Содержание

Работа с микроконтроллерами: прошивка программатором и чистый «Си»

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.

Нам понадобится

Подключаем питание

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.

Распиновка

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

Схема

С учетом всего вышеописанного, получается схема для организации питания.

Программатор

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.

Подключение к контроллеру

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:

	10-пиновый ICSP	ATtiny84
Reset	5	4
MOSI	1	7
MISO	9	8
SCK	7	9

Прошивка

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:

	Arduino	C
Направление	`pinMode(led, OUTPUT);`	`DDRA = 1 << 2;`
Значение	`digitalWrite(led, HIGH);`	`PORTA = 1 << 2;`
Задержка	`delay(1000);`	`_delay_ms(50);`

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.

Mac OS X

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

AVR Libc — a C library for GCC on AVR microcontrollers
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.

Запустите терминал
Перейдите в нем в нужную папку
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:

DEVICE содержит в себе название контроллера, который мы программируем
CLOCK — частота работы
PROGRAMMER — используемый программатор
OBJECTS — какие объектные файлы будут сгененрированы
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

Прошивка

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.

Windows

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.

Заключение

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.