Методическое обеспечение комплекса для выполнения лабораторных и практических работ по дисциплине «Разработка баз данных и программного обеспечения»

Набор работ, рассматриваемый ниже, позволяет провести цикл лабораторных работ и практических занятий по дисциплине «Разработка баз данных и программного обеспечения». Набор включает в себя 3 работы, рассматриваемые ниже.

Лабораторная работа № 1.

Разработка и отладка программ в среде AVR Studio 4.

Изучение системы команд микроконтроллеров семейства AVR.

Цель работы: Получение навыков работы с отладчиком AVR Studio 4 и изучение основ программирования микроконтроллеров.

Краткие теоретические сведения Установка и запуск AVR Studio. Установка данного пакета производиться по самой простой и традиционной схеме. Щелкните на установочный файл aStudio4b460 и нажимайте пока не появится надпись «Finish».

После этого в меню «Пуск» появится наименование пакета Atmel AVR tools AVR Studio 4.

Запуск AVR Studio производится посредством последовательной нажатии на Atmel AVR tools AVR Studio 4.

После запуска AVR Studio 4 предлагает создать или открыть созданный раннее проект. Для создания нового проекта необходимо нажать на Сreate New Project (рис. 3.1). В результате на экране появляется диалоговое окно (рис. 3.2), в котором необходимо ввести название проекта (Project name), имя .asm файла и его расположение (Location). Опция Сreate Initial File позволяет создавать файл инициализации, а Сreate Folder создает отдельную папку для каждого проекта с его именем.

Рис. 3.1. Окно создания нового проекта

Далее, при нажатии кнопки Next появляется окно (рис. 3.3), где предлагается выбрать платформу отладки и устройство (Select debug platform and device).

Рис. 3.3. Окно выбора платформы отладки и устройства (МК)

В данном случае указываем в качестве платформы ARV Simulator, выбираем то или иное устройство, к примеру, ATmega8535, после нажатия кнопки Finish на экране появиться окно организации проекта (рис. 3.4), показывающее все рабочие окна проекта и готовое для ввода и отладки программы.

Рис. 3.4 Окно редактирования программы на языке ассемблера

Для демонстрации процесса отладки введем следующую программу:

include «m8535def.inc» .

ldi r16, low (RAMEND).

out SPL, r16.

ldi r16, high (RAMEND).

out SPH, r16.

ser r16.

out DDRB, r16.

pp:

out PORTB, r16.

inc r16.

rjmp pp.

Программа представляет собой простой счетчик, реализованный на регистре r16, значение которого в цикле увеличивается и выводится в порт В. Директива. include включает в начало программы файл m8535def.inc. Щелкнув правой кнопкой мыши по строчке .include «m8535def.inc» и выбрав в раскрывшемся меню поле Open Document: m8535def. inc можно посмотреть содержимое файла m8535def.inc. В нем содержатся объявления констант для удобного обращения к регистрам и отдельным битам по именам, вместо номеров. При трансляции программы имена регистров заменяются на их адреса, например, команда out PORTB, r16 заменяется на out $ 18, r16. Далее происходит инициализация стека. Инициализация стека нужна для правильной работы подпрограмм и прерываний. RAMEND — это константа определенная в файле m8535def. inc, равная адресу конца памяти SRAM. Это значение лучше всего подходит для установки адреса указателя стека. Директива low извлекает младший байт адреса RAMEND и он сохраняется в регистре SPL, а с помощью директивы high старший байт RAMEND сохраняется в регистре SPH. Команда ser r16 устанавливает в единицы все разряды регистра r16, который затем загружается в порт DDRB, задавая режим работы всех разрядов порта В на вывод. Команда out PORTB, r16 производит запись содержимого регистра (значение счетчика) r16 в порт. Далее происходит наращивание значения счетчика (регистра r16) на единицу в каждом цикле (inc r16). После выполнения команды безусловного перехода rjm pp, программа переходит на метку рр и цикл повторяется.

Рабочее окно Workspace позволяет увидеть все связанные с проектом файлы. Слева находится само рабочее поле, где пишется сама программа на языке ассемблер. Перед трансляцией нужно задать установки проекта. В пункте меню Project выбирается Assembler Options, и в открывшемся окне установок проекта указывается необходимый формат выходного файла. AVR Studio поддерживает следующие выходные форматы:

• · Intel Intellec 8/MDS (Intel Hex)
• · Motorola S-Record
• · Generic

Большинство программаторов в качестве входных используют файлы в формате Intel Hex, выбираем его. В опции AVR Assembler указывается версия ассемблера (по умолчанию Version 2). В пунктах Additional include path и Additional Parameters указываются дополнительные пути для вложения файлов и дополнительные параметры. После того как, произведены установки проекта, приступают к написанию программы и ее дальнейшей трансляции, и проверка правильности её написания. В окне Output содержит сообщения ассемблера. В это окно выводится информация о количестве слов кода и данных, о наличии ошибок, и другая информация (рис. 3.5).

Рис. 3.5 Вид окно сообщений ассемблера

Для локализации ошибок трансляции в случае их наличия можно в окне сообщений ассемблера установить курсор мыши на сообщение об ошибке и два раза щелкнуть левой кнопкой мыши. При этом в окне редактирования исходного текста программы курсор будет установлен на строку, вызвавшую сообщение об ошибке, и эта строка будет выделена цветом или указан курсором (рис. 3.6).

Рис. 3.6 Вид окна сообщений ассемблера при наличии ошибки

В результате трансляции создается выходной файл в указанном формате. Если исходный ассемблерный текст содержал сегмент энергонезависимых данных (объявленный директивой .eseg), то при трансляции будет создан также файл с расширением .eep. Этот файл содержит данные для внутренней EEPROM микроконтроллера и имеет тот же формат, что и выходной файл. Если в результате трансляции не выдается сообщений об ошибках, можно приступать к отладке проекта.

