконтроллеру, питающемуся от напряжения 5 В, в том числе ATtiny и ATmega. Но не пытайтесь использовать обычный COM-порт - там используются напряжения в интервале от -12 до +12 В (либо -15...+15В). Непосредственное соединение с микроконтроллером в этом случае недопустимо!!!
Идея создания скрипта для программы "Перпетуум М", реализующего функции программатора, возникла после ознакомления с рядом публикаций в интернете, предлагающих те или иные решения по прошивке МК. В каждом случае обнаруживались серьезные недостатки или чрезмерные сложности. Часто попадались схемы программаторов, содержащие в себе микроконтроллер и при этом вполне серьезно давались советы типа: "... а чтобы запрограммировать микроконтроллер для этого программатора нам потребуется... правильно - другой программатор!". Далее предлагалось сходить к другу, поискать платную услугу и т.п. Качество программного обеспечения, распространяемого в сети для этих целей, также не впечатлило - замечено множество проблем как с функциональностью, так и с "мутностью" пользовательского интерфейса. Зачастую много времени нужно потратить, чтобы понять, как использовать программу - ее необходимо изучать даже ради осуществления простейших действий. Иная программа может долго и усердно что-то делать, но о том, что ничего в МК не записывается, пользователь узнает только после полного завершения всей прошивки и последующего контрольного считывания. Встречается и такая проблема: пользователь пытается выбрать из списка поддерживаемых кристаллов свой МК, а его в списке нет. В этом случае воспользоваться программой не удастся - внесение в список недостающих МК, как правило, не предусмотрено. Кроме того ручной выбор контроллера из списка выглядит странно, если учесть, что программатор во многих случаях может сам определить тип МК. Все это сказано не для того, чтобы облить грязью существующие продукты, а для того, чтобы объяснить причину появления скрипта к программе "Перпетуум М", описываемого в данной статье. Проблема действительно существует, и она касается в первую очередь новичков, которым не всегда удается преодолеть данную "стену", чтобы сделать свой первый шаг в мир микроконтроллеров. В предлагаемом скрипте учтены недостатки, обнаруженные в других программах. Реализована максимальная "прозрачность" работы алгоритма, предельно простой интерфейс пользователя, не требующий изучения и не оставляющий шанса запутаться и "не туда нажать". При отсутствии нужного МК среди поддерживаемых есть возможность самостоятельно добавить его описание, взяв нужные данные из документации, скачанной с сайта разработчика МК. И, самое главное - скрипт открыт для изучения и модификации. Каждый желающий может, открыв в текстовом редакторе, изучать и править его на свое усмотрение, изменяя на свой вкус существующие функции и добавляя недостающие.
Первая версия скрипта была создана в июне 2015 года. В этой версии реализована только поддержка Atmel"овских МК серий ATtiny и ATmega с функциями записи/чтения флэш-памяти, с настройкой конфигурационных бит, с автоматическим определением типа контроллера. Запись и чтение EEPROM не реализованы. Были планы дополнить функциональность скрипта: добавить запись и чтение EEPROM, реализовать поддержку PIC-контроллеров и т.д. По этой причине скрипт до сих пор не был опубликован. Но из-за нехватки времени осуществление задуманного затянулось, и, чтобы лучшее не становилось врагом хорошего, решено опубликовать имеющуюся версию. Если уже реализованных функций окажется недостаточно, прошу не огорчаться. В этом случае вы можете попробовать самостоятельно добавить нужную функцию. Не стану скрывать: идея создания данного скрипта изначально несет в себе еще и образовательный смысл. Разобравшись в алгоритме и добавив к нему что-то свое, вы сможете глубже понять работу МК в режиме программирования, чтобы в будущем не оказаться в положении девушки перед сломавшимся автомоблем, задумчиво разглядывающей его внутренности и не понимающей, почему "не едет".
2. Интерфейс МК в режиме программирования

