Atmega – более продвинутые микроконтроллеры, имеют большее количество памяти, выводов и различных функциональных узлов;

Самым мощным подсемейством микроконтроллеров является xMega – эти микроконтроллеры выпускаются в корпусах с огромным количеством пинов, от 44 до 100. Столько необходимо для проектов с большим количеством датчиков и исполнительных механизмов. Кроме того, увеличенный объем памяти и скорость работы позволяют получить высокое быстродействие.

Для чего нужны и на что способны микроконтроллеры?

Микроконтроллеры применяются почти везде! Практически каждое устройство в 21 веке работает на микроконтроллере: измерительные приборы, инструменты, бытовая техника, часы, игрушки, музыкальные шкатулки и открытки, а также многое другое; одно лишь перечисление займет несколько страниц текста.

Разработчик может использовать аналоговый сигнал подовая его на вход микроконтроллера и манипулировать с данными о его значении. Эту работу выполняет аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Данная функция позволяет общаться пользователю с микроконтроллером, а также воспринимать различные параметры окружающего мира с помощью датчиков.

В распространенных AVR-микроконтроллерах, например, Atmega328, который на 2017 году является сердцем многих плат Arduino, но о них позже. Используется 8 канальный АЦП, с разрядностью 10 бит. Это значит вы сможете считать значение с 8 аналоговых датчиков. А к цифровым выводам подключаются цифровые датчики, что может быть очевидным. Однако цифровой сигнал может являться только 1 (единицей) или 0 (нулем), в то время как аналоговый может принимать бесконечное множество значений.

Пояснение:

Разрядность – это величина, которая характеризует качество, точность и чувствительность аналогового входа. Звучит не совсем понятно. Немного практики: 10 битный АЦП, записать аналоговую информацию с порта в 10 битах памяти, иначе говоря плавно изменяющийся цифровой сигнал микроконтроллером распознается как числовое значение от 0 до 1024.

12 битный АЦП видит тот же сигнал, но с более высокой точностью – в виде от 0 до 4096, а это значит, что измеренные значения входного сигнала будут в 4 раза точнее. Чтобы понять откуда взялись 1024 и 4096, просто возведите 2 в степени равную разрядности АЦП (2 в степени 10, для 10 разрядного и т.д.)

Чтобы управлять мощностью нагрузки к вашему распоряжению есть ШИМ-каналы, их можно задействовать, например, для регулировки яркости, температуры, или оборотов двигателя. В том же 328 контроллере их 6.

В общем структура AVR микроконтроллера изображена на схеме:

Все узлы подписаны, но всё же некоторые названия могут быть не столь очевидными. Давайте рассмотрим их обозначения.

АЛУ – арифметико-логическое устройство. Нужно для выполнения вычислении.

Регистры общего назначения (РОН) – регистры которые могут принимать данные и хранить их в то время пока микроконтроллер подключен к питанию, после перезагрузки стираются. Служат как временные ячейки для операций с данными.

Прерывания – что-то вроде события которое возникает по внутренним или внешним воздействиям на микроконтроллер – переполнение таймера, внешнее прерывание с пина МК и т.д.

JTAG – интерфейс для внутрисхемного программирования без снятия микроконтроллера с платы.

Flash, ОЗУ, EEPROM – виды памяти – программ, временных рабочих данных, долгосрочного хранения независимая от подачи питания к микроконтроллеру соответственно порядку в названиях.

Таймеры и счетчики – важнейшие узлы в микроконтроллере, в некоторых моделях их количество может быть до десятка. Нужны для того, чтобы отчитывать количество тактов, соответственно временные отрезки, а счетчики увеличивают свое значение по какому-либо из событий. Их работа и её режим зависят от программы, однако выполняются эти действия аппаратно, т.е. параллельно основному тексту программы, могут вызвать прерывание (по переполнению таймера, как вариант) на любом этапе выполнения кода, на любой его строке.

A/D (Analog/Digital) – АЦП, его назначение мы уже описали ранее.

WatchDogTime (Сторожевой таймер) – независимый от микроконтроллера и даже его тактового генератора RC-генератор, который отсчитывает определенный промежуток времени и формирует сигнал сброса МК, если тот работал, и пробуждения – если тот был в режиме сна (энергосбережния). Его работу можно запретить, установив бит WDTE в 0.

Выходы микроконтроллера довольно слабые, имеется в виду то, что ток через них обычно до 20-40 миллиампер, чего хватит для розжига светодиода и LED-индикаторов. Для более мощной нагрузки – необходимы усилители тока или напряжения, например, те же транзисторы.

Научитесь разрабатывать устройства на базе микроконтроллеров и станьте инженером умных устройств с нуля: Инженер умных устройств

Что нужно чтобы начать изучение микроконтроллеров?

Для начала нужно приобрести сам микроконтроллер. В роли первого микроконтроллера может быть любой Attiny2313, Attiny85, Atmega328 и другие. Лучше выбирать ту модель, которая описана в уроках, по которым вы будете заниматься.

Следующее что Вам нужно – программатор. Он нужен для загрузки прошивки в память МК, самым дешевым и популярным считается USBASP.

Немногим дороже, но не менее распространенный программатор AVRISP MKII, который можно сделать своими руками – из обычной платы Arduino

Другой вариант – прошивать их через USB-UART переходник, который обычно делается на одном из преобразователей: FT232RL, CH340, PL2303 и CP2102.

В некоторых случаях для такого преобразователя используют микроконтроллеры AVR с аппаратной поддержкой USB, таких моделей не слишком много. Вот некоторые:

Одно лишь «но» – в память микроконтроллера предварительно нужно загрузить UART бутлоадер. Разумеется, для этого все равно нужен программатор для AVR-микроконтроллеров.

Интересно: Bootloader – это обычная программа для микроконтроллера, только с необычной задачей – после его запуска (подключения к питания) он ожидает какое-то время, что в него могут загрузить прошивку. Преимуществом такого метода – можно прошить любым USB-UART переходником, а они очень дешевы. Недостаток – долго загружается прошивка.

Для работы UART (RS-232) интерфейса в микроконтроллерах AVR выделен целый регистр UDR (UART data register). UCSRA (настройки битов приемопередатчика RX, TX), UCSRB и UCSRС – набор регистров отвечающие за настройки интерфейса в целом.

В чем можно писать программы?

Кроме программатора для написания и загрузки программы нужно IDE – среда для разработки. Можно конечно же писать код в блокноте, пропускать через компиляторы и т.д. Зачем это нужно, когда есть отличные готовые варианты. Пожалуй, один из наиболее сильных – это IAR, однако он платный.

Официальным IDE от Atmel является AVR Studio, которая на 6 версии была переименована в Atmel studio. Она поддерживает все микроконтроллеры AVR (8, 32, xMega), автоматически определяет команды и помогает ввести, подсвечивает правильный синтаксис и многое другое. С её же помощью можно прошивать МК.

Смотрите также подробные обучающие видеокурсы по программированию микроконтроллеров для начинающих Максима Селиванова: Программирование и создание устройств на микроконтроллерах AVR.

Самый простой способ изучить AVR

Купите или сделайте своими руками плату Arduino. Проект ардуино разработан специально для учебных целей. Он насчитывает десятки плат различных формами и количеством контактов. Самое главное в ардуино – это то что вы покупаете не просто микроконтроллера, а полноценную отладочную плату, распаянную на качественной текстолитовой печатной плате, покрытой маской и смонтированными SMD компонентами.

Самые распространенные – это Arduino Nano и Arduino UNO, они по сути своей идентичны, разве что «Нано» меньше примерно в 3 раза чем «Уно».

