Всё популярнее становится тема электронного конструирования. Предлагаем вашему вниманию статью, которая расскажет, микроконтроллеров для начинающих.

Какие микроконтроллеры существуют?

Прежде всего, необходимо обрисовать ситуацию с микроконтроллерами. Дело в том, что они выпускаются не одной фирмой, а сразу несколькими, поэтому существует довольно много различных микроконтроллеров, которые имеют разные параметры, разные особенности при использовании и различные возможности. Различаются они по скорости быстродействия, дополнительным интерфейсам и количеству выводов. Самыми популярными на всем пространстве бывшего СССР являются представители РІС и AVR. Программирование микроконтроллеров AVR и РІС не составляет труда, что и обеспечило их популярность.

Как микроконтроллеры программируются?

Программирование микроконтроллеров осуществляется, как правило, с помощью специальных приспособлений, которые называются программаторами. Программаторы могут быть или покупными или самодельными. Но при прошивке микроконтроллера с помощью самодельного программатора шанс того, что он превратится в «кирпич», довольно высокий. Есть ещё один вариант, который можно рассмотреть на примере платы «Ардуино». Плата работает на МК фирмы Atmel, и в ней осуществляется программирование микроконтроллеров AVR. В плате уже есть заранее прошитый бутлоадер и порт USB, которые позволяют безопасно прошить используемый микроконтроллер, не давая пользователю доступа к данным, что могут этот самый МК вывести из строя. Программирование микроконтроллеров для начинающих не так сложно, как может показаться, и при определённой сноровке и сообразительности избавит вас от необходимости ехать за новым механизмом.

Аппаратные различия разных микроконтроллеров

При выборе микроконтроллеров следует обратить внимание на некоторые аппаратные различия даже не разных компаний, а и в одном модельном ряду. Для начала следует обратить внимание на возможность перезаписи информации на микроконтроллер. Эта функция позволит вам долго экспериментировать с одним МК. Также обратите внимание на количество выводов с их предназначением. Не обделяйте вниманием и частоту работы кристалла, на котором работает схема: от неё зависит количество операций в секунду, которые может выполнить микроконтроллер. При осмотре этих характеристик, а также памяти МК сначала может показаться, что на микроконтроллерах ничего толкового не сделаешь, но это ошибочное мнение. Помните, что программирование микроконтроллеров для начинающих не требует самой лучшей техники вначале, но про запас вы можете взять и что-то более мощное.

Языки программирования микроконтроллеров

В качестве языков программирования микроконтроллеров используется два: С/С++ и ассемблер. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Так, если говорить про ассемблер, то он даёт возможность сделать всё очень тонко и качественно, особенно важно это, когда не хватает оперативной памяти или оперативных мощностей (что, впрочем, довольно редко происходит). Но его изучение и написание программ на нём требует довольно много усилий, пунктуальности и времени. Поэтому для разработок на основе микроконтроллеров часто используют языки программирования С и С++. Они являются более понятными, по своему виду и структуре они близки человеческой речи, хотя и не представляют из себя её в полноценном понимании. Также они имеют очень хорошо проработанный функционал, который может запросто взаимодействовать с аппаратной частью, представляя, что это всего лишь элемент программы. При всех своих явных преимуществах на С и С++ создают более объемные программы, нежели на ассемблере.

Также в отдельных случаях, когда критичным является используемое оперативное пространство, можно соединить эти языки. Почти все среды разработки для С и С++ имеют возможность установки в программу ассемблерных вставок. Поэтому в случае возникновения проблемы на критическом участке можно написать ассемблерную вставку и интегрировать её в прошивку для микроконтроллера, а саму прошивку, точнее, большую её часть, написать на С или С++. Программирование микроконтроллеров на СИ является более лёгким, поэтому многие выбирают именно эти языки. Но те, кто не боится трудностей и хочет понять особенность работы аппаратуры, могут попробовать свои силы и с ассемблером.

Напутствие

Если появилось желание поэкспериментировать с прекрасно. Можно только посоветовать запастись терпением и настойчивостью, и тогда любые цели, поставленные перед изобретателем, окажутся осуществимыми. Программирование микроконтроллеров для начинающих и для опытных людей выглядит по-разному: что для начинающих сложно, то для опытных - рутина. Главное - помнить, что всё, что не противоречит законам физики, является осуществимым и решаемым.

Программирование микроконтроллеров

Введение

Раздел 2. Среды программирования. Схемы подключения микроконтроллера

Раздел 3. Практическая реализация программы на микроконтроллере

Список использованных источников

Введение

Актуальность темы. Микроконтроллеры используются во всех сферах жизнедеятельности человека, устройствах, которые окружают его. Простота подключения и большие функциональные возможности. С помощью программирования микроконтроллера можно решить многие практические задачи аппаратной техники.