Существует несколько различных способов перевести контроллер в режим программирования и работать с ним в этом режиме. Самым простым в реализации для контроллеров серий ATtiny и ATmega является, пожалуй, SPI. Им и воспользуемся.
Но, прежде чем приступить к рассмотрению сигналов, необходимых для формирования SPI, сделаем ряд оговорок. Микроконтроллер имеет конфигурационные биты. Это что-то вроде тумблеров, переключение которых позволяет менять некоторые свойства микросхемы в соответствии с нуждами проекта. Физически это ячейки энергонезависимой памяти, вроде тех, в которые записывается программа. Разница в том, что их очень мало (до трех байт для ATmega), и они не входят в адресное пространство какой-либо памяти. Запись и чтение конфигурационных данных выполняется отдельными командами режима программирования МК. Сейчас важно отметить, что некоторые конфигурационные биты влияют на саму возможность использования SPI. При некоторых их значениях может оказаться, что SPI нельзя будет использовать. Если вам попадется такой микроконтроллер, то метод, предлагаемый в данной статье, не поможет. В этом случае придется либо изменить настройки конфигурационных бит в программаторе, который поддерживает иной режим программирования, либо использовать другой микроконтроллер. Но данная проблема касается только бывших в употреблении МК, либо тех, с которыми уже кто-то неудачно "поигрался". Дело в том, что новые МК поставляются с настройками конфигурационных бит, не препятствующими использованию SPI. Это подтверждается и результатами испытаний скрипта-программатора для программы "Перпетуум М", во время которых были успешно прошиты четыре разных МК (ATmega8, ATmega128, ATtiny13, ATtiny44). Все они были новые. Начальная настройка конфигурационных бит соответствовала документации и не мешала использованию SPI.
Учитывая сказанное выше, следует обращать внимание на следующие биты. Бит SPIEN в явном виде разрешает или запрещает использование SPI, следовательно в нашем случае его значение должно быть разрешающим. Бит RSTDISBL способен превратить один из выводов микросхемы (заранее предопределенный) во вход сигнала "сброс", либо не превратить (в зависимости от записанного в этот бит значения). В нашем случае вход "сброс" необходим (при его отсутствии не получится перевести МК в режим программирования через SPI). Есть еще биты группы CKSEL, задающие источник тактового сигнала. Они не препятствуют использованию SPI, но их тоже необходимо иметь в виду, потому что при полном отсутствии тактовых импульсов, либо при их частоте ниже допустимой для заданной скорости SPI, также ничего хорошего не получится. Обычно у новых МК, имеющих внутренний RC-генератор, биты группы CKSEL настроены на его использование. Нас это вполне устраивает - тактирование обеспечено без каких-либо дополнительных усилий с нашей стороны. Ни кварцевый резонатор припаивать, ни внешний генератор подключать не нужно. Если же указанные биты содержат иную настройку, придется позаботится о тактировании в соответствии с настройкой. В этом случае может потребоваться подключение к МК кварцевого резонатора или внешнего тактового генератора. Но в рамках данной статьи мы не будем рассматривать, как это делается. Примеры подключения МК для программирования, содержащиеся в данной статье, рассчитаны на самый простой случай.

Рис. 1. Обмен данными по SPI в режиме программирования

Теперь обратимся к рисунку 1, взятому из документации на МК ATmega128A. На нем показан процесс передачи одного байта в МК и одновременного приема одного байта из МК. Оба эти процесса, как видим, используют одни и те же тактовые импульсы, поступающие от программатора в микроконтроллер на его вход SCK - один из выводов микросхемы, для которого в режиме программирования по SPI отведена такая роль. Еще две сигнальные линии обеспечивают прием и передачу данных по одному биту за такт. Через вход MOSI данные поступают в микроконтроллер, а с выхода MISO снимаются считываемые данные. Обратите внимание на две пунктирные линии, проведенные от SCK к MISO и MOSI. Они показывают, в какой момент микроконтроллер "проглатывает" выставленный на входе MOSI бит данных, и в какой момент сам выставляет на выход MISO свой бит данных. Все достаточно просто. Но чтобы ввести МК в режим программирования нам еще потребуется сигнал RESET. Не забудем также про общий провод GND и питание VCC. В общей сложности выходит, что к микроконтроллеру для его прошивки по SPI нужно подключить всего 6 проводков. Ниже разберем это подробнее, а пока добавим, что обмен данными с МК в режиме программирования по SPI выполняется пакетами по 4 байта. Первый байт каждого пакета в основном полностью отводится под кодирование команды. Второй байт в зависимости от первого может быть продолжением кода команды, либо частью адреса, а может иметь произвольное значение. Третий байт используется в основном для передачи адресов, но во многих командах может иметь произвольное значение. Четвертый байт обычно передает данные, либо имеет произвольное значение. Одновременно с передачей четвертого байта в некоторых командах принимаются данные, поступающие из МК. Подробности по каждой команде можно найти в документации на контроллер в таблице под названием "SPI Serial Programming Instruction Set". Пока отметим лишь, что весь обмен с контроллером построен из последовательности 32-битных пакетов, в каждом из которых передается не более одного байта полезной информации. Это не очень оптимально, но в целом работает неплохо.
3. Подключение МК для программирования

Чтобы обеспечить подачу на входы микроконтроллера всех необходимых сигналов для организации интерфейса SPI и чтение данных с его выхода MISO, не обязательно создавать программатор. Это легко осуществить при помощи самого обыкновенного конвертера USB-RS232TTL.

