Microcontroller
- procesor + memorie(volatila/nevolatila) + i/o
- opereaza la frecvente reduse (zeci-sute MHz)
- cost de productie mic si consum redus
structura:
- CPU
- RAM/FLASH/EEPROM
- GPIO
- USART/SPI/I2C
- timere
- ADC
- interfata DEBUG
periferic = orice dispozitiv, intern sau extern, care se conectează la un sistem de calcul și îi extinde funcționalitatea de bază
Familia AVR
- arhitectura Harvard
- memoriile Flash (nonvolatila - stocheaza instructiuni), EEPROM, şi SRAM sunt integrate în acelaşi chip
- pipeline cu 2 nivele
ATMEGA324
- 8biti
- 32 KB Flash
- 1 KB EEPROM
- 2 KB RAM
- 20 MHz frecvența maximă de lucru
- tensiune de alimentare între 1.8V și 5.5 V
- 6 canale de PWM
- 8 canale de multiplexare ADC rez = 10biti (un singur ADC si se face multiplexare) --> o singura conversie la un moment de timp
- 4 porturi GPIO (fiecare cu 8 pini, în total 32 de pini) P-ABCD
- 3 timere (două pe 8 biți și unul pe 16 biți)
- interfeţe de comunicație seriale: USART, SPI, TWI
- interfaţe de programare ISP și debug JTAG
- DIP40
Secventa de compilare
Programarea microcontrollerului
- folosind un ISP
- folosind bootloader (program incarcat la sfarsitul memoriei de program; folosirea lui presupune indeplinirea unei conditii care poate fi programata - un buton este apasat sau nu)
Pentru incarcarea programului in memorie se foloseste utilitarul avrdude.
avrdude -c arduino -P /dev/ttyUSB0 -b 57600 -p atmega324p -U flash:w:lab0.hex:a
Legatura cu mediul extern
actuatorii = elemente care influenteaza mediul exterior traductoarele = elemente care isi modifica proprietatile electrice in functie de parametrii mediului exterior LED(Light Emitting Diode) = numite și diode electroluminesciente emit lumină când ele sunt polarizate direct butoane = se foloseste o rezistenta de pull-up/pull-down pentru a evita starea de impedanta marita (stare nedefinita, pinul este "in aer")
Rezistentele de pull-up/pull-down sunt incluse in microcontroller --> cand se scrie in PORTn aceastea sunt activate.
GPIO DDRn (Data Direction Register)
- stabilește direcţia pinilor portului
- dacă bitul x are valoarea 0 atunci pinul x este de intrare
- dacă bitul x are valoarea 1 atunci pinul x este de ieșire
PORTn (Data Register)
- stabilește valorile de ieşire ale pinilor sau activează/dezactivează rezistenţele de pull-up
- dacă bitul x are valoarea 0 atunci
dacă pinul x este de ieșire el va avea valoarea LOW daca pinul x este de intrare rezistența de pull-up va fi dezactivată
- daca bitul x are valoarea 1 atunci
daca pinul x este de ieșire el va avea valoarea HIGH dacă pinul x este de intrare rezistența de pull-up va fi activată
PINn (Input Pins Address)
- putem citi date de pe portul respectiv
- dacă pinul x are valoarea LOW atunci bitul x va avea valoarea 0
- daca pinul x are valoarea HIGH atunci bitul x va avea valoarea 1
Registrele DDRn, PORTn, PINn, precum şi registrele perifericelor nu fac parte din cele 32 de registre de uz general. Ele nu sunt folosite pentru stocarea datelor, ci au ca rol comunicarea cu perifericul corespunzător. Pentru a face accesul la acestea mai simplu, ele sunt mapate în memorie. Astfel, pentru a scrie o valoare într-un registru este necesar să se scrie valoarea la adresa de memorie corespunzătoare registrului. Adresele lor se pot vedea în datasheet, în capitolul Register Summary, iar în avr-libc sunt definite macro-uri pentru fiecare dintre aceste adrese.
| Operatie | Forma |
|---|---|
| Scriere bit pe 1 | register |= (1 << bit_index) |
| Scriere bit pe 0 | register &= ~(1 << bit_index) |
| Toggle bit | register ^= (1 << bit_index) |
| Citire bit | register & (1 << bit_index) |
Exemplu de lucru cu ieșiri Să presupunem că avem un LED legat la pinul 1 al portului B (numit PORTB1 sau PB1). Pentru a aprinde sau stinge LED-ul trebuie să urmăm următorii pași:
- pinul PB1 trebuie configurat ca ieșire - bitul 1 (PB1) din registrul DDRB va fi 1
- pentru a aprinde LED-ul trebuie ca pinul PB1 sa ia valoarea HIGH- bitul 1 (PB1) din registrul PORTB va fi 1
- pentru a stinge LED-ul trebuie ca pinul PB1 sa ia valoarea LOW - bitul 1 (PB1) din registrul PORTB va fi 0
Exemplu de lucru cu intrări Să presupunem ca avem un buton legat la pinul 4 al portului D (numit PORTD4 sau PD4), din cazul b) prezentat anterior. Pentru a determina starea butonului (apăsat sau liber) trebuie să urmăm următorii pași:
- pinul PD4 trebuie configurat ca intrare - bitul 4 (PD4) din registrul DDRD va fi 0
- pentru a determina starea de apăsare a butonului trebuie să citim valoarea pinului la care este atașat. Acesta va fi 1 atunci când butonul este liber și 0 atunci când butonul este apăsat
- citim valoarea bitului 4 (PD4) din registrul PIND
Exemplu program care stinge și aprinde un LED la intervale de 500 ms:
// lab0.c
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
int main() {
/* Setăm pinul 0 al portului C ca pin de ieșire. */
DDRC |= (1 << PC0);
while(1) {
/* Inversăm starea pinului. */
PORTC ^= (1 << PC0);
_delay_ms(500);
}
return 0;
}
Exemplu Makefile:
# Linux
PORT ?= /dev/ttyUSB0
# Windows
# PORT ?= COM1
all: lab0.hex
lab0.hex: lab0.elf
avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex $^ $@
avr-size lab0.elf
lab0.elf: lab0.c
avr-g++ -mmcu=atmega324p -DF_CPU=12000000 -Os -Wall -o $@ $^
upload: lab0.hex
avrdude -c arduino -P $(PORT) -b 57600 -p atmega324p -U flash:w:$<:a
clean:
rm -rf lab0.elf lab0.hex
Compilatorul folosit este avr-gcc. Flag-urile au următoarea semnificație:
- mmcu: Informează compilatorul despre tipul microcontroller-ului pentru care trebuie să genereze codul
- DF_CPU=12000000: Definește macro-ul F_CPU care indică frecvența de lucru la microcontroller-ului
- Os: Optimizează programul în privința memoriei ocupate
Fișierul care poate fi programat pe plăcuță trebuie să fie în formatul ihex, de aceea este necesară extragerea secțiunilor de date și cod din fișierul elf obținut în urma compilării integrarea lor într-un fișier ihex. Acest pas folosește utilitarul avr-objcopy.
Comanda avr-size arată câtă memorie ocupă di 8702 verse secțiuni de cod ale programului. Trebuie avut în vedere că în memoria SRAM de date, în afară de secțiunea .data, o să fie pusă și stiva. Pentru a putea rula programul pe microcontroller-ul ATmega324 trebuie că secțiunea .text să fie <32 KB și secțiunea .data să fie <2 KB. Rezultatul compilării este fișierul lab0.hex. Acesta urmează a fi încărcat în microcontroller folosind regula upload.
Lab2: - USART/UART/Intreruperi - sincron vs asincron - interfata seriala de comunicatie - baud rate -> start 1 baud / stop 1 baud - ceasul procesorului + prescaler - cheatsheet de laborator - 8N1 - 8 biti de date, fara paritate, 1 bit de stop, 1 de start - throughput date 15200 8M2 --> 8 biti de date, 1 bit de start, 2 biti de stop - mereu ai bit de start indiferent de comunicatie - UART: RX si TX: conexiune tip punct la punct - UART-ul trebuie activat --> RX si TX - USBS0, UPM01/00 even parity cu 2 biti de stop
- LCD: regim de 8biti de dat / 4 biti de date --> la lab: var de 4 biti
- pin pentru stabilirea constrastului
- SGRAM --> character grafic ram
- DDRAM -->
Lab3: - Intreruperi - Mecanisme dintr-un sistem de calcul - Arhitectura de AVR are arhitectra Harvard --> memoria de program e diferita de memoria de date (flash si ..) - rutina de tratare a intreruperii - tabel de intreruperi - watchdog timer - intreruperi usart/counter/conversie la ADC/etc - 3 int externe int0/1/2 - int externe la nivel de grup de pini --> PCINT0 - timere - nu uitati de volatile, optimizarile de compilator sterg chestiile neapelate iar intreruperile nu se apeleaza in program - daca nu ai definit int0 dar ai activat intreruperile se duce in tabel si apeleaza default si daca nu e definita nici aia se da reset - in datasheet gasiti tot -Timere: - niste numaratoare ordinare - se inc or dec - daca e pe 8 biti --> 0-255 - daca e pe 16 biti --> 0-65525 - face overflow/ramane blocat val max posibila
Lab4: -
- Go to Arduino IDE and upload ArduinoISP on the Arduino.
- Place an electrolytic capacitor connected to RESET and GND (of the Arduino) with the positive (long leg) connected to RESET.
Why? To program a microcontroller you need to Reset it first but the Arduino has the code for the ArduinoISP and we want to load the program on the atmega324P not on the Arduino. We prevent programming the Arduino by placing the capacitor. That why it will be impossible for it to reset.
- Follow the following scheme, try using the same colors, it's easier that way:
- Put an LED (with resistor) on the following pins: 9: Heartbeat - shows the programmer is running 8: Error - Lights up if something goes wrong (use red if that makes sense) 7: Programming - In communication with the slave
Linux:
sudo apt-get install gcc-avr avr-libc avrdude
`avr-gcc -Wall -mmcu=atmega328p -Os -DF_CPU=12000000 -o blinky-led.bin blinky-led.c`
`avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex blinky-led.elf blinky-led.hex`
`avrdude -c arduino -p atmega328p -U flash:w:main.hex:i -P usb`
show fuse: avrdude -c arduino -P /dev/ttyUSB0 -b 1200 -p m324pa -U lock:r:lock.txt:i -F -n
upload code on atmel324: avr-gcc -Wall -mmcu=atmega324pa -Os -DF_CPU=1000000 -o blinky-led.bin blinky-led.c avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex blinky-led.bin blinky-led.hex avrdude -carduino -P /dev/ttyUSB0 -b 1200 -p atmega324pa -U flash:w:blinky-led.hex:i -V -v -F
Very useful links:
https://blog.podkalicki.com/how-to-compile-and-burn-the-code-to-avr-chip-on-linuxmacosxwindows/ https://www.instructables.com/id/Arduino-on-all-sorts-of-Atmels/ https://www.youtube.com/watch?v=_ZL-YNOH_jA https://forum.arduino.cc/index.php?topic=125248.0
Pinout scheme: https://www.instructables.com/id/Programming-ATMEGA32-or-Any-Other-AVR-Using-Arduin/
Capacitor explained: https://www.arduino.cc/en/tutorial/arduinoISP
Alex Banu https://www.ladyada.net/learn/avr/avrdude.html http://heliosoph.mit-links.info/arduinoisp-reading-writing-fuses-atmega328p/ http://eleccelerator.com/fusecalc/fusecalc.php?chip=atmega328p https://embedds.com/all-you-need-to-know-about-avr-fuses/