AVR-программирование. Программирование микроконтроллеров AVR для начинающих. Микроконтроллеры семейства avr Микроконтроллеры семейства avr

Общее количество существующих семейств микроконтроллеров оценивается приблизительно в 100 с лишним, причем ежегодно появляются все новые и новые. Каждое из этих семейств может включать десятки разных моделей. Причем львиная доля выпускаемых чипов приходится на специализированные контроллеры: например, для управления USB-интерфейсом, или ЖК-дисплеями. Иногда довольно трудно классифицировать продукт: так, многие представители семейства ARM, которое широко применяется для построения мобильных устройств, с точки зрения развитой встроенной функциональности относятся к типичным контроллерам, но в то же время достаточно мощное ядро позволяет отнести их и к классу микропроцессоров.

Из семейств универсальных 8-разрядных микроконтроллеров, так сказать, «на все случаи жизни», наиболее распространены три: контроллеры классической архитектуры х51 (первый контроллер семейства 8051 был выпущен фирмой Intel еще в середине 1980-х), контроллеры PIC фирмы Microchip (идеально подходят для проектирования несложных устройств, особенно предназначенных для тиражирования), и рассматриваемые нами Atmel AVR.

Заметки на полях

в 1995 г. два студента Норвежского университета науки и технологий в г. Тронхейме, Альф Боген и Вегард Воллен, выдвинули идею 8-разрядного RISC-ядра, которую предложили руководству Atmel. Имена разработчиков вошли в название архитектуры AVR: Alf + Vegard + RISC. В Atmel идея настолько понравилась, что в 1996 г. был основан исследовательский центр в Тронхейме, и уже в конце того же года был начат выпуск первого опытного микроконтроллера новой серии AVR под названием AT90S1200. Во второй половине 1997 г. корпорация Atmel приступила к серийному производству семейства AVR.

Почему AVR?

у AVR-контроллеров «с рождения» есть несколько особенностей, которые отличают это семейство от остальных МК, упрощают его изучение и использование. Одним из существенных преимуществ AVR стало использование конвейера. В результате для AVR не существует понятия машинного цикла: большинство команд, как мы говорили, выполняется за один такт (для сравнения отметим, что пользующиеся большой популярностью МК семейства PIC выполняют команду за 4 такта).

Правда, при этом пришлось немного пожертвовать простотой системы команд, есть некоторые сложности и в области операций с битами. Тем не менее, это не приводит к заметным трудностям при изучении AVR-ассемблера: наоборот, программы получаются короче и больше напоминают программу на языке высокого уровня (отметим, что AVR проектировались специально в расчете на максимальное приближение к структуре языка С).

Другое огромное преимущество AVR-архитектуры - наличие 32 оперативных регистров, не во всем равноправных, но позволяющих в простейших случаях обходиться без обращения к оперативной памяти и, что еще важнее, без использования стека - главного источника ошибок у начинающих программистов (мало того, в младщих моделях AVR стек даже недоступен для программиста). Для AVR не существует понятия «аккумулятора», ключевого для ряда других семейств. Это еще больше приближает структуру ассемблерных программ для AVR к программам на языке высокого уровня, где операторы работают не с ячейками памяти и регистрами, а с абстрактными переменными и константами.

Но это, конечно, не значит, что AVR - однозначно лучшее в мире семейство МК. У него есть и ряд недостатков (например, несовершенная система защиты энергонезависимой памяти данных- EEPROM, некоторые вопросы с помехоустойчивостью, излишние сложности в системе команд и структуре программ и т. п.). Но в принципе любые универсальные современные МК позволяют делать одно и то же, и вопрос выбора платформы - вопрос в значительной степени предпочтений и личного опыта разработчика.

Classic, Mega и Tiny

Линейка универсальных контроллеров AVR общего назначения делится на семейства - Classic, Mega и Tiny (есть и новейшее семейство Xmega, но оно представляет весьма «навороченные» приборы не для наших задач). МК семейства Classic (они именовались, как АТ908<марка контроллера>) ныне уже не производятся, однако все еще распространены, так как они задержались на складах торгующих фирм, и, к тому же, для них наработано значительное количество программ. Чтобы пользователям не пришлось переписывать все ПО, фирма Atmel позаботилась о преемственности - большинство МК семейства Classic имеет функциональные аналоги в семействе Mega, например, AT90S8515- ATmega8515, AT90S8535- ATmega8535 и т.п. (только AT90S2313 имеет аналог в семействе Tiny - ATtiny2313).

Полная совместимость обеспечивается специальным установочным битом (из набора т. н. Fuse-битов), при программировании которого Mega-процессор начинает функционировать, как Classic (подробнее об этом рассказано в главе 19). Для вновь разрабатываемых устройств обычно нет никакого смысла в использовании их в режиме совместимости, однако такой прием в ряде случаев может оказаться полезным для начинающих, так как МК Classic устроены проще и не заставляют пользователя отвлекаться на некоторые ненужные подробности, не имеющие отношения к делу. Поэтому в книге далее будут приводиться иногда примеры и для «классической» серии.

Семейство Tiny (что в буквальном переводе означает «крохотный») предна; значено для наиболее простых устройств. Часть МК этого семейства не имеет возможности программирования по последовательному интерфейсу, и потому мы не буд^м их рассматривать в этой книге, за исключением ATtiny2313 (это не значит, что остальных Tiny следует избегать - среди них есть очень удобные и функциональные микросхемы, нередко вообще не имеющие аналогов). У этого МК отсутствует бит совместимости с «классическим» аналогом AT90S2313, одним из самых простых и удобных контроллеров Atmel, но при внимательном рассмотрении оказывается, что они и без такого бита совместимы «снизу вверх»: программы для «классического» 2313 полностью подходят и для Tiny2313 (см. следующую главу).

Структура МК AVR

Общая структура внутреннего устройства МК AVR приведена на рис. 18.9. На этой схеме показаны все основные компоненты AVR (за исключением некоторых специализированных); в отдельных моделях некоторые компоненты могут отсутствовать или различаться по характеристикам, неизменным остается только общее 8-разрядное процессорное ядро (GPU, General Processing Unit). Кратко рассмотрим наиболее важные компоненты, большинство из которых мы будем рассматривать в дальнейшем подробнее.