Режимы работы отладчика Как уже говорилось, AVR Studio4 позволяет производить отладку приложений с использованием встроенного программного симулятора или внешнего внутрисхемного эмулятора. Когда пользователь запускает AVR Studio4, программа проверяет наличие эмулятора на одном из последовательных портов компьютера. Если эмулятор найден, то выбирается как базовая система отладки. Если эмулятор не найден, то отладка будет выполняться на встроенном программном симуляторе AVR. Внутрисхемный эмулятор позволяет производить отладку приложения на реальной целевой плате. Следует помнить, что в режиме реального времени эмулятор работает существенно быстрее, чем программный симулятор.

Отметим еще раз, что независимо режима работы отладчика, интерфейс AVR Studio 4 не меняется. При переключении между различными режимами отладки все параметры среды сохраняются. Информация о текущем режиме отладчика выводится в строке состояния AVR Studio4.

Отладка проекта при помощи программного симулятора Перед запуском программы ее сначала надо скомпоновать, нажав на кнопку F7, или выбрав в меню Project->Build или нажав на кнопку панели инструментов. В окне output (рис. 3.7) должно появиться сообщение о том, что компоновка завершилась без ошибок.

Рис. 3.7 Экран AVR Studio4 в режиме отладки

Для начала отладки нужно нажать на кнопку Start Debugging. При этом появится желтая стрелка (рис. 3.7.), которая указывает на команду, которая будет выполнена следующей. Программа находится в режиме пошагового выполнения. Для выполнения следующей команды надо нажать кнопку F10 («Step Over») или F11 («Step Into»). Разница между ними в том, что F10 выполняет всю подпрограмму как одну команду, а F11 «проникает» внутрь нее и выполняет все команды по отдельности.

Пользователь может выполнять программу полностью в пошаговом режиме, трассируя блоки функций, или выполняя программу до того места, где стоит курсор.

С помощью команд пошагового режима можно проследить изменения значений в регистрах устройств ввода/вывода, памяти и регистрового файла. К команде шагового режима относится также Auto Step. Помимо шагового режима, возможна отладка программы с использованием точек останова (Breakpoints). Командой Run в пункте пункт меню Debug запускается исполнение программы. Программа будет выполняться до остановки пользователем или до обнаружения точки останова. Для установки точки останова в AVR Studio4 служит пункт меню Debug -> Toggle Breakpoint. Точка останова ставится в строке, отмеченной курсором (рис. 3.8).

Рис. 3.8 Точка останова в окне исходного текста программы в режиме отладки

Красная отметка в левом поле окна исходного текста программы показывает установленную точку останова.

В процессе отладки также можно выбрать пункт меню Debug -> Run To Cursor. При выборе этого пункта исполняемый код будет выполняется до достижения команды, обозначенной курсором. Если команда, обозначенная курсором, не достигается, отладчик продолжает исполнять код программы до тех пор, пока исполнение не будет прервано пользователем. Поскольку режим Run To Cursor зависит от позиции курсора, он доступен только при активном окне исходного текста. Для остановки исполнения программы пользователем служит команда Stop Debugging в меню Debug. В состоянии останова эта команда недоступна. Пункт меню Debug -> Reset выполняет сброс микроконтроллера. Если программа при этом выполняется, то ее исполнение будет остановлено. После сброса информация во всех окнах модифицируется. Для наблюдения за работой программы можно открыть несколько окон, отображающих состояние различных узлов микроконтроллера. Окна открываются нажатием соответствующих кнопок на панели инструментов или при выборе соответствующего пункта меню View.

Регистровый файл микроконтроллера AVR отображается в окне Registers (рис. 3.9). Если в процессе выполнения программы в очередном цикле значение какого-либо регистра изменится, то этот регистр будет выделен красным цветом. При этом, если в следующем цикле значение регистра останется прежним, то цветовое выделение будет снято. Такое же цветовое выделение реализовано в окнах устройств ввода/вывода, памяти и переменных.

Рис. 3.9 Окно состояния регистрового файла

Состояние встроенных периферийных устройств микроконтроллера отображено в окне Workspace в кладке I/O (рис. 3.10).

Рис. 3.10 Окно состояния устройств ввода-вывода

В этом окне отражаются все функциональные блоки микроконтроллера. Любой блок может быть раскрыт нажатием на его значок. При раскрытии блока в окне отражаются адреса и состояния всех его регистров и отдельных, доступных для модификации, битов (рис. 3.11).

Рис. 3.11 Развернутый порт PORTВ в окне устройств ввода/вывода

Каждый доступный для модификации бит может быть установлен или сброшен как программой по ходу ее исполнения, так и пользователем вручную (указав курсором мыши, нужный бит и щелкнув левой кнопкой мыши пользователь может изменить значение бита на обратное) — в режиме программной симуляции это является способом имитации входного воздействия на микроконтроллер.

Для индикации состояния программного счетчика, указателя стека, содержимого регистра статуса SREG и индексных регистров X, Y и Z в процессе отладки программы можно в окне Workspace нажать на вкладку Processor (рис. 3.12).

Рис. 3.12 Состояния процессорного ядра

В этом же окне отображается текущее время выполнения программы и тактовая частота ядра микроконтроллера.

Просмотр ячеек памяти программ, памяти данных, EEPROM и регистров портов ввода/вывода в ходе исполнения программы возможно также с помощью диалогового окна Memory. Падающее меню диалогового окна позволяет выбрать один из пяти массивов ячеек памяти: Data, IO, Eeprom, Program Memory, Register. Для одновременного просмотра нескольких областей окно Memory может быть открыто несколько раз. Информация в диалоговом окне может быть представлена в виде байтов или в виде слов в шестнадцатеричной системе счисления, а также в виде ASСII — символов (рис. 3.13).

Рис. 3.13 Окно просмотра содержимого памяти

Для внесения изменений в программу в процессе отладки необходимо редактировать её исходный текст. При попытке запуска симулятора на исполнение программы после редактирования на экране появляется окно, сообщающее об изменении программы и необходимости её компиляции. Для сохранения проекта необходимо воспользоваться пунктом меню Project -> Close. При закрытии проекта сохраняются все его настройки. Во время следующей загрузки настройки будут автоматически восстановлены.

