Разработка баз данных и программного обеспечения

8. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 0-му каналу, если PВ7=0 иначе по 1-му каналу. Данные, в 8-ми разрядном формате, выводить в PORTС.

9. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 1-му каналу если PВ7=0 и РВ6=1 иначе по 0-му каналу. Данные, в 10-ти разрядном формате, выводить в PORTC и PORTD.

10. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 0-му каналу c выводом в PORTB и 1-му каналу с выводом в PORTD. Данные, в 8-ми разрядном формате.

11. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 0-му каналу в 8-ми разрядном формате. Данные выводить в PORTC 10 раз с интервалом 5с.

12. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 0-му каналу в 8-ми разрядном формате. Данные выводить с регулируемым интервалом в PORTB. Временной интервал регулировать по порту С.

Контрольные вопросы к лабораторной работе №2

1. Назначение подсистемы аналогового ввода сигналов (подсистемы АЦП) и примеры использования подсистемы.

2. Основные характеристик подсистемы аналогового ввода сигналов.

3. Форматы регистров ADMUX, ADSCR, их назначение и описание битов.

4. Программирование подсистемы аналогового ввода сигналов, привести пример настройки АЦП на преобразование сигнала.

5. Назначение источника опорного напряжения (ИОН), виды ИОН. Как выбрать ИОН.

6. Регистры данных АЦП ADCH/ADCL и форматы преставление данных. Привести пример считывания содержимого регистра данных АЦП.

7. Вектор прерывания АЦП и его назначение.

8. В чем отличие работы подсистемы аналогового ввода в режиме приоритетного прерывания и в режиме опроса флажка готовности АЦП?

9. От чего зависит точность преобразования АЦП?

Лабораторная работа №3.

Основы программирования микроконтроллеров

Цель работы: изучение назначения и особенностей архитектуры однокристальных микроконтроллеров; ознакомление с архитектурой и программной моделью AVR-микроконтроллеров; изучение этапов разработки ПО для встраиваемых микропроцессоров; приобретение навыков работы в среде AVR Studio

Краткие теоретические сведения

Микроконтроллеры составляют наиболее широкий класс микропроцессоров, используемых в приборах, устройствах и системах различного назначения. Микроконтроллер - это специализированный микропроцессор, предназначенный для построения устройств управления техническими объектами и технологическими процессами . Конструктивно микроконтроллер представляет собой большую интегральную схему (БИС), на кристалле которой размещены все составные части типовой вычислительной системы: микропроцессор, память, а также периферийные устройства для реализации дополнительных функций.

Так как все элементы микроконтроллера размещены на одном кристалле, их также называют однокристальными (однокорпусными) микроЭВМ или однокристальными микроконтроллерами. Цель применения микроконтроллеров - сокращение числа компонентов, уменьшение размеров и снижение стоимости приборов (систем).

Как правило, микроконтроллеры имеют RISC-архитектуру (RISC - Reduced Instruction Set Computer - вычислитель с сокращённым набором команд), незначительную ёмкость памяти, физическое и логическое разделение памяти программ и памяти данных, ориентированную на задачи управления систему команд. Таким образом, микроконтроллеры предназначены для решения задач управления, контроля, регулирования и первичной обработки информации и менее эффективны при реализации сложных алгоритмов обработки данных.

В состав типовой микроконтроллерной системы управления входит микроконтроллер и аппаратура его сопряжения с ОУ (рис. 3.14).

Рис. 3.14 Типовая структура системы управления на основе микроконтроллера:

ФСУ - формирователи сигналов управления; ИУ - исполнительные устройства; Д - датчики; ФСС - формирователи сигналов состояния

Микроконтроллер производит периодический опрос сигналов состояния объекта и в соответствии с заложенным алгоритмом генерирует последовательности сигналов управления. Сигналы состояния характеризуют текущие параметры объекта управления. Они формируются путём преобразования выходных сигналов датчиков (Д) с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) или формирователей сигналов состояния (ФСС); последние чаще всего выполняют функции гальванической развязки и формирования уровней. Сигналы управления, выработанные микроконтроллером, подвергаются преобразованию с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) или формирователей сигналов управления (ФСУ), в качестве которых применяются усилители мощности, оптроны, транзисторные и тиристорные ключи и др. Выходные сигналы ЦАП и ФСУ представляют собой соответственно аналоговые и дискретные управляющие воздействия, которые поступают на исполнительные устройства (ИУ). В системе могут быть также предусмотрены панель управления, устройство индикации и интерфейс для обмена информацией с внешними устройствами. В зависимости от назначения и характеристик конкретной системы некоторые из указанных элементов могут отсутствовать.

Разрядность выпускаемых микроконтроллеров варьируется от 4 до 64 бит. Наибольшее распространение получили 8-разрядные микроконтроллеры как пригодные для использования в различных приложениях и имеющие низкую стоимость. Характерными представителями таких устройств являются микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel.

AVR-микроконтроллеры - это 8-разрядные RISC-микроконтроллеры, отличительными особенностями которых являются наличие FLASH-памяти программ, широкий спектр периферийных устройств, высокая вычислительная производительность, а также доступность средств разработки программного обеспечения.

Универсальные AVR-микроконтроллеры входят в группы Tiny AVR и Mega AVR. Tiny AVR (ATtinyXХX) - дешёвые устройства с небольшим количеством выводов. Mega AVR (ATmegaXХX) - мощные AVR-микро-контроллеры, имеющие наибольшие объёмы памяти и количество выводов, а также максимально полный набор периферийных устройств.

Специализированные AVR-микроконтроллеры представлены группами LCD AVR (ATmega169, ATmega329) - микроконтроллеры для работы с жидкокристаллическими индикаторами; USB AVR (AT43USBXХX, AT76C711) микроконтроллеры с интерфейсом USB; DVD AVR (AT78CXХX) - контроллеры CD/DVD-приводов; RF AVR (AT86RFХХХ) - микроконтроллеры для построения систем беспроводной связи; Secure AVR (AT90SCXХХX, AT97SCXХХX) - микроконтроллеры для смарт-карт; FPGA AVR (AT94KXХAL) - AVR-микро-контроллеры, выполненные на одном кристалле с ПЛИС. Кроме того, ранее выпускалась группа Classic AVR (AT90SXXХX) - устройства, занимающие промежуточное положение между микроконтроллерами групп Mega и Tiny (заменены совместимыми усовершенствованными аналогами группы Mega).

Архитектура AVR-микроконтроллеров. AVR-микроконтроллеры содержат на кристалле следующие аппаратные средства: 8-разрядное процессорное ядро, память программ, оперативную память данных, энергонезависимую память данных, регистры ввода-вывода, схему прерываний, схему программирования, а также периферийные устройства (рис.3.15).

Рис. 3.15 Архитектура микроконтроллеров семейства AVR

Процессорное ядро (Central Processing Unit - CPU) AVR-микроконтроллеров содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры общего назначения (РОН), программный счётчик, указатель стека, регистр состояния, регистр команд, дешифратор команд, схему управления выполнением команд.

В АЛУ выполняются все вычислительные операции. Операции производятся только над содержимым РОН. На выборку содержимого регистров, выполнение операции и запись результата обратно в РОН затрачивается один машинный такт (один период тактовой частоты).

Регистры общего назначения представляют собой 8-разрядные ячейки памяти с быстрым доступом, непосредственно доступные АЛУ. В AVR-микро-контроллерах имеется 32 РОН.

Программный счётчик (Program Counter - PC) содержит адрес следующей выполняемой команды.

Указатель стека (Stack Pointer - SP) служит для хранения адреса вершины стека.

Регистр состояния (Status Register - SREG) содержит слово состояния процессора.

Регистр команд, дешифратор команд и схема управления выполнением команд обеспечивают выборку из памяти программ команды, адрес которой содержится в программном счётчике, её декодирование, определение способа доступа к указанным в команде аргументам и собственно выполнение команды. Для ускорения выполнения команд используется механизм конвейеризации, который заключается в том, что во время исполнения текущей команды программный код следующей выбирается из памяти и декодируется.

Память AVR-микроконтроллеров организована по схеме гарвардского типа - адресные пространства памяти программ и памяти данных разделены.

Память программ представляет собой перепрограммируемое ПЗУ типа FLASH и выполнена в виде последовательности 16-разрядных ячеек, так как большинство команд AVR-микроконтроллера являются 16-разрядными словами. Гарантируется не менее 10 000 циклов перезаписи. Память программ имеет размер от 2 до 256 Kбайт (от 1 до 128 Kслов).

Оперативная память данных представляет собой статическое ОЗУ

(SRAM - Static Random-Access Memory) и организована как последовательность 8-разрядных ячеек. Оперативная память данных может быть внутренней (до 16 Kбайт) и внешней (до 64 Кбайт).

Энергонезависимая (nonvolatile) память данных организована как последовательность 8-разрядных ячеек и представляет собой перепрограммируемое ПЗУ с электрическим стиранием (РПЗУ-ЭС, или EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read-only Memory). Энергонезависимая память данных имеет размер до 64 Кбайт.

Регистры ввода-вывода предназначены для управления процессорным ядром и периферийными устройствами AVR-микроконтроллера.

Схема прерываний обеспечивает возможность асинхронного прерывания процесса выполнения программы при определённых условиях.

К периферийным устройствам AVR-микроконтроллера относятся порты ввода-вывода, таймеры, счётчики, сторожевой таймер, аналоговый компаратор, аналого-цифровой преобразователь, универсальный асинхронный (синхронно-асинхроный) приёмопередатчик - УАПП (УСАПП), последовательный периферийный интерфейс SPI, интерфейс JTAG и др. Набором периферийных устройств определяются функциональные возможности микроконтроллера.

Обмен информацией между устройствами AVR-микроконтроллера осуществляется посредством внутренней 8-разрядной шины данных.

Программная модель AVR-микроконтроллеров. Программная модель микропроцессора представляет собой совокупность программно доступных ресурсов. В программную модель микроконтроллеров семейства AVR входят РОН, регистры ввода-вывода, память программ, оперативная память данных и энергонезависимая память данных (рис. 3.16).

РОН (R0…R31) могут использоваться в программе для хранения данных, адресов, констант и другой информации. Шесть старших регистров объединены попарно и составляют три 16-разрядных регистра Х [R27:R26], Y [R29:R28] и Z [R31:R30] (рис. 3.17).

Рис. 3.16 Программная модель AVR-микроконтроллеров

РОН, регистры ввода-вывода и оперативная память данных образуют единое адресное пространство. Адресное пространство - это множество доступных ячеек памяти, различимых по адресам; адресом называется число, однозначно идентифицирующее ячейку памяти (регистр). Адреса ячеек памяти традиционно записываются в шестнадцатеричной системе счисления, на что указывает знак $ в обозначении адреса.

Существует две конфигурации единого адресного пространства памяти AVR-микроконтроллеров. В конфигурации А младшие 32 адреса ($0000…

$001F) соответствуют РОН, следующие 64 адреса ($0020…$005F) занимают регистры ввода-вывода, внутренняя оперативная память данных начинается с адреса $0060. В конфигурации В начиная с адреса $0060 размещаются 160 дополнительных регистров ввода-вывода; внутренняя оперативная память данных начинается с адреса $0100. Конфигурация А используется в младших моделях микроконтроллеров и в некоторых старших моделях в режиме совместимости с моделями, снятыми с производства; конфигурация В - в старших моделях.

В память программ, кроме собственно программы, могут быть записаны постоянные данные, которые не изменяются в процессе работы микропроцессорной системы (константы, таблицы линеаризации датчиков и т. п.). Выполнение программы при включении питания или после сброса микроконтроллера начинается с команды, находящейся по адресу $0000 (т. е. в первой ячейке) памяти программ.

Энергонезависимая память данных предназначена для хранения информации, которая может изменяться непосредственно в процессе работы микропроцессорной системы (калибровочные коэффициенты, конфигурационные параметры и т. п.). Энергонезависимая память данных имеет отдельное адресное пространство и может быть считана и записана программным путём.

Система команд AVR-микроконтроллеров. Система команд (instruction set) микропроцессора представляет собой совокупность выполняемых микропроцессором операций и правил их кодирования в программе. Система команд AVR-микроконтроллеров включает команды (инструкции) арифметических и логических операций, команды ветвления, управляющие последовательностью выполнения программы, команды передачи данных и команды операций с битами. Всего в систему команд входит более 130 инструкций. Младшие модели микроконтроллеров не поддерживают некоторых из них.

Система команд AVR-микроконтроллеров приведена в приложении 1.

Программирование микроконтроллеров. Процесс разработки прикладного ПО устройств на основе однокристальных микроконтроллеров включает следующие этапы (рис. 3.18):

разработки алгоритма и структуры программы;

написания исходного текста программы;

получения выполняемой программы;

тестирования и отладки программы;

получения загрузочной программы.

Рис. 3.18 Последовательность разработки ПО для микроконтроллеров

На этапе разработки алгоритма и структуры программы выбирается метод решения задачи и разрабатывается алгоритм его реализации. Алгоритм - это набор правил или описание последовательности операций для решения определённой задачи или достижения некоторой цели. Графическим изображением алгоритма является схема алгоритма (flowchart), выполняемая в соответствии с ГОСТ 19.701-90 «Единая система программной документации. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения».

На этапе написания исходного текста программы разработанный алгоритм записывается в виде программы на исходном языке (ассемблере или языке высокого уровня).

Языком ассемблера называется язык программирования, в котором каждой команде процессора или совокупности команд процессора соответствует сокращённая символическая запись (мнемоника). Использование символического обозначения команд, а также адресов регистров и ячеек памяти, переменных, констант и других элементов программы существенно облегчает процесс составления программ по сравнению с программированием на уровне машинных кодов. Символические обозначения элементов обычно отражают их содержательный смысл. Язык ассемблера обеспечивает возможность доступа ко всем ресурсам программируемого микропроцессора (микроконтроллера) и позволяет создавать программы, эффективные как по быстродействию, так и по объёму занимаемой памяти. В этой связи программирование на языке ассемблера предполагает знание архитектуры и свойств микропроцессора, т. е. всего того, что входит в понятие «программная модель». Языки ассемблера различаются для разных типов микропроцессоров, т. е. являются машинно-ориентированными. В ряде ассемблеров допускается оформление повторяющейся последовательности команд как одной макрокоманды (макроса), такие ассемблеры называют макроассемблерами.

Языки высокого уровня (С, Паскаль, Бейсик и др.), как и ассемблер, обеспечивают доступ ко всем ресурсам микроконтроллера, но вместе с тем дают возможность создавать хорошо структурированные программы, снимают с программиста заботу о распределении памяти и содержат большой набор библиотечных функций для выполнения стандартных операций.

На этапе получения выполняемой программы исходный текст программы с помощью специальных средств (трансляторов, компиляторов, компоновщиков и др.) преобразуется в исполняемый код. Транслятором (translator) называют программу, служащую для перевода (трансляции) программ на языке ассемблера в машинный код, «понимаемый» процессором. Компилятор (compiler) представляет собой программу, преобразующую в эквивалентный машинный код текст программы на языке высокого уровня. Результатом работы транслятора или компилятора может быть как выполняемый загрузочный модуль, так и объектный модуль (программа, команды, переменные и константы которой не «привязаны» к конкретным адресам ячеек памяти). Для построения выполняемой программы из объектных модулей применяется компоновщик (редактор связей, linker). В процессе получения выполняемой программы из исходного текста программы устраняются синтаксические ошибки, состоящие в нарушении правил синтаксиса используемого языка программирования.

На этапе тестирования и отладки программы производится поиск, локализация и устранение в ней логических ошибок. Тестирование служит для обнаружения в программе ошибок и выполняется с использованием некоторого набора тестовых данных. Тестовые данные должны обеспечивать проверку всех ветвей алгоритма. При тестировании программы могут подвергаться проверке также некоторые показатели системы, связанные с программой (например, объём кодов и данных). После тестирования программа должна быть подвергнута отладке (debug), задачей которой является локализация ошибки, т. е. нахождение места в программе, вызывающего ошибку.

Тестирование и отладка программы могут привести (и, как правило, приводят) к необходимости возврата к ранним этапам процесса разработки программы для устранения ошибок в постановке задачи, разработке алгоритма, написании исходного текста и т. д. Таким образом, процесс разработки программы, как и весь процесс проектирования, является итерационным.

На этапе получения загрузочной программы производится «освобождение» программы от лишних фрагментов, использовавшихся для тестирования и отладки. Эти фрагменты увеличивают объём программы и не нужны при нормальном функционировании микропроцессорной системы. Далее полученная загрузочная программа заносится в память микроконтроллера.

По завершении процесса разработки производится документирование, т. е. составление комплекта документов, необходимых для эксплуатации и сопровождения программы. Сопровождение программы (program maintenance) - это процесс внесения изменений, исправления оставшихся ошибок и проведения консультаций по программе, находящейся в эксплуатации. Виды программных документов регламентированы ГОСТ 19.101-77 «Единая система программной документации. Виды программ и программных документов».

Разработка ПО для встраиваемых микропроцессоров производится на персональном компьютере с использованием специальных программных и аппаратных средств. Такой способ создания ПО носит название кросс-разработки. Совокупность аппаратных и программных средств, применяемых для разработки и отладки ПО, объединяют общим наименованием средства поддержки разработки. В настоящем лабораторном практикуме процесс разработки ПО изучается на примере языка ассемблера AVR-микроконтроллеров. Создание исходного текста программы, трансляция и отладка выполняются в интегрированной среде разработки (Integrated Development Environment - IDE) AVR Studio4.

Работа в среде AVR Studio4. В состав среды AVR Studio4 входит редактор исходных текстов, транслятор с языка ассемблера, отладчик и симулятор.

Транслятор работает с исходными программами на языке ассемблера, содержащими метки, директивы, команды и комментарии. Метка представляет собой символическое обозначение адреса (последовательность символов, заканчивающаяся двоеточием). Метки используются для указания места в программе, в которое передается управление при переходах, а также для задания имён переменных. Директивы являются инструкциями для транслятора и не заносятся в исполняемый код программы (список директив приведён в приложении 3). Директивы могут иметь один или несколько параметров. Команды записываются в программе в виде мнемонического обозначения выполняемой операции и могут иметь один или несколько операндов, т. е. аргументов, с которыми они вызываются. Транслятор позволяет указывать операнды в различных системах счисления: десятичной (по умолчанию, например, 15, 154), шестнадцатеричной (префикс 0х или $, например, 0x0f, $0f, 0x9a, $9a), восьмеричной (префикс - нуль, например, 017, 0232) и двоичной (префикс 0b, например, 0b00001111, 0b10011010). Строка программы должна быть не длиннее 120 символов и может иметь одну из четырёх форм:

[метка:] .директива [параметры] [;Комментарий]

[метка:] команда [операнды] [;Комментарий]

[;Комментарий]

[Пустая строка]

Позиции в квадратных скобках необязательны. Текст после точки с запятой и до конца строки является комментарием и транслятором игнорируется. Включение в текст программы комментариев является признаком хорошего стиля программирования и облегчает её сопровождение. Кроме того, улучшению читаемости также способствует форматирование текста программы. При программировании на ассемблере выполнение этих правил особенно важно, так как программы на языке ассемблера неудобочитаемы.

Указать тип микроконтроллера, для которого транслируется программа, позволяет директива .device, например:

.device ATmega8535; программа для микроконтроллера ATmega8535

При наличии в программе команд, не поддерживаемых указанным в директиве микроконтроллером, транслятор выдаёт соответствующее предупреждение.

Входным для транслятора является файл <имя_файла>.asm с текстом программы на языке ассемблера. Транслятор создаёт четыре новых файла: файл листинга (<имя_файла>.lst), объектный файл (<имя_файла>.obj), файл-прошивку памяти программ (<имя_файла>.hex) и файл-прошивку энергонезависимой памяти данных (<имя_файла>.eep).

Файл листинга - это отчёт транслятора о своей работе. На рис. 6 приведена часть листинга трансляции программы, в которой числа 2, 5 и 19 заносятся соответственно в регистры R17, R18 и R19; вычисляются произведение и сумма содержимого регистров R17 и R18; из суммы содержимого регистров R17 и R18 вычитается содержимое регистра R19. Листинг содержит исходный текст транслируемой программы, каждой команде которой поставлены в соответствие машинные коды (правый столбец чисел) и адреса ячеек памяти программ, в которых они будут размещены (левый столбец чисел). Машинные коды и адреса приводятся в шестнадцатеричной системе счисления. Например, строка листинга с командой ADD содержит следующую информацию: 0f12 - машинный код команды; 000004 - адрес размещения данной команды в памяти программ.

Объектный файл имеет специальный формат и используется для отладки программы с помощью симулятора-отладчика среды AVR Studio. Файл прошивки памяти программ служит для занесения отлаженной программы в память программ микроконтроллера. Файл прошивки EEPROM-памяти данных предназначен для загрузки информации в энергонезависимую память данных. Операции загрузки памяти программ и энергонезависимой памяти данных выполняются с помощью специальных аппаратных средств (программаторов).

Индивидуальные задания к выполнению лабораторной работы №3

Составить программу вычисления произведения и суммы двух чисел А и В, находящихся в РОН. Из суммы А и В вычесть число С. За основу взять программу, приведённую на рис. 3.19. Числа изменить в соответствии с заданным вариантом (табл. 3.1). В начало программы поместить директиву .device для микроконтроллера ATmega8535 (здесь и далее предполагается использование микроконтроллера ATmega8535). В комментариях указать фамилию и номер группы.

Таблица 3.1

№ варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
А	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
В	100	99	98	97	96	95	94	93	92	91	90	89	88	87	86
С	50	51	52	53	54	55	56	57	58	59	60	61	62	63	64
№ варианта	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
А	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
В	85	84	83	82	81	80	79	78	77	76	75	74	73	72	71
С	65	66	67	68	69	79	71	72	73	74	75	76	77	78	79

Выполнить разработку программы в среде AVR Studio4, проделав следующие операции.

1. Создать новый проект, воспользовавшись командой New Project меню Project. В появившемся диалоговом окне в поле Project Name ввести имя создаваемого проекта без расширения (информация о проекте сохраняется в файле с расширением .aps). В поле Location указать место размещения файлов проекта на диске (путь); в поле Project type выбрать пункт AVR Assembler (исходные тексты программ разрабатываются на языке ассемблера). Для создания файла исходной программы установить флажок Create initial File. Задать имя файла программы, отличающееся от имени проекта, можно в поле Initial File (расширение .asm файлов программ на ассемблере устанавливается автоматически). Создание каталога для хранения файлов проекта обеспечивается установкой флажка Create Folder. Рекомендуется каждый проект размещать в отдельном каталоге. Нажать кнопку «Next».

2. В группе Select debug platform and device в поле Debug Platform указать способ отладки создаваемого проекта - AVR Simulator (симулятор-отладчик), в поле Device выбрать тип микроконтроллера, для которого создаётся программа (ATmega8535). Нажать кнопку «Finish». На экране появится дерево иерархии проекта (окно Workspace, закладка Project) и окно редактора исходных текстов программ.

