AVR. Учебный Курс

Что нужно для того, чтобы стать профессиональным разработчиком программ для микроконтроллеров и выйти на такой уровень мастерства, который позволит с лёгкостью найти и устроиться на работу с высокой зарплатой (средняя зарплата программиста микроконтроллеров по России на начало 2015 года составляет
80 000 рублей).

Чтобы понимать то, о чём я буду говорить, желательно, чтобы вы хотя бы на начальном уровне знали электронику или хотя бы более-менее помнили школьный курс физики. Если этим вы похвастаться не можете, то тоже не страшно, так как я буду стараться объяснять всё максимально доступно. Ну а если какие-то вещи останутся для вас непонятными, то задавайте вопросы . Только прошу описывать вашу проблему как можно более подробно, чтобы не тратить своё и моё время на переписку с дополнительными уточнениями.

Для тех, у кого проблемы с просмотром видео, я коротко расскажу его содержание.

Итак, микропроцессор и микроконтроллер - это специальные микросхемы. Но чем они отличаются друг от друга?

Вопрос не такой простой, как хотелось бы. Скажу больше, я не уверен, что знаю правильный ответ))) Однако, опираясь на свои немалые знания и опыт, я могу попытаться на него ответить.

В далёкие времена вычислительные системы строились на множестве микросхем разных типов. Когда-то вообще не было микропроцессоров. Вычислительные системы сначала были механическими, потом ламповыми, потом транзисторными. Потом пришло время интегральных микросхем.

Мне довелось работать на первой советской автоматической телефонной станции (АТС) с программным управлением. Её процессор был собран на микросхемах 155-й серии (электронщики меня поймут). Эта АТС занимала целую комнату.

Но со временем элементная база становилась всё меньше и меньше по размеру. То, что раньше собирали из нескольких десятков микросхем, удалось впихнуть в одну микросхему. Так и получился микропроцессор.

Однако для создания полноценной вычислительной системы требовались и другие элементы: память, элементы ввода-вывода и т.п. В итоге микропроцессорная система состояла из нескольких микросхем, и управлял всей этой системой микропроцессор .

Однако техника не стояла на месте. Учёным и инженерам удалось сделать кристаллы микросхем ещё меньше. И кому-то пришла идея объединить все элементы микропроцессорной системы в одну микросхему. Так появился микроконтроллер .

Итак, современный микроконтроллер - это микросхема, которая включает в себя все элементы микропроцессорной системы, такие как процессор, порты ввода-вывода, оперативную память и т.п.

Таким образом, чтобы собрать какое-нибудь простейшее устройство, нужно всего лишь:

Разработать схему устройства
Выбрать микроконтроллер
Написать программу для микроконтроллера
Загрузить программу в микроконтроллер (“прошить” микроконтроллер)
Собрать устройство
Наслаждаться результатом

Сложно? Да, непросто. Но если вы из тех, кто опускает руки при первых же проблемах, то эта профессия не для вас. Профессиональный программист - это сильная личность, человек, для которого нет нерешаемых задач.

Применение микроконтроллеров

Сегодня микроконтроллеры применяются практически во всех электронных устройствах - от китайских гирлянд до систем управления атомными станциями. Разумеется, функциональность и надёжность микроконтроллеров в гирляндах и на АЭС отличаются.

Практически вся бытовая техника (за исключением, быть может, простых электрочайников и подобных устройств) управляется микроконтроллерами: стиральные машины, телевизоры, холодильники, мультиварки и т.п.

В современных автомобилях также используются микроконтроллеры в бортовых компьютерах.

В общем, трудно в современном мире найти сферу человеческой деятельности, где бы не применялись микроконтроллеры.

Какой из этого вывод?

Правильно. Если вы станете профессиональным программистом в области разработки устройств на микроконтроллерах и их программирования, то без работы вы не останетесь. А с учётом того, что профессия эта сложная, и не каждому охота с ней связываться, эта работа будет ещё и высокооплачиваемой, так как спрос на таких специалистов высок.

Но об этом мы ещё поговорим в следующих статьях. Ждите писем. А если вы ещё не подписаны, то

Микроконтроллер – это интегральная схема , предназначенная для управления различными электронными устройствами или их отдельными функциональными блоками. Большинство микроконтроллеров сочетают в себе функции процессора и периферийных (согласующих) устройств. Он содержит встроенную энергонезависимую память, в которой храниться алгоритм (программа) его работы. По своей сути микроконтроллер – это небольшой компьютер, предназначенный для выполнения несложных задач.

