MODERNIZACE VÝUKOVÝCH MATERIÁLŮ A DIDAKTICKÝCH METOD - CZ.1.07/2.2.00/15.0463 MIKROPROCESOROVÁ TECHNIKA LEKCE 1 Ing. Daniel Zuth, Ph.D. 2012
ÚVODNÍ HODINA DO PŘEDMĚTU MIKROPROCESOROVÁ TECHNIKA OBSAH Úvod Von Neumannova architektura Harvardská architektura Definice Mikrokontrolérů Mikrokontroléry řady Mega Vlastnosti mikrokontroléru Vlastnosti kitu Programovací jazyky Výhody použitého mikrokontroléru ATmega128 Využití mikrokotrolérů Literatura MOTIVACE Mikrokontroléry jsou často nasazovány do procesů automatizačního řízení díky své spolehlivosti a jednoduchosti. V úvodní hodině je nutné ujasnit si pojmy s této oblasti a vysvětlit základní principy CÍL (ZNALOST KE ZKOUŠCE) Vysvětlit základní struktury mikroprocesorů a určit základní rozdíly v jednotlivých principech. Popsat základní vlastnosti mikrokontrolérů řady Mega od výrobce Atmel. OTÁZKY KE ZKOUŠCE Jaké známě struktury mikroprocesorových zařízení? Jaký je základní rozdíl mezi Harvardskou architekturou a Von Neumanova architektura? Jakým typem paměti je obvykle realizován prostor Programová paměť? Co značí hodnota v názvu (XX) mikrokontroléru řady mega ATmegaXX? 2
ÚVOD Samotný princip fungování mikroprocesorů vychází z použité architektury, které se můžou podstatně lišit. V současné době jsou běžně používané dvě základní architektury a to Von Neumannova architektura požívána v běžných PC (NB) a Harvardská architektura, která se používá u jednočipových zařízení, jako jsou například mikrokontroléry. Základní rozdíl je uspořádání paměťového prostoru. VON NEUMANNOVA ARCHITEKTURA Podle této koncepce jsou programové instrukce a data členěny do slov nebo slabik stejného formátu a jsou uloženy ve stejném paměťovém prostoru. Instrukce a data nejsou nijak speciálně označeny a jsou rozlišovány pouze podle kontextu. Instrukce a data jsou zakódovány dvojhodnotovými signály. Obr 1.1. - Von Neumannova architektura HARVARDSKÁ ARCHITEKTURA Instrukce a data jsou uloženy v různých paměťových prostorech a dosti často mají různé formáty. Současně se mohou zpracovávat instrukce i data! Programová paměť (CODE MEM) Tento paměťový prostor je relizován jako ROM (realizace EPROM, EEPROM, Flash RAM nebo kombinace). Jsou zde uloženy instrukce a samotný program. 3
Datová paměť (DATA MEM) Tento paměťový prostor je realizován jako RAM (SRAM) a jsou zde ukládány výsledky operací hodnoty proměnných atd. Obr 1.2. Harvardská architektura DEFINICE MIKROKONTROLÉRŮ Monolitický mikropočítač (jednočipový mikropočítač) je mikropočítač v jednom integrovaném obvodu. Většinou k němu stačí připojit krystalový rezonátor, napájení, vstupní a výstupní Monolitický mikropočítač (jednočipový mikropočítač) je mikropočítač v jednom integrovaném obvodu. Většinou k němu stačí připojit krystalový rezonátor, napájení, vstupní a výstupní zařízení a samozřejmě vložit program, podle něhož bude pracovat. Jednočipovým mikropočítačům se také říká mikrořadiče (microcontroller). První jednočipový mikropočítač uvedla na trh firma Intel již v roce 1976. Jednalo se o 8-bitový I 8048. V 80-tých letech minulého století potom Intel vyvinul řadu mikropočítačů I 8031/51. Jádro této řady je využíváno dodnes různými výrobci jednočipových 8-bitových mikrořadičů (Philips, Siemens, Atmel...) zařízení a samozřejmě vložit program, podle něhož bude pracovat. Jednočipovým mikropočítačům se také říká mikrořadiče (microcontroller). První jednočipový mikropočítač uvedla na trh firma Intel již v roce 1976. Jednalo se o 8-bitový I 8048. V 80-tých letech minulého století potom Intel vyvinul řadu mikropočítačů I 8031/51. Jádro této řady je využíváno dodnes různými výrobci jednočipových 8-bitových mikrořadičů (Philips, Siemens, Atmel...) MIKROKONTROLÉRY ŘADY MEGA Základní značení mikrokontrolérů má v sobě zakódovány základní vlastnosti použitého typu, jako jsou výrobce, řada, velikost Flash paměti, maximální pracovní frekvence a pouzdro tak je názorně předvedeno na obrázku. 4
Obr 1.3 - Značení mikrokontrolérů Podrobnější popis základních vlastností mikrokontrolérů řady Mega shrnuje následující tabulka. ATmega8 ATmega16 ATmega32 ATmega64 ATmega128 Flash (Kbytes) 8 16 32 64 128 EEPROM (Kbytes) 0.5 0.5 1 2 4 SRAM (Bytes) 1024 1024 2048 4096 4096 Max I/O Pins 23 32 32 54 53 F.max (MHz) 16 16 16 16 16 10-bit A/D Channels 6.VIII 8 8 8 8 16-bit Timers 1 1 1 2 2 8-bit Timer 2 2 2 2 2 Ext Interrupts 2 3 3 8 8 On Chip Oscill. Yes Yes Yes Yes Yes PWM Ch. 3 4 4 8 8 TWI Yes Yes Yes Yes Yes UART 1 1 1 2 2 Watchdog Yes Yes Yes Yes Yes Obr. 1.4. základní vlastností mikrokontrolérů řady Mega Jednotlivé piny (vývody) mikrokontroléru jsou seskupovány do tzv., PORTů a dále tu jsou specializované piny pro podpůrné obvodu jako například externí krystal, nebo napájecí napětí. Dále je důležité vědět, že piny hardwarových periferií jako je například sériová linka, nebo vstupy AD převodníků mají svá nezaměnitelné místa, tzn. Nelze je softwarově přesouvat, což je možné u vyšších řad mikrokontrolérů. Rozložení jednotlivých pinů je patrné z následujícího obrázku. 5
Obr. 1.5. Značení vývodů ATmega128 Základní vstupy a výstupy jsou členěny do PORTů, seznam důležitých pinů jsou následující: PORTA (8) PORTB (8) PORTC (8) PORTD (8) PORTE (8) PORTF (8) PORTG (5) RESET HW reset procesoru XTAL1-2 připojení externího krystalu AVCC napájení procesoru AREF referenční napětí pro možnosti AD převodníku VLASTNOSTI MIKROKONTROLÉRU Základní vlastnosti námi používaného mikrokontroléru jsou : 8-bitový RISC mikrokontroler. Výkon - 16MIPS/16MHz - 12x rychlejší než x51 na stejné taktovací frekvenci. Plně statická funkce. Interní kalibrovaný RC oscilátor. Dvou-cyklová násobička na čipu. 133 výkonných instrukcí, většinou jednocylkových. 32 osmibitových registrů pro obecné použití. 6
128kB programová FLASH paměť, programovatelná přímo v aplikaci s možností uzamknutí, 10.000 zápisových/mazacích cylků s volitelnou velikostí bootovací sekce s nezávislým uzamykáním. 4kB EEPROM, 100.000 zápisových cyklů. 4kB interní SRAM. JTAG (IEEE std. 1149.1) rozhraní pro programování a ladění. 8-kanálový 10-bitový A/D převodník, analogový komparátor. Bytově orientované sériové rozhraní (TWI). Dvě programovatelné USART komunikační rozhraní. Master/slave SPI sériové rozhraní. Dva 8-bitové čítače a dva 16-bitové čítače, každý s vlastní před-děličkou. Dva 8-bitové PWM kanály. 6 PWM kanálů s programovatelným rozlišením 2-16 bitů. Programovatelný Watch-dog časovač s vestavěným oscilátorem na čipu. Čítač reálného času RTC s odděleným oscilátorem. 6 režimů snížené spotřeby. 53 programovatelných I/O vývodů. Napájecí napětí 4.5V-5.5V. VLASTNOSTI KITU Použitý vývojový kit ve výuce je výrobek firmy české firmy PK-design, jeho vlastnosti jsou: Základová deska obsahuje RISC-ový mikrokontroler Atmel ATmega128-16AI TQFP64. Pro vytváření programového kódu je možné použít volně dostupný vývojový software Atmel AVR Studio či WinAVR-GCC. Mikrokontroler se programuje ISP nebo JTAG programátorem připojeným na příslušný konektor (JTAG umožňuje i ladění). Všechny I/O vývody MCU jsou přístupné na detailně popsaných konektorech, na které je možné připojit přídavné moduly či uživatelský hardware. Vestavěné periferie je možné odpojit a konfigurovat pomocí propojek, což zaručuje vysokou univerzalitu desky. Napájecí napětí pro mikrokontroler a pro připojené moduly (+5V) je vytvářeno napěťovým regulátorem umístěným na desce. K mikrokontroléru je standardním způsobem připojena asynchronní SRAM paměť 128k x 8bit, 55ns. Připojení řídících vodičů paměti k MCU je možné měnit pomocí propojek. Základová deska obsahuje nastavitelnou napěťovou referenci