Примеры работы с таймером на алгоритм билдер. Algorithm Builder fo avr, Начинаем Графический ассемблер. Начнем с классики - мигание светодиодом

Думаю, в наше время нет радиолюбителя, который никогда не сталкивался с микроконтроллерами. Рано или поздно, но это происходит. Когда я в первый раз увидел схему с микроконтроллером, тут же закрыл страницу браузера, с мыслью: "А, все равно не соберу". Но время шло, схем с применением микроконтроллеров становилось все больше, и я все-таки решил начать. На деле все оказалось совсем не таким сложным, как я думал.

Для начала давайте разберемся: что вообще такое микроконтроллер (МК)? По сути, это миниатюрный компьютер, предназначенный для выполнения простейших задач. Все необходимое для работы микроконтроллера заключено в одном корпусе. В микроконтроллере имеется различная периферия - порты ввода\вывода, таймеры, интерфейсы связи и т.д. Микроконтроллер имеет три вида памяти, это RAM (оперативная память), FlashROM (Память программы), EEPROM (энергонезависимая память).

Главное отличие микроконтроллера от обычной микросхемы - это то, что микроконтроллер работает не по жесткой логике, установленной на заводе, а программируется. Программа, классически пишется в специальной среде на компьютере на одном из языков программирования, после чего переводится на машинный язык(компилируется) и записывается в память контроллера. В этом курсе все будет немного по-другому - программа будет не писаться, а буквально рисоваться в виде блок-схемы. Благодаря такому подходу программа выглядит более наглядно, а время на разработку программы сокращается в 3-5 раз, по сравнению с классическими приемами программирования.

Algorithm Builder - среда программирования

Algorithm Builder производит полный цикл разработки, начиная от ввода алгоритма, включая процесс отладки и заканчивая записью программы в память.

Начнем с краткого обзора интерфейса программы

Главное меню

  • Файл. Служит для открытия, сохранения, закрытия проектов и отдельных алгоритмов, а так же выхода из программы.
  • Редактировать. Действия, связанные с редактированием алгоритма: вырезать, копировать, выделить и т.д
  • Отображение. Переключение алгоритм/таблица с переменными(о ней ниже) + шаблоны операций и условий.
  • Поиск. Тут пояснять не нужно.
  • Элементы. Алгоритм рисуется из специальных элементов: Текст, Вершина, Поле, Метка, Условие, Вектор б/у (безусловного) перехода, Настройщик. Со всеми ними мы познакомимся в процессе обучения. В меню находится еще несколько важных пунктов: Деактивировать, Макро, Прерывания. Деактивировать - данный компонент не будет компилироваться. Макро - для создания макросов. Прерывания - содержит список названии всех прерываний микроконтроллера. Об этой функции вы узнаете в следующих уроках, сейчас лишь скажу, что это чрезвычайно важная и необходимая для работы вещь.
  • Программа. Действия, связанные с программой - компиляция (перевод на машинный язык), симуляция работы программы, чтение памяти контроллера (Flash и EEPROM) и т.д.
  • Опции. Настройки проекта и среды.
  • ?. Информация о Algoritm Builder и справка.

Панель инструментов

В пояснениях не нуждается. При наведении курсора на элементы панели всплывают подсказки.

Открытый проект

Тут есть особенность. Нельзя открыть два проекта одновременно.Чтобы открыть/создать новый проект нужно закрыть старый. После открытия проекта вы можете открыть/создать лишь отдельный файл-алгоритм. Файл проекта имеет расширение.alp, а отдельный файл-алгоритм имеет расширение.alg

Работа с переменными и константами

Организуется в виде специальной таблицы (переключить можно клавишей F12, либо через меню, либо клавишей на панели инструментов). Таким образом, сам алгоритм освобождается от лишних записей.

Огромное число меток, благодаря которым возможны переходы от одной части программы к другой, сильно загромождают код, и наглядность программы теряется. В Algorithm Builder переходы осуществляются намного проще - стрелкой (вектором) . Но переходы по именованным меткам так же возможны.