Индивидуальные задания к выполнению лабораторной работы № 1.

• 1. Разработать алгоритм и программу для определения всех чисел >b из массива A (10), расположенных в ОЗУ. Результат записать в РВ с интервалом 1с.
• 2. Разработать алгоритм и программу для определения суммы пяти 2-х байтных чисел, расположенных в ОЗУ. Результат записать в РD (ст. байт) и РС (мл. байт) с интервалом 1с., если флажок С=0, иначе сохранить в ОЗУ.
• 3. Разработать алгоритм и программу для определения суммы двух 32 разрядных чисел, расположенных в ОЗУ. Результат побайтно записать в РА с интервалом 0,5с.
• 4. Разработать алгоритм и программу для подсчета количества единиц в 8 разрядном слове порта В. Результат записать в РС, если D0=1, иначе в РА.
• 5. Разработать алгоритм и программу для программной реализации 8 разрядного распределителя импульсов (порт РА) с программно изменяемой скоростью (Порт РВ).
• 6. Разработать алгоритм и программу для реализации 8 разрядного двоичного счетчика (Порт РС). Режим суммирование при РВ0=1, режим вычитание при РА0=1.
• 7. Разработать алгоритм и программу для определения суммы нечетных чисел из массива А (10). Результат записать в РА, если D7=1, иначе в РС.
• 8. Разработать алгоритм и программу для реализации следующих логических условий. Если РВ (0−7)>11 или РС (0−7)>22 или РА=1, то записать в РD число 0 °F, иначе число F0.
• 9. Разработать алгоритм и программу для реализации следующих логических условий. Если РВ (0−7)>11 или РС (0−7)>22 и РА=1, то записать в РD число 0 °F, иначе число F0.
• 10. Разработать алгоритм и программу для реализации следующих логических условий. Если РA (0−7)22 или РB=1, то записать в РD число 33, иначе число 55.
• 11. Разработать алгоритм и программу для реализации следующих логических условий. Если РС0=1 или РС1=0 и РС7=1, то записать в РА число АА, иначе в РВ число 55.
• 12. Разработать алгоритм и программу для реализации следующих логических условий. Если РВ0=0 и РС1=1 или РС7=0, то записать в РD число А0, иначе в РA число 50.
• 13. Разработать алгоритм и программу для программной реализации следующих логических условий. Если РВ (0−7)=11 или РС (0−7)=22 или РА=0, то записать в РD число 0 °F, иначе число F0.
• 14. Разработать алгоритм и программу для программной реализации следующих логических условий. Если РС0=0 и РС1=0 и РС7=0, то записать в РА число 88, иначе в РВ число 55.
• 15. Разработать алгоритм и программу для определения суммы массивов 1 байтных чисел A (5) и В (5), расположенных в различных областях ОЗУ. Результат сохранить в ОЗУ.

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 1.

• 1. В какой последовательности создается новый проект в отладчике AVR Studio 4?
• 2. Что с собой представляет проект, созданный в отладчике AVR Studio 4? Какие файлы содержит проект?
• 3. Перечислите функциональные возможности отладчика AVR Studio 4.
• 4. Каким образом производится запись данных в ОЗУ, EEPROM в AVR симуляторе (Simulator)?
• 5. Каким образом можно вводить данные по параллельным портам МК в AVR симуляторе?
• 6. Перечислите режимы работы симулятора при выполнении программы.
• 7. В каких случаях используются точки останова и как их определить?
• 8. В каких режимах может выполняется программа в AVR симуляторе? Перечислите их.
• 9. Приведите команды обращения к внешним устройствам.
• 10. Как производится запись данных в регистры общего назначения (РОН)? Приведите примеры команд обращения к РОН.
• 11. Как регистры общего назначения могут быть использованы в качестве указателя памяти? Перечислите их.
• 12. Приведите команды обращения к ОЗУ.
• 13. Какие способы адресации данных используются в МК семейства AVR? Перечислите их. Приведите примеры обращения к ОЗУ.

Лабораторная работа № 2.

Подсистема ввода аналоговых сигналов микроконтроллера.

Цель работы. Изучение принципов работы АЦП. Получение навыков разработки и отладки программ управления АЦП и обработки данных.

Краткие теоретические сведения.

ATmega8535 содержит 10-разрядный АЦП последовательного приближения. АЦП связан с 8-канальным аналоговым мультиплексором, 8 однополярных входов которого связаны с линиями порта A.

Источник опорного напряжения (ИОН) для АЦП (V_ИОН) определяет диапазон преобразования АЦП. Если уровень однополярного сигнала свыше V_ИОН, то результатом преобразования будет 0x3FF. В качестве V_ИОН могут выступать AVCC, внутренний ИОН 2,56 В или внешний ИОН, подключенный к выв. AREF. AVCC подключается к АЦП через пассивный ключ. Внутреннее опорное напряжение 2,56 В генерируется внутренним эталонным источником VBG, буферизованного внутренним усилителем. В любом случае внешний вывод AREF связан непосредственно с АЦП и, поэтому, можно снизить влияние шумов на опорный источник за счет подключения конденсатора между выводом AREF и общим. Напряжение V_ИОН также может быть измерено на выводе AREF высокоомным вольтметром. Обратите внимание, что V_ИОН является высокоомным источником и, поэтому, внешне к нему может быть подключена только емкостная нагрузка.

Регистр управления мультиплексором АЦПADMUX

• -D7,D6-REFS1,0. Биты выбора источника опорного напряжения
• 00-AREF, внутренний V_ИОН отключен
• 01-AVCC с внешним конденсатором на выводе AREF
• 10-Зарезервировано
• 11-Внутренний источник опорного напряжения 2.56 В с внешним конденсатором на выводе AREF
• -D 5-ADLAR. Бит управления представлением результата преобразования. Бит ADLAR влияет на представление результата преобразования в паре регистров результата преобразования АЦП. Если ADLAR=1, то результат преобразования будет иметь левосторонний формат, в противном случае — правосторонний.
• -D4-D0-MUX4:0. Биты выбора аналогового канала и коэффициента усиления (более подробно см. раздел ХХХХ).

