Artykuł ten jest pierwszą częścią internetowego kursu pisania programów w języku C dla popularnych 8-bitowych mikrokontrolerów AVR(AT90, ATmega, ATtiny) firmy ATMEL z wykorzystaniem darmowego kompilatora AVR-GCC(WinAVR).
01.10.2008 Autor:abxyz
Nikogo nie trzeba przekonywać jak bardzo użyteczny może być mikroprocesor przy konstruowaniu wszelkich sprzętów i urządzeń, a w szczególności przy budowie robocików takich, jakie prezentowane są na naszym forum www.forbot.pl. Najwygodniejsze do wykorzystania są mikrokontrolery, nazywane też mikrokomputerami jednoukładowymi, gdyż w jednym takim układnie scalonym umieszcza się: mikroprocesor, pamięć, porty wejścia/wyjścia oraz całą resztę potrzebną do działania procesora. Największym udogodnieniem jest wbudowana w strukturę mikrokontrolera pamięć flash, przeznaczona na programy, którą można łatwo zaprogramować "w systemie" bez potrzeby używania drogich programatorów. Obecnie, zwłaszcza wśród hobbystów, najpopularniejsze są 8-bitowe mikrokontrolery AVR firmy ATMEL. Pozostaje tylko jedna trudność, tworzenie programów, nawet najlepszy komputer bez oprogramowania jest bezużyteczny. Do tego wymagana jest znajomość języków programowania oraz architektury mikrokontrolera. W Internecie można znaleźć wiele materiałów na temat programowania AVR-ów, ale kompletnego kursu programowania w języku C dla początkujących ja nie znalazłem, więc sam zabrałem się do pisanie takiego tekstu. Co do poziomu wiedzy w tekście, to proszę nie oczekiwać zbyt wiele, jestem jedynie amatorem, hobbystą budującym małe roboty-zabawki, i ten kurs programowania także kierowany jest przede wszystkim do hobbystów, entuzjastów robotyki.
Kurs. Co i jak ?
Do zrozumienia treści kursu będzie potrzebne niewielkie doświadczenie w dziedzinie elektroniki, dodatkowo znajomość któregoś z języków programowania (na przykład Pascala z lekcji informatyki w szkole) znakomicie ułatwi zrozumienie tematu. Będzie to kurs "praktyczny", przygotuję wiele działających, gotowych do wykorzystania przykładów. Zaczniemy od zupełnych podstaw, będziemy poznawać język C oraz wewnętrzne zasoby mikrokontrolerów AVR. Zahaczymy też o asembler, gdyż czasem poręczniej jest napisać fragment programu w asemblerze; dodatkowo pomoże to zrozumieć jak działa mikroprocesor.
Będziemy wykorzystywać kompilator języka C (AVR-GCC) i programy narzędziowe z pakietu WinAVR (oprogramowanie całkowicie darmowe). Przykładowe programy będą pisane z przeznaczeniem głównie dla układów ATmega (ATmega8 i ATmega16).
Do testowania przykładów z kursu polecam płytkę stykową, ja będę uruchamiał przykładowe programy na takiej małej, jak na zdjęciu poniżej. Płytki stykowe to wspaniały wynalazek, niestety nie są tanie, dlatego wybrałem małe płytki, w razie potrzeby można łączyć ze sobą dwie i więcej takich płytek.
Przewody do połączeń na płytce stykowej można wykonać rozcinając kawałek skrętki komputerowej.
Jednak przy bardziej rozbudowanych projektach lepiej lutować części elektroniczne na płytce uniwersalnej. Ja będę używał takiej, jaką widać zdjęciu poniżej.
Zdecydowanie nie warto na potrzeby tego kursu wykonywać płytkę pcb, czy kupować zestaw (płytkę startową) z mikrokontrolerem AVR. Natomiast warto kupić gotowy programator AVR ISP, napiszę o tym dalej.
Warto też postarać się o jakoś książkę z kompletnym, szczegółowym opisem języka C. Ja polecam książkę: "Język ANSI C" autorzy: Brian W. Kernighan, Dennis M. Ritchie.