Первыми идею создания микроконтроллера в 1971 году выдвинули сотрудники американской электронной компании Texas Instruments. Именно они предложили собрать на одном кристалле небольшой компьютер, поместив туда процессор, память и устройства ввода/вывода. Через 5 лет эту идею подхватила вездесущая Intel, выпустив первый микроконтроллер i8048.

Основу микроконтроллера составляет так называемое арифметико-логическое устройство. Если говорить проще, то это некий вычислительный модуль, который обрабатывает записанную в памяти программу. Программа пишется обычно на самом простом языке (языке машинных кодов) и может быть переписана под любые функциональные возможности. Редко, когда в микросхеме программа задана жестко и ее нельзя изменить. Это в основном относится к узконаправленным микроконтроллером, которые производятся специально для управления какими-то несложными устройствами, например электродвигателями.

Энергонезависимая память обычно находится внутри контроллера и предназначена для хранения программы. Некоторые контроллеры благодаря достаточно емкой внутренней памяти вообще не имеют контактов для подключения внешнего запоминающего устройства. Внутренняя память очень часто разбивается на две части: память программ и память данных. В первой находится функциональный алгоритм (программа), а во второй – поступающие извне данные. При достаточно сложном алгоритме записанных программ может быть несколько.

Периферийные устройства предназначены для связи арифметико-логического устройства с внешним миром (исполнительными элементами электронных устройств). Обычно в качестве периферийных устройств используются универсальные цифровые порты и интерфейсы ввода/вывода, компараторы, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, контроллеры двигателей, широтно-импульсные модуляторы, радиочастотные приемники и передатчики. В зависимости от функциональности и сферы применения микроконтроллера, часть вышеперечисленных устройств может отсутствовать.

Без применения микроконтроллеров сейчас не возможна работа материнских (системных) плат компьютера, большинства бытовых электроприборов, промышленных устройств автоматики и систем управления оборудованием. Кстати если вы хотите самостоятельно построить какое-то электронное устройство или сделать модернизацию промышленного, можно использовать многофункциональные

Микроконтроллер это, можно сказать, маленький компьютер. Который имеет свой центральный процессор (регистры, блок управление и арифметическо-логическое устройство ), память , а также разную периферию , вроде портов ввода вывода , таймеров, контроллеров прерываний, генераторов разных импульсов и даже аналоговых преобразователей. Всего не перечислишь. Как нельзя перечислить все применения микроконтроллеров.

Но, если сильно все упростить, то основной функцией микроконтроллера является «дрыганье ножками». Т.е. у него есть несколько выводов (от 6 до нескольких десятков в зависимости от модели) и на этих выводах он может выставить либо 1 (высокий уровень напряжения, например +5вольт), либо 0 (низкий уровень напряжения, около 0.1 вольта) в зависимости от программного алгоритма зашитого в его память. Также микроконтроллер может определять состояние сигнала на своих ножках (для этого они должны быть настроены на вход) — высокое там напряжение или низкое (ноль или единица). Современные микроконтроллеры также почти поголовно имеют на борту Аналогово Цифровой Преобразователь — это штука подобная вольтметру, позволяет не просто отследить 0 или 1 на входе, а полноценно замерить напряжение от 0 до опорного (обычно опорное равно напряжению питания) и представить его в виде числа от 0 до 1024 (или 255, в зависимости от разрядности АЦП)

Из него можно сделать и умный дом, и мозги для домашнего робота, систему интеллектуального управления аквариумом или просто красивое светодиодное табло с бегущим текстом. Среди электронных компонентов МК это один из самых универсальных устройств. Я, например, при разработке очередного устройства предпочитаю не заморачиваться на различного рода схемотехнические извраты, а подключить все входы и выходы к микроконтроллеру, а всю логику работы сделать программно. Резко экономит и время и деньги, а значит деньги в квадрате.

Микроконтроллеров существует очень и очень много. Практически каждая уважающая себя фирма по производству радиокомпонентов выпускает свой собственный контроллер. Однако и в этом многообразии есть порядок. МК делятся на семейства, все их я не перечислю, но опишу лишь самые основные восьмиразрядные семейства.