Цель работы . На основе практического примера показать преимущественные характеристики использования микроконтроллеров, необходимости их внедрения в различные устройства.

Можно считать что микроконтроллер (МК) - это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты; высокие производительность, надежность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.

Микроконтроллер помимо центрального процессора (ЦП) содержит память и многочисленные устройства ввода/вывода: аналого-цифровые преобразователи, последовательные и параллельные каналы передачи информации, таймеры реального времени, широтно-импульсные модуляторы (ШИМ), генераторы программируемых импульсов и т.д. Его основное назначение - использование в системах автоматического управления, встроенных в самые различные устройства: кредитные карточки, фотоаппараты, сотовые телефоны, музыкальные центры, телевизоры, видеомагнитофоны и видеокамеры, стиральные машины, микроволновые печи, системы охранной сигнализации, системы зажигания бензиновых двигателей, электроприводы локомотивов, ядерные реакторы и многое, многое другое. Встраиваемые системы управления стали настолько массовым явлением, что фактически сформировалась новая отрасль экономики, получившая название EmbeddedSystems (встраиваемые системы).

Достаточно широкое распространение имеют МК фирмы ATMEL, которые располагают большими функциональными возможностями.

Применение МК можно разделить на два этапа: первый - программирование, когда пользователь разрабатывает программу и прошивает ее непосредственно в кристалл, и второй - согласование спроектированных исполнительных устройств с запрограммируемым МК. Значительно облегчают отладку программы на первом этапе - симулятор, который наглядно моделирует работу микропроцессора. На втором этапе для отладки используется внутрисхемный эмулятор, который является сложным и дорогим устройством, зачастую недоступным рядовому пользователю.

В тоже время в литературе мало уделено внимания вопросам обучения программированию некоторых недорогих МК, в сочетании с реальными исполнительными устройствами.

Разработка макета программатора отличающегося простотой, наглядностью и низкой себестоимостью, становиться необходимой как для самого программирования кристаллов, так и для наглядного обучения широкого круга пользователей основам программирования МК.

Раздел 1. Назначение и область применения, их архитектура

Микроконтроллер - компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства. Эти устройства выполняют свои задачи под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера.

К наиболее распространенным встроенным устройствам относятся устройства памяти и порты ввода/вывода (I/O), интерфейсы связи, таймеры, системные часы. Устройства памяти включают оперативную память (RAM), постоянные запоминающие устройства (ROM), перепрограммируемую ROM (EPROM), электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM). Таймеры включают и часы реального времени, и таймеры прерываний. Средства I/O включают последовательные порты связи, параллельные порты (I/O линии), аналого-цифровые преобразователи (A/D), цифроаналоговые преобразователи (D/A), драйверы жидкокристаллического дисплея (LCD) или драйверы вакуумного флуоресцентного дисплея (VFD). Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.

В отличие от микроконтроллера контроллером обычно называют плату, построенную на основе микроконтроллера, но достаточно часто при использовании понятия "микроконтроллер" применяют сокращенное название этого устройства, отбрасывая приставку "микро" для простоты. Также при упоминании микроконтроллеров можно встретить слова "чип" или "микрочип", "кристалл" (большинство микроконтроллеров изготавливают на едином кристалле кремния), сокращения МК или от английского microcontroller - MC.

микроконтроллер программа микросхема электронный

Микроконтроллеры можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах. и даже кофеварках. Среди производителей микроконтроллеров можно назвать Intel, Motorola, Hitachi, Microchip, Atmel, Philips, Texas Instruments, Infineon Technologies (бывшая Siemens Semiconductor Group) и многих других. Для производства современных микросхем требуются сверхчистые помещения.

Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность данных, обрабатываемых арифметико-логическим устройством (АЛУ). По этому признаку они делятся на 4-, 8-, 16-, 32 - и 64-разрядные. Сегодня наибольшая доля мирового рынка микроконтроллеров принадлежит восьмиразрядным устройствам (около 50 % в стоимостном выражении). За ними следуют 16-разрядные и DSP-микроконтроллеры (DSP - Digital Signal Processor - цифровой сигнальный процессор), ориентированные на использование в системах обработки сигналов (каждая из групп занимает примерно по 20 % рынка). Внутри каждой группы микроконтроллеры делятся на CISC - и RISC-устройства. Наиболее многочисленной группой являются CISC-микроконтроллеры, но в последние годы среди новых чипов наметилась явная тенденция роста доли RISC-архитектуры.