В интернете часто можно встретить информацию о том, что такие конвертеры неполноценны, что с ними ничего серьезного сделать нельзя. Но в отношении большинства моделей конвертеров такое мнение ошибочно. Да, существуют в продаже конвертеры, у которых доступны не все входы и выходы по сравнению со стандартным COM-портом (например, только TXD и RXD), имеющие при этом неразборную конструкцию (микросхема залита пластмассой - невозможно добраться до ее выводов). Но такие и покупать не стоит. В некоторых случаях получить недостающие входы и выходы порта можно, подпаяв проводки непосредственно к микросхеме. Пример такого "усовершенствованного" конвертера показан на рисунке 2 (микросхема PL-2303 - подробнее о назначении ее выводов в статье " "). Это одна из самых дешевых моделей, но обладающая своими преимуществами при использовании в самодельных конструкциях. Широко распространены и полнофункциональные шнуры-переходники со стандартным девятиконтактным разъемом на конце, как у COM-порта. От обычного COM-порта они отличаются только уровнями TTL и несовместимостью с устаревшим программным обеспечением и некоторым старым оборудованием. Можно еще отметить, что шнуры на микросхеме CH34x на различных экстремальных тестах показывают себя гораздо более надежными и стабильными по сравнению с преобразователями на PL-2303. Впрочем, при обычном использовании разница не заметна.
При выборе конвертера USB-RS232TTL следует также обращать внимание на совместимость его драйвера с версией используемой операционной системы.
Рассмотрим подробнее принцип соединения микроконтроллера и конвертера USB-RS232TTL на примере четырех разных моделей МК: ATtiny13, ATtiny44, ATmega8 и ATmega128. На рисунке 3 показана общая схема такого соединения. Вас может удивить, что сигналы RS232 (RTS, TXD, DTR и CTS) используются не по назначению. Но не стоит об этом беспокоиться: программа "Перпетуум М" способна работать с ними напрямую - устанавливать значения на выходах и читать состояния входа. Во всяком случае широко распространенные конвертеры USB-RS232TTL на микросхемах CH34x и PL-2303 такую возможность обеспечивают - это проверено. С другими популярными конвертерами также проблем быть не должно, так как для доступа к порту используются стандартные функции Windows.
Резисторы, показанные на общей схеме, в принципе можно не устанавливать, но все-таки лучше установить. Каково их назначение? Используя ТТЛ"овские входы и выходы конвертера и пятивольтное питание микроконтроллера, мы тем самым избавляемся от необходимости согласования логических уровней - все и так вполне корректно. Значит, соединения могут быть непосредственными. Но во время экспериментов бывает всякое. Например по закону подлости отвертка может упасть как раз в то место, куда она никак не могла бы упасть, и замкнуть то, что ни в коем случае нельзя замыкать. В роли "отвертки", конечно, может оказаться все, что угодно. Резисторы в этом случае иногда уменьшают последствия. Еще одно их назначение состоит в устранении возможного конфликта выходов. Дело в том, что по окончании программирования микроконтроллер переходит в обычный режим работы, и может так получиться, что его вывод, соединенный с выходом конвертера (RTS, TXD или DTR) тоже становится выходом, согласно только что записанной в МК программе. В этом случае будет очень нехорошо, если два напрямую соединенных выхода будут "бороться" - пытаться установить разные логические уровни. В такой "борьбе" кто-то может и "проиграть", а нам этого не надо.
Номиналы трех резисторов выбраны на уровне 4,3 КОм. Это касается соединений выход конвертера - вход микроконтроллера. Точность резисторов роли не играет: можно уменьшить их сопротивление до 1 КОм или увеличить до 10 КОм (но во втором случае увеличивается риск помех при использовании длинных проводов на пути к МК). Что же касается соединения вход конвертера (CTS) - выход микроконтроллера (MISO), то здесь применен резистор сопротивлением 100 Ом. Это объясняется особенностями входа использованного конвертера. Во время испытаний был использован конвертер на микросхеме PL-2303, входы которой, судя по всему, подтянуты к плюсу питания относительно низким сопротивлением (порядка нескольких сот Ом). Чтобы "перебить подтяжку" пришлось поставить резистор со столь маленьким сопротивлением. Впрочем, можно его вообще не ставить. На конвертере это всегда вход. Выходом он стать не может, а значит, конфликта выходов не будет при любом развитии событий.
Если микросхема имеет отдельный вывод AVCC для питания аналогово-цифрового преобразователя (например, ATmega8 или ATmega128), его следует соединить с выводом общего питания VCC. Некоторые микросхемы имеют более одного вывода питания VCC или более одного GND. Например, ATmega128 имеет 3 вывода GND и 2 вывода VCC. В постоянной конструкции одноименные выводы лучше соединить между собой. В нашем же случае на время программирования можно задействовать по одному выводу VCC и GND.
А вот как выглядит подключение ATtiny13. На рисунке показано назначение выводов, используемых при программировании через SPI. Рядом на фото - как временное подключение выглядит в реальности.

Кто-то может сказать, что это несерьезно - соединения на проводках. Но мы же с вами люди здравомыслящие. Наша цель состоит в том, чтобы запрограммировать микроконтроллер, затратив на это минимум времени и прочих ресурсов, а не в том, чтобы перед кем-то покрасоваться. Качество при этом не страдает. Метод "на проводках" в данном случае вполне эффективен и оправдан. Прошивка контроллера - процедура разовая, поэтому нет смысла обвешивать ее "стразиками". Если же предполагается менять прошивку в дальнейшем, не извлекая контроллер из схемы (в готовом изделии), то это учитывается в монтаже при изготовлении устройства. Обычно для этой цели устанавливается разъем (RESET, SCK, MOSI, MISO, GND), а МК может быть прошит даже после установки на плату. Но это уже творческие изыски. Мы же рассматриваем самый простой случай.
Теперь перейдем к МК ATtiny44. Здесь все примерно так же. По рисунку и фото даже новичку не составит труда разобраться с подключением. Подобно ATtiny44 можно подключать МК ATtiny24 и ATtiny84 - назначение выводов у этой троицы совпадает.

Еще один пример временного подключения контроллера для его программирования - ATmega8. Здесь выводов побольше, но принцип тот же - несколько проводков, и вот уже контроллер готов к "заливке" в него информации. Лишний черный провод на фото, идущий от вывода 13, в программировании участия не принимает. Он предназначен для снятия с него звукового сигнала после выхода МК из режима программирования. Это связано с тем, что во время отладки скрипта для "Перпетуум М" в МК закачивалась программа музыкальной шкатулки.

