Программирование микроконторллера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Программирование микроконторллера

Введение

Микроконтроллеры используются во всех сферах жизнедеятельности человека, в устройствах, которые окружают его. С помощью программирования микроконтроллера можно решить многие практические задачи аппаратной техники.

Можно считать, что микроконтроллер (МК) - это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты; высокие производительность, надежность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.

Микроконтроллер содержит центральный процессор (ЦП) память и многочисленные устройства ввода/вывода: аналого-цифровые преобразователи, последовательные и параллельные каналы передачи информации, таймеры реального времени, широтно-импульсные модуляторы (ШИМ), генераторы программируемых импульсов и т.д. Его основное назначение - использование в системах автоматического управления, встроенных в самые различные устройства: кредитные карточки, фотоаппараты, сотовые телефоны, стиральные машины, микроволновые печи, системы охранной сигнализации, системы зажигания бензиновых двигателей, электроприводы локомотивов, ядерные реакторы и многое, многое другое. Встраиваемые системы управления стали настолько массовым явлением, что фактически сформировалась новая отрасль экономики, получившая название Embedded Systems (встраиваемые системы).

Достаточно широкое распространение имеют МК фирмы ATMEL, которые располагают большими функциональными возможностями.

Применение МК можно разделить на два этапа: первый - программирование, когда пользователь разрабатывает программу и прошивает ее непосредственно в кристалл, и второй - согласование спроектированных исполнительных устройств с запрограммируемым МК. Значительно облегчают отладку программы на первом этапе - симулятор, который наглядно моделирует работу микропроцессора. На втором этапе для отладки используется внутрисхемный эмулятор, который является сложным и дорогим устройством, зачастую недоступным рядовому пользователю.

В тоже время в литературе мало уделено внимания вопросам обучения программированию некоторых недорогих МК, в сочетании с реальными исполнительными устройствами.

Назначение и архитектура МК

Микроконтроллер - компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства. Эти устройства выполняют свои задачи под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера.

К наиболее распространенным встроенным устройствам относятся устройства памяти и порты ввода/вывода (I/O), интерфейсы связи, таймеры, системные часы. Устройства памяти включают оперативную память (RAM), постоянные запоминающие устройства (ROM), перепрограммируемую ROM (EPROM), электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM). Таймеры включают и часы реального времени, и таймеры прерываний. Средства I/O включают последовательные порты связи, параллельные порты (I/O линии), аналого-цифровые преобразователи (A/D), цифроаналоговые преобразователи (D/A), драйверы жидкокристаллического дисплея (LCD) или драйверы вакуумного флуоресцентного дисплея (VFD). Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.

Микроконтроллеры можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах. и даже кофеварках. Среди производителей микроконтроллеров можно назвать Intel, Motorola, Hitachi, Microchip, Atmel, Philips, Texas Instruments, Infineon Technologies (бывшая Siemens Semiconductor Group) и многих других. Для производства современных микросхем требуются сверхчистые помещения.

Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность данных, обрабатываемых арифметико-логическим устройством (АЛУ). По этому признаку они делятся на 4-, 8-, 16-, 32 - и 64-разрядные. Сегодня наибольшая доля мирового рынка микроконтроллеров принадлежит восьмиразрядным устройствам (около 50 % в стоимостном выражении). За ними следуют 16-разрядные и DSP-микроконтроллеры (DSP - Digital Signal Processor - цифровой сигнальный процессор), ориентированные на использование в системах обработки сигналов (каждая из групп занимает примерно по 20 % рынка). Внутри каждой группы микроконтроллеры делятся на CISC - и RISC-устройства. Наиболее многочисленной группой являются CISC-микроконтроллеры, но в последние годы среди новых чипов наметилась явная тенденция роста доли RISC-архитектуры.

Тактовая частота, или, более точно, скорость шины, определяет, сколько вычислений может быть выполнено за единицу времени. В основном производительность микроконтроллера и потребляемая им мощность увеличиваются с повышением тактовой частоты. Производительность микроконтроллера измеряют в MIPS (Million Instruсtions per Second - миллион инструкций в секунду).

Контроллеры требуются не только для больших систем, но и для малогабаритных устройств, таких как радиоприёмники, радиостанции, магнитофоны или сотовые аппараты. В таких устройствах к контроллерам предъявляются жёсткие требования по стоимости, габаритам и температурному диапазону работы. Этим требованиям не могут удовлетворить даже промышленные варианты универсального компьютера. Приходится вести разработку контроллеров на основе однокристальных ЭВМ, которые в свою очередь получили название микроконтроллеры. Любые устройства, в том числе и устройства связи, радиоавтоматики или аудиовизуальной аппаратуры требуют присутствия в своем составе устройства управления (контроллера). Контроллеры требуются практически во всех предметах и устройствах, которые окружают нас. Наиболее распространёнными в настоящее время являются микроконтроллеры семейства MCS-51. Это семейство поддерживается рядом фирм - производителей микросхем. Не менее распространёнными в мире являются микроконтроллеры фирмы Motorola. Это такие семейства как HC05, HC07, HC11 и многие другие. Пожалуй, не менее популярными микроконтроллерами являются микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel. Если представить все типы современных микроконтроллеров (МК), то можно поразиться огромным количеством разнообразных приборов этого класса, доступных потребителю. Однако все эти приборы можно разделить на следующие основные типы: встраиваемые (embedded) 8-разрядные МК; 16 - и 32-разрядные МК; цифровые сигнальные процессоры. Промышленностью выпускаются очень широкая номенклатура встраиваемых МК. В них все необходимые ресурсы (память, устройства ввода-вывода и т.д.) располагаются на одном кристалле с процессорным ядром [3]. Если подать питание и тактовые импульсы на соответствующие входы МК, то можно сказать, что он как бы "оживет" и с ним можно будет работать. Обычно МК содержат значительное число вспомогательных устройств, благодаря чему обеспечивается их включение в реальную систему с использованием минимального количества дополнительных компонентов. В состав этих МК входят:

Схема начального запуска процессора (Reset);

Генератор тактовых импульсов;

Центральный процессор;

Память программ (E (E) PROM) и программный интерфейс;

Средства ввода/вывода данных;

Таймеры, фиксирующие число командных циклов.

Общая структура МК показана на (Рис.1.1.) Эта структура дает представление о том, как МК связывается с внешним миром. Более сложные встраиваемые МК могут дополнительно реализовывать следующие возможности:

Встроенный монитор/отладчик программ;

Внутренние средства программирования памяти программ (ROM);

Обработка прерываний от различных источников;

Аналоговый ввод/вывод;

Последовательный ввод/вывод (синхронный и асинхронный);

Параллельный ввод/вывод (включая интерфейс с компьютером);

Подключение внешней памяти (микропроцессорный режим).

Все эти возможности значительно увеличивают гибкость применения МК и делают более простым процесс разработки систем на и основе.

Рис.1.1 Структура микроконтроллера.

Некоторые МК (особенно 16 - и 32-разрядные) используют только внешнюю память, которая включает в себя как память программ (ROM), так и некоторый объем памяти данных (RAM), требуемый для данного применения. Они применяются в системах, где требуется большой объем памяти и относительное не большое количество устройств (портов) ввода/вывода. Типичным примером применения такого МК с внешней памятью является котроллер жесткого диска (HDD) с буферной кэш-памятью, который обеспечивает промежуточное хранение и распределение больших объемов данных (порядка нескольких мегабайт). Внешняя память дает возможность такому микроконтроллеру работать с более высокой скоростью, чем встраиваемый МК.

Цифровые сигнальные процессоры (DSP) - относительно новая категория процессоров. Назначение DSP состоит в том, чтобы получать текущие данные от аналоговой системы, обрабатывать данные и формировать соответствующий отклик в реальном масштабе времени. Они обычно входят в состав систем, используясь в качестве устройств управления внешним оборудованием, и не предназначены для автономного применения.

Задание

Разработать программу на языке ASSEMBLER для микропроцессорного устройства, выполнить отладку в симуляторе ProW32. Алгоритм работы: компьютер микроконтроллер программа

D1 и D2 не замкнуты - на каждый импульс по входу Р 3.5 идет посегментное включение цифр от 0 до 5 на первом индикаторе, при этом с поступлением каждого импульса включается светодиод, D1-замкнут - идет посегментное включение букв с A по F на 2 индикаторе, D2- замкнут зажигание цифр от 5 до 9 на первом индикаторе с интервалом 2 сек. D3 -замкнут - прерывание, зажигание цифр от 0 до 9 с интервалом 1 сек на втором индикаторе.

Алгоритм работы

Рис.1. Алгоритм основной программы

Рис.2. Алгоритм прерываний

На рис.3 показано устройство и внутренняя схема индикатора с общим анодом.