Тактовая частота, или, более точно, скорость шины, определяет, сколько вычислений может быть выполнено за единицу времени. В основном производительность микроконтроллера и потребляемая им мощность увеличиваются с повышением тактовой частоты. Производительность микроконтроллера измеряют в MIPS (Million Instruсtions per Second - миллион инструкций в секунду).

Термин контроллер образовался от английского слова to control - управлять. Эти устройства могут основываться на различных принципах работы от механических или оптических устройств до электронных аналоговых или цифровых устройств. Механические устройства управления обладают низкой надежностью и высокой стоимостью по сравнению с электронными блоками управления, поэтому в дальнейшем мы такие устройства рассматривать не будем. Электронные аналоговые устройства требуют постоянной регулировки в процессе эксплуатации, что увеличивает стоимость их эксплуатации. Поэтому такие устройства к настоящему времени почти не используются. Наиболее распространенными на сегодняшний день схемами управления являются схемы, построенные на основе цифровых микросхем.

В зависимости от стоимости и габаритов устройства, которым требуется управлять, определяются и требования к контроллеру. Если объект управления занимает десятки метров по площади, как, например, автоматические телефонные станции, базовые станции сотовых систем связи или радиорелейные линии связи, то в качестве контроллеров можно использовать универсальные компьютеры. Управление при этом можно осуществлять через встроенные порты компьютера (LPT, COM, USB или Ethernet). В такие компьютеры при включении питания заносится управляющая программа, которая и превращает универсальный компьютер в контроллер.

Использование универсального компьютера в качестве контроллера позволяет в кратчайшие сроки производить разработку новых систем связи, легко их модернизировать (путём простой смены программы) а также использовать готовые массовые (а значит дешёвые) блоки.

Если же к контроллеру предъявляются особенные требования, такие, как работа в условиях тряски, расширенном диапазоне температур, воздействия агрессивных сред, то приходится использовать промышленные варианты универсальных компьютеров. Естественно, что эти компьютеры значительно дороже обычных универсальных компьютеров, но всё равно они позволяют экономить время разработки системы, за счёт того, что не нужно вести разработку аппаратуры контроллера.

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!

Микросхемы разного назначения применяются в составе электроники современной техники. Огромное многообразие такого рода компонентов дополняют микросхемы памяти. Этот вид радиодеталей (среди электронщиков и в народе) зачастую называют просто – чипы. Основное назначение чипов памяти – хранение определённой информации с возможностью внесения (записи), изменения (перезаписи) или полного удаления (стирания) программными средствами. Всеобщий интерес к чипам памяти понятен. Мастерам, знающим как программировать микросхемы памяти, открываются широкие просторы в области ремонта и настройки современных электронных устройств.

Микросхема памяти — это электронный компонент, внутренняя структура которого способна сохранять (запоминать) внесённые программы, какие-либо данные или одновременно то и другое.

По сути, загруженные в чип сведения представляют собой серию команд, состоящих из набора вычислительных единиц микропроцессора.

Следует отметить: чипы памяти всегда являются неотъемлемым дополнением микропроцессоров – управляющих микросхем. В свою очередь микропроцессор является основой электроники любой современной техники.

Набор электронных компонентов на плате современного электронного устройства. Где-то среди этой массы радиодеталей приютился компонент, способный запоминать информацию

Таким образом, микропроцессор управляет , а чип памяти хранит сведения, необходимые микропроцессору.

Программы или данные хранятся в чипе памяти как ряд чисел — нулей и единиц (биты). Один бит может быть представлен логическими нулем (0) либо единицей (1).

В единичном виде обработка битов видится сложной. Поэтому биты объединяются в группы. Шестнадцать бит составляют группу «слов», восемь бит составляют байт — «часть слова», четыре бита — «кусочек слова».

Программным термином для чипов, что используется чаще других, является байт. Это набор из восьми бит, который может принимать от 2 до 8 числовых вариаций, что в общей сложности даёт 256 различных значений.

Для представления байта используется шестнадцатеричная система счисления, где предусматривается использование 16 значений из двух групп:

Цифровых (от 0 до 9).
Символьных (от А до F).

Поэтому в комбинациях двух знаков шестнадцатеричной системы также укладываются 256 значений (от 00h до FFh). Конечный символ «h» указывает на принадлежность к шестнадцатеричным числам.

Организация микросхем (чипов) памяти

Для 8-битных чипов памяти (наиболее распространенный тип) биты объединяются в байты (8 бит) и сохраняются под определённым «адресом».

По назначенному адресу открывается доступ к байтам. Вывод восьми битов адреса доступа осуществляется через восемь портов данных.

Организация структуры запоминающего устройства. На первый взгляд сложный и непонятный алгоритм. Но при желании разобраться, понимание приходит быстро

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.