Что такое микроконтроллеры AVR и как они работают. Какие преимущества имеют AVR перед другими микроконтроллерами. Как программировать микроконтроллеры AVR и с чего начать изучение. Какие инструменты нужны для работы с AVR.
Что такое микроконтроллеры AVR и их основные характеристики
Микроконтроллеры AVR — это семейство 8-битных микроконтроллеров, разработанных компанией Atmel (сейчас принадлежит Microchip Technology). AVR расшифровывается как Advanced Virtual RISC или Alf and Vegard’s RISC processor. Ключевые характеристики микроконтроллеров AVR:
- 8-битная RISC-архитектура
- Тактовая частота до 20 МГц
- Встроенная флеш-память программ объемом от 1 до 256 КБ
- ОЗУ от 32 байт до 16 КБ
- EEPROM от 64 байт до 4 КБ
- Напряжение питания 1.8-5.5 В
- До 32 линий ввода/вывода общего назначения
- Встроенные АЦП, ЦАП, таймеры, компараторы и другая периферия
AVR микроконтроллеры выпускаются в различных корпусах — от 8-выводных до 100-выводных. Наиболее популярны 28 и 40-выводные корпуса DIP для любительского применения.
Преимущества микроконтроллеров AVR перед другими семействами
Микроконтроллеры AVR имеют ряд преимуществ, которые сделали их очень популярными среди разработчиков:
- Высокая производительность — за счет RISC-архитектуры большинство инструкций выполняется за 1 такт
- Низкое энергопотребление и широкий диапазон напряжений питания
- Наличие большого объема встроенной памяти программ и данных
- Богатый набор периферийных устройств
- Удобство программирования на языке C
- Доступность недорогих средств разработки и программаторов
- Хорошая документация и поддержка со стороны производителя
Какие задачи лучше всего решаются с помощью AVR? Эти микроконтроллеры отлично подходят для управления различными устройствами, обработки сигналов, создания встраиваемых систем. Типичные области применения: бытовая техника, промышленная автоматика, системы «умного дома», роботы, измерительные приборы.
Архитектура и внутреннее устройство микроконтроллеров AVR
Микроконтроллеры AVR построены на основе улучшенной RISC-архитектуры (Advanced RISC). Основные особенности архитектуры AVR:
- Гарвардская архитектура с раздельными шинами для памяти программ и данных
- 32 8-битных регистра общего назначения
- Большинство инструкций выполняется за 1 такт
- Конвейерное выполнение инструкций
- Единое адресное пространство для памяти программ, данных и ввода-вывода
Внутреннее устройство типичного микроконтроллера AVR включает следующие основные блоки:
- Ядро CPU с АЛУ и регистрами
- Флеш-память программ
- Оперативная память (SRAM)
- Энергонезависимая память данных (EEPROM)
- Порты ввода-вывода
- Таймеры/счетчики
- АЦП и ЦАП
- Watchdog-таймер
- Модуль прерываний
Такая архитектура обеспечивает высокую производительность и гибкость применения микроконтроллеров AVR в различных задачах.
Основные семейства микроконтроллеров AVR
Микроконтроллеры AVR делятся на несколько семейств, различающихся производительностью, объемом памяти и набором периферии:
tinyAVR
Самые простые и дешевые 8-битные микроконтроллеры с минимальным набором периферии. Имеют от 0.5 до 16 КБ флеш-памяти и от 6 до 32 выводов. Подходят для простых задач.
megaAVR
Наиболее популярное семейство универсальных 8-битных микроконтроллеров. Объем флеш-памяти от 4 до 256 КБ, богатый набор периферии. Оптимальны для большинства прикладных задач.
XMEGA
Высокопроизводительные 8/16-битные микроконтроллеры с расширенным набором периферии. Имеют до 384 КБ флеш-памяти, аппаратное умножение, криптомодуль. Применяются в сложных системах.
AVR32
32-битные микроконтроллеры с улучшенной архитектурой. Обеспечивают высокую производительность при низком энергопотреблении. Используются в мобильных и встраиваемых устройствах.
Выбор конкретного семейства и модели микроконтроллера зависит от требований проекта по производительности, объему памяти, энергопотреблению и стоимости.
