Программирование микроконтроллеров.
Решение электронных задач при помощи микроконтроллеров.
Преподаватель: Копысов Станислав Юрьевич
Выполнил студент группы: ___________
_________________________________
_________________________________
Пермь 2016
Оглавление
1. Общая историческая и теоретическая часть. 3
1.1 Общее название, понятие и вид.. 3
1.2 История. 3
1.3 Теоретическая часть. 4
2. Программирование. 7
2.1 Формальная часть. 7
2.2 Теоретическая часть. 7
Объявление переменных в C++.. 11
Использование переменных. 11
Изменение и сравнение величин. 13
Оператор if. 15
Цикл for. 18
Цикл while. 21
Цикл do while. 23
3. Знакомство с Arduino IDE и API Arduino AVR/ARM… 24
4 Практические задания. 26
4.1 Задание № 1. Светодиодный световой автомат (Вводная работа). 26
Общая историческая и теоретическая часть
Общее название, понятие и вид
Микроконтроллер — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.
Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и/или ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять относительно простые задачи.
Отличается от микропроцессора интегрированными в микросхему устройствами ввода-вывода, таймерами и другими периферийными устройствами.
История
С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры массового применения компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «контроллер» (англ. controller — регулятор, управляющее устройство).
В связи со спадом отечественного производства и возросшим импортом техники, в том числе вычислительной, термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микроЭВМ».
Первый патент на однокристальную микроЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам американской Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только процессор, но и память с устройствами ввода-вывода.
В 1976 году американская фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048. В 1978 году фирма Motorola выпустила свой первый микроконтроллер MC6801, совместимый по системе команд с выпущенным ранее микропроцессором MC6800. Через 4 года, в 1980 году, Intel выпускает следующий микроконтроллер: i8051. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер i8051 являлся для своего времени очень сложным изделием — в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре i8086.
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, 16-битные MSP430 фирмы TI, а также 32-битные микроконтроллеры архитектуры ARM, которую разрабатывает фирма ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их производства. Несмотря на популярность в России микроконтроллеров, упомянутых выше, по данным Gartner Grup от 2009 года мировой рейтинг по объёму продаж выглядит иначе: первое место с большим отрывом занимает Renesas Electronics на втором Freescale, на третьем Samsung, затем идут Microchip и TI, далее все остальные.
В СССР велись разработки оригинальных микроконтроллеров, также осваивался выпуск клонов наиболее удачных зарубежных образцов.
В 1979 году в СССР НИИ ТТ разработали однокристальную 16-разрядную ЭВМ К1801ВЕ1, микроархитектура которой получила название «Электроника НЦ».
При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать компромисс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д. В отличие от обычных компьютерных микропроцессоров, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.
Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Многие модели контроллеров вообще не имеют шин для подключения внешней памяти.
Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись, либо хранимая программа записывается в кристалл на этапе изготовления (конфигурацией набора технологических масок). Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи программы в энергонезависимой памяти.
Неполный список периферийных устройств, которые могут использоваться в микроконтроллерах, включает в себя:
- универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;
- различные интерфейсы ввода-вывода, такие, как UART, I?C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;
- аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
- компараторы;
- широтно-импульсные модуляторы (ШИМ-контроллер);
- таймеры;
- контроллеры бесколлекторных двигателей, в том числе шаговых;
- контроллеры дисплеев и клавиатур;
- радиочастотные приемники и передатчики;
- массивы встроенной флеш-памяти;
- встроенные тактовый генератор и сторожевой таймер;
Ограничения по цене и энергопотреблению ограничивает тактовую частоту контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания. Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.
Программирование
Программирование — это процесс и искусство создания программ с помощью языков программирования. Программирование сочетает в себе элементы искусства, науки, математики и инженерии.
Формальная часть
В нашем случае мы будем рассматривать основы языка программирования C++.
C++ — компилируемый, статически типизированный язык программирования общего назначения.
В нашем случае мы будем программировать микроконтроллеры фирмы Atmel Corporation под маркировкой ATmega328.
Данные микроконтроллеры используются в готовых «боард-китах» Arduino. Выбор обусловлен: удобство программирования, доступностью и себестоимостью электронных компонентов, долговечной работой при правильном использовании. В нашем случае микроконтроллеры из типа «Универсальных» и, что не маловажно может работать с различными IDE и SDK.
Мы остановимся на выборе Arduino IDE, которая использует и компилирует код C++.
Теоретическая часть
Язык C++ представляет собой набор команд, которые говорят компьютеру, что необходимо сделать. Этот набор команд, обычно называется исходный код или просто код. Командами являются или «функции» или «ключевые слова». Ключевые слова(зарезервированные слова С/С++) являются основными строительными блоками языка. Функции являются сложными строительными блоками, так как записаны они в терминах более простых функций — вы это увидите в нашей самой первой программе, которая показана ниже. Такая структура функций напоминает содержание книги. Содержание может показывать главы книги, каждая глава в книге может иметь своё собственное содержание, состоящее из пунктов, каждый пункт может иметь свои подпункты. Хотя C++ предоставляет много общих функций и зарезервированных слов, которые вы можете использовать, все-таки возникает потребность в написании своих собственных функций.
В какой же части программы начало? Каждая программа в C++ имеет одну функцию, её называют главная или main-функция, выполнение программы начинается именно с этой функции. Из главной функции, вы также можете вызывать любые другие функции, неважно, являются ли они написанными нами, или, как упоминалось ранее, предоставляются компилятором.
Так как же получить доступ к этим Стандартным функциям? Чтобы получить доступ к стандартным функциям, которые поставляются с компилятором, необходимо подключить заголовочный файл используя препроцессорную директиву — #include. Почему это эффективно? Давайте посмотрим на примере рабочей программы:
#include
using namespace std;
int main()
{
cout
cin.get();
}
Рассмотрим подробно элементы программы. #include это директива «препроцессору», которая сообщает компилятору поместить код из заголовочного файла iostream в нашу программу перед тем как создать исполняемый файл. Подключив к программе заголовочный файл вы получаете доступ к множеству различных функций, которые можете использовать в своей программе. Например, оператору сout требуется iostream. Строка using namespace std; сообщает компилятору, что нужно использовать группу функций, которые являются частью стандартной библиотеки std. В том числе эта строка позволяет программе использовать операторы, такие как cout. Точка с запятой является частью синтаксиса C++. Она сообщает компилятору, что это конец команды. Чуть позже вы увидите, что точка с запятой используется для завершения большинства команд в C++.
Следующая важная строка программы int main(). Эта строка сообщает компилятору, что есть функция с именем main, и что функция возвращает целое число типа int. Фигурные скобки { и } сигнализируют о начале { и конце } функции. Фигурные скобки используются и в других блоках кода, но обозначают всегда одно — начало и конец блока, соответственно.
В C++ объект cout используется для отображения текста (произносится как «Cи аут»). Он использует символы
Следующая команда cin.get(). Это еще один вызов функции, которая считывает данные из входного потока данных и ожидает нажатия клавиши ENTER. Эта команда сохраняет консольное окно от закрытия, до тех пор пока не будет нажата клавиша ENTER. Это даёт вам время для того, чтобы посмотреть результат выполнения программы.
По достижении конца главной функции (закрывающая фигурная скобка), наша программа вернёт значение 0 для операционной системы. Это возвращаемое значение является важным, поскольку, проанализировав его, ОС может судить о том, успешно завершилась наша программа или нет. Возвращаемое значение 0 означает успех и возвращается автоматически (но только для типа данных int, другие функции, требуют вручную возвращать значение), но если бы мы хотели вернуть что-то другое, например 1, мы должны были бы сделать это вручную.
#include
using namespace std;
int main()
{
cout
cin.get();
return 1;
}
Для закрепления материала, наберите код программы в своей IDE и запустите его. После того, как программа запустилась, и вы увидели результат работы, поэкспериментируйте немного с оператором cout. Это поможет вам привыкнуть к языку.
Обязательно комментируйте свои программы!
Добавляйте комментарии к коду, чтобы сделать его понятнее не только для себя но и для других. Компилятор игнорирует комментарии при выполнении кода, что позволяет использовать любое количество комментариев, чтобы описать реальный код. Чтобы создать комментарий используйте или //, который сообщает компилятору, что остальная часть строки является комментарием или /* и затем */. Когда вы учитесь программировать, полезно иметь возможность комментировать некоторые участки кода, для того, чтобы увидеть, как изменяется результат работы программы. Подробно прочитать о технике комментирования, вы можете тут.
Что делать со всеми этими типами переменных?
Иногда это может сбить с толку — иметь несколько типов переменных, когда кажется, что некоторые типы переменных являются избыточными. Очень важно использовать правильный тип переменной, так как некоторым переменным, требуется больше памяти, чем другим. Кроме того, из-за способа хранения в памяти, числа с плавающей точкой, типы данных float и double являются «неточным», и не должны использоваться, когда необходимо сохранить точное целое значение.
Объявление переменных в C++
Чтобы объявить переменную используется синтаксис тип ;. Вот некоторые примеры объявления переменных:
int num;
char character;
float num_float;
Допустимо объявление нескольких переменных одного и того же типа в одной строке, для этого каждая из них должна быть отделена запятой.
int x, y, z, d;
Если вы смотрели внимательно, вы, возможно, видели, что объявление переменной всегда сопровождается точкой с запятой. Подробнее о соглашении — «об именовании переменных», можно прочитать тут.
Распространенные ошибки при объявлении переменных в C++
Если вы попытаетесь использовать переменную, которую не объявили, ваша программа не будет скомпилирована, и вы получите сообщение об ошибке. В C++, все ключевые слова языка, все функции и все переменные чувствительны к регистру.
Использование переменных
Итак, теперь вы знаете, как объявить переменную. Вот пример программы, демонстрирующий использование переменной:
#include
using namespace std;
int main(){
int number;
cout
cin number;
cin.ignore();
cout
cin.get();
}
Давайте рассмотрим эту программу и изучим её код, строку за строкой. Ключевое слово int говорит о том, что number — целое число. Функция cin считывает значение в number, пользователь должен нажать ввод после введенного числа. cin.ignore () — функция, которая считывает символ и игнорирует его. Мы организовали свой ввод в программу, после ввода числа, мы нажимаем клавишу ENTER, символ который также передаётся в поток ввода. Нам это не нужно, поэтому мы его отбрасываем. Имейте в виду, что переменная была объявлена целого типа, если пользователь попытается ввести десятичное число, то оно будет обрезано (то есть десятичная часть числа будет игнорироваться). Попробуйте ввести десятичное число или последовательность символов, когда вы запустите пример программы, ответ будет зависеть от входного значения.
Обратите внимание, что при печати из переменной кавычки не используются. Отсутствие кавычек сообщает компилятору, что есть переменная, и, следовательно, о том, что программа должна проверять значение переменной для того, чтобы заменить имя переменной на её значение при выполнении. Несколько операторов сдвига в одной строке вполне приемлемо и вывод будет выполняться в том же порядке. Вы должны разделять строковые литералы (строки, заключенные в кавычки) и переменные, давая каждому свой оператор сдвига