Регистр управления и статуса АЦП — ADCSRA

• -D7-ADEN: Разрешение работы АЦП.
• -D6 — ADSC. Запуск преобразования АЦП.
• -D5 — ADFR. Выбор режима автоматического перезапуска АЦП
• -D4 — ADIF. Флаг прерывания АЦП. Данный флаг устанавливается после завершения преобразования АЦП и обновления регистров данных. Если установлены биты ADIE и I (регистр SREG), то происходит прерывание по завершении преобразования.
• -D3-ADIE. Разрешение прерывания АЦП 11 001 111
• -D2-D0 — ADPS2:0: Биты управления предделителем АЦП. Данные биты определяют на какое значение тактовая частота ЦПУ будет отличаться от частоты входной синхронизации АЦП (более подробно см. раздел 2.7).

Пример программы разработки программы управления АЦП

Аналоговый сигналпо входу ADC0/PA0.

Считывание результата преобразования из регистров данных АЦП и запись их в PCпо сигналу «Запрос прерывания».

Разрядность результата преобразования -8. ИОНвнешний AREF.

.include «m8535def.inc» .

;———————————————————————————————;

;настройка векторов прерывания.

.cseg.

.org 0×000.

rjmp RESET ;прерывание после сброса.

.org $ 00e.

;прерывание при окончании преобразования.

rjmp AD_CONV.

Reset:

;———————————————————————————————;

;Инициализация стека.

ldi r16, low (RAMEND) ;загрузить в r16 младший байт.

;RAMEND.

out SPL, r16 ;вывести значение r16 в SPL.

ldi r31, high (RAMEND) ;загрузить в r16 старший байт.

;RAMEND.

out SPH, r16 ;вывести значение r16 в SPH.

;———————————————————————————————;

;Инициализация АЦП.

sei ;устанавливаем флаг разрешения прерываний.

ldi r16,0xсf ;разрешение работы.

out adcsr, r16 ;разрешение прерывания и старт.

clr r16 ;сбрасываем все биты в r16.

out admux, r16 ;выбор 0 канала АЦП (порт PA0).

;и параметр усиления.

ser r16 ;устанавливаем все биты в r16.

out ddrc, r16 ;настройка PORTC на вывод.

;———————————————————————————————;

;цикл ожидания.

loop:

nop.

nop.

rjmp loop.

;———————————————————————————————;

;подпрограмма обслуживания АЦП.

AD_CONV:

sei ;устанавливаем флаг разрешения прерываний.

in r16, adch ;загрузка байта результата в регистр r16.

out portc, r16 ;вывод содержимого r16 в PORTC.

ldi r16,0xсf ;разрешение работы.

out adcsr, r16 ;разрешение прерывания и старт.

reti ;возврат Индивидуальные задания к выполнению лабораторной работы № 2.

• (Время преобразования и источник опорного напряжения выбрать самостоятельно)
• 1. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 6-му каналу в режиме приоритетного прерывания. Разрядность результата -10. Результат записать в PORTC и PORTD.
• 2. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 3-му каналу в режиме приоритетного прерывания. Разрядность результата -10. Если результат четное число, то записать в PORTC и PORTD, иначе в ОЗУ
• 3. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 3-му каналу в режиме приоритетного прерывания. Разрядность результата -8. Если результат четное число, то записать в PORTC, иначе в ОЗУ
• 4. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 7-му каналу в режиме опроса флажка готовности АЦП. Разрядность результата -8. Если результат четное число, то записать в PORTC, иначе в ОЗУ
• 5. Разработать программу определения среднего арифметического значения аналоговых сигналов на 6 и 7 входах. Чтение результата по сигналу запрос прерывания. Разрядность результатов -10. Результат сохранить в ОЗУ.
• 6. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 3-му каналу в режиме приоритетного прерывания. Разрядность результата -10. Если результат больше заданного числа X, то записать в PORTC и PORTD, иначе в ОЗУ
• 7. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 1-му каналу в 8-ми разрядном формате. Результат записать в PORTD при PB0=1, иначе в PORTС.
• 8. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 0-му каналу, если PВ7=0 иначе по 1-му каналу. Данные, в 8-ми разрядном формате, выводить в PORTС.
• 9. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 1-му каналу если PВ7=0 и РВ6=1 иначе по 0-му каналу. Данные, в 10-ти разрядном формате, выводить в PORTC и PORTD.
• 10. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 0-му каналу c выводом в PORTB и 1-му каналу с выводом в PORTD. Данные, в 8-ми разрядном формате.
• 11. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 0-му каналу в 8-ми разрядном формате. Данные выводить в PORTC 10 раз с интервалом 5с.
• 12. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 0-му каналу в 8-ми разрядном формате. Данные выводить с регулируемым интервалом в PORTB. Временной интервал регулировать по порту С.

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 2.

• 1. Назначение подсистемы аналогового ввода сигналов (подсистемы АЦП) и примеры использования подсистемы.
• 2. Основные характеристик подсистемы аналогового ввода сигналов.
• 3. Форматы регистров ADMUX, ADSCR, их назначение и описание битов.
• 4. Программирование подсистемы аналогового ввода сигналов, привести пример настройки АЦП на преобразование сигнала.
• 5. Назначение источника опорного напряжения (ИОН), виды ИОН. Как выбрать ИОН.
• 6. Регистры данных АЦП ADCH/ADCL и форматы преставление данных. Привести пример считывания содержимого регистра данных АЦП.
• 7. Вектор прерывания АЦП и его назначение.
• 8. В чем отличие работы подсистемы аналогового ввода в режиме приоритетного прерывания и в режиме опроса флажка готовности АЦП?
• 9. От чего зависит точность преобразования АЦП?

