Mikrocontroller: Grundlagen der Hard- und Software der Mikrocontroller ATtiny2313, ATtiny26 und ATmega32

568 Pages·2020·17.319 MB·German

by  Herbert Bernstein

Herbert Bernstein
Mikrocontroller
Grundlagen der Hard- und Software
der Mikrocontroller ATtiny2313, ATtiny26
und ATmega32
2. Auflage
Mikrocontroller
Herbert Bernstein
Mikrocontroller
Grundlagen der Hard- und Software der
Mikrocontroller ATtiny2313, ATtiny26 und
ATmega32
2., aktualisierte und erweiterte Auflage
Herbert Bernstein
München, Deutschland
ISBN 978-3-658-30066-1 ISBN 978-3-658-30067-8 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-30067-8
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2015, 2020
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht
ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags.
Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem
Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung
unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen
Zeicheninhabers sind zu beachten.
Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in
diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch
die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des
Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und
Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral.
Planung/Lektorat: Reinhard Dapper
Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist
ein Teil von Springer Nature.
Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany
Vorwort zur 2. Auflage
Die 2. Auflage wurde im Kapitel 1, 2, und 7 erweitert und umfasst eine Schrittmotoren-
ansteuerung mit μP-Board, eine Einführung in die µP-Mikroprogrammierung und einen
programmierbaren autonomen Roboter, der selbstständig auf seine Umwelt reagieren
kann.
München Herbert Bernstein
im September 2020
V
Vorwort
ATMEL hat mehrere leistungsfähige 8-Bit- und 32-Bit-Mikrocontroller in seinem
Programm. Für den Unterricht und für das Buch wurden die drei Mikrocontroller
ATtiny2313, ATtiny26 und ATmega32 verwendet. Die drei Mikrocontroller ver-
wenden für die Speicherung des Programms einen 2-Kbyte-Flash-Speicher, der über
eine „In-System-Programmierung“ (3-Draht-ISP-Schnittstelle)programmiert wird. Die
Programmierung übernehmen diese Bausteine selbständig durch eine interne „High-
Voltage-Programmierung“.
Mit dem bekannten „digitalen“ 8-Bit-Mikrocontroller ATtiny2313, einem Industrie-
standard in einem praktischen 20-poligen DIL-Gehäuse, steht für den Elektroniker ein
kostengünstiger Mikrocontroller zur Verfügung. Mit diesem Baustein lassen sich zahl-
reiche Aufgaben aus dem Bereich der Hobbyelektronik und aus der Praxis lösen.
Der „analoge“ 8-Bit-Mikrocontroller ATtiny26, ebenfalls ein Industriestandard in
einem praktischen 20-poligen DIL-Gehäuse, hat mehrere 10-Bit-AD-Wandler zur Ver-
fügung. Mit dem AD-Wandler lassen sich zahlreiche Versuche durchführen.
Der „große“ 8-Bit-Mikrocontroller ATmega32 ist ebenfalls ein Industriestandard in
einem praktischen 40-poligen DIL-Gehäuse und hat mehrere 10-Bit-AD-Wandler zur
Verfügung. Mit dem AD-Wandler lassen sich zahlreiche Versuche durchführen.
Die Versuche mit dem ATtiny2313, ATtiny26 und ATmega32 sind einfach auf einer
Lochrasterplatine oder im Steckgehäuse aufgebaut, man benötigt für die einzelnen Auf-
bauten etwa eine Stunde an Lötzeit. Die Bauelemente erhalten Sie im Versandhandel.
Die Versuche werden alle im AVR-Assembler programmiert. Entwickler, Studenten
und Schüler können auf komfortable Weise die ATMEL-Software für Ihre Anwendungen
auf dem PC implementieren und testen. Die sehr leistungsfähige Entwicklungsumgebung
mit der Bezeichnung „AVR-Studio“ bündelt alle benötigten Funktionen – vom
Assembler bis zum Simulator.
Wie bekommt man nun das Programm in Assemblersprache in den Mikro-
controller? Man muss es übersetzen, entweder in Hexadezimal- oder in Binärzahlen.
Vor 20 Jahren musste man ein Programm in Assemblersprachen manuell übersetzen,
Befehl für Befehl, und dies bezeichnete man als Hand-Assemblierung. Wie im Falle der
Umwandlung hexadezimal in binär ist die Hand-Assemblierung eine Routine-Aufgabe,
VII
VIII Vorwort
die uninteressant, sich wiederholend und anfällig für zahllose kleine Irrtümer ist. Ver-
wenden der falschen Zeile, Vertauschen von Ziffern, Auslassen von Befehlen und
falsches Lesen der Codes sind nur einige der Fehler, die einem unterlaufen können. Die
meisten Mikrocontroller machten früher die Aufgaben noch komplizierter,indem sie
verschiedene Befehle mit unterschiedlichen Wortlängen verwendeten. Manche Befehle
sind nur ein Wort lang, während andere eine Länge von zwei oder drei Worten besitzen.
