Разработка устройств на микроконтроллерах AVR: шагаем от «чайника» до профи

528 Pages·2013·6.562 MB·Russian

by  Белов А.В.

А. В. Белов
Разработка устройств
на микроконтроллерах AVR:
шагаем от «чайника» до профи
Книга + видеокурс
Наука и Техника, СанктПетербург
2013
Белов А. В.
Разработка устройств на микроконтроллерах AVR: шагаем от «чайника» до профи.
Книга + видеокурс. — СПб.: Наука и Техника, 2013. — 528 с.: ил. + CD.
ISBN 9785943878251
Этот популярный самоучитель поможет вам всего за шесть шагов пройти путь от «чайника»,
изучающего азы цифровой техники, до вполне готового специалиста, умеющего самостоя
тельно разрабатывать схемы любых устройств на микроконтроллерах и составлять для них
программы.
Познав основы цифровой логики, поймете, как работают более сложные элементы цифро
вой техники. Затем освоите основы микропроцессорной техники, поймете, как работает
микропроцессор и микроконтроллер. Узнаете подробности внутреннего устройства, архи
тектуру и возможности семейства микроконтроллеров AVR, освоите основы схемотехники
и конструирования микроэлектронных устройств. Научитесь ставить задачу на разработку
устройства и выбирать стратегию ее решения.
Изучите сразу два языка программирования для микроконтроллеров (язык Ассемблера и
язык СИ), научитесь транслировать, отлаживать программы, прошивать их в память микро
контроллера. Теперь вы уже самостоятельно сможете разработать собственное микрокон
троллерное устройство.
Видеокурс на CD проиллюстрирует и позволит закрепить материал основного курса. На
том же диске вы найдете всю необходимую для обучения информацию (инсталляционные
пакеты программ, справочные материалы, обучающие примеры).
Книга предназначена для широкого круга читателей.
Автор и издательство не несут ответственности
за возможный ущерб, причиненный в ходе
использования материалов данной книги.
Контактные телефоны издательства
(812) 4127025, 4127026
(044) 5163866
Официальный сайт: www.nit.com.ru
© Белов А. В.
ISBN 9785943878251 © Наука и Техника (оригиналмакет), 2013
ООО «Наука и Техника».
Лицензия № 000350 от 23 декабря 1999 года.
198097, г. СанктПетербург, ул. Маршала Говорова, д. 29.
Подписано в печать . Формат 70×100 1/16.
Бумага газетная. Печать офсетная. Объем 33 п. л.
Тираж 1500 экз. Заказ № .
Отпечатано с готовых диапозитивов
в ГП ПО «Псковская областная типография»
180004, г. Псков, ул. Ротная, 34
СодеРжАНие
Шаг 1. Учимся основам цифровой техники ......................................... 7
1.1. Сначала был микропроцессор ................................................ 7
Что же такое микропроцессор ............................................. 7
Виды памяти ............................................................... 11
Различия между микропроцессорами и микроконтроллерами ............ 12
1.2. Считаем подругому ........................................................... 13
Десятичная система исчисления ........................................... 13
Восьмиричная система исчисления ........................................ 15
Шестнадцатиричная система исчисления .................................. 16
Двоичная система исчисления ............................................. 17
Способы обозначения чисел в разных системах исчисления. . . . . . . . . . . . . . . 17
Арифметическая операция сложения ...................................... 19
Арифметическая операция умножения .................................... 20
1.3. Электронные цифры .......................................................... 20
Представление чисел на ПК ................................................ 20
Двухуровневый сигнал ..................................................... 22
1.4. Логические элементы ......................................................... 23
Знакомство с логическими элементами .................................... 23
Простые логические элементы ............................................. 25
Таблица истинности ........................................................ 25
Составные логические элементы ........................................... 26
1.5. Простейший триггер .......................................................... 27
Что такое триггер .......................................................... 27
Устройство и работа RSтриггера ........................................... 29
Борьба с дребезгом контактов ............................................. 31
1.6. Хранение информации ........................................................ 32
Устройство и работа Dтриггера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Параллельный регистр ..................................................... 33
Параллельный регистр с расширенными возможностями ................. 34
Устройство и работа JKтриггера ........................................... 35
1.7. Счетчики ...................................................................... 36
Работа делителя частоты ................................................... 36
Счетчики прямого счета .................................................... 38
Счетчики с обратным отсчетом ............................................. 39
Делители с переменным коэфициентом деления .......................... 40
Таймеры .................................................................... 41
1.8. Дешифраторы ................................................................. 42
Устройство и прицип действия дешифратора .............................. 42
Селектор памяти ячеек ОЗУ ................................................ 43
Каскадирование дешифраторов ........................................... 45
1.9. Мультиплексоры .............................................................. 46
Шаг 2. Переходим от цифровой техники к микропроцессору и микроконтроллеру . 48
2.1. Типовая схема микропроцессорной системы ................................. 48
Структурная схема типичной микропроцессорной системы ............... 48
Виды памяти ............................................................... 49
Порты вводавывода ....................................................... 51
Процессор и цифровые шины .............................................. 51
Шина данных ............................................................... 52
Шина адреса ............................................................... 52
Шина управления .......................................................... 54
Принцип действия микропроцессорной системы .......................... 54
2.2. Алгоритм работы микропроцессорной системы .............................. 56
Возможности процессора .................................................. 56
Программа ................................................................. 56
Процесс выполнения команды ............................................. 58
Рабочие регистры .......................................................... 59
Команды микропроцессора ................................................ 59
Команды условного и безусловного перехода ............................. 60
Команда организации цикла ............................................... 62
Команды перехода к подпрограмме ....................................... 63
2.3. Механизм прерываний ........................................................ 64
2.4. Прямой доступ к памяти ...................................................... 66
2.5. Микроконтроллеры ........................................................... 68
Шаг 3. А теперь ближе к практике: знакомтесь — микроконтроллеры AVR .......... 70
3.1. Общие сведения .............................................................. 70
Особенности новой серии микроконтроллеров ........................... 70
Состав серии AVR .......................................................... 71
Особенности серии AVR .................................................... 72
Внутренняя память ......................................................... 72
Способы программирования Flash и EEPROMпамяти ..................... 78
Порты вводавывода ....................................................... 79
Периферийные устройства ................................................ 79
Другие устройства ......................................................... 80
3.2. Регистры общего назначения (РОН) ........................................... 81
3.3. Регистры вводавывода ....................................................... 82
3.4. Память ........................................................................ 83
Общие сведения ........................................................... 83
Память программ .......................................................... 83
Оперативная память микроконтроллеров AVR ............................. 85
Область памяти, совмещенная
с набором регистров общего назначения (РОН) ............................ 86
Область памяти, совмещенная с регистрами вводавывода (РВВ) .......... 86
Область внутреннего ОЗУ .................................................. 86
Область внешнего ОЗУ ..................................................... 87
Энергонезависимая память данных (EEPROM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.5. Счетчик команд и стековая память ............................................ 88
3.6. Подсистема вводавывода .................................................... 91
3.7. Система прерываний .......................................................... 93
Назначение системы прерываний. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Управление системой прерываний ........................................ 93
Алгоритм работы системы прерываний .................................... 94
3.8. Таймерысчетчики ............................................................ 95
Общие сведения ........................................................... 95
Режимы работы таймеров .................................................. 97
Режим Normal .............................................................. 97
Режим «Захват» (Capture) ................................................... 98
Режим «Сброс при совпадении» (CTC) ...................................... 98
Режим «Быстродействующий ШИМ» (Fast PWM) ............................ 99
Режим «ШИМ с точной фазой» (Phase Correct PWM) ........................ 101
Асинхронный режим ....................................................... 102
Предделители таймеров/счетчиков ........................................ 102
3.9. Другие встроенные периферийные устройства ............................... 103
Аналоговый компаратор ................................................... 103
Аналогоцифровой преобразователь ...................................... 104
Последовательный канал (UART/USART) ................................... 106
Последовательный периферийный интерфейс (SPI). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Последовательный двухпроводный интерфейс (TWI) ...................... 107
3.10. Другие ячейки ................................................................ 108
Конфигурационные ячейки ................................................ 108
Ячейки защиты и идентификации .......................................... 108
Шаг 4. Переходим непосредственно к разработке устройств и программ ........... 110
4.1. Общие положения ............................................................ 110
4.2. Простейшая программа ....................................................... 113
4.3. Переключающийся светодиод ................................................ 139
4.4. Боремся с дребезгом контактов ............................................... 148
4.5. Мигающий светодиод ......................................................... 155