Рис. 3. Устройство семисегментного индикатора с общим анодом

В качестве примера индикаторов с общим анодом можно привести такие, как АЛC 333, АЛС 324, АЛС 335 (с буквами Б,Г). Индикаторы с общим катодом - АЛС 333, АЛС 324, АЛС 335 (с буквами А,В).

Если подавать сигналы на соответствующие светодиоды, можно получать изображение нужных символов. Так, например, чтобы получить цифру 0, необходимо пропустить ток через светодиоды а, b, c, d, e, f. Таким образом, каждой цифре и букве соответствует свой код индикатора.

Рассмотрим коды цифр и букв для семисегментного индикатора, представленные в табл. 1.

Таблица 1

Программа

ORG 0000H;Основная программа

JMP INIT

ORG 0003H

INIT:

MOV IE,#01H; Настраиваем таймер и счетчик импульсов - T/C0-счетчик, T/C1- таймер

MOV TMOD,#00010101B

SETB TR0; Включение счетчика

SETB TR1; Включение таймера

SETB EA

START:

MOV TL0, #00H; Очистка TL0

D1 и D2 не замкнуты - на каждый импульс по входу Р 3.5 идет посегментное включение цифр от 0 до 5 на первом индикаторе, при этом с поступлением каждого импульса включается светодиод

TABLE: DB 0EEH, 60H, 2FH, 6DH, 0E1H, 0CDH; коды цифр для ЖК дисплея 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9.

CLR P2.7, DB; посегментное включение цифр

MOV R5, #1

MOV P2.3, #0FH; включаем светодиод

WAIT_D: JNB TF1, WAIT_D

DJNZ R5,WAIT_D

MOV R5,#5; Загрузка счетчика для отсчета 5

JMP START; Возврат в основной цикл

RET

DAT0:;Обработчик прерывания

JB P1.1, PR_D1;если D1 замкнут

JB P1.4, PR_D2;если D2 замкнут

JB P3.2, PR_D3;если D3 замкнут

JMP DAT0_END;иначе - выход

PR_D1: ; D1 замкнут - идет посегментное включение букв с A по F на 2 индикаторе

WAIT_OV1:

TABLE: DB 77H, 7CH, 39H, 5EH, 79H, 71H

CLR P2.0, DB ; посегментное включение букв

MOV R5, #1

WAIT_D: JNB TF1, WAIT_D

DJNZ R5,WAIT_D

MOV R5,#6; Загрузка счетчика для отсчета 6

JMP END_PULSE1

END_PULSE1: JNB TF1, WAIT_OV1

JMP DAT0_END

PR_D2:

MOV R5, #2; D2 -замкнут - зажигание цифр от 5 до 9 на первом индикаторе с интервалом 2 сек.

TABLE: DB,0CDH,0CFH,68H,0EFH, 0EDH;

MOV P2.7, DB; включаем цифры

WAIT_D21: JNB TF1, WAIT_D21

DJNZ R5,WAIT_D21

MOV R5,#2; Загрузка счетчика для отсчета 5 секунд

JMP DAT0_END

PR_D3: ;D3 замкнут - прерывание - зажигание цифр от 0 до 9 с интервалом 1 сек на втором индикаторе

WAIT_OV1:

CLR P2.0,#0FH; посегментное включение цифр

MOV R5, #1

WAIT_D: JNB TF1, WAIT_D

DJNZ R5,WAIT_D

MOV R5,#1; Загрузка счетчика для отсчета 1с

END_PULSE1: JNB TF1, WAIT_OV1

JMP DAT0_END

DAT0_END:

RETI

Заключение

Трудно представить сферу современной деятельности человека, где не использовались бы данные устройства. Телефоны, телевизоры, жидкокристаллические мониторы, кондиционеры, холодильники, компьютеры и многое другое не могут работать без микроконтроллеров. Микроконтроллеры намного лучше своих предшественников: ламп и полупроводников. Они намного меньших размеров и обладают большей производительностью.

В процессе выполнения работы был рассмотрен практический пример программирования микроконтроллера.

Применение микроконтроллеров в технике очень актуально. Так как они существенно ускоряют работу поставленной им задачи. Отсюда и важность их изучения и применения в устройствах.

В ходе работы была разработана программу на языке ASSEMBLER для микропроцессорного устройства, составлены алгоритмы программы, выполнена отладка в симуляторе ProW32.

Список литературы

1. К.А. Харахнин. Учебное пособие " Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики на однокристальных микроконтроллерах". - Череповец, 2007год.

2. А.В. Фрунзе - Микроконтроллеры 2002 год

Размещено на Allbest.ru