1 3MikroprocesorovЁў technika

Mikroprocesorov´ a technika Laboratorn´ı cviˇcen´ı

Ing. Tom´ aˇ s Fr´ yza, Ph.D. Ing. Zbynˇ ek Fedra ˇ Ing. Jiˇ r´ı Sebesta, Ph.D.

´ USTAV RADIOELEKTRONIKY

Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı VUT v Brnˇe

1

Obsah 1 V´ yvojov´ e prostˇ red´ı AVR 1.1 Zadán´ı . . . . . . . . 1.2 Teoretické poznatky . 1.3 Pokyny k zadán´ı . . . 1.4 Shrnut´ı . . . . . . . . 1.5 Kontroln´ı otázky . . .

Studio, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

aritmetick´ e operace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

5 . 5 . 5 . 6 . 10 . 10

2 Ovl´ ad´ an´ı LED diod, oˇ setˇ ren´ı stisku tlaˇ c´ıtka 2.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Teoretické poznatky . . . . . . . . . . . . . 2.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Kontroln´ı otázky . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

11 11 11 12 16 16

3 Obsluha pˇ reruˇ sen´ı 3.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Teoretické poznatky . . . . . . . . 3.2.1 Extern´ı pˇreruˇsen´ı . . . . . . 3.2.2 Pˇreruˇsen´ı od ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce 3.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . . . 3.4 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Kontroln´ı otázky . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

17 17 17 19 19 20 21 21

4 Pulznˇ eˇ s´ıˇ rkov´ a modulace 4.1 Zadán´ı . . . . . . . . 4.2 Teoretické poznatky . 4.3 Pokyny k zadán´ı . . . 4.4 Shrnut´ı . . . . . . . . 4.5 Kontroln´ı otázky . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

22 22 22 24 25 25

. . . . . . .

26 26 26 26 27 27 30 30

PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

5 Programov´ an´ı v jazyce C, obsluha pˇ reruˇ sen´ı 5.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Teoretické poznatky . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Vyˇsˇs´ı programovac´ı jazyky . . . . . . . 5.2.2 Obsluha pˇreruˇsen´ı v jazyce C . . . . . 5.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Kontroln´ı otázky . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

6 Komunikace s LCD displejem 31 6.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 6.2 Teoretické poznatky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 6.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Mikroprocesorová technika

6.4 6.5

2

Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Kontroln´ı otázky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7 Zpracov´ an´ı analogov´ ych sign´ al˚ u 7.1 Zadán´ı . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Teoretické poznatky . . . . . . 7.3 Pokyny k zadán´ı . . . . . . . . 7.4 Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . 7.5 Kontroln´ı otázky . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

35 35 35 36 38 38

8 S´ eriov´ y pˇ renos dat 8.1 Zadán´ı . . . . . . . . 8.2 Teoretické poznatky 8.3 Pokyny k zadán´ı . . 8.4 Shrnut´ı . . . . . . . 8.5 Kontroln´ı otázky . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

39 39 39 41 42 42

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

A V´ yvojov´ a deska ATmega16 B Z´ akladn´ı popis jazyka C B.1 Promˇenné a operandy . . . . . . . . B.2 Syntaxe podm´ınky . . . . . . . . . . B.3 Syntaxe cyklu . . . . . . . . . . . . . B.4 Specifika pˇrekladaˇce GCC a knihovny C Znakov´ a sada LCD displeje

43

. . . . . . . . . . . . . . . avr-libc

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

44 44 45 46 47 48


3

Seznam obr´ azk˚ u 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 4.1 4.2 5.1 5.2 5.3 6.1 6.2 7.1 8.1 8.2 A.1 C.1

Vytvoˇren´ı nového projektu a v´ ybˇer programovac´ıho jazyka . . . . . V´ ybˇer lad´ıc´ı platformy a c´ılového mikrokontroléru ATmega16 . . . . V´ yvojové prostˇred´ı AVR Studio s vytvoˇren´ ym prázdn´ ym projektem ´ eˇsn´ Uspˇ y pˇreklad aplikace a informace o velikosti v´ ysledného kódu . Ladic´ı prostˇred´ı AVR Studia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V´ ybˇer AVR programátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dialogové okno pro programován´ı mikrokontroléru ATmega16 . . . Zobrazen´ı obsahu registr˚ u I/O port˚ u A, B, C a D . . . . . . . . . . Ukázka pouˇzit´ı direktiv pro ˇr´ızen´ı pˇrekladu zdrojového kódu . . . . Ukázka zápisu pˇreruˇsen´ı v jazyce symbolick´ ych adres . . . . . . . . Princip tvorby PWM signálu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Casov´ y diagram generován´ı PWM signálu (obrázek pˇrevzat z [5]) . Ukázka zápisu pˇreruˇsen´ı v programovac´ım jazyce C . . . . . . . . . Princip zmˇeny frekvence generovaného akustického signálu . . . . . V´ ybˇer programátoru AVRISP mkII . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı LCD displeje na v´ yvojové desce ATmega16 . . . . . . . . Novˇe definovan´ y znak × pro LCD displej . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı odporového dˇeliˇce v poli konektor˚ u v´ yvojové desky . . . . Struktura asynchronn´ıho rámce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplikace Terminal pro ovládán´ı sériového portu poˇc´ıtaˇce . . . . . . Zapojen´ı v´ yvojové desky ATmega16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Znaková sada LCD displeje (obrázek pˇrevzat z [12]) . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 7 8 8 9 13 14 15 15 19 23 23 28 29 29 32 34 37 40 41 43 48


4

Seznam tabulek 3.1 3.2 3.3 5.1 6.1 6.2 B.1 B.2 B.3 B.4 B.5

Pˇrehled vektor˚ u pˇreruˇsen´ı pro mikrokontrolér ATmega16 . Zp˚ usob spouˇstˇen´ı extern´ıch pˇreruˇsen´ı INTn (MCUCR) . . . . Nastaven´ı pˇreddˇeliˇcky ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce 0 (TCCR0) . . . . . . Pˇrehled vektor˚ u pˇreruˇsen´ı pro mikrokontrolér ATmega16 . Nˇekteré pˇr´ıkazy HD44780 pro komunikaci s LCD displejem Soupis nˇekter´ ych funkc´ı knihovny pro LCD . . . . . . . . . Nˇekteré typy a rozsahy hodnot promˇenn´ ych . . . . . . . . Aritmetické operace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bitové a logické operace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relaˇcn´ı operandy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speciáln´ı funkce pro mikrokontroléry AVR . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

18 19 20 28 32 33 45 45 45 46 47


1

5

V´ yvojov´ e prostˇ red´ı AVR Studio, aritmetick´ e operace

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. Jaké ˇc´ıselné soustavy se nejˇcastˇeji vyuˇz´ıvaj´ı k reprezentaci hodnot v mikroprocesorové technice a jak´ ym zp˚ usobem se graficky odliˇsuj´ı (pˇr´ıpony, prefixy, . . .)? 2. Jak´ ym zp˚ usobem lze pˇrevádˇet hodnoty z binárn´ı podoby do hexadecimáln´ı, pˇr´ıp. do soustavy des´ıtkové? 3. Jaké instrukce lze u mikrokontroléru AVR pouˇz´ıt k v´ ypoˇctu souˇctu a rozd´ılu dvou hodnot?

C´ıle laboratorn´ı u ´ lohy C´ılem laboratorn´ı u ´lohy je osvojen´ı si práce s v´ yvojov´ ym prostˇred´ım AVR Studio, urˇcené pro psan´ı a ladˇen´ı aplikac´ı, stejnˇe jako programován´ı mikrokontrolér˚ u AVR. Souˇcasnˇe má u ´loha za c´ıl umoˇznit student˚ um proniknout do zp˚ usobu v´ yvoje a testován´ı jednoduch´ ych aplikac´ı, urˇcen´ ych pro mikrokontrolér ATmega16.

1.1

Zad´ an´ı

1. Seznamte se s v´ yvojov´ ym prostˇred´ım AVR Studio pro programován´ı a ladˇen´ı aplikac´ ı s mikrokontrol´ e ry AVR. Vytvoˇrte jednoduchou aplikaci pro v´ ypoˇcet vztahu P ych adres (JSA). i=0 {a + b − i} v jazyce symbolick´ 2. Pomoc´ı integrovaného lad´ıc´ıho nástroje analyzujte správnou funkci vytvoˇrené aplikace. 3. Proved’te ruˇcn´ı pˇreklad jedné instrukce z vaˇseho programu. V´ ysledek zkontrolujte se strojov´ ym pˇrekladem. 4. Modifikujte vytvoˇrenou aplikaci na v´ ypoˇcet hodnot 2n , kde n = 1, 2, . . . , 7. 5. Vytvoˇrte program pro realizaci souˇctu dvou komplexn´ıch ˇc´ısel.

1.2

Teoretick´ e poznatky

V ˇc´ıslicov´ ych soustavách, tedy i v mikroprocesorové technice, jsou hodnoty reprezentovány vˇzdy v binárn´ı soustavˇe, tj. rozliˇsuj´ı se jen dva stavy. Vzhledem k faktu, ˇze zápis hodnot v binárn´ı podobˇe je rozsáhl´ y a tud´ıˇz nepˇr´ıliˇs pˇrehledn´ y, pouˇz´ıvá se pro lepˇs´ı kompaktnost zápisu soustava hexadecimáln´ı. V této soustavˇe je moˇzné kaˇzdou ˇctveˇrici bit˚ u nahradit jedin´ ym symbolem z mnoˇziny {0, 1, . . . , 9, A, . . . , F }. Posledn´ı ˇc´ıselnou soustavou, která se pouˇz´ıvá v mikroprocesorové technice je soustava des´ıtková. V této soustavˇe jsou zpravidla vyˇzadovány vstupn´ı a v´ ystupn´ı hodnoty srozumitelné pro uˇzivatele; napˇr.:


6

hodnoty operand˚ u v kalkulaˇcce, zobrazená velikost mˇeˇreného napˇet´ı, ˇcas na digitáln´ıch hodinách a podobnˇe. Historie mikrokontrolér˚ u sahá do konce sedmdesát´ ych let 20. stolet´ı, od kdy se v´ yvoj v mikroprocesorové technice rozdˇelil na dvˇe vˇetve. Prvn´ı smˇer vede ke zvyˇsován´ı poˇcetn´ıho v´ ykonu procesor˚ u, vˇetˇs´ıch kapacit i rychlost´ı pamˇet´ı, apod. Do této kategorie patˇr´ı napˇr. mikroprocesory z oblasti PC techniky. Druh´ y proud smˇeˇroval k integraci vˇsech potˇrebn´ ych obvod˚ u do jediné souˇcástky. O mikrokontrolérech tedy hovoˇr´ıme jako o mikroprocesorech, doplnˇen´ ych o obvody pamˇet´ı a pˇr´ıdavn´ ych periferi´ı, um´ıstˇen´ ych na jediném ˇcipu. Takto vytvoˇren´ y obvod je následnˇe schopen ˇr´ıdit jednoduché aplikace z oblasti spotˇrebn´ı elektroniky, audio-video techniky, zabezpeˇcovac´ıch zaˇr´ızen´ı, obsluhy klávesnic a myˇs´ı v PC technice, v automobilovém pr˚ umyslu (ˇr´ıdic´ı jednotky motor˚ u, ABS) a v mnoha dalˇs´ıch technick´ ych oblastech [2]. V souˇcasné dobˇe existuje celá ˇrada v´ yrobc˚ u, kteˇr´ı produkuj´ı mikrokontroléry s r˚ uznou strukturou. Kromˇe nejstarˇs´ı a patrnˇe nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı ˇrady ’51 firmy Intel, jsou bˇeˇzné také produkty firmy Microchip (PIC), Freescale (HC08, HC11, . . .), ˇci Atmel (AVR). Mikrokontroléry AVR obsahuj´ı 32 identick´ ych 8bitov´ ych registr˚ u pro bˇeˇzné pouˇzit´ı (oznaˇcované r0 aˇz r31), které mohou obsahovat jak data, tak i adresy. Pamˇet’ov´ y prostor mikrokontroléru dále obsahuje 64 adres vstupnˇe/v´ ystupn´ıch registr˚ u, které slouˇz´ı k perifern´ım funkc´ım jako jsou ˇr´ıdic´ı registry, ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce, A/D pˇrevodn´ıky a dalˇs´ı (podrobnˇeji o I/O registrech v následuj´ıc´ıch laboratorn´ıch cviˇcen´ıch).

1.3

Pokyny k zad´ an´ı

Bod 1. V´ yvojové prostˇred´ı AVR Studio je voln´ y nástroj, kter´ y je dostupn´ y ke staˇzen´ı na internetov´ ych stránkách firmy Atmel [1] a slouˇz´ı k v´ yvoji a testován´ı aplikac´ı pro mikrokontroléry AVR. Program lze spustit kliknut´ım na ikonu ”beruˇsky” na pracovn´ı ploˇse, pˇr´ıp. pˇres Start/Programs/Atmel AVR Tools/AVR Studio 4. Pro kaˇzdou aplikaci je nutné vytvoˇrit tzv. projekt, kter´ y obsahuje informace o souborech se zdrojov´ ym kódem i o konkrétn´ım mikrokontroléru, pro kter´ y je aplikace urˇcena. Nov´ y projekt lze vytvoˇrit v menu Project/New Project. V následuj´ıc´ım dialogovém oknˇe je potˇreba zvolit v jakém programovac´ım jazyce bude celá aplikace napsána. Moˇzné jsou dvˇe varianty: v jazyce symbolick´ ych adres (tj. v tzv. asembleru) - Atmel AVR Assembler, nebo ve vyˇsˇs´ım programovac´ım jazyce C (dostupn´ y je pˇrekladaˇce GCC) - AVR GCC. Toto laboratorn´ı cviˇcen´ı je urˇceno k osvojen´ı si programován´ı v JSA, proto zvolte volbu Atmel AVR Assembler. Dále je nutné napsat název celého projektu Project name a pˇredevˇs´ım uvést um´ıstˇen´ı na pevném disku Location, kam má b´ yt novˇe vytvoˇren´ y projekt uloˇzen. Vˇsechny projekty doˇcasnˇe ukládejte do adresáˇre D:\BMPT\vase jmeno\. Zatrˇzen´ım voleb Create initial file a Create folder zajist´ıte vytvoˇren´ı podadresáˇre (jméno bude totoˇzné s názvem projektu) a vytvoˇren´ı prázdného zdrojového souboru s názvem nazev projektu.asm (viz. obrázek 1.1). Volby potvrd’te tlaˇc´ıtkem Next. Tvorba projektu pokraˇcuje v´ ybˇerem platformy pro ladˇen´ı projektu a c´ılového mikrokontroléru. Vyberte ladˇen´ı aplikace pomoc´ı intern´ıho simulátoru AVR Simulator a mikrokontrolér ATmega16. (viz. obrázek 1.2). Po stisknut´ı tlaˇc´ıtka Finish se nov´ y projekt vytvoˇr´ı a otevˇre se v samotném v´ yvojovém prostˇred´ı, jak lze vidˇet na obr´ azku 1.3.


7

Obr´ azek 1.1: Vytvoˇren´ı nového projektu s názvem prvni asm a v´ ybˇer programovac´ıho jazyka

Obr´ azek 1.2: V´ ybˇer lad´ıc´ı platformy a c´ılového mikrokontroléru ATmega16 Prostˇred´ı je rozdˇeleno do ˇctyˇr ˇcást´ı: 1) menu a ovládac´ı prvky, 2) inspektor projektu (v programovac´ım módu) a vnitˇrn´ı uspoˇrádán´ı mikrokontroléru (v ladic´ım módu), 3) editor pro psan´ı zdrojového kódu a 4) informaˇcn´ı panel o pr˚ ubˇehu pˇrekladu aplikace. Pomoc´ı editoru vytvoˇrte zdrojov´ y kód v JSA pro mikrokontrolér ATmega16, kter´ y umoˇzn´ı naplnˇen´ı dvouP8bitov´ ych registr˚ u konstantami a a b, které následnˇe vyuˇzijte pro aritmetickou operaci i=0 {a + b − i}. V podstatˇe se jedná o nekoneˇcnou smyˇcku s jednou operac´ı souˇctu a jednou dekrementac´ı v kaˇzdém cyklu. Pro hodnoty a a b uvaˇzujte neznaménková ˇc´ısla. Vyuˇzijte instrukce mikrokontroléru ATmega16 pro aritmetické operace bez pˇrenosu a z d˚ uvodu zjednoduˇsen´ı neuvaˇzujte moˇznost pˇreteˇcen´ı. Pro zápis sˇc´ıtanc˚ u pouˇzijte hodnoty zadané v hexadecimáln´ı a v binárn´ı podobˇe! Zdrojov´ y kód lze pˇreloˇzit pˇr´ıkazem Build/Build, pˇr´ıp. stisknut´ım klávesy F7, nebo na liˇstˇe 1). T´ımto pˇr´ıkazem dojde nejprve ke syntaktické kontkliknut´ım na ikonu role zdrojového kódu a následnˇe k pˇrekladu do strojového kódu daného mikrokontroléru. Informace o pr˚ ubˇehu a v´ ysledc´ıch pˇrekladu jsou zobrazeny v informaˇcn´ım panelu 4). ´ Uspˇeˇsn´ y pˇreklad je indikován konstatován´ım Assembly complete, 0 errors. ´ eˇsn´ 0 warnings. Eventuáln´ı chyby je potˇreba odstranit. Uspˇ y pˇreklad je také doprovázen


8

Obr´ azek 1.3: V´ yvojové prostˇred´ı AVR Studio s vytvoˇren´ ym prázdn´ ym projektem informac´ı o velikosti v´ ysledného kódu a jeho rozloˇzen´ı do programové pamˇeti Flash (.cseg), datové pamˇeti (.dseg) a do pamˇeti EEPROM (.eseg) (viz. obr´ azek 1.4).

´ eˇsn´ Obr´ azek 1.4: Uspˇ y pˇreklad aplikace a informace o velikosti v´ ysledného kódu

Bod 2. Korektn´ı funkci programu vyzkouˇsejte v integrovaném simulátoru. Do lad´ıc´ıho reˇzimu se pˇrep´ıná pˇr´ıkazem Debug/Start Debugging, stisknut´ım klávesové zkratky


9

Ctrl+Shift+Alt+F5, nebo kliknut´ım na ikonu . Proces pˇrekladu a spuˇstˇen´ı ladic´ıho . V prostˇred´ı simulátoru jsou zpˇr´ıstupnˇeny tlaˇc´ıtka nástroje lze sjednotil tlaˇc´ıtkem v pˇr´ıkazové liˇstˇe ovládaj´ıc´ı bˇeh a krokován´ı programu, nastavován´ı breakpoint˚ u, ˇci zobrazuj´ıc´ı obsah pamˇeti, registr˚ u a zvolen´ ych promˇenn´ ych. V inspektoru projekt˚ u na levé stranˇe doˇslo automaticky k pˇrepnut´ı na záloˇzku I/O View, obsahuj´ıc´ı hodnoty veˇsker´ ych registr˚ u (ˇr´ıdic´ıch i pro obecné pouˇzit´ı r0 - r31) jak znázorˇ nuje obr´ azek 1.5.

Obr´ azek 1.5: Ladic´ı prostˇred´ı AVR Studia Krokován´ım programu (napˇr. klávesou F11) ovˇeˇrte správnou funkci vaˇs´ı aplikace. Ukonˇcen´ı reˇzimu ladˇen´ı lze provést pˇr´ıkazem Debug/Stop Debugging, klávesovou zkratkou Ctrl+Shift+F5, nebo tlaˇc´ıtkem . Bod 3. Vyuˇcuj´ıc´ı vám zadá jednu konkrétn´ı instrukci z vaˇseho programu a pomoc´ı manuálu instrukˇcn´ı sady mikrokontrolér˚ u AVR [6] ji ruˇcnˇe pˇreloˇzte do strojového kódu. V´ ysledek zkontrolujte s automatick´ ym pˇrekladem programu AVR Studio. Zobrazit strojov´ y kód lze v ladic´ım módu napˇr´ıklad pˇr´ıkazem View/Disassembler (tlaˇc´ıtko ). Z kolika bit˚ u se skládá jedna instrukce mikrokontroléru AVR? Bod 4. Vytvoˇrte nov´ y projekt pro mikrokontrolér ATmega16 a v JSA realizujte program pro postupn´ y v´ ypoˇcet hodnot 2n , kde n = 1, 2, . . . , 7. Lze vyuˇz´ıt ˇcást programu vytvoˇreného v bodˇe 1. Ukonˇcovac´ı podm´ınkou se nezab´ yvejte. Kolik byt˚ u obsahuje vámi vytvoˇren´ y program a kolik instrukc´ı jste pouˇzili? Jak´ ym zp˚ usobem lze jednoduˇse realizovat násoben´ı a dˇelen´ı hodnotou 2n v binárn´ı soustavˇe? Bod 5. Vytvoˇrte nov´ y projekt pro mikrokontrolér ATmega16 a v JSA naprogramujte aplikaci, která bude realizovat souˇcet dvou komplexn´ıch ˇc´ısel zadan´ ych ve sloˇzkovém tvaru. Pro reálné i imaginárn´ı sloˇzky uvaˇzujte celá neznaménková ˇc´ısla, která si zvol´ıte. Je vhodné volit ˇc´ısla menˇs´ı, aby pˇri d´ılˇc´ıch aritmetick´ ych operac´ıch nedoˇslo k pˇreteˇcen´ı a


10

t´ım k obt´ıˇzné kontrole správnosti v´ ysledk˚ u. Pro kaˇzdou z komplexn´ıch ˇcást´ı vstupn´ıch a v´ ystupn´ıch hodnot vyˇcleˇ nte jeden 8bitov´ y registr. Celkem tedy vstupn´ı a v´ ystupn´ı data zaberou ˇsest registr˚ u (reálná a imaginárn´ı ˇcást pro dvˇe vstupn´ı ˇc´ısla a jeden v´ ysledek). Pro pˇripomenut´ı je souˇcet dvou komplexn´ıch ˇc´ısel a a b definován rovnic´ı a + b = (<{a} + <{b}) + (={a} + ={b}) ,

(1.1)

kde <{a} reprezentuje reálnou ˇcást a ={a} imaginárn´ı ˇcást komplexn´ıho ˇc´ısla a a  je imaginárn´ı jednotka. Vypoˇctenou hodnotu zkontrolujte ”ruˇcn´ım” v´ ypoˇctem, pˇr´ıp. v programu Matlab. Kolik instrukc´ı obsahuje váˇs program pro v´ ypoˇcet souˇctu komplexn´ıch ˇc´ısel? Jak velkou ˇcást pamˇeti program zab´ırá? Kolik registr˚ u vyuˇz´ıváte celkem?

1.4

Shrnut´ı

Laboratorn´ı u ´loha byla koncipována jako u ´vod do v´ yvoje aplikac´ı pro mikrokontrolér ATmega16. Jej´ım u ´kolem bylo pˇribl´ıˇzit student˚ um tvorbu programu v jazyce symbolick´ ych adres, správné pouˇzit´ı základn´ıch instrukc´ı, pˇreklad instrukc´ı do strojového kódu a ladˇen´ı programu pomoc´ı simulátoru. Hlavn´ı d˚ uraz byl kladen na uˇzit´ı instrukc´ı aritmetick´ ych operac´ı a operac´ı pro pˇresun dat.

1.5

Kontroln´ı ot´ azky

Ot´ azka 1.1 Kolik registr˚ u obsahuje mikrokontrolér ATmega16 a jakým zp˚ usobem lze v programu AVR Studio zobrazit jejich obsah? Ot´ azka 1.2 Je následuj´ıc´ı posloupnost instrukc´ı syntakticky a sémanticky spr´ avn´ a? ldi ldi add sub

r16,1f r17,25 r16,r15 r16,r17

Ot´ azka 1.3 Obmˇen ˇte aplikaci z bodu 5 pro výpoˇcet komplexn´ıho souˇcinu? a · b = (<{a} · <{b} − ={a} · ={b}) + (<{a} · ={b} + ={a} · <{b}) .

(1.2)


2

11

Ovl´ ad´ an´ı LED diod, oˇ setˇ ren´ı stisku tlaˇ c´ıtka

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. Jak´ ym zp˚ usobem m˚ uˇze mikrokontrolér komunikovat s okol´ım? Jak lze u mikrokontroléru ATmega16 definovat smˇer komunikace jednotliv´ ych pin˚ u? 2. Co jsou to tzv. vstupnˇe/v´ ystupn´ı registry mikrokontroléru, k ˇcemu slouˇz´ı a jak´ ym zp˚ usobem lze s nimi pracovat? 3. Jak je moˇzné v mikroprocesorové technice snadno testovat, zda je v´ ysledek aritmetické operace roven nule? Jak lze tento postup vyuˇz´ıt pro realizaci cyklu?

C´ıle laboratorn´ı u ´ lohy C´ılem laboratorn´ı u ´lohy je vyuˇzit´ı mikrokontroléru k ˇr´ızen´ı jednoduch´ ych proces˚ u prostˇrednictv´ım I/O port˚ u. Dále je c´ılem u ´lohy realizace podm´ınˇen´ ych skok˚ u a volán´ı podprogram˚ u.

2.1

Zad´ an´ı

1. V jazyce symbolick´ ych adres AVR sestavte a ovˇeˇrte jednoduchou aplikaci pro rozsv´ıcen´ı zvolen´ ych LED diod, které jsou pˇripojeny k I/O bránˇe mikrokontroléru. Seznamte se s v´ yvojovou deskou STK500 a s metodou programován´ı reáln´ ych mikrokontrolér˚ u prostˇrednictv´ım ISP (In System Programming). 2. Vytvoˇrte 8bitov´ y binárn´ı ˇc´ıtaˇc, jehoˇz hodnotu zobrazte pomoc´ı LED diod. Realizujte zpoˇzdˇen´ı chodu ˇc´ıtaˇce. 3. Modifikujte aplikaci z pˇredeˇslého bodu a zpoˇzdˇen´ı realizujte pomoc´ı podprogramu. 4. V jazyce symbolick´ ych adres AVR sestavte obdobnou aplikaci 8bitového ˇc´ıtaˇce jako v pˇredeˇslém bodˇe, jen zmˇeny stav˚ u ˇc´ıtaˇce realizujte stiskem tlaˇc´ıtka.

2.2


Vˇsechny vstupnˇe/v´ ystupn´ı porty (I/O brány) mikrokontroléru ATmega16 mohou b´ yt pouˇzity jako obecné ˇc´ıslicové vstupy/v´ ystupy a souˇcasnˇe mohou tvoˇrit rozhran´ı k jednotliv´ ym periferi´ım implementovan´ ym na ˇcipu procesoru. Alternativn´ı periferie jsou ve schématickém znaku definovány popisem pinu v závorce. T´ımto zp˚ usobem jsou ˇreˇseny I/O obvody vˇsech mikrokontrolér˚ u (nˇekteré I/O piny nemusej´ı b´ yt pˇripojeny k intern´ı periferii a obvykle pak jsou pouze obecn´ ym ˇc´ıslicov´ ym vstupem/v´ ystupem). Jednotlivé I/O piny procesor˚ u ˇrady AVR jsou ˇreˇseny tzv. Read-Modify-Write architekturou, tj. smˇer toku dat a stav jednotliv´ ych I/O pin˚ u lze libovolnˇe mˇenit nezávisle na ostatn´ıch pinech. Pro práci s I/O bránami, aplikovan´ ymi jako obecné ˇc´ıslicové vstupy/v´ ystupy, slouˇz´ı skupina konfiguraˇcn´ıch registr˚ u. U mikrokontroléru AVR jsou pro tyto u ´ˇcely k dispozici následuj´ıc´ı registry (symbol n definuje název portu A, B, C nebo D):


12

DDRn (Data Direction Registr) urˇcuje smˇer toku dat, zápisem hodnoty 0 na pˇr´ısluˇsn´ y bit tohoto registru konfigurujeme I/O pin jako vstupn´ı, zápisem hodnoty 1 jako v´ ystupn´ı, PORTn je datov´ ym registrem portu a odpov´ıdá hodnotˇe zapsané do vyrovnávac´ıho registru portu, tedy hodnotˇe kterou zapisujeme na pˇr´ısluˇsn´ y pin (v´ yvod) brány, PINn (Pins Input) je urˇcen pro ˇcten´ı a odpov´ıdá hodnotˇe pˇreˇctené (synchronizované) z pˇr´ısluˇsného pinu (log. u ´roveˇ n signálu pˇrivedená z vnˇejˇs´ıch obvod˚ u na tento pin). V architektuˇre AVR jsou definovány dalˇs´ı registry pro práci s I/O branami umoˇzn ˇuj´ıc´ı konfiguraci pull-up rezistor˚ u, nastaven´ı vysoké impedance, apod. Pro naˇsi práci budou prozat´ım postaˇcovat v´ yˇse uvedené registry. Pro ˇcasto se opakuj´ıc´ı ˇcásti zdrojového kódu se vyuˇz´ıvaj´ı makra nebo podprogramy. Makra jsou realizována pomoc´ı pˇrekladaˇce, kdy se do zdrojového kódu vkládá poˇzadovaná posloupnost instrukc´ı. Takto psané aplikace tedy zab´ıraj´ı vˇetˇs´ı ˇcást programové pamˇeti. Jejich v´ ykon je ale rychlejˇs´ı. Podprogram se odliˇsuje t´ım, ˇze je v pamˇeti obsaˇzen pouze jednou a pˇri kaˇzdém pouˇzit´ı se tzv. volá, tj. skáˇce se na m´ısto v pamˇeti, kde je uloˇzen. Skoky a návraty z podprogramu zp˚ usobuj´ı delˇs´ı dobu v´ ykonu oproti makru. Pˇri volán´ı podprogramu je také nutné uloˇzit tzv. návratovou adresu, tj. pamˇet’ovou pozici kde bude v´ ykon programu pokraˇcovat po návratu z podprogramu. Návratová adresa se ukládá do zásobn´ıku, pro kter´ y je vyˇclenˇena ˇcást pamˇeti SRAM.

2.3


Bod 1. Ve v´ yvojovém prostˇred´ı vytvoˇrte nov´ y projekt v jazyce symbolick´ ych adres (v kolonce Project type je nutné vybrat volbu Atmel AVR Assembler). V zadané aplikaci je u ´kolem rozsv´ıtit LED diody zapojené k I/O bránˇe. Postup je tedy zˇrejm´ y, nejprve zápisem do registru DDRn zap´ıˇseme konfiguraˇcn´ı hodnotu tak, aby pˇr´ısluˇsné piny dané I/O brány, k nimˇz jsou pˇripojeny LED diody, byly nastaveny jako v´ ystupn´ı (hodnota 1). Zápisem do pˇr´ısluˇsného registru PORTn pak definujeme, která z tˇechto LED diod bude sv´ıtit. Pro zápis do registr˚ u periferi´ı (I/O registry) se vyuˇz´ıvá instrukce out, pro ˇcten´ı pak instrukce in. Z hlediska hardwarového je tedy nutno vˇedˇet jak jsou LED diody k I/O v´ yvod˚ um mikrokontroléru pˇripojeny. Dalˇs´ı d˚ uleˇzitou informac´ı pˇri pˇripojován´ı dalˇs´ıch obvod˚ u k I/O pin˚ um je proudová zat´ıˇzitelnost jednotliv´ ych pin˚ u. Ta je uvedena v katalogovém listu mikrokontroléru a je specifikována jak pro logickou u ´roveˇ n v´ ystupu 0, tak i 1 a obvykle se tyto hodnoty liˇs´ı. Souˇcasnˇe je tˇreba kontrolovat také celkov´ y odbˇer vˇsech pˇripojen´ ych obvod˚ u k I/O port˚ um mikrokontroléru, aby nebyla pˇrekroˇcena celková dovolené v´ ykonová ztráta na ˇcipu (najdeme ji opˇet v katalogovém listu a obvykle je definována v závislosti na provozn´ı teplotˇe okol´ı). Pro tuto laboratorn´ı u ´lohu budeme vyuˇz´ıvat v´ yvojovou desku STK500 firmy Atmel, pˇripojenou k poˇc´ıtaˇci prostˇrednictv´ım sériového rozhran´ı RS-232. Zapojen´ı desky a jej´ı popis je uveden v [4]. V´ yvojová deska umoˇzn ˇuje programovat celou ˇradu mikrokontrolér˚ u typu AVR. Pro naˇse potˇreby byl vybrán mikrokontrolér ATmega16. K I/O branám procesoru lze pomoci propojek pˇripojovat r˚ uzné perifern´ı obvody. S ohledem na zadán´ı je port D pˇripojen k osmici tlaˇc´ıtek a port B k sadˇe LED diod. Propojen´ı nemˇen ˇte.


13

Ned´ılnou ˇcást´ı v´ yvojové desky je programovac´ı modul mikrokontroléru, tedy jednotka umoˇzn ˇuj´ıc´ı naprogramovat mikrokontrolér pˇr´ımo z prostˇred´ı AVR Studio. Tato programovac´ı jednotka umoˇzn ˇuje bezprostˇredn´ı programován´ı mikrokontroléru zapojeného v reálném systému. Nen´ı tedy tˇreba mikrokontrolér vytahovat ˇci vypajovat z c´ılového hardwaru. Tento zp˚ usob programován´ı je oznaˇcován zkratkou ISP (In System Programming). V následuj´ıc´ım odstavci bude struˇcnˇe ukázáno jak vaˇsi sestavenou, pˇreloˇzenou a pˇr´ıpadnˇe odladˇenou aplikaci v simulátoru AVR Studia naprogramovat do fyzického mikrokontroléru prostˇrednictv´ım ISP. Pˇri zakládán´ı projektu zadáte jeho jméno a v oknˇe Select debug platform and device natav´ıte AVR Simulator a ATmega16. ISP systém neumoˇzn ˇuje ladˇen´ı aplikace pˇr´ımo v systému, k tomuto u ´ˇcelu slouˇz´ı jiné, finanˇcnˇe nákladnˇejˇs´ı prostˇredky (vyuˇz´ıvaj´ıc´ı napˇr. JTAG rozhran´ı), viz. pˇrednáˇsky. Ladˇen´ı m˚ uˇzete provádˇet v simulátoru v AVR Studiu. Po sestaven´ı a odladˇen´ı aplikace lze pˇristoupit k fyzickému naprogramován´ı mikrokontroléru ve v´ yvojové desce. ISP programován´ı v AVR Studiu aktivujeme v menu Tools/Program AVR, kde jsou k dispozici dva zp˚ usoby navázán´ı komunikace AVR Studia s ISP programátorem: Connect a Auto Connect. V naˇsem pˇr´ıpadˇe je v´ yhodnˇejˇs´ı poloˇzka Auto Connect, po kliknut´ı na ni se vyhledá dostupn´ y programátor pˇripojen´ y k poˇc´ıtaˇci a otevˇre dialogové okno pro fyzické naprogramován´ı mikrokontroléru. Auto Connect lze akv horn´ı liˇstˇe nástroj˚ u. Pro u ´plnost, poloˇzka Connect tivovat také kliknut´ım na ikonku umoˇzn ˇuje ruˇcn´ı nastaven´ı programátoru. Vyberte programátor STK500 or AVRISP.

Obr´ azek 2.1: V´ ybˇer AVR programátoru Okno pro nastaven´ı programován´ı pomoc´ı ISP programátoru je znázornˇeno na obr´ azku 2.2. Obsahuje nˇekolik záloˇzek. Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı je pro nás prvn´ı záloˇzka Program, kde nastav´ıme typ c´ılového mikrokontroléru (je automaticky pˇredvolen typ, kter´ y jste si zvolili pˇri zakládán´ı projektu). Následuje volba zp˚ usobu programován´ı procesoru (v naˇsem pˇr´ıpadˇe je moˇzn´ y pouze ISP mód). Pro spolehlivé naprogramován´ı mikrokontroléru je vhodné m´ıt zaˇskrtnuty poloˇzky mazán´ı pamˇeti pˇred programován´ım a verifikace obsahu po naprogramován´ı. Pak bude pamˇet’ mazána vˇzdy pˇred nov´ ym naplnˇen´ım a po naplnˇen´ı bude zkontrolován jej´ı obsah. Následuje blok komponent v rámci programové pamˇeti Flash. Pomoc´ı malého tlaˇc´ıtka vedle editaˇcn´ıho ˇrádku otevˇreme klasické souborové menu pro naˇcten´ı kódu, kter´ y chceme do mikrokontroléru naprogramovat. Pˇr´ısluˇsn´ y soubor najdeme ve sloˇzce vytvoˇreného projektu, má jméno projektu s pˇr´ıponou hex. Jakmile soubor naˇcteme, m˚ uˇzeme jej stiskem tlaˇc´ıtka Program naprogramovat do programové pamˇeti mikrokontroléru. Tlaˇc´ıtkem Verify provád´ıme pˇr´ıpadnou kontrolu naprogramovaného obsahu pamˇeti. Tlaˇc´ıtko Read je urˇceno pro naˇcten´ı kódu z programové pamˇeti mikrokon-


14

troléru (pokud je to umoˇznˇeno) do souboru. Pokud je poˇzadována práce s intern´ı pamˇet´ı EEPROM mikrokontroléru, lze jej´ı obsah naplnit, verifikovat nebo ˇc´ıst pomoc´ı bloku komponent v rámci EEPROM. Vˇsechny operace, v´ ysledky a chyby, které nastanou pˇri programován´ı mikrokontroléru, jsou pˇrehlednˇe zobrazovány ve spodn´ım rámu.

Obr´ azek 2.2: Dialogové okno pro programován´ı mikrokontroléru ATmega16 Dalˇs´ı záloˇzky v oknˇe rozˇsiˇruj´ı moˇznosti pro konfiguraci vlastn´ıho mikrokontroléru i programátoru. Tˇemito záloˇzkami se nebudeme zab´ yvat. Nyn´ı jiˇz v´ıme, jak kód z´ıskan´ yu ´spˇeˇsn´ ym pˇrekladem zadané aplikace naprogramovat do fyzického mikrokontroléru, vrat’me se tedy k zadanému u ´kolu. LED diody jsou propojeny s portem B. Vˇsechny LED diody jsou n´ızkopˇr´ıkonové (cca 2 mA v propustném smˇeru), coˇz bezpeˇcnˇe vyhovuje parametr˚ um zat´ıˇzitelnosti mikokontroléru ATmega16. Zvolte si, které LED rozsv´ıt´ıte. Ladˇen´ı aplikace lze provést v AVR simulátoru, pˇriˇcemˇz stav nastaven´ı jednotliv´ ych bit˚ u I/O registr˚ u lze sledovat v levém simulaˇcn´ım oknˇe v rozbalovac´ım menu I/O ATMEGA16 (PORTA, PORTB, PORTC, PORTD) viz. obr´ azek 2.3. Pro rozˇs´ıˇren´ı vaˇseho programátorského umˇen´ı uved’me ˇcást zdrojového kódu v JSA odpov´ıdaj´ıc´ı ˇreˇsené aplikaci pro rozsvˇecován´ı LED diod, kter´ y obsahuje nové uˇziteˇcné direktivy pro pˇrekladaˇc (viz. obrázek 2.4). Direktivy netvoˇr´ı v´ ysledn´ y program, jen urˇcit´ ym zp˚ usobem ˇr´ıd´ı chod pˇrekladu celé aplikace do strojového kódu; vyznaˇcuj´ı se teˇckou na pozici prvn´ıho znaku. Direktivy .nolist a .list vypnou, resp. zapnou, generaci v´ ypisu. Lze je vyuˇz´ıt pro pˇrehlednost, napˇr. pro vyjmut´ı dlouh´ ych v´ ypis˚ u definiˇcn´ıch soubor˚ u. Direktiva .cseg informuje pˇrekladaˇc, ˇze následuj´ıc´ı kód je urˇcen pro programovou pamˇet’. Pokud je nutné ˇcást kódu uloˇzit napˇr. do pamˇeti EEPROM (obvykle nˇejaké konstanty, nejˇcastˇeji kalibraˇcn´ı) pouˇzijeme pˇred t´ımto kódem direktivu .eseg, apod. Dalˇs´ı velmi d˚ uleˇzitou direktivou pro práci s reáln´ ym mikrokontrolérem je .org, která definuje fyzickou adresu v pamˇeti, od které má b´ yt pˇreloˇzen´ y kód uloˇzen. Nˇekteré ˇcásti programové pamˇeti maj´ı totiˇz speciáln´ı v´ yznam napˇr. pro pˇreruˇsen´ı. Pro nás je v této chv´ıli d˚ uleˇzitá adresa 0 (0x0000), od které se provád´ı vykonáván´ı kódu (instrukc´ı) po resetu (také po pˇripojen´ı


15

Obr´ azek 2.3: Zobrazen´ı obsahu registr˚ u I/O port˚ u A, B, C a D .nolist ; vypnut´ ı v´ ypisu .include <m16def.inc> ; definiˇ cn´ ı soubor pro mikrokontrol´ er ATmega16 .list ; povolen´ ı v´ ypisu .cseg .org 0x0000 rjmp reset

; pˇ reloˇ zen´ y k´ od bude uloˇ zen v prog. pamˇ eti ; n´ asleduj´ ıc´ ı k´ od bude uloˇ zen v pamˇ eti od adr. 0x0000 ; skok na n´ avˇ eˇ st´ ı reset - inicializace po resetu

.org 0x002a ; reset: ; ldi r16,low(RAMEND) ; out spl,r16 ; ldi r16,high(RAMEND); out sph,r16 ; ...

n´ asleduj´ ıc´ ı k´ od bude uloˇ zen v pamˇ eti od adr. 0x002a nastaveni ukazatele z´ asobn´ ıku na konec pameti RAM naˇ cten´ ı niˇ zˇ s´ ıho bytu posledn´ ıho slova adresy ram naplnˇ en´ ı niˇ zˇ s´ ıho bytu ukazatele na z´ asobn´ ık naˇ cten´ ı vyˇ sˇ s´ ıho bytu posledn´ ıho slova adresy ram naplnˇ en´ ı vyˇ sˇ s´ ıho bytu ukazatele na z´ asobn´ ık

Obr´ azek 2.4: Ukázka pouˇzit´ı direktiv pro ˇr´ızen´ı pˇrekladu zdrojového kódu napájec´ıho napˇet´ı). V pˇredloˇzeném v´ ypisu zdrojového kódu je zde um´ıstˇena instrukce nepodm´ınˇeného skoku na adresu 0x002a, kde pokraˇcuje dalˇs´ı bˇeh vykonávaného programu. Tato adresa nen´ı zvolena náhodnˇe, ale je prvn´ı adresou v programové pamˇeti ATmega16, která nen´ı urˇcená pro v´ yˇse zm´ınˇené speciáln´ı u ´ˇcely. U jin´ ych typ˚ u mikrokontrolér˚ u m˚ uˇze b´ yt jiná. T´ımto krokem zajist´ıme, ˇze nedojde k ˇzádn´ ym problém˚ um pˇri bˇehu programu a ˇze speciáln´ı adresy z˚ ustanou volné pro dalˇs´ı rozˇsiˇrován´ı programu [5]. Posledn´ı 4 instrukce z obrázku 2.4 slouˇz´ı k definici zásobn´ıku. Ten bude pouˇzit aˇz v bodˇe 3. Bod 2. Binárn´ı ˇc´ıtaˇc vytvoˇrte pomoc´ı nekoneˇcné smyˇcky, ve které budete inkrementovat


16

obsah 8bitové promˇenné, tu odes´ılat na v´ ystupn´ı port a zobrazovat pomoc´ı LED diod. Oˇsetˇren´ı pˇreteˇcen´ı maximáln´ı hodnoty dané 8 bity neuvaˇzujte. Aby byly zmˇeny ˇc´ıtaˇce patrné, je nutno do programu zaˇradit tzv. zpoˇzd’ovac´ı smyˇcku, která zajist´ı prodlouˇzen´ı doby trván´ı jednoho stavu. Zpoˇzd’ovac´ı smyˇcku vytvoˇrte pomoc´ı cyklu. Bod 3. V rámci tohoto u ´kolu budete sestavovat a vyuˇz´ıvat sv˚ uj prvn´ı podprogram. Aby vˇse bylo jednoduché a srozumitelné, bude se jednat o u ´pravu aplikace z pˇredeˇslého bodu. Podprogram bude realizovat zpoˇzd’ovac´ı smyˇcku. Teorie k práci s podprogramy je ponˇekud komplikovaná na vysvˇetlen´ı ve strohém textu. Vysvˇetlen´ı principu a vyuˇzit´ı podprogram˚ u a zásad práce s nimi provede vyuˇcuj´ıc´ı. Bod 4. Modifikujte aplikaci z pˇredeˇslého bodu. Pro zmˇenu stavu binárn´ıho ˇc´ıtaˇce pouˇzijte libovolné tlaˇc´ıtko na v´ yvojové desce. Pˇri stisku tlaˇc´ıtka vznikaj´ı mechanické zákmity pˇri pˇrechodu kontaktu ze sepnuté do rozepnuté polohy a naopak (viz. poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı pˇredmˇetu BICT). To se z hlediska elektrického signálu a jeho vyhodnocován´ı digitáln´ım vstupem m˚ uˇze projevit sledem impulz˚ u, kter´ y m˚ uˇze v neoˇsetˇrené podobˇe degradovat správnou funkci aplikace. Oˇsetˇren´ı této nepˇr´ıjemné skuteˇcnosti m˚ uˇze b´ yt provedeno hardwarovˇe pomoc´ı vhodného zapojen´ı tlaˇc´ıtka v RC ˇclánku nebo softwarovˇe. C´ılem této u ´lohy je seznámit se právˇe s programov´ ym oˇsetˇren´ım zakmitáván´ı tlaˇc´ıtek. Cesta je pomˇernˇe jednoduchá. Staˇc´ı provádˇet opakované ˇcten´ı stavu na vstupu, na nˇejˇz je pˇripojeno tlaˇc´ıtko (nejˇcastˇeji s pull-up rezistorem) a kontrolovat, aby stav sepnut´ı byl pˇr´ıtomen trvale po urˇcitou dobu (ˇrádu des´ıtek ms). Minimáln´ı dobu intervalu vol´ıme na základˇe experimentu, protoˇze se na n´ı bude pod´ılet nejen lidsk´ y faktor (programátoˇri jej hant´ yrkou naz´ yvaj´ı Alzheimer˚ uv syndrom vyt’ukávaˇce SMSek ), ale i mechanické vlastnosti tlaˇc´ıtka. Pˇri sestavován´ı programu postupujte tak, ˇze test stisknut´ı tlaˇc´ıtka provádˇejte kaˇzdou 1 ms. Pak pomoc´ı experimentáln´ıho ovˇeˇren´ı na v´ yvojové desce urˇcete minimáln´ı potˇrebn´ y interval pro akceptaci stisknutého tlaˇc´ıtka. Nesm´ı b´ yt pˇr´ıliˇs krátk´ y, kv˚ uli zákmit˚ um, ani pˇr´ıliˇs dlouh´ y, kv˚ uli schopnosti lidské.

2.4

Shrnut´ı

Laboratorn´ı u ´loha umoˇzn ˇuje student˚ um osvojen´ı si pouˇzit´ı vstupnˇe/v´ ystupn´ıch port˚ u pro obsluhu jednoduch´ ych perifern´ıch zaˇr´ızen´ı (LED dioda, tlaˇc´ıtko). Rovnˇeˇz pˇredstavuje tvorbu a programován´ı aplikac´ı pro reálné mikrokontroléry, vˇcetnˇe pouˇzit´ı podprogram˚ u pro efektivnˇejˇs´ı zápis zdrojového kódu.

2.5


Ot´ azka 2.1 Co znamená zkratka ISP a jaké výhody tato metoda pˇrin´ aˇs´ı? Ot´ azka 2.2 Jaké znáte direktivy pˇrekladaˇce a k ˇcemu konkrétnˇe slouˇz´ı? Ot´ azka 2.3 Nakreslete vývojový diagram aplikace z bodu 4.


3

17

Obsluha pˇ reruˇ sen´ı

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. Jaké jsou rozd´ıly mezi podprogramem a obsluhou pˇreruˇsen´ı? 2. Jmenujte dvˇe nutné podm´ınky, které mus´ı b´ yt splnˇeny k zahájen´ı obsluhy libovolného pˇreruˇsen´ı? 3. Na ˇcem závis´ı rychlost pˇreteˇcen´ı intern´ıho ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce?

C´ıle laboratorn´ı u ´ lohy C´ılem laboratorn´ı u ´lohy je osvojen´ı si práce s pˇreruˇsen´ım mikrokontroléru v jazyce symbolick´ ych adres. Konkrétnˇe bude vyuˇzito extern´ı pˇreruˇsen´ı od tlaˇc´ıtka a pˇreruˇsen´ı od intern´ıho ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce.

3.1

Zad´ an´ı

1. Seznamte se s hledán´ım informac´ı v anglickém datasheetu k mikrokontroléru ATmega16. Vyhledejte potˇrebné informace k nastaven´ı a povolen´ı extern´ıho pˇreruˇsen´ı od tlaˇc´ıtka. 2. V JSA naprogramujte aplikaci 8bitového ˇc´ıtaˇce ˇr´ızeného extern´ım pˇreruˇsen´ım. 3. V datasheetu vyhledejte informace pro nastaven´ı intern´ıho ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce 0. 4. V JSA naprogramujte aplikaci 8bitového ˇc´ıtaˇce ˇr´ızeného pˇreruˇsen´ım od 8bitového ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce. 5. Bonus: V JSA naprogramujte aplikaci zdruˇzuj´ıc´ı jiˇz vytvoˇrené programu. Binárn´ı ˇc´ıtaˇc z pˇredchoz´ıho bodu doplˇ nte dvojici extern´ıch pˇreruˇsen´ı. Jedn´ım tlaˇc´ıtkem resetujte stav ˇc´ıtaˇce, druh´ ym mˇen ˇte smˇer ˇc´ıtán´ı.

3.2


´ Uvodn´ ı ˇcást programové pamˇeti je u mikrokontrolér˚ u vyhrazeno pro tzv. vektory pˇreruˇsen´ı. Tyto vektory popisuj´ı ˇcinnost systému v pˇr´ıpadˇe akutn´ıch událost´ı. Pokud dojde u mikroprocesoru k události, která vyvolává pˇreruˇsen´ı, mikrokontrolér se ”pod´ıvá” na konkrétn´ı m´ısto v programové pamˇeti (právˇe do oblasti vektor˚ u pˇreruˇsen´ı) a hledá zde program obsluhy vzniklé situace. Z pochopiteln´ ych d˚ uvod˚ u se do této oblasti nevkládá cel´ y program obsluhy pˇreruˇsen´ı, ale jen skok na zaˇcátek tohoto programu. Poˇcet vektor˚ u pˇreruˇsen´ı se liˇs´ı pro jednotlivé procesory (hlavnˇe podle jejich hardwarové vybavenosti). Pro námi pouˇz´ıvan´ y mikrokontrolér ATmega16 firmy Atmel lze soupis vˇsech vektor˚ u pˇreruˇsen´ı nalést v tabulce 3.1.


18

Tabulka 3.1: Pˇrehled vektor˚ u pˇreruˇsen´ı pro mikrokontrolér ATmega16 ˇ Adresa Zdroj pˇreruˇsen´ı Popis pˇreruˇsen´ı C. 1 0x0000 RESET Extern´ı reset, pˇripojen´ı napájen´ı 2 0x0002 INT0 Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 0 3 0x0004 INT1 Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 1 ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 2 - shoda komparace 4 0x0006 TIMER2 COMP C´ ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 2 - pˇreteˇcen´ı 5 0x0008 TIMER2 OVF C´ ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 1 - zachycen´ı 6 0x000A TIMER1 CAPT C´ ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 1 - shoda s komparátorem A 7 0x000C TIMER1 COMPA C´ ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 1 - shoda s komparátorem B 8 0x000E TIMER1 COMPB C´ ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 1 - pˇreteˇcen´ı 9 0x0010 TIMER1 OVF C´ ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 0 - pˇreteˇcen´ı C´ 10 0x0012 TIMER0 OVF 11 0x0014 SPI, STC Dokonˇcen´ı sériového pˇrenosu SPI 12 0x0016 USART, RXC USART - kompletn´ı pˇr´ıjem dat 13 0x0018 USART, UDRE USART - prázdn´ y datov´ y registr 14 0x001A USART, TXC USART - kompletn´ı vyslán´ı dat 15 0x001C ADC ADC - pˇrevod dokonˇcen 16 0x001E EE RDY EEPROM - komunikace pˇripravena 17 0x0020 ANA COMP Zmˇena v´ ystupu analogového komparátoru 18 0x0022 TWI Událost na I2C sbˇernici 19 0x0024 INT2 Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 2 ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 0 - shoda komparace 20 0x0026 TIMER0 COMP C´ 21 0x0028 SPM RDY Uloˇzen´ı do programové pamˇeti pˇripraveno Pˇreruˇsen´ı, které obsahuj´ı vˇsechny systémy je tzv. reset. K nˇemu dojde po pˇripojen´ı napájec´ıho napˇet´ı nebo po zresetován´ı systému. Jelikoˇz po zapnut´ı systému zaˇcne mikroprocesor vykonávat instrukce od zaˇcátku programové pamˇeti, je vektor pˇreruˇsen´ı pro reset um´ıstˇen právˇe na adrese 0x0000. Skoky na pˇr´ısluˇsné obsluˇzné programu lze realizovat napˇr´ıklad instrukc´ı rjmp, jak naznaˇcuje obr´ azek 3.1. Veˇskerá pˇreruˇsen´ı je nutné pˇredem aktivovat (povolit) v odpov´ıdaj´ıc´ıch ˇr´ıdic´ıch registrech a nav´ıc povolit globáln´ı pˇreruˇsen´ı ve stavovém registru SREG (Status Register), coˇz lze pˇr´ımo provést instrukc´ı sei. Pˇri aktivaci pˇreruˇsen´ı jsou po dobu vykonán´ı obsluhy pˇreruˇsen´ı ostatn´ı pˇreruˇsen´ı obecnˇe zakázána. Obsluhu pˇreruˇsen´ı je nutné ukonˇcit pˇr´ıkazem reti, kter´ y sám opˇet povol´ı ostatn´ı pˇreruˇsen´ı (jedná se o obdobu instrukce ret u návratu z podprogramu). Stejnˇe jako u volán´ı podprogramu je i u obsluhy pˇreruˇsen´ı nutné pˇredem uloˇzit návratovou adresu. Opˇet se vyuˇzije ˇcást pamˇeti RAM, která pˇredstavuje zásobn´ık, ˇ tj. na zaˇcátku aplikace je nutné jej definovat! Razen´ ı jednotliv´ ych vektor˚ u pˇreruˇsen´ı v programové pamˇeti zároveˇ n udává jejich prioritu (nejniˇzˇs´ı adresa (reset) odpov´ıdá nejvyˇsˇs´ı prioritˇe, atd.).


.include<m16def.inc> .org 0x0000 rjmp reset .org 0x0002 rjmp citac .org 0x002a reset: ... ... sei loop: rjmp loop citac: ... reti

; ; ; ;

19

adresa pˇ reruˇ sen´ ı pˇ ri reset relativn´ ı skok na n´ avˇ eˇ st´ ı reset adresa extern´ ıho pˇ reruˇ sen´ ı INT0 relativn´ ı skok na n´ avˇ eˇ st´ ı citac

; uloˇ z n´ asleduj´ ıc´ ı k´ od od adresy 0x002a ; ; ; ;

definice z´ asobn´ ıku naplnˇ en´ ı I/O registr˚ u glob´ aln´ ı povolen´ ı pˇ reruˇ sen´ ı nekoneˇ cn´ a smyˇ cka

; program pro obsluhu extern´ ıho pˇ reruˇ sen´ ı ; ukonˇ cen´ ı obsluhy pˇ reruˇ sen´ ı

Obr´ azek 3.1: Ukázka zápisu pˇreruˇsen´ı v jazyce symbolick´ ych adres 3.2.1

Extern´ı pˇ reruˇ sen´ı

Extern´ı pˇreruˇsen´ı jsou oznaˇcována jako INT0, INT1 a INT2 a odpov´ıdaj´ı trojici konkrétn´ım pin˚ um procesoru. Zaj´ımavost´ı je, ˇze pˇreruˇsen´ı funguje i kdyˇz jsou samotné piny nastaveny jako v´ ystupn´ı. Kaˇzdé pˇreruˇsen´ı má odpov´ıdaj´ıc´ı maskovac´ı bit, kter´ y umoˇzn ˇuje povolen´ı ˇci zakázán´ı daného pˇreruˇsen´ı. Pro vˇsechny tˇri extern´ı pˇreruˇsen´ı se tyto maskovac´ı bity nacház´ı v registru GICR (General Interrupt Control Register). Bit INT1 povoluje pˇreruˇsen´ı od zdroje INT1, apod. Pro povolen´ı daného pˇreruˇsen´ı je tedy tˇreba nastavit odpov´ıdaj´ıc´ı bit (na hodnotu 1). Dále je nutné nastavit za jak´ ych podm´ınek se bude extern´ı pˇreruˇsen´ı generovat. To lze nastavit pomoc´ı bit˚ u ISCn1 a ISCn0 v registru MCUCR (MCU Control Register). Chceme-li napˇr. generovat extern´ı pˇreruˇsen´ı INT1 s kaˇzdou nástupnou hranou, je nutné nastavit bity ISC11 a ISC10 v tomto registru. V´ yznam jednotliv´ ych nastaven´ı je znázornˇen v tabulce 3.2. Tabulka 3.2: Zp˚ usob spouˇstˇen´ı extern´ıch pˇreruˇsen´ı INTn (MCUCR) ISCn1:ISCn0 0b00 0b01 0b10 0b11

3.2.2

Popis N´ızká u ´roveˇ n (log. 0) na pinu INTn generuje poˇzadavek Jakákoliv zmˇena logické u ´rovnˇe na pinu INTn generuje poˇzadavek Sestupná hrana na pinu INTn generuje poˇzadavek Vzestupná hrana na pinu INTn generuje poˇzadavek

Pˇ reruˇ sen´ı od ˇ c´ıtaˇ ce/ˇ casovaˇ ce

Mikrokontrolér ATmega16 nab´ız´ı pomˇernˇe ˇsirokou ˇskálu nastaven´ı a mód˚ u dostupn´ ych pro ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce integrované na ˇcipu. V této laboratorn´ı u ´loze se budeme zab´ yvat


20

pouze základn´ım ˇc´ıtaˇcem/ˇcasovaˇcem 0 (jedná se o 8bitov´ y ˇc´ıtaˇc/ˇcasovaˇc) a pouze jeho základn´ım pouˇzit´ım. ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc m˚ C´ uˇzeme pouˇz´ıt bud’ ve spojen´ı s extern´ım hodinov´ ym signálem, pˇripojen´ ym na pin oznaˇcen´ y T0 (PB0), nebo s hodinov´ ym signálem mikrokontroléru. Pro vˇetˇs´ı variabilitu lze nastavit pˇreddˇeliˇcku pro hodinov´ y signál mikrokontroléru a t´ım zpomalit ˇc´ıtán´ı. Hodnotu pˇreddˇeliˇcky i pˇrep´ınán´ı zdroje hodin lze nastavit v registru TCCR0 (Timer/Counter Control Register), jehoˇz sloˇzen´ı lze nalézt v [5]. Pro nás jsou zajimavé tˇri bity pro nastaven´ı pˇreddˇeliˇcky (viz. tabulka 3.3). Tabulka 3.3: Nastaven´ı pˇreddˇeliˇcky ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce 0 (TCCR0) CS02:CS00 0b000 0b001 0b010 0b011 0b100 0b101 0b110 0b111

Popis ˇ 0 nepracuje Hodinov´ y signál odpojen. C/c fclk fclk /8 fclk /64 fclk /256 fclk /1 024 Extern´ı zdroj ˇr´ıdic´ıho signálu, sestupná hrana Extern´ı zdroj ˇr´ıdic´ıho signálu, nábˇeˇzná hrana

S tˇemito znalostmi m˚ uˇzeme nechat bˇeˇzet ˇc´ıtaˇc a pomoc´ı pˇreruˇsen´ı, které se automaticky generuje pˇri pˇreteˇcen´ı tohoto ˇc´ıtaˇce, odmˇeˇrovat dan´ y ˇcas. V samotném programu pak funguje toto pˇreruˇsen´ı jako nejmenˇs´ı ˇcasová jednotka a programovˇe lze na nˇej navázat dalˇs´ı ˇc´ıtaˇc (napˇr. zvol´ıme pˇreddˇeliˇcku tak, aby cel´ y cyklus ˇc´ıtaˇce trval 10ms a programem pak oˇsetˇr´ıme poˇc´ıtán´ı do 100 a dosáhnout tak doby 1s). Stejnˇe jako extern´ı pˇreruˇsen´ı, má i pˇreruˇsen´ı od ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce vlastn´ı registr maskován´ı TIMSK (Timer/Counter Interrupt Mask Register). Pro nás je zaj´ımav´ y pouze bit TOIE0, kter´ y povoluje pˇreruˇsen´ı od ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce 0.

3.3


Bod 1. V datasheetu k mikrokontroléru ATmega16 [5] vyhledejte kapitolu t´ ykaj´ıc´ı se pˇreruˇsen´ı (anglicky: Interrupts), pˇr´ıpadnˇe extern´ıho pˇreruˇsen´ı (External Interrupts). K nastaven´ı extern´ıho pˇreruˇsen´ı je nutné naplnit dva ˇr´ıdic´ı registry, konkrétnˇe GICR a MCUCR. V datasheetu si vyhledejte v´ yznam jednotliv´ ych bit˚ u tˇechto registr˚ u a pˇripravte si bitová slova, kter´ ymi napln´ıte tyto registry. Vyuˇcuj´ıc´ı vám zadá událost, která bude pˇreruˇsen´ı spouˇstˇet (nábˇeˇzná hrana, sestupná, . . .). Vyuˇzijte extern´ı pˇreruˇsen´ı INT0 generované tlaˇc´ıtkem na pinu PD2. Bod 2. Ve v´ yvojovém prostˇred´ı AVR Studio vytvoˇrte nov´ y projekt a v JSA naprogramujte aplikaci 8bitového binárn´ıho ˇc´ıtaˇce, jehoˇz stav zobrazujte pomoc´ı LED diod. Zmˇenu stavu ˇc´ıtaˇce realizujte pomoc´ı tlaˇc´ıtka PD2, které bude spouˇstˇet extern´ı pˇreruˇsen´ı INT0. Vyuˇzijte nastaven´ı registr˚ u GICR a MCUCR z pˇredeˇslého bodu. Jedná se o I/O registry,


21

proto vyuˇzijte kombinaci instrukc´ı ldi a out. Nezapomeˇ nte definovat zásobn´ık a povolit globáln´ı pˇreruˇsen´ı. Stisk tlaˇc´ıtka oˇsetˇrete krátk´ ym zpoˇzdˇen´ım. Bod 3. Ze znalosti frekvence hodinového signálu fclk (u STK500 je vybrán intern´ı oscilátor s frekvenc´ı fcpu = 1M Hz) vypoˇctˇete dobu za kterou dojde k pˇreteˇcen´ı 8bitového ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce. V´ ypoˇcet proved’te pro vˇsechny hodnoty pˇreddˇeliˇcky. Podobnˇe jako v bodˇe 1, vyhledejte v datasheetu k mikrokontroléru ATmega16 [5] kapitolu zab´ yvaj´ıc´ı se 8bitov´ ym ˇc´ıtaˇcem/ˇcasovaˇcem 0 (anglicky: 8-bit Timer/Counter0). K nastaven´ı ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce 0 je opˇet nutné naplnit dva ˇr´ıdic´ı registry, konkrétnˇe TCCR0 a TIMSK. V datasheetu si vyhledejte v´ yznam jednotliv´ ych bit˚ u tˇechto registr˚ u a pˇripravte si bitová slova, kter´ ymi napln´ıte tyto registry. Hodnotu pˇreddˇeliˇcky si zvolte. Bod 4. Ve v´ yvojovém prostˇred´ı AVR Studio vytvoˇrte nov´ y projekt a v JSA naprogramujte aplikaci 8bitového binárn´ıho ˇc´ıtaˇce, jehoˇz stav zobrazujte pomoc´ı LED diod. Zmˇenu stavu ˇc´ıtaˇce realizujte pomoc´ı pˇreruˇsen´ı od pˇreteˇcen´ı ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce 0. Vyuˇzijte nastaven´ı registr˚ u TCCR0 a TIMSK z pˇredeˇslého bodu. Bonus. V JSA vytvoˇrte aplikaci automatického binárn´ıho ˇc´ıtaˇce. Vyuˇzijete zdrojové kódy z bodu 2 a 4. Pˇreruˇsen´ı od ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce vyuˇzijte ke zmˇenˇe stavu binárn´ıho ˇc´ıtaˇce. Extern´ım pˇreruˇsen´ım INT0 resetujte stav ˇc´ıtaˇce a pˇreruˇsen´ım INT1 (PD3) mˇen ˇte smˇer ˇc´ıtán´ı. Je tedy nutné nastavit a povolit generován´ı extern´ıho pˇreruˇsen´ı také od tlaˇc´ıtka z pinu PD3.

3.4

Shrnut´ı

Laboratorn´ı u ´loha umoˇzn ˇuje student˚ um proniknout do problematiky obsluhy pˇreruˇsen´ı mikrokontrolér˚ u. Konkrétnˇe byly popsány vektory pˇreruˇsen´ı a vyuˇzit´ı extern´ıho pˇreruˇsen´ı od tlaˇc´ıtka. Druh´ y typ pˇreruˇsen´ı byl generován intern´ım ˇc´ıtaˇcem pˇri jeho pˇreteˇcen´ı. Studenti mˇeli moˇznost vyzkouˇset si programován´ı a otestován´ı aplikac´ı v jazyce symbolick´ ych adres.

3.5


Ot´ azka 3.1 Kde a jakým zp˚ usobem se ukl´ adaj´ı n´ avratové adresy pˇri vol´ an´ı obsluhy pˇreruˇsen´ı? Ot´ azka 3.2 Jak ˇcasto bude docházek k pˇreteˇcen´ı 16bitového ˇc´ıtaˇce, je-li frekvence hodinového signálu 16 MHz sn´ıˇzena pˇreddˇeliˇckou o hodnotˇe 8? Ot´ azka 3.3 Nakreslete vývojový diagram aplikace z bodu 4.


4

22

Pulznˇ eˇ s´ıˇ rkov´ a modulace PWM

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. K jak´ ym jednoduch´ ym aplikac´ım lze vyuˇz´ıt funkce ˇc´ıtán´ı, ˇcasován´ı a komparace intern´ıho ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce? 2. V jakém pamˇet’ovém segmentu a od jaké adresy se nacház´ı vˇsechny ˇr´ıdic´ı (I/O) registry mikrokontroléru ATmega16? 3. Jak´ y je rozd´ıl mezi programov´ ym ˇc´ıtaˇcem (PC) a zásobn´ıkem?

C´ıle laboratorn´ı u ´ lohy C´ılem laboratorn´ı u ´lohy je procviˇcit si nastavován´ı ˇr´ıdic´ıch I/O registr˚ u a hledán´ı informac´ı v anglické dokumentaci. C´ıle budou vyuˇzity v aplikaci generován´ı PWM signálu pomoc´ı intern´ıho 8bitového ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce.

4.1

Zad´ an´ı

1. Procviˇcte si hledán´ım informac´ı v anglickém datasheetu k mikrokontroléru ATmega16. Vyhledejte potˇrebné informace k nastaven´ı ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce 0 pro generován´ı PWM signálu. 2. V JSA naprogramujte aplikaci generuj´ıc´ı PWM signál se stˇr´ıdou 1 : 2. 3. V JSA naprogramujte aplikaci generuj´ıc´ı PWM signál s promˇennou stˇr´ıdou. Vizuálnˇe ovˇeˇrte správnou funkci aplikace pomoc´ı LED diody. 4. Bonus: Modifikujte aplikaci z pˇredeˇslého bodu, aby se jas LED diody pozvolna sniˇzoval i zvyˇsoval.

4.2


Pulznˇe ˇs´ıˇrková modulace PWM (Pulse Width Modulation) pˇredstavuje zp˚ usob modulován´ı pˇrenáˇsen´ ych dat. Modulovan´ y signál má konstantn´ı periodu, ale promˇennou stˇr´ıdu obdéln´ıkového signálu. Stˇr´ıda (anglicky: duty cycle) udává pomˇer mezi dobou trván´ı vysoké a n´ızké u ´rovnˇe. Tento pomˇer b´ yvá vyjádˇren v absolutn´ı (napˇr. 1 : 3), nebo procentuáln´ı m´ıˇre (napˇr. 25%). Ukázka vstupn´ıho a modulovaného signálu je zobrazena na obr´ azku 4.1. Jednoduch´ y modulátor lze realizovat pomoc´ı komparátoru, kdy na jeden vstup pˇrivedeme datov´ y signál, a na druh´ y signál nosné vlny. Ten je tvoˇren pilov´ ym pr˚ ubˇehem. Komparátor pak pˇrekláp´ı v´ ystupn´ı u ´roveˇ n v závislosti na pomˇeru obou vstupn´ıch signál˚ u. Ke generován´ı signálu lze velmi snadno vyuˇz´ıt intern´ı ˇc´ıtaˇc/ˇcasovaˇc mikrokontroléru, nastav´ıme-li ho do funkce komparace. V tomto módu totiˇz ˇc´ıtaˇc/ˇcasovaˇc porovnává hodnotu z datového registru TCNT0 (Timer/Counter Register) s hodnotou uloˇzenou v kom-


23

Obr´ azek 4.1: Princip tvorby PWM signálu paraˇcn´ım registru OCR0 (Output Compare Register). V pˇr´ıpadˇe rovnosti obou hodnot je moˇzné mˇenit u ´roveˇ n v´ ystupn´ıho signálu. Mikrokontrolér ATmega16 umoˇzn ˇuje pouˇzit´ı nˇekolika mód˚ u generován´ı signálu. V této laboratorn´ ı u ´lozeMode, se zamˇ eˇr´ıme Diagram pouze na mód s oznaˇcen´ım Fast PWM. Pˇri tomto Figure 32. Fast PWM Timing nastaven´ı ˇc´ıtaˇc naˇc´ıtá od hodnoty 0x00 do 0xff, poté nuluje sv˚ uj stav a pokraˇcuje v opakovaném naˇc´ıtán´ı. Neinvertuj´ıc´ı podoba v´ ystupn´ıho signálu je nulov´ ana pˇri shodˇe mezi OCRn Interrupt Flag Set ˇ TCNT0 a OCR0 a je nastavena pˇri pˇreteˇcen´ı ˇc´ıtaˇce TCNT0. Casov´ y diagram popsané funkce je znázornˇen na obrázku 4.2. Je zˇrejmé, ˇze perioda takto generovaného signálu z˚ ustává nemˇenná, a ˇze závis´ı pouze na frekvenci hodinového signálu mikrokontrol´ eru a na hodnotˇe OCRn Update and TOVn Interrupt Flag Set pˇreddˇeliˇcky.

TCNTn

OCn

(COMn1:0 = 2)

OCn

(COMn1:0 = 3)

Period

1

2

3

4

5

6

7

ˇ Overflow Obr´ azek 4.2: Casov´ y diagram sign´ alu (obr´ zek pˇrevzat z [5])MAX. If The Timer/Counter Flaggenerov´ (TOV0)an´ isı PWM set each time the acounter reaches the interrupt is enabled, the interrupt handler routine can be used for updating the compare value. Aplikaci generován´ı signálu lze obohatit celkem dvˇema odliˇsn´ ymi zdroji pˇreruˇsen´ı. Poˇzadavek na pˇreruˇ sen´ ı zp˚ usobuje reteˇcen´ı ˇc´ıtaˇ ce/ˇ casovaˇ ce a také ud´ alost In fast PWM mode, the compare unitjednak allowspˇ generation of PWM waveforms on the shody OC0 mezi datov´ y m a komparaˇ c n´ ım registrem ˇ c ´ ıtaˇ c e. Obˇ e tyto pˇ r eruˇ s en´ ı se povoluj´ ı v konpin. Setting the COM01:0 bits to 2 will produce a non-inverted PWM and an inverted troln´ ım registru TIMSK (Timer/Counter MasktoRegister). PWM output can be generated by setting Interrupt the COM01:0 3 (See Table 40 on page 84). The actual OC0 value will only be visible on the port pin if the data direction for the port pin is set as output. The PWM waveform is generated by setting (or clearing) the OC0 Register at the compare match between OCR0 and TCNT0, and clearing (or setting) the OC0 Register at the timer clock cycle the counter is cleared (changes from MAX to BOTTOM).


4.3

24


Bod 1. V datasheetu k mikrokontroléru ATmega16 [5] vyhledejte kapitolu zab´ yvaj´ıc´ı se 8bitov´ ym ˇc´ıtaˇcem/ˇcasovaˇcem 0 (anglicky: 8-bit Timer/Counter0), konkrétnˇe ˇcásti zab´ yvaj´ıc´ı se generován´ım PWM signálu pomoc´ı komparace. K nastaven´ı ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce 0 je nutné naplnit ˇr´ıdic´ı registr TCCR0 (Timer/Counter Control Register). V datasheetu si vyhledejte v´ yznam jednotliv´ ych bit˚ u tohoto registru a pˇripravte si bitové slovo, kter´ ym tento registr napln´ıte. Pro generován´ı PWM signálu je nutné nastavit Fast mód PWM, neinvertovanou formu v´ ystupn´ıho signálu a hodnotu pˇreddˇeliˇcky. Tuto hodnotu si sami zvolte. Bod 2. Ve v´ yvojovém prostˇred´ı AVR Studio vytvoˇrte nov´ y projekt a v JSA naprogramujte aplikaci generuj´ıc´ı PWM signál se stˇr´ıdou 1 : 2. Definujte port B jako v´ ystupn´ı (na pinu PB3 je pomoc´ı ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce 0 generován PWM signál). Vyuˇzijte nastaven´ı registru TCCR0 z pˇredeˇslého bodu. Stˇr´ıda generovaného signálu je adekvátn´ı hodnotˇe, kterou uloˇz´ıte do komparaˇcn´ıho registru OCR0 (Output Compare Register). Tato u ´loha nevyˇzaduje generován´ı pˇreruˇsen´ı. Vstupnˇe/v´ ystupn´ı registry lze naplnit s vyuˇzit´ım posloupnosti instrukc´ı ldi a out. Zapsán´ı 8bitového slova do registru zp˚ usobem ldi r16,0b00011010 vˇsak m˚ uˇze b´ yt nepˇrehledné a ˇcasto je také zdrojem programátorsk´ ych chyb. Známkou zkuˇsen´ ych programátor˚ u je vyuˇzit´ı pozic jednotliv´ ych bit˚ u v I/O registru, bitového posuvu <<, pˇr´ıp. logického souˇctu |. Jednotlivé bitové pozice (0, . . . , 7) jsou oznaˇcovány konstantami, které lze nalézt v datasheetu u popisu kaˇzdého registru. Jsou-li napˇr. tˇri nejniˇzˇs´ı bity registru TCCR0 pojmenovány CS02, CS01, CS00 a chceme-li uloˇzit do tohoto registru hodnotu 0b00000110, je moˇzné naprogramovat tuto operaci následuj´ıc´ım zp˚ usobem. ldi r16,(1<
Zapsán´ı hodnot do vˇsech I/O registr˚ u staˇc´ı provést jen jednou. Nezapomˇen ˇte váˇs program ukonˇcit nekoneˇcnou smyˇckou, která tedy nebude obsahovat ˇzádné dalˇs´ı instrukce. Pomoc´ı hodnoty vámi zvolené pˇreddˇeliˇcky N a se znalost´ı frekvence hodinového signálu fclk vypoˇctˇete periodu generovaného signálu. V´ ypoˇcet ovˇeˇrte odeˇcten´ım hodnoty na osciloskopu (jehoˇz sonda je pochopitelnˇe pˇripojena na pin PB3). Rovnˇeˇz ovˇeˇrte poˇzadovanou stˇr´ıdu signálu. Pˇri psan´ı kódu se vyvarujte bezmyˇslenkovitého opisován´ı instrukc´ı, ˇci ˇcást´ı kódu z pˇredeˇsl´ ych laboratorn´ıch cviˇcen´ı. Snaˇzte se o optimalizaci vaˇseho programu z hlediska m´ısta v programové pamˇeti. Bod 3. V JSA vytvoˇrte aplikaci, která bude lineárnˇe mˇenit stˇr´ıdu generovaného PWM signálu. Vyuˇzijte zdrojového kódu z pˇredeˇslého bodu. Stˇr´ıdu, tj. komparaˇcn´ı hodnotu v registru OCR0 inkrementujte v obsluze pˇreruˇsen´ı, která se spouˇst´ı právˇe pˇri komparaci. Z tabulky 3.1 zjistˇete vektor tohoto pˇreruˇsen´ı. Nezapomeˇ nte definovat zásobn´ık, povolit pˇreruˇsen´ı pro komparaci a globáln´ı pˇreruˇsen´ı. Zvol´ıte-li hodnotu pˇreddˇeliˇcky 8 nebo 64 budete schopni pozorovat vliv zmˇeny stˇr´ıdy na v´ ystupn´ı LED diodˇe.


25

Bonus. Modifikujte zdrojov´ y kód z pˇredeˇslé u ´lohy tak, aby se jas LED diody na pinu PB3 pozvolna sniˇzoval a následnˇe zase pozvolna zvyˇsoval. Z obr´ azku 4.2 je moˇzné nahlédnout, jak´ ym zp˚ usobem toho lze doc´ılit.

4.4

Shrnut´ı

Laboratorn´ı u ´loha umoˇzn ˇuje student˚ um hloubˇeji proniknout do problematiky obsluhy pˇreruˇsen´ı mikrokontrolér˚ u. Konkrétnˇe bylo generováno pˇreruˇsen´ı od intern´ıho ˇc´ıtaˇce pˇri komparaci. Této funkce lze snadno vyuˇz´ıt pˇri generován´ı v´ ystupn´ıho signálu s promˇennou stˇr´ıdou.

4.5


Ot´ azka 4.1 Jakou hodnotu bude obsahovat komparaˇcn´ı registr, m´ a-li být generov´ an obdéln´ıkový signál se stˇr´ıdou 1 : 5? Ot´ azka 4.2 Jaké slovo bude obsahovat ˇr´ıdic´ı registr TCCR0, m´ a-li být ˇc´ıtaˇc/ˇcasovaˇc vyuˇzit ke komparaci hodnot v normáln´ım m´ odu (non-PWM), pˇri komparaci nulovat výstupn´ı u ´roveˇ n a inkrementace ˇc´ıtaˇce bude zpomalena 8×? Ot´ azka 4.3 Jakou posloupnost´ı instrukc´ı napln´ıte registr TCCR0 ˇr´ıdic´ım slovem z pˇredeˇslé ot´ azky?


5

26

Programov´ an´ı v jazyce C, obsluha pˇ reruˇ sen´ı

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. V jakém pamˇet’ovém segmentu a od jak´ ych adres se nacház´ı vektory pˇreruˇsen´ı? 2. Jak prob´ıhá v´ ykon obsluhy libovolného pˇreruˇsen´ı? 3. Jak lze v jazyce C naprogramovat podm´ınku a cyklus?

C´ıle laboratorn´ı u ´ lohy C´ılem laboratorn´ı u ´lohy je osvojen´ı si programován´ı mikrokontrolér˚ u ve vyˇsˇs´ım programovac´ım jazyce C a práce s pˇreruˇsen´ım.

5.1

Zad´ an´ı

1. Seznamte se s programován´ım mikrokontroléru ATmega16 v jazyce C. Vytvoˇrte aplikaci, generuj´ıc´ı akustick´ y signál pomoc´ı reproduktoru. 2. Seznamte se s programován´ım obsluhy pˇreruˇsen´ı v jazyce C. Vytvoˇrte aplikaci binárn´ıho ˇc´ıtaˇce ˇr´ızeného intern´ım ˇc´ıtaˇcem/ˇcasovaˇcem. 3. K aplikaci z pˇredeˇslého bodu pˇridejte obsluˇzné tlaˇc´ıtko pro nulován´ı stavu ˇc´ıtaˇce. 4. Bonus: Napiˇste program v jazyce C, kter´ y pomoc´ı reproduktoru generuje kol´ısav´ y tón (sirénu).

5.2 5.2.1

Teoretick´ e poznatky Vyˇ sˇ s´ı programovac´ı jazyky

Pro v´ yvoj aplikac´ı se zpravidla pouˇz´ıvaj´ı vyˇsˇs´ı programovac´ı jazyky, u mikrokontrolér˚ u je to nejˇcastˇeji jazyk C. Oproti zdrojovému kódu v jazyce symbolick´ ych adres, je kód v jazyce C pˇrehlednˇejˇs´ı, snadno pˇrenositeln´ y mezi odliˇsn´ ymi architekturami a v´ yvoj takové aplikace je rychlejˇs´ı. Na druhou stranu zab´ırá v´ ysledn´ y kód v´ıce m´ısta v pamˇeti a jeho v´ ykon je pomalejˇs´ı. Tato vlastnost je dána mechanizmem pˇrekladu zdrojového kódu z C do JSA a následnˇe do strojového kódu mikrokontroléru. Pˇrekladaˇc, tj. program nahrazuj´ıc´ı u ´seky programu ve vyˇsˇs´ım jazyce posloupnosti instrukc´ı, zpravidla nepracuje optimálnˇe. Pˇreloˇzen´ y kód tak obsahuje také instrukce, které nejsou bezprostˇrednˇe nutné k vykonán´ı pˇr´ısluˇsné funkce. Pˇresto v´ yhody vyˇsˇs´ıch jazyk˚ u v´ yraznˇe pˇrevyˇsuj´ı tyto nedostatky. V pˇr´ıpadˇe, kdy je vyˇzadována absolutn´ı kontrola nad funkc´ı a ˇcasován´ım programu, jsou exponované u ´seky zdrojového kódu psány v JSA, ostatn´ı ˇcásti jsou ponechány v jazyce C. Programovac´ı jazyk C byl poprvé standardizován americkou spoleˇcnost´ı ANSI (American National Standards Institute) v 80. letech. Pˇrestoˇze byl tento standard následnˇe


27

pˇrevzat také mezinárodn´ı spoleˇcnost´ı ISO (International Organization for Standardization), je stále pouˇz´ıván název jazyka ANSI C. V souˇcasné dobˇe je platná verze z bˇrezna 2000 s oznaˇcen´ım ISO/IEC 9899:1999 [8]. Krátké pˇribl´ıˇzen´ı struktury jazyka C je uvedeno v pˇr´ıloze B. Existuje celá ˇrada pˇrekladaˇc˚ u tohoto jazyka do strojového kódu. Navzájem se liˇs´ı m´ırou optimalizace v´ ysledného kódu, rychlost´ı pˇrekladu a cenou. Jedn´ım z rozˇs´ıˇren´ ych pˇrekladaˇc˚ u je GCC (GNU Compiler Collection) [9]. Jak název napov´ıdá, jedná se o soubor pˇrekládac´ıch nástroj˚ u projektu GNU, kter´ y sdruˇzuje tzv. svobodn´ y software. Dopln´ıme-li pˇrekladaˇc GCC knihovnou, popisuj´ıc´ı strukturu a funkci mikrokontroléru AVR, m˚ uˇzeme tento voln´ y nástroj vyuˇz´ıt také k v´ yvoji aplikac´ı pro AVR. Pro operaˇcn´ı systém Windows je tato kombinace dostupná prostˇrednictv´ım open source projektu s názvem WinAVR [10]. Tento nástroj kromˇe pˇrekladaˇce obsahuje také programátor, lad´ıc´ı nástroje a dalˇs´ı funkce. Po nainstalován´ı je vˇse dostupné pˇr´ımo z v´ yvojového prostˇred´ı AVR Studia. 5.2.2

Obsluha pˇ reruˇ sen´ı v jazyce C

V´ yznam a pouˇzit´ı pˇreruˇsen´ı v jazyce symbolick´ ych adres popisuje laboratorn´ı u ´loha ˇc. 3. Pˇripomeˇ nme, ˇze obsluhu libovolného pˇreruˇsen´ı je nutné vloˇzit do pamˇet’ového prostoru, kter´ y udává vektor pˇreruˇsen´ı. Je tedy nutné vˇedˇet, na kterou adresu vektor ukazuje. Pˇri vyuˇzit´ı programovac´ıho jazyka C a pˇrekladaˇce GCC je situace m´ırnˇe jednoduˇsˇs´ı. Staˇc´ı vytvoˇrit obsluˇznou funkci (resp. makro) s názvem ISR (Interrupt Service Routine), jejiˇz jedin´ ym parametrem je identifikátor zdroje pˇreruˇsen´ı. Ty jsou pro mikrokontrolér ATmega16 vypsány v tabulce 5.1. Napˇr. pro extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 0 je to parametr INT0 vect, apod. Konkrétn´ı adresu vektoru pˇreruˇsen´ı dopln´ı aˇz pˇrekladaˇc. Ten také sám definuje zásobn´ık, ˇci zajiˇst’uje návrat z obsluhy pˇreruˇsen´ı. Kostra zdrojového kódu, vyuˇz´ıvaj´ıc´ı extern´ıho pˇreruˇsen´ı 0 je zobrazena na obrázku obr´ azku 5.1. Tento kód je ekvivalentem zdrojového kódu v jazyce symbolick´ ych adres z obr´ azku 3.1. Specifika knihovny pro programován´ı mikrokontrolér˚ u AVR (avr-libc) je moˇzné nalézt v kapitole B.4 a na internetové stránce [11].

5.3


Bod 1. Pro naˇsi dalˇs´ı práci v laboratorn´ıch cviˇcen´ıch budeme vyuˇz´ıvat v´ yvojovou desku ´ DEVELOPMENT BOARD ATmega16 vyvinutou na Ustavu radioelektroniky c´ılenˇe pro pˇredmˇet Mikroprocesorová technika. Zapojen´ı desky a jej´ı popis je uveden v pˇr´ıloze A. Jádrem desky je mikrokontrolér ATmega16-16AU s extern´ım krystalem o frekvenci 16M Hz. K I/O branám procesoru lze propojen´ım pˇr´ısluˇsn´ ych propojek pˇripojovat r˚ uzné perifern´ı obvody, LED diody, tlaˇc´ıtka, klávesnici, LED displej, LCD znakov´ y displej, reproduktor se zesilovaˇcem, ˇradiˇce rozhran´ı RS-232 a USB, D/A pˇrevodn´ık ˇci hodinov´ y obvod s kalendáˇrem, ˇr´ızen´ ym sbˇernic´ı I2C. Práce s perifern´ımi zaˇr´ızen´ımi je podstatou mikroprocesorov´ ych aplikac´ı a bude základn´ı nápln´ı dalˇs´ıch laboratorn´ıch u ´loh. Ve v´ yvojovém prostˇred´ı AVR Studio vytvoˇrte nov´ y projekt v jazyce C (v kolonce Project type je nutné vybrat volbu AVR GCC) pro mikrokontrolér ATmega16. Do projektu vloˇzte hlaviˇckov´ y soubor avr/io.h, kter´ y obsahuje popis vybraného mikrokontroléru. V tomto souboru jsou názvy vˇsech ˇr´ıdic´ıch registr˚ u definovány velk´ ymi p´ısmeny,


28

Tabulka 5.1: Pˇrehled vektor˚ u pˇreruˇsen´ı pro mikrokontrolér ATmega16 ˇ Adresa Parametr v C (GCC) Popis pˇreruˇsen´ı C. 1 0x0000 Extern´ı reset, pˇripojen´ı napájen´ı 2 0x0002 INT0 vect Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 0 3 0x0004 INT1 vect Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 1 ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 2 - shoda komparace 4 0x0006 TIMER2 COMP vect C´ ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 2 - pˇreteˇcen´ı 5 0x0008 TIMER2 OVF vect C´ ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 1 - zachycen´ı 6 0x000A TIMER1 CAPT vect C´ ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 1 - shoda s komparátorem A 7 0x000C TIMER1 COMPA vect C´ ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 1 - shoda s komparátorem B 8 0x000E TIMER1 COMPB vect C´ ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 1 - pˇreteˇcen´ı 9 0x0010 TIMER1 OVF vect C´ ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 0 - pˇreteˇcen´ı C´ 10 0x0012 TIMER0 OVF vect 11 0x0014 SPI STC vect Dokonˇcen´ı sériového pˇrenosu SPI 12 0x0016 USART RXC vect USART - kompletn´ı pˇr´ıjem dat 13 0x0018 USART UDRE vect USART - prázdn´ y datov´ y registr 14 0x001A USART TXC vect USART - kompletn´ı vyslán´ı dat 15 0x001C ADC vect ADC - AD pˇrevod dokonˇcen 16 0x001E EE RDY vect EEPROM - komunikace pˇripravena 17 0x0020 ANA COMP vect Zmˇena v´ ystupu analogového komparátoru 18 0x0022 TWI vect Událost na I2C sbˇernici 19 0x0024 INT2 vect Extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı 2 ˇ ıtaˇc/ˇcasovaˇc 0 - shoda komparace 20 0x0026 TIMER0 COMP vect C´ 21 0x0028 SPM RDY vect Uloˇzen´ı do programové pamˇeti pˇripraveno

#include #include ... int main( void ) { ... sei() ; while( 1 ) ; } ISR( INT0_vect ) { ... }

// hlaviˇ ckov´ y soubor popisuj´ ıc´ ı mikrokontrol´ er // knihovna potˇ rebn´ a pro pˇ reruˇ sen´ ı

// tˇ elo hlavn´ ı funkce // glob´ aln´ ı povolen´ ı pˇ reruˇ sen´ ı // nekoneˇ cn´ a smyˇ cka

// program pro obsluhu extern´ ıho pˇ reruˇ sen´ ı

Obr´ azek 5.1: Ukázka zápisu pˇreruˇsen´ı v programovac´ım jazyce C


29

proto mˇejte na pamˇeti, ˇze ve zdrojovém kódu mus´ıte pouˇz´ıvat právˇe tento zápis. Vaˇsim u ´kolem bude rozezvuˇcet reproduktor. Reproduktor se zesilovaˇcem je pˇripojen k jednomu z v´ yvod˚ u I/O brány mikrokontroléru (viz. schéma). Reproduktor rozezvuˇc´ıme generován´ım periodické zmˇeny tohoto pinu nastaveného jako v´ ystupn´ı. Aby byl generovan´ y tón v akustickém pásmu, je nutno do programu zaˇradit zpoˇzd’ovac´ı smyˇcku, která zajist´ı prodlouˇzen´ı doby, kdy je hodnota signálu v u ´rovni log. 0 nebo log. 1, jak naznaˇcuje obr´ azek 5.2. Tuto smyˇcku naprogramujte jako cyklus. Ve zdrojovém kódu si osvojte také syntaxi podm´ınky a deklarace promˇenn´ ych.

Obr´ azek 5.2: Princip zmˇeny frekvence generovaného akustického signálu Vytvoˇrenou aplikaci naprogramujte do programové pamˇeti mikrokontroléru pomoc´ı programovac´ıho modulu ISP. Tento modul je na desce DEVELOPMENT BOARD ATmega16 um´ıstˇen pod maticovou klávesnic´ı a jeho správná funkce je indikována zelenou signáln´ı SMD diodou. Jedná se o modul AVRISP mkII firmy Atmel [7], proto pˇri navázán´ı komunikace AVR Studia s programátorem je nutné vybrat právˇe tento produkt, jak naznaˇcuje obrázek 5.3.

Obr´ azek 5.3: V´ ybˇer programátoru AVRISP mkII Po ovˇeˇren´ı správné ˇcinnosti programu, smaˇzte obsah pamˇeti Flash mikrokontroléru - na d˚ uvod pˇrijdete sami. To lze provést tlaˇc´ıtkem Erase Device, které se nacház´ı v programovac´ım dialogu. Bod 2. Ve v´ yvojovém prostˇred´ı AVR Studio vytvoˇrte nov´ y projekt v jazyce C a naprogramujte 4bitov´ y binárn´ı ˇc´ıtaˇc, kter´ y bude inkrementovat svou hodnotu kaˇzdou sekundu a bude ˇr´ızen pˇreteˇcen´ım 16bitového ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce 1. Stav ˇc´ıtaˇce zobrazte pomoc´ı LED diod, které jsou pˇripojeny k horn´ı polovinˇe portu D. Pro správnou funkci staˇc´ı nastavit pˇreddˇeliˇcku v ˇr´ıdic´ım registru TCCR1B (Timer/Counter1 Control Register B) a povolit pˇreruˇsen´ı pˇri pˇreteˇcen´ı v registru TIMSK (Timer/Counter Interrupt Mask Register). Struktury registr˚ u naleznete v datasheetu [5]. Vypoˇctˇete doby pˇreteˇcen´ı ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce 1 pro vˇsechny hodnoty pˇreddˇeliˇcky v pˇr´ıpadˇe, ˇze frekvence hodinového signálu mikrokontroléru


30

ˇ ıdic´ı registry naplˇ na v´ yvojové desce je fCP U = 16M Hz. R´ nujte zp˚ usobem kombinován´ı bitového posuvu doleva << a logického souˇctu |, ukázan´ ym na pˇrednáˇskách. Bod 3. K aplikaci z pˇredchoz´ıho bodu pˇridejte obsluhu extern´ıho poˇzadavku na pˇreruˇsen´ı INT0, ˇr´ızené tlaˇc´ıtkem. Tato obsluha necht’ resetuje stav binárn´ıho ˇc´ıtaˇce. Realizujte jednoduchou metodu oˇsetˇren´ı stisku mechanického tlaˇc´ıtka. Jaké tlaˇc´ıtko je zdrojem pˇreruˇsen´ı INT0 na v´ yvojové desce? Bonus. V jazyce C naprogramujte aplikaci, která generuje sirénu, tj. periodickou zmˇenu dvou tón˚ u. Nakreslete ˇcasov´ y pr˚ ubˇeh generovaného signálu. Pro odmˇeˇrován´ı potˇrebn´ ych ˇcasov´ ych interval˚ u vyuˇzijte pˇreteˇcen´ı intern´ıch ˇc´ıtaˇc˚ u/ˇcasovaˇc˚ u 0 a 1. Jeden z nich nastavte pomoc´ı pˇreddˇeliˇcky pro generován´ı pˇr´ısluˇsn´ ych frekvenc´ı v´ ystupn´ıho signálu a druh´ y pro odmˇeˇrován´ı doby trván´ı obou tón˚ u.

5.4

Shrnut´ı

Laboratorn´ı u ´loha umoˇzn ˇuje student˚ um proniknout do problematiky programován´ı mikrokontrolér˚ u v jazyce C. Konkrétnˇe byl popsán zp˚ usob tvorby obsluhy pˇreruˇsen´ı od intern´ıho ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce a extern´ı poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı od tlaˇc´ıtka.

5.5


Ot´ azka 5.1 Kolika bitové jsou promˇenné typu char a signed int v jazyce C? Ot´ azka 5.2 Nakreslete vývojový diagram aplikace z bonusového pˇr´ıkladu. Ot´ azka 5.3 Jakým zp˚ usobem je moˇzné pˇrepsat n´ asleduj´ıc´ı pˇr´ıkazy v jazyce C do jazyka symbolických adres mikrokontroléru AVR? Kolik byt˚ u pˇreloˇzený program zab´ır´ a? DDRD = 0xf0 ; PORTD = 0 ; TCCR1B |= (1<<2) | (1<<1) ; sei() ;


6

31

Komunikace s LCD displejem

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. Jaké ˇr´ıdic´ı signály v mikroprocesorové technice ovládaj´ı operaci ˇcten´ı/zápis? Uved’te dvˇe základn´ı varianty, které vyuˇz´ıvaj´ı napˇr. firmy Intel a Atmel. 2. Co je to ASCII tabulka a jaké u ´daje obsahuje? 3. Jak´ ym zp˚ usobem lze v jazyce C kombinovat v´ ypis textového ˇretˇezce s hodnotou promˇenné urˇcitého typu (napˇr. typu char)?

C´ıle laboratorn´ı u ´ lohy Laboratorn´ı u ´loha si klade za c´ıl seznámit studenty s moˇznost´ı pˇripojen´ı LCD displeje k I/O portu mikrokontroléru AVR. Vyuˇzita bude 4bitová datová komunikace mezi mikrokontrolérem ATmega16 a LCD displejem s rozliˇsen´ım 16×4 znak˚ u. Programován´ı ˇr´ıdic´ı aplikace bude prob´ıhat ve vyˇsˇs´ım programovac´ım jazyce C a bude vyuˇzita knihovna pro LCD displej, jejiˇz autor je Peter Fleury [13].

6.1

Zad´ an´ı

1. Seznamte se s knihovnou pro vyuˇzit´ı LCD displeje v jazyce C. 2. Realizujte binárn´ı ˇc´ıtaˇc, kter´ y bude ovládán pˇreteˇcen´ım 16bitového ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce a jeho stav zobrazte pomoc´ı LED diod a na LCD displeji. 3. Vytvoˇrte dvojici nov´ ych znak˚ u, které bude moˇzné zobrazit na LCD displeji. 4. Bonus: Na LCD displeji realizujte jednoduché menu, ve kterém se budete pohybovat pomoc´ı tlaˇc´ıtek.

6.2


´ cinn´ Uˇ y zp˚ usob zobrazen´ı informac´ı v celé ˇradˇe ˇr´ıdic´ıch aplikac´ı je pomoc´ı LCD displeje. Tato laboratorn´ı u ´loha je zamˇeˇrena na pouˇzit´ı znakov´ ych LCD displej˚ u. Vˇetˇsina vyrábˇen´ ych LCD displej˚ u je ovládána pomoc´ı ˇr´ıdic´ıho obvodu HD44780 firmy Hitachi [14], pˇr´ıp. jeho ekvivalent˚ u. Tento ˇradiˇc je ve své podstatˇe normou pro komunikaci s LCD displeji. Zpravidla se vyrábˇej´ı displeje s rozliˇsen´ım od 8×1 aˇz po 40×4 znak˚ u s podsv´ıcen´ım (ˇzlutozelené, modré) i bez. Znakov´ y LCD displej obsahuje osm datov´ ych pin˚ u pro pˇrenos instrukc´ı a dat, dále sadu tˇr´ı ˇr´ıdic´ıch signál˚ u a koneˇcnˇe piny pro napájen´ı, nastaven´ı kontrastu a podsv´ıcen´ı. Pˇrestoˇze datové informace, které LCD displej pˇrij´ımá/vys´ılá jsou 8bitové, ˇcasto se komunikace realizuje pouze ˇctveˇric´ı datov´ ych vodiˇc˚ u (oznaˇcováno jako 4bitová komunikace). Bytová slova se tak pos´ılaj´ı ve dvou kroc´ıch: nejprve vyˇsˇs´ı nibl, následnˇe niˇzˇs´ı. Stejn´ ym zp˚ usobem je realizována komunikace mikrokontroléru ATmega16


32

s LCD displejem na v´ yvojové desce, jak naznaˇcuje obr´ azek 6.1. Je zˇrejmé, ˇze 4bitovou komunikac´ı byl sn´ıˇzen poˇcet nutn´ ych pin˚ u mikrokontroléru z jedenácti na sedm. Konkrétnˇe se jedná o piny PA7 aˇz PA1 na portu A.

Obr´ azek 6.1: Zapojen´ı LCD displeje na v´ yvojové desce ATmega16 ˇ ıdic´ı signál RS slouˇz´ı k identifikaci zda jsou mezi mikrokontrolérem a LCD displejem R´ pˇrenáˇseny instrukce nebo data (RS = 0: instrukce, RS = 1: data). Signál R/W identifikuje zda docház´ı k zápisu nebo ke ˇcten´ı z LCD displeje (R/W = 0: zápis, R/W = 1: ˇcten´ı). Kladn´ y puls signálu E (Enable) oznaˇcuje okamˇziky, kdy jsou ˇctena data z datové a ˇr´ıdic´ı sbˇernice. Proces komunikace mikrokontroléru ve smˇeru k LCD displeji prob´ıhá v nˇekolika kroc´ıch. Nejprve se nutné nastavit pˇr´ısluˇsné hodnoty dvou ˇr´ıdic´ıch signál˚ u RS a R/W . Následnˇe se na datové piny D7 : 4 pˇrivede vyˇsˇs´ı nibl zapisovan´ ych dat. Pˇr´ıjem tˇechto dat v LCD displeji je spuˇstˇen kladn´ ym pulzem signálu E, kter´ y mus´ı trvat nˇekolik hodinov´ ych cykl˚ u. Následnˇe se na datové piny pˇrivede niˇzˇs´ı polovina pos´ılaného bytu a opˇet se potvrd´ı krátk´ ym pulsem E. Struktura nˇekter´ ych instrukc´ı pro komunikaci s displejem (resp. s ˇradiˇcem HD44780) je zobrazena v tabulce 6.1. Formát instrukc´ı je pevnˇe dán. y soupis Jedná se vˇzdy o 1bytové slovo doplnˇené o ˇr´ıdic´ı signály RS a R/W . Podrobn´ vˇsech instrukc´ı je moˇzné nalézt v literatuˇre, napˇr. v [12]. Tabulka 6.1: Nˇekteré pˇr´ıkazy HD44780 pro komunikaci s LCD displejem RS 0 0 0

R/W 0 0 0

DB7 : DB0 0000 0001 0000 001x 0000 1DCB

0 1 1

0 0 1

01cgram adr 8bitov´ a data 8bitov´ a data

6.3

Popis instrukce Smazán´ı displeje. Návrat kurzoru na pozici (0,0). Zapnut´ı displeje/kurzoru. D: zapnut´ı displeje. C: zobrazen´ı kurzoru. B: blikán´ı kurzoru. Nastaven´ı adresy CGRAM segmentu. Zápis dat do pamˇeti CGRAM nebo DDRAM. ˇ ı dat z pamˇeti CGRAM nebo DDRAM. Cten´


Bod 1. V programu AVR Studio vytvoˇrte nov´ y projekt v jazyce C pro mikrokontrolér ATmega16 a pomoc´ı jiˇz hotové knihovny pro komunikaci s LCD displejem naprogramujte


33

aplikaci, která vyp´ıˇse textov´ y ˇretˇezec na displeji. Knihovnu, jej´ıˇz p˚ uvodn´ı autor byl Peter Fleury [13], si stáhnˇete ze stránek eLearningu VUT v Brnˇe. Jedná se o dva soubory s y soubor vaˇs´ı názvy lcd c.c a lcd h.h. Oba zkop´ırujte do adresáˇre, kde se nacház´ı zdrojov´ aplikace. Soubor s koncovkou *.c je nutné vloˇzit do vaˇseho projektu. Postup je snadn´ y. Prav´ ym tlaˇc´ıtkem kliknˇete na sloˇzku obsahuj´ıc´ı zdrojové soubory (Source Files) v levé y soubor lcd h.h se jiˇz vloˇz´ı do ˇcásti AVR Studia a vloˇzte soubor lcd c.c. Hlaviˇckov´ projektu automaticky pˇri pˇrekladu. Knihovna pro komunikaci s LCD displejem, kterou jste vloˇzili do projektu obsahuje veˇskeré nastaven´ı a funkce pro inicializaci a pouˇzit´ı LCD displeje. Soupis pomocn´ ych funkc´ı, které budete potˇrebovat je uveden v tabulce 6.2. Vˇsechny tyto funkce nevrac´ı ˇzádnou hodnotu. Tabulka 6.2: Soupis nˇekter´ ych funkc´ı knihovny pro LCD Název funkce Popis funkce lcd init() ; Inicializace LCD displeje. lcd clrscr() ; Smazán´ı obsahu LCD displeje. lcd gotoxy( 0,2 ) ; Pˇresun kurzoru na pozici (0,2). lcd putc( ’A’ ) ; Zobrazen´ı znaku A. lcd puts( "BMPT" ) ; Zobrazen´ı ˇretˇezce znak˚ u BMPT. lcd command( 0b01000000 ) ; Zápis 1bytové instrukce do LCD displeje. lcd data( 0b00001010 ) ; Zápis 1bytov´ ych dat do LCD displeje. Naprogramujte aplikaci, která vyuˇzije prvn´ıch pˇet funkc´ı z tabulky 6.2. Nezapomˇen ˇte vloˇzit hlaviˇckov´ y soubor knihovny LCD displeje. Knihovny, dostupné ve stejném adresáˇri jako celá aplikace se vkládaj´ı pˇr´ıkazem #include "nazev knihovny". V hlavn´ı funkci aplikace inicializujte LCD displej, bezprostˇrednˇe poté smaˇzte obsah displeje a následnˇe na r˚ uzné pozice vypiˇste libovolné znaky a ˇretˇezce. Funkci ukonˇcete prázdnou nekoneˇcnou smyˇckou. Bod 2. Jiˇz vytvoˇren´ y projekt z pˇredeˇslého bodu rozˇsiˇrte o obsluhu pˇreruˇsen´ı pˇri pˇreteˇcen´ı 16bitového ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce. Toto pˇreruˇsen´ı bude inkrementovat stav 4bitového binárn´ıho ˇc´ıtaˇce (viz. laboratorn´ı u ´loha ˇc. 5). Kromˇe zobrazen´ı stavu ˇc´ıtaˇce pomoc´ı LED diod, zobrazte jeho stav také na LCD displeji. Hodnotu promˇenné je moˇzné zobrazit pomoc´ı kombinace pˇr´ıkaz˚ u sprintf() z knihovny stdio.h a lcd puts(). Konkrétn´ı pouˇzit´ı a syntaxi uveden´ ych pˇr´ıkaz˚ u vám ukáˇze vyuˇcuj´ıc´ı. Bod 3. Dostupná znaková sada LCD displeje je zobrazena v pˇr´ıloze C. Kromˇe tˇechto znak˚ u je moˇzné nadefinovat aˇz osm nov´ ych znak˚ u. Uˇzivatelsky definované znaky jsou v LCD displeji uloˇzeny od adresy 0x00 do 0x07. Tento u ´sek pamˇeti se jmenuje CGRAM (Character Generator RAM). Znaky se definuj´ı v matici 5×8 bod˚ u. Zobrazen´ y pixel bude v této matici obsahovat hodnotu 1, body které maj´ı b´ yt skryty obsahuj´ı 0. Jeden znak je tedy reprezentován osmic´ı slov (jedno slovo na ˇrádek). Pˇr´ıklad novˇe definovaného znaku je znázornˇen na obrázku 6.2. Do podobné matice si postupnˇe znázornˇete dva znaky, které chcete nadefinovat.


4 . 1 . . . 1 . .

3 . . 1 . 1 . . .

2 . . . 1 . . . .

1 . . 1 . 1 . . .

0 . 1 . . . 1 . .

34

data 0b00000 0b10001 0b01010 0b00100 0b01010 0b10001 0b00000 0b00000

Obr´ azek 6.2: Novˇe definovan´ y znak × pro LCD displej Nov´ y znak má smysl uloˇzit do pamˇeti CGRAM na samém zaˇcátku aplikace. K nastaven´ı této adresy vyuˇzijte pˇr´ıkaz lcd command(), jehoˇz argument naleznete v tabulce 6.1. Bezprostˇrednˇe po této instrukci, LCD displej oˇcekává uloˇzen´ı osmi datov´ ych slov popisuj´ıc´ıch samotn´ y znak, tj. osmkrát vyuˇzijte funkci lcd data(). Pro správnou komunikaci je nutné po uloˇzen´ı nového znaku, zavolat funkci smazán´ı obsahu displeje y na adrese 0x00 lze pomoc´ı funkce lcd putc( 0x00 lcd clrscr(). Zobrazit znak, uloˇzen´ ). Bonus. V programu AVR Studio vytvoˇrte nov´ y projekt v jazyce C pro mikrokontrolér ATmega16 a naprogramujte aplikaci pro LCD displej realizuj´ıc´ı listován´ı v menu. K posunu v menu vyuˇzijte dvojice tlaˇc´ıtek. Tˇret´ım tlaˇc´ıtkem potvrzujte v´ ybˇer. Menu m˚ uˇze napˇr. ovládat stav LED diod na v´ yvojové desce.

6.4

Shrnut´ı

Laboratorn´ı u ´loha pˇredstavuje moˇznost propojen´ı LCD displeje s mikrokontrolérem. Pro vzájemnou komunikaci byla pouˇzita 4bitová verze datové komunikace a knihovna funkc´ı pro LCD displej, dostupná na Internetu [13]. Studenti si osvojili volán´ı tˇechto pomocn´ ych funkc´ı, spoleˇcnˇe s moˇznost´ı vytvoˇren´ı nového znaku, kter´ y nen´ı obsaˇzen ve znakové sadˇe LCD displeje.

6.5


Ot´ azka 6.1 Naˇcrtnˇete ˇcasové pr˚ ubˇehy vˇsech datových i ˇr´ıdic´ıch sign´ al˚ u pˇri ˇcten´ı 8bitového slova (napˇr. 0x4c) z LCD displeje do mikrokontroléru. Datov´ a komunikace je nastavena jako 4bitová. Ot´ azka 6.2 V binárn´ı podobˇe zapiˇste matici, reprezentuj´ıc´ı znak A ve znakové sadˇe LCD displeje. Ot´ azka 6.3 Jakým zp˚ usobem je moˇzné vkl´ adat instrukce mikrokontroléru AVR do zdrojového k´ odu v jazyce C?


7

35

Zpracov´ an´ı analogov´ ych sign´ al˚ u

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. Jaká je funkce A/D pˇrevodn´ıku a na ˇcem závis´ı kvantizaˇcn´ı chyba? 2. Jak dlouho trvá jeden A/D pˇrevod mikrokontroléru ATmega16? 3. Jaká je funkce analogového komparátoru? 4. Liˇs´ı se nˇejak následuj´ıc´ı zp˚ usoby vkládan´ı knihovny v jazyce C? #include a #include "nazev knihovny.h".

C´ıle laboratorn´ı u ´ lohy C´ılem laboratorn´ı u ´lohy je pouˇzit´ı dvou bˇeˇzn´ ych intern´ıch periféri´ı mikrokontrolér˚ u ke zpracován´ı analogového signálu. Jedná se o A/D pˇrevodn´ık a analogov´ y komparátor. Studenti si osvoj´ı ovládán´ı tˇechto periféri´ı pomoc´ı pˇr´ısluˇsn´ ych kontroln´ıch registr˚ u. Dalˇs´ım c´ılem u ´lohy je pouˇzit´ı pˇreruˇsen´ı a zobrazen´ı dat na LCD displeji.

7.1

Zad´ an´ı

1. S pomoc´ı datasheetu ATmega16 si pˇripravte potˇrebn´ y obsah ˇr´ıdic´ıch registr˚ u A/D pˇrevodn´ıku. 2. Vytvoˇrte aplikaci s jej´ıˇz pomoc´ı budete schopni zmˇeˇrit hodnotu napˇet´ı na odporu. 3. S pomoc´ı datasheetu si pˇripravte potˇrebn´ y obsah ˇr´ıdic´ıho registru analogového komparátoru. 4. Naprogramujte aplikaci, která bude porovnávat napˇet´ı na tlaˇc´ıtku S4 s vnitˇrn´ım referenˇcn´ım napˇet´ım VBG . Stav signalizujte pomoc´ı LED diody a pomoc´ı LCD displeje.

7.2


Vˇsechna digitáln´ı zaˇr´ızen´ı jsou schopna zpracovávat data pouze v ˇc´ıslicové podobˇe. Vzhledem k situaci, ˇze okoln´ı svˇet je vˇzdy analogov´ y, je potˇreba zpracovávaná data pro mikrokontrolér nejprve pˇrevést. K bˇeˇzné v´ ybavˇe mikrokontrolér˚ u patˇr´ı intern´ı A/D pˇrevodn´ık, ˇci analogov´ y komparátor. Pˇr´ıtomnost tˇechto periféri´ı minimalizuje poˇcet extern´ıch souˇcástek v zapojen´ı ˇr´ıdic´ı aplikace. Právˇe tˇemto periféri´ım je vˇenováno následuj´ıc´ı laboratorn´ı cviˇcen´ı. Vstupn´ı analogov´ y signál m˚ uˇze reprezentovat celou ˇradu veliˇcin: signál od teplotn´ıho, nebo tlakového ˇcidla, u ´roveˇ n akustického signálu, velikost napˇet´ı, apod. A/D pˇrevod (podobnˇe jako D/A) je ve své podstatˇe otázkou proporc´ı, tj. jak velkou hodnotu má vstupn´ı signál vzhledem k maximáln´ımu rozsahu pˇrevodn´ıku. Napˇr´ıklad, pokud má vstupn´ı analogov´ y signál hodnotu 2V a maximáln´ı rozsah pˇrevodn´ıku je 5V, reprezentuje v´ ystupn´ı


36

digitáln´ı hodnota 40% plného rozsahu. Pouˇzijeme-li jiné maximáln´ı (referenˇcn´ı) napˇet´ı, bude v´ ystupn´ı hodnota také odliˇsná i pˇres konstantn´ı napˇet´ı na analogovém vstupu! V´ ystupn´ı signál A/D pˇrevodn´ıku je reprezentován posloupnost´ı bit˚ u. Poˇcet tˇechto bit˚ u specifikuje poˇcet rozliˇsiteln´ ych u ´rovn´ı pˇrevádˇeného signálu. U 8bitového A/D pˇrevodn´ıku je to 256, u 10bitového 1 024 u ´rovn´ı, apod. Obecnˇe je tedy u ´lohou A/D pˇrevodn´ıku pˇrevádˇet napˇet´ı vstupn´ıho analogového signálu na nbitovou digitáln´ı reprezentaci v závislosti na referenˇcn´ım napˇet´ı. Z pˇredchoz´ı u ´vahy plyne rovnice pro vyjádˇren´ı závislosti mezi hodnotou vstupn´ıho napˇet´ı a jej´ı digitáln´ı reprezentac´ı ADCH : L =

VIN · 2n − 1, VREF

(7.1)

kde ADCH : L je digitáln´ı hodnota pˇrevedeného napˇet´ı VIN , VREF pˇredstavuje maximáln´ı hodnotu vstupn´ıho napˇet´ı a n je poˇcet bit˚ u urˇcen´ ych k A/D pˇrevodu. Doba A/D pˇrevodu u ATmega16 je odliˇsná pro prvn´ı pˇrevádˇenou hodnotu a pro vˇsechny následuj´ıc´ı vzorky. U prvn´ıho pˇrevodu je nutné nastavit pouˇzité analogové obvody pˇrevodn´ıku, takˇze pˇrevedená hodnota je k dispozici za 25 cykl˚ u hodinového signálu pro A/D pˇrevodn´ık a za 13 cykl˚ u pro vˇsechny následuj´ıc´ı vzorky. Za pˇredpokladu, ˇze frekvence hodinového signálu A/D pˇrevodn´ıku mus´ı b´ yt v rozmez´ı od 50kHz do 200kHz, je moˇzné dosáhnout rychlosti pˇrevodu aˇz 15,3kSPS (Samples Per Second). A/D pˇrevodn´ık obsaˇzen´ y v ATmega16 je 10bitov´ y. Druhou moˇznost´ı jak z´ıskat digitalizovanou podobu analogového signálu je pouˇzit´ı analogového komparátoru. Analogov´ y komparátor je periférie, která porovnává u ´rovnˇe dvou analogov´ ych signál˚ u. U mikrokontroléru ATmega16 je prvn´ı z nich pˇriveden na neinvertuj´ıc´ı vstup komparátoru AIN0, druh´ y na invertuj´ıc´ı AIN1. Fyzicky se jedná o piny PB2 a PB3. Je-li splnˇena podm´ınka AIN 0 > AIN 1, pak v´ ystup komparátoru vykazuje log. 1. Mikrokontrolér ATmega16 nav´ıc umoˇzn ˇuje nahradit neinvertuj´ıc´ı vstup komparátoru AIN0 vnitˇrn´ım referenˇcn´ım napˇet´ım VBG , jehoˇz typická hodnota je 1,23V. V´ ystupn´ı hodnotu komparátoru, resp. jej´ı zmˇenu, nen´ı nutné neustále kontrolovat. Zda doˇslo k pˇreklopen´ı v´ ystupn´ıho stavu komparátoru je v´ yhodnˇejˇs´ı indikovat pomoc´ı pˇreruˇsen´ı. To lze generovat pˇri zmˇenˇe komparátoru z log. 1 na log. 0 nebo obrácenˇe, pˇr´ıp. pˇri kaˇzdé zmˇenˇe stavu komparátoru. Podrobn´ y popis pouˇzit´ı A/D pˇrevodn´ıku a analogového komparátoru je moˇzné nalézt v datasheetu [5].

7.3


Bod 1. Poˇzadovanou funkci A/D pˇrevodn´ıku (anglicky: Analog to Digital Converter) je nutné nastavit v ˇr´ıdic´ıch registrech ADMUX (ADC Multiplexer Selection Register) a ADCSRA (ADC Control and Status Register A). S pomoc´ı datasheetu [5] si pˇripravte hodnoty obou ˇr´ıdic´ıch registr˚ u. V registru ADMUX nastavte napájec´ı napˇet´ı AVCC jako referenˇcn´ı a jako vstupn´ı kanál pˇrevodn´ıku vyberte ADC0. V kontroln´ım a stavovém registru ADCSRA povolte pouˇzit´ı A/D pˇrevodn´ıku, zahájen´ı A/D pˇrevodu, generaci pˇreruˇsen´ı po jeho dokonˇcen´ı a rychlost s jakou bude A/D pˇrevod prob´ıhat. Nastavte takovou pˇreddˇeliˇcku, aby frekvence odvozeného hodinového signálu byla v rozmez´ı 50kHz aˇz 200kHz. Vypoˇctˇete frekvenci hodinového signálu pro A/D pˇrevodn´ık pro vˇsechny hodnoty pˇreddˇeliˇcky za pˇredpokladu, ˇze frekvence MCU je 16MHz.


37

Bod 2. Naprogramujte aplikaci pro mikrokontrolér ATmega16 v jazyce C, která zmˇeˇr´ı hodnotu napˇet´ı na v´ ystupu odporového dˇeliˇce. Zapojen´ı dˇeliˇce je uvedeno na obr´ azku 7.1. Ke zmˇeˇren´ı u ´rovnˇe analogového napˇet´ı pouˇzijte vnitˇrn´ı 10bitov´ y A/D pˇrevodn´ık mikrokontroléru. Pˇrevedenou hodnotu zobrazte na LCD displeji. Potˇrebné knihovny pro komunikaci s LCD displejem si stáhnˇete ze stránek eLearningu VUT v Brnˇe, nebo pouˇzijte z laboratorn´ıho cviˇcen´ı ˇc. 6. Po vytvoˇren´ı nového projektu v programu AVR Studio do nˇej nezapomeˇ nte vloˇzit zdrojov´ y soubor knihovny lcd c.c (postup je naznaˇcen v uvedeném laboratorn´ım cviˇcen´ı).

Obr´ azek 7.1: Zapojen´ı odporového dˇeliˇce v poli konektor˚ u v´ yvojové desky Vzhledem k situaci, ˇze intern´ı A/D pˇrevodn´ık je osmi kanálov´ y a vyuˇz´ıvá I/O piny PA7(ADC7) aˇz PA0(ADC0) um´ıstˇené na portu A (ke kterému je ovˇsem pˇripojen také LCD displej, kter´ y budeme rovnˇeˇz pouˇz´ıvat, viz. schéma zapojen´ı na obr´ azku A.1), je nutné vyuˇz´ıt jedin´ y voln´ y kanál A/D pˇrevodn´ıku um´ıstˇen´ y na pinu PA0(ADC0). Propojen´ı odporového dˇeliˇce a tohoto vstupu A/D pˇrevodn´ıku je realizováno v poli konektor˚ u KA aˇz KD na v´ yvojové desce. Zkontrolujte správné zapojen´ı dˇeliˇce, ale nemˇen ˇte jej! A/D pˇrevodn´ık budeme vyuˇz´ıvat v tzv. jednoduchém pˇrevodu (reˇzimu), kdy vstupn´ı napˇet´ı jednoho kanálu je vztaˇzeno k zemi. A/D pˇrevodn´ık umoˇzn ˇuje také pˇrevod diferenˇcn´ı hodnoty napˇet´ı dvou vstupn´ıch signál˚ u vˇcetnˇe ˇr´ızen´ı zes´ılen´ı. Tento reˇzim ovˇsem nebudeme vyuˇz´ıvat. Napiˇste obsluhu pˇreruˇsen´ı, která se spust´ı bude-li k dispozici 10bitová digitáln´ı hodnota pˇrevedeného napˇet´ı. Zobrazte tuto hodnotu na LCD displeji. Proved’te ruˇcn´ı v´ ypoˇcet vstupn´ıho napˇet´ı ve voltech a vypoˇctˇete hodnotu neznámého odporu R2. Hodnotu rezistoru R1 vám zdˇel´ı vyuˇcuj´ıc´ı. Pˇrevedená hodnota je uloˇzena ve dvou datov´ ych registrech ADCH:L (ADC Data Register). V jazyce C jsou oba registry sjednocené do jediné 16bitové promˇenné ADCW, kterou m˚ uˇzete v aplikaci vyuˇz´ıt. Bod 3. V datasheetu [5] vyhledejte kapitolu t´ ykaj´ıc´ı se analogového komparátoru (anglicky: Analog Comparator) a pˇripravte si obsah kontroln´ıho a stavového registru ACSR (Analog Comparator Control and Status Register). Pomoc´ı tohoto registru vyberte referenˇcn´ı napˇet´ı (Bandgap reference) m´ısto neinvertuj´ıc´ıho vstupu AIN0 a povolte generován´ı pˇreruˇsen´ı pˇri kaˇzdé zmˇenˇe v´ ystupu komparátoru. Bod 4. V jazyce C naprogramujte aplikaci pro mikrokontrolér ATmega16, která porovnává napˇet´ı na tlaˇc´ıtku S4 s intern´ı referenˇcn´ı hodnotou VBG = 1, 23V . Vyuˇzijte k tomu analogov´ y komparátor mikrokontroléru ATmega16. K invertuj´ıc´ımu vstupu komparátoru AIN1 je pomoc´ı drátové propojky v poli konektor˚ u pˇripojen v´ ystup tlaˇc´ıtka S4. V´ ystupn´ı stav komparátoru indikujte pomoc´ı LED diody a pomoc´ı LCD displeje. In-


38

dikován´ı naprogramujte v rámci obsluhy pˇreruˇsen´ı, která bude generována pˇri kaˇzdé zmˇenˇe v´ ystupn´ı hodnoty komparátoru. Hodnota na v´ ystupu komparátoru je rovnˇeˇz uloˇzena v registru ACSR. K testován´ı pˇr´ısluˇsného bitu vyuˇzijte nˇekteré z funkc´ı uveden´ ych v tabulce B.5.

7.4

Shrnut´ı

Laboratorn´ı u ´loha umoˇznila student˚ um osvojen´ı si práce s perifériemi mikrokontroléru ATmega16 pro zpracován´ı analogového signálu. Jednalo se o 10bitov´ y intern´ı A/D pˇrevodn´ık a analogov´ y komparátor. Obˇe periférie jsou ovládány pomoc´ı kontroln´ıch registr˚ u uloˇzen´ ych v datové pamˇeti SRAM v oblasti I/O registr˚ u. Po absolvován´ı laboratorn´ıho cviˇcen´ı by studenti mˇeli b´ yt schopni nastavit základn´ı pouˇzit´ı obou intern´ıch periféri´ı a ˇr´ıdit tak A/D pˇrevod nebo komparaci dvou signál˚ u, vˇcetnˇe generován´ı pˇr´ısluˇsn´ ych pˇreruˇsen´ı a práce s LCD displejem.

7.5


Ot´ azka 7.1 Jaké minimáln´ı napˇet’ové kroky je schopen rozliˇsit A/D pˇrevodn´ık mikrokontroléru ATmega16 pˇri pouˇzit´ı vnitˇrn´ıho zdroje referenˇcn´ıho napˇet´ı nebo extern´ıho zdroje 5V? Ot´ azka 7.2 Nakreslete typické pˇrevodn´ı charakteristiky kompar´ atoru pro zapojen´ı se zpˇetnou vazbou a bez ni. Ot´ azka 7.3 Jakou hodnotu obsahuje programový ˇc´ıtaˇc pˇri zah´ ajen´ı obsluhy pˇreruˇsen´ı od A/D pˇrevodn´ıku a analogového kompar´ atoru? Které z tˇechto pˇreruˇsen´ı se vykon´ a jako prvn´ı za pˇredpokladu, ˇze oba poˇzadavky pˇriˇsly souˇcasnˇe?


8

39

S´ eriov´ y pˇ renos dat

Test pˇ redchoz´ıch znalost´ı 1. Jak´ y je rozd´ıl mezi synchronn´ı a asynchronn´ı komunikac´ı? Kam patˇr´ı UART? 2. Co je to paritn´ı bit a jak´ ym zp˚ usobem se vypoˇcte? 3. Co to je symbolová rychlost a jak se liˇs´ı od bitové rychlosti?

C´ıle laboratorn´ı u ´ lohy C´ılem této laboratorn´ı u ´lohy je seznámit studenty s ˇr´ızen´ım sériové asynchronn´ı komunikace UART. V laboratoˇr´ıch pouˇz´ıvan´ y mikrokontrolér ATmega16 sice obsahuje jednotku, která umoˇzn ˇuje také synchronn´ı komunikaci USART, ale zadán´ı je kv˚ uli jednoduchosti a snadnˇejˇs´ımu pochopen´ı problematiky koncipováno pouze na vyuˇzit´ı UART.

8.1

Zad´ an´ı

1. Pˇripravte si nastaven´ı ˇr´ıdic´ıch registr˚ u asynchronn´ı jednotky USART mikrokontroléru ATmega16 a sloˇzen´ı asynchronn´ıho rámce. 2. V jazyce C sestavte program pro mikrokontrolér ATmega16, kter´ y bude opakovanˇe vys´ılat jeden datov´ y rámec pomoc´ı jednotky USART. 3. V jazyce C sestavte program, kter´ y bude pˇrepos´ılat pˇrijatá data zpˇet do poˇc´ıtaˇce. Pro oˇsetˇren´ı pˇrijet´ı dat vyuˇzijte pˇreruˇsen´ı. 4. Bonus: Doplˇ nte ˇreˇsen´ı pˇredchoz´ıho bodu o kód, kter´ y umoˇzn´ı pomoc´ı pˇredem definovan´ ych znak˚ u ovládat LED diody na v´ yvojové desce a zobrazovat pˇrijatá dat na LCD displeji.

8.2


Pod oznaˇcen´ım UART (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter) se skr´ yvá integrovan´ y hardware realizuj´ıc´ı sériovou komunikaci s okol´ım. Pro zachován´ı obecnosti pomineme, ˇze mikrokontrolér ATmega16 je vybaven rozhran´ım USART (Universal Synchronous Asynchronous serial Receiver and Transmitter) podporuj´ıc´ı nav´ıc i synchronn´ı komunikaci. Asynchronn´ı komunikace se vyznaˇcuje nestál´ ym zp˚ usobem vys´ılán´ı, tj. data mohou b´ yt po sériové lince vyslána v libovolném okamˇziku. Na rozd´ıl od komunikace synchronn´ı, nen´ı u asynchronn´ıho zp˚ usobu komunikace pˇrenáˇsena informace o synchronizaci. Pˇrij´ımaˇc takového signálu tedy mus´ı b´ yt schopen data správnˇe interpretovat jin´ ym zp˚ usobem. Vyuˇz´ıvá se pˇredem zvolená struktura datového rámce, pomoci nˇehoˇz se data pos´ılaj´ı. Datov´ y asynchronn´ı rámec obsahuje jeden stop bit (vˇzdy log. 0), dále urˇcit´ y poˇcet datov´ ych bit˚ u v poˇrad´ı od LSB k MSB (5 aˇz 9 bit˚ u), voliteln´ y paritn´ı bit pro jednoduché


40

zabezpeˇcen´ı dat (lichá nebo sudá parita) a jeden nebo dva stop bit (log. 1). Znázornˇen´ı takového rámce je uvedeno na obrázku 8.1.

Obr´ azek 8.1: Struktura asynchronn´ıho rámce Aby byl zajiˇstˇen korektn´ı pˇr´ıjem dat na pˇrij´ımac´ı stranˇe, je nutné aby jak vys´ılaˇc, tak i pˇrij´ımaˇc pouˇz´ıvali shodné nastaven´ı rámce. Nav´ıc je nutné, aby symbolová rychlost vys´ılaˇce byla shodná se symbolovou rychlost´ı pˇrij´ımaˇce. Symbolové rychlosti se nastavuj´ı v pevnˇe dan´ ych intervalech, pˇriˇcemˇz bˇeˇzné jsou tyto hodnoty: 600, 1 200, 2 400, 4 800, 9 600, 14 400, 19 200, 28 800, 38 400, . . ., 256 000Bd. Konkrétn´ı hodnotu symbolové rychlosti je potˇreba pˇrepoˇc´ıtat s ohledem na ˇr´ıdic´ı frekvenci fCP U a uloˇzit do registru UBRRH:L (USART Baud Rate Registers). Jedná se o registrov´ y pár, jehoˇz hodnota je dána následuj´ıc´ım vztahem U BRRH : L =

fCP U − 1, 16 · SR

(8.1)

kde SR je poˇzadovaná hodnota symbolové rychlosti v Bd. V pˇr´ıpadˇe, ˇze zvolená symbolová rychlost je vˇetˇs´ı neˇz 2 400 a frekvence fCP U = 16M Hz, pak staˇc´ı naplnit pouze niˇzˇs´ı registr UBRRL. Jednotka UART mikrokontroléru ATmega16 umoˇzn ˇuje pracovat v tzv. normáln´ım reˇzimu (Normal mode) a v reˇzimu s dvojnásobnou pˇrenosovou rychlost´ı (Double Speed mode). V této laboratorn´ı u ´loze budeme pouˇz´ıvat pouze prvn´ı z reˇzim˚ u. Kromˇe ˇr´ıdic´ıho registru pro nastaven´ı symbolové rychlosti, obsahuje asynchronn´ı jednotka jeˇstˇe tˇri odliˇsné ˇr´ıdic´ı registry a jeden datov´ y. Datov´ y registr UDR (USART I/O Data Register) slouˇz´ı jak pro pˇrij´ımaˇc, tak i pro vys´ılaˇc sériov´ ych dat. Data, která chceme vyslat tak staˇc´ı pouze zapsat do tohoto registru a UART jednotka jiˇz vykoná vˇse potˇrebné. Na druhé stranˇe, po dokonˇcen´ı pˇr´ıjmu je datové slovo uloˇzeno právˇe v registru UDR. Informace o chybˇe bˇehem pˇrenosu, pˇr´ıp. o tom ˇze pˇrenos byl dokonˇcen je moˇzné vyˇc´ıst z ˇr´ıdic´ıho registru UCSRA (USART Control and Status Register A). Zaj´ımav´ y je bit UDRE (USART Data Register Empty), kter´ y informuje zda je datov´ y registr vys´ılaˇce jiˇz prázdn´ y a je tak moˇzné vyslat dalˇs´ı data. Zapnut´ı vys´ılaˇce a pˇrij´ımaˇce jednotky USART, povolen´ı generován´ı pˇreruˇsen´ı pˇri ukonˇcen´ı vys´ılán´ı a pˇr´ıjmu asynchronn´ıho rámce se nastavuje v registru UCSRB (USART Control and Status Register B). Posledn´ı ˇr´ıdic´ı registr UCSRC (USART Control and Status Register C) obsahuje specifikaci struktury asynchronn´ıho rámce, tj. poˇcet datov´ ych bit˚ u, volbu parity i poˇctet stop bit˚ u. Asynchronn´ı pˇrij´ımaˇc RxD a vys´ılaˇc TxD je u mikrokontroléru ATmega16 vyveden na pinech PD0 a PD1. Tyto vodiˇce jsou pˇres pˇrevodn´ık u ´rovn´ı a pˇres konektor na v´ yvojové desce pˇripojeny se sériov´ ym rozhran´ım osobn´ıho poˇc´ıtaˇce.


8.3

41


Bod 1. Vypoˇctˇete hodnoty UBRRH:L, které specifikuj´ı 3 vámi zvolené symbolové rychlosti jednotky USART. Pro jednoduchost uvaˇzujte symbolové rychlosti vˇetˇs´ı neˇz 2 400Bd. V datasheetu mikrokontroléru ATmega16 [5] vyhledejte popis ˇr´ıdic´ıch registr˚ u jednotky USART a pˇripravte si potˇrebné hodnoty pro správnou funkci vys´ılaˇce. V registru UCSRB proto zapnˇete vys´ılaˇc USART a v registru UCSRC nastavte vámi zvolenou strukturu asynchronn´ıho rámce. Parametry vyb´ırejte podle moˇznost´ı programu Terminal [15] (viz. obr´ azek 8.2), pomoci nˇehoˇz budete komunikovat se sériov´ ym portem poˇc´ıtaˇce, tj. s mikrokontrolérem ATmega16. Podle poˇctu datov´ ych bit˚ u v rámci si zvolte datové slovo, které budete cht´ıt vyslat. Nakreslete ˇcasov´ y pr˚ ubˇeh celého asynchronn´ıho rámce s tˇemito daty podle obrázku 8.1.