4.6. Бегущие огни .................................................................. 161
4.7. Использование таймера ...................................................... 170
4.8. Использование прерываний по таймеру ...................................... 179
4.9. Формирование звука. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
4.10. Музыкальная шкатулка ....................................................... 212
4.11. Кодовый замок ................................................................ 236
4.12. Кодовый замок с музыкальным звонком ...................................... 272
Шаг 5. Последний этап разработки — отладка и транслирование ................... 289
5.1. Программная среда AVR Studio ................................................. 289
5.1.1. Общие сведения ......................................................... 289
5.1.2. Описание интерфейса ................................................... 294
5.1.3. Создание проекта ....................................................... 300
5.1.4. Трансляция программы ................................................. 303
5.1.5. Отладка программы ..................................................... 306
5.1.6. Исправление ошибок .................................................... 313
5.1.7. Создание проектов на языке СИ ......................................... 313
5.2. Система программирования Code Vision AVR ................................... 315
5.2.1. Общие сведения ......................................................... 315
5.2.2. Интерфейс системы Code Vision AVR ..................................... 316
5.3. Программаторы ................................................................ 323
5.3.1. Общие сведения ......................................................... 323
5.3.2. Схема программатора ................................................... 325
5.3.3. Программа управления программатором ............................... 328
Шаг 6. осваиваем все возможности микроконтроллера ATtiny2313 ................. 338
6.1. Основные характеристики и возможности .................................... 338
6.2. Центральное ядро процессора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
6.3. Тактовый генератор ........................................................... 358
6.4. Система управления и сброса ................................................. 373
6.5. Сторожевой (охранный) таймер ............................................... 378
6.6. Прерывания ................................................................... 383
6.7. Порты вводавывода .......................................................... 384
6.8. Внешние прерывания ......................................................... 400
6.9. Восьмиразрядный таймер/счетчик с поддержкой режима ШИМ .............. 404
6.10. 16разрядный таймер/счетчик (таймер/счетчик 1) ............................ 426
6.11. Универсальный синхронноасинхронный
последовательный приемопередатчик USART ............................... 455
6.12. Универсальный последовательный интерфейс — USI ......................... 484
6.13. Аналоговый компаратор ...................................................... 500
6.14. Встроенная система отладки программ debugWIRE ........................... 503
6.15. Программирование памяти ................................................... 513
Приложение. Сводная таблица команд Ассемблера микроконтроллеров AVR ...... 517
Группа команд логических операций ...................................... 517
Группа команд арифметических операций ................................. 517
Группа команд операций с разрядами ..................................... 517
Группа команд сравнения .................................................. 518
Группа команд операций сдвига ........................................... 518
Группа команд пересылки данных ......................................... 519
Группа команд управления системой ...................................... 519
Группа команд передачи управления (безусловная передача управления) 520
Группа команд передачи управления (пропуск команды по условию) ..... 520
Группа команд передачи управления (передача управления по условию) . 520
описание CD диска и видеокурса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
Список литературы ................................................................. 526
Список полезных ссылок на ресурсы интернет ..................................... 526
ШАГ 1
УчимСя оСНоВАм цифРоВой ТехНиКи
Начинающие разработчики освоят в беседе с автором
базовые понятия математических основ цифровой тех-
ники, познакомятся с электронными цифрами и поймут,
что такое логические элементы. Узнают, как из простых
элементов строятся более сложные, такие как триггеры,
счетчики, дешифраторы, мультиплексоры.
1.1. Сначала был микропроцессор
что же такое микропроцессор
В современной электронике микропроцессором называют специаль-
ную микросхему, которая предназначена для выполнения некоего набора
сложных функций по управлению тем либо иным электронным устрой-
ством. Микропроцессор — это сердце любого компьютера. Но не только.
Те же технологии, которые применяются в компьютерах, с успехом при-
меняются и в более простых электронных устройствах.
Микропроцессор незаметно завоевал весь мир. В последнее время
на помощь человеку пришла целая армия электронных помощников.
Мы привыкли к ним и часто даже не подозреваем, что во многих таких
устройствах работает микропроцессор. Микропроцессорные техноло-
гии очень эффективны. Одно и то же устройство, которое раньше соби-
ралось на традиционных элементах, будучи собрано с применением
микропроцессора становится проще, не требует регулировки и меньше
по размерам. Кроме того, с применением микропроцессоров появляются
практически безграничные возможности по добавлению новых потреби-
тельских функций и возможностей.