Начнем с памяти. В структуре AVR имеются три разновидности памяти: flash-память программ, ОЗУ (SRAM) для временного хранения данных, и энергонезависимая память (EEPROM) для долговременного хранения констант и данных. Рассмотрим их по отдельности.

Память программ

Встроенная flash-память программ в AVR-контроллерах имеет объем от 1 кбайта у ATtinyl 1 до 256 кбайт у ATmega2560. Первое число в наименовании модели содержит величину этой памяти в килобайтах, из ряда: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и 256 кбайт. Так, ATtiny2313 имеет 2 кбайта памяти, а ATmega8535 - 8 кбайт.

С точки зрения программиста память программ можно считать построенной из отдельных ячеек- слов по два байта каждое. Устройство памяти программ (и только этой памяти!) по двухбайтовым словам- очень важный момент, который нужно твердо усвоить. Такая организация обусловлена тем.

что любая команда в AVR имеет длину ровно 2 байта. Исключение составляют команды jmp, call и некоторые другие (например, ids), которые оперируют с адресами 16-разрядной и более длины, длина этих команд составляет 4 байта, и они используются лишь в моделях с памятью программ более 8 кбайт, поэтому в этой книге вы их не встретите. Во всех остальных случаях счетчик команд сдвигается при выполнении очередной команды на 2 байта (одно слово), поэтому необходимую емкость памяти легко подсчитать, зная просто число используемых команд.

По умолчанию все контроллеры AVR всегда начинают выполнение программы с адреса $0000^. Если в программе не используются прерывания, то с этого адреса может начинаться прикладная программа, как мы увидим далее. В противном случае по этому адресу располагается т. н. таблица векторов прерываний, подробнее о которой мы будем говорить в главе 19.

Память данных (ОЗУ, 3RAM)

в отличие от памяти программ, адресное пространство памяти данных адресуется побайтно (а не пословно). Адресация полностью линейная, без какого-то деления на страницы, сегменты или банки, как это принято в некоторых других системах. Исключая некоторые младшие модели Tiny, объем встроенной SRAM колеблется от 128 байт (например, у ATtiny2313) до 4-8 кбайт у старших моделей Mega.

Адресное пространство статической памяти данных (SRAM) условно делится на несколько областей, показанных на рис. 18.10. К собственно встроенной SRAM относится лишь затемненная часть, до нее по порядку адресов расположено адресное пространство регистров, где первые 32 байта занимает массив регистров общего назначения (РОН), еще 64 - регистров ввода-вывода (РВВ).

Для некоторых моделей Mega (ATmega8515, ATmegal62, ATmegal28, AT-mega2560 и др.) предусмотрена возможность подключения внешней памяти объемом до 64 кбайт. Отметим, что адресные пространства РОН и РВВ не отнимают пространство у ОЗУ данньпс: так, если в конкретной модели МК имеется 512 байт SRAM, а пространство регистров занимает первые 96 байт (до адреса $60), то адреса SRAM займут адресное пространство от $0060 до $025F (то есть от 96 до 607 ячейки включительно). Конец встроенной памяти данных обозначается константой ramend. Следует учесть, что последние адреса SRAM, как минимум, на четыре-шесть ячеек от конца (в зависимости от количества вложенных вызовов процедур, для надежности лучше принять это число равным десяти или даже более) занимать данными не следует, так как они при использовании подпрограмм и прерываний заняты под стек.

Рис. 18.10. Адресное пространство статической памяти данных (SRAM) микроконтроллеров AVR

Операции чтения/записи в память одинаково работают с любыми адресами из доступного пространства, и потому при работе с SRAM нужно быть внимательным: вместо записи в память вы легко можете «попасть» в какой-нибудь регистр. Для обращения к РОН, как к ячейкам памяти, можно в качестве адреса подставлять номер регистра, а вот при обращении к РВВ таким же способом к номеру последнего нужно прибавлять $20. Следует также помнить, что по умолчанию при включении питания все РВВ устанавливаются в нулевое состояние во всех битах (единичные исключения все же имеются, поэтому в критичных случаях надо смотреть документацию), а вот РОН и ячейки SRAM могут принимать произвольные значения.

Энергонезависимая память данных (EEPROM)

Все модели МК AVR (кроме снятого с производства ATtinyl 1) имеют встроенную EEPROM для хранения констант и данных при отключении питания. В разных моделях объем ее варьируется от 64 байт (ATtinylх) до 4 кбайт (старшие модели Mega). Число циклрв перепрограммирования EEPROM может достигать 100 тыс.

Напомним, что EEPROM отличается от flash-памяти возможностью выборочного программирования побайтно (в принципе, даже побитно, но эта возможность скрыта от пользователя). Чтение из EEPROM осуществляется с такой же скоростью, как и чтение из РОН - в течение одного машинного цикла (правда, на практике оно растягивается на 4 цикла, но программисту следить за этим специально не требуется). А вот запись в EEPROM протекает значительно медленнее, и к тому же с не точно определенной скоростью: цикл записи одного байта может занимать от 2 до 4 и более миллисекунд. Процесс записи регулируется встроенным RC-генератором, частота которого нестабильна (при низком напряжении питания можно ожидать, что время записи будет больше). За такое время при обычных тактовых частотах МК успевает выполнить несколь^со тысяч команд, потому программирование процедуры записи требует аккуратности: например, нужно следить, чтобы в момент записи не «вклинилось» прерывание (подробнее об этом далее).

