Show page

Differences

This shows you the differences between two versions of the page.

--- pm:lab:lab0-2021 [2022/02/28 17:09]
robert_mihai.lica [2. Microchip (Atmel) AVR]
+++ pm:lab:lab0-2021 [2022/03/01 12:38] (current)
dan.tudose
@@ Line 5: / Line 5: @@
   * 14. I/O-Ports - pag. 58
-===== 1. Introducere =====
+===== 1. Ce este un microcontroller? =====
-=== 1.1. De ce? ===
+Un microcontroller(µC) este o componentă electronică care integrează un microprocesor şi dispozitive periferice, punându-se accent pe un cost de producție mic și un consum energetic redus, altfel spus pe optimizarea aplicației.
+Principala diferenţă dintre un microcontroller (µC) şi un microprocesor (µP) o constituie faptul că un µC integrează atât unitatea de procesare cât și memorie de program, memorie de date, interfeţe de intrare-ieşire și periferice.
-**I**: Ce facem noi aici? Unde se foloseste ce invatam? Chiar e util?
+Un µC operează la frecvenţe reduse, în general la zeci sau sute de MHz. Cu toate acestea, microcontroller-ele sunt utilizate într-o gamă largă de aplicaţii în diverse domenii. Dispozitivele unde µC sunt utilizate pot fi produse de uz general (mașini de spălat, frigidere, automate de cafea), sisteme industriale dedicate (relee de protecție, controllere industriale, sisteme de tip interfață om-mașină - HMI ), sisteme din industria aerospaţială și multe altele.
-**R**: Well, ca sa spunem pe scurt: "multe", "peste tot" si "da"; ar fi raspunsurile, dar mai bine o luam pe un exemplu.
+În funcție de tipul aplicațiilor pentru care sunt dedicate acestea, majoritatea µC nu au o magistrală externă de adrese sau date deoarece toate memoriile utilizate (volatile și nevolatile) sunt interne, ducând la integrarea acestora în capsule cu un număr mic de pini şi reduse ca dimensiuni, ceea ce reduce costurile de producţie și consumul energetic.
+Există desigur și microcontrollere care furnizează magistrale externe pentru date și adrese (multiplexate în timp sau magistrale dedicate) în scopul interfațării memoriilor externe (RAM, FLASH, ROM).
-Tocmai ti-ai construit un nou PC si i-ai pus si RGB pe RAM, pe ventilatoare, pe carcasa, o gramada. Acum vine intrebarea, cine "apasa" butoanele astfel incat culorile sa iasa asa cum le pui tu in software? CPU-ul sa stea el si sa aiba grija sa schimbe culorile? Dupa mine e cam o irosire de resurse. Aici intervine un microcontroller! E un procesor mai mic, mai simplist, cu un task bine determinat in sistem. Treaba lui in cazul nostru este sa controleze RGB-ul intreaga lui viata.
+**Cele mai întâlnite structuri din circuitul integrat al unui µC sunt următoarele:**
+    * Unitatea centrală de procesare (//µP core//) cu o arhitectură care poate fi pe 8, 16, 32 sau 64 de biţi.
+    * Memorie de date volatilă (RAM) și/sau non-volatilă (Flash sau EEPROM)
+    * Memorie de program non-volatilă (Flash sau EEPROM)
+    * Porturi digitale de intrare-ieşire de uz general (GPIO - General Purpose Input Output)
+    * Interfeţe seriale de comunicație (USART, SPI, I2C, PCM, USB, SDIO etc.)
+    * Interfețe ethernet
+    * Interfețe pentru afișaj grafic (LVDS, HDMI sau alte protocoale dedicate controlului afișajelor LCD)
+    * Timere (cu rol intern, sau utilizate în generarea semnalelor periodice -ex: PWM-, sau ca watchdog)
+    * Convertoare analog-digitale și digital-analogice, front-end-uri analogice și alte circuite dedicate semnalelor analogice
+    * Sursă de tensiune integrată
+    * Interfață pentru programare şi debugging
-=== 1.2. Ce e un microcontroller (µC)? ===
+<note tip>
+Un **periferic** reprezintă orice dispozitiv, intern sau extern, care se conectează la un sistem de calcul și îi extinde funcționalitatea de bază. În cazul microcontroller-ului, există o serie de astfel de periferice incluse direct în circuitul integrat (cele menționate mai sus). Deși nu seamănă cu perifericele unui PC (monitor, placă grafică, imprimantă, tastatură, mouse, etc.), fără ele microcontroller-ul nu ar putea interacționa cu mediul exterior. Mai mult, perifericele ne ajută să conectăm alte elemente mai performante la controller si sa îi putem oferi funcționalități similare unui sistem PC (conexiune la internet, linie de date USB, display grafic etc.)