Если при создании проекта не был установлен флажок Create initial file, создать файл исходного текста программы можно командой New File меню File.

3. Ввести и отредактировать текст программы. Сохранить файл, воспользовавшись командой Save меню File. Если файл с исходным текстом программы уже существует, его можно включить в проект командой Add existing File меню Project или контекстного меню окна иерархии проекта при выделенной группе Assembler.

4. Провести трансляцию созданной программы, воспользовавшись командой Build and run меню Project (или сочетанием клавиш Ctrl+F7 на клавиатуре). Перед трансляцией убедиться, что установлен флажок List file в диалоговом окне AVR Assembler, вызов которого осуществляется командой AVR Assembler Setup меню Project (это необходимо для создания листинга трансляции). По окончании трансляции в окне Output на закладке Build появится информация о результатах трансляции. Открыть файл листинга можно из дерева иерархии проекта (окно Workspace, закладка Project). После этого с помощью команды Save Project меню Project сохранить изменения в файле проекта.

Дополнительное задание: ознакомиться с техническим описанием микроконтроллера ATmega8535 «ATmega8535 Data Sheet» фирмы Atmel.

Примечания: 1. Создаваемые файлы следует размещать ТОЛЬКО в каталогах, специально выделенных для этого администратором дисплейного класса.

2. Некоторые команды программы AVR Studio доступны из панели инструментов.

3. Распечатку программ и листингов трансляции обеспечивает команда Print меню File, предварительный просмотр - команда Print Preview меню File, настройку параметров печати - команда Print Setup меню File.

Содержание отчета

Отчёт должен содержать: титульный лист с указанием номера и названия лабораторной работы, номера группы и фамилий выполнивших работу; цель работы; схему программной модели AVR-микроконтроллера; перечень этапов разработки прикладного ПО для встраиваемых МП (МК); распечатку листинга трансляции созданной программы с расшифровкой одной из строк.

Контрольные вопросы

Назначение однокристальных микроконтроллеров.

Особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров.

Архитектура и программная модель AVR-микроконтроллеров.

Этапы разработки ПО для встраиваемых микропроцессоров.

Формат строки программы на ассемблере для AVR-микроконтроллеров.

Состав листинга трансляции.

3.1.2 Методическое обеспечение комплекса для выполнения лабораторных и практических работ по дисциплине «Применение микропроцессоров»

Рассматриваемый ниже, набор работ, позволяет провести цикл лабораторных работ и практических занятий по дисциплине «Применение микропроцессоров». Набор включает в себя 3 работы, рассматриваемые ниже.

Лабораторная работа №1.

Подсистема памяти микроконтроллера

Цель работы. Изучение принципов построения подсистемы памяти МК. Разработка и отладка обращения к EEPROM.

Краткие теоретические сведения

EEPROM память данных. EEPROM память данных организована как отдельное пространство данных с возможность считывания и записи отдельного байта. EEPROM обеспечивает 100000 циклов стирания/записи. Взаимодействие между EEPROM и CPU определяется регистром адреса EEARH_L, регистром данных EEDR и регистром управления EECR.

Назначение битов регистра управления:

· D7-D4 - зарезервированны.

· D3-EERIE - разрешение прерывания по готовности EEPROM.

· D2-EEMWE - управление записью в EEPROM, при установленном бите и бите EEWE производится запись байта данных из регистра данных в EEPROM по адресу хранящемуся в регистрах адреса.

· D1-EEWE - разрешение записи EEPROM, процесс записи выполняется следующим образом:

1. Подождать, пока EEWE не сброситься.

2. Записать новый адрес в EEARH_L.

3. Записать данные в регистр данных EEDR.

4. Установить EEMWE в «1»

5. В течение 4 тактовых циклов после установки EEMWE установить в единичное состояние EEWE.

· D0-EERE - разрешение чтения. сигнал является командой чтения данных из ячейки памяти, адрес которой находится в регистрах адреса.

Пример программ обращения к EEPROM.

;подпрограмма записи данных в EEPROM

EEPROM_write:

cli

;ожидание завершение предыдущей записи

EE_W:

sbic EECR,EEWE

rjmp EE_W

;запись адреса в (r27:r26)

out EEARH, XH

out EEARL, XL

;запись данных (r16) в регистр данных

out EEDR, r16

;установка бита EECR регистра EEMPE в 1

sbi EECR,EEMWE

;инициализация записи в EEPROM

sbi EECR,EEWE

sei

ret

;подпрограмма чтения данных из EEPROM

EEPROM_read:

cli

;ожидание завершение предыдущей записи

EE_r:

sbic EECR,EEWE

rjmp EE_r

;запись адреса в (r27:r26)

out EEARH, XH

out EEARL, XL

;инициализация чтения EEPROM установкой EERE

sbi EECR,EERE

;чтение данных с регистра данных

in temp,EEDR

sei

ret

Индивидуальные задания к выполнению лабораторной работе №1

Разработать программу (варианты)

1. считывания данных из EEPROM и записи их в PA.

2. считывания данных из порта C и записи в EEPROM.

3. перемещения данных из EEPROM в ОЗУ.

4. перемещения данных из ОЗУ в EEPROM.

5. перестановки массива из 10 чисел, расположенных в EEPROM.

6. записи трех двухбайтовых чисел из портов А и В в EEPROM.

7. преобразования аналогового сигнала в код с сохранением результата в EEPROM по сигналу «Запрос прерывания» от АЦП.

8. определения суммы 2-х байтовых чисел, расположенных в различных областях EEPROM. Результат сохранить вместо первого операнда.

9. определения разности 2-х байтовых чисел, расположенных в различных областях EEPROM. Результат сохранить вместо первого операнда.

10. использования EEPROM и порта С для формирования временных диаграмм заданного вида (см. табл. ххх).