Несколько фактов:

Ардуино может программироваться стандартным языком – «C AVR»;

своим собственным – wiring;

стандартная среда для разработки – Arduino IDE;

для соединения с компьютером достаточно лишь подключить USB шнур к гнезду micro-USB на плате ардуино нано, установить драйвера (скорее всего это произойдет автоматически, кроме случаев, когда преобразователь на CH340, у меня на Win 8.1 драйвера не стали, пришлось скачивать, но это не заняло много времени.) после чего можно заливать ваши «скетчи»;

«Скетчи» – это название программ для ардуино.

Выводы

Микроконтроллеры станут отличным подспорьем в вашей радиолюбительской практике, что позволит вам открыть для себя мир цифровой электроники, конструировать свои измерительные приборы и средства бытовой автоматики.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Источник

Низкоуровневое программирование микроконтроллеров tinyAVR 0-series

Вы — 8-битный или 32-битный программист? Мы, в компании OMZLO, сосредоточили основные усилия на новых 32-битных ARM Cortex-чипах (STM32 и SAMD), которые, в сравнении с более старыми 8-битными микроконтроллерами (Micro Controller Unit, MCU) обычно предлагают больше RAM, более высокую производительность, поддержку большего количества периферийных устройств. И всё это — за ту же, или за более низкую цену. Но 8-битные MCU ещё не утратили своей актуальности. В частности, компания Microchip выпустила новую серию чипов, «tinyAVR 0-series», которые, в сравнении с AVR-чипами, выпущенными ранее, дают возможность работать с более современной периферией. Новые чипы, при этом, отличаются весьма привлекательной ценой. Возникает такое ощущение, что эти чипы отлично подойдут для разработки простых устройств, которым не нужны те возможности, что предлагают более новые 32-битные MCU. 8-битные микроконтроллеры, кроме того, значительно легче программировать, что приводит к увеличению скорости разработки программной части устройств, создаваемых на их основе.

Благодаря успеху Arduino UNO в интернете можно найти множество руководств, разъясняющих особенности программирования 8-битных микроконтроллеров ATmega328 и их собратьев вроде ATtiny85. Речь идёт о прямом доступе к регистрам без использования языка программирования, используемого для Arduino, и без применения IDE, созданных производителями чипов, вроде Atmel Studio. Чтобы в этом убедиться — просто поищите в Google по словам «atmega328 blinky». Для программирования микроконтроллеров вам понадобится лишь C-компилятор для AVR, текстовой редактор, avrdude и AVR-программатор. На некоторых ресурсах даже можно найти руководства, посвящённые тому, как, пользуясь универсальными макетными платами, «завести» ATmega328. Правда, если говорить о более новых чипах tinyAVR 0-series, по ним найти информацию такого рода непросто.

Конечно, Microchip предлагает все необходимые инструменты для программирования новых tinyAVR, представленные в виде IDE, рассчитанной исключительно на Windows. Для некоторых из новых чипов существуют «ядра Arduino». Благодаря этому такие чипы можно программировать с использованием IDE Arduino. Но, опять же, если некто предпочитает писать код для микроконтроллеров в «низкоуровневом» стиле, используя свой любимый текстовой редактор, Makefile и компилятор C, то он сможет найти очень мало информации о таком подходе к работе с tinyAVR.

В этом материале мы расскажем о том, как, с нуля, применяя простейшие инструменты, создать прошивку blinky для ATtiny406. Большинство того, о чём пойдёт речь, справедливо и для других MCU tinyAVR. Это руководство рассчитано на тех, кто пользуется macOS и Linux, но нашими советами, с небольшими изменениями, смогут воспользоваться и те, кто работает в среде Windows.

Аппаратная часть проекта

▍Исследование ATtiny406

Мы решили поэкспериментировать с ATtiny406, рассчитывая на то, что в будущем этот микроконтроллер придёт на смену ATtiny45, который в настоящее время используется в PiWatcher — в нашей разработке, которая позволяет, при возникновении такой необходимости, полностью выключить или перезагрузить Raspberry Pi. У ATtiny406 имеется 4 Кб флеш-памяти, 256 байт RAM, микрочип может работать на частоте 20 МГц без внешнего источника тактовых сигналов.