Симуляция работы программы

Симулятор показывает все изменения, происходящие внутри виртуального микроконтроллера. Что бы проверить работу программы не обязательно даже покупать микроконтроллер! Симуляция может выполняться пошагово (с заходом в функции или нет), до установленной точки останова или до выделенного участка.

Отладка

Algorithm Builder обладает системой мониторной отладки на кристалле (On Chip debug) которая позволяет наблюдать содержимое памяти реального микроконтроллера в заданных точках. При этом для связи микроконтроллера с компьютером используется всего одна ножка микроконтроллера, причем по выбору пользователя. Мониторная отладка может быть применена практически к любому микроконтроллеру. Это программный вариант протокола debugWIRE.

Так почему же Algorithm Builder малоизвестен среди радиолюбителей? Во-первых, до 2010 программа была платной. Сегодня ПО распространяется абсолютно свободно. Во-вторых, отсутствие официальной поддержки программы. Вы не найдете ни одного апнота производителя в котором бы использовался Билдер. Интернет ресурсы, посвященные данной программе, можно пересчитать по пальцам.

Стоит немного рассказать о необходимых материалах и инструментах

Первое что понадобится - это паяльник . Основной инструмент радиолюбителя. Мощность паяльника должна быть в приделах 30-60 Вт. Почему нельзя больше? Мощный паяльник нагревается сильней, и повреждает дорожки платы и применяемые детали. Да и паять им не так удобно - такой паяльник намного больше и тяжелее.

Для того, чтобы загрузить программу в микроконтроллер нужен программатор - в простейшем варианте состоит всего из нескольких резисторов и диодов (на порт LPT и COM). Если у Вас на компьютере нет порта COM либо LPT, USB программатор можно заказать на , DealExtreame или (Поисковой запрос"avr programmer"; стоит примерно 4-6$). О выборе и сборке программатора я напишу в следующем уроке.

Программы для конструкций на МК Atmel созданы в свободно распространяемой среде программирования Algorithm Builder for AVR 5.44 .
Инсталлятор можно скачать с указанного выше сайта.
По моему мнению это лучшая среда программирования для начинающих.

Algorithm Builder for AVR (АВ) разработчиками позиционируется как среда «для производства полного цикла разработки начиная от ввода алгоритма, включая процесс отладки и заканчивая программированием кристалла. Разработка программы может быть как на уровне ассемблера, так и на макроуровне с манипуляцией многобайтными величинами со знаком». По моему мнению это лучшая среда программирования для начинающих. На первых порах можно создавать программы не вникая в тонкости разнообразных операторов МК. Например, копирование задаётся единым мнемоническим оператором «-> ». Это позволяет абстрагироваться от конкретных видов операторов копирования МК и сосредоточится на самом алгоритме движения данных. Арифметические и условные операторы имеют привычную и наглядную мнемонику. Все переходы, безусловные и условные, рисуются с помощью мыши. Это освобождает программу от бесчисленных имён меток, которые в классическом ассемблере являются неизбежным балластом. Переходы по именованным меткам так же возможны.

При программировании на языке любого уровня программист сначала должен или в виде образа в уме или на бумаге представить алгоритм будущей программы. АВ предоставляет инструмент для построения такого алгоритма на экране компьютера. Построенный алгоритм сразу компилируется в исполняемый на МК код. Причём загрузить этот код в МК и проверить его работоспособность можно тут же, не покидая программную оболочку. АВ является уникальным программным продуктом. По способу создания программ он очень близок к языкам графического программирования, таким как LabView и HiASM. По эффективности программирования он не намного уступает С++, сохраняя при этом полный контроль за конечным кодом, вплоть до каждого оператора, на уровне ассемблера. Благодаря интегрированному настройщику периферии АВ практически полностью освобождает программиста от рутинных манипуляций с системными регистрами МК.