pro interní AD převodník mikrokontrolérů a také umožňuje připojení externí napěťové reference či použít jako referenci napájecí napětí Vcc. Zdrojem hodinového signálu pro mikrokontroler může být krystal umístěný v patici na základové desce anebo externí zdroj hodinového signálu. Základová deska je dodávána s krystalem 14.7456MHz. Pro vnitřní RTC obvod mikrokontroléru je na desce umístěný odpojitelný krystal 32.768kHz. Základová deska dále obsahuje 2 odpojitelné sériové rozhraní: 1x RS-232 a 1x USB. Mikrokontroler je možné resetovat tlačítkem RESET. Rozměry (v x š x d) : 25mm x 74mm x 107mm 7
Obr. 1.6 Vývojový kit ATmega128 PROGRAMOVACÍ JAZYKY Ve výuce budou probrány dva základní programovací jazyky a to Jazyk symbolických adres a jazyk C, kterému bude ve výuce věnován podstatně větší prostor. Jazyk symbolických adres (Assembly language) Jedná se o nízkoúrovňový programovací jazyk a proto je JSA závislý na konkrétním procesoru (výrobci), což komplikuje přenositelnost kódu na jiný HW. Překlad do strojového kódu zajišťuje program tzv. assembler (překladač dosl. sestavovatel). Ukázka vzorového programu psaného v JSA Ahoj svete! je následující pro procesor Intel 8051: Org 0 mov dptr,#msg mov R0,#30h loop: clr a movc a,@a+dptr jz end mov @R0,a inc R0 inc dptr sjmp loop end: jmp $ 8
msg: db 'Ahoj svete!",0 Jazyk C Jena se o nízkoúrovňový, kompilovaný, relativně minimalistický programovací jazyk, je mnohem čitelnější než JSA, je jednodušší ho zapsat a je snáze přenositelný na jiné architektury. Překlad do strojového kódu program tzv. GCC (GNU C Compiler nebo GNU Compiler Collection) Ukázka vzorového programu psaného v C Ahoj svete! je následující: #include <stdio.h> int main(void) { printf("hello, World!\n"); return 0; } VÝHODY POUŽITÉHO MIKROKONTROLÉRU ATMEGA128 Mnoho periferií je řešeno HW, a proto je jejich používání programátorem značně zjednodušeno. Jsou to například: USART komunikace RS232 (2) TWI Two Wire Interface I2C (1) Timers 8 a 16bit časovače/čítače (2/2) PWM Půlsne šířkově modulovaný signál (2) A/D Converter A/D převodnik 8b, vnitřní ref. (8) Watchdog s interním oscilatorem (1) Analog Comparator Sleep mode 6 různých módů K dispozici je také vývojové prostředí zdarma: AVR studio vývojové prostředí. www.atmel.com WinAVR - GCC compiler for C and C++. http://winavr.sourceforge.net Možnost programování Assembler a AVR GCC (ANSI-C) 9
Obr 1.7. Vývojové prostředí používané ve výuce Obr. 1.8. ukázka programování v prostředí AVRstudio 10
VYUŽITÍ MIKROKOTROLÉRŮ Mikrokontroléry pro svoji jednoduchost a nízkou cenu jsou nasazovány v jednoduchých nenáročných aplikací jako je například: Robotika - ovládání servomotoru, krokmotorů, čidel atd. Regulace (jakákoli i PID) A/D převodník Inteligentní senzory převod jednotek linearizace atd. Převodníky (RS232, I2C, SPI atd.) Jednoúčelová zařízení audio-video přehrávače, dálkové ovladače, hodinky, hračky - blikátka, pípátka Periferie složitějších zařízení (klávesnice, myš, router, DVD mechaniky atd) 11
LITERATURA [1.] MATOUŠEK, David. Práce s mikrokontroléry ATMEL AVR: [měření, řízení a regulace pomocí několika jednoduchých přípravků]. 1. vyd. Praha: BEN - technická literatura, 2006, 319 s. ISBN 80-730-0174-8. [2.] MANN, Burkhard. C pro mikrokontroléry: ANSI-C, kompilátory C, spojovací programy - linkery, práce s ATMEL AVR a MSC-51, příklady programování v jazyce C, nástroje pro programování, tipy a triky. Vyd. 1. Praha: BEN, 2003, 279 s. ISBN 80-730-0077-6. [3.] NOVÁK, Petr. Mobilní roboty: pohony, senzory, řízení. Vyd. 1. Praha: BEN - technická literatura, 2004, 247 s. ISBN 80-730-0141-1. [4.] Firemní materiály Atmel. [online]. [cit. 2012-09-20]. Dostupné z: http://www.atmel.com [5.] Firemní materiály DIGI. [online]. [cit. 2012-09-20]. Dostupné z: http://www.digi.com 12