Главная же сложность при использовании EEPROM - то, что при недостаточно быстром снижении напряжения питания в момент выключения содержимое ее может быть испорчено. Обусловлено это тем, что при снижении напряжения питания ниже некоторого порога (ниже порога стабильной работы, но недостаточного для полного выключения) и вследствие его дребезга МК начинает выполнять произвольные команды, в том числе может выполнить и процедуру записи в EEPROM, если она имеется в программе. Если учесть, что типовая команда МК AVR выполняется за десятые доли микросекунды, то ясно, что никакой реальный источник питания не может обеспечить снижение напряжения до нуля за нужное время. По опыту автора при питании от обычного стабилизатора типа LM7805 с рекомендованными значениями емкости конденсаторов на входе и на выходе содержимое EEPROM будет испорчено примерно в половине случаев.

Этой проблемы не должно существовать, если запись констант в EEPROM производится при программировании МК, а процедура записи в программе отсутствует. Во всех же остальных случаях (а их, очевидно, абсолютное большинство - EEPROM чаще всего используется для хранения пользовательских установок и текущей конфигурации при выключении питания) приходится принимать специальные меры. Встроенный детектор падения напряжения (Brown-Out Detection, BOD), имеющийся практически во всех моделях Tiny и Mega, обычно с этим не справляется. Наиболее кардинальной из таких мер является установка внешнего монитора питания, удерживающего МК при снижении напряжения питания ниже пороговой величины в состоянии сброса (см. главу 21).

Семейство AVR – включает в себя 8 битные микроконтроллеры для широкого спектра задач. Для сложных проектов с большим количеством входов/выходов вам предоставлены микроконтроллеры AVR семейства Mega и AVR xmega, которые выпускаются в корпусах от 44 до 100 выводов и имеют до 1024 кб Flash памяти, а скорость их работы – до 32 миллионов операций в секунду. Практически все модели имеют возможность генерировать ШИМ, встроенный АЦП и ЦАП.

Миллионы радиолюбителей разрабатывают интересные проекты на AVR – это самое популярное семейство МК, о них написано очень много книг на русском и других языках мира.

Интересно: для прошивки нужен программатор, один из самых распространённых – это AVRISP MKII, который вы легко можете сделать из своей Arduino.

Популярность семейства АВР поддерживается на высоком уровне уже много лет, в последние 10 лет интерес к ним подогревает проект Arduino – плата для простого входа в мир цифровой электроники.

Сферы применения различных Tiny, Mega

Четко описать сферу применения микроконтроллера нельзя, ведь она безгранична, однако можно классифицировать следующим образом:

Tiny AVR – самые простые в техническом плане. В них мало памяти и выводов для подключения сигналов, цена соответствующая. Однако это идеальное решение для простейших проектов, начиная от автоматики управления осветительными приборами салона автомобиля, до осциллографических пробников для ремонта электроники своими руками. Они также используются в Arduino-совместимом проекте – Digispark. Это самая маленькая версия ардуины от стороннего производителя; выполнена в формате USB-флешки.
Семейство MEGA долго оставалось основным у продвинутых радиолюбителей, они мощнее и имеют больший, чем в Tiny, объём памяти и количество выводов. Это позволяет реализовывать сложные проекты, однако семейство очень широко для краткого описания. Именно они использовались в первых платах Arduino, актуальные платы оснащены, в основном, ATMEGA

Выход любого МК без дополнительных усилителей потянет светодиоды или светодиодную матрицу в качестве индикаторов, например.

AVR xMega или старшие микроконтроллеры

Разработчики Atmel создали AVR xMega, как более мощный МК, при этом принадлежащий к семейству AVR. Это было нужно для того, чтобы облегчить труд разработчика при переходе к более мощному семейству.

В AVR xMega есть два направления:

МК с напряжением питания 1.8-2.7 вольта, работают с частотой до 12 мГц, их входа устойчивы к величине напряжения в 3.3 В;
МК с напряжением питания 2.7-3.6 вольта уже могут работать на более высоких частотах – до 32 мГц, а вход устойчив к 5 вольтам.

Также стоит отметить: AVR xMega отлично работают в автономных системах, потому что имеют низкое энергопотребление. Для примера: при работающих таймерах и часах реального времени RTC потребляют 2 мА тока, и готовы к работе от прерывания внешнего или по переполнению таймера, а также по времени. Для выполнения целого ряда функций применяется множество 16 разрядных таймеров.

Работа с USB портом

Начнем с того, что для программирования микроконтроллера нужно использовать последовательный порт, однако на современных компьютерах COM порт часто отсутствует. Как подключить микроконтроллер к такому компьютеру? Если использовать преобразователи USB-UART, эта проблема решается очень легко. Простейший преобразователь вы можете собрать на микросхемах FT232 и CH340, а его схема представлена ниже.

Такой преобразователь размещен на платах Arduino UNO и Aduino Nano.

Некоторые микроконтроллеры AVR имеют встроенный (аппаратный) USB:

ATmega8U2;
ATmega16U2;
ATmega32U2.

Такое решение нашло применение для реализации связи компьютера и Arduino mega2560 по USB, в которой микроконтроллер «понимает» только UART.

Назначение ЦАП и АЦП микроконтроллеров AVR

Цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) называют устройства, преобразующие сигнал единиц и нолей (цифровой) в аналоговый (плавно изменяющийся). Главные характеристики – разрядность и частота дискретизации. В АЦП преобразуется аналоговый сигнал в цифровой вид.

Порты с поддержкой АЦП нужны для того, чтобы подключить к микроконтроллеру аналоговые датчики, например, резистивного типа.

ЦАП нашёл своё применение в цифровых фильтрах, где входной сигнал проходит программную обработку и вывод через ЦАП в аналоговом виде, ниже вы видите наглядные осциллограммы. Нижний график – входной сигнал, средний – этот же сигнал, но обработанный аналоговым фильтром, а верхний – цифровой фильтр на микроконтроллере Tiny45. Фильтр нужен для формирования нужного диапазона частот сигнала, а также для формирования сигнала определенной формы.

Пример использования АЦП – это осциллограф на микроконтроллере. К сожалению, частоты мобильных операторов и процессора ПК отследить не удастся, а вот частоты порядка 1 мГц – легко. Он станет отличным помощником при работе с импульсными блоками питания.

А здесь расположено подробное видео этого проекта, инструкции по сборке и советы от автора:

Какую литературу читать о микроконтроллерах AVR для начинающих?