К сожалению, есть у АВ и определённые недостатки. Этот программный продукт демонстрирует случай, когда великолепная начинка заключена в непритязательную оболочку. Интерфейс у АВ довольно спартанский и не всегда интуитивно понятен. В частности, выделить фрагмент текста или программы можно только с помощью клавиатуры, а попытка сделать это привычным способом с помощью мыши приводит только к перемещению блока алгоритма по экрану. При этом могут автоматически перестроиться вектора переходов. Перед каждой компиляцией АВ с маниакальным усердием сохраняет все внесённые изменения. Если изменений было много, то вернуться к первоначальному варианту практически невозможно: глубина буфера возврата не велика, а резервные копии при сохранении автоматически не создаются – делать это надо вручную. Очевидно, что наличие подобных досадных недочётов приводит к тому, что многие, установив программу и потыкавшись немного, разочаровываются в ней. А зря. Немногие системы программирования могут похвастаться такой наглядностью и тем, что даже сам процесс создания программы доставляет чисто эстетическое удовольствие.

АВ содержит очень подробное пособие по работе с ним. Несмотря на это люди пишут свои учебники по работе с АВ. Вот один из них, найденный по адресу

Мы вкратце рассмотрели среду программирования Algorithm Builder. В этом уроке мы создадим простой программатор для микроконтроллеров, а также напишем и проверим в работе первую программу.

Для начала немного теории

После компилирования (перевода на машинный язык), получается файл с расширением.hex. Этот файл называют прошивкой. Далее этот самый файл загружается в память микроконтроллера, при помощи программатора. Процесс загрузки прошивки в память микроконтроллера называют прошивкой (прожигом). Важно не путать эти два понятия!

  • Прошивка (сущ.) - скомпилированная программа
  • Прошивка (глагол) - процесс записи скомпилированной программы в память МК

Как я уже говорил, для загрузки прошивки в микроконтроллер необходим программатор. Самый простой вариант - это программатор на LPT порт.

Принципиальная схема программатора:

Вообще, резисторы можно и не ставить, но тогда риск спалить lpt порт становится еще выше.

О том, как правильно подключить программатор к микроконтроллеру и прошить в него программу я расскажу в конце статьи. А пока что сосредоточимся на создании программы.

Кратко пробежимся по элементам, из которых строится алгоритм

  1. Текст . Представляет из себя текстовую строку, в которую записываются некоторые команды для algorithm builder.
  2. Вершина блока . Алгоритм в Algorithm Builder делится на блоки. Для создания такого блока и служит этот элемент.
  3. Поле . Представляет из себя отцентрированную в блоке строку. Предназначен для записи большинства команд микроконтроллеру. (создается при нажатии клавиши ENTER).
  4. Метка . Просто вертикальная черта. Не несет в себе никакой информации микроконтроллеру,
  5. Условный переход . Просто говоря - условие. Если то, что записано в прямоугольнике правда, идем по стрелке вправо, если ложь - вниз.
  6. Безусловный переход . Просто стрелка, для перехода между элементами алгоритма.
  7. Настройщик управляющих регистров . Элемент, позволяющий удобно настраивать периферию микроконтроллера

Переходим к практике

  • Открываем Algorithm Builder
  • Создаем новый проект (Файл-Новый. Перед созданием нового проекта нужно закрыть старый!)
  • Клик правой кнопкой мыши по рабочей области - опции проекта. В выпадающем списке выбираем контроллер(Atmega88). В поле тактовая частота вводим 1000000 (Это 1 МГц). И жмем применить.

​Теперь все готово для написания программы!

Начнем с классики - мигание светодиодом

Последовательность действии очень проста:

  • Включить светодиод
  • Подождать немного
  • Выключить светодиод
  • Еще немного подождать

​Начнем по-порядку - как включить светодиод? (т.е установить логическую 1 на ножке)

Ответ: Все действия с периферией микроконтроллера (В т.ч с портами ввода/вывода) осуществляются через регистры.