MSC-51
Самое обширное и развитое это MSC-51 , старейшее из всех, идущее от intel 8051 и ныне выпускаемое массой фирм. Иногда кратко зовется С51 . Это 8-ми разрядная архитектура, отличается от большинства других восьмиразрядников тем, что это CISC архитектура. Т.е. одной командой порой можно совершить довольно сложное действие, но команды выполняются за большое число тактов (обычно за 12 или 24 такта, в зависимости от типа команды), имеют разную длину и их много, на все случаи жизни. Среди контроллеров архитектуры MSC-51 встречаются как динозавры вроде AT89C51 , имеющие минимум периферии, крошечную память и неважнецкое быстродействие, так и монстры вроде продукции Silicon Laboratories имеющие на борту весьма мясистый фарш из разнокалиберной периферии, огромные закрома оперативной и постоянной памяти, мощные интерфейсы от простого UART ‘a до USB и CAN , а также зверски быстрое ядро , выдающее до 100 миллионов операций в секунду. Что касается лично меня, то я обожаю архитектуру С51 за ее чертовски приятный ассемблер на котором просто кайфово писать. Под эту архитектуру уже написаны гигабайты кода, созданы все мыслимые и немыслимые алгоритмы.

Atmel AVR
Вторым моим любимым семейством является AVR от компании Atmel . Вообще Atmel производит и MSC-51 контроллеры, но все же основной упор они делают на AVR . Эти контроллеры уже имеют 8-ми разрядную RISC архитектуру и выполняют одну команду за один такт, но в отличии от классического RISC ядра имеют весьма развесистую систему команд, впрочем не такую удобную как у С51, за что я их недолюбливаю. Но зато AVR всегда снаряжены как на войну и просто напичканы разной периферией, особенно контроллеры подсемейства ATMega . А еще их очень легко прошивать, для этого не нужны ни специализированные программаторы, ни какое либо другое сложное обрудование. Достаточно лишь пяти проводков и компьютера с LPT портом. Простота освоения позволила этому контроллеру прочно запасть в сердца многих и многих радиолюбителей по всему миру.

Microchip PIC .
Еще один 8-ми разрядный RISC микроконтроллер, отличается весьма извратской системой команд, состоящей всего из пары десятков команд. Каждая команда выполняется за четыре такта. есть ряд достоинств, в первую очередь это низкое энергопотребление, и быстрый старт. В среднем PIC контроллере нет такого количества периферии как в AVR, но зато самих модификаций PIC контроллеров существует такое количество, что всегда можно подобрать себе кристалл с периферией подходящей точно под задачу, не больше не меньше. На PIC ‘ax традиционно построены бортовые компьютеры автомобилей, а также многочисленные бытовые сигнализации.

Какое же семейство выбрать? О, это сложный вопрос. На многочисленных форумах и конференциях по сей день идут ожесточенные бои на тему какое семейство лучше, фанаты AVR грызутся с приверженцами MSC-51 , попутно не забывая пинать по почкам PIC ‘овцев, на что те отвечают тем же.

Ситуация тут как в Starcraft:) Кто круче? Люди? Зерги? Протоссы? Все дело в применении, масштабах задач и массе других параметров. У каждого семейства есть свои достоинства и недостатки. Но лично я бы выбрал AVR и вот по каким причинам:

1. Доступность в России. Эти контроллеры заслуженно популярны и любимы народом, а значит наши торговцы их охотно возят. Впрочем, как и PIC. С MSC-51 ситуация хуже. Морально устаревшие AT89C51 достать не проблема, но кому они нужны? А вот современные силабы это уже эксклюзив.
2. Низкая цена. Вообще низкой ценой в мире славится PIC, но вот ирония — халявы начинаются только если брать его вагонами. На деле же, на реальном прилавке, AVR будет процентов на 30-40 дешевле чем PIC при несколько большем функционале. С MSC-51 ситуация ясна еще по первому пункту. Эксклюзив это не только редко, но и дорого.
3. Очень много периферии сразу. Для серийного устройства это скорей недостаток. Куда лучше иметь только то, что надо в текущей задаче, а остальное чтобы не мешалось и не кушало зря энергию. Этим славится PIC со своим развесистым модельным рядом, где можно найти контроллер в котором будет нужное и не будет ненужного. Но мы то собираемся изучать и делать для себя! Так что нам лучше чтобы все, сразу и про запас. И вот тут AVR на голову выше чем PIC, выкатывая раз за разом все более фаршированные контроллеры. Купил себе какую-нибудь AtMega16A и все, можешь все семейство изучить.
4. Единое ядро. Дело в том, что у всех современных AVR одинаковое ядро с единой системой команд. Есть лишь некоторые различия на уровне периферии (и те незначительные). Т.е. код из какой нибудь крошечной ATTiny13 легко копипастом перетаскивается в ATMega64 и работает почти без переделок. И почти без ограничений наоборот. Правда у старых моделей AVR (всякие AT90S1200) совместимость сверху вниз ограниченная — у них чуть меньше система команд. Но вот вверх на ура. У Микрочипа же существует целая куча семейств. PIC12/16/18 с разной системой команд. 12е семейство это обычно мелочь малоногая (вроде Tiny в AVR), а 18 это уже более серьезные контроллеры (аналог Mega AVR) И если код с 12го можно перетащить на 18, то обратно фиг.
5. Обширная система команд контроллеров AVR. У AVR около 130 команд, а у Microchip PIC всего 35. Казалось бы PIC в выйгрыше — меньше команд, проще изучить. Ну да, именно так и звучит микрочиповский слоган, что то вроде «Всего 35 команд!». Только это на самом деле фигня. Ведь что такое команда процессора? Это инструмент! Вот представь себе два калькулятора — обычный, бухгалтерский и инженерный. Бухгалтерский куда проще изучить чем инженерный. Но вот попробуй посчитать на нем синус? Или логарифм? Нет, можно, не спорю, но сколько нажатий кнопок и промежуточных вычислений это займет? То то же! Куда удобней работать когда у тебя под рукой куча разных действий. Поэтому, чем больше система команд тем лучше.
6. Наличие бесплатных кроссплатформенных компиляторов Си. Конечно, кряк всегда найти можно. Где где, а в нашей стране это проблемой никогда не было. Но зачем что то воровать если есть халявное? ;)
7. Ну и последний аргумент, обычно самый весомый. Наличие того, кто бы научил и подсказал. Помог советом и направил на путь истинный. Я выбрал для себя AVR и на этом сайте (по крайней мере пока) досконально будет разбираться именно это семейство, а значит выбора у тебя особого нет:))))))

Ой, но этих же AVR целая прорва. Какой взять???
Интересный вопрос. Вообще МК лучше выбирать под задачу. Но для изучения лучше хапнуть что то фаршированное.

Для начала разберем маркировку, чтобы ты по прайсу сразу мог понять что за зверь перед тобой. Вот тебе пример

ATmega16А — 16PI

AT — сделано в Atmel
Mega — вид семейства. Существует еще Tiny и Xmega (новая — фаршу жуть, полный вертолет). Вообще задумывалось, что Тини это, вроде как, малобюджетное с малым количеством фарша и вообще ущербная, а Мега наоборот — все и сразу. В реальности, разница между семействами Тини и Мега по фаршу сейчас минимальная, но в Тини меньше памяти и корпуса у нее бывают с числом выводов от 6 до 20.
16 — количество памяти флеша в килобайтах. Вообще тут не все так просто. Числом памяти является степень двойки. Так что Mega162 это не контроллер со 162КБ флеша, а своеобразная Мега16 модификации2 с памятью 16кб. Или вот Мега88 — не 88кб, а 8кб флеша, а вторая 8 это вроде как намек на то, что это дальнейшее развитие Мега8. Аналогично и Мега48 или Мега168. Тоже самое и семейством Тини. Например, Тини2313 — 2килобайта флеша. А что такое 313? А хрен знает что они имели ввиду:) Или Тини12 — 1кб Флеша. В общем, фишку просек.
А — префикс энергопотребления (обычно). Этой буквы может и не быть, но в новых сериях она присутствует почти везде. Например, V и L серии — низковольтные, могут работать от 2,7 вольт. Правда за низковольтность приходится платить меньше частотой. Но оверклокинг возможен и тут, ничто человеческое нам не чуждо:) A и P имеют новые серии AVR с технологией PicoPower т.е. ультраэкономичные. Разницы по фаршу и внутренней структуре с их безиндексовыми моделями нет, тут все различие в работе всяких спящих режимов и энергопотреблении. Т.е. Mega16A легко меняется на Mega16 без А. И ничего больше менять не нужно.
16 — Предельная тактовая частота в мегагерцах. В реальности можно разогнать и до 20 ;)
P — тип корпуса. Важная особенность. Дело в том, что далеко не всякий корпус можно запаять в домашних условиях без геморроя. Рекомендую пока обратить внимание на P — DIP корпус. Это громоздкий монстр, но его легко запаять, а, главное, он легко втыкается в специальную панельку и вынимается из нее обратно. Корпуса вида SOIC (индекс S) или TQFP (индекс A) пока лучше отложи в сторонку. Без хорошего опыта пайки и умения вытравить качественную печатную плату к ним лучше не соваться.
I — Тип лужения выводов. I — свинцовый припой. U — безсцвиновый. Для тебя никакой совершенно разницы. Бери тот что дешевле.