Głównym źródłem informacji o układach AVR jest oczywiście strona producenta
http://www.atmel.com/products/AVR/
a na temat kompilatora avr-gcc, strona biblioteki "avr-libc"
http://www.nongnu.org/avr-libc/
Pamięć dla programu i danych
Zacznę od tematu pamięci wewnętrznej (pamięci wbudowanej w strukturę układów AVR). Za każdym razem, gdy uruchamia się jakąś aplikacje na komputerze PC, to programy przed uruchomieniem ładowane są z twardego dysku do pamięci operacyjnej RAM komputera. W przypadku mikrokontrolerów AVR kod programu umieszczany jest na stałe w wewnętrznej pamięci FLASH. Pamięć FLASH jest pamięcią nieulotną, jej zawartość nie zanika w chwili odłączenia zasilania, jak to jest w przypadku pamięci RAM, lecz pozostaje niezmieniona do momentu ponownego zaprogramowania. Programować FLASH mikrokontrolerów AVR, to znaczy skasować aktualną zawartość pamięci i zapisać nową, można około 10000 razy, tyle powinien układ przetrwać, potem pozostaje wymienić układ na nowy. W pamięci FLASH mikrokontrolera oprócz kodu programu umieszcza się także wartości stałe w programie, a zwłaszcza duże tablice stałych oraz teksty - ciągi znaków, na przykład komunikaty wysyłane do wyświetlacza alfanumerycznego. Dalej w tekście zamiast przydługiego słowa "mikrokontroler" będę używał skrótu "uC".
Oczywiście zmienne w programie tworzone są w pamięci RAM, mikrokontrolery AVR posiadają także wbudowaną pamięć SRAM (ang. static RAM). Dodatkowo uC AVR wyposażone są w pamięć EEPROM, program może zapisywać do tej pamięci dane, które powinny przetrwać wyłączenie urządzenia (ustawienia). Do pamięci EEPROM uC AVR dane zapisywać można około 100000 razy, tyle według dokumentacji powinien układ przetrwać. Poniżej w tabeli wypisałem ile pamięci FLASH, SRAM i EEPROM posiadają uC AVR, których będziemy używać. Nie są to gigabajty, warto o tym pamiętać pisząc programy i oszczędnie wykorzystywać pamięć AVR-ka.
Programator AVR ISP
A w jaki sposób załadujemy nasz program do pamięci FLASH AVR-ra i dane do pamięci EEPROM? Jest kilka możliwości, najłatwiej jest zaprogramować pamięć AVR-ka poprzez interfejs SPI. Do tego celu potrzebny jest specjalny adapter (nazywany programatorem AVR ISP). Z Jednej strony programator AVR ISP przyłącza się do komputera PC poprzez któryś z portów: USB, LPT, RS, a z drugiej strony programator łączy się z uC AVR na płytce kablem zakończonym odpowiednim złączem. Właśnie skrót ISP (ang.In System Programming) oznacza programowanie w układzie, czyli możliwość programowania uC bez konieczności wyjmowania go z urządzenia w którym pracuje.
Programator AVR ISP można wykonać samemu według schematu z Internetu lub kupić gotowy. Na fotografiach poniżej widać dwa "kupne" programatory AVR ISP; pierwszy przyłączany do portu równoległego (LPT) komputera PC, drugi do portu USB.
Na allegro.pl jest zawsze duży wybór niedrogich i profesjonalnie wykonanych programatorów AVR ISP. Programator przyłączany do portu LPT kosztuje ok. 12zł, a przyłączany do portu USB ok. 30zł, więc praktycznie nie opłaca się programatora robić samemu.
Jakby ktoś szukał schematu, to poniżej jest link do programatora przyłączanego poprzez portu LPT. Jest to "klon" programatora z zestawu uruchomieniowego STK200 produkowanego przez firmę ATMEL. Jak widać schemat jest bardzo prosty, z pewnością można znaleźć w internecie gotowy wzór płytki pcb.
http://www.lancos.com/e2p/betterSTK200.gif
Z kolei poniżej wkleiłem adres strony z projektem prostego do wykonania programatora przyłączanego
do komputera poprzez port USB. Prosty do wykonania, ale nie zupełnie, gdyż sam programator jest zbudowany w oparciu o mikrokontroler atmega8, więc żeby zaprogramować uC potrzebny jest inny programator.
http://www.fischl.de/usbasp/
A to jest strona podobnego projektu prostego do wykonania programatora pod USB.
http://www.ladyada.net/make/usbtinyisp/index.html
Ja zbudowałem programatory według obu tych schematów, betterSTK200 i Usbasp, i oba programatory dobrze mi służą.
Programatory AVR ISP komunikują się z uC AVR szeregowo, poprzez interfejs SPI(ang. Serial Peripheral Interface Bus), używane są wyprowadzenia uC AVR:
- MOSI (Master Output, Slave Input) - wejście,
- MISO (Master Input, Slave Output) - wyjście,
- SCK (Serial Clock),
- /RESET - podczas programowania ustawiane jest w stan niski.
