Mikrocontroller-Einstieg mit myAVR

Mikrocontroller-Einstieg mit myAVR
PC-Technik
Mikrocontroller-Einstieg
Teil 1
mit myAVR
Keine Angst vor dem Einstieg in die Welt der Mikrocontroller-Programmierung!
Die myAVR-Sets enthalten alles Nötige für den schnellen und fundierten
Beginn der Programmierer-Karriere – Experimentier-Board mit ATMELController, Lehrbuch, Software-Paket, Kabel, sämtliches Zubehör.
Wir arbeiten uns im Verlaufe der Artikelserie anhand dieses Sets Schritt für
Schritt in den Umgang mit dem AVR-Prozessor sowie den Programmiersprachen ein und zeigen anhand zahlreicher praktischer Anwendungen, dass es
durchaus nicht kompliziert ist, in die Welt der Mikrocontroller einzusteigen.
Der erste Teil stellt das Experimentiersystem vor und gibt einen Einblick in den Aufbau und die Funktion des behandelten Prozessors bis hin zu dessem Befehlssatz.
Zusätzlich gewinnen wir einen ersten Einblick in die Entwicklungsumgebung „SiSy“.
ATMELs beliebte Problemlöser
Die AVR-8-Bit-RISC-Controller der
Reihen ATtiny und ATmega von ATMEL
erfreuen sich bei Elektronikern einer hohen
Beliebtheit. Durch ihre kompakte und vielseitige Architektur erweisen sie sich als
einfach zu handhabende Problemlöser für
vieleAufgaben, zumal ein großer Teil der benötigten Hardware, wie A/D-D/A-Wandler,
UART usw. bereits Bestandteil des dennoch
kompakten Controllers sind. Programmierer schätzen die einfach zu handhabende
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AVR kl-MB.indd 76
und übersichtliche Art der Programmierung, eines der Hauptargumente vieler Programmierer, den AVR gegenüber dem ansonsten funktionell nahen Verwandten PIC
vorzuziehen. Entsprechend findet man die
AVR-Controller in zunehmend mehr Schaltungslösungen – sie sorgen für ein übersichtliches und ökonomisches HardwareDesign und sind auch von ProgrammierEinsteigern einfach zu programmieren.
Bereits vor 5 Jahren haben wir uns ausführlich mit den Grundlagen der AVR-Architektur und -Programmierung beschäftigt. Seither hat sich viel getan. ATMEL
hat die Angebotsbreite der beliebten Controller enorm erweitert, die EntwicklungsTools sind immer besser handhabbar, und
man findet für jedes zu lösende Problem
den passenden Controller.
Der Hersteller bietet für den professionellen Entwickler mehrere EntwicklungsKits an, großer Beliebtheit erfreut sich z. B.
das AVR-Starter-Kit STK 500.
Wie gesagt, derartige Werkzeuge wenden sich jedoch an den Profi-Entwickler,
also an den, der etwa schon Programmiersprachen wie Assembler oder C beherrscht
und außer einer passenden EntwicklungsELVjournal 2/06
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umgebung kaum weitere Mittel zur Programmierung benötigt.
Anders hingegen stellt sich eine solche
professionelle Entwicklungsumgebung
dem Einsteiger, dem Auszubildenden,
Studierenden oder ganz einfach nur dem
bisherigen „Hardware“-Elektroniker, der
auch gern in die Welt des Mikrocontrollers
einsteigen möchte, dar – es wird schlicht
alles benötigte Wissen und viel Erfahrung
vorausgesetzt. Und manche Werkzeuge
sprengen auch den finanziellen Rahmen,
den diese Klientel sich setzen kann bzw.
will. Ergo kapitulieren viele potentielle Anwender vor der Hürde, ähnlich, wie es vor
Jahren bei den PICs zu beobachten war.
Bild 1: Das AVR-Starter-Kit enthält alles,
was man zum Start in
die Welt des Mikrocontrollers benötigt.
SiSy® und myAVR –
Lösung für Einsteiger
Dieses Problems hat sich die sächsische
Firma Laser & Co. Solutions GmbH angenommen. Das Credo: einfach zu verstehende Software entwickeln, was sich im Markenzeichen „SiSy“ manifestiert: „SimpleSystem“. Diesem Credo verpflichtet, bietet
Laser & Co. nun das „myAVR“-System an,
ein Mikrocontroller-Experimentier- und
Lernsystem für Hobby, Lehre, Studium und
Beruf. Es besteht aus einer Reihe von einzelnen Hardware-Komponenten, der komplett deutschen Entwicklungsumgebung
„SiSy AVR“ und umfangreichem Lehrmaterial, das Schritt für Schritt, nur sehr
wenige Grundkenntnisse voraussetzend, in
die Programmierung der AVR-Controller
einführt. Jeder Schritt kann praktisch am
passenden myAVR-Board nachvollzogen
werden, so dass man sehr schnell zu einem
Erfolgserlebnis kommt, das zur Lösung
der gestellten Übungsaufgaben anspornt.
Einschränkend ist hier allenfalls zu vermerken, dass einige wenige Begriffe der
Programmierung bekannt sein müssen, eine
frühere Begegnung etwa mit BASIC macht
den Einstieg leichter und man muss nicht
erst Begriffe wie z. B. „Variable“ lernen.
Wird das System in der Lehre verwendet,
wird diese Einschränkung obsolet, da hier
ohnehin eine Einführung in Grundsatzbegriffe und -techniken erfolgt. Der SelbstStudierende wird ebenfalls über geeignetes
Lehr- bzw. Fachliteratur-Material verfügen,
um diesen minimalen Voraussetzungen gerecht zu werden.
Dem, der bereits in Assembler, C oder
BASCOM programmieren kann, wird hier
ein besonders einfach zu handhabendes
Werkzeug in die Hand gegeben, um schnell
zum erwarteten Ergebnis, einem lauffähigen und direkt an der Hardware erprobten Programm, zu gelangen.
Das AVR-Starter-Kit (Abbildung 1) enthält faktisch alles, was man zum Einstieg
benötigt, bis hin zum kompletten Kabelsatz.
Der recht günstige Preis spricht für sich,
immerhin erhält man hierfür ein komplett
deutschsprachiges Entwicklungs-Kit und
sämtliche erforderliche Hardware dazu bis
hin zu einem ATmega-Controller.
Hauptbestandteile des Kits sind die Entwicklungsumgebung „SiSy AVR“ auf CDROM (mit deutschem Benutzerhandbuch),
Bild 2: Das myAVR-Board ist als Seriell-/ParallelportVersion und mit USB-Schnittstelle erhältlich.
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das auf die Software und das AVR-Board
zugeschnittene AVR-Lehrbuch mit ca.
200 Seiten und schließlich das „myAVRBoard“ (Abbildung 2), das neben einem
ATmega8-Controller eine Reihe für alle
denkbaren Versuche nützlicher Peripherie enthält.
Dazu ergänzen Kabel, Batterie, Arbeitsblätter, Schnelleinstieg usw. den Lieferumfang – es kann sofort losgehen, nur ein PC,
je nach Kit mit LPT- oder USB-Schnittstelle, wird noch benötigt.
Das Plus-Set der Reihe enthält zusätzlich
einen direkt an das AVR-Board ansteckbaren Bausatz für die Programmierung
der beliebten ATtiny-Controller (inklusive einem ATtiny12) und als Highlight ein
komplettes, ebenfalls an das AVR-Board
ansteckbares LCD-Board mit einem zweizeiligen, beleuchtbaren LC-Display (Abbildung 3). Dazu gibt es ein umfangreiches
Lehrheft zur LCD-Programmierung, das
auf ca. 50 Seiten wirklich alles zur LCDProgrammierung, auch in verschiedenen
Bild 3: Interessante
Zusatzbaugruppe – das
LCD-Board wird direkt auf den Expansionsport
des myAVR gesteckt. Das Board ist nebst LCD-Programmierlehrgang in der Plus-Version des AVR-Starter-Kits enthalten.
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PC-Technik
RS232-Port (COM)
ISP-Port (LPT)
RS232-Umsetzer
Spannungsversorgung
9 VAC/DC
RESET
µC ATmega8
Taster (Digital-in)
Signalgeber
Potentiometer
(Analog-in)
LEDs
(Digital/Analog)
Port D
2.......7
Port B
0.......5
Port C
0.......5
Eingabegeräte
Ausgabegeräte
Bild 4: Der funktionelle Aufbau
des myAVR-Boards
Betrieb
Programmiersprachen, erklärt.
Für weitergehende Experimente und
Lösungen sind eine Reihe von HardwareKomponenten verfügbar, so etwa direkt
ansteckbare Laborkarten oder ein Metalldetektor-Projekt.
Mit Hilfe der zahlreichen Beispielprogramme ist es dem, der es ganz schnell
wissen will, möglich, in wenigen Schritten
sein erstes Programm zu laden, zu kompilieren, auf den Controller zu übertragen
und zu testen. Anschließend entsteht automatisch der Wunsch, zu verstehen, wie
es funktioniert, wie man es anpassen, verbessern und erweitern kann.
Besonders für Lehrpersonal ist diese
Komplettlösung ideal, kann man doch
kostengünstig und unter für jeden Auszubildenden völlig gleicher Hard- und Software-Ausstattung den Einstieg in die Mikrocontroller-Programmierung lehren. Für
Lehrer sind übrigens speziell zusammenge-
Bild 5: Anschlussbelegung
der AVRMikrocontroller,
oben
ATtiny,
unten
ATmega8
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AVR kl-MB.indd 78
Expansionsport
5 V out
stellte Paketlösungen, z. B. mit erweiterter
Hardware-Ausstattung, verfügbar.
Werfen wir zunächst einen Blick auf die
Experimentier-Hardware, wozu auch das
Wichtigste zur eingesetzten Controllerfamilie gehört, bevor wir uns der Entwicklungsumgebung und ersten Software-Projekten widmen. Dabei wollen wir allerdings
nicht das umfangreiche Handbuch zum
System ersetzen, dessen Inhalt führt über
das Anliegen unserer Artikelserie weit hinaus, sowohl von der Grundlagenseite her
als auch von der Projektausführung. Auch
überlassen wir den ausführlichen Assemblerkurs dem Lehrbuch. Vielmehr unternehmen wir einen Exkurs durch das Thema
mit aktuellen Bezügen zur Entwicklung
des Systems.
Und schließlich gehört zur „festen Verdrahtung“ des Boards noch die Takterzeugung
via 3,686411-MHz-Quarz.
Jeweils über die beigelegten Drahtbrücken und Buchsenleisten werden die Ports
des Mikrocontrollers entsprechend der zu
lösenden Aufgabe mit den Leuchtdioden,
dem Piezo-Signalgeber, Tasten und Potentiometern auf der Platine verbunden, die
als E/A-Bauteile dienen. All diese Bauteile reichen, um den 200-seitigen Mikrocontroller-Lernkurs ohne weitere Hardware
zu bewältigen. Alle Ports des Controllers
sind über eine Buchsenleiste herausgeführt,
an die weitere Baugruppen, z. B. die LCDBaugruppe oder eine eigene Applikation,
einfach ansteckbar sind.
Der Mikrocontroller
Das Experimentier-Board „myAVR“
Das „myAVR“ ist in zwei Versionen verfügbar, die sich in der Art des Anschlusses
an den PC unterscheiden. Während die
eine Version den Kontakt über eine parallele und serielle Schnittstelle herstellt, erfüllt die zweite Version diese Aufgabe per
USB-Port.
Zentraler Part des Boards (Abbildung 4)
ist natürlich der auf einer Steckfassung
untergebrachte ATmega8-Controller, der
dank seiner In-System-Programmierbarkeit (Kürzel: ISP) direkt hier programmierbar ist.
Die Spannungsversorgung erfolgt über
eine 9-V-Spannungsquelle. Eine Spannungsregler-Baugruppe sorgt für eine stabile 5-V-Betriebsspannung auf dem Board.
Eine Pegelwandler-Baugruppe mit dem
MAX 232 realisiert die Umsetzung zwischen der seriellen Schnittstelle des Mikrocontrollers und der RS232-Schnittstelle.
Da man für die jeweils anstehende Aufgabenlösung nicht ohne Grundkenntnisse
über den Aufbau und die Arbeitsweise
des Mikrocontrollers auskommt, wollen
wir uns zunächst diesem zuwenden. Der
hier betrachtete ATmega8-Controller ist in
der grundsätzlichen Architektur all seinen
AVR-Verwandten ähnlich. Die Controllerbaureihe unterscheidet sich im Wesentlichen nur durch die Anzahl der I/O-Ports
und die Speicherausstattung von seinen
„großen“ Verwandten. Auch der ATtinyMini-Controller passt in dieses Schema.
Die Anschlussbelegung der beiden Controller, die auf dem Board vorhanden bzw.
im ATtiny-Programmierbausatz enthalten
sind, ist in Abbildung 5 zu sehen.
Zum Grundverständnis des ControllerAufbaus werfen wir einen Blick auf Abbildung 6. Hier sind die Hauptbaugruppen eines Mikrocontrollers zu sehen. Der
entscheidende Unterschied zu einer reinen
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Zentraleinheit (CPU, Prozessor), wie wir
sie etwa vom PC her kennen, ist die Ausstattung mit weiteren Bausteinen wie Speicher, analogen und digitalen I/O-Baugruppen, Schnittstellencontrollern, Timern usw.
Natürlich darf man die Rechenleistung
und den Befehlsumfang der kleinen Zentraleinheit eines solchen Controllers nicht
mit der einer PC-CPU vergleichen, für die
Ausführung der für diese Controller spezifischen Aufgaben sind Rechenleistung und
Befehlsumfang (hieraus leitet sich auch der
Begriff RISC-Prozessor ab: Reduced Instruction Set Computer – eingeschränkter
Befehlssatz) jedoch ausreichend. Nur durch
diese Architektur sind MikrocontrollerBaugruppen extrem kompakt (und stromsparend) aufzubauen, man benötigt kaum
Peripherie. Da der Befehlsaufbau mit nur
wenigen, einfach strukturierten Befehlen
(Tabelle 1 am Ende des Artikels zeigt eine
Kurzübersicht aller von den AVR-Mikrocontrollern unterstützten Befehle, hierauf
kommen wir im Verlauf der Serie zurück)
erfolgt, konnte man den Rechnerkern auf
hohe Rechengeschwindigkeit optimieren,
so sind die Controller auch bis hin zu Echtzeitaufgaben einsetzbar. Dazu kommt eine
auf die Controller-Architektur speziell zugeschnittene Programm-Übersetzung und
-Bearbeitung, die die Abarbeitungsgeschwindigkeit von Befehlen nochmals erhöht – RISC-Prozessoren sind VCC
in der Welt der Ein-Chip-Rechner die
schnellsten Prozessoren!
Abbildung 7 zeigt bereits ein komplexeres Bild – den Aufbau unseres ver- GND
wendeten AVR ATmega8. Hier finden AVCC
sich alle besprochenen Baugruppen in
AGND
detaillierter Aufteilung wieder.
AREF
Register, RAM, ROM, Flash …
Wichtig für das Verständnis bei der
späteren Programmierung ist hier noch
der etwas detailliertere Blick in die
Speicherausstattung. Mikrocontroller
verfügen über mehrere Speicherarten,
die jeweils unterschiedliche Aufgaben haben.
Direkt im Kontakt mit dem Prozessorkern, dem Rechenwerk (ALU), verbunden sind die Register. Diese dienen der Verwaltung des Befehlscodes,
sie sind die Operanden und Ergebnisspeicher für die direkten Maschinen-
Bild 6:
Grundaufbau
eines Mikrocontrollers
Zentraleinheit
InterruptController
.......
befehle des Rechenwerks. Die einzelnen
Register haben jeweils bestimmte Aufgaben, wie wir noch im Verlaufe der Programmentwürfe sehen werden. Wichtig zu
wissen ist die Tatsache, dass die Speicherinformationen der Register beim Abschalten
der Betriebsspannung gelöscht sind!
Das sind auch die des SRAM-Datenspeichers. Der dient zur Speicherung der bei der
Abarbeitung von Programmen anfallenden
Programmdaten sowie aller Informationen,
die nicht fest im eigentlichen Programm
des Controllers verankert sind, etwa auch
von außen erfasster bzw. eingegebener oder
zwischengespeicherter Daten. Seine Leseund Schreibzeiten sind sehr kurz, so dass
der SRAM der schnellste Speicher des hier
besprochenen Verbunds ist.
Die dritte Klasse von Speichern sind die
nicht flüchtigen Speicher. Diese kommen
als ROM oder (E)EPROM vor. Sie behalten grundsätzlich einmal hier gespeicherte Informationen, auch bei Abschalten der
Betriebsspannung, und eignen sich so z. B.
für die Speicherung des Betriebsprogramms
eines Controllers, das beim Wiedereinschalten sofort zur Verfügung steht.
Im ROM werden Daten fest gespeichert,
PC 0.....PC 5
PORT C DRIVERS
DATA REGISTER
PORT C
DATA DIR
REG PORT C
8-BIT DATA BUS
ADC
ANALOG MUX
PROGRAM
COUNTER
STACK
POINTER
PROGRAM
FLASH
SRAM
INSTRUCTION
REGISTER
GENERAL
PURPOSE
REGISTERS
INSTRUCTION
DECODER
X
Y
Z
CONTROL
LINES
ALU
INTERNAL
OSCILLATOR
OSCILLATOR
WATCHDOG
TIMER
TIMING AND
CONTROL
XTAL1
XTAL2
RESET
MCU CONTROL
REGISTER
TIMER/
COUNTERS
INTERRUPT
UNITS
EEPROM
STATUS
REGISTER
SPI
DATA DIR
REG PORT B
PORT B DRIVERS
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COUNTER/
TIMER
Analog-/
DigitalWandler
serielle
Schnittstelle
.......
DATA REGISTER
PORT B
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EEPROM/
FLASH
Interner
Bus
parallele
I/O
PROGRAMMING
LOGIC
Bild 7:
Blockschaltbild des ATmega8
SRAM
PB 0.....PB 5
UART
DATA REGISTER
PORT D
DATA DIR
REG PORT D
+
-
ANALOG
COMPARATOR
PORT D DRIVERS
PD 0.....PD 7
79
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PC-Technik
Tabelle 1: Kurzübersicht aller von den AVR-Mikrocontrollern unterstützten Befehle
Arithmetik- und Logikbefehle
Sprung-Anweisungen
Mnemonics
ADD
ADC
ADIW
SUB
SUBI
SBC
SBCI
SBIW
AND
ANDI
OR
ORI
EOR
COM
NEG
SBR
CBR
INC
DEC
TST
CLR
SER
MUL
MULS
MULSU
FMUL
FMULS
FMULSU
Mnemonics
RJMP
IJMP
EIJMP
JMP
RCALL
ICALL
EICALL
CALL
RET
RETI
CPSE
CP
CPC
CPI
SBRC
SBRS
SBIC
SBIS
BRBS
BRBC
BREQ
BRNE
BRCS
BRCC
BRSH
BRLO
BRMI
BRPL
BRGE
BRLT
BRHS
BRHC
BRTS
BRTC
BRVS
BRVC
BRIE
BRID
Operands
Rd, Rr
Rd, Rr
Rd, K
Rd, Rr
Rd, K
Rd, Rr
Rd, K
Rd, K
Rd, Rr
Rd, K
Rd, Rr
Rd, K
Rd, Rr
Rd
Rd
Rd,K
Rd,K
Rd
Rd
Rd
Rd
Rd
Rd,Rr
Rd,Rr
Rd,Rr
Rd,Rr
Rd,Rr
Rd,Rr
Description
Add without Carry
Add with Carry
Add Immediate to Word
Subtract without Carry
Subtract Immediate
Subtract with Carry
Subtract Immediate with Carry
Subtract Immediate from Word
Logical AND
Logical AND with Immediate
Logical OR
Logical OR with Immediate
Exclusive OR
One’s Complement
Two’s Complement
Set Bit(s) in Register
Clear Bit(s) in Register
Increment
Decrement
Test for Zero or Minus
Clear Register
Set Register
Multiply Unsigned
Multiply Signed
Multiply Signed with Unsigned
Fractional Multiply Unsigned
Fractional Multiply Signed
Fractional Multiply Signed with
Unsigned
Befehle zum Datentransfer
Mnemonics
MOV
MOVW
LDI
LDS
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LDD
LD
LD
LD
LDD
STS
ST
ST
ST
ST
ST
ST
STD
ST
ST
ST
STD
LPM
LPM
LPM
ELPM
ELPM
ELPM
SPM
ESPM
IN
OUT
PUSH
POP
80
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Operands
Rd, Rr
Rd, Rr
Rd, K
Rd, k
Rd, X
Rd, X+
Rd, -X
Rd, Y
Rd, Y+
Rd, -Y
Rd,Y+q
Rd, Z
Rd, Z+
Rd, -Z
Rd, Z+q
k, Rr
X, Rr
X+, Rr
-X, Rr
Y, Rr
Y+, Rr
-Y, Rr
Y+q,Rr
Z, Rr
Z+, Rr
-Z, Rr
Z+q,Rr
Rd, Z
Rd, Z+
Rd, Z
Rd, Z+
Rd, A
A, Rr
Rr
Rd
Description
Copy Register
Copy Register Pair
Load Immediate
Load Direct from data space
Load Indirect
Load Indirect and Post-Increment
Load Indirect and Pre-Decrement
Load Indirect
Load Indirect and Post-Increment
Load Indirect and Pre-Decrement
Load Indirect with Displacement
Load Indirect
Load Indirect and Post-Increment
Load Indirect and Pre-Decrement
Load Indirect with Displacement
Store Direct to data space
Store Indirect
Store Indirect and Post-Increment
Store Indirect and Pre-Decrement
Store Indirect
Store Indirect and Post-Increment
Store Indirect and Pre-Decrement
Store Indirect with Displacement
Store Indirect
Store Indirect and Post-Increment
Store Indirect and Pre-Decrement
Store Indirect with Displacement
Load Program Memory
Load Program Memory
Load Program Memory and PostIncrement
Extended Load Program Memory
Extended Load Program Memory
Extended Load Program Memory
and Post-Increment
Store Program Memory
Extended Store Program Memory
In From I/O Location
Out To I/O Location I/O
Push Register on Stack
Pop Register from Stack
Operands
k
k
k
k
Rd,Rr
Rd,Rr
Rd,Rr
Rd,K
Rr, b
Rr, b
A, b
A, b
s, k
s, k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
Description
Relative Jump
Indirect Jump to (Z)
Extended Indirect Jump to (Z)
Jump
Relative Call Subroutine
Indirect Call to (Z)
Extended Indirect Call to (Z)
Call Subroutine
Subroutine Return
Interrupt Return
Compare, Skip if Equal
Compare
Compare with Carry
Compare with Immediate
Skip if Bit in Register Cleared
Skip if Bit in Register Set
Skip if Bit in I/O Register Cleared
Skip if Bit in I/O Register Set
Branch if Status Flag Set
Branch if Status Flag Cleared
Branch if Equal
Branch if Not Equal
Branch if Carry Set
Branch if Carry Cleared
Branch if Same or Higher
Branch if Lower
Branch if Minus
Branch if Plus
Branch if Greater or Equal, Signed
Branch if Less Than, Signed
Branch if Half Carry Flag Set
Branch if Half Carry Flag Cleared
Branch if T Flag Set
Branch if T Flag Cleared
Branch if Overflow Flag is Set
Branch if Overflow Flag is Cleared
Branch if Interrupt Enabled
Branch if Interrupt Disabled
Bit- und Bit-Test-Befehle
Mnemonics
LSL
LSR
ROL
ROR
ASR
SWAP
BSET
BCLR
SBI
CBI
BST
BLD
SEC
CLC
SEN
CLN
SEZ
CLZ
SEI
CLI
SES
CLS
SEV
CLV
flow
SET
CLT
SEH
CLH
NOP
SLEEP
WDR
Operands
Rd
Rd
Rd
Rd
Rd
Rd
s
s
A, b
A, b
Rr, b
Rd, b
Description
Logical Shift Left
Logical Shift Right
Rotate Left Through Carry
Rotate Right Through Carry
Arithmetic Shift Right
Swap Nibbles
Flag Set
Flag Clear
Set Bit in I/O Register
Clear Bit in I/O Register
Bit Store from Register to T
Bit load from T to Register
Set Carry
Clear Carry
Set Negative Flag
Clear Negative Flag
Set Zero Flag
Clear Zero Flag
Global Interrupt Enable
Global Interrupt Disable
Set Signed Test Flag
Clear Signed Test Flag
Set Two’s Complement Overflow
Clear Two’s Complement OverSet T in SREG
Clear T in SREG
Set Half Carry Flag in SREG
Clear Half Carry Flag in SREG
No Operation
Sleep
Watchdog Reset
ELVjournal 2/06
15.03.2006 10:06:09 Uhr
Das soll es zunächst in puncto Hardware gewesen sein, widmen wir uns nun
der Software bzw. der Programm-Entwicklungsumgebung.
Werkzeuge/Menüs
Aktionen
Projekt-Navigator
Die Entwicklungsumgebung SiSy
Zeileneditor
Assistent
Online-Hilfe
Datei-/Programmobjekt
Objekt-Bibliothek
Quellcode des
PAP-Objektes
ProjektNavigator
ProgrammAblaufplan
Bild 8:
Die Programmieroberfläche von SiSy: Die
beiden Beispiele zeigen
die verschiedenen
Programmiermethoden
per Zeileneditor und per
Programmablaufplan.
Objekt-Bibliothek
sie sind zwar auslesbar, aber nicht mehr veränderbar. Der ROM ist ein Einmal-Speicher
– einmal mit Daten geladen, ist der Festspeicher nicht mehr löschbar.
Ganz im Unterschied zum EPROM.
Dieses ist zwar ebenfalls ein Festwertspeicher wie das ROM, es ist jedoch durch Bestrahlung eines Löschfensters im Gehäuse
per UV-Licht löschbar und daraufhin wieder neu beschreibbar. Die Zahl der Lösch-/
Schreib-Vorgänge ist jedoch begrenzt.
Der moderne Ableger des EPROMs ist
das elektrisch löschbare EEPROM. Es ist
von außen mit einem elektrischen Impuls
blockweise löschbar und bis zu hunderttausend Mal wieder neu beschreibbar. Somit
kann es sehr einfach mehrfach beschrieben
ELVjournal 2/06
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werden, auch wenn dies nicht sehr schnell
erfolgt. Diese geringe Lese- und Schreibgeschwindigkeit ist bei der Konzipierung
des Programms zu beachten.
Deutlich schneller arbeiten die modernsten nicht flüchtigen Speicher – die FlashSpeicher. Sie sind schnell, behalten ihre
Daten auch beim Abschalten der Spannungsversorgung und sind immer wieder
beschreibbar, wenn auch nicht so oft wie
die EEPROMs. Über ihre serielle Schnittstelle eignen sie sich hervorragend für die
Programmierung des Controllers, etwa von
einem PC aus.
Bis auf das ROM finden wir alle besprochenen Speicherarten in unserem AVR ATmega8 wieder, wie Abbildung 7 beweist.
Bevor wir die eigentliche Entwicklungsumgebung betrachten, müssen wir uns den
üblichen Gang der Programm-„Produktion“ vergegenwärtigen – die folgenden
Schritte werden uns immer wieder begleiten. Zuerst wird der Quellcode in einem
geeigneten (ASCII-Text-)Editor geschrieben. Hier erfolgt die Zusammenstellung der
einzelnen Befehle, von der Initialisierung
des Controllers über die Zusammenstellung
der Unterprogramme bis zum Abschluss
des Programms.
Dieser Quellcode muss anschließend in
die so genannte Maschinensprache übersetzt werden, einen Code, der vom Rechenwerk des Controllers direkt „verstanden“
wird und durch diesen abarbeitbar ist. Diese
Übersetzung übernimmt ein Compiler. Er
prüft auch den Quellcode auf syntaktische
Fehler. Um mehrere Objektdateien (Programmteile) zu einer ausführbaren Programmdatei zusammenzufügen, kommt ein
so genannter Linker zum Einsatz.
Zur Programmierumgebung gehören
auch Testwerkzeuge, die eine Programmlaufsimulation sowie eine systematische
Fehlersuche ermöglichen, Simulatoren
und Debugger.
Und schließlich gehören noch Werkzeuge für die Übertragung des Maschinencodes in das EEPROM oder, wie bei unserem ATmega8, in den Flash-Speicher des
Controllers hierzu. Bei manchen Programmierumgebungen, wie auch bei „SiSy“,
sind die Schritte Linken (Übersetzen der
Objektdatei in eine für den Controller ausführbare Hexdatei) und Speichern auf den
Flash-Speicher („Brennen“) getrennt, bei
anderen hingegen ist dies nur ein Werkzeug, das lediglich Rückfragen vor dem
Brennen stellt.
Kommen wir damit zu „SiSy“, einem so
genannten Modellierungswerkzeug, das für
die objektorientierte Programmierung von
Branchenlösungen entwickelt wurde. Unsere hier genutzte Entwicklungsumgebung ist
ein Add-on für dieses Modellierungswerkzeug, das speziell für die AVR-Programmierung entwickelt wurde. Es erlaubt sowohl
die einfache Programmentwicklung über
einen üblichen Programmeditor als auch die
Generierung eines Programms über einen
grafischen Programmablaufplan (PAP). Abbildung 8 vermittelt einen ersten Eindruck
dieser beiden Vorgehensweisen anhand der
Bedienoberfläche von SiSy.
Diese werden wir anhand erster Programmierschritte in der nächsten Ausgabe
eingehender kennen lernen.
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PC-Technik
Mikrocontroller-Einstieg
Teil 2
mit myAVR
Keine Angst vor dem Einstieg in die Welt der Mikrocontroller-Programmierung!
Die myAVR-Sets enthalten alles Nötige für den schnellen und fundierten Beginn der Programmierer-Karriere – Experimentier-Board mit ATMELController, Lehrbuch, Software-Paket, Kabel, sämtliches Zubehör.
Im zweiten Teil unserer Serie zum Einstieg in die AVR-Programmierung betrachten wir den AVR-Assembler, gehen auf die Grundlagen der Ein- und Ausgabe-Register ein und zeigen das erste praktische Programmierbeispiel mit dem myAVR-Board.
Der AVR-Assembler
Der Assembler ist ein Bestandteil der
im ersten Teil bereits kurz betrachteten
Entwicklungsumgebung SiSy. Er dient
dazu, so genannte Maschinenprogramme
in das für den Controller allein direkt
lesbare Binärformat umzusetzen und die
korrekten Adressen für Sprungbefehle und
Speicherzugriffe auszurechnen. Denn der
Controller kann nur Befehle im Binärformat
interpretieren. Da sieht dann der bekannte
Rücksprungbefehl, der in der Befehlstabelle
mit der Mnemonik „RET“ beschrieben ist,
so aus: 1001 0101 0000 1000. In dieser
Form wäre es zwar prinzipiell möglich,
ein Programm zur direkten Eingabe in den
Controller zu schreiben, aber selbst erfahrene Programmierer würden sich hier sehr
schwer tun, ein überblickbares Programm
54
zu schreiben. Deshalb hat man o. g. Mnemoniks entwickelt, die je nach Befehl noch mit
entsprechenden Operanden ergänzt werden.
Alle von den AVR-Mikrocontrollern unterstützten Befehle sind in der Tabelle 1 (siehe
Teil 1) zusammengefasst. Sie werden vom
Assembler übersetzt („compiliert“ und „gelinkt“) und liegen schließlich als Programm
im Hex-Format für das Übertragen in den
AVR-Controller vor.
Programmeditor
Zur Programmieroberfläche von SiSy
gehört auch ein Editor (Abbildung 9), in
dem man das Programm, den so genannten
Quellcode, wie mit einem normalen Texteditor schreibt. Es kann natürlich auch in
einem beliebigen Texteditor verfasst werden, Bedingung ist lediglich, dass der Text
im ASCII-Format abgespeichert werden
kann. Die ordentliche Formatierung, die
man im Quellcode sieht, dient eigentlich
nur der besseren Übersicht über die einzelnen Elemente der Programmzeilen. Diese
werden übersichtlich in Spalten angeordnet, können mit beliebigen Kommentaren
versehen werden und werden einfach mit
Text-Tabulatoren oder ganz profan mit der
Leertaste erzeugt.
Wollen wir die Struktur des Quellcodes
kurz anhand Abbildung 9 und ff. näher
betrachten. Ausführliche Abhandlungen
hierzu, z. B. zur Interrupt-Behandlung oder
zum Stack, finden sich im Kursmaterial des
„myAVR“ sowie in den Assistenzfunktionen
von „SiSy“, denn ein ausführlicher Assemblerkurs ist im Rahmen dieses Artikels nicht
unterzubringen. Hier soll es ja lediglich um
den Einstieg gehen. Innerhalb der praktischen Beispiele werden wir bei Bedarf
allerdings auf jeden Programmschritt und
jeden Befehl ausführlich eingehen.
ELVjournal 3/06
Kommentare und Programmkopf
Jedes Programm beginnt mit dem
Programmkopf, der zahlreiche Kommentarzeilen enthält. Eine Kommentarzeile
beginnt stets mit dem Semikolon-Zeichen
(;). Hier trägt man im Programmkopf
grundsätzliche Angaben zum Programm
wie Name, Funktionen, Autor, Version,
Datumsangaben, vorgesehener Prozessor
usw. zur Dokumentation ein.
Die Zeile „.include "AVR.H"“ bezeichnet die Einbindung der (für alle AVRs
feststehenden) Datei, die die I/O-Register
(Ports) des AVR verschlüsselt, in das Programm. Sie wird automatisch generiert und
erscheint im fertigen Projektordner als so
genannte H-Datei.
Weitere Kommentare sind beliebig
innerhalb des Programms einschreibbar,
sie sind nur jeweils mit dem Semikolon
zu kennzeichnen.
Reset- und Interrupt-Tabelle
Als Nächstes folgt die so genannte
Reset- und Interrupt-Tabelle, ein fester
Bestandteil jedes Programms. Hier werden
entsprechend des verwendeten Controllers
Ansprungpunkte für bestimmte Ereignisse
(Interrupt) während des Programmlaufs
festgelegt. Betrachtet man Abbildung 10,
erkennt man, dass in unserem einfachen
Beispiel nur ein Sprungbefehl zum Hauptprogramm (main), das mit der Poweron/Reset-Phase des Controllers beginnt,
aktiv ist (Befehl RJMP mit dem Operanden
„main“). Alle restlichen Zeilen der Tabelle
sind als inaktive Platzhalter mit dem RETIBefehl (bei einem entsprechenden Interrupt
soll keine Reaktion erfolgen) belegt. In der
Beschreibungs-Spalte kann man ersehen,
wofür die jeweiligen Interrupts genutzt
werden. Jetzt erkennt man, warum die
komplette Tabelle aufgeführt werden muss
– würde man nicht alle eintragen, „wüsste“
der Controller nicht, welcher InterruptVektor gemeint ist.
Über die Vollständigkeit der Tabelle muss
man sich beim SiSy-System (wie auch bei
vielen anderen Entwicklungsumgebungen)
keine Gedanken machen, sie liegt fest
und wird einfach mit dem so genannten
ELVjournal 3/06
Bild 9: Im Editorfenster lässt sich der Quellcode übersichtlich anzeigen und
editieren.
„Grundgerüst“ geladen, wie
wir noch sehen werden. Je nach
Programm sind nur noch die
einzelnen Sprungbefehle einzutragen, also Befehl plus Operand,
sofern nötig.
Initialisierung und Hauptprogramm
Der Interrupt- und Reset-Tabelle folgt das Hauptprogramm Bild 11: Das Grundgerüst von Initialisierung und
(main, Abbildung 11). Dieses Hauptprogramm
beginnt immer damit, dass der
Controller bei einem Reset oder beim zwischen Programmteilen, zu InterrruptEinschalten auf definierte Bedingungen routinen usw. – durcheinander.
Im bereits angesprochenen Grundgerüst
zurückgesetzt werden muss. Das heißt
vor allem, dass die bereits im ersten Teil befindet sich also diese Stack-Initialisiebeschriebenen wichtigen Steuerregister bei rung. Hier wird das Register SP als Stackjedem Neustart initialisiert werden müssen. pointer auf seine Startadresse am Ende des
Vor allem der Speicher für die Rücksprung- SRAM gelegt (RAMEND). Details dazu
adressen von Unterprogrammen (STACK) finden sich wiederum im Kursmaterial des
muss immer initialisiert sein, sonst gerät der „myAVR“.
Die Zeile „; Hier Init-Code eintragen“
Programmablauf – also z. B. die Sprünge
markiert, dass dort, neben der eben beschriebenen Grundinitialisierung, weitere
Definitionen entsprechend dem jeweiligen
Programm einzutragen sind. So legt man
hier etwa fest, welche Ports als Ein- oder
Ausgänge definiert werden sollen, wo evtl.
ein Pull-up-Widerstand zu aktivieren ist,
auf welche Anfangswerte ein Zähler zu
Bild 10:
legen ist usw. Beispiele dazu werden wir
Die Renoch kennen lernen.
set- und
Nach der Initialisierungs-Sequenz ist nun
Interdas eigentliche Programm zu schreiben.
ruptDas Grundgerüst besteht hier lediglich aus
Vektorder Definition, dass der Programmablauf
Tabelle
55
PC-Technik
In der zweiten und dritten Spalte sind die
Maschinenbefehle sowie deren Operanden
mit Ziel und Quelle (in dieser Reihenfolge!)
der Operation einzutragen.
Schließlich kann zu jeder Programmzeile
wiederum ein Kommentar (Beschreibung)
eingetragen werden.
So, und in deutliche Programmteile aufgeteilt strukturiert, bleibt jedes Programm
übersichtlich und einzelne Bestandteile
sind klar definiert abgegrenzt.
Hat man das Programm fertig geschrieben, tritt der Assembler überhaupt erst in
Aktion. Er übersetzt den geschriebenen
Quellcode, prüft diesen dabei auf Plausibilität und exakte Programmierung und stellt
nach dem Linken eine auf den Controller
übertragbare Hex-Datei zur Verfügung.
Bild 12: Anhand der Pin-Belegung
erkennt man die Doppelfunktion vieler
Ports.
ohne Unterbrechung ständig von Neuem
beginnen soll. So wird zunächst zu jedem
Beginn dieser Programmschleife (loop)
die Watchdog-Schaltung des Controllers
definiert zurückgesetzt, damit diese nicht
versehentlich einen Reset auslöst und so
ungewollt Daten löscht bzw. Vorgänge
unterbricht. Dann folgen die eigentlichen
Programmschritte, hier mit dem Kommentar „Hier den Quellcode eintragen“ als
Platzhalter markiert.
„rjmp mainloop“ schließlich erzwingt
wieder eine Rückkehr zum Beginn des
Hauptprogramms. So einfach erzeugt man
einen ununterbrochenen Programmablauf.
Damit man bei umfangreicheren Programmen, die vor allem von mehreren
Programmteilen aus immer wieder benötigte Standardroutinen anspringen, die
Übersicht behält, folgen dem Hauptprogramm, übersichtlich einzeln geordnet
und kommentiert, Unterprogramme, auf
die jeweils mit Sprungbefehlen aus dem
Hauptprogramm zugegriffen wird.
Apropos, kommen wir noch einmal zum
Thema Übersichtlichkeit. Die eingangs
erwähnte Spaltenanordnung der einzelnen
Textteile des Programms dient wesentlich
der Übersicht über das Gesamtprogramm
und sollte im eigenen Interesse strikt
eingehalten werden. Noch einige Erläuterungen dazu:
In der ersten Spalte finden sich die so
genannten Marken bzw. Bezeichner für
Standard-Adressen, die von den Sprungbefehlen im Programm genutzt werden.
Schreibe ich also „rjmp mainloop“ ins
Programm, erfolgt ein Sprung zur Adresse,
die sich hinter dem Bezeichner „mainloop:“
verbirgt. Marker/Bezeichner sind immer als
erste Spalte einzuschreiben, sie müssen mit
einem Buchstaben beginnen und mit einem
Doppelpunkt enden.
56
Rein und raus – I/O-Grundlagen
Jeder Mikrocontroller kommuniziert mit
seiner Umwelt über so genannte Ports. Dies
sind der jeweiligen Aufgabe angepasste
Ein- und Ausgangsstufen, die bei kleineren
Controllern aus Mangel an mechanisch
realisierbaren Pins schon einmal so ausgeführt sind, dass man sie wahlweise als
Ein- oder Ausgang programmieren kann.
Die AVR-Controller sind darüber hinaus
so konfiguriert, dass man auch die Steuerregister, die für die unterschiedlichsten
Standardaufgaben des Controllers zuständig sind, aus der Sicht des Programmierers
bzw. Rechenwerks als I/O-Ports realisiert
hat. Deshalb werden diese Register auch
wie Ports angesprochen bzw. die hier als
I/O-Lines bezeichneten physischen Ports
wie Register. Alle Ports haben eine feste
Registeradresse, über die sie angesprochen
werden können. Bei der Programmierung
verwendet man hierzu so genannte AliasRegister
0
1
0
0
0
0
0
0
Register
0
1
0
0
0
0
0
0
DDRx
0
1
0
0
0
0
0
0
DDRx
0
1
0
0
0
0
0
0
PORTx
P0
P1
P2
P4
P4
P5
P6
P7
PINx
P0
P1
P2
P4
P4
P5
P6
P7
Bild 13: Das Wirkungsschema des
Steuerregisters DDRx bei out- (oben)
und in-Befehlen (unten)
POWER ON/
RESET
INIT STACK
PORT B0 = OUT
DDRB0 = 1
Hauptschleife
Ausgabe vorbereiten
Register 16 = 0b00000001
Ausgabe Register 16
auf PORT B
Ende
Hauptschleife
Bild 14: Im Flussdiagramm ist die zu
lösende Aufgabe übersichtlich skizziert.
Namen, die sich jeweils in der bereits
erwähnten Datei „AVR.H“ finden.
Widmen wir uns aber zunächst den
physischen Ports unseres AVR-Controllers. Der auf dem myAVR-Board verbaute
Controller verfügt über 3 digitale 8-Bit-I/OPorts, d. h. über insgesamt 24 so genannte
I/O-Lines:
Port B0...B7 (Registeradresse 0x18)
Port C0...C7 (Registeradresse 0x15)
Port D0...D7 (Registeradresse 0x12)
Betrachtet man nun einmal die vollständige Anschlussbelegung des auf dem
myAVR-Board verbauten Controllers
(Abbildung 12), erkennt man auf Anhieb,
dass aufgrund der geringen Baugröße des
Controllers fast alle Pins doppelt belegt
sind. Damit ergeben sich bei der Programmierung jeweils einige Einschränkungen,
etwa die, dass bei unserem myAVR die
Ports PD0 und PD1 nicht frei zur Verfügung
stehen, da sie fest mit dem RS232-Baustein
für die Datenkommunikation verdrahtet
sind. Weitere Besonderheiten und auch die
vollständige Registertabelle mit allen Adressen sind im myAVR-Lehrgang detailliert
aufgeführt. Das führt schließlich dazu, dass je
Port noch 6 I/O-Lines frei verfügbar bleiben,
wobei man PC0...C5 als A/D-Wandler-Ports
(ADC) berücksichtigen muss.
Entsprechend der genannten AVR-PortPhilosophie erfolgt die Programmierung
der Ports über jeweils 3 so genannte I/ORegister (siehe Abbildung 13). Zunächst
ist hier das Steuerregister DDRx (Data
Direction Register Port x [B/C/D]) zu
besprechen, das die Richtung des DatenELVjournal 3/06
der Grundinitialisierung des Controllers. Genau hier gehört nun die
Port-Konfiguration über das Steuerregister DDRB hinein. Jedes Bit
dieses Steuerregisters steht für die
Datenrichtung der einzelnen I/OLines, wobei logisch null den Pin als
Eingang, logisch eins hingegen den
Pin als Ausgang definiert.
Für die Konfiguration stehen zwei
Befehle zur Verfügung, die sich in
ihrer Wirkung unterscheiden:
Der out-Befehl konfiguriert immer alle Bits des Ports auf einmal,
einzelne Bits (Pins) sind nicht
differenzierbar. Hier kann es also
ldi Register, Konstante) und geben die PortKonfiguration des allgemeinen Registers
mittels des out-Befehls an Port B aus (out
Ziel, Quelle):
ldi
out
r16,
0b00000001
DDRB, r16
Konfiguration mit dem sbi-Befehl
Deutlich „eleganter“ gestaltet sich die
Konfiguration mit dem sbi-Befehl. Hier
wird das Steuerregister direkt angesprochen
(ein Bit direkt im I/O-Register/Port gesetzt),
wobei die Bits B1 bis B7 unbeeinflusst
bleiben:
sbi
DDRB, 0
Bild 15: Das SiSy-Startfenster
flusses festlegt. Hier finden wir also die
Schaltstelle, die über die Funktion jedes
einzelnen Port-Pins entscheidet. Über das
Register PORTx erfolgt die Ausgabe, über
PINx die Eingabe von Daten. So zeichnen
sich bereits erste Konturen von Programmansätzen ab, die I/O-Aufgaben betreffen:
Es ist das entsprechende Portregister laut
vorliegender Aufgabe anzusprechen bzw.
zu konfigurieren und dann die gewünschte
I/O-Line anzusteuern bzw. auszuwerten.
Genau diesen Aufgaben widmet sich nun
unser erster Einstieg in die Programmierpraxis mit anschließender Ausführung auf
dem myAVR-Board.
Er lebt! Der erste Ausgabebefehl
Die erste Aufgabe lautet für uns, einen
Port-Pin des myAVR-Controllers als Ausgang zu konfigurieren und eine der drei
LEDs auf dem Board vom Controller aus
einschalten zu lassen. Da der Ausgang des
AVRs bis zu 20 mA (bei 5-V-High-Pegel)
treiben kann, ist also der direkte Anschluss
einer LED, natürlich mit entsprechendem
Vorwiderstand, einfach möglich.
Also müssen wir „nur“ noch einen PortPin als Ausgang konfigurieren und hierüber
einen Ausgabebefehl geben. Wir legen fest,
dass die Ausgabe über Port B, I/O-Line 0
(PB0) erfolgen soll.
1. Initialisierung
Erinnern wir uns dazu zunächst an
den eingangs beschriebenen Aufbau des
Programm-Grundgerüstes. Hier fand sich
im Initialisierungsteil der Hinweis auf
weitere Initialisierungsdefinitionen neben
Bild 17: Als Vorgehensmodell wählen wir hier „Programmierung“.
vorkommen, dass es zu Kollisionen, sprich
Überschreiben, kommt, wenn etwa Bits des
Ports durch andere Programmteile bereits
gesetzt sind.
Der sbi-Befehl hingegen setzt auf Nummer Sicher – er spricht gezielt nur ein Bit
des jeweiligen Ports an, ohne andere Bits
des Ports zu beeinflussen.
Beide Methoden haben ihre jeweilige Berechtigung, wie wir noch sehen werden.
Also lernen wir beide kurz kennen:
Konfiguration mit dem out-Befehl
Wir verwenden ein allgemeines Register,
hier r16 (verfügbar: r0...r31) als temporäre
Variable (im Prinzip ein Zwischenspeicher),
um es mit der gewünschten I/OKonfiguration (Konstante, Bit 0
von Port B auf Ausgang, Bits 1
bis 7 auf Eingang) zu laden (ldiBefehl, siehe Befehlsübersicht:
Bild 16:
Ein neues Projekt
wird angelegt.
ELVjournal 3/06
Damit erweist sich der sbi-Befehl für
unseren Zweck am besten für die Initialisierung des Ports geeignet, da wir ja zunächst
nur die Line B0 beeinflussen wollen.
2. Ausgabe
Wir erinnern uns, von der Programmierung her werden die physischen Ports
genau so behandelt wie die eben bei der
Initialisierung behandelten Steuerregister.
Deshalb können wir zur Ansteuerung der
LED genau die gleichen Befehle einsetzen
wie eben besprochen, wir beschränken uns
hier auf den out-Befehl.
Dazu ist wieder ein allgemeines Register
mittels ldi-Befehl mit den gewünschten
Ausgabedaten zu laden, und dann folgt die
Ausgabe des Register-Inhalts an Port B0. Je
nachdem, ob wir das Bit 0 auf null oder eins
setzen, wird später die angeschlossene LED
an Ausgang B0 ein- oder ausgeschaltet. Wir
sollen die LED einschalten:
ldi
out
r16,
0b00000001
PORTB, r16
57
PC-Technik
Bild 18: Es gibt in der Software schon
zahlreiche vorgefertigte Teilprogramme, hier wird zunächst „keine
Vorlage verwenden“ angewählt.
Dies bildet unser erstes Hauptprogramm!
Die beiden Zeilen werden also als Quellcode
im Programmteil „Mainloop“ eingetragen.
Sollte das Ganze funktionieren, schaltet
der Controller (sobald alles assembliert,
gelinkt und auf den AVR gebrannt ist), die
LED ein, sobald die Betriebsspannung an
myAVR angeschaltet ist.
Das werden wir jetzt testen!
Zuvor rufen wir uns aber noch einmal
komplett ins Gedächtnis, was wir bis jetzt
getan haben. Das kann man am besten in
einem Flussdiagramm erkennen, wie es
Programmierer zur besseren Übersicht über
ihre Programmplanungen entwerfen. Das
zu unserem Programm passende Diagramm
ist in Abbildung 14 zu sehen.