Рекоменую следующие модели:

ATMega16A-16PU — недорогой (около 100-150р), много выводов, много периферии. Доступен в разных корпусах. Прост, под него заточен мой учебный курс и все дальнейшие примеры.
ATTiny2313-20SU — идеальный вариант для изготовления всяких часов/будильников и прочей мелкой домашней автоматики. Дешев (рублей 40), компактен. Из минусов — нет АЦП.
ATmega48/88/168 любой из этих контроллеров. Компактен (в корпусе tqfp является самым тонким и мелким из AVR), дешев (рублей 100-150), фарширован донельзя.
ATmega128 для искушенных. Большой, мощный, дофига памяти. Дорогой (около 400р)

Цель курса – познакомиться с микропроцессорной техникой, научиться писать программы для микроконтроллеров и отлаживать их на реальном оборудовании. В курсе описано устройство микроконтроллера, показано, как он взаимодействует с окружающим миром. Курс предназначен для учащихся школ, нетехнических колледжей, техникумов и ВУЗов.

Для освоения курса не требуется каких-либо специализированных знаний в электротехнике и программировании, не нужно ничего паять (хотя в будущем было бы неплохо научиться;), не нужно покупать дорогостоящих отладочных плат. Для начала работы нам понадобится персональный компьютер (ПК) с выходом в интернет. Вся практическая часть курса выполняется в лаборатории с удаленным доступом, которая представлена макетной платой с микроконтроллером и направленной на нее вебкамерой. Любой желающий может, сидя у себя дома, запрограммировать микроконтроллер и через вебкамеру понаблюдать за его работой.

Программы мы будем писать на языке С в среде программирования Keil-C компании ARM. Сразу оговоримся, среда разработки Keil-C платная, но для выполнения всех наших работ достаточно демонстрационной версии этого продукта, demo версию можно скачать либо с официального сайта компании ARM www.keil.com , либо у нас в разделе . В своих примерах я буду использовать версию v812.

Что же такое микроконтроллер? Микроконтроллер можно сравнить с персональным компьютером, он также имеет свой процессор, оперативную память, память для долгосрочного хранения информации, порты ввода-вывода и многие другие периферийные устройства, например, аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Только, в отличие от персонального компьютера, все эти компоненты объединены в одной микросхеме, поэтому микроконтроллер можно назвать "компьютером в одной микросхеме" . Конечно, быстродействие такого компьютера не сравниться с быстродействием ПК, но для большинства задач мониторинга и управления его достаточно.

Рисунок 1 - Внешний вид микрокнтроллера ADuC842 в различных корпусах

Микроконтроллер может задавать режим работы стиральной машины, контролировать температуру в бассейне, выводить на жидкокристаллический дисплей текст или изображение, управлять мощностью освещения, измерять напряжение, ток или любую другую физическую величину. Микроконтроллер можно встретить в сотовом телефоне, телевизоре, микроволновой печи, фотоаппарате, автомобиле, клавиатуре, наручных часах, то есть в любых устройствах, где так или иначе приходится чем-либо управлять, что-то измерять или обрабатывать информацию.

Также как и для персонального компьютера, для работы микроконтроллера требуется программа, но если в ПК, как правило, программа рассчитана на взаимодействие с операционной системой, то в микропроцессоре (тоже, как правило, но совсем не обязательно) такой операционной системы нет. В персональном компьютере операционная система организует доступ пользовательской программы ко всем внутренним и внешним устройствам компьютера через драйвер. Когда мы пишем программу для микроконтроллера, то никаких драйверов устройств нет, и нам необходимо самостоятельно организовывать программный доступ к каждому устройству.

Для обмена информацией с внешним миром в контроллере предусмотрены порты ввода и вывода информации. Часто порт ввода объединяется с портом вывода, и образуют порт ввода-вывода информации.

С внешним миром микроконтроллер обменивается информацией в цифровом виде. Основой логики работы микропроцессора служит двоичная система счисления, состоящая всего из двух цифр – единицы "1" и нуля "0". Эти две цифры двоичной системы позволяют записывать практически любые числа. Для электрических сигналов, несущих эту цифровую информацию, двоичная система счисления соответствует двум состояниям, или двум "логическим" уровням: высокому и низкому. Как правило, напряжение высокого логического уровня близко к напряжению питания микросхемы, например, 5 В или 3 В. Напряжение низкого логического уровня – логического ноля "0" - может составлять несколько десятых вольта, например, 0,3 В, и в идеальном случае равняется 0 В. С помощью загруженной в него программы микроконтроллер может установить на любой ножке порта вывода требуемый уровень напряжения. Также микроконтроллер может программно определять состояние сигнала на своих ножках, высокое ли напряжение на ней или низкое (ноль или единица).