Kabel łączący programator z programowanym układem składa się z linii: MOSI, MISO, SCK, RESET, GND oraz z linii zasilania - jeśli programator zasilany jest z przyłączonego układu. Programatory bywają zasilane z układu docelowego lub z portu komputera.
Większość dostępnych na rynku programatorów AVR ISP posiada 10 pinowe złącze z wyprowadzeniami ułożonymi tak, jak w programatorze z zestawu stk200. Sprzedawcy piszą wtedy w opisie programatora: "złącze z wyprowadzeniami zgodnymi ze standardem stk200" albo "złącze programatora jest zgodne ze standardem KANDA".
Do zakupionego programatora AVR ISP powinna być dołączona instrukcja obsługi, oczywiście przed użyciem programatora całą instrukcję należy dokładnie przeczytać. Instrukcja powinna zawierać szczegółowy opis jak podłączyć programator do układu docelowego oraz jak skonfigurować oprogramowanie służące do obsługi programatora. Zazwyczaj "kupny" programator ma starannie opisane(na obudowie) rozłożenie sygnałów w złączu, jest to bardzo pomocne, gdyż niewłaściwe podłączenie programatora może skutkować uszkodzeniem programatora, programowanego układu, a nawet komputera.
Kompilator
A czym jest "kompilator" i do czego służy? Mikroprocesor rozumie jedynie programy zapisane w języku maszynowym (kod maszynowy) specyficznym dla każdego typu mikroprocesora i zupełnie nieczytelnym dla człowieka - ciąg zer i jedynek. Natomiast kody źródłowe programów, czyli teksty programów zapisanych w językach programowania (np. C/C++, PASCAL ), w których roi się od słów z języka angielskiego (do, for, while, return itp.), dla procesora nic nie znaczą. Właśnie kompilator jest programem tłumaczącym kody źródłowe na język maszynowy zrozumiały dla mikroprocesora. W kursie będziemy wykorzystywać darmowy kompilator AVR-GCC z pakietu WinAVR. AVR-GCC jest wersją znanego kompilatora GCC (GNU Compiler Collection), która tworzy kod wykonywalny dla mikrokontrolerów AVR.
Część praktyczna
W części praktycznej zainstalujemy pakiet WinAVR i skompilujemy nasz przykładowy program. Następnie zestawimy (ja będę montować części na płytce stykowej) prosty układ z uC AVR, podłączymy do uC programator ISP i na koniec załadujemy skompilowany program do pamięci FLASH uC AVR.
Najnowszą wersje pakietu WinAVR można pobrać klikając w link WinAVR-download. WinAVR instaluje się w systemie podobnie jak większość oprogramowania dla Windows, kilka kliknięć i po chwili wszystkie programy znajdą się na twardym dysku, gotowe do pracy. Kiedy program instalujący zapyta o nazwę katalogu, gdzie mają być zainstalowane pliki, najlepiej wpisać "C:\WinAVR" (bez numeru wersji), dzięki temu, łatwo będzie odnaleźć kompilator na dysku. Na koniec instalacji uruchamiamy jeszcze skrypt "C:\WinAVR\bin\install_giveio.bat". Dodatkowych informacji, jakby się pojawiły jakieś problemy, można szukać przeglądając plik: "C:\WinAVR\WinAVR-user-manual".
Zazwyczaj w kursach programowania zaczyna się od programu wypisującego tekst "Hello, World". My na początku nie będziemy używać żadnego wyświetlacza, pierwszy program przywita się migając na przemian dwiema diodami LED, a gdy zostanie wciśnięty przycisk, diody powinne zacząć migać wyraźnie szybciej.
/* "led.c" - programik do testowania środowiska WinAVR */ /* układ ATmega 1MHz */ /* PB0,PB1 - diody LED; PD0 - przycisk */ #define F_CPU 1000000L #include <avr/io.h> #include <util/delay.h> int main(void) { DDRB |= _BV(0)|_BV(1); PORTB |= _BV(0); PORTB &= ~_BV(1); DDRD &= ~_BV(0); PORTD |= _BV(0); while (1) { PORTB ^=_BV(0); PORTB ^=_BV(1); _delay_ms((PIND & _BV(0))? 1000: 200); } }
W tej chwili jeszcze nie będę omawiać szczegółów tego kodu, to będzie w następnej części kursu, teraz opiszę w jaki sposób wykorzystując WinAvr, można szybko skompilować przykładowy program w C i zaprogramować pamięć mikrokontrolera AVR, ponieważ początkujący mogą mieć z tym problemy.