Часто один контроллер выпускается в разных корпусах. При этом назначение выводов для каждого корпуса распределено по-своему. Если корпус вашего контроллера не похож на тот, что изображен на рисунке, уточните назначение выводов по технической документации, скачать которую можно с сайта разработчика МК.
Для полноты картины посмотрим подключение микросхемы МК с большим числом "ножек". Назначение лишнего черного провода на фото, идущего от вывода 15, точно такое же, как в случае с ATmega8.

Вероятно, вы уже убедились, что все достаточно просто. Кто умеет считать выводы у микросхем (от метки по кругу против часовой стрелки), тот разберется. И не забывайте про аккуратность. Микросхемы любят аккуратных и не прощают небрежного к себе отношения.
Прежде чем переходить к программной части, убедитесь, что драйвер конвертера USB-RS232TTL корректно установлен (проверьте диспетчер устройств Windows). Запомните или запишите номер виртуального COM-порта, появляющегося при подключении конвертера. Этот номер нужно будет вписать в текст скрипта, о котором читайте ниже.
4. Скрипт - программатор для "Перпетуум М"

С аппаратной частью "программатора" разобрались. Это уже полдела. Теперь осталось разобраться с программной частью. Ее роль будет выполнять программа "Перпетуум М" под управлением скрипта, в котором и реализованы все необходимые функции по взаимодействию с микроконтроллером.
Архив со скриптом следует распаковать в ту же папку, где находится программа perpetuum.exe. В этом случае при запуске файла perpetuum.exe на экран будет выводиться меню со списком установленных скриптов, среди которых будет строка "Программатор МК AVR" (она может быть единственной). Именно эта строка нам и потребуется.
Скрипт находится в папке PMS в файле "Программатор МК AVR.pms". Этот файл можно просматривать, изучать и править при необходимости в обычном текстовом редакторе вроде "Блокнота" Windows. Перед использованием скрипта скорее всего потребуется внести изменения в текст, связанные с настройкой порта. Для этого уточните в диспетчере устройств Windows имя используемого порта и, при необходимости, внесите соответствующую поправку в строку "ИмяПорта="COM4";" - вместо цифры 4 может стоять другая цифра. Также при использовании другой модели конвертера USB-RS232TTL может потребоваться изменение настроек инвертирования сигналов (строки скрипта, начинающиеся со слова "Высокий"). Проверить инвертирование сигналов конвертером USB-RS232TTL можно с помощью одного из примеров, содержащегося в инструкции к программе "Перпетуум М" (раздел функций для работы с портом).
Во вложенной папке MK_AVR находятся файлы с описаниями поддерживаемых контроллеров. Если нужного контроллера среди них не окажется, вы можете добавить нужный самостоятельно, действуя по аналогии. Возьмите за образец один из файлов, и при помощи текстового редактора введите необходимые данные, взяв их из документации на свой микроконтроллер. Главное - будьте внимательны, вводите данные без ошибок, иначе МК не запрограммируется, или запрограммируется неправильно. В исходной версии поддерживаются 6 микроконтроллеров: ATtiny13, ATtiny24, ATtiny44, ATtiny84, ATmega8 и ATmega128. В скрипте реализовано автоматическое распознавание подключенного контроллера - вручную указывать не нужно. При отсутствии считанного из МК идентификатора среди имеющихся описаний, выдается сообщение, что распознать контроллер не удалось.
В архиве со скриптом содержится также дополнительная информация. В папке "inc-файлы контроллеров AVR" находится очень полезная и обширная коллекция файлов описаний контроллеров. Эти файлы используются при написании собственных программ для МК. Еще четыре папки "MusicBox_..." содержат файлы с программой на Ассемблере и готовой к закачке в МК прошивкой отдельно для ATtiny13, ATtiny44, ATmega8 и ATmega128. Если вы уже подключили один из этих МК для программирования, как это предложено в данной статье, то можете прямо сейчас его прошить - получится музыкальная шкатулка. Об этом ниже.
При выборе в меню скриптов строчки "Программатор МК AVR", скрипт начинает исполняться. При этом он открывает порт, посылает в МК команду перехода в режим программирования, принимает подтверждение от МК об успешном переходе, запрашивает идентификатор МК и отыскивает описание данного МК по его идентификатору среди имеющихся файлов с описаниями. Если не находит нужного описания, выдает соответствеющее сообщение. Если же описание найдено, далее открывается главное меню программатора. Его скриншот вы можете видеть на рисунке 8. Далее разобраться не сложно - меню очень простое.
В первой версии скрипта некоторые функции полноценного программатора не реализованы. Например, нет возможности читать и писать в EEPROM. Но если вы откроете скрипт в текстовом редакторе, то увидите, что он имеет очень небольшой размер при том, что основное в нем уже реализовано. Это говорит о том, что добавить недостающие функции не так уж и сложно - язык очень гибкий, он позволяет в небольшой программе реализовать богатую функциональность. Но для большинства случаев хватит даже имеющихся функций.
Некоторые ограничения функциональности описаны непосредственно в тексте скрипта:
//реализована запись только с нулевого адреса (Extended Segment Address Record игнорируется, LOAD OFFSET - тоже)
//порядок и непрерывность следования записей в HEX-файле не проверяется
//контрольная сумма не проверяется
Это касается работы с HEX-файлом, из которого берется код прошивки для МК. Если этот файл не искажен, проверка контрольной суммы ни на что не повлияет. Если искажен - средствами скрипта это выявить не удастся. Остальные ограничения в большинстве случаев не помешают, но иметь в виду их все-таки нужно.
5. Музыкальная шкатулка - простая поделка для начинающих