Лабораторная работа № 3.

Основы программирования микроконтроллеров.

Цель работы: изучение назначения и особенностей архитектуры однокристальных микроконтроллеров; ознакомление с архитектурой и программной моделью AVR-микроконтроллеров; изучение этапов разработки ПО для встраиваемых микропроцессоров; приобретение навыков работы в среде AVR Studio.

Краткие теоретические сведения Микроконтроллеры составляют наиболее широкий класс микропроцессоров, используемых в приборах, устройствах и системах различного назначения. Микроконтроллер — это специализированный микропроцессор, предназначенный для построения устройств управления техническими объектами и технологическими процессами. Конструктивно микроконтроллер представляет собой большую интегральную схему (БИС), на кристалле которой размещены все составные части типовой вычислительной системы: микропроцессор, память, а также периферийные устройства для реализации дополнительных функций.

Так как все элементы микроконтроллера размещены на одном кристалле, их также называют однокристальными (однокорпусными) микроЭВМ или однокристальными микроконтроллерами. Цель применения микроконтроллеров — сокращение числа компонентов, уменьшение размеров и снижение стоимости приборов (систем).

Как правило, микроконтроллеры имеют RISC-архитектуру (RISC — Reduced Instruction Set Computer — вычислитель с сокращённым набором команд), незначительную ёмкость памяти, физическое и логическое разделение памяти программ и памяти данных, ориентированную на задачи управления систему команд. Таким образом, микроконтроллеры предназначены для решения задач управления, контроля, регулирования и первичной обработки информации и менее эффективны при реализации сложных алгоритмов обработки данных.

В состав типовой микроконтроллерной системы управления входит микроконтроллер и аппаратура его сопряжения с ОУ (рис. 3.14).

Рис. 3.14 Типовая структура системы управления на основе микроконтроллера:

ФСУ — формирователи сигналов управления; ИУ — исполнительные устройства; Д — датчики; ФСС — формирователи сигналов состояния Микроконтроллер производит периодический опрос сигналов состояния объекта и в соответствии с заложенным алгоритмом генерирует последовательности сигналов управления. Сигналы состояния характеризуют текущие параметры объекта управления. Они формируются путём преобразования выходных сигналов датчиков (Д) с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) или формирователей сигналов состояния (ФСС); последние чаще всего выполняют функции гальванической развязки и формирования уровней. Сигналы управления, выработанные микроконтроллером, подвергаются преобразованию с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) или формирователей сигналов управления (ФСУ), в качестве которых применяются усилители мощности, оптроны, транзисторные и тиристорные ключи и др. Выходные сигналы ЦАП и ФСУ представляют собой соответственно аналоговые и дискретные управляющие воздействия, которые поступают на исполнительные устройства (ИУ). В системе могут быть также предусмотрены панель управления, устройство индикации и интерфейс для обмена информацией с внешними устройствами. В зависимости от назначения и характеристик конкретной системы некоторые из указанных элементов могут отсутствовать.

Разрядность выпускаемых микроконтроллеров варьируется от 4 до 64 бит. Наибольшее распространение получили 8-разрядные микроконтроллеры как пригодные для использования в различных приложениях и имеющие низкую стоимость. Характерными представителями таких устройств являются микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel.

AVR-микроконтроллеры — это 8-разрядные RISC-микроконтроллеры, отличительными особенностями которых являются наличие FLASH-памяти программ, широкий спектр периферийных устройств, высокая вычислительная производительность, а также доступность средств разработки программного обеспечения.

Универсальные AVR-микроконтроллеры входят в группы Tiny AVR и Mega AVR. Tiny AVR (ATtinyXХX) — дешёвые устройства с небольшим количеством выводов. Mega AVR (ATmegaXХX) — мощные AVR-микро-контроллеры, имеющие наибольшие объёмы памяти и количество выводов, а также максимально полный набор периферийных устройств.

Специализированные AVR-микроконтроллеры представлены группами LCD AVR (ATmega169, ATmega329) — микроконтроллеры для работы с жидкокристаллическими индикаторами; USB AVR (AT43USBXХX, AT76C711) микроконтроллеры с интерфейсом USB; DVD AVR (AT78CXХX) — контроллеры CD/DVD-приводов; RF AVR (AT86RFХХХ) — микроконтроллеры для построения систем беспроводной связи; Secure AVR (AT90SCXХХX, AT97SCXХХX) — микроконтроллеры для смарт-карт; FPGA AVR (AT94KXХAL) — AVR-микро-контроллеры, выполненные на одном кристалле с ПЛИС. Кроме того, ранее выпускалась группа Classic AVR (AT90SXXХX) — устройства, занимающие промежуточное положение между микроконтроллерами групп Mega и Tiny (заменены совместимыми усовершенствованными аналогами группы Mega).

Архитектура AVR-микроконтроллеров. AVR-микроконтроллеры содержат на кристалле следующие аппаратные средства: 8-разрядное процессорное ядро, память программ, оперативную память данных, энергонезависимую память данных, регистры ввода-вывода, схему прерываний, схему программирования, а также периферийные устройства (рис. 3.15).

Рис. 3.15 Архитектура микроконтроллеров семейства AVR

Процессорное ядро (Central Processing Unit — CPU) AVR-микроконтроллеров содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры общего назначения (РОН), программный счётчик, указатель стека, регистр состояния, регистр команд, дешифратор команд, схему управления выполнением команд.

В АЛУ выполняются все вычислительные операции. Операции производятся только над содержимым РОН. На выборку содержимого регистров, выполнение операции и запись результата обратно в РОН затрачивается один машинный такт (один период тактовой частоты).

Регистры общего назначения представляют собой 8-разрядные ячейки памяти с быстрым доступом, непосредственно доступные АЛУ. В AVR-микро-контроллерах имеется 32 РОН.

Программный счётчик (Program Counter — PC) содержит адрес следующей выполняемой команды.

Указатель стека (Stack Pointer — SP) служит для хранения адреса вершины стека.