Proponuje gdzieś na dysku komputera utworzyć katalog o nazwie "kurs_avrgcc", niech tam będą trzymane przykłady do kursu. U mnie na dysku każdy projekt (program) będzie posiadał własny katalog. Katalogom projektów będę nadawał numery jako nazwy. Dwie pierwsze od lewej cyfry w nazwie katalogu będą oznaczać numer części kursu, trzecia ostatnia cyfra będzie oznaczać numer projektu w dane części kursu, Na przykład nazwa katalogu "011" oznacza pierwszy projekt w pierwszej części kursu. Jak się uzbiera więcej przykładowych programów, to utworzymy specjalną podstronę z opisem do każdego przykładu, gdzie będzie można szybko coś znaleźć.
Wpierw stworzymy plik Makefile z regułami dla programu make. Program make automatyzuje proces kompilacji programów. Do tego celu posłużymy się programem MFile z pakietu WinAVR. MFile jest wygodnym kreatorem-edytorem plików "Makefile", z jego pomocą szybko i łatwo utworzymy odpowiedni plik Makefile.
Więć uruchamiamy program MFile.
>> Programy >> WinAVR >> MFile
W menu programu MFile wybieramy opcję:
Makefile->Main file name
i w okienku, które się pojawi wpisujemy nazwę pliku przykładowego programu: "led", nazwę pliku wpisujemy bez rozszerzenia ".c";
następnie wybieramy typ układu (ja użyje ATmega8):
Makefile->MCU type->ATmega->atmega8;
typ używanego programatora
Makefile->Programmer->stk200;
oraz numer portu w komputerze z przyłączonym programatorem:
Makefile->Port->lpt1
Jeśli chcemy ręcznie edytować plik Makefile, wybieramy z menu opcję:
Makefile->Enable Editing of Makefile
W przypadku programatora USBasp, trzeba w pliku Makefile ręcznie wpisać typ programatora, MFile nie zna programatora USBasp. W poniższej linijce wpisujemy typ programatora "usbasp"
AVRDUDE_PROGRAMMER=usbasp
Następnie zapisujemy plik Makefile w katalogu naszego projektu "kurs_avrgcc\011"
File->Save As
i zamykamy program MFile.
Dalej uruchamiamy dostarczony wraz z WinAVR edytor tekstu "Programmers Notepad":
>> Programy >> WinAVR >> Programmers Notepad
a w nim tworzymy nowy plik z rozszerzeniem .C
File->New->C/C++
Wklejamy do niego nasz program i zapisujemy plik z nazwą "led.c" w katalogu "kurs_avrgcc\011", gdzie zapisaliśmy stworzony wcześniej plik Makefile.
File->Save as
Dalej uruchamiamy kompilacje programu wybierając z menu edytora opcję
Tools->Make All
Program make wywołując kompilator avr-gcc oraz inne programy narzędziowe, skompiluje plik źródłowy programu "led.c" i utowrzy w katalogu projektu plik wynikowy "led.hex", który można już wysłać do programu obsługującego programator.
Kliknij w obrazek, żeby powiększyć.Jeśli kompilacja zakończyła się sukcesem w okienku Output edytora powinien pojawić się komunikat "Process Exit Code: 0".
W kolejnym kroku proponuje zestawić układ taki, jak na schemacie poniżej. Na schemacie widać układ atmega8, atmega8 wymaga stabilnego napięcia zasilania (od 4,5V do 5,5V), więc na schemacie jest też pięciowoltowy stabilizator napięcia 7805. Podłączając AVR-ra do zasilania należy dodatkowo przyłączyć wyprowadzenie AVCC (zasilanie przetwornika ADC) linii zasilania oraz AGND do masy, nawet jeśli się nie wykorzystuje ADC. Na liniach zasilania, blisko wyprowadzeń uC znajdują się kondensatory blokujące 100nF. Wyprowadzenie RESET uC należy podłączyć do napięcia zasilania poprzez rezystor 4,7..10k. Nowe układy atmega8 skonfigurowane są do pracy z wewnętrznym oscylatorem o częstotliwości 1MHz (na razie nie będziemy tego zmieniać) i w tym przypadku nie potrzeba stosowania zewnętrznego kwarcu. Umieściłem na schemacie także dwie diody LED i przycisk. Dwie diody LED będą pełnić w naszym komputerku rolę monitora, a przycisk rolę klawiatury - taki komputer przyszłości 
Kliknij w obrazek, żeby powiększyć.Ja zmontowałem wszytko na płytce stykowej.
