Программирование микроконтроллеров для начинающих

Микроконтроллерами называют особый вид микросхем, используемый для управления различными электронными устройствами.

[toc]

Программирование микроконтроллеров для начинающих

Введение в микроконтроллеры

Это миниатюрные компьютеры, все составляющие которых (процессор, ОЗУ, ПЗУ) располагаются на одном кристалле. От микропроцессоров их отличает наличие таймеров, контроллеров, компараторов и других периферийных устройств. В настоящее время микроконтроллеры используются при производстве:

  • датчиков для автомобилей;
  • игрушек;
  • индикаторов напряжения, зарядных устройств;
  • пультов управления;
  • миниатюрных электронных приборов.

Управление осуществляется при помощи специальных программ.

Программирование микроконтроллеров для начинающих

Начинать осваивать программирование микроконтроллеров для начинающих рекомендуется с изучения архитектуры и разновидностей. Промышленность выпускает следующие виды МК:

  • встраиваемые;
  • 8-, 16- и 32-разрядные;
  • цифровые сигнальные процессоры.

Производителям микроконтроллеров приходится постоянно балансировать между габаритами, мощностью и ценой изделий. Поэтому до сих пор в ходу 8-разрядные модели. Они обладают довольно низкой производительностью, но во многих случаях данный факт является преимуществом, т.к. позволяет экономить энергоресурсы. Цифровые сигнальные процессоры способны обрабатывать в реальном времени большие потоки данных. Однако их стоимость намного выше.

Количество используемых кодов операций может быть неодинаковым. Поэтому применяются системы команд RISC и CISC. Первая считается сокращенной и выполняется за один такт генератора. Это позволяет упростить аппаратную реализацию ЦП, повысить производительность микросхемы. CISC — сложная система, способная значительно увеличить эффективность устройства.

Изучить программирование микроконтроллеров для начинающих невозможно без понимания алгоритмов. На ЦП микросхемы команды подаются в определенном порядке. Причем их структура должна восприниматься процессором однозначно. Поэтому сначала программист составляет последовательность выполнения команд. Заставить ЦП немедленно остановить программу можно при помощи вызова прерывания. Для этого используют внешние сигналы либо встроенные периферийные устройства.

Семейства микроконтроллеров

Чаще всего встречаются микроконтроллеры следующих семейств:

  • MSP430 (TI);
  • ARM (ARM Limited);
  • MCS 51 (INTEL);
  • STMB (STMicroelectronics);
  • PIC (Microchip);
  • AVR (Atmel);
  • RL78 (Renesas Electronics).

Одной из наиболее популярных в электронной промышленности является продукция компании Atmel, построенная на базе RISC-ядра. Первые микросхемы, разработанные в 1995 году, относятся к группе Classic. Изучать программирование микроконтроллеров AVR для начинающих желательно на более современных моделях:

  • Mega — семейство мощных микросхем с развитой архитектурой.
  • Tiny — недорогие изделия, имеющие восемь выводов.

Необходимо помнить, что совместимость систем команд сохраняется лишь при переносе программы с малопроизводительного МК на более мощный.

Изделия компании «Атмел» просты и понятны. Однако для использования всего функционала придется разработать программное обеспечение. Приступать к программированию микроконтроллеров AVR для начинающих рекомендуется с загрузки специализированной среды Atmel Studio. Актуальная версия предоставляется официальным сайтом производителя на бесплатной основе. Для разработки ПО в этой среде дополнительные программные компоненты не требуются.

Комплекс «Атмел Студио» включает огромное количество примеров готовых проектов. Это поможет новичку быстрее освоить базовые возможности и начать создавать собственные программы. В нем также имеются модули для компиляции и окончательной отладки кода. Параллельно с его освоением нужно изучать языки программирования. Без них разработать программное обеспечение невозможно.