+</note>
-TLDR, un calculator intr-un cip. Mai in detaliu, el este un circuit integrat ce reunește o unitate de procesare (CPU), memorii(volatile RAM, nevolatile EEPROM, Flash, ROM) și diverse periferice ce îi permite acestuia să comunice cu mediul extern.
+**Costul unui µC depinde în mare măsură de** numărul de periferice integrate, frecvența de lucru a procesorului, cantitatea de memorie și alți parametri amintiți mai sus. Cu cât caracteristicile acestuia sunt mai avansate, cu atât crește prețul de producție. Arhitecturile de µC pe piaţă la ora actuală variază în limite  largi, de la chip-uri cu doar 2 pini de I/O până la procesoare digitale de semnal (DSP) sau procesoare cu arhitecturi avansate pe 32 sau chiar 64 de biţi (ex: ARM, PIC32, STM32 sau AVR32).
-=== 1.3. µC in the wild ===
+<note tip>
+**În concluzie,** un microcontroller este un circuit integrat ce reunește o unitate de procesare (CPU), memorii(volatile RAM, nevolatile EEPROM, Flash, ROM) și diverse periferice ce îi permite acestuia să comunice cu mediul extern.
-Le gasim in diferite dispozitive precum: telefoane, electro-casnice, sateliti, avioane, in fabrici etc. Există o gamă largă de microcontrollere disponibile și acestea se aleg în funcție de aplicație, având în vedere mai ales optimizarea costului și a consumului energetic pentru dispozitivul unde µC urmează a fi folosit.
+Microcontrollerele sunt utilizate în diverse aplicații, din diverse domenii, de la aplicații casnice și industriale până la aviație și sateliți.
+Există o gamă largă de microcontrollere disponibile și acestea se aleg în funcție de aplicație, având în vedere mai ales optimizarea costului și a consumului energetic pentru dispozitivul unde µC urmează a fi folosit.
+</note>
+====  Ce pot face cu un microcontroller? ====
-<HTML>
+<hidden>Toata sectiunea asta as muta-o la sfarsitul paginii, gen la referinte. In locul in care se afla in momentul de fata as mentiona doar ca sunt o serie de exemple date in josul paginii (unde vom muta asta).</hidden>
-<details>
-</HTML>
-<html><summary></html> Exemple de proiecte <html></summary></html>
-{{:pm:lab:lab0:bird_tracking2.jpg?direct&100| [1] Bird tracking}}
+{{:pm:lab:lab0:bike_turn_signal.jpg?direct&100|[1] Turn signal biking jacket}}
-{{:pm:lab:lab0:bird_tracking1.png?direct&100| [2] Bird tracking}}
+{{:pm:lab:lab0:bird_tracking2.jpg?direct&100|[2] Bird tracking}}
-{{:pm:lab:lab0:mini_quad.jpg?direct&100| [3] Palm size quad-copter}}
+{{:pm:lab:lab0:bird_tracking1.png?direct&100|[3] Bird tracking}}
-{{:pm:lab:lab0:exemple:robot2.jpg?direct&100|[4] Robot line follower (Tare N' Bară)}}
+{{:pm:lab:lab0:clock.jpg?direct&80|[4] The word clock}}
-{{:pm:lab:lab0:exemple:robot3.jpg?direct&100|[5] Robot ce joacă fotbal (IronFoot)}}
+{{:pm:lab:lab0:mini_quad.jpg?direct&100| [5] Palm size quad-copter}}
-{{:pm:lab:lab0:exemple:robot4.jpg?direct&100|[6] Robot submarin (R0X1)}}
+{{:pm:lab:lab0:exemple:robot1.jpg?direct&100|[6] Robot microsumo (RoboWarrior)}}
-{{:pm:lab:lab0:exemple:self_balancing_skate.jpg?direct&100|[7] Self-balancing skateboard}}
+{{:pm:lab:lab0:exemple:robot2.jpg?direct&100|[7] Robot line follower (Tare N' Bară)}}
+{{:pm:lab:lab0:exemple:robot3.jpg?direct&100|[8] Robot ce joacă fotbal (IronFoot)}}
+{{:pm:lab:lab0:exemple:robot4.jpg?direct&100|[9] Robot submarin (R0X1)}}
+{{:pm:lab:lab0:exemple:robot5.jpg?direct&60|[10] Robot vânător de mamuți (Many the mammoth hunter)}}
+{{:pm:lab:lab0:exemple:self_balancing_skate.jpg?direct&100|[11] Self-balancing skateboard}}