Если у вас есть один из этих микроконтроллеров: ATtiny13, ATtiny44, ATmega8 или ATmega128, вы можете легко превратить его в музыкальную шкатулку или музыкальную открытку. Для этого достаточно записать в МК соответствующую прошивку - одну из тех четырех, которые размещены в папках "MusicBox_..." в одном архиве со скриптом. Коды прошивок хранятся в файлах с расширением ".hex". Использовать ATmega128 для такой поделки, конечно, "жирновато", как и ATmega8. Но это может быть полезно для тестирования или экспериментов, иначе говоря - в учебных целях. Тексты программ на Ассемблере также прилагаются. Программы создавались не с нуля - за основу была взята программа музыкальной шкатулки из книги А.В.Белова "Микроконтроллеры AVR в радиолюбительской практике". Исходная программа претерпела ряд существенных изменений:
1. адаптирована для каждого из четырех МК: ATtiny13, ATtiny44, ATmega8 и ATmega128
2. ликвидированы кнопки - к контроллеру вообще ничего не нужно подключать, кроме питания и звукоизлучателя (мелодии воспроизводятся одна за другой в бесконечном цикле)
3. длительность каждой ноты уменьшена на длительность паузы между нотами для устранения нарушения музыкального ритма
4. подключена восьмая мелодия, незадействованная в книжной версии
5. из субъективного: некоторые "улучшайзинги" для оптимизации и более легкого восприятия алгоритма
В некоторых мелодиях слышится фальшь и даже грубые ошибки, особенно в "Улыбке" - в середине. Коды мелодий взяты из книги (а точнее - скачаны с сайта автора книги вместе с исходным asm-файлом) и не подвергались изменениям. Судя по всему, в кодировке мелодий имеются ошибки. Но это не проблема - кто "дружит" с музыкой, без труда во всем разберется и исправит.
В ATtiny13 из-за отсутствия 16-битного счетчика для воспроизведения нот пришлось использовать 8-битный, что привело к некоторому снижению точности звучания нот. Но на слух это мало заметно.
Насчет конфигурационных бит. Их настройка должна соответствовать состоянию нового микроконтроллера. Если ваш МК ранее где-то использовался, нужно проверить состояние его конфигурационных бит, и, при необходимости, привести их в соответствие настройкам нового микроконтроллера. Узнать состояние конфигурационных бит нового микроконтроллера можно из документации на этот МК (раздел "Fuse Bits"). Исключение составляет ATmega128. У этого МК имеется бит M103C, который включает режим совместимости с более старым ATmega103. Активизация бита M103C сильно урезает возможности ATmega128, причем у нового МК этот бит активен. Нужно сбросить M103C в неактивное состояние. Для манипуляций с конфигурационными битами используйте соответствующий раздел меню скрипта-программатора.
Схему музыкальной шкатулки приводить нет смысла: в ней только микроконтроллер, питание и пьезозвукоизлучатель. Питание подается точно так же, как мы это проделали при программировании МК. Звукоизлучатель подключается между общим проводом (вывод GND контроллера) и одним из выводов МК, номер которого можно посмотреть в файле с ассемблерным кодом программы (*.asm). В начале текста программы для каждого МК в комментариях имеется строчка: "звуковой сигнал формируется на выводе ХХ". При завершении работы скрипта - программатора микроконтроллер выходит из режима программирования и переходит в обычный режим работы. Сразу же начинается воспроизведение мелодий. Подключив звукоизлучатель, можно это проверить. Оставлять звукоизлучатель подключенным во время программирования кристалла можно только в том случае, если звук снимается с вывода, не задействованного в SPI, иначе дополнительная емкость на выводе может помешать программированию.

Микроконтроллерами называют особый вид микросхем, используемый для управления различными электронными устройствами.

Введение в микроконтроллеры

Это миниатюрные компьютеры, все составляющие которых (процессор, ОЗУ, ПЗУ) располагаются на одном кристалле. От микропроцессоров их отличает наличие таймеров, контроллеров, компараторов и других периферийных устройств. В настоящее время микроконтроллеры используются при производстве:

датчиков для автомобилей;

игрушек;

индикаторов напряжения, зарядных устройств;

пультов управления;

миниатюрных электронных приборов.

Управление осуществляется при помощи специальных программ.

Начинать осваивать программирование микроконтроллеров для начинающих рекомендуется с изучения архитектуры и разновидностей. Промышленность выпускает следующие виды МК:

встраиваемые;

8-, 16- и 32-разрядные;

цифровые сигнальные процессоры.

Производителям микроконтроллеров приходится постоянно балансировать между габаритами, мощностью и ценой изделий. Поэтому до сих пор в ходу 8-разрядные модели. Они обладают довольно низкой производительностью, но во многих случаях данный факт является преимуществом, т.к. позволяет экономить энергоресурсы. Цифровые сигнальные процессоры способны обрабатывать в реальном времени большие потоки данных. Однако их стоимость намного выше.

Количество используемых кодов операций может быть неодинаковым. Поэтому применяются системы команд RISC и CISC. Первая считается сокращенной и выполняется за один такт генератора. Это позволяет упростить аппаратную реализацию ЦП, повысить производительность микросхемы. CISC - сложная система, способная значительно увеличить эффективность устройства.