Kliknij w obrazek, żeby powiększyć.A do zasilana całości ja użyje zwkłego, niestabilizowanego zasilacza 9VDC (600mA).
Dalej łączymy przewodem programator z uC AVR na płytce. Podłączając programator należy kierować się przede wszystkim informacjami i wskazówkami z instrukcji obsługi programatora, bo to jest właśnie moment, kiedy można łatwo coś popsuć. Jeśli składamy układ na płytce stykowej, dobrze jest dla wygody, zrobić i starannie opisać przejściówkę taką, jaką widać na fotografii poniżej.
Pisałem już, że programatory AVR ISP mogą być zasilane z układu docelowego lub z portu komputera. Przy testowaniu przykładowych programów ja będę używał wspomnianych wcześniej dwóch programatorów: STK200 i USBasp. STK200 pobiera zasilanie z układu docelowego, więc na schemacie do pinu 2 złącza programatora przyłączyłem napięcie zasilania +5V. Z kolei programator "Usbasp" można skonfigurować za pomocą zworek, czy ma pobierać zasilanie z portu komputera, czy z przyłączonego układu. W naszym przypadku, gdy uC AVR taktowany jest z częstotliwością 1MHz, jeśli zamierzamy użyć programatora USBasp, to musimy w nim połączyć zworkę zmniejszającą prędkość programowania (patrz instrukcja lub opis programatora).
I w końcu, żeby zaprogramować pamięć FLASH uC, wracamy do edytora "Programmers Notepad" i w menu wybieramy opcję
Tools->Program
W tym momencie program make uruchomi program "avrdude"(program obsługujący programator), ten odczyta plik "led.hex" i zaprogramuje pamięć Flash układu atmega8. Jeśli po kompilacji zawartość pliku źródłowego "led.c" zostałaby zmieniona i plik "led.hex" byłby starszy od pliku "led.c", to wtedy make przed zaprogramowaniem pamięci ponownie przeprowadzi całą kompilację.
Jeśli programowanie pamięci AVR-ra zakończyło się pomyślnie, to w okienku Output edytora powinien pojawić się znajomy komunikat: "Process Exit Code: 0"
Animacja poniżej demonstruje jak powinien działać nasz przykładowy program.
Oczywiście kompilacje programu jak i programowanie pamięci Flash uC możemy przeprowadzać także z konsoli (wiersz polecenia), bez potrzeby uruchamiania edytora tekstu. Otwieramy okienko wiersza polecenia, przechodzimy do katalogu projektu i uruchamiamy program make z parametrem "all" lub "program". W katalogu oprócz pliku źródłowego programu musi znajdować się odpowiedni plik Makefile, bez niego program make nie będzie wiedział co powinien robić.
I to już koniec pierwszej części kursu.
W następnej części...
W następnej części kursu zaczniemy już pisać proste programy w języku C, wyjaśnię też sposób programowania równoległych portów we/wy mikrokontrolerów AVR. Na zadanie domowe proponuję poczytać w Internecie na temat zapisu liczb w systemach dwójkowym i szesnastkowym oraz o funkcjach logicznych(AND OR NOT XOR).
Przydatne uwagi (wybrane z forum )
Miałem podobny kłopot ale z programatorem USBasp. Po aktualizacji WinAVR do wersji 20080610 avrdude nie chciał współpracować z programatorem USBasp. Na forum pod adresem: http://www.ulrichradig.de...hp?p=3792#p3792 znalazłem poprawiony sterownik dla programatora usbasp, zamiana sterownika na poprawiony rozwiązała problem.
Pliki do pobrania:
Kod źródłowy przykładowego programu
Nota katalogowa Attiny2313
Nota katalogowa Atmega8
Nota katalogowa Atmega16
Nota katalogowa Atmega32
AVR Hardware Design Considerations
WinAVR-20080610 (22MB)
AVRdude 5.0
USBasp-driver-0.1.12.1.zip
Przydatne linki:
Pytania? Komentarze? Zobacz forum!
Używając programatora AvrProg firmy and-tech, po wydaniu polecenia
Tools -> Program
pomimo tego, że układ był podłączony poprawnie wyświetlany był błąd o treści
can't open device "com2": Nie można odnaleźć określonego pliku.
Aby naprawić ten problem należy pobrać avrdude, który dołączony jest do tej części kursu. Pobrane archiwum należy wypakować w C:\WinAVR\bin nadpisując wszystkie pliki.