+{{:pm:lab:lab0:exemple:sparrowv32.jpg?direct&100|[12] Nod senzorial (Sparrow)}}
-  * [[https://www.northstarst.com/|[1, 2] - Bird tracking]]
+  * [[http://www.instructables.com/id/turn-signal-biking-jacket/|[1] - Turn signal biking jacket]]
-  * [[http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=1335765|[3] - Palm size quad-copter]]
+  * [[https://www.northstarst.com/|[2, 3] - Bird tracking]]
-  * [4] - Robot line follower (Tare N' Bară)
+  * [[http://www.instructables.com/id/The-Word-Clock-Arduino-version/|[4] - The word clock]]
-  * [5] - Robot ce joacă fotbal (IronFoot)
+  * [[http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=1335765|[5] - Palm size quad-copter]]
-  * [6] - Robot submarin (R0X1)
+  * [6] - Robot microsumo (RoboWarrior)
-  * [[http://www.instructables.com/id/Easy-build-self-balancing-skateboardrobotsegway-/|[7] - Self-balancing skateboard]]
+  * [7] - Robot line follower (Tare N' Bară)
+  * [8] - Robot ce joacă fotbal (IronFoot)
+  * [9] - Robot submarin (R0X1)
+  * [10] - Robot vânător de mamuți (Many the mammoth hunter)
+  * [[http://www.instructables.com/id/Easy-build-self-balancing-skateboardrobotsegway-/|[11] - Self-balancing skateboard]]
+  * [12] - Nod senzorial (Sparrow)
 Pentru alte exemple, puteți începe căutarea de aici:
 [[https://www.hackster.io/projects/tags/microcontroller]]
-<HTML>
-</details>
-</HTML>
-=== 1.4. Ce gasim intr-un µC? ===
-  * **Unitatea centrală de procesare** (µP core) cu o arhitectură care poate fi pe 8, 16, 32 sau 64 de biţi
-  * Memorie de date volatilă (**RAM**) și/sau non-volatilă (Flash sau EEPROM)
-  * Memorie de program non-volatilă (**Flash** sau **EEPROM**)
-  * Porturi digitale de intrare-ieşire de uz general (**GPIO** - General Purpose Input Output)
-  * Interfeţe seriale de comunicație (**USART**, **SPI**, **I2C**, PCM, **USB**, SDIO etc.)
-<HTML>
-<details>
-</HTML>
-<html><summary></html> More <html></summary></html>
-  * Interfețe ethernet
-  * Interfețe pentru afișaj grafic (LVDS, **HDMI** sau alte protocoale dedicate controlului afișajelor LCD)
-  * Timere (cu rol intern, sau utilizate în generarea semnalelor periodice -ex: PWM-, sau ca watchdog)
-  * Convertoare analog-digitale și digital-analogice (**ADC**, **DAC**), front-end-uri analogice și alte circuite dedicate semnalelor analogice
-  * Sursă de tensiune integrată
-  * Interfață pentru programare şi debugging
-<HTML>
-</details>
-</HTML>
-<html></br></html>
-**Perifericele** reprezintă orice dispozitiv, intern sau extern, care se conectează la un sistem de calcul și îi extinde funcționalitatea de bază. În cazul microcontroller-ului, există o serie de astfel de periferice incluse direct în circuitul integrat (exemple mai sus). Deși nu seamănă cu perifericele unui PC (monitor, placă grafică, tastatură, mouse etc.), fără ele microcontroller-ul nu ar putea interacționa cu mediul exterior. Mai mult, perifericele ne ajută să conectăm alte elemente mai performante la controller si sa îi putem oferi funcționalități similare unui sistem PC (conexiune la internet, linie de date USB, display grafic etc.)
 ===== 2. Microchip (Atmel) AVR =====
-Pe parcursul semestrului vom lucra cu microcontrollere din familia AVR de la Microchip. Acestea au arhitectură Harvard pe 8 biţi şi set redus de instrucţiuni (RISC).
+Famila AVR de la Microchip este formată din microcontrollere cu arhitectură Harvard pe 8 biţi şi set redus de instrucţiuni (RISC).