Программирование микроконтроллеров AVR: языки и средства разработки
Для программирования микроконтроллеров AVR можно использовать различные языки и средства разработки:
Языки программирования
- Ассемблер — обеспечивает максимальную эффективность, но сложен в освоении
- C/C++ — наиболее популярный вариант, сочетает удобство и эффективность
- Basic — прост для начинающих, но менее эффективен
Среды разработки
- Atmel Studio — официальная бесплатная IDE от производителя
- CodeVisionAVR — популярная коммерческая среда с удобным мастером настройки периферии
- Arduino IDE — для программирования плат Arduino на базе AVR
- Eclipse + плагин AVR — свободная кроссплатформенная среда
Компиляторы
- avr-gcc — свободный компилятор GNU GCC для AVR
- IAR Embedded Workbench — коммерческий компилятор с оптимизацией кода
Для начинающих оптимальным выбором является связка Atmel Studio + язык C. Это позволяет быстро освоить программирование AVR и создавать эффективные проекты.
Отладка и программирование микроконтроллеров AVR
Для загрузки программ в микроконтроллер и отладки используются специальные устройства — программаторы. Основные виды программаторов AVR:
- Параллельные программаторы — подключаются к LPT-порту компьютера, обеспечивают высокую скорость
- Последовательные программаторы — работают через COM или USB-порт, более универсальны
- Внутрисхемные программаторы (ISP) — позволяют программировать микроконтроллер прямо в устройстве
- JTAG-программаторы — обеспечивают расширенные возможности отладки
Популярные модели программаторов:
- USBasp — дешевый USB-программатор для начинающих
- AVRISP mkII — официальный программатор от Atmel
- STK500 — универсальная отладочная плата с программатором
- AVR Dragon — программатор с поддержкой JTAG-отладки
Для отладки программ можно использовать следующие методы:
- Симуляция в Atmel Studio
- Отладка по SPI/JTAG интерфейсу
- Вывод отладочной информации по UART
- Использование светодиодов и других индикаторов
Правильный выбор средств программирования и отладки значительно упрощает разработку проектов на AVR.
С чего начать изучение микроконтроллеров AVR
Для тех, кто хочет освоить программирование микроконтроллеров AVR, можно рекомендовать следующий план действий:
- Изучить основы цифровой электроники и схемотехники
- Ознакомиться с архитектурой и возможностями AVR по даташитам
- Установить среду разработки Atmel Studio
- Приобрести отладочную плату на базе популярного микроконтроллера (например, ATmega328)
- Изучить основы языка C применительно к программированию МК
- Начать с простых проектов — мигание светодиодом, работа с кнопками
- Постепенно осваивать различные периферийные модули — таймеры, АЦП, UART и т.д.
- Изучить прерывания и энергосберегающие режимы
- Перейти к более сложным проектам с внешними устройствами
Важно сочетать теорию с практикой, работая над реальными проектами. Это позволит быстрее освоить все нюансы программирования микроконтроллеров AVR.
Перспективы развития и применения микроконтроллеров AVR
Несмотря на появление более мощных 32-битных микроконтроллеров, семейство AVR продолжает активно развиваться и находить новые применения:
- Выпускаются новые модели с улучшенными характеристиками и расширенной периферией
- Снижается энергопотребление, что важно для мобильных и IoT устройств
- Добавляется поддержка новых интерфейсов и протоколов
- Развиваются средства разработки и отладки
Перспективные области применения AVR:
- Интернет вещей (IoT) — благодаря низкому энергопотреблению
- Носимая электроника
- Системы «умного дома»
- Промышленные контроллеры
- Автомобильная электроника
- Измерительные приборы
AVR остаются оптимальным выбором для многих задач, где не требуется высокая производительность, но важны низкая стоимость и энергоэффективность. Поэтому изучение этих микроконтроллеров по-прежнему актуально для разработчиков встраиваемых систем.
Что такое AVR микроконтроллер?
AVR микроконтроллеры – это тип устройств, разработанный компанией Atmel, которые имеют определенное преимущество перед обычными микросхемами, но, сначала, давайте разберемся, что такое микроконтроллер?
Самый простой способ понять это – сравнить микроконтроллер с вашим компьютером, в котором установлена материнская плата. На этой плате стоит микропроцессор (на чипе Intel или AMD), который обеспечивает устройство вычислений, память RAM и EEPROM, и интерфейсы остальных систем, например, серийные порты (в настоящее время в основном USB), жесткие диски и графические интерфейсы. В микроконтроллере все эти возможности встроены в один чип, а это значит, что отсутствует потребность в материнской плате и многих других компонентах, например, светодиод может быть подключен напрямую к AVR. В микропроцессорах нет такой возможности!
AVR микроконтроллеры выпускаются в нескольких корпусах, некоторые предназначены для монтажа в отверстия, некоторые для поверхностного. AVR бывают 8-ми и 100-пиновыми, хотя все, что выше 64-х пинов только для монтажа в отверстия. Большинство людей начинают с DIL (Сдвоенный в линию) 28—х пинового чипа, например, ATmega328 или 40-ка пинового ATmega16 или ATmega32.