Регистр - набор из 8 бит. Бит - элементарная единица информации, может быть 1 либо 0

1 0 0 1 1 1 0 1

Это - пример регистра. Самый левый бит называется старшим, и имеет номер 7, самый правый - младшим, имеет номер 0. Не 1, а 0, это важно! Каждый бит регистра за что-либо отвечает. Например, за запуск таймера. Так что регистр можно сравнить с набором тумблеров.

Запись значения в бит регистра осуществляется следующим образом:

Большинство ножек микроконтроллера Atmega88 разделены на 3 порта ввода/вывода. Ножка может настраиваться как на выход, так и на вход. Мы будем работать с портом с индексом C

Каждый регистр имеет свое название

Нас интересуют два регистра - PORTC и DDRC.

  • DDRC отвечает за то, будет ли ножка входом или выходом
  • PORTC управляет состоянием ножки, то есть задает 0 на ножке или 1.

Посмотрим на распиновку микроконтроллера:

Нас интересует 6 ножек с 23 по 28. Это и есть порт C. Светодиод будем подключать к выводу 5 порта C (PC5, 28 ножка)

Итак, нужно:

  • Настроить ножку PC5 на выход
  • Установить единицу на ножке PC5.

За то, будет ли ножка порта C входом или выходом отвечает регистр DDRC. Что бы ножка PC5 была входом, нужно записать в бит №5 лог. "0". Что бы ножка PC5 была выходом, нужно записать в бит №5 лог. "1".

"NOP" удаляем, он нам пока не нужен

Выделяем вершину блока, идем в раздел элементы-прерывания, выбираем из списка Reset

Жмем кнопку "S" (настройщик), выбираем Stack Pointer.

О том, зачем это нужно, я расскажу позднее.

Ставим элемент "label", жмем Enter

Вместо "NOP" пишем следующее:

То есть мы конфигурируем ножку 5 порта C (PC5) на выход

Как я уже говорил, регистр PORTC управляет состоянием ножек порта C, то есть задает 0 на ножке или 1. Записывая в бит 5 этого регистра единицу, на ножке 28(PC5) установится 1, записывая в бит 5 этого регистра ноль, на ножке 28(PC5) установится 0.

Мы сконфигурировали ножку порта на выход и вывели туда 1.

Теперь нужно сделать задержку.

Для создания задержек в папку с проектом нужно поместить специальный файл - waitings.alg(расширение.alg указывает, что это дополнительный алгоритм) и подключить его.

Подключается файл следующим образом. В верхней строке прописывается следующий код: +: Waitings.alg. Всё!

Задержка создается следующим образом:

где число в скобках - величина задержки (в миллисекундах)

Теперь можно написать полную программу:

Жмем кнопку (скомпилировать) - algorithm builder создаст файл прошивки в файлах проекта.

Полная схема устройства


Для прошивки достаточно просто соединить одноименные выводы программатора и микроконтроллера

Материалы статьи подготовлены на кафедре «Автоматика, Информатика и Системы Управления» (АИиСУ) Московского Государственного Индустриального Университета (ГОУ МГИУ) .
(С 2011 года МГИУ носит название - ФГБОУ ВПО "МГИУ").
Авторы: Крюков А.И., Шубникова И.С., Тройков С.М.

Кафедра АИиСУ уже более 35 лет готовит профессионалов в области разработки и эксплуатации электронных, микропроцессорных, компьютерных, робототехнических, мехатронных и информационных систем управления для автомобильной и аэрокосмической техники, машиностроения и бизнеса. Научно-исследовательская работа сотрудников кафедры ведется в областях, связанных с разработкой систем поддержки принятия решений на основе технологий искусственного интеллекта, анализа и синтеза процессов управления сложными системами, контроля и интеллектуального выявления сбоев аппаратуры. Важным направлением научной деятельности кафедры является проведение исследований в области автоматических и электронных систем транспортных средств.
Существует большое количество всевозможных приложений для написания управляющих программ для МК фирмы Atmel - это среды разработки и отладки на языках низкого уровня (например, бесплатный пакет AVR Studio для разработки программ на языке AVR Assembler), среды разработки на языках высокого уровня (такие как среда WinAVR для разработки программ на С-подобном языке) и есть даже графическая среда разработки и отладки программного обеспечения под названием "Algorithm Builder".