Где же применяются микропроцессоры? Да просто везде! Посмотрите
вокруг себя. У вас в квартире стоит современный телевизор? Не сомне-
вайтесь: в нем есть, как минимум, один процессор. У вас есть на руке
электронные часы? Современные часы строятся на основе специализи-
рованного микропроцессора. Ну, а мобильные телефоны — это вообще
миниатюрные компьютеры!
Возможно, у вас есть игровая приставка, карманная электронная игра,
современная микроволновая печь, стиральная машина, проигрыватель
лазерных дисков, калькулятор. Во всех этих устройствах работает микро-
8 Разработка устройств на микроконтроллерах AVR
процессор. Современный автомобиль нашпигован микропроцессорами,
как фаршированная рыба. Не говоря уже о самолетах, кораблях, поездах
и т. п. В общем, всего не перечесть.
Микропроцессор насчитывает достаточно долгую историю. До того,
как изобрели микропроцессор (то есть процессор на одной микросхеме),
существовали целые процессорные блоки в больших компьютерах.
Теперь же интеграция пошла до фантастических пределов. Одна микро-
схема содержит не только сам процессор, но и сопутствующие ему эле-
менты. Целый компьютер в одной микросхеме. Такая микросхема назы-
вается микроконтроллером.
Что же это за сопутствующие элементы? Это очень важные состав-
ные части микропроцессорной системы. Без них не может обходиться ни
один микропроцессор. Итак, мы подходим к первому важному вопросу —
составу типовой микропроцессорной системы. Любая микропроцессор-
ная система (рис. 1.1) состоит из следующих основных элементов: про-
цессор, модуль памяти, порты ввода-вывода. Рассмотрим каждую из этих
составляющих подробнее.
(cid:1052)(cid:1086)(cid:1076)(cid:1091)(cid:1083)(cid:1100) (cid:1055)(cid:1086)(cid:1088)(cid:1090)(cid:1099)
(cid:1055)(cid:1088)(cid:1086)(cid:1094)(cid:1077)(cid:1089)(cid:1089)(cid:1086)(cid:1088)
(cid:1087)(cid:1072)(cid:1084)(cid:1103)(cid:1090)(cid:1080) (cid:1074)(cid:1074)(cid:1086)(cid:1076)(cid:1072)(cid:47)(cid:1074)(cid:1099)(cid:1074)(cid:1086)(cid:1076)(cid:1072)
Рис. 1.1. Основные составляющие компьютерной системы
Память. Это специализированное электронное устройство, кото-
рое представляет собой набор ячеек, в каждой из которых может хра-
ниться одно число. Причем это не совсем то число, с которым мы с
вами привыкли иметь дело. Это упрощенное компьютерное число.
Обычно каждая ячейка памяти может хранить число, принимающее
значения от нуля до 255. Подробнее об этом будет рассказано ниже
(см. раздел 2.1).
Порты ввода-вывода. Это специальные микросхемы, при помощи
которых микропроцессорная система может общаться с внешним миром.
Причем можно говорить отдельно о портах ввода и портах вывода.
Через порты ввода компьютерная система получает информацию извне,
а посредством портов вывода она выдает результаты своей работы и
управляет внешними устройствами. Только благодаря этим самым пор-
там ввода-вывода к компьютеру подключаются такие устройства, как
клавиатура, мышь, дисководы, CD-ROM и т. д.
Те читатели, которые знакомы с компьютерами, возможно, слышали тер-
мины «параллельный порт» (LPT) и «последовательный порт» (COM). Так
Шаг 1. Учимся основам цифровой техники 9
вот, в данном случае речь идет совсем о другом понятии. Это просто схожие
термины. Параллельный, и тем более, последовательный порты компью-
тера — это достаточно сложные схемы, которые, в свою очередь, управля-
ются при помощи портов ввода-вывода. Не нужно также думать, что клавиа-
тура и мышь используют только порты ввода, а дисплей — порт вывода.
Для управления большинством устройств компьютера используются
как порты ввода, так и порты вывода микропроцессорной системы.
Возможно, вас удивляет, что я называю внешними устройствами и жест-
кий диск, и флоппи дисковод. Но когда мы начнем изучать типовую схему
микропроцессорного устройства, вы убедитесь, что это именно так!
