Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и молодежной политики

Реферат

По учебной дисциплине «Информационные технологии в профессиональной деятельности»

Тема «Программирование микроконтроллеров»

2021

Оглавление

Введение

1. Назначение и область применения, их архитектура

2. Среды программирования. Схемы подключения микроконтроллера

Вывод

Список используемых источников

Введение

Микроконтроллер (MCU) микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров. Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах, таких, как телефоны, стиральные машины и т. п. Термин микроконтроллер (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин однокристальная микро-ЭВМ. Первый же патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только микропроцессор, но и память, устройства ввода-вывода. На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с I8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, шестнадцатибитные MSP430 фирмы TI, а также ARM, архитектуру которых разрабатывает фирма ARM и продаёт лицензии другим фирмам для их производства, процессоров микроконтроллеры.

Существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д.

1. Назначение и область применения, их архитектура

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.

В отличие от микроконтроллера контроллером обычно называют плату, построенную на основе микроконтроллера, но достаточно часто при использовании понятия "микроконтроллер" применяют сокращенное название этого устройства, отбрасывая приставку "микро" для простоты. Также при упоминании микроконтроллеров можно встретить слова "чип" или "микрочип", "кристалл" (большинство микроконтроллеров изготавливают на едином кристалле кремния), сокращения МК или от английского microcontroller - MC.

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).

Термин контроллер образовался от английского слова to control - управлять. Эти устройства могут основываться на различных принципах работы от механических или оптических устройств до электронных аналоговых или цифровых устройств. Механические устройства управления обладают низкой надежностью и высокой стоимостью по сравнению с электронными блоками управления, поэтому в дальнейшем мы такие устройства рассматривать не будем. Электронные аналоговые устройства требуют постоянной регулировки в процессе эксплуатации, что увеличивает стоимость их эксплуатации. Поэтому такие устройства к настоящему времени почти не используются. Наиболее распространенными на сегодняшний день схемами управления являются схемы, построенные на основе цифровых микросхем.

В зависимости от стоимости и габаритов устройства, которым требуется управлять, определяются и требования к контроллеру. Если объект управления занимает десятки метров по площади, как, например, автоматические телефонные станции, базовые станции сотовых систем связи или радиорелейные линии связи, то в качестве контроллеров можно использовать универсальные компьютеры. Управление при этом можно осуществлять через встроенные порты компьютера (LPT, COM, USB или Ethernet). В такие компьютеры при включении питания заносится управляющая программа, которая и превращает универсальный компьютер в контроллер.

Использование универсального компьютера в качестве контроллера позволяет в кратчайшие сроки производить разработку новых систем связи, легко их модернизировать (путём простой смены программы) а также использовать готовые массовые (а значит дешёвые) блоки.

Если же к контроллеру предъявляются особенные требования, такие, как работа в условиях тряски, расширенном диапазоне температур, воздействия агрессивных сред, то приходится использовать промышленные варианты универсальных компьютеров. Естественно, что эти компьютеры значительно дороже обычных универсальных компьютеров, но всё равно они позволяют экономить время разработки системы, за счёт того, что не нужно вести разработку аппаратуры контроллера.

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 приоры 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.

Система команд.

В зависимости от числа используемых кодов операций системы команд МК можно разделить на две группы: CISCи RISC. Термин CISC означает сложную систему команд и является аббревиатурой английского определения ComplexInstructionSetComputer. Аналогично термин RISC означает сокращенную систему команд и происходит от английского ReduceInstructionSetComputer. Систему команд МК 8051 можно отнести к типу CISC. Однако, не смотря на широкую распространенность этих понятий, необходимо признать, что сами названия не отражают главного различия между системами команд CISC и RISC. Основная идея RISC архитектуры - это тщательный подбор таких комбинаций кодов операций, которые можно было бы выполнить за один такт тактового генератора. Основной выигрыш от такого подхода - резкое упрощение аппаратной реализации ЦП и возможность значительно повысить его производительность.

Очевидно, что в общем случае одной команде CISC соответствует несколько команд RISC. Однако обычно выигрыш от повышения быстродействия в рамках RISC перекрывает потери от менее эффективной системы команд, что приводит к более высокой эффективности RISC систем в целом по сравнению с CISC.

Однако в настоящее время грань между CISC и RISC архитектурой стремительно стирается. Например, МК семейства AVRфирмы Atmelимеют систему команд из 120 инструкций, что соответствует типу CISC. Однако большинство из них выполняется за один такт, что является признаком RISC архитектуры. Сегодня принято считать, что признаком RISC архитектуры является выполнение команд за один такт тактового генератора. Число команд само по себе значения уже не имеет.

Типы памяти МК.

Можно выделить три основных вида памяти, используемой в МК:

а) память программ ;

б) память данных ;

в) регистры МК.

Память программ представляет собой постоянную память, предназначенную для хранения программного кода и констант. Эта память не изменяет содержимого в процессе выполнения программы. Память данных предназначена для хранения переменных в ходе выполнения программы.

2. Среды программирования. Схемы подключения микроконтроллера

микроконтроллер программа память подключение

Программная среда "AVR Studio" - это мощный современный программный продукт, позволяющий производить все этапы разработки программ для любых микроконтроллеров серии AVR. Пакет включает в себя специализированный текстовый редактор для написания программ, мощный программный отладчик.

Кроме того, "AVRStudio" позволяет управлять целым рядом подключаемых к компьютеру внешних устройств, позволяющих выполнять аппаратную отладку, а также программирование ("прошивку") микросхем AVR.

Программная среда "AVRStudio" работает не просто с программами, а с проектами. Для каждого проекта должен быть отведен свой отдельный каталог на жестком диске. В AVRStudioодновременно может быть загружен только один проект.