Получать информацию микроконтроллер может из подключаемых к его портам устройств, таких как: кнопки, клавиатуры, различные датчики, цифровые микросхемы и других микроконтроллеры, и даже ПК. Для вывода информации к портам контроллера можно подключать светодиоды, жидкокристаллические индикаторы, семисегментные индикаторы и многое другое.

Все порты ввода-вывода можно разделить на две группы: это параллельные порты и последовательные . При параллельном способе передачи информации каждый бит передаваемого слова имеет отдельный провод, таким образом, при передаче данных байтами нам понадобиться шлейф из восьми проводов. При таком способе передачи у микропроцессора для функции ввода-вывода должно быть зарезервировано восемь ножек. При последовательном способе передачи данных используется всего лишь один информационный проводник, на нем последовательно, друг за другом, устанавливаются биты передаваемого слова. На другой стороне приемник также последовательно считывает эти биты. То есть для реализации последовательной передачи данных может быть использована всего одна ножка контроллера.

Рисунок 2 - Структурная схема микроконтроллера

Любой микроконтроллер в своем составе должен иметь микропроцессор. Микропроцессор - это "мозг" микроконтроллера, помимо вычислений он обеспечивает взаимодействие всех периферийных устройств микроконтроллера. Когда мы пишем программу, мы как бы указываем микропроцессору, какие инструкции и в какой последовательности ему следует выполнять.

Также как и в персональном компьютере, в микропроцессоре есть память. Структурно память состоит из пронумерованных ячеек, номер ячейки принято называть адресом, а совокупность всех возможных адресов памяти называют адресным пространством. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Всю память можно разделить две большие группы: это ПЗУ - постоянно запоминающее устройство, и ОЗУ - оперативно запоминающее устройство, или просто - оперативная память. В персональном компьютере роль ПЗУ выполняют жесткие диски, оптические диски, карты памяти и флешки. Особенность этого типа памяти заключается в том, что после отключения питания устройства записанная информация сохраняется на носителе, и после возобновления подачи питания снова может быть считана. В оперативной же памяти информация сохраняется только пока подано питание. Но быстродействие ОЗУ может превосходить быстродействие ПЗУ в десятки и даже сотни раз. Поэтому удобно исполняемую программу держать в ПЗУ, а все переменные, к которым требуется быстрый доступ - в ОЗУ. Если в ПК объем памяти измеряется в ГБ (приставка Гига – 10 9), то в микроконтроллерах все гораздо скромнее. Так, в микроконтроллере ADuC842, который мы будем использовать в практической части урока, имеется всего 62 кБ (килобайта) ПЗУ и 256 байт ОЗУ.

Еще одна особенность микроконтроллеров заключается в том, что бо льшая часть из них выполнена по так называемой Гарвардской архитектуре , а это значит, что для хранения программ и данных используется две различные памяти: память программ и память данных. В памяти программ хранится непосредственно исполняемый код, который определяет алгоритм действия системы. Этот код никоим образом не может быть изменен исполняемой программой. Загружая исполнительный код в память микроконтроллера, программист определяет алгоритм функционирования микроконтроллерной системы. Часто процесс загрузки программы в память называют "прошивкой" контроллера.

После загрузки программы в память мы перезапускаем микроконтроллер. После перезагрузки микропроцессор обращается в самую первую ячейку памяти программ за командой. Адрес самой первой ячейки - 0. Затем считанная команда выполняется, и процессор начинает считывать следующую по порядку команду. Таким образом, команды выполняются последовательно, одна после завершения другой. Но существуют команды, способные изменить последовательность выполнения команд в зависимости от каких-либо условий, такие команды называются командами условного перехода. С помощью таких команд реализуются разветвленные алгоритмы работы.

Рисунок 3 - Порядок выполнения команд

В данном курсе мы научимся создавать собственные "прошивки" для микроконтроллеров. Каждый урок будет состоять из двух частей. Первая часть - это теория, где я расскажу о способах подключения различных устройств к микроконтроллеру и особенностях функционирования встроенной периферии. Во второй части покажу, как программно организовать работу описанной в первой части системы. Кроме того, в конце каждого урока полагается домашнее задание, где будет предложено решить прикладную задачу: написать, отладить и испытать на реальном оборудовании программу.