Внутри компьютера скрыто еще много устройств, которые по отноше-
нию к микропроцессору являются внешними, хотя находятся зачастую
не только внутри компьютера, но и непосредственно на материнской
плате — главной плате компьютера.
Процессор — это самая главная часть, сердце всей системы. Он пред-
назначен для того, что бы выполнять различные операции с числами.
Последовательность этих операций называется программой. Каждая
операция кодируется в виде числа и записывается в память. Те числа, с
которыми процессор выполняет свои операции, называются данными.
Данные также записаны в память. По сути дела, процессор — это циф-
ровой автомат, способный выполнять определенный набор операций с
числами. Но главной его особенностью является возможность запро-
граммировать любую последовательность его действий. Как происходит
программирование, мы увидим далее (см. раздел 2.2).
Все три части вычислительной системы связаны между собой так
называемыми шинами данных. По этим шинам передаются цифро-
вые сигналы от процессора к модулю памяти, от процессора — к пор-
там ввода-вывода. А также и в обратном направлении: от портов ввода
вывода и памяти к процессору.
Какие же операции может выполнять процессор? Во-первых, все про-
стейшие операции, которые можно произвести над числом. Он может
читать число из любой ячейки памяти, складывать, вычитать, сравни-
вать, иногда умножать и делить прочитанные числа. Результат вычис-
лений процессор записывает обратно в память. Кроме арифметических
действий, процессор может выполнять логические операции с числами
(Булевы функции). Что такое логические операции, будет подробно опи-
сано ниже (см. раздел 1.4).
Набор операций, которые процессор способен выполнять с участием
портов ввода-вывода, гораздо меньше, чем операций с ячейками памяти.
В них также можно записывать и считывать информацию. Однако хра-
нение чисел — это не главное назначение портов.
10 Разработка устройств на микроконтроллерах AVR
Это полезно запомнить.
Порт ввода — это специальное электронное устройство, на кото-
рое извне поступают какие-либо электрические сигналы, предназна-
ченные для управления микропроцессорным устройством. Например,
сигналы, возникающие при нажатии клавиш на клавиатуре, сигналы,
возникающие при срабатывании различных датчиков и т. п.
Процессор считывает их в виде чисел и обрабатывает полученные
числа в соответствии с алгоритмом управления.
Это полезно запомнить.
Порт вывода выполняет обратную функцию. В них процессор запи-
сывает различные числа, которые затем поступают на внешние
устройства в виде электрических сигналов.
Эти сигналы используются для управления. Управлять можно любым
устройством, которое допускает электрическое управление, это индика-
торы, дисплеи, электромагнитные реле, электромоторы, электропневмо-
клапаны, электрические нагреватели и т. д.
Нужно только усилить управляющие сигналы до требуемой мощно-
сти. Кроме перечисленных выше команд в любой микропроцессор зало-
жен набор специальных команд, специфических для задач управления
процессом вычислений. В дальнейшем мы остановимся подробнее на
всех типах команд микропроцессора (см. раздел 2.2).
Итак, мы разобрались, что такое процессор. И вот такой простой
цифровой автомат способен вытворять все те чудеса, которые мы при-
выкли наблюдать в исполнении современных компьютеров. Как же это
возможно? Оказывается, все на свете можно описать цифрами. И текст,
и изображение, и звуки, и музыку, и даже целые видеофильмы.
Хорошо поработали ученые-математики. Они сумели разработать
математические модели всех этих процессов. Остальное оказалось делом
техники. Главное, чтобы процессор мог выполнять операции как можно
быстрее! А современные процессоры это могут!
Но обработка всех перечисленных выше процессов — это удел мощ-
ных микропроцессоров, применяемых в персональных компьютерах.
Однако настоящая книга не ставит перед собой задачи изучения этих
микропроцессоров. Предмет нашего изучения — небольшие специали-
зированные микропроцессорные схемы, предназначенные для управ-
ления конкретными устройствами автоматики, электронной и бытовой
техники. Подобные устройства управления имеют одно общее назва-
ние — микропроцессорные контроллеры.
Теперь рассмотрим подробнее, что же такое микропроцессор. Как уже
упоминалось, микропроцессор — это числовой автомат, который выпол-
няет заложенные в нем операции в соответствии с заранее составленной