Для обучения молодых специалистов написаны горы литературы, давайте рассмотрим некоторые из них:

Евстифеев А.В. «Микроконтроллеры AVR семейства Mega». В книге подробно рассмотрена архитектура микроконтроллера. Описано назначение всех регистров и таймеров, а также их режимы работы. Изучена работа интерфейсов связи с внешним миром SPI и т. д. Система команд раскрыта для понимания радиолюбителю среднего уровня. Материал книги «Микроконтроллеры avr семейства mega: руководство пользователя» поможет изучить структуру чипа и назначение каждого из его узлов, что, безусловно, важно для любого программиста микроконтроллеров.
Белов А.В. – «Микроконтроллеры AVR в радиолюбительской практике». Как видно из названия, эта книга, в большей степени, посвящена практической стороне работы с микроконтроллерами. Подробно рассмотрен ставший классическим микроконтроллер ATiny2313, а также многие схемы для сборки.
Хартов В.Я. «Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих». Поможет разобраться в AVR studio 4, а также стартовом наборе STK Вы научитесь работать с последовательными и параллельными интерфейсами, такими как UART, I2C и SPI. Книга «Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих» написана преподавателем МГТУ им. Н.Э.Баумана и используется там для изучения этой темы.

Изучение этого семейства микроконтроллеров помогло начать работать и разрабатывать проекты многим любителям электроники. Стоит начинать именно с популярного семейства, чтобы всегда иметь доступ к морю информации.

Среди радиолюбителей начального уровня есть только один конкурент AVR – PIC микроконтроллеры.

AVR микроконтроллеры. Основы программирования

Строение и основные характеристики AVR микроконтроллеров

В данной статье постараемся в общих чертах разобрать, главные характеристики , что "у него внутри", что нужно для начала работы с AVR микроконтроллерами и т.д.

Что такое Tiny, Mega?

Компания Atmel выпускает обширную линейку восьмибитных микроконтроллеров на базе AVR ядра, разбитые на несколько подсемейств, различающиеся по техническим характеристикам, области применения, цене:

ATtiny – семейство AVR микроконтроллеров оптимизированных для приложений, требующих относительно большой производительности (до 1.0 MIPS и способны работать на частотах до 20.0 МГц), энергоэффективности (ATtiny единственное семейство способное работать от 0,7В напряжения питания!) и компактности (есть микроконтроллеры в SOT23-6 корпусе – всего 6 пин, и при этом каждый пин обладает несколькими функциями, к примеру: порт ввода/вывода, вход АЦП, вывод ШИМ и т.д.). Отсюда вырисовывается и область их применения: устройства критичные к цене, энергопотреблению, габаритам и т.д.
ATmega – семейство AVR микроконтроллеров предназначенных для использования в самых разнообразных областях, благодаря очень большому набору периферийных устройств, большому объему памяти программ, портов ввода/вывода и пр. Одним словом – есть где развернутся.
ATxmega – новое семейство AVR микроконтроллеров с еще большим набором периферийных устройств чем у ATmega (добавилось устройство прямого доступа к памяти, ЦАП, CRC-модуль, полноценный USB интерфейс, более быстрый АЦП и др.), с рабочими частотами до 32.0МГц.

Стоит отметить главную особенность всех вышеперечисленных устройств: все они имеют единую архитектуру, и это позволяет с легкостью переносить код с одного микроконтроллера на другой.
Выпускаются микроконтроллеры как в DIP, так и SMD упаковках (каждая со своими плюсами и минусами).

Самые популярными упаковочными корпусами являются:

DIP (Dual Inline Package) - корпус с двумя рядами контактов
QFP (Quad Flat Package) - плоский корпус с четырьмя рядами контактов
SOIC (Small-Outline Integrated Circuit) – малогабаритные (малая площадь) интегральные схемы

Что касается радиолюбительской практике, то, безусловно, наибольший интерес представляют микроконтроллеры в DIP корпусе , так как с ними проще всего работать- они имеют достаточно большой шаг между выводами и кроме этого под них можно использовать сокеты (это такой специальный разъем куда можно устанавливать микросхемы без пайки).
Вообще сокета- это чрезвычайно удобное изобретение- и выводы всегда целые и можно неоднократно снимать- вставлять микросхему, да и макеты будущих устройств изготавливать гораздо проще..

Питание и тактирование AVR микроконтроллеров

AVR микроконтроллеры построены по технологии КМОП (CMOS), что обеспечивает очень малое энергопотребление. Практически, энергопотребление линейно и прямо пропорционально зависит от рабочей частоты (чем выше частота – тем выше энергопотребление).

Напряжение питания для AVR микроконтроллеров находится в диапазоне от 2.7 до 5.5В (6.0В – максимум, хотя у меня AVR’ка как-то работала и при 7В – и ничего, жива и по сей день). Это означает что AVR может напрямую управлять, обмениваться данными и т.д. с различными устройствами (как 3.3В-толерантными так и 5В-толерантными) без необходимости применять какие-либо преобразователи логических уровней. Для более точной обработки аналоговых сигналов, в AVR предусмотренно отдельные выводы для питания аналоговой части микроконтроллера, в которую входят такие устройства как АЦП, ЦАП, Аналоговый компаратор. В добавок, AVR микроконтроллеры обладают несколькими "спящими режимами” (Sleep modes), для обеспечения наилучшего энергосбережения.

Также каждый пин микроконтроллера (в зависимости от рабочей частоты и напряжения питания) может питать внешние устройства током до 40.0 мА (максимум!), но всего из микроконтроллера можно "закачать/выкачать” до 200.0 мА (максимум!).

Диапазон частот тактирующих сигналов отличается в зависимости от "семейного старшинства” (ATtiny является самым младшим семейством AVR микроконтроллеров, а ATxMega самым старшим). У некоторых представителей, в особенности ATtiny семейства, рабочая частота может достигать 20.0МГц, у ATmega она не превышает 16.0МГц, а у ATxMega она не превышает 32.0МГц. Также в каждом AVR микроконтроллере есть внутрений RC-генератор до 8.0МГц, что позволяет обойтись без внешнего источника тактирующего сигнала.