 <hidden>
@@ Line 100: / Line 95: @@
 | * 1-8 KB memorie de program \\ * capsulă de 8 până la 32 pini \\ * set limitat de periferice \\   * 4-256 KB memorie de program | * capsulă de 28 până la 100 de pini \\ * set extins de instrucţiuni (instrucţiuni pentru înmulţire şi adresare indirectă) \\  * set extins de periferice | * 16-256 KB memorie de program \\ * capsulă de 44 până la 100 de pini \\ * interfeţe performante extinse, ca DMA, "Event System", şi support pentru criptografie \\ * set extins se periferice | * megaAVR cu funcţii speciale, care nu sunt prezente la familia AVR, cum ar fi controller de LCD, controller USB, CAN etc. \\ * FPSLIC (Field Programmable System Level Integrated Circuit), un core AVR integrat cu un FPGA. |
 </hidden>
+Memoriile Flash, EEPROM, şi SRAM sunt integrate în acelaşi chip, înlăturând nevoia de memorie externă. Programul este format din instrucţiuni de 16 biţi lungime care sunt stocate în memoria Flash non-volatilă. Mărimea memoriei de program este indicată de numele componentei respective. De exemplu, ATmega128 are 128kB de memorie Flash. Spaţiul de adresa este format din registrele generale, registrele de I/O şi memoria SRAM. Sunt în total 32 de registre generale a câte 8 biţi.
-<note info>
+AVR au o unitate de execuţie în bandă de asamblare cu două niveluri, acest lucru permiţând că următoarea instrucţiune să fie adusă din memorie (fetch) în timp ce instrucţiunea curentă este în execuţie. Majoritatea instrucţiunilor se execută într-un singur ciclu de instrucţiune, acest lucru permiţând atingerea unui throughput de 1MIPS pe MHz.
-Va mai amintiti de banda de asamblare (pipeline)? Haideti sa va dam un "fun fact". µC AVR au o unitate de execuţie în bandă de asamblare cu două niveluri, acest lucru permiţând că următoarea instrucţiune să fie adusă din memorie (fetch) în timp ce instrucţiunea curentă este în execuţie. Majoritatea instrucţiunilor se execută într-un singur ciclu de instrucţiune, acest lucru permiţând atingerea unui throughput de 1MIPS pe MHz.
-</note>
+==== 2.1. ATmega328P ====
-=== 2.1. ATmega328P ===
 {{ :pm:lab:lab0:atmel-atmega324p-20pu.jpg?nolink&250 | atmega324| Un µC ATmega324 în capsulă PDIP}}
-Cu micutul acesta vom lucra noi. Este un microcontroller pe 8 biți din familia megaAVR. Registrele şi magistrala internă de date sunt pe 8 biţi.
+În cadrul laboratoarelor și a proiectului de PM, veți utiliza ATmega328P, un microcontroller pe 8 biți din familia megaAVR. Registrele şi magistrala internă de date sunt pe 8 biţi.
+===  Caracteristici generale  ===
-<HTML>
-<details>
-</HTML>
-<html><summary></html> Specificatiile µC-ului <html></summary></html>
   * 32 KB Flash (determină dimensiunea maximă a programului care poate fi executat)
@@ Line 128: / Line 119: @@
   * Interfaţe de programare ISP și debug JTAG
-<HTML>
+Perifericele interne chip-ului pot fi accesate din exterior prin intermediul pinilor. Capsula microcontroller-ului are 28 de pini (prezentați mai jos), dintre care 5 sunt pentru alimentare sau funcții auxiliare, iar 23 sunt pentru I/O. GPIO-urile sunt împărțite în patru porturi (B, C și D) avand câte 8 pini PORTB si PORTD, iar PORTC 7.
-</details>
-</HTML>
-<html></br></html>
-La acest microcontroller vom invata sa ii configuram pinii si sa interactionam cu mediul exterior din cod. Acesta are 28 de pini (prezentați mai jos), dintre care 5 sunt pentru alimentare sau funcții auxiliare, iar 23 sunt pentru I/O. microcontrollerul are patru porturi: A, B, C si D; din care doar ultimele 3 sunt accesibile noua prin pini externi.
+Pentru mai multe detalii, consultați datasheet-ul (documentația tehnică sumarizată) a microcontrollerului.
 {{ :pm:lab:ic-atmega328-pu-3.jpg?nolink&400 |Configurarea pinilor pentru ATmega328P}}
-<note info>
-Pentru mai multe detalii, mereu puteti consulta [[https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-7810-Automotive-Microcontrollers-ATmega328P_Datasheet.pdf|datasheet-ul]] (documentația tehnică sumarizată) a microcontrollerului. :)
-</note>
-=== 2.2. Placuta de laborator ===
+===== 3. Arduino =====
-Fundatia Arduino a creat seturi de placute de dezvoltare open source, placute pe care le vom folosi si noi la laborator. O placuta de dezvoltare este un circuit care ne pune la dispozitie facil pinii µC-ului de pe ea si care contine cirtuite de alimentare, de protectie si eventual programatorul µC-ului.
+Arduino este o companie open-source care produce atât plăcuțe de dezvoltare bazate pe microcontrolere, cât și partea de software destinată funcționării și programării acestora. Pe lângă acestea include și o comunitate uriașă care se ocupă cu creația și distribuirea de proiecte care au ca scop crearea de dispozitive care pot sesiza și controla diverse activități sau procese în lumea reală.
-<note info>
-Programatorul este un cip special, chiar un microcontroller uneori, care are rolul sa incarce codul in memoria µC. Nu putem lega µC-ul direct la firele de USB de la un PC, avem nevoie de cineva sa "traduca" informatia respectiva.
-</note>
-Pinout Arduino UNO:
-{{ :pm:lab:arduino-uno-pinout-diagram.png?nolink&600 | Pionout Arduini UNO}}
-=== 2.3. Framework-ul Arduino ===
-Desi la laborator va vom pune sa lucrati direct cu adrese de memorie pentru a configura pinii si a ii controla, va vom arata cum sa folositi si un framework numit Arduino. Acesta este scris in C++ si este practic o biblioteca cu functii ajutatoare si headere (fisiere .h) cu define-uri pentru fiecare procesor in parte. Ca orice nivel de abstractizare in plus, acesta face dezvoltarea mai usoara, dar aduce si un performance penalty de chiar si 20 de ori mai incet uneori.
-===== 3. Let's get to work =====
-=== 3.1. Actuatori si Traductori (Senzori) ===
-Pentru a putea intefața cu mediul exterior, sunt utilizate diferite componente electronice care au rol fie de actuator (modifică starea mediului exterior) sau de traductor/senzor (sunt influențate de mediul exterior și oferă informații microcontroller-ului despre diverși parametri).
-**Exemplu actuatori**:
-  * Ventilatoare;
-  * Indicatoare sonore - buzzere;
-  * Indicatoare luminoase;
-  * Rezistențe de încălzire.
-<note important>
-Uneori pentru a putea activa un actuator, este nevoie de un element de acționare. Spre exemplu, daca am dori sa pornim un motor, µC-ul doar da o comanda logica de start la un tranzistor ce se va deschide si va lasa un curent mare sa treaca prin el (aici prin "curent mare" comparam fata de maximul de cativa miliamperi pe care ii poate scoate un µC).
-</note>
-**Exemplu Senzori**:
-  * Butoane;
-  * Fotorezistori - rezistenta lui electrica este influentata de cantitatea de lumina;
-  * Termistori - rezistenta lui electrica este influentata de temperatura.
-<note important>
-În funcție de tipul traductoarelor, acestea pot avea nevoie de prelucrarea semnalului înainte ca acesta să fie preluat de µC (signal conditioning) - de exemplu fotorezistorul trebuie folosit într-un montaj cu divizor de tensiune sau cu sursă de curent -, sau pot fi conectate direct la microcontroller - de exemplu butonul.
-</note>
-== 3.1.1. LEDs ===
-LED-urile - Light Emitting Diode - numite și diode electroluminesciente emit lumină când ele sunt polarizate direct. A nu se confunca cu becurile deoarece au metode de functionare radical diferite.
+==== 3.1. Hardware ====
+O plăcuță Arduino este compusă dintr-un microcontroler Atmel AVR de 8-, 16- sau 32-biți (deși începând cu 2015 s-au folosit microcontrolere de la alți producători) cu componente complementare care facilitează programarea și încorporarea în alte circuite
+Multe plăcuțe includ un regulator liniar de 5 V și un oscilator cu cuarț de 16 MHz (sau un rezonator ceramic în unele variante), deși anumite plăcuțe, cum ar fi LilyPad, funcționează la 8 MHz și nu necesită regulator, datorită restricțiilor de formă. Un microcontroler instalat pe Arduino vine preprogramat cu un bootloader care simplifică încărcarea programelor pe memoria flash a cipului, în comparație cu alte dispozitive care necesită programatoare externe. Acest aspect face Arduino o soluție simplă, permițând programarea de pe orice computer ordinar. În prezent, bootloader-ul optiboot este bootloader-ul implicit instalat pe Arduino UNO.
+Plăcuța Arduino are expuși mulți dintre pinii de intrare/ieșire ai microcontrolerului, pentru ca aceștia să fie folosiți de alte circuite.
+{{ :pm:lab:arduino-uno-pinout-diagram.png?nolink&600 | Pionout Arduini UNO}}
 ==== 3.2. Software ====