Контрольные вопросы к лабораторной работе №1

1. Назначение блока памяти EEPROM и основные параметры EEPROM.

2. Что означает «единое адресное пространство памяти» МК?

3. Формат регистра управления ECR и назначение битов регистра управления.

4. Как определить сегмент данных в EEPROM?

5. Как резервировать ячейки в EEPROM для хранения байтов или слов?

6. Приведите и прокомментируйте подпрограмму записи данных в EEPROM.

7. Приведите и прокомментируйте подпрограмму чтения данных из EEPROM.

8. Вектор прерывания от EEPROM. Назначение и пример использования.

9. Методы программирования памяти микроконтроллера.

Лабораторная работа №2.

Универсальный асинхронный приемопередатчик - UART

Цель работы. Изучение принципа работы UART порта. Получение навыков использования UART порта для приема/передачи данных. Разработка и отладка управляющих программ приема/передачи и программ обработки данных.

Краткие теоретические сведения

Последовательный порт UART используется, для организации обмена данными между несколькими устройствами в последовательном коде. По порту можно одновременно и передавать и получать данные. Для этого используются отдельные линии связи. Скорость приема-передачи можно изменять программно. Разрядность данных может быть 8 или 9 бит.

Управление портом производится с помощью регистров: UDR, UCSRnA, UCSRnB, UCSRnC , UBRRnL и UBRRnH (более подобно см. раздел 2.10)

Пример программирования UART порта.

Фрагменты программы, реализующие настройку порта, передачу и прием данных.

;------------------------------------------------------------

;Инициализация передатчика

ldi r16, 0x55

out UBRRl, $55 ;установка скорости передачи

ldi r16, (1<<RXEN)|(1<<TXEN) ;активация УСАПП

out UCSRB,r16

;установка формата кадра передачи: 8-data, 2-stop bit

ldi r16, (1<<URSEL)|(1<<USBS)|(3<<UCSZ0)

out UCSRC,r16

ret

;------------------------------------------------------------

;Передачи данных

Transmit:

sbis UCSRA,UDRE ;ожидание готовности передачи

rjmp Transmit

out UDR,r16 ;поместить данные в буфер

ret

;------------------------------------------------------------

;Прием данных

Receive:

sbis UCSRA, RXC ;ожидания приёма данных

rjmp Receive

in r16, UDR ;получения принятых данных из буфера

ret

Индивидуальные задания к выполнению лабораторной работы №2

(прием и передачу осуществить по сигналу «Запрос прерывания» и по опросу флажка готовности UART)

1. Разработать программу передачи 3-х байт данных, расположенных в ОЗУ. Передачу осуществлять в 8-ми битном режиме с минимальной скоростью.

2. Разработать программу приема 3-х байт данных. Прием осуществлять в 8-ми битном режиме с минимальной скоростью. Данные сохранить в ОЗУ.

3. Разработать программу передачи данных из порта В. Передачу осуществлять в 9-ти битном режиме с контролем по четности.

4. Разработать программу приема байта данных. Прием осуществлять в 9-ти битном режиме с максимальной скоростью. Данные выводить в PORTC.

5. Разработать программу передачи 10-ти байтов данных, расположенных в ОЗУ. Передачу осуществлять по сигналу внешнего прерывания INT0 в 8-ми битном режиме.

6. Разработать программу обмена данными двух УЛС по UART порту.

7. Разработать программу одновременного приема и передачи данных по UART порту.

8. Разработать программу передачи подпрограмм и запуска их на приемной стороне по окончании приема.

Контрольные вопросы к лабораторной работе №2

1. Назначение UART порта МК и его основные характеристики.

2. Формат регистра статуса UART-порта и назначение битов регистра. Привести пример использования регистра статуса UART порта.

3. Регистр управления UART-порта и назначение битов регистра. Привести пример использования регистра управления UART порта.

4. Назначение бод-генератор (Baud Rate Generator) UART порта и регистра бод-генератора UART- UBRR.

5. Назначение регистра данных UDR UART-порта.

6. Для чего проводится тестирование выборки битов принимаемых символов?

7. Формат кадра и его содержание. Назначение старт - и стоп-битов

8. Привести пример считывания содержимого регистра статуса UART-порта, записи данных в регистры: бод-генератора UART, управления и данных UART-порта.

9. Каким образом задается скорость приема/передачи данных.

10. Вектора прерываний UART-порта и их назначение. Привести пример организации приема/передачи в режиме прерывания.

11. Привести схему соединения приемника и передатчика по UART-порта.

12. Режимы работы UART-порта и их отличительные особенности.

13. Приведите временные диаграммы приема/передачи информации по UART-порту.

14. В чем различие между UART-портом МК и последовательным интерфейсом RS-232?

Лабораторная работа №3.

Параллельные порты ввода/вывода микроконтроллера

Цель работы: Изучение принципа работы портов. Получение навыков использования параллельных портов для ввода/вывода данных. Разработка и отладка управляющих программ и программ ввода/вывода данных.

Краткие теоретические сведения.

Микроконтроллер ATmega8535 имеет 4 восьмиразрядных параллельных порта ввода-вывода: PA, PB, PC и PD. В состав каждого порта входят 3 регистра ввода-вывода с именами DDRх, PORTх, PINх (где х=A, B, C и D. например, порт A имеет регистры DDRA, PORTA, PINA). Регистр PINх не имеет аппаратной реализации. Это имя используется в командах, по которым выполняется чтение байтов на выводах порта.

Состояния разрядов регистра DDRх определяет направление передачи бита через выводы порта. Если i-й разряд регистра DDRх равен 1, то соответствующий вывод порта работает в режиме выхода, а если равен нулю, то в режиме входа.

Например, следующие две команды настраивают порт PB на вывод данных:

ser r16 ;установить все биты регистра r16 в “1”.

;в r16 записывается число $FF.

out DDRB, r16 ;вывести содержимое r16 в регистр DDRB.

;все 8 разрядов порта B настроены на вывод.