Atmel выпускает микроконтроллеры с максимальными рабочами частотами в два раза ниже стандартных (для повышения энергосбережения), так что следует обращать внимание на кодировку микроконтроллеров при их покупке. Подробную информацию о том какой микроконтроллер на каких частотах и напряжениях питания работает, какие бывают кодировки, упаковки для данного микроконтроллера и т.д. можно найти в разделе "Ordering Information” каждого даташита.

Ниже в качестве примера приведена таблица из даташита на микроконтроллер ATtiny13 . В столбце "Ordering Code” видны различия между кодировками и не трудно догадаться с чем они связаны.

Что у AVR микроконтроллера внутри?

Как уже было сказано в предисловии, микроконтроллеры AVR имеют гарвардскую архитектуру (главная характеристика такой архитектуры является то что память программ и оперативная память, как и шины доступа к ним, разделены для повышения скорости выполнения команд: пока одна команда выполняется, следующая извлекается из памяти программ) с RISC процессором, с быстродействием в 1.0 MIPS. Во всех микроконтроллерах, независимо от их модели и компоновки, одно и тоже центральное процессорное устройство (процессор/ядро). Единое ядро, делает написанную на любом языке программу более универсальной и при желании можно заменить в любом из проектов, скажем, более дорогой контроллер на другой по дешевле, с минимальными изменениями в коде.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) – процессор с набором простых ассемблерных команд (прибавить, отнять, сдвиг влево/вправо, "логическое И”, и т.д.), все команды имеют фиксированную длину, в составе процессора находятся большое количество регистров общего назначения, и т.д. Чтобы, к примеру, расчитать какое-нибудь среднее математическое уровнение, процессору придется выполнить несколько простых ассемблерных команд, в отличии от CISC-процессора у которого есть команды "на все случаи жизни". Но у AVR не совсем RISC-процессор, поскольку не все ассемблерные команды имеют фиксированный формат. Большинство имеют 16-разрядный формат, остальные 32-разрядные. Это означает что каждая команда занимает в памяти программ 16 или 32 бита. Кстати, нефиксированная длина ассемблерных команд и делает его процессор: Advanced Virtual RISC-процессором (AVR).

MIPS (Million Instructions Per Second) – AVR микроконтроллеры способны выполнять (приблизительно) миллион команд на частоте 1.0 МГц, или проще говоря, большинство ассемблерных команд выполняются за один период тактирующего сигнала.

Мозгами AVR микроконтроллера является его центральное процессорное устройство (процессор/ядро).

Некоторые составляющие процессора:

Арифметико-логическое устройство (Arithmetic Logic Unit)

Счетчик команд (Program counter)

Указатель стека (Stack Pointer)

Регистр состояния (Status Register)
Память программ (Flash Program memory)
Память данных (Data memory)

Регистры общего назначения (General Purpose Registers)

Регистры периферийных устройств (I/O Registers)

Оперативная память (SRAM memory)

Система тактирования (Clock System). Данную систему можно сравнить с сердечно-сосудистой системой

Модуль обработки прерываний (Interrupt Unit)

Периферийные устройства, перечислю некоторые из них:

Порты ввода/вывода

EEPROM память

USB (только в xMega), USART, I2C, SPI, JTAG интерфейсы

Сторожевой таймер, Таймер/Счетчик (с функцией ШИМ генератора, захвата/сравнения и т.д.)

АЦП, ЦАП (только в xMega), Аналоговый компаратор

Модули внешнего прерывания (External Interrupts)

Набор периферийных устройств в различных семействах (Tiny, Mega и xMega) и различных микроконтроллеров данных семейств отличается. Есть микроконтроллеры набитые "по самое немагу” различными периферийными устройствами, но также, для разработок критичных к стоимости, имеются и микроконтроллеры с малым (нужным) набором периферии.

Одним из плюсов AVR микроконтроллеров является возможность использования периферийных устройств в различных совместных режимах работы, что очень часто упрощает задачу разработчика. Также в AVR встроенна система сброса и отслеживания уровня питаниющего напряжения (System Control and Reset), обеспечивающая нормальный старт микроконтроллера и в случае необходимости, надежное завершение работы.

Регистры управления/состояния периферийных устройств находятся в области памяти данных (Data memory), между регистрами общего назначения и оперативной памятью, что обеспечивает высокое быстродействие в работе с периферией. Разработчик, естественно, имеет полный доступ к данным регистрам (I/O Registers).

Что необходимо чтобы заработал микроконтроллер?

написать программу (запрограммировать ). Для того чтобы написать программу/алгоритм по которому будет действовать микроконтроллер вам понадобится интегрированная среда разработки для AVR микроконтроллеров, в состав которой входит редактор кода/текста, компилятор, компоновщик (linker) и пр. утилиты.

схемотехника . Одной лишь программы недостаточно чтобы микроконтроллер заработал, ему также требуется минимальный обвес (набор внешних электронных устройств), для обеспечения микроконтроллера напряжением питания и тактирующим сигналом, чтобы как минимум заработало ядро микроконтроллера.

На следующем рисунке показан "классический” обвес микроконтроллера, необходимый для нормальной работы.

На рисунке приведены минимальные схемотехнические требования к микроконтроллеру ATmega16. При данной схеме включения, начинает работать ядро AVR микроконтроллера, можно использовать все порты ввода/вывода и пр. периферийные устройства. Короче говоря микроконтроллер находится в полной боевой готовности. Чтобы, например, начать использовать АЦП или Аналоговый компаратор следует, для начало, программно настроить периферийное устройство при помощи его регистров управления/контроля, для установки нужного вам режима работы и т.п., а дальше подать исследуемые сигналы на входы соответствующего периферийного устройства.

- Кварц и конденсаторы C1,C2 (по 22пФ) обеспечивают микроконтроллер и все его периферийные устройства качественным тактирующим сигналом (максимальная частота – 16.0МГц).