Obr´ azek 8.2: Aplikace Terminal pro ovládán´ı sériového portu poˇc´ıtaˇce

Bod 2. Vytvoˇrte nov´ y projekt v programu AVR Studio a pro mikrokontrolér ATmega16 naprogramujte v jazyce C aplikaci, která bude schopna opakovanˇe vys´ılat jeden asynchronn´ı rámec pomoc´ı jednotky USART. Vyuˇzijte k tomu nastaven´ı ˇr´ıdic´ıch registr˚ u z pˇredchoz´ıho bodu. Nastavte poˇzadovanou rychlost komunikace (vyberte si pouze jednu) a vys´ılaˇc zapnˇete. V nekoneˇcné smyˇcce pak vys´ılejte vámi zvolenou datovou posloupnost. K vyslán´ı staˇc´ı zapsat posloupnost do datového registru UDR. Pˇred samotn´ ym zápisem, ale ˇcekejte na vyprázdnˇen´ı vys´ılac´ıho registru (viz. bit UDRE v registru UCSRA). T´ım bude zajiˇstˇeno, ˇze nedojde ke ztrátˇe jediného rámce. K testován´ı tohoto bitu vyuˇzijte nˇekteré z funkc´ı v tabulce B.5. Na osciloskopu, kter´ y je pˇripojen na vys´ılac´ı pin jednotky USART, tj. na PD1 ovˇeˇrte tvar celého asynchronn´ıho rámce a zmˇeˇrte skuteˇcnou bitovou rychlost. Bod 3. Vytvoˇrte nov´ y projekt v prostˇred´ı AVR Studio a pro mikrokontrolér ATmega16 naprogramujte v jazyce C aplikaci, která bude pˇrij´ımat sériová data z poˇc´ıtaˇce pomoc´ı


42

jednotky USART a následnˇe je bude pˇrepos´ılat zpˇet. Pˇr´ıjem znaku realizujte jako obsluhu pˇreruˇsen´ı pˇrij´ımaˇce USART. Parametr funkce ISR, kter´ y identifikuje zdroj pˇreruˇsen´ı naleznete v tabulce 5.1. Nezapomeˇ nte pˇridat do zdrojového kódu veˇskeré náleˇzitosti, které s pˇreruˇsen´ım souvis´ı. K nastaven´ı ˇr´ıdic´ıch registr˚ u jednotky USART z pˇredchoz´ıho bodu jen pˇridejte povolen´ı pˇreruˇsen´ı pˇri pˇr´ıjmu a zapnut´ı pˇrij´ımaˇce v registru UCSRB. Obsluha pˇreruˇsen´ı necht’ naˇcte obsah pˇrijat´ ych dat z datového registru UDR, opˇetovn´ ym zapsán´ım dat do tohoto registru iniciujete následné vyslán´ı. Pˇri vys´ılán´ı opˇet nejprve ˇcekejte na uvolnˇen´ı datového registru vys´ılaˇce jako v pˇredeˇslém bodˇe. Správnou funkci aplikace ovˇeˇr´ıte vys´ılán´ım dat z programu Terminal. Zde by se mˇely v pˇrij´ımac´ı ˇcásti bezprostˇrednˇe zobrazovat stejná data, která byla vyslána. Nezapomeˇ nte v programu Terminal nastavit shodn´ y formát asynchronn´ıho rámce, symbolovou rychlost a zahájit komunikaci tlaˇc´ıtkem Connect. Pˇri sériové komunikaci neuvaˇzujte ˇzádné ˇr´ızen´ı toku, tj. Handshaking v programu Terminal nezap´ınejte. Bonus. Doplˇ nte obsluhu pˇreruˇsen´ı z pˇredeˇslého bodu o podm´ınky, pomoc´ı nichˇz budete testovat hodnotu pˇrijatého slova. Pomoc´ı ˇc´ıslic 1 aˇz 4 napˇr´ıklad negujte stav LED diod D1 aˇz D4. Pˇridejte do projektu také knihovnu pro práci s LCD displejem. Zobrazujte na nˇem pˇrijatá data a v pˇr´ıpadˇe pˇr´ıjmu ASCII kódu klávesy Esc, vymaˇzte jeho obsah.

8.4

Shrnut´ı

Laboratorn´ı u ´loha umoˇznila student˚ um otestovat obousmˇernou asynchronn´ı komunikaci mezi mikrokontrolérem ATmega16 a PC pomoc´ı jednotky UART. Studenti si osvojili dovednosti potˇrebné k ˇr´ızen´ı jednotky UART pomoc´ı kontroln´ıch registr˚ u, k odes´ılán´ı i pˇr´ıjmu znak˚ u pˇres UART a pomoc´ı osciloskopu si ovˇeˇrili strukturu asynchronn´ıho rámce.

8.5


Ot´ azka 8.1 Jakým zp˚ usobem vyhodnot´ı asynchronn´ı pˇrij´ımaˇc vyslan´ a data 0b1 0100, byl-li zvolen pˇrenos bez zabezpeˇcen´ı, 1 stop bit, ale symbolov´ a rychlost pˇrij´ımaˇce byla nastavena na 9 600Bd, zat´ımco rychlost vys´ılaˇce byla poloviˇcn´ı? Ot´ azka 8.2 Zjistˇete (vypoˇctˇete) jakou nejvyˇsˇs´ı pˇrenosovou rychlost lze z´ıskat s mikrokontrolérem taktovaným na 1MHz. Ot´ azka 8.3 Jaká bude struktura asynchronn´ıho r´ amce v pˇr´ıpadˇe, ˇze kontroln´ı registr UCSRC obsahuje slovo 0b1011 1010?


A

V´ yvojov´ a deska ATmega16

Obr´ azek A.1: Zapojen´ı v´ yvojové desky ATmega16

43


B

44

Z´ akladn´ı popis jazyka C

Jazyk C obsahuje nˇekolik tzv. rezervovan´ ych slov, které nelze pouˇz´ıt k jinému u ´ˇcelu, neˇz k jakému byly urˇceny. Nelze je tedy pouˇz´ıt jako názvy promˇenn´ ych ˇci funkc´ı. Nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı rezervovaná slova jsou následuj´ıc´ı: for, return, switch, case, if, else, while, char, int, float, unsigned, void. Zdrojov´ y kód v jazyce C se skládá v´ yhradnˇe z tzv. funkc´ı. Funkce je specifikována sv´ ym názvem, kter´ y se skládá ze znak˚ u anglické abecedy, ˇc´ıslic a podtrˇz´ıtka. Funkce m˚ uˇze obsahovat libovolné parametry (vstupn´ı promˇenné), a m˚ uˇze také vracet hodnotu libovolného typu. Nemá-li funkce vstupn´ı parametry, pˇr´ıp. v´ yslednou hodnotu uˇz´ıvá se k tomu oznaˇcen´ı void. Tˇelo celé funkce je ohraniˇceno párem sloˇzen´ ych závorek. Kaˇzdá aplikace mus´ı obsahovat hlavn´ı funkci s názvem main. Tato funkce vrac´ı hodnotu typu int a zpravidla nemá ˇzádn´ y vstupn´ı parametr. Jestliˇze pˇr´ıkaz, pomoci nˇehoˇz funkce vrac´ı hodnotu má název return, vypadá tˇelo funkce main následuj´ıc´ım zp˚ usobem. int main( void ) { ; return 1 ; }

B.1

// tˇ elo hlavn´ ı funkce // funkce vrac´ ı hodnotu 1

Promˇ enn´ e a operandy

ˇ ıselné hodnoty lze v jazyce C uchovávat pomoc´ı promˇenn´ C´ ych. Promˇenné se dˇel´ı na globáln´ı, které se definuj´ı vnˇe jakékoliv funkce (zpravidla na zaˇcátku zdrojového kódu) a lze je pouˇz´ıt v kterémkoliv m´ıstˇe programu a na lokáln´ı. Lokáln´ı promˇenné se definuj´ı uvnitˇr funkce, pro kterou jsou urˇceny. Pro promˇennou je vyˇclenˇen pamˇet’ov´ y prostor pˇri volán´ı funkce a po návratu z n´ı je opˇet uvolnˇen. Z toho plyne, ˇze lokáln´ı promˇennou lze pouˇz´ıt pouze uvnitˇr dané funkce. Kaˇzdá promˇenná je charakterizována sv´ ym názvem a vyjadˇruje hodnotu podle zvoleného typu. Nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı typy promˇenn´ ych jsou znázornˇeny v tabulce B.1, spoleˇcnˇe s poˇctem bit˚ u a odpov´ıdaj´ıc´ım ˇc´ıseln´ ym rozsahem. Pˇri deklaraci promˇenné ji lze bezprostˇrednˇe naplnit zvolenou hodnotou. Následuj´ıc´ı pˇr´ıklad ukazuje deklaraci promˇenné i, která je typu neznaménkového 16bitového celého ˇc´ısla unsigned int a je rovna hodnotˇe 10. unsigned int i = 10 ;

V´ yˇcet aritmerick´ ych operac´ı a jejich symbolick´ y zápis v jazyce C obsahuje tabulka B.2. V jazyce C se ˇcasto pouˇz´ıvá zkrácen´ y zápis aritmerick´ ych operac´ı. Lze ho vyuˇz´ıt v pˇr´ıpadˇe, kdy do promˇenné, která figuruje v operaci jako prvn´ı argument, je posléze uloˇzen také v´ ysledek celé operace. Zápis a += 3 tak napˇr. zkracuje rovnici a = a + 3, nebo d /= a popisuje operaci d = d / a, apod. Za zkrácenou formu zápisu lze také povaˇzovat operace inkrementace a dekrementace, kdy napˇr. b++ odpov´ıdá zápisu b += 1, nebo b = b + 1. Tabulka B.3 obsahuje soupis bitov´ ych a logick´ ych operac´ı v jazyce C. Také u bitov´ ych a logick´ ych operac´ı lze vyuˇz´ıt zkráceného zápisu operace. Napˇr. a |= 3 pˇredstavuje v´ yraz a = a | 3, tj. logickou souˇcet hodnoty 3 s promˇennou a, nebo zápis ve tvaru d = 2 zkracuje formu zápisu bitového posuvu doleva d = d 2.


45

Tabulka B.1: Nˇekteré typy a rozsahy hodnot promˇenn´ ych Typ Velikost [b] char 8 unsigned char 8 signed char 8 int 16 unsigned int 16 float 32

Rozsah −128 aˇz 127 0 aˇz 255 −128 aˇz 127 −32 768 aˇz 32 767 0 aˇz 65 535 ±1, 175 · 10−38 aˇz ±3, 402 · 1038

Tabulka B.2: Aritmetické operace Operace Operand Násoben´ı * Dˇelen´ı / Dˇelen´ı modulo % Sˇc´ıtán´ı + Odeˇc´ıtán´ı Inkrementace ++ Dekrementace -Tabulka B.3: Bitové a logické operace Operace Operand Jednotkov´ y doplnˇek ∼ Bitov´ y posuv doleva Bitov´ y posuv doprava Logick´ y souˇcin AND & Logick´ y souˇcet OR | Exkluzivn´ı souˇcet EX-OR ∧

B.2

Syntaxe podm´ınky

Podm´ınka slouˇz´ı k vˇetven´ı programu, tj. k situaci, kdy je ˇcást kódu vykonána pouze v pˇr´ıpadˇe pravdivé podm´ınky. Podm´ınky lze tvoˇrit pomoc´ı relaˇcn´ıch operand˚ u, které jsou uvedeny v tabulce B.4. Syntaxe jednoduché podm´ınky vyuˇz´ıvá pˇr´ıkazu if a je znázornˇena v následuj´ıc´ı ukázce. V tomto pˇr´ıpadˇe se ˇcást kódu uzavˇrená sloˇzen´ ymi závorkami vykoná pouze v pˇr´ıpadˇe, ˇze hodnota promˇenné a je rovna konstantˇe N. if( a == N ) { ; }

Druh´ y ˇcast´ y zp˚ usob zápisu podm´ınky je pomoc´ı kombinace rezervovan´ ych slov switch a case. Vyuˇz´ıvá se v pˇr´ıpadˇe, ˇze promˇenná m˚ uˇze nab´ yvat nˇekolika málo hodnot. V


46

Tabulka B.4: Relaˇcn´ı operandy Operace Je roven Je r˚ uzn´ y od Menˇs´ı neˇz Menˇs´ı nebo roven Vˇetˇs´ı neˇz Vˇetˇs´ı nebo roven

Operand == != < <= > >=

následuj´ıc´ım pˇr´ıpadˇe je testována hodnota promˇenné b, která m˚ uˇze b´ yt rovna 0, 1 nebo libovolnému jinému ˇc´ıslu. switch( b ) { case 0: ; case 1: ; default: ; }

B.3

Syntaxe cyklu

Jist´ ym druhem podm´ınky je také kaˇzd´ y cyklus. Cyklus se nejˇcastˇeji programuje pˇr´ıkazem for, kter´ y vykoná dan´ y kód s urˇcit´ ym opakován´ım. Následuj´ıc´ı pˇr´ıklad ilustruje cyklus, kter´ y probˇehne právˇe N×. for( i=0; i
Druh´ ym ˇcast´ ym zp˚ usobem opakovaného v´ ykonu programu je smyˇcka ˇr´ızena pˇr´ıkazem while, která opakuje kód dokud je splnˇena podm´ınka. V naˇsem pˇr´ıpadˇe je to podm´ınka dokud hodnota promˇenné a je r˚ uzná od nuly. while( a!=0 ) { ; }

Kaˇzd´ y kód pro ˇc´ıslicové systémy obsahuje nekoneˇcnou smyˇcku, která neustále vykonává stejnou posloupnost operac´ı. Zpravidla se jedná o periodické naˇc´ıtán´ı data ze vstupn´ıch zaˇr´ızen´ı, jejich následné zpracován´ı a pˇr´ıpadné vyslán´ı na v´ ystupn´ı zaˇr´ızen´ı. Existuj´ı dva jednoduché postupy jak naprogramovat nekoneˇcnou smyˇcku v jazyce C. Oba jsou uvedeny v následuj´ıc´ım zdrojovém kódu.


47

while( 1 ) { ; } for( ;; ) { ; }

V pˇr´ıpadˇe, ˇze aplikace vyuˇz´ıvá pˇreruˇsen´ı je ˇcasté, ˇze nekoneˇcná smyˇcka neobsahuje ˇzádné dalˇs´ı pˇr´ıkazy. Veˇskeré zpracován´ı je pak provádˇeno jen v rámci obsluˇzn´ ych funkc´ı jednotliv´ ych pˇreruˇsen´ı. Pˇredeˇsl´ y zdrojov´ y kód se pak jeˇstˇe zjednoduˇs´ı. while( 1 ) ; for( ;; ) ;

B.4

Specifika pˇ rekladaˇ ce GCC a knihovny avr-libc

Pˇrekladaˇc jazyka C, kter´ y je pouˇzit v laboratoˇri Mikroprocesorové techniky, tj. GCC vyuˇz´ıvá také speciáln´ı knihovnu s názvem avr-libc, která obsahuje nˇekteré funkce neobsaˇzené ve standardu ANCI C. Nejˇcastˇeji pouˇz´ıvané funkce jsou uvedeny v tabulce B.5 a lze je vyuˇz´ıt pro zjednoduˇsen´ı programován´ı mikrokontrolér˚ u AVR. Podrobnˇejˇs´ı informace lze nalézt v popisu pouˇz´ıvané knihovny [11]. Tabulka B.5: Speciáln´ı funkce pro mikrokontroléry AVR Operace Obsluha extern´ıho pˇreruˇsen´ı Testován´ı bitu I/O registru

GCC, avr-libc ISR( INT0 vect ) if( bit is set( registr,bit )) if( bit is clear( registr,bit )) Cyklus s testován´ım bitu loop until bit is set( registr,bit ) loop until bit is clear( registr,bit ) Vloˇzen´ı instrukce do jazyka C asm( "sei" ) ;


C

Znakov´ a sada LCD displeje

Obr´ azek C.1: Znaková sada LCD displeje (obrázek pˇrevzat z [12])

48


49

Reference [1] Atmel Corporation. Oficiáln´ı stránka firmy Atmel. [online]. 2007 - [cit. 26. záˇr´ı 2007]. Dostupné na WWW: http://www.atmel.com/ [2] Ván ˇa, V. Mikrokontroléry Atmel AVR, popis procesor˚ u a instrukˇcn´ı soubor. Ben, technická literatura, Praha, 2003. 335 stran. ISBN 80-7300-083-0. [3] Gadre, V. Programming and Customizing the AVR Microcontroller. McGraw-Hill, New York (USA), 2001. 339 stran. ISBN 0-07-134666-X. [4] Atmel Corporation. STK500. [online]. 2007 - [cit. 15. ˇr´ıjna 2007]. Dostupné na WWW: http://www.atmel.com/dyn/products/tools_card.asp?tool_id=2735 [5] Atmel Corporation. 8-bit Microcontroller ATmega16. [online]. 2007 - [cit. 29. listopadu 2007]. Dostupné na WWW: http://www.atmel.com/dyn/resources/ prod_documents/doc2466.pdf [6] Atmel Corporation. 8-bit AVR Instruction Set. [online]. 2005 - [cit. 18. ˇr´ıjna 2007]. Dostupné na WWW: http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/ doc0856.pdf [7] Atmel Corporation. AVRISP mkII In-System Programmer. [online]. 2007 - [cit. 26. záˇr´ı 2007]. Dostupné na WWW: http://www.atmel.com/dyn/products/tools_ card.asp?tool_id=3808 [8] Open Standards. International standard ISO/IEC 9899:1999. [online]. 2000 - [cit. 9. listopadu 2007]. Dostupné na WWW: http://www.open-std.org/jtc1/sc22/ wg14/www/docs/n1124.pdf [9] GNU Project. GCC, the GNU Compiler Collection. [online]. 2007 - [cit. 9. listopadu 2007]. Dostupné na WWW: http://gcc.gnu.org/ [10] WinAVR. WinAVR home page. [online]. 2007 - [cit. 9. listopadu 2007]. Dostupné na WWW: http://winavr.sourceforge.net/ [11] C library for use with GCC on AVR. AVR Libc Home Page. [online]. 2007 - [cit. 9. listopadu 2007]. Dostupné na WWW: http://www.nongnu.org/avr-libc/ [12] Doveda Boys. Znakové LCD displeje - procesory PIC. [online]. 2007 - [cit. 6. ˇr´ıjna 2007]. Dostupné na WWW: http://www.cmail.cz/doveda/lcd/index.htm [13] Fleury, P. LCD Library for HD44870 based LCD’s. [online]. 2007 - [cit. 6. ˇr´ıjna 2007]. Dostupné na WWW: http://homepage.hispeed.ch/peterfleury/avr-software. html [14] Hitachi, Ltd. Oficiáln´ı stránky firmy Hitachi. [online]. 2007 - [cit. 6. ˇr´ıjna 2007]. Dostupné na WWW: http://www.hitachi.com/


50

[15] HW server. Program Terminal pro komunikaci pˇres RS232. [online]. 2007 - [cit. 29. listopadu 2007]. Dostupné na WWW: http://rs232.hw.cz/#Terminal

1 3MikroprocesorovЁў technika

Recommend Documents