Изучить программирование микроконтроллеров для начинающих невозможно без понимания алгоритмов. На ЦП микросхемы команды подаются в определенном порядке. Причем их структура должна восприниматься процессором однозначно. Поэтому сначала программист составляет последовательность выполнения команд. Заставить ЦП немедленно остановить программу можно при помощи вызова прерывания. Для этого используют внешние сигналы либо встроенные периферийные устройства.

Семейства микроконтроллеров

Чаще всего встречаются микроконтроллеры следующих семейств:

MSP430 (TI);

ARM (ARM Limited);

MCS 51 (INTEL);

STMB (STMicroelectronics);

PIC (Microchip);

AVR (Atmel);

RL78 (Renesas Electronics).

Одной из наиболее популярных в электронной промышленности является продукция компании Atmel, построенная на базе RISC-ядра. Первые микросхемы, разработанные в 1995 году, относятся к группе Classic. Изучать программирование микроконтроллеров AVR для начинающих желательно на более современных моделях:

Mega - семейство мощных микросхем с развитой архитектурой.

Tiny - недорогие изделия, имеющие восемь выводов.

Необходимо помнить, что совместимость систем команд сохраняется лишь при переносе программы с малопроизводительного МК на более мощный.

Изделия компании «Атмел» просты и понятны. Однако для использования всего функционала придется разработать программное обеспечение. Приступать к программированию микроконтроллеров AVR для начинающих рекомендуется с загрузки специализированной среды Atmel Studio. Актуальная версия предоставляется официальным сайтом производителя на бесплатной основе. Для разработки ПО в этой среде дополнительные программные компоненты не требуются.

Комплекс «Атмел Студио» включает огромное количество примеров готовых проектов. Это поможет новичку быстрее освоить базовые возможности и начать создавать собственные программы. В нем также имеются модули для компиляции и окончательной отладки кода. Параллельно с его освоением нужно изучать языки программирования. Без них разработать программное обеспечение невозможно.

Языки программирования

По своей структуре языки программирования микроконтроллеров мало отличаются от тех, что используются для персональных компьютеров. Среди них выделяют группы низкого и высокого уровня. Современные программисты в основном используют С/С++ и Ассемблер. Между приверженцами этих языков ведутся бесконечные споры о том, какой из них лучше.

Низкоуровневый Ассемблер в последнее время сдает позиции. Он использует прямые инструкции, обращенные непосредственно к чипу. Поэтому от программиста требуется безукоризненное знание системных команд процессора. Написание ПО на Ассемблере занимает значительное время. Главным преимуществом языка является высокая скорость исполнения готовой программы.

На самом деле, можно использовать практически любые языки программирования микроконтроллеров. Но популярнее всех С/С++. Это язык высокого уровня, позволяющий работать с максимальным комфортом. Более того, в разработке архитектуры AVR принимали участие создатели Си. Поэтому микросхемы производства «Атмел» адаптированы именно к этому языку.

С/С++ - это гармоничное сочетание низкоуровневых и высокоуровневых возможностей. Поэтому в код можно внедрить вставки на Ассемблере. Готовый программный продукт легко читается и модифицируется. Скорость разработки достаточно высокая. При этом доскональное изучение архитектуры МК и системы команд ЦП не требуется. Компиляторы Си снабжаются библиотеками внушительного размера, что облегчает работу программиста.

Нужно отметить, что выбор оптимального языка программирования зависит также от аппаратного обеспечения. При малом количестве оперативной памяти использовать высокоуровневый Си нецелесообразно. В данном случае больше подойдет Ассемблер. Он обеспечивает максимальное быстродействие за счет короткого кода программы. Универсальной среды программирования не существует, но в большинстве бесплатных и коммерческих приложений можно использовать как Ассемблер, так и С/С++.

Микроконтроллеры PIC

Первые микроконтроллеры PIC появились во второй половине прошлого века. Быстрые 8-разрядные микросхемы компании Microchip мгновенно завоевали популярность. Двухшинная гарвардская архитектура обеспечивает беспрецедентную скорость. Ее разрабатывали на основе набора регистров, для которого характерно разделение шин.

Выбирая язык программирования микроконтроллеров PIC, необходимо учитывать, что в основе микросхем семейства лежит уникальная конструкция RISC-процессора. Симметричная система команд позволяет произвольно выбирать метод адресации, выполнять операции в любом регистре. На данный момент компания «Микрочип» выпускает 5 разновидностей МК, которые совместимы по программному коду:

PIC18CXXX (75 команд, встроенный аппаратный стек);

PIC17CXXX (58 команд 16-разрядного формата);

PIC16CXXX (35 команд, большой набор периферийных устройств);

PIC16C5X (33 команды 12-разрядного формата, корпуса с 18–28 выводами);

PIC12CXXX (версии с 35 и 33 командами, интегрированный генератор).

В большинстве случаев МК PIC имеют однократно программируемую память. Встречаются более дорогие модели с Flash или ультрафиолетовым стиранием. Ассортимент из 500 наименований позволяет подобрать изделие для любой задачи. Сейчас производитель концентрирует усилия на развитии 32-разрядных версий с увеличенным объемом памяти.

Языки программирования микроконтроллеров PIC - это Ассемблер и Си. Для кодирования подходят любые интегрированные среды разработки (IDE). Программировать с их помощью очень удобно. Они автоматически переводят текст программы в машинный код. Важной характеристикой IDE является возможность пошаговой симуляции работы готового ПО. Мы рекомендуем пользоваться средой разработки MPLAB. Ее созданием занималась компания Microchip.