Резистор R1 (10К), обеспечивает высокий уровень на входе RESET, необходимый для стабильной работы микроконтроллера. Если, во время работы микроконтроллера, напряжение на этом пине упадет ниже определенного уровня, то произойдет сброс микроконтроллера и возможно нарушение работы задуманного алгоритма.

- ISP connector используется для внутрисхемного программирования, тоесть необходим для записи написанной вами программы в память микроконтроллера прямо на плате (не вынимая микроконтроллер из устройства).

- Дроссель L1 и конденсаторы C3,C4 обеспечивают напряжением питания аналоговые периферийные устройства а также некоторые регистры портов ввода/вывода. Если у микроконтроллера отсутствует аналоговая часть, соответственно, отсутствуют и пины аналогового питания, как результат – данные компоненты не нужны. упрощенной обвязки микроконтроллера следующие: во первых, поскольку микроконтроллер был лишен внешнего тактирования, ему следует указать что тактирование будет происходить от внутреннего RC-генератора, установив соответствующие фьюз биты (своего рода предельные эксплуатационные параметры микроконтроллера).
Максимальная частота внутреннего генератора равна 8.0 МГц, а это означает что микроконтроллер не сможет работать на своей максимальной частоте (производительности).
Во вторых- аналоговая часть микроконтроллера (а также некоторые регистры портов ввода/вывода), лишены источника питания, что исключает их использование.
В третьих- отсутствует разъем для внутрисхемного программирования, поэтому чтобы записать прошивку в память микроконтроллера придется вынимать его из устройства, где-то производить запись, после чего возвращать его на место. Как вы сами понимаете это не очень удобно (вынимать/вставлять, припаивать/отпаивать), и может привести к повреждению как самого микроконтроллера (могут поломаться ножки, перегреться от пайки и т.п.), так и близлежащих устройств – разъем, дорожки на плате и т.п.

Сферы применения различных Tiny, Mega

Tiny AVR – самые простые в техническом плане. В них мало памяти и выводов для подключения сигналов, цена соответствующая. Однако это идеальное решение для простейших проектов, начиная от автоматики управления осветительными приборами салона автомобиля, до осциллографических пробников для ремонта электроники своими руками. Они также используются в Arduino-совместимом проекте – Digispark. Это самая маленькая версия ардуины от стороннего производителя; выполнена в формате USB-флешки.
Семейство MEGA долго оставалось основным у продвинутых радиолюбителей, они мощнее и имеют больший, чем в Tiny, объём памяти и количество выводов. Это позволяет реализовывать сложные проекты, однако семейство очень широко для краткого описания. Именно они использовались в первых платах Arduino, актуальные платы оснащены, в основном, ATMEGA

AVR xMega или старшие микроконтроллеры

В AVR xMega есть два направления:

МК с напряжением питания 1.8-2.7 вольта, работают с частотой до 12 мГц, их входа устойчивы к величине напряжения в 3.3 В;
МК с напряжением питания 2.7-3.6 вольта уже могут работать на более высоких частотах – до 32 мГц, а вход устойчив к 5 вольтам.

Работа с USB портом

Такой преобразователь размещен на платах Arduino UNO и Aduino Nano.

Некоторые микроконтроллеры AVR имеют встроенный (аппаратный) USB:

ATmega8U2;
ATmega16U2;
ATmega32U2.

Назначение ЦАП и АЦП микроконтроллеров AVR

А здесь расположено подробное видео этого проекта, инструкции по сборке и советы от автора:

Какую литературу читать о микроконтроллерах AVR для начинающих?

Для обучения молодых специалистов написаны горы литературы, давайте рассмотрим некоторые из них:

Евстифеев А.В. «Микроконтроллеры AVR семейства Mega». В книге подробно рассмотрена архитектура микроконтроллера. Описано назначение всех регистров и таймеров, а также их режимы работы. Изучена работа интерфейсов связи с внешним миром SPI и т. д. Система команд раскрыта для понимания радиолюбителю среднего уровня. Материал книги «Микроконтроллеры avr семейства mega: руководство пользователя» поможет изучить структуру чипа и назначение каждого из его узлов, что, безусловно, важно для любого программиста микроконтроллеров.
Белов А.В. – «Микроконтроллеры AVR в радиолюбительской практике». Как видно из названия, эта книга, в большей степени, посвящена практической стороне работы с микроконтроллерами. Подробно рассмотрен ставший классическим микроконтроллер ATiny2313, а также многие схемы для сборки.
Хартов В.Я. «Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих». Поможет разобраться в AVR studio 4, а также стартовом наборе STK Вы научитесь работать с последовательными и параллельными интерфейсами, такими как UART, I2C и SPI. Книга «Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих» написана преподавателем МГТУ им. Н.Э.Баумана и используется там для изучения этой темы.

Среди радиолюбителей начального уровня есть только один конкурент AVR – PIC микроконтроллеры.

Рассмотрим внутреннюю архитектуру микроконтроллеров AVR, попробуем разобраться из каких блоков состоит кристалл микросхемы и за какие функции отвечает каждый блок, как они взаимодействуют между собою. Также будут приведены полезные сравнения и примеры, ценные заметки что помогут прояснить принципы работы микроконтроллера с внешними устройствами и периферией.

AVR микроконтроллер изнутри

Микроконтроллер изнутри - это компьютер со своим вычислительным устройством, постоянной и динамической памятью, портами ввода-вывода и разной периферией.

Рис. 1. Структура AVR микроконтроллера. Рисунок с сайта digikey.com

Внутри микроконтроллер содержит:

Быстродействующий процессор с RISC-архитектурой;
FLASH-память;
EEPROM-память;
Оперативную память RAM;
Порты ввода/вывода;
Периферийные и интерфейсные модули.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) - архитектура с тщательно подобранным набором команд, которые как правило выполняются за один такт работы процессора. Современные AVR микроконтроллеры содержат около 130 команд, которые очень быстро выполняются и не требуют больших затрат как по внутри-процессорным ресурсам, так и по потребляемой мощности.