Значение входного сигнала на отдельном выводе порта может быть определено с использованием команд условного перехода. Например:

SBIC PINA, 5 ; пропустить следующую команду, если 5-ый бит в порте А установлен

SBIS PINC, 7 ;пропустить следующую команду, если 7-ый бит в порте А сброшен.

При пуске и перезапуске микроконтроллера все разряды регистров DDRх и PORTх всех портов сбрасываются в нулевое состояние и выводы портов работают в режиме входов и находятся в Z состоянии.

Пример программы управления ввод/выводом по параллельным портам.

Программная реализация 8 разрядного распределителя импульсов (порт РА) с программно изменяемой скоростью (порт РВ).

Порт А настаиваем на вывод, а порт В - на ввод.

.include "m8535def.inc"

;---------------------------------------------------------------

;Инициализация стека

ldi r16,low(ramend) ;загрузить в r16 младший байт RAMEND

out spl,r16 ;вывести значение r16 в SPL

ldi r16,high(ramend) ;загрузить в r16 старший байт RAMEND

out sph,r16 ;вывести значение r16 в SPH

;---------------------------------------------------------------

;Инициализация портов МК

clr r16 ;сброс всех битов в регистре r16

out ddrd,r16 ;настраиваем все биты PORTD на ввод

ser r16 ;устанавливаем все биты в регистре r16

out ddra,r16 ;настраиваем все биты PORTA на вывод

;---------------------------------------------------------------

;Основная программа

ldi r18,$01 ;записываем в r16 1

start:

rol r16 ;команда циклического сдвига влево

out porta,r18 ;вывод содержимого r18 в PORTA

rcall delay ;вызов подпрограммы формирование задержки

rjmp start ;команда безусловного перехода на метку Start

delay: ;подпрограмма формирования временной задержки

in r16,portd ;вводим значения из PORTD в r16

m:

dec r16 ;уменьшаем на 1 содержимое r16

breq m ;если не равно 0 переходим на метку m

ret ;выход их подпрограммы

Индивидуальные задания к выполнению лабораторной работы №3

1. Разработать программу для подсчета количества единиц в 8 разрядном слове порта РВ. Результат записать в РС, если РВ0=1, иначе в РА.

2. Разработать программу для реализации 8 разрядного двоичного счетчика (порт РС). Режим суммирования при РВ0=1, режим вычитания РВ0=0.

3. Разработать программу реализации 8 разрядного распределителя импульсов. Сдвиг слева направо, если PD0=1, справа налево, если PD0=0.

4. Разработать программу для реализации 8 разрядного двоичного счетчика в режиме суммирования (порт РD). При РА0 = 1 с шагом +1импульс, а при РА0=0 с шагом +2 импульса.

5. Разработать программу для реализации 8 разрядного двоичного счетчика в режиме суммирования (порт РD) с прогаммно-изменяемой скоростью работы. Скорость определяется значением порта С.

6. Разработать программу для реализации следующих логических условий: если (РА0=1 и РС0=1) или РА3=1, то записать в РD число FF, иначе в РD число 00.

7. Разработать программу для реализации следующих логических условий: если РА0 = 1 или РС0 = 1, то вызов подпрограммы сдвига данных влево и запись их в РА, иначе -вправо.

8. Разработать программу формирования на выводах параллельного порта МК временных диаграмм заданного вида (см. таблицу 3.2).

Таблица 3.2

№ варианта	Временная диаграмма	№ варианта	Временная диаграмма
1		3
2		4

Контрольные вопросы к лабораторной работе №3

1. Назначение параллельных портов МК.

2. Приведите примеры применения параллельных портов.

3. Как производит настройка параллельных портов на ввод или вывод данных? Приведите пример настройки портов.

4. Какие регистры используются для настройки параллельных портов?

5. В чем отличие регистров DDRx, PORTx и PINx (где x-A, B, С, D и т.д.)

6. Назначение регистров DDRx, PORTx и PINx параллельных портов.

7. Перечислите команды обращения к портам и приведите их форматы.

8. Привести схему подключения набора кнопок и светодиодной линейки индикации к параллельным портам МК. Разработать программу отображения состояния кнопок на светодиодной линейке индикации.

4. Техническая часть дипломной работы

4.1 Аппаратное (техническое) обеспечение комплекса

Высшее учебное заведение, реализующее основную образовательную программу специалиста по медицинской технике, должно располагать материально-технической базой, соответствующей действующим санитарно-техническим нормам и обеспечивающей проведение всех видов лабораторной, практической, дисциплинарной и междисциплинарной подготовки и научно-исследовательской работы студентов, предусмотренных примерным учебным планом.

Лаборатории высшего учебного заведения должны быть оснащены широкими наборами типовых и модульных узлов и элементов, промышленными образцами приборов и систем, которые обеспечивают практическое изучение методов, приборов и технологий в соответствии с содержанием основной образовательной программы.

Для проведения лабораторных работ требуется компьютерный класс на базе IBM PC и макетная плата. Для выполнения работ необходимо установить на компьютерах программные пакеты AVR Studio4 и PonyProg2000.

Макетная плата собрана на двусторонней печатной плате размерами __ X __ на плате размещены:

· ЖКИ

· Набор светодиодов

· Кнопки для имитации дискретных сигналов ввода

· Разъемы для коммутации цепей

· Разъемы для подключения к ПК

Требования к персональному компьютеру:

Intel/AMD 1,6 GHz, Windows XP (32Bit), 256 Mb RAM, 128 Mb Graphics-card. Для проведения лабораторных работ, необходимо установить программные пакеты AVR Studio4 и PonyProg2000.

4.1.1 Разработка и описание структурной схемы комплекса

Результаты анализа технического задания и библиографической проработки темы дипломной работы позволяют предложить структурную схему учебно-лабораторного комплекса, приведенную на рис 4.1.

