Изучение основ программирования микроконтроллеров семейства avr: Методические рекомендации к практической работе

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА AVR

Методические рекомендации к практической работе

по курсу

"Микропроцессорные устройства систем управления" для студентов специальности 220201

Одобрено редакционно-издательским советом Балаковского института техники, технологии и управления

Балаково 2009

Цель работы: ознакомление с основами программирования микроконтроллеров семейства AVR, изучение простейших программ для микроконтроллера, осуществляющих ввод и вывод информации.

1.  ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ

Микроконтроллер – это микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. Таким образом,  микроконтроллер представляет собой своеобразный однокристальный компьютер, способный выполнять простые алгоритмические 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, микроволновые печи, стиральные машины и т.д. Микроконтроллеры используются в игрушках, мобильных устройствах, транспортных средствах и в промышленном оборудовании.

Наибольшее распространение получили 8-разрядные микроконтроллеры.

Современные 8-разрядные МК имеют следующие отличительные признаки:

        - модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) МК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации и т.д.;

        - использование закрытой архитектуры МК, характеризующейся отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса;

        - использование типовых функциональных периферийных модулей (таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, аналого-цифровые преобразователи), имеющих незначительные отличия в алгоритмах работы в МК различных производителей;

        - расширение числа режимов работы периферийных модулей, которые задаются в процессе инициализации регистров специальных функций МК.

На сегодняшний день большой популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, шестнадцатибитные MSP430 фирмы Texas Instruments, а также ARM, разрабатываемые и лицензируемые сторонним разработчикам фирмой ARM.

В то время, как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость.

Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:

- различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI, CAN, USB, ETHERNET

- аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

- компараторы

- широтно-импульсные модуляторы

- таймеры

- контроллеры бесколлекторных двигателей

- контроллеры дисплеев и клавиатур

- радиочастотные приемники и передатчики

- массивы встроенной FLASH памяти

Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков, например, Бейсика или Паскаля.

Распространенным и простым в изучении семейством микроконтроллеров является семейство AVR. Основными его достоинствами является простота, доступность и минимальная стоимость средств программирования, что делает это семейство наиболее предпочтительным для изучения студентами.

Центральной частью стенда является 40-выводной микроконтроллер AVR ATMega16, располагающий большим набором функциональных возможностей:

- малое потребление энергии;

- 32 восьмиразрядных рабочих регистра общего назначения;

- производительность до 16 миллионов операций в секунду (при тактовой частоте 16 МГц);

- 16 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash, 1000 циклов стирания/записи) ;

- 512 байт EEPROM (100000 циклов стирания/записи) ;

- 1 Кбайт встроенной SRAM;

- два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения;

- один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения;

- счетчик реального времени с отдельным генератором;

- четыре канала ШИМ;

- 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь;

- байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс;