Программирование микроконтроллеров

Программирование микроконтроллеров Робототехника 2017­2018г.  Подоляка Олег  Николаевич Учитель по информатике  ГБОУ г. Москвы «Школа в  Капотне»

Что такое микроконтроллер? • Микроконтроллер — (англ. Micro Controller Unit, MCU) —  микросхема, предназначенная для управления электронными  устройствами.  • Данная микросхема работает в соответствии с заложенной в нее  программой, которую создает программист.  • В отличие от компьютера в микроконтроллере ядро, память и  управление периферийными устройствами заключены в один  кристалл. Микроконтроллер 62E40 1993 года  Микроконтроллер   ATtiny2313 Микроконтроллер ATmega8  от Atmel

Что такое микроконтроллер? • Примеры использования микроконтроллеров

Что такое микропроцессор? выполнение арифметических, логических операций и операций  управления, записанных в машинном коде) • Микропроц ссор ее  — процессор (устройство, отвечающее за

Что такое микропроцессор? • Микропроцессор, задействует по большей части внешние  устройства.

Чем микроконтроллер отличается от микропроцессора? • Основное отличие микроконтроллера от микропроцессора в том,  что в микроконтроллере основные модули, необходимые для  выполнения им своих функций, — встроенные.

Что такое ПЛИС (FPGA)? ие ие ае ее • Программ руемая лог ческая интегр льная сх ма  (ПЛИС,  англ. programmable logic device, PLD) — электронный компонент,  используемый для создания цифровых интегральных схем.  • В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы  ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством  программирования (проектирования).  ПЛИС типа CPLD компании «Altera»,  модель «MAX 7128»

Что такое ПЛИС (FPGA)? • ПЛИС широко используется для построения различных по сложности и  по возможностям цифровых устройств, например: • устройств с большим количеством портов ввода­вывода (бывают ПЛИС с  более чем 1000 выводов («пинов»)); • устройств, выполняющих цифровую обработку сигнала (ЦОС); • цифровой видеоаудиоаппаратуры; • устройств, выполняющих передачу данных на высокой скорости; • устройств, выполняющих криптографические операции,  систем защиты информации; • реализаций нейрочипов; • устройств, выполняющих моделирование квантовых вычислений.

Чем отличается микроконтроллер от ПЛИС? • ПЛИС позволяет реализовать свой собственный контроллер. Если в  микроконтроллере все внутренние соединения транзисторов жестко  заданы производителем, то в ПЛИС все связи задаются прошивкой.  • Переконфигурировав внутренние блоки нужным образом, можно  получить микросхему, выполняющую на аппаратному уровне нужные  нам действия. Можно сконфигурировать так, что получится  микроконтроллер. А можно сделать просто таймер, мигающий на выходе  светодиодом. Главное чтобы для реализуемой задачи хватило  программируемых блоков, число которых может меняться в большом  диапазоне, в зависимости от производителя и модели ПЛИС.

Чем отличается микроконтроллер от ПЛИС? • С точки зрения программиста микроконтроллер — как человек.  • Может выполнять только одну задачу одновременно.  • Может переключаться между разными задачами, ставить будильник,  чтобы выполнить что­то по расписанию.  • Может производить сложные действия и пользоваться разными  инструментами (периферией микроконтроллера).  • ПЛИС же скорее как стадо муравьёв. Каждый из них примитивен, зато  их можно группировать для выполнения задачи. Например, если мы  сделаем так, что 10 муравьёв срезают колосок пшеницы и выковыривают  из него зёрна за одну минуту, то имея достаточное количество муравьёв  (объём ПЛИС), можно легко убрать целое поле пшеницы за ту же минуту  :)

Чем отличается микроконтроллер от ПЛИС? • Или к примеру, помигать светодиодом на микроконтроллере легко.  Включил, подождал, выключил, подождал, вернулся в начало.  • А теперь попробуем добавить второй светодиод, который должен мигать  с другой частотой, да ещё не кратной первой. Задача резко усложняется.  • На ПЛИС же, сделав блок мигания светодиодом, достаточно просто  скопировать его, только поменять частоту и ножку со светодиодом. И  два этих блока будут работать параллельно, никак друг другу не мешая,  не снижая производительности. Таким образом на ПЛИС можно  реализовывать устройства, которые сложно сделать на МК.

Интерактивный аттракцион ведения воздушных боев FLY-Motion создан на ПЛИС • Аттракцион FLY­Motion представляет собой кабину «пилота»,  установленную на неподвижном основании.  авиационного типа. • Кабина вращается вокруг своих осей на 360 градусов в четырех  направлениях: вперед, назад, влево и вправо.  • Такая конструкция аппарата позволяет «пилоту» FLY­Motion ощутить  реальность «полета»: «набирать высоту» и «пикировать», выполнять  фигуры пилотажа (например, правую и левую «бочку», «крен» и  «мертвую петлю»).  • Управление аттракционом осуществляется с помощью джойстика

Интерактивный аттракцион ведения воздушных боев FLY-Motion создан на ПЛИС • https://www.youtube.com/watch?v=S8kSf0EWXFU

Что такое микрокомпьютер? • Одноплатный компьютер (SBC, англ. single­board computer) —  самодостаточный компьютер, собранный на одной печатной плате,  на которой установлены микропроцессор, оперативная память,  системы ввода­вывода и другие модули, необходимые для  функционирования компьютера.  • Размером они с кредитную карту (бывают модели и больше и  меньше).

Что такое микрокомпьютер? • Видеовыходы могут быть разные: от устаревшего VGA или  композитного видео до вполне современного HDMI.  • Питаются они, как правило, от разъёма USB и требуют ток в  диапазоне 500­1500 мА. То есть их можно питать при помощи  обычного зарядного устройства для мобильного телефона или  (лучше) планшета.

Что такое микрокомпьютер? • Количество задач, с которыми справится такой компьютер, довольно велико. Список  начинается домашним компьютером и заканчивается роутерами и модемами.  • Например, на такое устройство можно без проблем установить почти полный Linux,  превратив его в неплохую машинку для работы с документами, веб­сёрфинга,  прослушивания музыки и других несложных задач.  • Некоторые модели способны переварить даже проигрывание видеороликов вплоть до  1080р! И всё это — с привычным графическим интерфейсом.  • Микрокомпьютер можно превратить в Wi­Fi роутер, сетевое хранилище данных или  беспроводной сетевой плеер.

Что такое микрокомпьютер? •  Возможности поистине безграничны — вы можете соорудить целый умный дом. • Не стоит также забывать о набирающем популярность явлении под названием «интернет вещей» (IoT). Например, Microsoft выпустила специальную версию Windows 10 IoT Edition. Устройство, использующее специальные протоколы (и  сборку софта, разработанную ими же), сможет взаимодействовать с телефонами Lumia.

Что такое микрокомпьютер? • Главная вещь, позволяющая одноплатным компьютерам общаться с окружающим миром — порты GPIO. Это порты, которые могут быть и входами и выходами, позволяя устройству взаимодействовать на уровне “включил­выключил”.  • Такая простота идеи позволяет, например, включать или выключать лампочку, при получении электронного письма с соответствующей командой.  • Типичный одноплатный компьютер оснащается 5­10 портами GPIO, но их количество можно расширить разными путями.

Что такое AVR микроконтроллер? • AVR микроконтроллер – это 8­битный  микроконтроллер с RISC архитектурой и  различными периферийными устройствами.   • RISC (англ. reduced instruction set computer —  «компьютер с сокращённым набором команд»)  — это архитектура процессора, в котором  быстродействие увеличивается за счёт  упрощения инструкций, чтобы их декодирование  было более простым, а время выполнения —  меньшим. Первые RISC­процессоры даже не  имели инструкций умножения и деления.

Что такое AVR микроконтроллер? • Идея разработки нового RISC­ядра принадлежит двум студентам  из норвежского города Тронхейма — Альфу Богену (Alf­Egil  Bogen) и Вегарду Воллену (Vegard Wollen).  • В 1995 году Боген и Воллен решили предложить американской  корпорации Atmel, которая была известна своими чипами с Flash­ памятью, выпускать новый 8­битный RISC­микроконтроллер и  снабдить его Flash­памятью для программ на одном кристалле с  вычислительным ядром.

Что такое AVR микроконтроллер? • Идея была одобрена Atmel Corp., и было принято решение  незамедлительно инвестировать в данную разработку.  • В конце 1996 года был выпущен опытный микроконтроллер  AT90S1200, а во второй половине 1997 г. корпорация Atmel  приступила к серийному производству нового семейства  микроконтроллеров, к их рекламной и технической поддержке. • Новое ядро было запатентовано и получило название AVR.

Есть огромное количество AVR микроконтроллеров в корпусах:  DIP, SOIC, TQFP, PLCC.

Программирование микроконтроллеров

Программатор AVR микроконтроллеров • Простейший программатор AVR микроконтроллеров для LPT порта  компьютера можно собрать самому. Он поддерживает SPI интерфейс связи с  AVR микроконтроллером. Для сборки AVR­программатора понадобится: • Разъем SUB­25 (Папа) 1шт. • Резисторы 100­300ом 4шт. • Разъём IDC­10 (Розетка) 1шт. • Шлейф RC­10 (не длиннее 20см)

Программатор AVR микроконтроллеров • На рынке предлагается много вариантов — от самых дешевых ISP (In­ System Programming) программаторов за несколько долларов, до  мощных программаторов­отладчиков за пару сотен. • Китайская версия программатора от Thomas Fischl. Поддерживает  достаточно много AVR контроллеров серий ATmega и ATtiny.  • Для прошивки надо соединить выходы программатора VCC, GND,  RESET, SCK, MOSI, MISO с соответствующими выходами  микроконтроллера.

Пример создания устройства на AVR микроконтроллере • Прототип был собран на макетной плате и запрограммирован:

Пример создания устройства на AVR микроконтроллере • После тестирования прототипа пришло время все это добро разместить в корпусе, обеспечить питание и т.д.

Пример создания устройства на AVR микроконтроллере • Окончательный вид устройства. Часы питаются от 9­вольтовой батарейки типа “Крона”. Потребление тока — 55 мА.

Аппаратные платформы • Аппаратные платформы ­ это микроконтроллеры, а не компьютеры. На них нет операционной системы как таковой. • В большинстве случаев аппаратные платформы служат для построения простых систем автоматики и робототехники. Проще говоря их главная задача ­ это управление устройствами.

Введение в электронику Молекулы, атомы и электроны •Простоты ради будем полагать, что атом – это положительно заряженное ядро и вращающиеся вокруг ядра электроны, несущие отрицательные заряды, рис. Рис. Строение вещества