Algorithm Builder стоит особняком среди всех других сред и именно на нем мы и остановимся. Изюминка этого приложения даже не в том, что оно бесплатно, а в том, что код в нем даже не пишется, а рисуется в виде блок-схем алгоритмов, что значительно сокращает время на разработку приложения. Данная среда обеспечивает полный цикл разработки, начиная от ввода алгоритма, включая отладку, и заканчивая внутрисхемным программированием кристалла. В результате вся логическая структура программы становится полностью наглядной.

Разработка программного обеспечения в среде Algorithm Builder сводится к формированию таких блоков задач, размещению их на плоскости и установлению между ними связей из условных и безусловных переходов.

Дабы не переписывать весь мануал по работе со средой Algorithm Builder советую прочитать его самостоятельно, тем более, что приложение отечественного производства и содержит подробнейшее описание на русском языке на основе примеров по работе с ним. Основываясь на личном опыте, можно с уверенностью сказать, что данного мануала (кстати, далеко не объемного - всего на 20-30 мин. изучения) вполне хватает, чтобы полностью понять и разобраться в данном программном продукте.

Скачать Algorithm Builder можно по адресу http://algrom.net/russian.html . А процесс разработки управляющей программы можно посмотреть по ссылке . Таким образом, представим далее готовую программу в описанной среде разработки с подробнейшими комментариями к ней.

Для начала необходимо выбрать тип кристалла (в нашем случае Atmega8) в меню Опции/Опции проекта и там же задать тактовую частоту 8000000 Гц (8 МГц). Далее выполняем сброс кристалла при запуске (Элементы/Прерывания/Reset). После чего инициализируем стек, выбрав Элементы/Настройщик…/Stack Pointer (SP), откроется окошко с которым нужно будет просто согласиться, нажав "ОК" (рис. 2).

Рис. 2. Настройщик стека

Следующим этапом следует инициализировать приемопередатчик USART (не стоит удивляться появлению буквы «S» в аббревиатуре – это более современный вариант UART, отличающийся от него возможностью передавать/принимать данные не только в асинхронном режиме, но и в синхронном) путем выбора меню Элементы/Настройщик…/USART. В открывшемся окошке (рис. 3) в разделе Receiver ставим галочки напротив Enable (включаем приемник данных) и Complete interrupt enable (разрешаем прерывания по окончании приема данных), далее ставим галочку напротив Double Speed, задаем размер символа Character Size: 8 – bit и выставляем скорость передачи данных Baud Rate = 9615 bps (когда нажмете на выбор скорости передачи данных в меню следует выбирать 9600 bps, 9615 bps получается в связи с пересчетом тактовой частоты на 8 МГц).


Рис. 3. Настройщик USART

Основное тело программы будет состоять из последовательности проверок управляющих кодов (листинг №1). Идея в том, что ПК будет присылать по UART код операции, а МК принимать его и вырабатывать соответствующие управляющие воздействия на привод лопастей вентилятора и сервопривод. Всего таких кодов будет три (сами коды можно придумать абсолютно любые):

  • $31 - включить привод лопастей вентилятора;
  • $20 - выключить привод лопастей вентилятора;
  • $A1 - обращение к сервоприводу.

    • Если с первыми двумя кодами все понятно, то с третьим не все так просто - $A1 - это только команда обращения к сервоприводу, далее необходимо получить еще код угла поворота. Экспериментальным путем было установлено, что он колеблется в приделах от $05AF до $154F. При чем отсылать с ПК и соответственно принимать со стороны МК будем начиная с младшего байта. Так же будем запрещать прерывания по приему данных по USART на время исполнения команды - иначе может получиться "каша" из данных.

