Справочник по программированию «Bascom-AVR» (М.Л. Кулиш)

===================================== Справочник по программированию «Bascom-AVR» ==

Создание микропроцессорной системы

Теория

На первом этапе создания микропроцессорной системы до начала программирования необходимо решить несколько важных задач:

а) разработать план использования ресурсов процессора, определив: какие задачи решаются программными средствами, а какие с помощью внутренних аппаратных средств микроконтроллера. Определив необходимый и достаточный состав внутренних устройств микроконтроллера, производится выбор внешних устройств, с которыми будет работать микроконтроллер. Все это, этап разработки электрической схемы микропроцессорного устройства. Именно на этом этапе происходит изучение документации на все применяемые компоненты, определение достаточности их нормируемых и функциональных возможностей для решения поставленной задачи. В круг изучаемых устройств входит и процессор, даже при условии, что используемый компилятор обеспечивает «слепую» работу с его периферией;

б) выбрать модель процессора, обеспечивающий внутренними ресурсами, разработанный план действий. Кажется, что первая и вторая задачи едины, но тут надо вспомнить о дополнительных требованиях к разрабатываемому устройству, которые могут стать приоритетными – экономичность, напряжение питания, способ программирования (записи программы), возможность перепрограммирования, поддержка компилятором и т.п. Здесь необходимо заложить некоторую избыточность производительности и, особенно, размеров памяти, обусловленную не стопроцентной эффективностью компилированного кода;

в) выбрать средство аппаратной отладки, отвечающее задаче, решаемой отлаживаемой программой и ее параметрам. Если устройство отладки забирает у системы какие-либо аппаратные или программные ресурсы, то нужно попытаться обойтись без них, или, по крайней мере, использовать их наименьшей степени и в последнюю очередь. Например, порты микроконтроллера, используемые для последовательного программирования, не нужно без крайней необходимости использовать в схеме разрабатываемого устройства;

г) провести предварительное моделирование и проверку самых важных алгоритмов обработки данных или управления физическими объектами с использование специализированных программ: “Micro-Cap”, “Mathcad”, “Quick-Basic” и т.п.;

д) определить значения требуемой производительности систем ввода-вывода, вычислений, преобразований, реагирования на внешние события. Оценить возможность решения этих задач с необходимой скоростью, например, путем написания и запуска (даже в отладчике) тестовых программ с интересующими фрагментами;

е) программы, управляющие реальными устройствами, особенно вновь применяемыми написать отдельно в виде эскизов. Эскизы включить в состав тестовых программ, проверить и отладить на реальных объектах

Время исполнения некоторых типовых операций микроконтроллера AVR на частоте генератора 8 МГц указано в таблице. Приведенные числовые значения приблизительны, так как время исполнения операций во многом зависит от значения операнда.

При успешном решении перечисленных задач можно переходить к составлению полной схемы устройства, управляемого микроконтроллером, и разработке рабочей программы.

Если окажется, что производительность процессора недостаточна или задача слишком сложна, то следует разделить ее между несколькими процессорами или применить внешние устройства или решит ее иначе, например, используя микроконтроллер из семейства с более высокой производительностью.

============================================================================= 1

===================================== Справочник по программированию «Bascom-AVR» ==

Порядок подключения внешних устройства (приемников и источников управляющих сигналов и данных) к линиям микроконтроллера не имеет значения, если не используются уникальные свойства портов (альтернативные функции). Наличие альтернативных функций портов микроконтроллера, напротив, требует однозначной привязки внешних устройств к конкретным выводам процессора. Существует много вариантов использования и внутренних аппаратных средств. Ниже в таблице предлагается перечень аппаратных ресурсов микроконтроллера, которые предлагается для решения некоторых стандартных задач.

============================================================================= 2

===================================== Справочник по программированию «Bascom-AVR» ==

Практика

Проведем разработку микропроцессорной системы поэтапно с подробным комментированием. Кроме вопросов программирования с помощью “Bascom-AVR” рассматриваются технические и организационные вопросы создания программного проекта. В качестве объекта разработки, например, выберем многофункциональные электронные часы со светодиодным индикатором.

Этап 1. «Техническое задание». Задача этапа – определение и выработка исходных данных, необходимых для создания программы.

Определим главные функциональные характеристики проекта:

-основной режим с отображением времени в формате ЧЧММ с мигающей секундной точкой;

-установка времени с клавиатуры в режиме редактирования;

-сопровождение нажатий клавиатуры звуковым сигналом.

Дополнительные функциональные режимы;

-режим будильника с остановкой времени срабатывания и звуковым сигналом (желательно мелодичным);

-режим таймера (секундомера) с отображением времени в формате ММСС;

-цифровая коррекция погрешности хода (цифровая калибровка задающего генератора);

-потенциальная возможность измерения и отображения параметров окружающей среды (температуры, влажности, давления), автоматизации обслуживания аккумулятора, регулирование яркости индикатора в зависимости от освещенности автоматически. Имеется в виду, что базовые технические и программные решения основных функций не должны препятствовать расширению системы добавлением аппаратных и программных модулей.

Основные требования к аппаратному исполнению изделия, определяемые, в том числе, функциональными характеристиками:

-минимальное число компонентов;

-четырехразрядный семисегментный индикатор. Для упрощения конструкции целесообразно использовать стандартный модуль с мультиплексным управлением. Желательно наличие единичного индикатора секунд;

-клавиатура, содержащая не менее четырех замыкающих кнопок;

-звуковой индикатор;

-система сетевого и автономного питания.

Настоящий этап заканчивается, когда определены, данные, необходимые для создания программы. Отсутствующие данные при этом вырабатываются и согласовываются. Результатом данного этапа также является, хотя бы, структурная схема подключения внешних устройств к микроконтроллеру и план распределения ресурсов, который желательно сразу оформлять в виде полей комментариев к программе.

На рисунке 1 изображена принципиальная схема разрабатываемой системы, а в заголовке последующего примера программы расписан план использования ресурсов системы. Схема разработана именно с учетом максимального использования внутренней периферии микроконтроллера и возможности расширения. Выбор модели микроконтроллера (ATmega8), в первую очередь, обусловлен двумя факторами:

-необходимостью в трех таймерах для обслуживания задач подсчета часового времени с тактированием от специального часового кварцевого резонатора (асинхронный режим), формирования временных интервалов сканирования клавиатуры и мультиплексного индикатора и формирования звуковых тонов.

-наличием аппаратно и программно совместимых старших моделей (ATmega168, ATmega16, ATmega32), позволяющих без труда расширять систему.

Этап 2. «Построение скелета программы». Задача этапа – создание драйверов внутренних и внешних устройств и на их основе общей структуры программы микропроцессорной системы.

Необходимость начать разработку программы с ее скелета обусловлено последовательным характером работы над программой, то есть, когда последовательно решаются одна задача за другой. Последовательный характер работы подразумевает и последовательную отладку программы. Ведь очевидно, что ошибки будут устраняться быстрее, если каждый вновь созданный программный модуль тут же проверять. Технология написания программ от скелета и является начальным элементов последовательного программирования. Скелет программы, должен обеспечивать функционирование всех устройств и систем, по крайней мере, той части, которые необходимы на начальном этапе разработки программы. Отлаженный скелет программы обеспечивает ввод данных, например, с клавиатуры и вывод данных, например, на индикатор. Он позволяет без применения внешних средств проверять работу вновь добавленных модулей.

Следующий далее текст демонстрационной программы, выделен шрифтом Courier. Кроме собственных комментариев в текст добавлены замечания обозначающие назначение, правильный (или рекомендуемый) порядок расположения частей программы.

============================================================================= 3

===================================== Справочник по программированию «Bascom-AVR» ==

Рисунок 1 – Схема электрическая принципиальная электронных часов

ПРОГРАММА 1

Заголовок Комментарии, содержащие идентифицирующие сведения о программе: принадлежность изделию, номер версии, дату и место создания, имя автора, его телефоны и местонахождение, версии компилятора, модель процессора, способ отладки (и как это отражено в программе), способ программирования, используемые ресурсы микроконтроллера и все то, что невозможно узнать из последующего текста.

'------------------------------------------

'Программа электронных часов "AVR-WATCH" '------------------------------------------

'Микроконтроллер типа ATMEGA8

'CKOPT = 0 - внутренние конденсаторы подключены к кварцевому резонатору

'RSTDISBL = 1 - порт PC6 используется как сброс

'WDTON = 1 - сторожевой таймер разрешен

'SPIEN = 0 - последовательное программирование разрешено

'BOOTSZ1,BOOTSZ0 = 00, BOOTRST=1 - параметры загрузчика

'EESAVE = 1 - НЕ ОЧИЩАТЬ EEPROM при программировании

'BODLEVEL = 1, BODEN = 1 - ПАРАМЕТРЫ СБРОСА

'SUT1 = 1,SUT1 = 0 - ВРЕМЯ СТАРТА

'------------------------------------------

'Используемый ресурсы микроконтроллера:

'Генератор RC - внутренний 1 МГц, а к TOSC1 and TOSC2 подключен кристалл 32768 Гц

'Timer0 – генератор прерываний с частотой 250 Гц для обслуживания индикатора, клавиатуры

'и других служб реального времени

============================================================================= 4

===================================== Справочник по программированию «Bascom-AVR» ==

'Timer1 – генератор звукового сигнала программируемой частоты

'На выходе PB1 (OC1A) формируется звуковой сигнал в форме меандра

'Timer2 – генератор прерываний с частотой 1 Гц, на основании которого вычисляется пройденное время

'Дополнительно на выходе PB3 (OC2) формируются импульсы длительностью 1 с (0.5 Гц),

'используемые для включения единичного светодиода

'Индикатор:

Определение Блок определения переменных оформляется в порядке возрастания их длины: Byte, Word, переменных Integer, Long, Single, Double, String, Array. Переменные типа Bit не имеют смысла, тоже зани-

мают один байт и принимают только два значения нуль и не нуль

'назначение векторов прерывания.

