Работа с микроконтроллерами: прошивка программатором и чистый «Си»

В этой статье я расскажу о том, как программировать микроконтроллеры без использования Arduino. Мы будем использовать программатор AvrISP STK500 для программирования контроллера ATtiny84.

• Программатор AvrISP STK500
• Светодиоды
• Резисторы
• Провода «папа-папа»
• Микроконтроллер ATtiny84
• Клеммник
• Батарейка «Крона»
• Преобразователь напряжения

Arduino мы не используем, поэтому обо всем нам придется думать самостоятельно. И первое, с чем необходимо разобраться — питание. Мы будем использовать преобразователь L7805, обладающей следующими характеристиками:

• Выходной ток до 1.5 А
• Выходное напряжение — ровные 5 В
• Защита от перегрева
• Защита от короткого замыкания

Теперь нам надо узнать схему подключения этого преобразователя. Ее мы найдем на странице 3 даташита.

Помимо самого преобразователя, мы видим еще 2 конденсатора — входной С_i и выходной С_o. Входной конденсатор необходим для того, чтобы сгладить пульсации на входе в случае удаленности L7805 от источника. В нашем случае длина соединительных проводов не будет превышать 15 см, поэтому входного конденсатора у нас не будет. Зато будет выходной, поскольку мы хотим «кормить» наш контроллер стабильным питанием.

Необходимо знать назначение ножек преобразователя. Это описано на 2-й странице даташита.

С учетом всего вышеописанного, получается схема для организации питания.

В качестве программатора мы использовали AvrISP STK500 от Seeed Studio. Для его работы под Windows и Mac OS необходимы драйверы. Их можно скачать с официального сайта. Пользователям Linux устанавливать ничего не нужно — программатор будет сразу готов к работе.

Распиновка разъема программатора такова:

Важно! Это распиновка разъема программатора, если смотреть на него сверху (отверстиями от себя). Не перепутайте!

Разъем программатора необходимо подключить к микроконтроллеру. Можно использовать как 10-пиновый разъём, так и 6-пиновый. Без разницы. Соединим проводами соответствующие пины, т.е:

Напишем код прошивки на чистом «C», которая заставит светодиод мигать. Использование ШИМ-сигналов и считывание аналоговых сигналов на чистом «C» не так тривиальна, и может являться темой отдельной статьи, поэтому остановимся пока на простейшем примере.

blink.c

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
 
int main(void) {
    // номер пина 2 в порту А -- на выход
    DDRA = 1 << 2;
 
    // основной цикл
    while (1==1) {
        _delay_ms(500);  // задержка 500 мс
        PORTA ^= 1 << 2; // инвертирование значения на выводе
    }
 
    return 0;               
}

После скетчей Arduino, код малопонятен, правда? Ничего, сейчас я объясню, что да как. В первых двух строчках мы подключаем необходимые библиотеки, чтобы воспользоваться такими штуками, как DDRA, PORTA, _delay_ms.

Что же такое DDRA? Это регистр микроконтроллера, управляющий направлением работы порта А. Он содержит в себе 8 бит. Если установить какой-то бит в 1, то пин с соответствующим номером станет выходом.

PORTA — тоже регистр, но он содержит в себе данные порта А. Если мы хотим на вывод номер 2 записать логическую единицу, то мы должны поместить 1 в соответсвующий бит регистра.

А _delay_ms — функция задержки. Исходя из этого можно составить таблицу соответствия:

Однако, самым важным различием кода является то, что в программе на С нет разделений функций setup и loop. За все это отвечает функция int main(void). И она выполняется всего 1 раз! А мы хотим, чтобы наш светодиод моргал не один раз, а постоянно. Как раз для этого и используется бесконечный цикл while (1==1).

Поэтому легко сделать вывод, что этот цикл и есть аналог функции loop() в Arduino. А то, что до него — аналог функции setup().

Далее начинается самое интересное. Нам нужно скомпилировать и загрузить прошивку. Однако, в зависимости от вашей операционной системы, методика будет различаться.

Первым делом необходимо скачать и установить CrossPack for AVR Development. Это даст нам все необходимые инструменты. CrossPack состоит из двух частей.

1. AVR Libc — a C library for GCC on AVR microcontrollers
2. AVRDUDE — AVR Downloader/Uploader

Первая нам нужна для написания кода и создания файла прошивки, а вторая — для заливки прошивки в контроллер.

Проект создается в три шага.

1. Запустите терминал
2. Перейдите в нем в нужную папку
3. Создайте проект с помощью команды avr-project

$ mkdir ~/AVR
$ cd AVR
$ avr-project firstProject
Using template: /usr/local/CrossPack-AVR-20130212/etc/templates/TemplateProject

В результате будет создано следующее дерево файлов.

$ tree
.
|-- firmware
|   |-- main.c
|   `-- Makefile
`-- firstProject.xcodeproj
 
1 directory, 3 files

На данном этапе нас интересует содержимое файла Makefile. В нем содержится информация о том, что вообще мы используем: какой контроллер, программатор. Это все описывается в строках с 20 по 24:

DEVICE     = atmega8
CLOCK      = 8000000
PROGRAMMER = #-c stk500v2 -P avrdoper
OBJECTS    = main.o
FUSES      = -U hfuse:w:0xd9:m -U lfuse:w:0x24:m

Пройдемся по строкам:

1. DEVICE содержит в себе название контроллера, который мы программируем
2. CLOCK — частота работы
3. PROGRAMMER — используемый программатор
4. OBJECTS — какие объектные файлы будут сгененрированы
5. FUSES — конфигурация fuse-битов в микроконтроллере

Это автосгенерированный make-файл, поэтому нам необходимо вручную его подправить. Править будем строку DEVICE у нас же микроконтроллер attiny84 и строку FUSES. А вот с ней все сложнее. Fuse-биты, или просто «фьюзы» — два (иногда три) особых байта, в которых содержится фундаментальая конфигурация работы контроллера. Очень важно правильно их задать.

Внимание! Задание неверных fuse-битов может привезти к тому, что микроконтроллер перестанет работать и вернуть его к нормальной жизни может быть либо очень сложно либо невозможно! Воспользеумся сайтом AVR Fuse Calcuator.

Сначала из выпадающего списка выберем нужный нам контроллер (ATtiny84).

И затем укажем необходимые опции, которые нам нужны. Сейчас для нас важны 2 вещи: сохранение возможности прошивать контроллер через SPI и сохранение его работоспособности без внешнего резонатора, поэтому выбираем соответствующие пункты, а остальные оставляем по умолчанию.

Видим, как поменялись сгенерированные значения.

Внесем изменения в Makefile.

DEVICE     = attiny84
CLOCK      = 8000000
PROGRAMMER = -c stk500v2 -P /dev/tty.usbserial
OBJECTS    = main.o
FUSES      = -U lfuse:w:0xe2:m -U hfuse:w:0xdf:m -U efuse:w:0xff:m

Она происходит в 2 этапа.

Сначала необходимо перейти в папку firmware и выполнить команду make. Если ошибок нет, то результат выполнения команды будет таким:

$ make
avr-gcc -Wall -Os -DF_CPU=8000000 -mmcu=attiny84 -c main.c -o main.o
avr-gcc -Wall -Os -DF_CPU=8000000 -mmcu=attiny84 -o main.elf main.o
rm -f main.hex
avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex main.elf main.hex
avr-size --format=avr --mcu=attiny84 main.elf
AVR Memory Usage
----------------
Device: attiny84
 
Program:     126 bytes (1.5% Full)
(.text + .data + .bootloader)
 
Data:          0 bytes (0.0% Full)
(.data + .bss + .noinit)

Эта команда сделает из нашего исходника main.c файл, пригодный для заливки в контроллер — main.hex.

Второй этап — как раз заливка прошивки. Делается это с помощью команды make flash. Ее нормальный вывод выглядит следующим образом:

make-flash-result

$ make flash
avrdude -c stk500v2 -P /dev/tty.usbserial -p attiny84 -U flash:w:main.hex:i
 
avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions
 
Reading | ################################################## | 100% 0.01s
 
avrdude: Device signature = 0x1e930c
avrdude: NOTE: FLASH memory has been specified, an erase cycle will be performed
         To disable this feature, specify the -D option.
avrdude: erasing chip
avrdude: reading input file "main.hex"
avrdude: writing flash (126 bytes):
 
Writing | ################################################## | 100% 0.10s
 
avrdude: 126 bytes of flash written
avrdude: verifying flash memory against main.hex:
avrdude: load data flash data from input file main.hex:
avrdude: input file main.hex contains 126 bytes
avrdude: reading on-chip flash data:
 
Reading | ################################################## | 100% 0.08s
 
avrdude: verifying ...
avrdude: 126 bytes of flash verified
 
avrdude: safemode: Fuses OK
 
avrdude done.  Thank you.

Все, прошивка контроллера завершена.

Здесь все проще.

Первым делом необходимо скачать и уствновить среду разработки для AVR — Atmel AVR Studio 4. А вторым — Atmel AVR Toolchain.

После запуска среды, необходимо создать новый проект.

Затем указать имя, расположение и то, что мы хотим использовать С (GCC).

Третий шаг — настройка отладчика.

На этом все, проект готов к использованию. Теперь необходимо написать и сохранить исходник, который мы уже обсудили.

В результате общий вид среды разработки выглядит вот так:

Теперь необходимо подключиться к программатору. Делается это с помощью нажатия на кнопку con.

В качестве Platform выбираем STK500, а в Port — Auto. Затем нажимаем Connect.

Если все правильно, то в открывшемся окне выбираем вкладку Main и нажимаем в ней на кнопку Read Signature.

Строка Reading signature from device .. 0x1E, 0x93, 0x0C .. OK! говорит о том, что все хорошо и сигнатура успешно прочиталась. Сигнатура — это своего рода позывной микроконтроллера, которым он сообщает собственную модель.

Это окно нельзя закрывать, иначе соединение с программатором будет потеряно. Просто сверните его.

Теперь нажмем Build → Build. Это заставит программу скомпилироваться. Прошьем контроллер с помощью кнопки Write Flash Memory Using Current Settings — это заставит скомпилированную программу загрузиться в память микроконтроллера.

Мы собрали простейшее устройство мигалку, но сделали это на низком уровне. С использованием программатора и «продвинутой» среды разработки, а не Arduino.

Разобравшись в премудростях программирования микроконтроллеров на чистом «Си», вы сможете выжимать из них максимум возможности, затрачивая при этом минимум места и денег.