Регистр состояния (Status Register — SREG) содержит слово состояния процессора.

Регистр команд, дешифратор команд и схема управления выполнением команд обеспечивают выборку из памяти программ команды, адрес которой содержится в программном счётчике, её декодирование, определение способа доступа к указанным в команде аргументам и собственно выполнение команды. Для ускорения выполнения команд используется механизм конвейеризации, который заключается в том, что во время исполнения текущей команды программный код следующей выбирается из памяти и декодируется.

Память AVR-микроконтроллеров организована по схеме гарвардского типа — адресные пространства памяти программ и памяти данных разделены.

Память программ представляет собой перепрограммируемое ПЗУ типа FLASH и выполнена в виде последовательности 16-разрядных ячеек, так как большинство команд AVR-микроконтроллера являются 16-разрядными словами. Гарантируется не менее 10 000 циклов перезаписи. Память программ имеет размер от 2 до 256 Kбайт (от 1 до 128 Kслов).

Оперативная память данных представляет собой статическое ОЗУ.

(SRAM — Static Random-Access Memory) и организована как последовательность 8-разрядных ячеек. Оперативная память данных может быть внутренней (до 16 Kбайт) и внешней (до 64 Кбайт).

Энергонезависимая (nonvolatile) память данных организована как последовательность 8-разрядных ячеек и представляет собой перепрограммируемое ПЗУ с электрическим стиранием (РПЗУ-ЭС, или EEPROM — Electrically Erasable Programmable Read-only Memory). Энергонезависимая память данных имеет размер до 64 Кбайт.

Регистры ввода-вывода предназначены для управления процессорным ядром и периферийными устройствами AVR-микроконтроллера.

Схема прерываний обеспечивает возможность асинхронного прерывания процесса выполнения программы при определённых условиях.

К периферийным устройствам AVR-микроконтроллера относятся порты ввода-вывода, таймеры, счётчики, сторожевой таймер, аналоговый компаратор, аналого-цифровой преобразователь, универсальный асинхронный (синхронно-асинхроный) приёмопередатчик — УАПП (УСАПП), последовательный периферийный интерфейс SPI, интерфейс JTAG и др. Набором периферийных устройств определяются функциональные возможности микроконтроллера.

Обмен информацией между устройствами AVR-микроконтроллера осуществляется посредством внутренней 8-разрядной шины данных.

Программная модель AVR-микроконтроллеров. Программная модель микропроцессора представляет собой совокупность программно доступных ресурсов. В программную модель микроконтроллеров семейства AVR входят РОН, регистры ввода-вывода, память программ, оперативная память данных и энергонезависимая память данных (рис. 3.16).

РОН (R0…R31) могут использоваться в программе для хранения данных, адресов, констант и другой информации. Шесть старших регистров объединены попарно и составляют три 16-разрядных регистра Х [R27:R26], Y [R29:R28] и Z [R31:R30] (рис. 3.17).

Рис. 3.16 Программная модель AVR-микроконтроллеров

РОН, регистры ввода-вывода и оперативная память данных образуют единое адресное пространство. Адресное пространство — это множество доступных ячеек памяти, различимых по адресам; адресом называется число, однозначно идентифицирующее ячейку памяти (регистр). Адреса ячеек памяти традиционно записываются в шестнадцатеричной системе счисления, на что указывает знак $ в обозначении адреса.

Существует две конфигурации единого адресного пространства памяти AVR-микроконтроллеров. В конфигурации, А младшие 32 адреса ($ 0000…

$ 001F) соответствуют РОН, следующие 64 адреса ($ 0020…$ 005F) занимают регистры ввода-вывода, внутренняя оперативная память данных начинается с адреса $ 0060. В конфигурации В начиная с адреса $ 0060 размещаются 160 дополнительных регистров ввода-вывода; внутренняя оперативная память данных начинается с адреса $ 0100. Конфигурация, А используется в младших моделях микроконтроллеров и в некоторых старших моделях в режиме совместимости с моделями, снятыми с производства; конфигурация В — в старших моделях.

В память программ, кроме собственно программы, могут быть записаны постоянные данные, которые не изменяются в процессе работы микропроцессорной системы (константы, таблицы линеаризации датчиков и т. п.). Выполнение программы при включении питания или после сброса микроконтроллера начинается с команды, находящейся по адресу $ 0000 (т. е. в первой ячейке) памяти программ.

Энергонезависимая память данных предназначена для хранения информации, которая может изменяться непосредственно в процессе работы микропроцессорной системы (калибровочные коэффициенты, конфигурационные параметры и т. п.). Энергонезависимая память данных имеет отдельное адресное пространство и может быть считана и записана программным путём.

Система команд AVR-микроконтроллеров. Система команд (instruction set) микропроцессора представляет собой совокупность выполняемых микропроцессором операций и правил их кодирования в программе. Система команд AVR-микроконтроллеров включает команды (инструкции) арифметических и логических операций, команды ветвления, управляющие последовательностью выполнения программы, команды передачи данных и команды операций с битами. Всего в систему команд входит более 130 инструкций. Младшие модели микроконтроллеров не поддерживают некоторых из них.

Система команд AVR-микроконтроллеров приведена в приложении 1.

Программирование микроконтроллеров. Процесс разработки прикладного ПО устройств на основе однокристальных микроконтроллеров включает следующие этапы (рис. 3.18):

разработки алгоритма и структуры программы;

написания исходного текста программы;

получения выполняемой программы;

тестирования и отладки программы;

получения загрузочной программы.

Рис. 3.18 Последовательность разработки ПО для микроконтроллеров

На этапе разработки алгоритма и структуры программы выбирается метод решения задачи и разрабатывается алгоритм его реализации. Алгоритм — это набор правил или описание последовательности операций для решения определённой задачи или достижения некоторой цели. Графическим изображением алгоритма является схема алгоритма (flowchart), выполняемая в соответствии с ГОСТ 19.701−90 «Единая система программной документации. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения».