    Листинг №1

    На листинге №2 приведен код подпрограммы задержки (Delay). Временная задержка необходима для точной и полной отработки команды и формируется путем зацикливания программы на N циклов (методом проб и ошибок мы подсчитали, что в нашем случае наиболее удачное число циклов 84FF в 16-тиричной системе счисления).

    Листинг №2

    Окончание приема данных по UART вызывает прерывание USART_Receive_Complete (если оно в данный момент не запрещено в основном теле программы), которое в коде можно задать через меню Элементы/Прерывания/ USART_Receive_Complete. В теле обработчика следует сохранить все используемые в нем регистры в стек, а в конце обработчика обратно их восстановить из стека. Так же в этом обработчике можно получить байт статуса (регистр UCSRA) для проверки данных на ошибки и, естественно, сами данные из регистра UDR (листинг №3).

    Листинг №3

    Угол поворота сервопривода зависит от ширины подаваемого на него импульса при сохранении периода постоянным (период 20 мс, а длительность управляющего импульса от 0,8 до 2,2 мс, хотя для разных сервоприводов эти значения могут немного отличаться) для этого нам и понадобится подпрограмма отработки угла поворота сервопривода (листинг №4). Время управляющего импульса и время паузы будем задавать аналогично подпрограмме задержки. Как мы уже писали выше, экспериментальным путем для частоты кристалла 8 МГц мы определили, что время импульса задается кодом в приделах от $05AF до $154F. Таким образом, зная время всего периода – $9E3C (определили так же экспериментально), можно рассчитать время паузы как разницу между длительностью периода и длительностью импульса. Остается только аналогично подпрограмме задержки отработать последовательно время импульса и время паузы, а затем повторить такой сигнал несколько раз (в нашем случае мы повторили сигнал $10 раз, т.е. 16 раз в десятичной системе счисления)

    Листинг №4

    После написания кода (прорисовки алгоритма) управляющей программы необходимо ее откомпилировать и прошить в микроконтроллер. Компиляцию программы можно произвести нажатием Ctrl+F9 либо через меню Программа/Компилировать. В случае успешной компиляции появится информационное окно в котором будет указан объем занятой памяти МК.

    Далее необходимо прошить результат компиляции (файл с расширением *.hex без приписки «EE_» вначале, лежащий в той же папке, что и исходник программы) в контроллер. Это можно сделать с помощью бесплатной утилиты AvrProg, входящей в так же бесплатный пакет AVR Studio. Скачать ее можно с сайта mymcu.ru либо с atmel.com (англоязычный сайт).

    Помимо утилиты для прошивки МК потребуется еще и программатор. Его можно либо купить (простые версии стоят относительно недорого) либо спаять самостоятельно.

    Рис. 4. Схема LPT-программатора
    Самый простой из мне известных – LPT-программатор, но он соответственно потребует наличие порта LPT на компьютере, что на данный момент становится редкостью. Идея программатора проста и состоит в соединении порта LPT с интерфейсом ISP и линией Reset контроллера напрямую (рис. 4).

    Другой вариант программатора для самостоятельной сборки – USB-программатор (схема показана на рис. 5), он конечно сложнее, но в последствии может оказаться значительно более удобным. Тем не менее есть одно «но» – для его сборки все равно потребуется LPT-программатор, правда однократно. Он будет необходим для прошивки управляющего контроллера самого программатора с целью прошивки FUSE-битов. Необходимо, чтобы были запрограммированны (установленны в «0») биты SPIEN, CKOPT и SUT0. Обычно МК, идущие с завода, т.е. новые, имеют уже запрограммированный бит SPIEN. Так же желательно (но не обязательно) запрограммировать (установить в «0») бит BODEN. Остальные биты должны быть незапрограммированны (установленны в «1»). Для этого может потребоваться приложение Codevision AVR V2.03.4. Подробное описание сборки USB-программатора можно прочитать тут.