Анатомия микроконтроллеров ATmega

После публикации моей первой статьи, меня завалили вопросами о микроконтроллерах, как, что, куда, почему…

Чтобы вы смогли разобраться, как этот чёрный ящик работает, я расскажу вам, о микроконтроллере (далее МК) ATmega8. В принципе фирма Atmel выпускает целую серию МК семейства AVR – это подсемейства Tiny и Mega. Я не буду расписывать достоинства тех или иных МК, это уж вам решать, что вам больше всего подходит. Некоторые представители большой семьи:



Итак, ATmega8, самый простой МК из всех ATmega:



Начнем изучать внутренности по упрощенной структурной схеме:



Это обобщённая схема всех ATmega.

Все микроконтроллеры AVR построены по так называемой Гарвардской архитектуре, то есть использована раздельная адресация памяти программ и памяти данных. Преимущества этой архитектуры заключаются в повышенном быстродействии, например ATmega выполняет одну инструкцию за один тактовый импульс, то есть при частоте 16МГц МК выполняет 16 миллионов операций в секунду.

А теперь о трибухе по порядку.
1. Тактовый генератор выполняет синхронизацию всех внутренних устройств.
2. ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, используется для хранения программы и неизменяемых данных (констант).
3. Дешифратор команд – он тут самый главный, управляет всем, что ему под руку попадётся.
4. АЛУ – арифметико-логическое устройство, выполняет арифметические (сложение, вычитание и т.д.) и логические (И, ИЛИ, НЕ, Исключающее ИЛИ) операции над числами.
5. РОН – регистры общего назначения, их АЛУ оперирует, а так же используются для временного хранения данных. Регистры РОН могут объединяться в регистровые пары:
r26 : r27 – X;
r28 : r29 – Y;
r30 : r31 – Z.
Регистровые пары используются для косвенной адресации данных в ОЗУ.
6. ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, используется для хранения данных, массивов и стека.
7. PORTA-PORTn – связь с внешним миром, порты ввода/вывода, ну енто понятно для чего…
8. Спец. УВВ – специальные устройства ввода/вывода, контроллеры разной периферии, например USART (по другому СОМ-порт), иногда USB, АЦП, ЦАП, I2C, короче, чего только там нет…

Ну да это всё теория, а вам не терпится что-то склеить, попробовать, и чтобы енто дело работало! Тогда перечислим что нам нужно:

1. Программатор с соответствующим софтом, об этом я писал в прошлой статье;
2. Компилятор языка Си, Code Vision AVR, имеет неплохой инструментарий для разработки программ для МК;

Перед тем как начать программирование на Си, неплохо бы ознакомиться с какой-нибудь литературой по этому языку, например есть замечательная книга Кернигана и Ритчи «Язык С».

Ну да ладно, начнём…

Тестовая схема.

Давайте соберём такую схему:



Это будет базовая модель. Кстати схему лучше собрать на макетной плате, а МК сунуть в панельку. Но такая схема бессмысленна. Добавим, например, светодиод, и не забудем про токоограничивающий резистор. Подключим его к нулевому выводу порта В.
Схема будет иметь следующий вид:



Включим питание… НОЛЬ!!! А что вы хотели без программы?
Значит…

Пишем программу!



Итак, вы запустили CVAVR, что нужно сделать первым делом? Запускаем мастер Code Wizard AVR, нажав на кнопочку с шестерёнкой в панели инструментов, появится окно мастера:



Здесь выбираем тип МК и тактовую частоту. Далее переходим на вкладку Ports:



И настраиваем, какой бит какого порта у нас будет настроен на ввод или вывод, порт В бит 0 у нас будет выдавать сигнал, а остальные принимать.
Чтобы сохранить настройки выбираем меню File / Generate Save and Exit, вводим имена файлов на все последующие запросы, желательно чтобы они были одинаковые, ну например «prj». Всё, мы сгенерировали исходный текст программы с установками заданными в мастере.



Давайте посмотрим что у нас вышло. Первые 22 строки это комментарий, то есть на действия программы он не имеет никакого влияния, таким образом, всё, что находится между «/*» и «*/» является комментарием, и компилятор всё это дело игнорирует. В 24 сроке у нас подключается заголовочный файл, в нём описано как какие регистры называются и по какому адресу находятся. Для программирования на Си подробности здесь излишни.
С 28 строки у нас начинается основная программа определением функции main(),

Прокрутим ниже. Обратите внимание на строки 36 и 37, здесь присваивается значение порту В и выбирается направление передачи. Вообще наглядно это выглядит так:



То есть, если в какой-нибудь бит регистра DDRB записать единичку, то соответствующий бит порта В будет работать на вывод. В нашем случае это бит 0.
Кстати, у портов в ATmega есть одна приятная особенность, даже если порт настроен на ввод, а в регистр PORTx записать единички, то подключатся внутренние подтягивающие резисторы к плюсу питания, что исключает использование внешних навесных резисторов. Это удобно при подключении всяких датчиков и кнопок.

Скомпилируем программу, для этого нажмём кнопочку Make the Project, или через меню Project / Make. Ошибок быть не должно, если вы что-нибудь не подправили.



Откроем папку C:\cvavr\bin\, найдём там файл prj.hex. Это и есть скомпилированная нами программа для МК. Подключим программатор к ПК и МК. Запустим программу Pony Prog и перетащим в её окно файл prj.hex. Включите питание МК и залейте в него нашу программу… Опять ничего? А проблема в том что мы ничего на нулевой разряд порта В не вывели, вернее вывели, только это ноль. А чтобы наш светодиод загорелся, надо вывести единицу. Так и сделаем, заменим в 36 строке «PORTB=0x00;» на «PORTB=0x01;». Скомпилируем заново программу. А в программе Pony Prog перезагрузим файл при помощи сочетания клавиш Ctrl+L или меню File / Reload Files. Сотрём МК и снова зальём «прошивку» в него. УРА!!! ОНО РАБОТАЕТ!!!

Кстати, Pony Prog поддерживает скрипты, и чтобы не мучаться с перезагрузкой, стиранием и записью, можно просто написать скрипт с расширением .e2s, и обозвать его, например, prog.e2s. Сделать это можно с помощью блокнота. Содержимое у него будет такое:

SELECTDEVICE ATMEGA8
CLEARBUFFER
LOAD-ALL prj.hex
ERASE-ALL
WRITE-ALL

Поместить скрипт следует в одну папку с .hex-файлом, и запускать его двойным щелчком мыши. Можно поместить ярлык на рабочий стол, это уж кому как удобно…