Языки программирования

По своей структуре языки программирования микроконтроллеров мало отличаются от тех, что используются для персональных компьютеров. Среди них выделяют группы низкого и высокого уровня. Современные программисты в основном используют С/С++ и Ассемблер. Между приверженцами этих языков ведутся бесконечные споры о том, какой из них лучше.

Низкоуровневый Ассемблер в последнее время сдает позиции. Он использует прямые инструкции, обращенные непосредственно к чипу. Поэтому от программиста требуется безукоризненное знание системных команд процессора. Написание ПО на Ассемблере занимает значительное время. Главным преимуществом языка является высокая скорость исполнения готовой программы.

На самом деле, можно использовать практически любые языки программирования микроконтроллеров. Но популярнее всех С/С++. Это язык высокого уровня, позволяющий работать с максимальным комфортом. Более того, в разработке архитектуры AVR принимали участие создатели Си. Поэтому микросхемы производства «Атмел» адаптированы именно к этому языку.

С/С++ — это гармоничное сочетание низкоуровневых и высокоуровневых возможностей. Поэтому в код можно внедрить вставки на Ассемблере. Готовый программный продукт легко читается и модифицируется. Скорость разработки достаточно высокая. При этом доскональное изучение архитектуры МК и системы команд ЦП не требуется. Компиляторы Си снабжаются библиотеками внушительного размера, что облегчает работу программиста.

Нужно отметить, что выбор оптимального языка программирования зависит также от аппаратного обеспечения. При малом количестве оперативной памяти использовать высокоуровневый Си нецелесообразно. В данном случае больше подойдет Ассемблер. Он обеспечивает максимальное быстродействие за счет короткого кода программы. Универсальной среды программирования не существует, но в большинстве бесплатных и коммерческих приложений можно использовать как Ассемблер, так и С/С++.

Микроконтроллеры PIC

Первые микроконтроллеры PIC появились во второй половине прошлого века. Быстрые 8-разрядные микросхемы компании Microchip мгновенно завоевали популярность. Двухшинная гарвардская архитектура обеспечивает беспрецедентную скорость. Ее разрабатывали на основе набора регистров, для которого характерно разделение шин.

Выбирая язык программирования микроконтроллеров PIC, необходимо учитывать, что в основе микросхем семейства лежит уникальная конструкция RISC-процессора. Симметричная система команд позволяет произвольно выбирать метод адресации, выполнять операции в любом регистре. На данный момент компания «Микрочип» выпускает 5 разновидностей МК, которые совместимы по программному коду:

  1. PIC18CXXX (75 команд, встроенный аппаратный стек);
  2. PIC17CXXX (58 команд 16-разрядного формата);
  3. PIC16CXXX (35 команд, большой набор периферийных устройств);
  4. PIC16C5X (33 команды 12-разрядного формата, корпуса с 18–28 выводами);
  5. PIC12CXXX (версии с 35 и 33 командами, интегрированный генератор).

В большинстве случаев МК PIC имеют однократно программируемую память. Встречаются более дорогие модели с Flash или ультрафиолетовым стиранием. Ассортимент из 500 наименований позволяет подобрать изделие для любой задачи. Сейчас производитель концентрирует усилия на развитии 32-разрядных версий с увеличенным объемом памяти.

Языки программирования микроконтроллеров PIC — это Ассемблер и Си. Для кодирования подходят любые интегрированные среды разработки (IDE). Программировать с их помощью очень удобно. Они автоматически переводят текст программы в машинный код. Важной характеристикой IDE является возможность пошаговой симуляции работы готового ПО. Мы рекомендуем пользоваться средой разработки MPLAB. Ее созданием занималась компания Microchip.

Перед началом работы в MPLAB советуем каждый раз заводить отдельную папку. Это нужно, чтобы не запутаться в файлах проектов. Интерфейс программы интуитивно понятный, и трудностей с ним возникнуть не должно. Для отладки используются фирменные отладчики Pickit, ICD, REAL ICE, IC PROG. В них имеется возможность просмотра содержимого памяти, установки контрольных точек.

Ардуино+