Структурная схема AVR микроконтроллера

Посмотрим на рисунок ниже и разберемся из каких блоков состоит микроконтроллер и как они связаны между собою:

Рис. 2. Структурная схема AVR микроконтроллера.

Рассмотрим кратко что изображено на блоках в схеме:

JTAG Interface (Joint Test Action Group Interface) - интерфейс внутрисхемной отладки (4 провода);
FLASH - перепрограммируемая память для сохранения программы;
Serial Peripheral Interface, SPI - последовательный периферийный интерфейс (3 провода);
EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) - перепрограммируемое ПЗУ, энергонезависимая память;
CPU (ЦПУ) - центральный процессор управления, сердце микроконтроллера, 8-битное микропроцессорное ядро;
ALU (АЛУ) - арифметико-логическое устройство, основа блока CPU;
RAM (Random Access Memory) - оперативная память процессора;
Program Counter - счетчик команд;
32 General Purpose Registers - 32 регистра общего назначения;
Instruction Register - регистр команд, инструкций;
Instruction Decoder - декодер команд;
OCD (On-Chip Debugger) - блок внутренней отладки;
Analog Comparator - аналоговый компаратор, блок сравнения аналоговых сигналов;
A/D Converter (Analog/Digital converter) - аналогово-цифровой преобразователь;
LCD Interface (Liquid-Crystal Display Interface) - интерфейс для подключения жидко-кристаллического дисплея, индикатора;
USART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), UART - универсальный асинхронный приемопередатчик;
TWI (Two-Wire serial Interface) - последовательный интерфейс с двухпроводным подключением;
Watchdog Timer - сторожевой или контрольный таймер;
I/O Ports - порты вода/вывода;
Interrupts - блок управления и реакции на прерывания;
Timers/Counters - модули таймеров и счетчиков.

Подробнее о внутренних блоках микроконтроллера

А теперь подробно рассмотрим все блоки микроконтроллера, разберемся что и для чего нужно, приведу простые примеры доступным языком.

JTAG Interface - важный интерфейс который позволяет производить внутреннюю отладку прямо в чипе используя блок внутренней отладки (OCD ), без использования эмуляторов. Можно сказать что JTAG - это интерфейс для "железной" отладки микроконтроллера. Через JTAG-адаптер микросхема напрямую подключается к программному комплексу для программирования и отладки.

Используя данный интерфейс можно в пошаговом режиме выполнять программу прямо в микроконтроллере, смотреть как изменяется содержимое регистров, как мигают индикаторы и светодиоды что подключены к микроконтроллеру после каждого шага и т.п. Для подключения к JTAG интерфейсу достаточно 4-х проводников: TDI(Test Data In), TDO(Test Data Out), TCK(Test Clock), TMS (Test Mode Select).

JTAG интерфейс доступен далеко не во всех микроконтроллерах AVR, как правило таким вкусным дополнением обладают чипы у которых 40 и более лапок, а объем памяти доступен в размере не менее 16КБ. Для серьезных задач - серьезные материалы и инструменты.)

FLASH - память программ, энергонезависимое ПЗУ(постоянное запоминающее устройство) что выполнено по технологии FLASH. Здесь хранится программа, которая будет исполняться блоком ALU микроконтроллера. Флешь-память чипа можно многократно перезаписывать, тем самым меняя или дополняя программный код для выполнения. Данный тип памяти может сохранять записанные в нее данные в течение 40 лет, а количество возможных циклов стирания/записи может достигать 10000.

В зависимости от модели микроконтроллера размер FLASH-памяти может достигать 256 KБ.

Serial Peripheral Interface, SPI - последовательный периферийный интерфейс (SPI) который зачастую применяется для обмена данными между несколькими микроконтроллерами со скоростью до нескольких MГц (нескольких миллионов тактов в секунду).

Для обмена данными по SPI интерфейсу между двумя устройствами достаточно 3-х проводников:

MOSI (Master Output Slave Input) - Данные от ведущего к ведомому;
MISO (Master Input Slave Output) - Данные от ведомого к ведущему;
CLK (Clock) — тактовый сигнал.

Устройства с SPI-интерфейсом делятся на два типа: ведущий(Master) и ведомый(Slave). Если к интерфейсу подключено несколько устройств то для обмена данными между ними нужны дополнительные линии связи(проводники) чтобы мастеру можно было выбрать ведомое устройство и сделать запрос к нему.

Также SPI интерфейс используется для внутрисхемного SPI программирования, по этому интерфейсу к микроконтроллеру подключается программатор.

EEPROM - энергонезависимая память данных в которой данные будут храниться даже при отключении питания микроконтроллера. В данной памяти можно хранить настройки выполнения программы, собранные данные для статистики работы устройства и другую полезную информацию. К примеру, собрав маленькую метеостанцию на микроконтроллере, в EEPROM на каждый день можно сохранять данные о температуре воздуха, давлении, силе ветра, а потом в любой момент считать эти собранные данные и провести статистические исследования.

Для EEPROM выделено отдельное адресное пространство которое отличается от адресного пространства RAM и FLASH. Память EEPROM микроконтроллера - очень ценный ресурс, поскольку ее как правило очень мало - от 0,5 до нескольких килобайт на чип. Количество перезаписей для данного типа памяти составляет порядка 100000 что в 10 раз больше чем ресурс FLASH памяти.

ALU - Арифметико-логическое устройство, которое синхронно с тактовым сигналом и опираясь на состояние счетчика команд (Program Counter ) выбирает из памяти программ (FLASH ) очередную команду и производит ее выполнение.

Тактовый сигнал для микроконтроллера вырабатывается тактовым генератором, и может быть подан из нескольких доступных источников на выбор:

внутренний RC-генератор, который можно калибровать на нужную частоту;
керамический или кварцевый резонатор с конденсаторами (не у всех моделей);
внешний тактовый сигнал.

Установка источника тактовых импульсов производится при помощи FUSE-битов.

FUSES (с англ.: плавление, пробка, предохранитель) - специальные 4 байта(4*8=32 бит) данных, которые настраивают некоторые глобальные параметры микроконтроллера в процессе прошивки. После прошивки данные биты нельзя изменить через внутреннюю программу что записана в МК.