Компьютерные микропроцессоры бывают минимум 32-х битными, а теперь чаще 64-х битные. Это означает, что они могут обрабатывать данные 32-х битными или 64-х битными блоками, если они подключены к шине. AVR гораздо проще и работает с 8-ми битными блоками, пропускная ширина потока 8 бит, хотя сейчас стали появляться AVR32 с 32-х битной шиной.
На компьютере установлена операционная система (Windows или Linux), и именно в ней запускаются программы, такие, как Word, InternetExplorer или Chrome. На 8-ми битном микроконтроллере, например, на таком, как AVR обычно нет установленной операционной системы, хотя, при необходимости, она может быть установлена. Вместо этого реализована возможность запуска одной программы.
Также, как и ваш компьютер, который будет бесполезным, если на нем не установлена ни одна программа, также, и AVR требует установки программ. Программа хранится во встроенной памяти AVR, а не на внешнем жестком диске, как на компьютере. Загрузка этой программы вAVR происходит при помощи программатора AVR, обычно, когда AVR является частью системы, и программируется разработчиком или системным программистом.
Так что же это за программа? Она состоит из серии инструкций, очень простых, и направленных на обработку данных. В большинстве приложений, которые вы будете использовать с AVR, например, в контроллере промышленного оборудования, необходимо, чтобы считывалась информация со входов, проводилась проверка состояния и, соответственно, происходило переключение на выходы. Иногда вам нужно менять данные, управлять ими, или передавать их на другое устройство, например, на ЖК дисплей или на серийный порт. Чтобы выполнять эти простые задачи, используется серия простых бинарных инструкций, каждая из которых соответствует команде на ассемблере, понятной пользователю. Самый простой способ написать программу для AVR – использовать ассемблер (хотя, если хотите оставаться педантичным, можете записывать двоичные числа).
Использование ассемблера позволяет вам понять больше о том, как действует AVR, и как это все соединено воедино. Также, это дает возможность использовать очень маленький и быстрый код. Недостаток в том, что вы, как программист, должны делать все сами, включая управление памятью и структурой программ, что может быть очень утомительно.
Чтобы этого избежать, для написания программ для AVR были использованы языки программирования более высокого уровня, основным считается Cи, а также, можно использовать Basic и Java. Высокий уровень означает, что каждая строка Cи (или Basic, или Java) кода может переводиться в множество строк ассемблера. Компилятор также разбирается со структурой программы и управлением памятью, так что все становится гораздо проще. Наиболее часто используемые процессы, например, задержки или вычисления, могут храниться в библиотеках, и доступ к ним очень простой.
Мне кажется, что написание программ на Си для AVR сравнимо с управлением автомобилем. Да, вы очень легко можете это делать, но, если что-то идет не так, то вы понятия не имеете, как быть, и как справиться со сложной ситуацией, например, со скользкой дорогой. Написание простейших программ на ассемблере дает вам понять, что происходит «под капотом», как это работает, и что с этим можно сделать. Потом вы переходите на Си, но, к этому моменту, вы уже знаете, как функционирует AVR, и знаете его ограничения.
Также, как у вашей программы есть в памяти код, также у AVR есть вторая память, которая называется EEPROM, где вы можете хранить данные, например, серийные номера, данные калибровок и другую, необходимую под рукой, информацию. Доступ туда осуществляется по инструкциям в вашей программе.
У AVR также есть I/O, которое используется, чтобы контролировать аппаратные средства микроконтроллера. К аппаратным средствам относятся порты, АЦП (ADC), коммуникационные интерфейсы, например, I2C (2—х проводной интерфейс), SPI и UART (серийный порт), таймеры и система watchdog, которая восстанавливает систему после сбоя. Все эти периферийные устройства контролируется из-под программы, используя специальные инструкции. Большая часть кода программирования AVR посвящена тому, как устанавливать и контролировать эти аппаратные интерфейсы.
Наши услуги:
prom-electric.ru
AVR Знакомство с семейством AVR
 
 
 
Урок 1
Сегодня я решил поделиться с вами некоторыми своими знаниями в области программирования микроконтроллеров AVR. И неплохо, я думаю, начать изучение программирования микроконтроллеров именно с линейки AVR.
Почему именно с этой линейки?
Ну, может кто знает, может кто-то не знает, микроконтроллер AVR – это продукт компании Atmel.
Ну почему же всё-таки именно с линейки AVR?