Одним из главных различий между новыми MCU tinyAVR и более старыми, широко известными чипами, вроде ATtiny85, является то, что более новые чипы используют протокол программирования UPDI. Для его работы нужно всего 3 пина, а для работы протокола ISP, используемого старыми чипами, нужно 6 пинов.

После непродолжительного изучения вопроса мы узнали, что программировать tinyAVR по UPDI можно, воспользовавшись простым USB-to-Serial-кабелем и резистором. Мы выяснили это благодаря Python-инструменту pyupdi, который предложил следующую схему подключения для загрузки прошивки на микроконтроллер.

Схема подключения микроконтроллера

▍Проектирование платы для ATtiny406

Мы создали минималистичную коммутационную плату для ATtiny406. На эту плату можно подать питание в 5В от USB. Кроме того, можно подать на неё более низкое напряжение в 3,3В, воспользовавшись для этого выделенными VCC/GND-пинами. На плате нашлось место для кнопки и светодиода. Для проведения экспериментов мы решили встроить в плату резистор на 4,7 кОм, необходимый для использования протокола UPDI (это — резистор R2). В результате у нас получилась следующая схема платы.

▍Готовая плата

Готовая коммутационная плата оказалась весьма компактной, она хорошо стала на маленькую макетную плату. Схемы платы можно найти здесь.

Коммутационная плата, установленная на макетную плату

Для программирования ATtiny406 к плате, с использованием имеющихся на ней контактов, подключается USB-to-Serial-кабель.

Схема подключения кабеля

Программная часть проекта

▍pyupdi

Мы установили pyupdi, следуя инструкциям из репозитория проекта.

Для того чтобы убедиться в том, что программатор распознаёт ATtiny406, можно выполнить команду, напоминающую следующую, отредактировав путь к файлу:

Если всё настроено правильно, то выполнение подобной команды должно привести к выводу примерно таких данных:

▍C-компилятор

Оказалось, что обычный компилятор avr-gcc, который можно установить на macOS, используя Homebrew, не позволяет задать ATtiny406 в виде цели компиляции. Поэтому мы решили установить avr-gcc, предоставляемый компанией Microchip. Для загрузки компилятора надо создать учётную запись на сайте Microchip, что слегка раздражает.

Самые новые MCU ATtiny не поддерживаются компилятором avr-gcc от Microchip без дополнительных настроек. Для обеспечения их поддержки нужно загрузить ATtiny Device Pack.

Загрузка ATtiny Device Pack

▍Написание программы на C

Мы написали следующую программу, которая, с частотой в 1 Гц, мигает светодиодом, подключённым к выходу B5 на нашей плате для ATtiny.

Если сравнить этот код с тем, который пишут для STM32 или для SAMD21, то он окажется гораздо проще.

▍Файл Makefile

Тут мы пользуемся следующей структурой директорий:

Итоги

Программировать новые TinyAVR так же просто, как и MCU предыдущих поколений. Главное — подобрать правильные инструменты. Если у вас есть советы по программированию AVRTiny, поделитесь ими с нами в Twitter или в комментариях ниже.

Планируете ли вы пользоваться новыми TinyAVR в своих проектах?

Источник

Почему бы я не рекомендовал Atmel или о непонимании успеха Arduino

Хочу немного поделиться негативным опытом использования микроконтроллеров Atmel в промышленной разработке.

Atmel как целевую платформу выбрал заказчик, хотя мы его и отговаривали (еще даже не зная, что нам предстоит — интуиция, что ли?). Ну что же, «заказчик всегда прав».

В продукте было два контроллера — 32-битный UC3A3 и 8-битный ATMega164. В качестве дебаггера выбрали AVR One!, в качестве среды разработки — AVR Studio 5.0 (последняя версия на момент старта).

У двух из трех купленных AVR One! в течении первого же месяца отвалились JTAG-коннекторы. У одного из них пропадал контакт питания. Каждый дебаггер, к слову, стоит около 600 евро!