Перед началом работы в MPLAB советуем каждый раз заводить отдельную папку. Это нужно, чтобы не запутаться в файлах проектов. Интерфейс программы интуитивно понятный, и трудностей с ним возникнуть не должно. Для отладки используются фирменные отладчики Pickit, ICD, REAL ICE, IC PROG. В них имеется возможность просмотра содержимого памяти, установки контрольных точек.

Людей, работающих с программной частью микроконтроллеров, редко причисляют к классическим разработчикам ПО. Всё дело в том, что помимо софтверных знаний, им требуются ещё кое-какие сведения об используемом железе. Многих программистов такие знания не касаются вовсе.

Плюс, разработчик приложений или сайтов всегда подсознательно стремится к триумфу. Создание уникального и популярного продукта является той отметкой, разделяющей карьеру на нормальную и успешную. А создавая программу для микроконтроллера, вы вряд ли будете думать об общественной оценке вашего вклада. Впрочем, давайте по порядку.

Возраст

Начнём с главного: когда уже (ещё) можно начать прокладывать свой путь в профессию? Ответ предсказуем: чем раньше, тем лучше. И изобилие специальных наборов для детей к этому располагает. Даже дело не в том, что с возрастом вам будет сложнее перестраиваться и обучаться этой дисциплине. Просто опыт, как и во многих других IT-профессиях, здесь играет решающее значение.

Но не всё так плохо. Всё же в России этот рынок не очень развит. Начав путь разработчика ПО для МК после 30, вы сможете сделать неплохую карьеру в какой-то одной сфере или конкретном месте деятельности. Если, конечно, не пытаться стать «многостаночником». Всегда бывают исключения, но многое зависит от вашей прошлой деятельности. Наверное, стоит принять во внимание, что даже 10 лет в этой профессии не впечатляют работодателя.

Знания

От пустых слов перейдём к реальным требованиям. «MustKnow» в программировании микроконтроллеров - язык C/C++. Да, мировые тенденции сейчас указывают на переход на более совершенные или хотя бы простые языки ( Arduino или D). Но это будущее довольно отдалённое, закладывать путь в него можно разве что сегодняшним школьникам младших классов.

Кроме того, будет очень полезным знание ассемблера. Это необходимо для пошагового отслеживания исполнения кода, чтобы избежать плавающих ошибок и неоправданных потерь в быстродействии.

В остальном довольно общая компьютерная наука: протоколы передачи, простейшее знание электроники и схемотехники (хотя бы принципы работы АЦП/ЦАП, работать с ключами, питанием и пр.), умение читать (и понимать) техническую документацию на английском языке. Но главное - не работать по принципу “научного тыка”, в противном случае ваши микроконтроллеры рискуют превратиться в “камни”.

Еще один совет: постигать все эти знания необходимо на практике. Начать можно с дешёвых, но эффективных готовых плат со всей необходимой обвязкой, вроде Arduino или Raspberry Pi, которые в будущем наверняка станут для вас хорошими помощниками. А уже потом, если возникнет желание, поиграть с периферией.

Литература

На прошлой неделе, подачи одного из пользователей GeekBrains, я всерьёз задумался над вопросом “Где можно пройти курсы по программированию микроконтроллеров?”, да и вообще о профильной литературе в целом (и это несмотря на профильное высшее образование и около 10 лет опыта работы). Дело не в том, что их не существует (есть и курсы , и книги), просто главный инструмент разработчика ПО для МК - техническая документация, поставляемая вместе с платформой.

Все универсальные книги могут описать отличия, преимущества и недостатки тех или иных микроконтроллеров, на что обратить внимание при написании кода, обучить “красоте” и основным принципам. Но огромный плюс и он же главный недостаток данной профессии - подробная индивидуальная инструкция по работе с каждым более-менее серьёзным контроллером.

Это означает, что абсолютно любой человек может взять, прочитать её и через несколько мгновений организовать стандартное мигание “светодиодами”. Но даже с 50 годами стажа вы не сможете сесть за незнакомый микроконтроллер и, не читая документацию, сделать с ним что-то полезное (придётся, как минимум взглянуть на расположение контактов и их назначение по умолчанию).

IDE

Как и у популярных направлений программирования, здесь также имеются собственные IDE. Каждая крупная компания выпускает собственную среду разработки для своих продуктов. Есть и универсальные решения. Стоит обратить внимание на Keil uVision - это такой универсальный и, пожалуй, наиболее популярный инструмент (хоть и не лучший) на все случаи жизни. Полный перечень можете найти .

Работа

Если вам действительно нравится идея программировать микроконтроллеры, создавая уникальные современные гаджеты, то найти вакансии себе по душе не составит труда. Люди данной профессии востребованы, причём как в стартапах, так и в крупных прогосударственных структурах, в том числе военных.

Финансово трудно придётся новичкам (до 1 года опыта): зарплата в районе 20 тыс. рублей в месяц для программиста МК. Это вполне реальная цифра в регионах. Зато если вы живёте в столице, у вас есть опыт работы с популярным видом МК (от 3 лет активной деятельности) и голова на плечах, то вполне можно рассчитывать и на 150 тыс. рублей в месяц. В целом, не сказать, что конкуренция за места у данных разработчиков высокая, но с течением времени она неизбежно растёт.