Наверное, не многие люди слышали такой термин как «микроконтроллер » (за исключением наших читателей) , но на самом деле это очень распространенное устройство - без него редко обходится какая-либо современная техника. Телевизоры, стиральные машины, мобильные телефоны, компьютеры и периферия, автомобили и многое другое - все они содержат в себе микроконтроллеры.

В этой небольшой статье я постараюсь рассказать о том, что это за зверь такой «микроконтроллер », какие у них плюсы и минусы, их особенностях и возможностях, а также о том, как их можно применять в целях.

Что такое микроконтроллер?

Микроконтроллер по сути дела является небольшим компьютером, выполненным в виде небольшой микросхемы , в которой на одном «кристалле » содержатся все основные компоненты: процессор, периферия, устройства ввода-вывода, а также, чаще всего, оперативная память (ОЗУ) и энергонезависимая память (ПЗУ). Конечно, мощность такого компьютера совсем небольшая и не сравниться с мощностью настольного или портативного компьютера. Но ведь далеко не для всех задач она и нужна - для относительно простых зада и применяют микроконтроллеры, и их мощности предостаточно. Основным же плюсом использования одного микроконтроллера, в котором интегрированы все необходимые компоненты, вместо россыпи отдельных микросхем (процессор, ОЗУ, ПЗУ, периферия), является снижение стоимости, размеров, энергопотребления, а также затрат на разработку и сборку необходимого устройства. Ранее микроконтроллеры называли «однокристальными микро-ЭВМ », но со временем это название было вытеснено более современным (и лучше отражающим предназначение этого девайса) словом микроконтроллер (от англ. слова control - «управление »).

Общий вид микроконтроллера

Впервые такое устройство как микроконтроллер, которое тогда называлось еще однокристальной микро-ЭВМ, было разработано в 1971 году сотрудниками компании Texas Instruments, инженерами М. Кочрену и Г. Буну, которые и предложили интегрировать изобретенный незадолго до этого микропроцессор на один кристалл со всеми необходимыми компонентами.

Поскольку под разные задачи лучше всего использовать наиболее подходящие для них микроконтроллеры, а количество применений для микроконтроллеров поистине неиссякаемое, то логично, что компании производители выпускают большое, измеряемое в сотнях, количество самых разнообразных по своим техническим характеристикам микроконтроллеров. По своим характеристикам, микроконтроллеры бывают как совсем простые - четырех разрядные (4 битные) с небольшой рабочей частотой , измеряемой в килогерцах , так и очень навороченные - до 64 битных с тактовой частотой, измеряемой в мегагерцах .

Микроконтроллеры выпускаются очень большим количеством разнообразных компаний, для перечисления которых не хватило бы даже целой статьи, так что я расскажу о микроконтроллерах, которые производит корпорация Атмел (Atmel), основанная в далеком 1984 году. Семейство этих микроконтроллеров зовётся AVR - это восьмибитные микроконтроллеры, разработанные в 1996 году. Фирма Atmel выпускает несколько семейств микроконтроллеров:

4-разрядные
8-разрядные: MCS-51, AVR
32-разрядные: ARM, AVR32

Само семейство микроконтроллеров AVR делится на две большие группы микроконтроллеров : Tiny и Mega . Отличаются они между собой набором функций, которые в них заложены. Основным же различием внутри группы является внутренняя частота и объём памяти, используемый для хранения программы. Большее распространение среди радиолюбителей получили микроконтроллеры семейства Mega по причине того, что они имеют больше возможностей и функций, конкретнее – ATmega8 , который имеет тактовую частоту 16 МГц и объём памяти в 8 Кбайт.

Возможности и особенности микроконтроллеров

Так что же могут микроконтроллеры ? Благодаря тому что микроконтроллер является маленьким компьютером — его возможности очень широки. К примеру, микроконтроллеру можно поручить измерение разнообразных величин, обработку различных сигналов и управление широким спектром разных девайсов. Во многом возможности микроконтроллеров ограничены только вашим воображением и умениями работать с ними. Но у микроконтроллеров есть и определенные особенности, одной из которых является то, что все микроконтроллеры поступают с завода в продажу «пустые», то есть, если на них подать напряжение, то мы не получим ровным счетом ничего. Просто кусок кремния . Для того, что бы микроконтроллер начал выполнять какие-то операции, начиная с включения светодиода, заканчивая ШИМ-регулированием напряжения - ему нужно «объяснить» как это сделать, т.е. прошить микроконтроллер исполняющей программой, которую можно написать на ассемблере или на Си.