При первом подключении дебаггера к компу с установленной AVR Studio 5.0 последняя захотела обновить ему прошивку. И не просто захотела, а отказывалась работать без этого. Процедура обновления прошивки благополучно зациклилась в «обновление — ожидание готовности устройства — обновление завершено неуспешно — обновление. », произвести ее удалось только после долгих танцев с бубнами.

На начальной стадии работа ведется на Evaluation платах. Были такие и у Атмела. Вот только на «готовых» эвалкитах к большинству пинов процессора банально не было доступа! А универсальный пакет STK600, позволяющий «воткнуть» в него практически любой контроллер при помощи переходника (решение реально супер, если бы не одно но), имел маленький недостаток — его схема была недоступна ни в открытом доступе, ни за деньги! Блин, вот реально — тулкит, предназначенный для экспериментов с платформой, поставлялся без схемы! И схема его охранялась очень и очень тщательно, судя по многочисленным веткам на AVR freaks. Поскольку мы не могли представить себе, как же можно работать без наличия схемы, мы разумно отказались от покупки этого тулкита (который ни разу не дешевый, к слову!).

Еще веселее стало, когда приступили собственно к написанию и отладке кода.

Самым веселым оказалось то, что пошаговая отладка оказалась в принципе невозможной. Дело в том, что поставив где-нибудь в коде брейкпоинт, дождавшись остановки программы в этом месте и выполнив «шаг вперед», ты оказывался… в обработчике прерывания! (Естественно, в прерывании при этом никаких брейкпоинтов не было!). А поскольку прерывания в системе были всегда (таймеры и т.п.), процесс отладки выглядел следующим образом: приходилось ставить следующий брейкпоинт на следующей строке и нажимать Run вместо Step Over. Особенно весело это было, когда надо было отследить if или switch. Или же выполнить Step Into, а не Step Over…

Вторым радостным моментом оказалось то, что когда ты останавливался в прерывании, ты не видел стека вызовов. Особенно радовало, когда этим прерыванием было исключение процессора. На предыдущем проекте на контроллере от Freescale в аналогичной ситуации ты отлично видел весь стек вызовов — в каком месте произошло исключение процессора и что к нему привело. Здесь же все, что ты видел — это то, что исключение произошло. А где и почему — оставалось только догадываться.

Третьим радостным моментом оказалось, например, вот что: код

категорически отказывался работать на ATMega! Элемент a[1] после этого кода оставался равным 0!

И особенно порадовал ответ техподдержки Atmel «Да, данный процессор имеет указанную проблему, попробуйте заменить его на другой!». Ага, а ничего, что уже как бы плата с ним произведена? Следующим ответом техподдержки было «Попробуйте заменить в AVR Studio родной AVR toolchain на open source WinAVR. Это, как ни странно, помогло, массив стал инициализироваться как надо. Правда, заголовочные файлы этого toolchain представляли из себя местами кашу, и часть заголовков пришлось брать от „родного“…

Плюс вся система работала крайне нестабильно. Дебаггер мог просто перестать видеть контроллер. Студия могла перестать видеть дебаггер. Или перестать запускать код на выполнение.

К счастью, на AVR freaks часть проблем была описана и решения найдены. Например, вместо 600-евровых AVR One! были куплены 50-евровые AVR Dragon, работающие гораздо стабильнее — с ними разработка стала в принципе возможной. (Из серии „Зачем, блин, платить больше?“).

И пришлось перейти с AVR Studio 5.0 на более старую AVRStudio32, поскольку первая была настолько глючно-сырой, что работать в ней было невозможно. Интерфейс, конечно, у пятой студии был удобным, ничего не скажешь, но когда удобная в использовании среда банально не работает — удобство оказывается бессмысленным, увы.

AVRStudio32 c точки зрения интерфейса оказалась очень специфической штукой. То ли Eclipse-based сыграло свою роль, то ли Atmel внес свою лепту… Приведу лишь один пример.