На этапе написания исходного текста программы разработанный алгоритм записывается в виде программы на исходном языке (ассемблере или языке высокого уровня).

Языком ассемблера называется язык программирования, в котором каждой команде процессора или совокупности команд процессора соответствует сокращённая символическая запись (мнемоника). Использование символического обозначения команд, а также адресов регистров и ячеек памяти, переменных, констант и других элементов программы существенно облегчает процесс составления программ по сравнению с программированием на уровне машинных кодов. Символические обозначения элементов обычно отражают их содержательный смысл. Язык ассемблера обеспечивает возможность доступа ко всем ресурсам программируемого микропроцессора (микроконтроллера) и позволяет создавать программы, эффективные как по быстродействию, так и по объёму занимаемой памяти. В этой связи программирование на языке ассемблера предполагает знание архитектуры и свойств микропроцессора, т. е. всего того, что входит в понятие «программная модель». Языки ассемблера различаются для разных типов микропроцессоров, т. е. являются машинно-ориентированными. В ряде ассемблеров допускается оформление повторяющейся последовательности команд как одной макрокоманды (макроса), такие ассемблеры называют макроассемблерами.

Языки высокого уровня (С, Паскаль, Бейсик и др.), как и ассемблер, обеспечивают доступ ко всем ресурсам микроконтроллера, но вместе с тем дают возможность создавать хорошо структурированные программы, снимают с программиста заботу о распределении памяти и содержат большой набор библиотечных функций для выполнения стандартных операций.

На этапе получения выполняемой программы исходный текст программы с помощью специальных средств (трансляторов, компиляторов, компоновщиков и др.) преобразуется в исполняемый код. Транслятором (translator) называют программу, служащую для перевода (трансляции) программ на языке ассемблера в машинный код, «понимаемый» процессором. Компилятор (compiler) представляет собой программу, преобразующую в эквивалентный машинный код текст программы на языке высокого уровня. Результатом работы транслятора или компилятора может быть как выполняемый загрузочный модуль, так и объектный модуль (программа, команды, переменные и константы которой не «привязаны» к конкретным адресам ячеек памяти). Для построения выполняемой программы из объектных модулей применяется компоновщик (редактор связей, linker). В процессе получения выполняемой программы из исходного текста программы устраняются синтаксические ошибки, состоящие в нарушении правил синтаксиса используемого языка программирования.

На этапе тестирования и отладки программы производится поиск, локализация и устранение в ней логических ошибок. Тестирование служит для обнаружения в программе ошибок и выполняется с использованием некоторого набора тестовых данных. Тестовые данные должны обеспечивать проверку всех ветвей алгоритма. При тестировании программы могут подвергаться проверке также некоторые показатели системы, связанные с программой (например, объём кодов и данных). После тестирования программа должна быть подвергнута отладке (debug), задачей которой является локализация ошибки, т. е. нахождение места в программе, вызывающего ошибку.

Тестирование и отладка программы могут привести (и, как правило, приводят) к необходимости возврата к ранним этапам процесса разработки программы для устранения ошибок в постановке задачи, разработке алгоритма, написании исходного текста и т. д. Таким образом, процесс разработки программы, как и весь процесс проектирования, является итерационным.

На этапе получения загрузочной программы производится «освобождение» программы от лишних фрагментов, использовавшихся для тестирования и отладки. Эти фрагменты увеличивают объём программы и не нужны при нормальном функционировании микропроцессорной системы. Далее полученная загрузочная программа заносится в память микроконтроллера.

По завершении процесса разработки производится документирование, т. е. составление комплекта документов, необходимых для эксплуатации и сопровождения программы. Сопровождение программы (program maintenance) — это процесс внесения изменений, исправления оставшихся ошибок и проведения консультаций по программе, находящейся в эксплуатации. Виды программных документов регламентированы ГОСТ 19.101−77 «Единая система программной документации. Виды программ и программных документов».

Разработка ПО для встраиваемых микропроцессоров производится на персональном компьютере с использованием специальных программных и аппаратных средств. Такой способ создания ПО носит название кросс-разработки. Совокупность аппаратных и программных средств, применяемых для разработки и отладки ПО, объединяют общим наименованием средства поддержки разработки. В настоящем лабораторном практикуме процесс разработки ПО изучается на примере языка ассемблера AVR-микроконтроллеров. Создание исходного текста программы, трансляция и отладка выполняются в интегрированной среде разработки (Integrated Development Environment — IDE) AVR Studio4.

Работа в среде AVR Studio4. В состав среды AVR Studio4 входит редактор исходных текстов, транслятор с языка ассемблера, отладчик и симулятор.

Транслятор работает с исходными программами на языке ассемблера, содержащими метки, директивы, команды и комментарии. Метка представляет собой символическое обозначение адреса (последовательность символов, заканчивающаяся двоеточием). Метки используются для указания места в программе, в которое передается управление при переходах, а также для задания имён переменных. Директивы являются инструкциями для транслятора и не заносятся в исполняемый код программы (список директив приведён в приложении 3). Директивы могут иметь один или несколько параметров. Команды записываются в программе в виде мнемонического обозначения выполняемой операции и могут иметь один или несколько операндов, т. е. аргументов, с которыми они вызываются. Транслятор позволяет указывать операнды в различных системах счисления: десятичной (по умолчанию, например, 15, 154), шестнадцатеричной (префикс 0х или $, например, 0x0f, $ 0f, 0x9a, $ 9a), восьмеричной (префикс — нуль, например, 017, 0232) и двоичной (префикс 0b, например, 0b00001111, 0b10011010). Строка программы должна быть не длиннее 120 символов и может иметь одну из четырёх форм:

[метка:] .директива [параметры] [;Комментарий]

[метка:] команда [операнды] [;Комментарий]

[;Комментарий]

[Пустая строка]

Позиции в квадратных скобках необязательны. Текст после точки с запятой и до конца строки является комментарием и транслятором игнорируется. Включение в текст программы комментариев является признаком хорошего стиля программирования и облегчает её сопровождение. Кроме того, улучшению читаемости также способствует форматирование текста программы. При программировании на ассемблере выполнение этих правил особенно важно, так как программы на языке ассемблера неудобочитаемы.