Einige Befehle benötigen Daten im zweiten und dritten Wort, andere benötigen Speicher-
adressen, Registernummern oder andere Informationen.
Assembler besitzen eigene Regeln, die man erlernen muss. Diese enthalten die
Verwendung bestimmter Markierungen oder Kennzeichen (wie Zwischenräume,
Kommata, Strichpunkte oder Doppelpunkte) an den entsprechenden Stellen, korrekte
Aussprache,die richtige Steuer-Information und vielleicht auch die ordnungsgemäße
Platzierung von Namen und Zahlen. Diese Regeln stellen nur ein kleines Hindernis dar,
das man leicht überwinden kann.
Ferner muss man beim Programmieren in Assemblersprache eine sehr detaillierte
Kenntnis des verwendeten Mikrocontrollers besitzen. Man muss wissen, welche Register
und Befehle der Mikrocontroller hat, wie die Befehle die verschiedenen Register genau
beeinflussen, welche Adressierverfahren der Mikrocontroller verwendet und eine
Unmenge weiterer Informationen. Keine dieser Informationen ist für die Aufgabe, die
der Mikrocontroller letztlich ausführen muss, relevant.
Ich bedanke mich bei meinen Studenten für die vielen Fragen, die viel zu einer
besonders eingehenden Darstellung wichtiger und schwieriger Fragen beigetragen
haben. Meiner Frau Brigitte danke ich für die Erstellung der Zeichnungen.
Die E-Mail-Adresse des Autors lautet [email protected].
München Herbert Bernstein
im Februar 2015
Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen der Mikrocontroller ................................... 1
1.1 Mikrocontroller-Familie ATtiny2313, ATtiny26 und ATmega32 ........ 6
1.1.1 Merkmale des ATtiny2313, ATtiny26 und ATmega32 ......... 8
1.1.2 Pinbelegung des ATtiny2313, ATtiny26 und ATmega32 ....... 12
1.1.3 ALU (Arithmetik- und Logikeinheit) ...................... 15
1.2 Register im Mikrocontroller ................................... 22
1.2.1 I/O-Register im I/O-Adressraum ......................... 24
1.2.2 I/O-Ports als digitale Ein- und Ausgänge ................... 25
1.2.3 Konfiguration der Anschlüsse ........................... 26
1.2.4 Konfiguration der Pins ................................. 27
1.2.5 Lesen der Pinzustände ................................. 29
1.2.6 Unbenutzte Pins ...................................... 30
1.2.7 Alternative Port-Funktionen ............................. 30
1.2.8 SFIOR-Register ...................................... 30
1.2.9 Alternative Funktionen von Port B ....................... 33
1.2.10 Alternative Funktionen von Port C ....................... 35
1.2.11 Alternative Funktionen von Port D ....................... 37
1.2.12 Beschreibung der Register der I/O-Ports ................... 38
1.3 Statusregister ............................................... 40
1.4 Programmzähler (program counter) .............................. 44
1.5 Stapel (Stack) ............................................... 45
1.6 Rücksetzen (Reset) ........................................... 46
1.7 Zeitgeber und Zähler (Timer und Counter) ........................ 47
1.7.1 8-Bit-Timer/Counter 0 ................................. 47
1.7.2 Timer/Counter Interrupt-Mask-Register (TIMSK) ........... 49
1.7.3 Timer/Counter Interrupt-Flag-Register (TIFR) .............. 50
1.8 Peripherie .................................................. 50
1.8.1 I/O-Ports ............................................ 51
1.8.2 Synchrone serielle Schnittstelle (SPI) ..................... 52
1.8.3 Asynchrone serielle Schnittstelle (USART) ................. 61
IX
X Inhaltsverzeichnis
1.8.4 Analogkomparator .................................... 65
1.8.5 Watchdog-Timer ...................................... 66
1.8.6 Interrupthandling ..................................... 70
1.9 Speichereinheiten ............................................ 78
1.9.1 Programmspeicher (Flash) .............................. 78
1.9.2 Datenspeicher (SRAM) ................................ 79
1.9.3 EEPROM-Speicher ................................... 83
1.9.4 I/O-Speicher ......................................... 86
1.10 Schrittmotorenansteuerung mittels Mikrocontroller ................. 87
2 Hard- und Software für die Entwicklungsumgebung ................... 97
2.1 Entwicklungsumgebung ....................................... 99
2.1.1 Editor .............................................. 99
2.1.2 Cross-Assembler und Linker ............................ 103
2.1.3 Emulatoren und Debug-Stationen ........................ 105
2.2 Arbeiten und Erstellung für Programme mit AVR-Studio 4 ........... 107
2.2.1 Fenster des AVR-Studio 4 .............................. 112
2.2.2 Programmentwicklung ................................. 118
2.2.3 Programm erstellen (Build) ............................. 119
2.2.4 Programm testen (Debugging) ........................... 120
2.2.5 In-Circuit-Emulator (ICE) und In-System-
Programmierung (ISP) ................................. 121
2.3 Simulator .................................................. 125
2.3.1 Unterbrechungspunkte (Breakpoints) ..................... 126
2.3.2 Variablenwerte von Register und Prozessor ausgeben ......... 127
2.4 Programmieren des Mikrocontrollers ............................ 128
2.5 µC-Programmierung ......................................... 132
2.5.1 Flussdiagramme und Programmablaufpläne ................ 135
2.5.2 Befehlstypen ......................................... 140
2.5.3 Adressierungsarten .................................... 146
2.5.4 Programmierungstechniken ............................. 147
2.5.5 Unterprogramme ..................................... 148
2.5.6 Programmiersprachen ................................. 152
2.6 Hard- und Software von Mikrocontrollern ........................ 154
2.6.1 Hardware-Beschreibung ................................ 155
2.6.2 Programmiermodul ................................... 158
2.6.3 ANSI-C-Compiler für AVR-Typen ....................... 160
2.6.4 Integer-, Real-, Zeichen- und Zeichenkettenkonstanten ....... 164
2.6.5 Ausdrücke und Operatoren ............................. 167
2.6.6 Anweisungen mit if-else, while, do-while .................. 169
2.6.7 Spezielle Operatoren .................................. 173
2.6.8 Bitorientierte Operatoren ............................... 176
2.6.9 Logische Operatoren .................................. 179
Inhaltsverzeichnis XI
3 Befehle der ATMEL-AVR-Mikrocontroller-Familie .................... 183
3.1 Arithmetische und logische Befehle ............................. 183
3.2 Logische Befehle ............................................ 186
3.3 Sprungbefehle .............................................. 187
3.4 Vergleichsbefehle ............................................ 195
3.5 Unbedingte Sprungbefehle ..................................... 196
3.6 Unterprogrammaufrufe ....................................... 196
3.7 Datentransferbefehle ......................................... 197
3.8 Bitmanipulationsbefehle ...................................... 199
3.9 Löschbefehle ............................................... 202
3.10 Schiebebefehle .............................................. 204
3.11 Sonstige Befehle ............................................ 205
3.12 Befehlsverzeichnis in alphabetischer Reihenfolge .................. 206
3.13 Befehle in Assembler ......................................... 209
3.14 Ports für die AVR-Mikrocontroller .............................. 211
3.15 Assemblerdirektiven für die AVR-Mikrocontroller .................. 212
3.16 Befehle und Adressierung ..................................... 213
3.16.1 Datentransferbefehle (Datentransportbefehle) ............... 214
3.16.2 Arithmetische und logische Operationen (Befehle) ........... 215
3.16.3 Bitorientierte Befehle .................................. 217
3.16.4 Sprungbefehle (jump), Verzweigungsbefehle (branch)
und Unterprogrammbefehle (call) ........................ 217
3.16.5 Sonstige Befehle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
3.16.6 Zustands- oder Statusregister SREG ...................... 218
3.16.7 Adressierungsarten .................................... 219
3.16.8 Direkte Adressierung der SF-Register
(Sonderfunktions-Register) ............................. 223
3.16.9 Direkte Adressierung des Datenspeichers (SRAM) ........... 223
3.16.10 Indirekte Adressierung ................................. 224
3.16.11 Indirekte Adressierung mit automatischem Erhöhen bzw.
Verringern des Adresszeigers ............................ 225
3.16.12 Indirekte Adressierung mit konstantem Abstand ............. 226
3.16.13 Indirekte Adressierung mit PUSH und POP ................ 227
3.16.14 Adressierung des Programmbereichs ...................... 227
3.16.15 Direkte Adressierung von Konstanten im
Programmspeicher mit „lpm“ ........................... 229
4 Programmierung in Assembler ..................................... 233
4.1 Programm für den Mikrocontroller .............................. 233
4.1.1 Probleme des Programmierens ........................... 234
4.1.2 Assemblerprogramm .................................. 236
4.1.3 Eigenschaften von Assemblern .......................... 237