Схема состоит из четырех основных частей:

1. Методическое обеспечение комплекса

2. Макетная часть комплекса

3. Виртуальная часть комплекса

4. Персональный компьютер

Методическая часть включает в себя методическое обеспечение всего комплекса и оформлена в виде методических указаний для выполнения лабораторных и практических работ по дисциплинам: «Разработка баз данных и программного обеспечения» и «Применение микропроцессоров».

Макетная часть выполнена на двухсторонней печатной плате и имеет структурную схему приведенную на рис 4.2.

Схема включает в себя: генератор тактовых импульсов, адаптер RS232, Набор кнопок с индикацией, набор светодиодов, включатель блока питания, цифро-аналоговый преобразователь, усилитель сигнала управления, аналоговые датчики, задающее устройство, схема часов реального времени, генератор кварцевый (для часов), батарейка, контроллер ЖКИ, жидкокристаллический индикатор.

Виртуальная часть комплекса представляет собой набор прикладных программ (интерпретаторы, программаторы) с помощью которых происходит связь между персональным компьютером и макетной частью.

Компьютер (англ. computer -- вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами

Рис 4.3 Основные составные части персонального компьютера

1 -- Монитор, 2 -- Материнская плата, 3 -- Центральный процессор, 4 -- Оперативная память, 5 -- Карты расширений, 6 -- Блок питания, 7 --Оптический привод, 8 -- Жесткий диск, 9 --Компьютерная мышь, 10 -- Клавиатура.

4.1.2 Разработка и описание структурной схемы макетной платы комплекса

Макетная часть выполнена на двухсторонней печатной плате и имеет структурную схему приведенную на рис 4.2.

Схема включает в себя:

Микроконтроллер Atmega8535 семейства AVR, производства фирмы ATMEL, 8-восьмиразрядный, с тактовой частотой от 0 до 16 МГц. В своем составе имеет - Flash-память программ 8 Кбайт, ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) 512 байт, 512 байт EEPROM (электрически перепрограммируемая память), два 8-разрядных и один 16-разрядный таймеры/счетчики, 8-канальный 10-битный АЦП (аналого-цифровой преобразователь), программируемый последовательный интерфейс UART, последовательные интерфейсы SPI и I2C.

Генератор тактовых импульсов, обеспечивает формирование тактовых сигналов для внутренних модулей микроконтроллера.

Адаптер RS232, позволяет подключать отладочную плату к персональному компьютеру для двухстороннего обмена данными.

Набор кнопок с индикацией, предназначены для имитации дискретных сигналов ввода.

Набор светодиодов, линейка индикации дискретных сигналов вывода.

Включатель блока питания, предназначен для включения питания.

Цифро-аналоговый преобразователь, устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд)

Усилитель сигнала управления, усиливает входной сигнал управления.

Аналоговые датчики, являются элементом технических систем, предназначенных для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений.

Задающее устройство, предназначено для применения в схемах автоматического регулирования различных технологических процессов в качестве выносного токового задатчика, как вспомогательного блока к регулирующим приборам, в том числе и микпроцессорным

Схема часов реального времени.

Генератор кварцевый (для часов).

Батарейка, данный аккумулятор необходим для поддержки питания на микросхеме.

Для упрощения взаимодействия микропроцессорной системы и ЖКИ используют специализированную микросхему - контроллер (драйвер) ЖКИ. Он управляет пикселями жидкокристаллического дисплея и интерфейсной частью индикатора. Обычно такой контроллер входит в состав индикатора. В целом жидкокристаллический индикатор представляет собой печатную плату, на которой смонтирован сам дисплей, контроллер и необходимые дополнительные электронные компоненты.

Жидкокристаллический индикатор, дает возможность наглядно устанавливать (посредством кнопок настройки часов) и отображать текущее время и результаты работы АЦП.

4.1.3 Разработка и описание электрической, принципиальной схемы макетной платы комплекса

Электрическая принципиальная схема, соответствует структурной схеме, приведенной на рис 4.2, показана на рис 4.4. Схема содержит следующие основные элементы и узлы:

Кнопка включения напряжения питание SB9 (В качестве источника питания стенда используется блок питания компьютера+5В, что обеспечивает безопасность работы на стенде).

Светодиод HL17 индицирует наличие напряжения +5В.

Микросхема DD2 - микроконтроллер Atmega8535 семейства AVR, производства фирмы ATMEL, 8-восьмиразрядный, с тактовой частотой от 0 до 16 МГц. В своем составе имеет - Flash-память программ 8 Кбайт, ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) 512 байт, 512 байт EEPROM (электрически перепрограммируемая память), два 8-разрядных и один 16-разрядный таймеры/счетчики, 8-канальный 10-битный АЦП (аналого-цифровой преобразователь), программируемый последовательный интерфейс UART, последовательные интерфейсы SPI и I2C.

Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) LCD, подключенный к микроконтроллеру через параллельный порт (8 линий данных и 3 линии управления, разъемы ХP9 и ХP10 соответственно). ЖКИ дает возможность наглядно устанавливать (посредством кнопок настройки часов) и отображать текущее время и результаты работы АЦП.

Кнопки SB1…SB8 и светодиодные индикаторы HL1- HL8, предназначены для имитации дискретных сигналов ввода.

Линейка индикации дискретных сигналов вывода светодиодах HL9- HL16.

Резисторы переменного сопротивления R20, R21 для имитации датчиков угла поворота (задающее устройство в системах управления) или для формирования входного аналогового сигнала АЦП.

Кнопки-имитаторы внешних сигналов запроса прерывания S16, S17.

Кнопка S10 формирования одиночных импульсов (имитаторы импульсных датчиков)

Выходные ключи на оптопарах (U1, U2), с рабочим током 300mА и напряжением 30В, позволяет управлять нагрузкой.

Микросхема DD3 - преобразователь интерфейса RS232 в логические уровни, позволяет подключать отладочную плату к персональному компьютеру для двухстороннего обмена данными.

...