Указать тип микроконтроллера, для которого транслируется программа, позволяет директива .device, например:

.device ATmega8535; программа для микроконтроллера ATmega8535.

При наличии в программе команд, не поддерживаемых указанным в директиве микроконтроллером, транслятор выдаёт соответствующее предупреждение.

Входным для транслятора является файл .asm с текстом программы на языке ассемблера. Транслятор создаёт четыре новых файла: файл листинга (.lst), объектный файл (.obj), файл-прошивку памяти программ (.hex) и файл-прошивку энергонезависимой памяти данных (.eep).

Файл листинга — это отчёт транслятора о своей работе. На рис. 6 приведена часть листинга трансляции программы, в которой числа 2, 5 и 19 заносятся соответственно в регистры R17, R18 и R19; вычисляются произведение и сумма содержимого регистров R17 и R18; из суммы содержимого регистров R17 и R18 вычитается содержимое регистра R19. Листинг содержит исходный текст транслируемой программы, каждой команде которой поставлены в соответствие машинные коды (правый столбец чисел) и адреса ячеек памяти программ, в которых они будут размещены (левый столбец чисел). Машинные коды и адреса приводятся в шестнадцатеричной системе счисления. Например, строка листинга с командой ADD содержит следующую информацию: 0f12 — машинный код команды; 4 — адрес размещения данной команды в памяти программ.

Объектный файл имеет специальный формат и используется для отладки программы с помощью симулятора-отладчика среды AVR Studio. Файл прошивки памяти программ служит для занесения отлаженной программы в память программ микроконтроллера. Файл прошивки EEPROM-памяти данных предназначен для загрузки информации в энергонезависимую память данных. Операции загрузки памяти программ и энергонезависимой памяти данных выполняются с помощью специальных аппаратных средств (программаторов).

Индивидуальные задания к выполнению лабораторной работы № 3.

Составить программу вычисления произведения и суммы двух чисел А и В, находящихся в РОН. Из суммы А и В вычесть число С. За основу взять программу, приведённую на рис. 3.19. Числа изменить в соответствии с заданным вариантом (табл. 3.1). В начало программы поместить директиву .device для микроконтроллера ATmega8535 (здесь и далее предполагается использование микроконтроллера ATmega8535). В комментариях указать фамилию и номер группы.

Таблица 3.1.

Выполнить разработку программы в среде AVR Studio4, проделав следующие операции.

• 1. Создать новый проект, воспользовавшись командой New Project меню Project. В появившемся диалоговом окне в поле Project Name ввести имя создаваемого проекта без расширения (информация о проекте сохраняется в файле с расширением .aps). В поле Location указать место размещения файлов проекта на диске (путь); в поле Project type выбрать пункт AVR Assembler (исходные тексты программ разрабатываются на языке ассемблера). Для создания файла исходной программы установить флажок Create initial File. Задать имя файла программы, отличающееся от имени проекта, можно в поле Initial File (расширение .asm файлов программ на ассемблере устанавливается автоматически). Создание каталога для хранения файлов проекта обеспечивается установкой флажка Create Folder. Рекомендуется каждый проект размещать в отдельном каталоге. Нажать кнопку «Next».
• 2. В группе Select debug platform and device в поле Debug Platform указать способ отладки создаваемого проекта — AVR Simulator (симулятор-отладчик), в поле Device выбрать тип микроконтроллера, для которого создаётся программа (ATmega8535). Нажать кнопку «Finish». На экране появится дерево иерархии проекта (окно Workspace, закладка Project) и окно редактора исходных текстов программ.

Если при создании проекта не был установлен флажок Create initial file, создать файл исходного текста программы можно командой New File меню File.

• 3. Ввести и отредактировать текст программы. Сохранить файл, воспользовавшись командой Save меню File. Если файл с исходным текстом программы уже существует, его можно включить в проект командой Add existing File меню Project или контекстного меню окна иерархии проекта при выделенной группе Assembler.
• 4. Провести трансляцию созданной программы, воспользовавшись командой Build and run меню Project (или сочетанием клавиш Ctrl+F7 на клавиатуре). Перед трансляцией убедиться, что установлен флажок List file в диалоговом окне AVR Assembler, вызов которого осуществляется командой AVR Assembler Setup меню Project (это необходимо для создания листинга трансляции). По окончании трансляции в окне Output на закладке Build появится информация о результатах трансляции. Открыть файл листинга можно из дерева иерархии проекта (окно Workspace, закладка Project). После этого с помощью команды Save Project меню Project сохранить изменения в файле проекта.

Дополнительное задание: ознакомиться с техническим описанием микроконтроллера ATmega8535 «ATmega8535 Data Sheet» фирмы Atmel.

Примечания: 1. Создаваемые файлы следует размещать ТОЛЬКО в каталогах, специально выделенных для этого администратором дисплейного класса.

• 2. Некоторые команды программы AVR Studio доступны из панели инструментов.
• 3. Распечатку программ и листингов трансляции обеспечивает команда Print меню File, предварительный просмотр — команда Print Preview меню File, настройку параметров печати — команда Print Setup меню File.

Содержание отчета Отчёт должен содержать: титульный лист с указанием номера и названия лабораторной работы, номера группы и фамилий выполнивших работу; цель работы; схему программной модели AVR-микроконтроллера; перечень этапов разработки прикладного ПО для встраиваемых МП (МК); распечатку листинга трансляции созданной программы с расшифровкой одной из строк.

Контрольные вопросы Назначение однокристальных микроконтроллеров.

Особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров.

Архитектура и программная модель AVR-микроконтроллеров.

Этапы разработки ПО для встраиваемых микропроцессоров.

Формат строки программы на ассемблере для AVR-микроконтроллеров.

Состав листинга трансляции.