Данной конфигурацией бит мы указываем микроконтроллеру вот что:

какой использовать задающий генератор (внешний или внутренний);
делить частоту генератора на коэффициент или нет;
использовать ножку сброса (RESET) для сброса или же как дополнительный пин ввода-вывода;
количество памяти для загрузчика;
другие настройки зависимо от используемого микроконтроллера.

CPU - это мозг микроконтроллера, который содержит в себе АЛУ, регистры и оперативную память.

К ALU подключен блок из 32-х регистров общего назначения (32 General Purpose Registers - регистровая память), каждый из которых представляет собою 1 байт памяти (8 бит). Адресное пространство регистров общего назначения размещено в начале оперативной памяти (RAM) но не является ее частью. С данными что помещаются в регистры можно производить разнообразные арифметические, логические и битовые операции. Выполнение подобных операций в оперативной памяти не доступно. Для работы с данными из RAM нужно их записать в регистры, произвести в регистрах нужные операции, а потом записать результирующие данные из регистров в память или в другие регистры для выполнения каких-то действий.

RAM - оперативная память. В нее можно записывать данные из регистров, считывать данные в регистры, все операции с данными и расчеты производятся в регистрах. Для разных семейств AVR чипов размер оперативной памяти ограничен:

ATxmega - до 32 KБ;
ATmega - 16 Кб;
ATtiny - 1 Кб.

Analog Comparator - данный блок сравнивает между собою два уровня сигнала и запоминает результат сравнения в определенном регистре, после чего сданный результат можно проанализировать и выполнить необходимые действия. Для примера: можно использовать этот блок как АЦП(Аналогово-Цифровой Преобразователь) и измерять напряжение батареи питания, в случае если если напряжение батареи достигло низкого уровня - произвести некоторые действия, помигать красным светодиодом и т.п. Также данный модуль можно применять для измерения длительности аналоговых сигналов, считывания установленных режимов работы устройства при помощи потенциометра и т.п.

A/D Converter - данный блок преобразовывает аналоговое значение напряжения в цифровое значение, с которым можно работать в программе и на основе которого можно выполнять определенные действия. Как правило диапазон напряжений что подаются на вход АЦП в AVR микроконтроллере находится в пределах 0-5,5 Вольт. Для данного блока очень важно чтобы микроконтроллер питался от стабильного и качественного источника питания. Во многих AVR микроконтроллерах есть специальный отдельный вывод для подачи стабильного питания на схему АЦП.

LCD Interface - интерфейс для подключения жидкокристаллического индикатора или дисплея. Применятся для отображения информации, состояния устройства и его узлов.

USART - последовательный асинхронный интерфейс для обмена данными с другими устройствами. Есть поддержка протокола RS-232, благодаря чему микроконтроллер можно соединить для обмена данными с компьютером.

Для подобной связи МК с COM-портом компьютера нужен конвертер логических уровней напряжения (+12В для COM - в +5В для микроконтроллера), или же просто RS232-TTL. Для подобных целей используют микросхемы MAX232 и им подобные.

Для подключения микроконтроллера к компьютеру через USB используя UART-интерфейс можно использовать специализированную микросхему FT232RL. Таким образом на новых компьютерах и ноутбуках можно не имея физического COM-порта привязать микроконтроллер используя USB-порт через USART интерфейс.

TWI - интерфейс для обмена данными по двухпроводной шине. К такой шине данных можно подключить до 128 различных устройств, используя две линии данных: тактовый сигнал (SCL) и сигнал данных (SDA). Интерфейс TWI является аналогом базовой версии интерфейса I2C.

В отличие от SPI интерфейса (один мастер и один/несколько ведомых) интерфейс TWI - двунаправленный, сто позволяет организовать между несколькими микроконтроллерами небольшую внутреннюю сеть.

Watchdog Timer представляет собою систему контроля зависания устройства с последующим его перезапуском. Это как автоматическая кнопка RESET для старенького компьютера с глючной ОС.))

I/O Ports , GPIO - это набор блоков портов ввода/вывода к пинам которых можно подключить разнообразные датчики, исполняющие устройства и цепи. Количество пинов вход/выход, что идут от портов в микроконтроллере, может быть от 3 до 86.

Выходные драйверы в портах AVR микроконтроллера позволяют напрямую подключать нагрузку з потребляемым током 20 мА(максимум 40 мА) при напряжении питания 5В. Общий нагрузочный ток для одного порта не должен превышать значение в 80 мА (например на 4 пина для одного из портов повесить по светодиоду с током 15-20 мА).

Interrupts - это блок который отвечает за реакцию и запуск на выполнение определенных функций при поступлении сигнала на определенные входы микроконтроллера или же по какому-то внутреннему событию (например тиканью таймера). Под каждое прерывание разрабатывается и записывается в память отдельная подпрограмма.

Почему этот блок называется блоком прерываний? - потому что при возникновении определенного для прерывания события выполнение основной программы прерывается и происходит приоритетное выполнение подпрограммы что написана для текущего прерывания. По завершению выполнения подпрограммы происходит возвращение к выполнению основной программы с того момента где она была прервана.

Timers/Counters - набор таймеров и счетчиков. Микроконтроллер, как правило, содержит в себе от одного до четырех таймеров и счетчиков. Они могут применяться для подсчета количества внешних событий, формирования сигналов определенной длительности, вырабатывать запросы на прерывания и т.п. Разрядность таймеров и счетчиков составляет - 8 и 16 бит (смотреть в даташите для чипа).

Заключение

Вот в принципе и все что изначально полезно знать о структуре микроконтроллера AVR. Дальше, в процессе работы и программирования, у вас будет возможность на практике изучить даташиты для разных моделей AVR чипов, узнать более детально принципы работы каждого из структурных кубиков МК и изучить как они работают, поиграться с отладкой и т.п.

В следующей статье попробуем разобраться с маркировкой микроконтроллеров, поразмышляем о наиболее доступных и подходящих для начального изучения чипах.