Многие, наверняка, уже догадались, что можно сделать с микроконтроллерами , дочитав для этого момента. Конечно же, их можно и нужно применять в компьютерном моддинге! Поскольку так называемым «обвесом» микроконтроллера (набором электродеталей, периферией и т.д.) может быть практически всё (реле, транзисторы, светодиоды, индикаторы, LCD дисплеи и многое другое), в зависимости от нужных функций микроконтроллера (сигнализация, управление), то и возможности использования микроконтроллеров в моддинге поистине безграничны. Коротко перечислим некоторые из них.

Микроконтроллеры можно «научить» считывать сигнал с таходатчика (датчика скорости вращения) вентилятора или помпы и выводить значения на LCD или индикаторный дисплей. Таким же образом микроконтроллер может послужить для вычисления основных электрических величин: сопротивления, напряжения и силы тока. Всё это так же можно вывести на LCD дисплей.

Если к микроконтроллеру подключить необходимый датчик, то из него можно сделать термометр на светодиодных индикаторах, который отлично впишется в ваш проект, а затраты на изготовление будут минимальными (до 4 у.е.)!

Термометр на основе светодиодных индикаторов

Если приловчиться, изучить микроконтроллеры более детально и освоить необходимый язык программирования, то можно написать программу для ШИМ-регулятора, который, в свою очередь, будет управлять скоростью вращения корпусных вентиляторов.

Так же можно использовать микроконтроллеры как средство вывода информации о загрузке процессора, оперативной памяти или заполненности винчестера на тот же LCD дисплей, который органично впишется в любой дизайн.

Индикатор, собранный на основе микроконтроллеров

Использование микроконтроллеров

Как я уже писал, для того чтобы использовать микроконтроллер его необходимо прошить соответствующей программой, но это не все, поскольку микроконтроллер это не товар конечного потребления (как, например, MP3 плеер), а электронный компонент , на основе которого можно сделать необходимое устройство. Обычно этот процесс состоит из нескольких пунктов:

Определение задач, которые будет исполнять микроконтроллер
Создание схемы на основе микроконтроллера или, как бывает чаще, поиск нужной схемы в интернете
Написание программы-прошивки для микроконтроллера или, опять же, скачка программы, сделанной другим энтузиастом
Прошивка программы в микроконтроллер
Сборка и подключение всего устройства
Использование самодельного гаджета

Для того чтобы прошить микроконтроллер его необходимо подключить к ПК, для чего используется специальное устройство, которое называется программатор. С его помощью и осуществляется взаимосвязь между микроконтроллером и компьютером. Можно даже сказать, что программатор - это своеобразный мост.

Программу для микроконтроллера пишете на языке программирования Си (кстати, Си намного проще, чем ассемблер), после чего создаёте файл прошивки и с помощью программы прошивальщика прошиваете ваш микроконтроллер данной прошивкой. На самом деле всё довольно просто и, при желании, достаточно легко осваивается! Лично я использую для всех этих действий программу CodeVisionAVR так как она очень удобна и поддерживает практически все виды программаторов. От себя - очень советую!

Собирать устройство на основе микроконтроллера можно как на протравленной плате, так и на макетной или даже методом навесного монтажа , в зависимости от того, как вам удобней и сложности предполагаемого устройства.

Выводы про микроконтроллеры

Микроконтроллеры - весьма перспективная штука, так как на ее основе можно создавать разнообразные гаджеты и примочки для вашего проекта, которые выведут его на качественно новый уровень, как по внешнему виду, так и по функционалу. Причем особый плюс заключается в том, что именно с помощью микроконтроллеров можно реализовать различные сложные кастомные гаджеты, которых попросту нет в продаже, что позволит сделать ваш проект действительно уникальным.

Из плюсов микроконтроллеров я бы выделил:

широкий спектр применения
минимум материальной базы для изготовления устройств
нет трудностей с приобретением

Ну, куда без минусов:

для начала нужно иметь программатор
придётся выучить Си или ассемблер, хотя бы на самом базовом уровне

На мой взгляд, плюсы в данном случае однозначно перевешивают минусы. Если вы заинтересовались микроконтроллерами, то не пугайтесь трудностей, в лице изучения языка программирования Си для микроконтроллеров. Лично я его не знаю, но это не мешает мне создавать интересные гаджеты. Тем более, в интернете полно литературы по изучению этого языка. Спасибо всем, кто дочитал статью до этих строк.

Возможно, будет полезно почитать: