Capitole utile din Datasheet ATmega324P
I: Ce facem noi aici? Unde se folosește ce învățăm? Chiar e util?
R: Ca să răspundem pe scurt: “multe”, “peste tot” și “da”; ar fi răspunsurile, dar mai bine începem cu un exemplu.
Tocmai ți-ai construit un nou PC și i-ai pus și RGB pe RAM, pe ventilatoare, pe carcasă, o grămadă. Acum vine întrebarea, cine “apasă” butoanele astfel încât culorile să iasă așa cum le pui tu în software? CPU-ul să stea el și să aibă grijă să schimbe culorile? Ar cam fi o irosire de resurse. Aici intervine un microcontroller! E un procesor mai mic, mai simplist, cu un task bine determinat în sistem. Treaba lui în cazul nostru este să controleze RGB-ul întreaga lui viață.
TLDR, un calculator într-un cip. Mai în 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.
Le găsim în diferite dispozitive precum: telefoane, electro-casnice, sateliți, avioane, în 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.
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 și să îi putem oferi funcționalități similare unui sistem PC (conexiune la internet, linie de date USB, display grafic etc.)
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).
Este un microcontroller pe 8 biți din familia megaAVR cu care vom lucra pe parcursul semestrului. Registrele şi magistrala internă de date sunt pe 8 biţi.
La acest microcontroller vom învăța să îi configurăm pinii și să interacționam cu mediul exterior din cod. Acesta are 40 de pini (prezentați mai jos), dintre care 5 sunt pentru alimentare sau funcții auxiliare, iar 32 sunt pentru I/O. microcontrollerul are patru porturi: A, B, C și D.
Placa de laborator este bazată pe microcontrolerul ATmega324P și vine cu următoarele caracteristici:
Placa de laborator reprezintă un circuit care ne pune la dispoziție facil pinii µC-ului de pe ea și care conține circuite de alimentare, de protecție și eventual programatorul µC-ului.
LCD Displays
Character LCD | GPIO Pin |
---|---|
RS | PC0 |
RW | PC1 |
EN | PC2 |
D4 | PC3 |
D5 | PC4 |
D6 | PC5 |
D7 | PC6 |
Backlight | PC7 |
Graphical LCD | GPIO Pin |
---|---|
CS | PB0 |
RST | PB1 |
A0 | PB4 |
SDA | PB5 |
SCK | PB7 |
Backlight | PA7 |
I2C Sensors & Bus Addresses
I2C | GPIO Pin | Chip | Address |
---|---|---|---|
I2C Enable | PA6 | LSM9DS0 | 0x1D (XM) 0x6B (G) |
SCL | PC0 | MPL3115A2 | 0x60 |
SDA | PC1 |
SD Card
GPIO Pin | |
---|---|
CS | PA2 |
MOSI | PB5 |
MISO | PB6 |
SCK | PB7 |
RGB LED
GPIO Pin | |
---|---|
Red | PD5 |
Green | PD7 |
Blue | PB3 |
Miscellaneous
GPIO Pin | |
---|---|
Temperature Sensor | PA0 |
Ambient Light Sensor | PA1 |
Buttons (BTN1 - 6) | PA5 |
BTN 1 | PB2 |
BTN 2 | PD6 |
Speaker | PD4 |
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:
Exemplu Senzori:
LED-urile - Light Emitting Diode - numite și diode electroluminesciente - emit lumină când ele sunt polarizate direct. A nu se confunda cu becurile deoarece au metode de funcționare radical diferite.
LED-urile pot fi utilizate pe post de indicator luminos (adesea utilizate în diferite aparate pentru a semnaliza faptul că aparatul este pornit și realizează un anumit lucru), sau pentru iluminare, caz în care sunt utilizate LED-uri de putere. În cadrul laboratorului LED-urile sunt utilizate pentru a indica starea unui pin.
Un LED este proiectat să opereze la un curent nominal (ex: 10mA). Căderea de tensiune la acest curent pe LED-urile indicatoare, de mică putere, este dată de chimia LED-ului (aceasta dă și culoarea LED-ului). În cadrul laboratorului, deoarece folosim un LED de un curent atât de mic, putem să îl alimentăm direct de pe pinii logici ai µC-ului.
Schema utilizată este următoarea:
Soluție: Dacă alimentarea microcontroller-ului este de 5V pentru un LED roșu ce dorim să îl folosim la 10mA, specificat de producător cu o cădere de tensiune de 1.7V, trebuie să folosim o rezistență de 330 de ohmi.
Cel mai simplu mod de interacțiune al utilizatorului cu un microcontroller îl constituie folosirea butoanelor. Modul de conectare al unui push-button în acest laborator este descris în figura de mai jos:
a) Arată un buton conectat la pinul PD0 al µC. La apăsarea butonului, intrarea PD0 va fi legată la GND, deci va fi în starea logică “0”. Acest mod de legare este incorect deoarece atunci când butonul nu este apăsat, intrarea se află într-o stare nedefinită (ca și cum ar fi lăsată în aer), ea nefiind conectată nici la GND, nici la Vcc! Această stare se numește stare de impedanță mărită. În practică, dacă am citi acum valoarea pinului, se va produce un rezultat de 1 sau 0 în funcție de condițiile de mediu. Spre exemplu, dacă apropiem degetul de acea intrare, citirea va fi 1, iar, daca îndepărtăm degetul, citirea va fi 0.
b) Arată modul corect de conectare al butonului, folosind o rezistență de pull-up între pinul de intrare și Vcc. Această rezistență are rolul de a aduce intrarea în starea “1” logic atunci când butonul este liber prin “ridicarea” potențialului liniei la Vcc. Alternativ, se poate folosi o rezistență de pull-down (conectată la GND), caz în care intrarea este ținută in starea logică “0” cât timp butonul nu este apăsat.
La laborator: Pentru a economisi spațiu exterior, în µC-ul ATmega328P, aceste rezistențe au fost incluse în interiorul circuitului integrat. Inițial ele sunt dezactivate iar activarea acestora se poate face prin software.
Acesta poate fi considerat cel mai important pas atunci când dorim să folosim un µC. Trebuie să învățăm cum să configurăm intern µC-ul pentru ca acesta să îndeplinească funcțiile dorite de noi. În acest laborator vom configura pinii pentru a fi de I/O: unii pini să citească dacă se află tensiune pe ei (input) sau alții să dea 0 volți sau 5 volți în funcție de comenzile noastre din software (output).
Pentru a clarifica terminologia: acum când spunem că setăm un registru sau scriem într-un registru, nu ne referim la registrele de uz general din procesor cu care ați lucrat la IOCLA. Ne referim la adrese de memorie rezervate în µC. Vom repeta iarăși împreună: “Prin registru ne referim la o adresă de memorie”. Practic cum merg lucrurile “under the hood”, la acești bytes sunt legături fizice și dacă scriem un bit de 1 sau de 0 în anumite poziții, activăm sau dezactivăm elemente din µC.
Mereu pentru a afla cum să configurați un periferic, datasheet-ul µC-ului este cea mai bună locație să aflați exact fiecare configurare unde se află și ce face. Deoarece nu este deloc plăcut sa scrii în cod *(0x04) = 0b0000 0001
, producătorii de µC oferă biblioteci ( avr-libc) pentru a da nume acestor adrese. Următorul cheatsheet vă arată cum sa configurați un anumit bit de la o anumită adresă folosind macrouri (care sunt considerate și best practice).
(1 << x)
) sau macro-ul _BV(x)
. De asemenea recomandăm folosirea numelui pinului în loc de indexul acestuia, pentru că numele acestora sunt sugestive pentru funcția pe care o îndeplinesc (spre exemplu, în registrul ADCSRA
al convertorului analog-digital, bitul ADEN
este bitul de enable). Numele pinilor, ca și în cazul registrelor, sunt deja definite în avr-libc.
Operație | Formă |
---|---|
Scriere bit pe 1 | macro |= (1 << bit_index) |
Scriere bit pe 0 | macro &= ~(1 << bit_index) |
Toggle bit | macro ^= (1 << bit_index) |
Citire bit | macro & (1 << bit_index) |
Exemplu: Lucrul cu registre
DDRB = 8; // AȘA NU. DDRB = (1 << 3); // Nici așa, este hardcodat indexul pinului.
DDRB |= (1 << PB3); // AȘA DA. DDRB |= _BV(PB3); // AȘA DA.
Detalii despre lucru cu biții din registre puteți citi și la secțiunea tutoriale de pe wiki.
Nu vă temeți, vom avea destule laboratoare în care să vă obișnuiți cu lucrul cu registre și configurarea µC-ului. Vă încurajăm să depuneți, acum, la început niște efort pentru un drum ușor în acest semestru.
Pentru acest laborator v-am scutit de căutarea în datasheet, lucru ce poate părea complicat la început și am sintetizat, pentru voi, ce adrese de memorie (registre) trebuie să modificați pentru lucrul în acest laborator.
Microntroller-ul ATmega324 oferă 4 porturi I/O a câte 8 pini, iar intern, fiecare port are asociate trei registre a câte 8 biți prin care utilizatorul poate controla la nivel de pin fluxul datelor: poate scrie/citi date în/din portul respectiv. Aceste trei registre sunt:
DDRn
- Data Direction RegisterPORTn
- Data RegisterPINn
- Input Pins Addressn poate să fie A, B, C sau D în funcţie de portul selectat. x poate să fie între 0 și 7.
Descrierea detaliată a porturilor şi registrelor corespunzătoare acestora se găseşte în datasheet-ul ATmega324, în capitolul I/O Ports.
Să presupunem că avem un LED legat la pinul 1 al portului B (numit PORTB1
sau PB1
). Pentru a aprinde sau stinge LED-ul trebuie să urmăm următorii pași:
PB1
trebuie configurat ca ieșirePB1
) din registrul DDRB
va fi 1DDRB |= (1 « PB1);
PB1
să ia valoarea HIGHPB1
) din registrul PORTB
va fi 1PORTB |= (1 « PB1);
PB1
să ia valoarea LOWPB1
) din registrul PORTB
va fi 0PORTB &= ~(1 « PB1);
Să presupunem ca avem un buton legat la pinul 4 al portului D (numit PORTD4
sau PD4
), din cazul b) prezentat anterior. Pentru a determina starea butonului (apăsat sau liber) trebuie să urmăm următorii pași:
PD4
trebuie configurat ca intrarePD4
) din registrul DDRD
va fi 0DDRD &= ~(1 « PD4);
PD4
) din registrul PIND
char val = PIND & (1 « PD4);
Pentru dezvoltarea programelor putem folosi orice editor de text.
În cadrul laboratoarelor vom scrie cod C, nu şi assembly (AVRASM), compilatorul fiind avr-gcc. Acesta poate fi folosit atât pe sisteme Linux/Unix cât şi pe sisteme Windows (WinAVR). WinAVR include şi biblioteca de C, avr-libc, pe sistemele Linux/Unix ea trebuie instalată separat.
Deși microcontroller-ul nostru este pe 8 biți, în codul C putem folosi variabile întregi pe 16/32/64 de biţi şi chiar și în virgulă mobilă. Compilatorul este cel care se va ocupa de translatarea instrucţiunilor în cod asamblare ce lucrează pe 8 biţi.
Pentru programarea unui microcontroller putem folosi diverse metode, cum ar fi programarea pe interfaţă serială, folosirea unui programator ISP (In-System Programming) ce foloseşte interfaţa serială SPI sau folosirea unui bootloader.
În cadrul acestui laborator vom folosi ultima variantă, deoarece astfel nu avem nevoie de nici-o altă componentă externa pentru a încarca fișierul hex. Un bootloader este un program încărcat (folosind, spre exemplu, un programator ISP) la sfârşitul memoriei de program a microcontroller-ului. Execuţia codului încărcat astfel va începe din zona de boot. Dezavantajul acestei metode este spaţiul ocupat de bootloader în memoria de program.
Folosirea bootloader-ului presupune îndeplinirea unei condiții la pornirea microcontroller-ului. Pe plăcile de laborator acesta este rulat la fiecare RESET, însă putem pune orice condiție pe care o poate deduce procesorul (spre exemplu, dacă un buton este apăsat sau nu). Unele microcontrollere au o memorie ROM dedicată bootloader-ului, cu care acestea sunt prevăzute din fabrică (ex: STM32).
Pentru a încărca programul pe controller trebuie să folosim un utilitar de pe calculator. Un exemplu de folosire a utilitarului avrdude pe Linux și pe Windows găsiți mai jos.