Нам понадобилось изменить точку запуска, которая по умолчанию выставлена в среде разработки на начало flash контроллера. В AVRStudio32 за это отвечает так называемая „конфигурация запуска“ (найти которую, кстати, отнюдь не очевидная задача). Так мало того, что параметры конфигурации запуска не сохраняются в проекте (а это означает, что изменения должен был вносить каждый разработчик „ручками“ и их нельзя было коммитить в репозиторий), так кроме этого студия могла в какой-то из моментов по своему желанию создать новую конфигурацию, с параметрами по умолчанию, сделав ее текущей. Нет, когда это все уже знаешь, то исправить это не вопрос. Но вот когда не знаешь, а выглядит все так, что после очередного изменения вдруг все перестало работать, то становится очень даже невесело…

То, что примерно за год разработки дебаггеры банально три или четыра раза выходили из строя, уже было просто досадной мелочью.

Еще одной такой досадной мелочью был прикол с тем, что Atmel называет Fuses — специальные биты, управляющие поведением микроконтроллера, доступные при помощи специальных команд. Неосторожное движение или ошибка — и процессор оказывался непригодным к дальнейшему использованию без очень сложных телодвижений. Можно было, например, переключить его с использования внутренней тактовой частоты на внешнюю. Поскольку внешней, конечно же, в наличии не было, процессор переставал работать. Вернуть этот бит без подачи внешней синхронизации было невозможно в принципе. А еще можно было, например, „выключить“ JTAG — после чего к контроллеру невозможно было подключиться дебаггером.

Вполне естественно, что во время разработки возникают ошибки. Но когда такая ошибка приводит к остановке процесса на непонятно сколько времени — мягко говоря, совсем невесело.

Одна из последних проблем оказалась не менее веселой — по какой-то из причин микроконтроллеры один за одним переставали работать, и дебаггеры тоже переставали их видеть. Времени на анализ было потрачено прилично, оказалось же вот что.

Немного доп. информации: каждый контроллер от Atmel имеет так называемый Device Code, однозначно идентифицирующий семейство. Есть спец. команда, чтобы этот код прочитать. Дебаггер и студия как раз его и используют для идентификации того, что подключено. По идее, значение это read only, и нигде в спецификации не указано обратное. Оказалось, что это не так.

Signature may be Erased in Serial Programming Mode
If the signature bytes are read before a chiperase command is completed, the signature may be erased causing the device ID and calibration bytes to disappear. This is critical, especially, if the part is running on internal RC oscillator.

Особенно же впечатлило решение проблемы:

Problem Fix / Workaround:
Ensure that the chiperase command has exceeded before applying the next command.

То есть, если Device ID уже оказался стертым, записать его назад возможности не предоставляется. Хуже всего то, что вместе с ним стирается еще и калибровка внутренней частоты, которая также невосстановима, насколько я понял из доступной информации.

Должен сказать, что после команды Chip Erase в коде стояла задержка в два раза больше, чем того требовала спецификация. Однако Device ID волшебным образом стирался по непонятной причине…

Что же, негативный опыт — тоже опыт. Вряд ли я по доброй воле выберу теперь Atmel для чего-либо.

А что касается Arduino — понятно, конечно, что те, кто решает с ней поиграться, с большинством проблем банально не столкнутся, но — после всего описанного выше я все же не понимаю столь высокой ее популярности.

И кстати, выбор заказчиком платформы, похоже, как раз и был обусловлен популярностью Ардуино…

UPD: Вот, кстати, из последних глюков: на ATMega164 есть три группы фьюзов: fuse, fuse_high, fuse_ext. Так вот, по неизвестной причине изменить fuse_high не получается. При этом изменить fuse — получается, и что самое интересное — после любого изменения fuse (даже ничего не значащего, например, включение-выключение вывода тактовой частоты наружу на пин, который висит в воздухе) начинает работать и изменение fuse_ext.

Источник