Laboratorium 1.1 – Wojciech Tarnawski

Zakres laboratorium:

Zapoznanie z płytką EDU
Typy zmiennych dla mikrokontrolerów AVR
Operacje bitowe
Rejestry DDRx, PORTx, PINx – sterowanie portami

Zadania do wykonania:

Zadanie 1.1
Zadanie 2.1
Zadanie 2.2
Zadanie 4.1

1. Zapoznanie z płytką EDU (płytka EDU)

opis-EDU — Rozmieszczenie elementów na płytce.

Do czego mogą służyć poszczególne elementy?

Dane techniczne mikrokontrolera ATmega32A:

Rodzina: AVR
Organizacja pamięci Flash: 32kb
Pamięć EEPROM: 1024B
Pamięć SRAM: 2048B
Częstotliwość maksymalna: 16MHz
Napięcie pracy: 2,7 – 5,5V
Liczba wejść/wyjść: 32
Liczba kanałów PWM: 4
Liczba timerów 8-bit: 2
Liczba timerów 16-bit: 1
Obudowa: DIP40

Przykładowy wynik kompilacji:

Program – pamięć Flash

Data – pamięć SRAM (20% – minimalna wartość jaka powinna być dostępna)

Zadanie 1.1

Utworzyć nowy projekt z plikami „GLOBAL.h” i „main.cpp” (szablony plików na stronie Środowisko programistyczne AVR). Podłączyć programator, skompilować i wgrać program do mikrokontrolera.
Ile pamięci zajmuje ten program?

2. Typy zmiennych dla mikrokontrolerów AVR

Mikrokontrolery ATmega32 i ATmega328P są mikrokontrolerami 8-biotowymi (wszystkie rejestry mają pojemność 8 bitów). Oznacza to, że potrafią wykonywać proste operacje tylko na liczbach 8-biotowych, w celu wykonania operacji na większych liczbach mikrokontroler musi wykonać kilka instrukcji, co wpływa na wydajność programu. Dlatego też w pakiecie WinAVR można znaleźć specjalne typy zmiennych z dokładnym sprecyzowaniem rozmiaru zmiennej (stdint.h).

Typy zmiennych dla liczb dodatnich (bez znaku) i całkowitoliczbowych:

uint8_t – 0 – 255
uint16_t – 0 – 65535
uint32_t – 0 – 4294967295
uint64_t – 0 – 18446744073709551615

Zmienne z znakiem i całkowitoliczbowe:

int8_t – -128 – 127
int16_t – -32768 – 32767
int32_t – -2147483648 – 2147483647
int64_t – -9223372036854775808 – 9223372036854775807

Zmienne dla liczb zmiennopozycyjnych (liczba z przecinkiem) – typy zajmujące dużo pamięci:

float
double

Zmienne inne:

char – zmienna 8 bitowa do przechowywania znaków
bool – true/false – przechowuje wartość na pierwszej pozycji bajtu (0b00000001/0b00000000) ale i tak zajmuje 8 bitów.

Bity, bajty itd. – o co w tym chodzi???

uint8_t liczba= 209; uint8_t liczba= 0b11010001; uint8_t liczba= 0xD1;

bajt_01_small — Bajt interpretowany jako liczba bez znaku. Źródło*

int8_t liczba= -47; int8_t liczba= -0b11010001; int8_t liczba= -0xD1;

bajt_02_small — Bajt o tej samej zawartości, teraz interpretowany jako liczba ze znakiem. Źródło*

uint16_t liczba= 37585; uint16_t liczba= 0b1001001011010001; uint8_t liczba= 0x92D1;

dwa_bajty_01_small — Dwa bajty interpretowane jako liczba bez znaku. Źródło*

Zadanie 2.1

wyniki zapisywać na kartce w celu pokazania prowadzącemu
przygotować i skompilować poniższy program

C++

#include "GLOBAL.h"

uint8_t zmienna[10];
int main() {
	zmienna[5]=5;
}

#include "GLOBAL.h"

uint8_t zmienna[10];

int main() {

zmienna[5]=5;

}

ile pamięci zajmuje program przy rozmiarze tablicy 10?
zmienić rozmiary tablicy na 100,1000,2000
zanotować informacje o wykorzystanej ilości pamięci
zmienić typ uin8_t na int i przeprowadzić takie same badania

Zadanie 2.2

skompilować poniższy program:

C++

#include "GLOBAL.h"

volatile float zmienna;
int main() {
    zmienna=5;
    zmienna+=4;

}

#include "GLOBAL.h"

volatile float zmienna;

int main() {

zmienna=5;

zmienna+=4;

}

ile pamięci zajmuje program, którzy wykorzystuje liczby zmiennoprzecinkowe
zmienić typ liczby „zmienna” z float na uint8_t
ile pamięci teraz zajmuje program, ile pamięci dodatkowo musi wykorzystać kompilator aby móc obsługiwać liczby zmiennoprzecinkowe?

Jakie wnioski można wysunąć? Przemyśleć i zaprezentować prowadzącemu wyniki i przedstawić wnioski.

3. Operacje bitowe

Zaprzeczenie NOT: ~
Iloczyn AND: &
Suma OR: |
Suma wyłaczająca XOR: ^
Przesunięcie w prawo: >>
Przesunięcie w lewo: <<

Zapoznać się z działaniem operacji: link1, link2

W pliku „GLOBAL.h” znajdują się funkcje do operacji bitowych:

sbi(rejestr,bit) – ustawia w rejestrze bit(pozycje) jako 1 – SET
cbi(rejestr,bit) – ustawia w rejestrze bit(pozycje) jako 0 – CLEAR
tbi(rejestr,bit) – ustawia w rejestrze bit(pozycje) na przeciwną wartość – TOGGLE

4. Rejestry DDRx, PORTx,PINx – sterowanie portami

ATmega32A - wyprowadzenia — ATmega32A – wyprowadzenia

Wyprowadzenia mikrokontrolera – sterowanie:

Port A – PA0-PA7 – DDRA, PORTA, PINA
Port B – PB0-PB7 – DDRB, PORTB, PINB
Port C – PC0-PC7 – DDRC, PORTC, PINC
Port D – PD0-PD7 – DDRD, PORTD, PIND

Rejestry – a o co chodzi?

Rejestr DDRx – rejestr kierunku:

0 – ustawia wyprowadzenie jako wejście
1 – ustawia wyprowadzenie jako wyjście

Rejestr PORTx – rejestr wyjściowy – gdy DDRx ==1:

0 – ustawia wyprowadzenie w stan niski
1 – ustawia wyprowadzenie w stan wysoki

Rejestr PORTx – rejestr wyjściowy – gdy DDRx ==0:

0 – nic nie robi (stan wysokiej impedancji)
1 – pull-UP – podciągnięcie wyprowadzenia do VCC przez rezystor 10k (zapobiega pojawianiu się nieokreślonych stanów na wyprowadzeniu)

Rejestr PINx – rejestr wejściowy – tylko do odczytu:

0 – oznacza stan niski na wyprowadzeniu
1 – oznacza stan wysoki na wyprowadzeniu

Podsumowując:

	DDRx	PORTx	PINx*
Wyjście stan niski	1	0
Wyjście stan wysoki	1	1
Wejście wysoka impedancja	0	0
Wejście PULL-UP	0	1
Odczyt wejścia – stan wysoki	0	x	1
Odczyt wejścia – stan niski	0	x	0

*-tylko do odczytu

W celu ustawienia wyprowadzenie PD6 jako wyjście w stanie wysokim należy:

C++

sbi(DDRD,PD6); //Ustawia wyprowadzenie PD6 do pracy jako wyjście
sbi(PORTD,PD6); //Ustawia stan wysoki na wyprowadzeniu PD6

1 2	sbi(DDRD,PD6); //Ustawia wyprowadzenie PD6 do pracy jako wyjście sbi(PORTD,PD6); //Ustawia stan wysoki na wyprowadzeniu PD6

W celu ustawienia wyprowadzenie PD6 jako wyjście w stanie niskim należy:

C++

sbi(DDRD,PD6); //Ustawia wyprowadzenie PD6 do pracy jako wyjście
cbi(PORTD,PD6); //Ustawia stan niski na wyprowadzeniu PD6

1 2	sbi(DDRD,PD6); //Ustawia wyprowadzenie PD6 do pracy jako wyjście cbi(PORTD,PD6); //Ustawia stan niski na wyprowadzeniu PD6

Program realizujący miganie diodą:

C++

int main() {
    sbi(DDRD, PD6);

    while (1) {
        sbi(PORTD, PD6);
        _delay_ms(500);
        cbi(PORTD, PD6);
        _delay_ms(500);

    }
}

int main() {

sbi(DDRD, PD6);

while (1) {

sbi(PORTD, PD6);

_delay_ms(500);

cbi(PORTD, PD6);

_delay_ms(500);

}

Można też krócej:

C++

int main() {
	sbi(DDRD, PD6);

	while (1) {
		tbi(PORTD, PD6);
		_delay_ms(500);
	}
}

int main() {

sbi(DDRD, PD6);

while (1) {

tbi(PORTD, PD6);

_delay_ms(500);

}

Pierwsze kroki:

podłączyć port D do linijki diodowej według schematu (jeśli zworki są w innym położeniu to należy je przepiąć):

led-linijka — Zworki powinny być u góry (założone na VCC i A)

ustawić cały port D jak wyjścia – będzie służył do sterowania diodami. W celu uruchomienia diody należy ustawić stan niski na wyprowadzeniu mikrokontrolera.

Kilka sposobów:

DDRD=0xFF;
DDRD |= (1<<PD0) | … | (1<<PD7)
sbi(DDRD, PD0) … sbi(DDRD, PD7)

Zadanie 4.1 – sterowanie wyprowadzeniami mikrokontrolera:

włączyć wszystkie diody LED – jak można to zrobić, przetestować 3 sposoby
napisać funkcję, która będzie mrugała wszystkimi diodami z częstotliwością 1s
przygotować funkcje, która będzie realizowała zadanie „biegający punkt”. Jedna dioda na linijce diodowej jest włączona i porusza się w lewo lub w prawo – w zależności gdzie świecący punkt był wcześniej.

Zadanie domowe (wykonuje każda osoba samodzielnie):

zapoznać się z tworzeniem schematów elektronicznych (Link1, Link2)
narysować schemat elektroniczny na podstawie układu z zadania 4.1 (biegający punkt)
schemat musi zawierać: mikrokontroler, podłączenie programatora, układ stabilizacji napięcia, diody LED z rezystorami
schematy mogą być wykonane w programie komputerowym lub narysowane odręcznie,
kompletne/prawidłowe schematy należy przynieść na kolejne zajęcia na kartce A4

Zadania na przyszłe laboratorium:

Utrwalić wiadomości dotyczące obsługi portów (rejestr DDRx, PORTx, PINx – do czego służy, jak czytać?)
Co to jest klawiatura matrycowa, jak obsługiwać? (klawiatura 4×4)
Wyświetlacz LCD oparty o sterownik HD44780 – jak obsługiwać?
Algorytm kalkulatora liczb całkowitych opartego o klawiaturę 4×4 (problem wczytywania liczb), wyświetlacz LCD (dodawanie, odejmowanie, mnożenie, wynik, anuluj)

* – http://apollo.astro.amu.edu.pl/PAD/index.php?n=Dybol.DydaktykaBinaria1