Algorithm Builder предназначен для производства полного цикла разработки начиная от ввода алгоритма, включая процесс отладки и заканчивая программированием кристалла.

AlgorithmBuilderдовольно нетрадиционная программа в плане языка программирования; ассемблер, завернутый в красивую обертку визуального программирования. AlgorithmBuilder - визуальный ассемблер или построитель ассемблера с помощью которого на выходе можно получить максимально эффективный код.

Работа с переменными и константами организована гениально просто. Инициализация производиться в отдельном окне в виде таблицы - освобождая алгоритм от лишних записей. В буквальном смысле слова все разложено по полочкам.

AlgorithmBuilderимеет удобный настройщик периферии (таймеры, UART, ADC, SPIи т.д.) позволяющий, не читая даташитов, просто выбрать необходимые параметры работы устройства в окне настройки. В этом же окне Builderчестно покажет набор инструкций, обеспечивающих эти параметры.

При написании программ обычно нельзя обойтись без процедуры отладки. Отладка выполняется на компьютере при помощи специальной инструментальной программы - отладчика. Он позволяет пошагово выполнять отлаживаемую программу, а также выполняет ее поэтапно с использованием, так называемых точек останова.

В процессе выполнения программы под управлением отладчика можно на экране компьютера:

1) видеть содержимое любого регистра микроконтроллера;

2) видеть содержимое ОЗУ и EEPROM;

3) наблюдать за последовательностью выполнения команд, контролируя правильность отработки условных и безусловных переходов;

4) наблюдать за работой таймеров, отработкой прерываний.

В процессе отладки также можно наблюдать логические уровни на любом внешнем выходе микроконтроллера. А также имитировать изменение сигналов на любом входе. Процесс отладки позволяет убедиться в том, что разрабатываемая программа работает именно так, как нужно.

Существует три основных вида отладчиков:

- программные;

- аппаратные;

- комбинированные программно-аппаратные.

Программный отладчик

Программный отладчик - это компьютерная программа, которая имитирует работу процессора на экране компьютера. Она не требует наличие реальной микросхемы или дополнительных внешних устройств и позволяет отладить программу чисто виртуально.

Однако программный отладчик позволяет проверить только логику работы программы. При помощи такого отладчика невозможно проверить работу схемы в режиме реального времени или работу всего микропроцессорного устройства в комплексе, т. е невозможно гарантировать правильную работу и всех подключенных к микроконтроллеру дополнительных микросхем и элементов.

Аппаратный отладчик

Основа аппаратного отладчика - специальная плата, подключаемая к компьютеру, работающая под его управлением и имитирующая работу реальной микросхемы микроконтроллера. Плата имеет выводы, соответствующие выводам реальной микросхемы, на которых в процессе отладки появляются реальные сигналы.

При помощи этих выводов отладочная плата может быть включена в реальную схему. Возникающие в процессе отладки электрические сигналы можно наблюдать при помощи осциллографа. Можно нажимать реальные кнопки и наблюдать работу светодиодов и других индикаторов.

Здесь как и в предыдущем случае, можем видеть всю информации об отлаживаемой программе: наблюдать содержимое регистров, ОЗУ, портов ввода-вывода; контролировать ход выполнения программы.

В аппаратном отладчике так же, как и в программном, можно выполнять программу в пошаговом режиме и применять точки останова. Недостатком аппаратного отладчика является его высокая стоимость.

WinAVR

WinAVRпредставляет собой набор инструментальных средств для работы с микроконтроллерами семейства AVRфирмы ATMEL. В него вошли следующие компоненты:

a) компилятор языка Cavr-gcc,

b) библиотека компилятора avr-libs,

c) ассемблер avr-as,

d) интерфейс программатора avrdude,

e) интерфейс JTAG ICE avarice,

f) Debugeravr-gdb,

g) редактор programmersnotepad.

Весь этот набор собран в один инсталляционный пакет и предназначен для установки на платформу Windows.

Главным преимуществом моего выбора именно этой микросхемы является ее широкая доступность и не высокая цена.

Вывод

Рассмотренная выше практическая задача дает четкое представление о значимости представленного устройства. Трудно представить сферу современной деятельности человека, где не использовались бы данные устройства. Телефоны, телевизоры, жидкокристаллические мониторы, кондиционеры, холодильники, новогодние гирлянды, 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 курсовой работы были рассмотрены практические примеры подключения микроконтроллеров и их программирование.

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

Список используемых источников

1. https://works.doklad.ru/view/8Fdz8kTeR0I.html «Учебные материалы информатика». Режим доступа: свободный. Дата обращения к ресурсу: 12.01.2021

2. https://www.webkursovik.ru/kartgotrab.asp?id=-174107 «Помощь студенту». Режим доступа: свободный. Дата обращения к ресурсу: 12.01.2021

3. https://www.kazedu.kz/referat/132862 «Учебные материалы информатика. Программирование». Режим доступа: свободный. Дата обращения к ресурсу: 12.01.2021

4. https://programmersforum.ru/forumdisplay.php?f=96&yclid=18275228641866308778 «Клуб программистов». Режим доступа: свободный. Дата обращения к ресурсу: 12.01.2021

5. http://www.atmel.ru/ - «описание AVR микроконтроллеров, русскоязычный сайт». Режим доступа: свободный. Дата обращения к ресурсу: 12.01.2021

6. http://www.dontronics.com/ «atmel.html - программные проекты по AVR». Режим доступа: свободный. Дата обращения к ресурсу: 12.01.2021

7. http://trush.pp.ru/avr/ - «полезные ссылки по AVR». Режим доступа: свободный. Дата обращения к ресурсу: 12.01.2021

Размещено на Allbest.ru