Во-первых, микроконтроллеры AVR – они повсеместно доступны, они есть в любых магазинах, цена их невысока.
Во-вторых, из-за наличия многочисленного программного обеспечения для их программирования и прошивки, что тоже в наше время немаловажно.
То есть, при написании программ вы не будете нарушать ни чьих авторских прав.
В-третьих, ещё то, что именно потому, что по программированию именно данной линейки я имею в наличии больше всего знаний в своей голове и навыков.
Поэтому, будем программировать мы именно под микроконтроллеры AVR.
Начнём мы с такого представителя этой линейки, как микроконтроллер Atmega 8.
ATMEGA 8A
Почему именно с него, с Atmega 8?
Потому что, во-первых, он вполне себе такой полноправный микроконтроллер и недорогой.
Имеет на своём борту три порта ввода-вывода. Мы не будем здесь вдаваться в подробности, что такое порты. Вкратце, порты – это такие шины данных, которые работают в двух направлениях – и на вывод, и на ввод.
Порт B.
У порта B, он у нас неполный, имеет 6 ножек.
0, 1 ножка, 2, 3, 4 и 5. То есть, 6 ножечек.
Порт C также у нас неполный, от нулевой до шестой ножки.
Питается микроконтроллер от 5 вольт. Можно питать его также от 3,3 вольта, он также будет отлично работать. Но единственное, частота тактирования может быть выставлена только 8 мегагерц максимально. 16 мы не можем выставить при трёх вольтах, можем только при пяти вольтах. Подается питание на 7 ножку. Общий провод – восьмая.
Ну теперь давайте посмотрим, откуда мы можем взять программное обеспечение для программирования.
У компании Atmel имеется свой сайт www.atmel.com. На главной страничке, далеко ходить не нужно, в правой части страницы под главным баннером находится вот Download Atmel Studio.
Вот эту вот программку мы скачиваем, устанавливаем. Впоследствии мы будем создавать в ней свои проекты. А как создавать проекты, как писать код, мы с вами познакомимся на следующих занятиях. Так что пока, скачивайте, устанавливайте.
Прошивать контроллер мы поначалу будем вот в такой вот программе — avrdude.
Ссылка на скачивание avrdode 3.3 avrdudeprog33
Ну, на этом, с вашего позволения, я пока закончу Продолжение будет в следующих уроках.
Программирование МК AVR Следующий урок
Смотреть ВИДЕОУРОК
Post Views: 10 381
narodstream.ru
AVR. Учебный курс | Электроника для всех
Микроконтроллер это, можно сказать, маленький компьютер. Который имеет свой центральный процессор (регистры, блок управление и арифметическо-логическое устройство), память, а также разную периферию, вроде портов ввода вывода, таймеров, контроллеров прерываний, генераторов разных импульсов и даже аналоговых преобразователей. Всего не перечислишь. Как нельзя перечислить все применения микроконтроллеров.
Но, если сильно все упростить, то основной функцией микроконтроллера является «дрыганье ножками». Т.е. у него есть несколько выводов (от 6 до нескольких десятков в зависимости от модели) и на этих выводах он может выставить либо 1 (высокий уровень напряжения, например +5вольт), либо 0 (низкий уровень напряжения, около 0.1 вольта) в зависимости от программного алгоритма зашитого в его память. Также микроконтроллер может определять состояние сигнала на своих ножках (для этого они должны быть настроены на вход) — высокое там напряжение или низкое (ноль или единица). Современные микроконтроллеры также почти поголовно имеют на борту Аналогово Цифровой Преобразователь — это штука подобная вольтметру, позволяет не просто отследить 0 или 1 на входе, а полноценно замерить напряжение от 0 до опорного (обычно опорное равно напряжению питания) и представить его в виде числа от 0 до 1024 (или 255, в зависимости от разрядности АЦП)
Из него можно сделать и умный дом, и мозги для домашнего робота, систему интеллектуального управления аквариумом или просто красивое светодиодное табло с бегущим текстом. Среди электронных компонентов МК это один из самых универсальных устройств. Я, например, при разработке очередного устройства предпочитаю не заморачиваться на различного рода схемотехнические извраты, а подключить все входы и выходы к микроконтроллеру, а всю логику работы сделать программно. Резко экономит и время и деньги, а значит деньги в квадрате.
Микроконтроллеров существует очень и очень много. Практически каждая уважающая себя фирма по производству радиокомпонентов выпускает свой собственный контроллер. Однако и в этом многообразии есть порядок. МК делятся на семейства, все их я не перечислю, но опишу лишь самые основные восьмиразрядные семейства.
(далее…)
Read More »
easyelectronics.ru