$ avrdude -c arduino -P /dev/ttyUSB0 -b 57600 -p atmega324p -U flash:w:lab0.hex:a C:/> avrdude -c arduino -P COM12 -b 57600 -p atmega324p -U flash:w:lab0.hex:a
Pentu o soluție care înglobează tot toolchain-ul și IDE-ul, instalați-vă direct PlatformIO. După instalarea extensiei PlatformIO în VSCode, creați un nou proiect cu target ATmega324P ca platformă/microcontroler și adăugați în platformio.ini linia:
upload_protocol = urclock
OK, sunteți software developers hardcore și vreți să instalați direct toolchain-ul cu IDE-ul vostru preferat (pe cine păcălesc eu aici, lucrați direct în vim), aveți și opțiunea asta, dar cu câteva dureri de cap incluse. Dacă vreți să vă instalați doar toolchain-ul, fără IDE, aveți nevoie de avr-gcc, make și avrdude pentru a compila și programa placa de laborator. Vă recomandăm următoarele ghiduri de instalare:
De asemenea, vă recomandăm să folosiți un IDE pentru dezvoltarea de cod. Dacă preferați VSCode (fără extensia PlatformIO) există acest tutorial.
urclock
(zis și urprotocol
) folosit de plăcuțele noastre a fost adăugat abia în avrdude >= 7.1
. Asigurați-vă că instalați o versiune recentă (e.g., 7.3)! Notabil, pe Ubuntu 22.04 găsiți doar versiunea 6.3: descărcați versiunea precompilată de pe Github sau folosiți PlatformIO dacă nu întruniți această cerință minimă de versiune! Desigur, dacă descărcați binarul manual, nu uitați să-l faceți executabil și să-l puneți undeva în PATH (e.g. /usr/local/bin/
sau C:\Windows\System32
pe Windows + copiat avrdude.conf
manual dacă se plânge că nu există)!
Vom scrie un program care stinge și aprinde un LED la intervale de 500 ms. LED-ul vizat este cel verde de pe placa de laborator. Acest lucru se face modificând tensiunea unuia dintre pinii microcontroller-ului, în cazul nostru pinul 7 din portul D (PD7
).
#include <avr/io.h> #include <util/delay.h> int main() { /* Setăm pinul 7 al portului D ca pin de ieșire. */ DDRD |= (1 << PD7); while(1) { /* Inversăm starea pinului. */ PORTD ^= (1 << PD7); _delay_ms(500); } return 0; }
Pentru compilare cu PlatformIO apăsați Ctrl+Alt+B apoi Ctrl+Alt+U pentru upload.
Dacă v-ați instalat toolchain-ul separat, trebuie să apelați la următorul Makefile:
# Linux PORT ?= /dev/ttyUSB0 # Windows #PORT ?= COM1 all: main.hex main.hex: main.elf avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex $^ $@ avr-size main.elf main.elf: main.c avr-gcc -mmcu=atmega324p -DF_CPU=12000000 -Os -Wall -o $@ $^ upload: main.hex avrdude -c urclock -P $(PORT) -b 57600 -p atmega324p -D -xnometadata -U flash:w:$<:a clean: rm -rf main.elf main.hex
-mmcu
: Informează compilatorul despre tipul microcontroller-ului pentru care trebuie să genereze codul-DF_CPU=12000000
: Definește macro-ul F_CPU
care indică frecvența de lucru la microcontroller-ului-Os
: Optimizează programul în privința memoriei ocupate (destul de folositor având în vedere memoria limitată prezentă pe chip)-Wall
: Activează toate mesajele de avertismentFișierul care poate fi programat pe placă trebuie să fie în formatul ihex. De aceea este necesară extragerea secțiunilor de date și cod din fișierul elf obținut în urma compilării și integrarea lor într-un fișier ihex. Acest pas folosește utilitarul avr-objcopy.
Comanda avr-size arată câtă memorie ocupă diverse secțiuni de cod ale programului. Trebuie avut în vedere că în memoria SRAM de date, în afară de secțiunea .data, o să fie pusă și stiva. Pentru a putea rula programul pe microcontroller-ul ATmega324 trebuie ca secțiunea .text să fie <32 KB și secțiunea .data să fie <2 KB.
Rezultatul compilării este fișierul main.hex. Acesta urmează a fi încărcat în microcontroller folosind regula upload.
Task 0 Începem prin a verifica setup-ul.
Task 1
Task 2
Task 3