'ПОРТЫ

============================================================================= 5

===================================== Справочник по программированию «Bascom-AVR» ==

'Прерывания

'обработка прерывания таймера 0 'используется как часы реального времени с частотой 244 Гц (4 мс)

'для этого нужно организовать схему деления 1 МГц/64/64 = 0,000244140625 МГц

Timer0_int:

============================================================================= 6

===================================== Справочник по программированию «Bascom-AVR» ==

$end Asm '----------------------------------------------------------------------------------

Скелет готов. Еще раз о результатах проделанной работы. Приведенная выше программа является полностью работоспособной, но при этом не совершает никаких внешних действий. С ее помощью оживлена и функционирует вся периферия, однако со стороны основной программы это будет незаметно, так как все устройства будут обслуживаться в фоновом режиме. Во-вторых, почти все написано на ассемблере и это сделано для полного контроля используемых ресурсов и обеспечения максимальной производительности, что является немаловажным при низкой тактовой частоте. В-третьих, практически аппаратная реализация счетчика прошедшего времени, звукового тонального генератора и мультиплексного индикатора обеспечивает хорошие потребительские свойства изделия за счет исключения «паразитных» эффектов, свойственных программной реализации этих функций, таких как погрешность хода, «грязный» (модулированный) звук, низкочастотное мерцание отдельных знакомест (за счет неравномерности и неодинаковости времени свечения). В-четвертых, система готова работать и для выполнения многих других задач и обеспечивает необходимую возможность расширения

Этап 3. «Построение главного цикла программы». Задача этапа – создание базовой структуры программы и определение номенклатуры базовых программных модулей.

Структура программы с ГЛАВНЫМ ЦИКЛОМ (ГЦ) является базовой для продолжительно работающих программ с многократно повторяющимся алгоритмом обработки данных. С другой стороны, ГЦ является средством выравнивания скорости работы более быстрого процессора и медленного процесса генерации исходных данных. Как правило, в ГЦ осуществляется последовательная проверка необходимости выполнения некоторого набора задач. Малое время исполнения опроса обеспечивает быстрое реагирования на события. В ГЦ включается операция перевода ядра микроконтроллера в спящий режим, способствующий снижения потребления энергии во время ожидания заданий. Выход из спящего режима происходит только по прерыванию и это не вызывает затруднений, так как и появление новых задач обычно обусловлено прошедшим прерыванием. По крайней мере, программа строится так, чтобы наиболее важные события сами вызывали прерывания или возникали вследствие прерываний.

Для нашего примера в ГЦ будет осуществляться проверка всего трех задач:

-окончания очередной секунды, по появлению ненулевого значения переменной “Ndat” ;

-нажатие кнопки, по появлению ненулевого значения переменной “Buf_kl” ;

-обновления индикатора, по появлению ненулевого значения переменной “ Ddat ” .

============================================================================= 8

===================================== Справочник по программированию «Bascom-AVR» ==

ПРОГРАММА 2

'ОБРАБОТКА ПРОГРАММ ГЛАВНОГО ЦИКЛА

'---------------------

'обработать данные времени по истечении секунды

New_data:

Return '----------------------------------------------------------------------------------

'обновить индикатор по завершению одной из операций в соответствии с текущим состоянием

New_led:

Return '----------------------------------------------------------------------------------

'обработать нажатие кнопки в соответствии с текущим режимом

W_klb:

Return '----------------------------------------------------------------------------------

После добавления конструкции ГЦ программа работоспособна и пригодна к дальнейшему расширению путем добавления новых к списку задач.

Этап 4. «Создание программ главного цикла». Задача этапа – создание исполнительных программных мо-

дулей.

Данный этап позволяет создать первую версию рабочей программы, в соответствие с задачами, решаемыми программами ГЦ. При этом происходит описание действий, производимой программой.

===================================== Справочник по программированию «Bascom-AVR» ==

'РАСПОЛОЖЕНИЕ СЕГМЕНТОВ НА ПОЛЕ ИНДИКАТОРА

'===============================================

============================================================================= 10