Опять же, для людей с опытом есть вариант поискать счастье за границей. Особенно если у вас уже есть опыт полноценной работы. Дело в том, что в России идея IoT пока не слишком развивается. Да и вообще автоматизация пока не затрагивает небольшие системы. А в США, Японии и других развитых странах хороший разработчик ПО для МК - на вес золота. Правда, придётся учитывать иной уровень конкуренции и серьёзные требования по производительности труда.

И кстати

В любом случае, прежде чем осознанно встать на эти рельсы, займитесь программированием МК в качестве хобби. Сделайте “умной” свою комнату или дом, повторите несколько экспериментов из , опубликуйте собственные достижения, посвятите этому делу мозги и душу. И если не возникнет ощущения “колхоза”, то... добро пожаловать в клуб!

Теперь, когда мы уже ознакомлены с некоторыми возможностями и функциями микроконтроллеров, естественно, возникает логичный вопрос: что нужно для программирования микроконтроллеров? Какие необходимы программы и устройства, где их взять?

Для того чтобы микроконтроллер мог решать задачи и выполнять определенные функции, его нужно запрограммировать, т. е. записать в него программу или же код программы.

Структура и порядок написания программы

Первым делом, прежде чем приступить к написанию любой программы, а точнее кода программы, следует четко представлять, какие функции будет выполнять микроконтроллер. Поэтому сначала нужно определить конечную цель программы. Когда она определена и полностью понятна, тогда составляется алгоритм работы программы. Алгоритм – это последовательность выполнения команд. Применение алгоритмов позволяет более четко структурировать процесс написания кода, а при написании сложных программ часто позволяет сократить время, затрачиваемое на их разработку и отладку.

Следующим этапом после составления алгоритма является непосредственное написание кода программы. Программы для микроконтроллеров пишутся на языке Си или Ассемблере . Только Ассемблер больше относится к набору инструкций, нежели к языку программирования и является языком низкого уровня.

Мы будем писать программы на Си, который относится к языку высокого уровня. Программы на Си пишутся гораздо быстрее по сравнению с аналогичными на Ассемблере. К тому же все сложные программы пишутся преимущественно на Си.

Здесь мы не будем сравнивать преимущества и недостатки написания программ на Ассемблере и Си. Со временем, приобретя некоторый опыт в программировании МК, вы сами для себя сделаете полезные выводы.

Сам код программы можно писать в любом стандартном текстовом редакторе, например в Блокноте. Однако на практике пользуются более удобными редакторами, о которых будет сказано далее.

Компиляция программы

Написанный нами код на Си еще вовсе не понятен микроконтроллеру, поскольку МК понимает команды только в двоичной (или шестнадцатеричной) системе, которая представляет собой набор нулей и единиц. Поэтому Си-шный код нужно преобразовать в нули и единицы. Для этого применяется специальная программа, называемая компилятор , а сам процесс преобразования кода называется компиляция .

Для прошивки МК применяется устройство, называемое программатор . В зависимости от типа программатора вход его подключается к COM или USB порту, а выход к определенным выводам микроконтроллера.

Существует широкий выбор программаторов и отладочных плат, однако нас вполне устроит самый простой программатор , который в Китае стоит не более 3 $.

После того, как микроконтроллер прошит, выполняется отладка и тестирование программы на реальном устройстве или, как еще говорят, на «железе».

Теперь давайте подытожим этапы программирования микроконтроллеров.

При написании простых программ можно обойтись без второго пункта, т. е. без составления алгоритма на бумаге, его достаточно держать в голове.

Следует заметить, что отладку и тестирование программы также выполняют до прошивки МК.

Необходимый набор программ

Существует множество полезных и удобных программ для программирования МК. Они бывают как платные, так и бесплатные. Среди них можно выделить три основных:

1) Atmel Studio

2) CodeVisionAVR

3) WinAVR

Все эти программы относятся к IDE – I ntegrated D evelopment E nvironment – интегрированная среда разработки . В них можно писать код, компилировать и отлаживать его.

Следует обратить внимание на Code Vision AVR. Эта IDE позволяет упростить и ускорить написание кода. Однако программа платная.

На начальном этапе программирования все программы лучше прописывать вручную, без каких-либо упрощений. Это поможет быстро приобрести необходимые навыки, а в дальнейшем хорошо понимать и редактировать под свои нужды коды, написанные кем-то другим. Поэтому я рекомендую использовать программу Atmel Studio. Во-первых, она абсолютно бесплатна и постоянно обновляется, а во-вторых она разработана компанией, изготавливающей микроконтроллеры на которых мы будем учиться программировать.

Прошивка и отладка программы

Прошивать микроконтроллеры мы будем с помощью дополнительной программы .

Если микроконтроллера в наличии нет, то его работу можно эмитировать с помощью программы . Она значительно упрощает процесс отладки программы даже при наличии МК, чтобы его часто не перепрошивать, ведь любой МК имеет конечное число перезаписей, хотя это число и достаточно большое.

При прошивке и отладке МК его удобно располагать на макетной плате, но это вовсе не обязательно. Поэтому для большего удобства пригодится и макетная плата. Существует большой выбор макетных плат, однако я вам рекомендую брать ту, которая имеет по возможности большее число отверстий. Когда мы начнем подключать семисегментные индикаторы, вы оцените преимущества «больших» макетных плат.

Еще один важный элемент, который нам пригодится – это техническая документация на МК, называемая datasheet . В общем, нужно скачать datasheet на микроконтроллер ATmega8 .