Licht an! Das erste Programm
Jetzt gehen wir wie beschrieben vor: SiSy
starten und „Assistent starten“ anwählen
(Abbildung 15), dann im Assistenten
„neues Projekt“ anwählen. Hier (Abbildung 16) erscheint das Eingabefenster
Bild 19: Das Dialogfenster für Grundeinstellungen und Programmierung
58
für den Projektnamen und den Standort
der Projektdatei (der erfahrene Benutzer
gelangt hierhin direkt aus dem Startmenü
über „Neues Projekt“). Nach Eingabe des
Projektnamens erscheint der Abfragedialog
zum Vorgehensmodell (Abbildung 17),
hier ist „Programmierung“ auszuwählen.
Aus dem dann folgenden Vorschlag „Diagrammvorlagen“ (Abbildung 18) wird
zunächst „keine Vorlagen“ angewählt.
Jetzt erscheint das bereits bekannte
SiSy-Editorfenster, und es ist aus der Objektbibliothek das Icon „kleines Programm“
per Drag & Drop in das Diagrammfenster
zu ziehen.
Daraufhin öffnet sich ein Dialogfenster,
in das unter „Definition“ zunächst noch
einmal der Programmname einzutragen
und anschließend unter „Sprache“ die
Option „AVR-Assembler“ auszuwählen
ist (Abbildung 19).
Bild 21: Das Grundgerüst des Programms wird geladen.
Unter „Extras (AVR)“ (Abbildung 20)
wird sodann der eingestellte ControllerTyp (ATmega8), der Programmer (sisy)
und der verwendete I/O-Port (hier LPT1)
kontrolliert bzw. eingestellt.
Über die Option „Programmgerüst“
lädt man nun sehr bequem das bereits
mehrfach diskutierte Grundgerüst unseres
Programms (Abbildung 21). Über „Struktur
laden“ wird dieses Grundgerüst in den Editor geladen, es erscheint im Hintergrund.
Jetzt kann man nach Bestätigung über „OK“
dazu übergehen, im Editor zu arbeiten oder,
nach Wechsel auf „Quellcode“, diesen dort
bearbeiten.
Bild 20: Auch der AVR-Typ und die Art
des Programmiersystems lassen sich
hier einstellen.
Quellcode ergänzen
Nach der Bestätigung erscheinen der
Programmname „LEDON“ unter dem Icon
im Diagrammfenster und der Quellcode
des Grundgerüstes im Editorfenster. Zur
guten Dokumentation gehört zunächst das
Bild 22:
Der Editor mit
dem Programmkopf
unseres ersten
Programms,
unten die Objektbibliothek
und das Diagrammfenster
mit unserem
Projekt
ELVjournal 3/06
Bild
23: Der
komplette
Quelltext
unseres
Programms
„LEDON“
Bild 25: Schnell verdrahtet – so wird
PB0 mit der roten LED verbunden.
Eintragen des Projekttitels und weiterer
projektbezogener Angaben in den Programmkopf (Abbildung 22).
Danach wird das Programm-Grundgerüst
um die besprochenen Programmteile zur
Initialisierung und zum Hauptprogramm ergänzt. Der Quellcode des Programms sieht
dann aus wie in Abbildung 23 gezeigt. Sehr
angenehm für den Einsteiger ist, dass jede
Quellcodeeingabe von einem (abschaltbaren) Assistenzfenster begleitet wird, das
alle wichtigen Parameter erläutert und z. B.
auch Vorschläge für die Registerwahl macht
(siehe auch Abbildung 8 im Teil 1).
Kompilieren, Linken, Brennen
So komplettiert, wird der Quelltext nun
mit dem Assembler kompiliert und gelinkt.
Ergebnis ist ein im zuvor gewählten Projektverzeichnis abgelegtes File „LEDON.hex“,
das nun noch auf den ATmega-Controller
des myAVR-Boards zu übertragen ist. Jede
Aktion wird, wenn sie fehlerfrei verlaufen
ist, mit einer Ende-Meldung quittiert.
Jetzt kommt endlich das myAVR-Board
ins Spiel. Es wird über das mitgelieferte Parallelportkabel (Programmierkabel) mit dem
LPT1-Port des Rechners verbunden (wir
Bild 24: Im
Ausgabefenster werden alle
Vorgänge beim
Brennen des
AVR-Flash
kontrolliert.
ELVjournal 3/06
beziehen uns hier auf diese LPT-Version, bei
der USB-Version ist die Vorgehensweise in
der mitgelieferten Dokumentation beschrieben). Der LPT-Port des Rechners kann hier
auch die erforderliche Betriebsspannung
liefern, dies erkennt man am Aufleuchten
der grünen Betriebs-LED.
Ist die Verbindung hergestellt, geht
es ans „Brennen“ des eben hergestellten
Hex-Files in den Flash-Speicher des AVR.
Nach Anwahl der Schaltfläche „Brennen“
startet der Vorgang unter Protokollierung
in einem Ausgabefenster (Abbildung 24).
Erscheint die hier zu sehende Meldung, sind
Übertragung und Verifizierung erfolgreich
verlaufen.
Geht’s?
Der erste Testlauf
Nun kommt der spannende Moment:
Läuft unser erstes Programm auf dem
AVR?
Dazu trennt man zunächst das Programmierkabel vom myAVR-Board und
verbindet mittels einer der mitgelieferten
Patchleitungen den Buchsenleistenkontakt
von Port B0 mit der Buchsenleiste einer der
LEDs, in unserem Beispiel (Abbildung 25)
der roten LED. Schließt man nun eine
9-V-Spannungsquelle an das myAVRBoard an, leuchtet die LED – unser Programm funktioniert!
Jetzt ist der Experimentierdrang geweckt! Bevor wir in der nächsten Folge
u. a. zur Eingabeprogrammierung kommen,
probieren Sie doch zunächst einmal aus, wie
Sie andere Ports entsprechend als Ausgabeports programmieren oder gar mehrere
LEDs gleichzeitig zum Leuchten bringen!
Schon nach kurzer Zeit gehen einem die
kleinen Programmieralgorithmen in Fleisch
und Blut über und man ist gespannt auf die
nächsten Aufgaben …
59
PC-Technik
Mikrocontroller-Einstieg
mit myAVR
Teil 3
Keine Angst vor dem Einstieg in die Welt der Mikrocontroller-Programmierung!
Die myAVR-Sets enthalten alles Nötige für den schnellen und fundierten Beginn der Programmierer-Karriere – Experimentier-Board mit ATMELController, Lehrbuch, Softwarepaket, Kabel, sämtliches Zubehör.
Im dritten Teil unserer Serie zum Einstieg in die AVR-Programmierung fahren wir mit der I/O-Programmierung anhand eines weiteren Beispiels fort und befassen uns mit dem Thema Interrupt-Steuerung.
Rein wie raus – die I/O-Ports
Nachdem wir uns in der letzten Ausgabe
sehr ausführlich der Funktion der I/O-Ports
des AVR-Controllers gewidmet hatten, ist
uns die Aussage noch gegenwärtig, dass es
über das Steuerregister DDRx möglich ist,
festzulegen, welcher Pin als Eingang oder
als Ausgang wirken soll. Über das Register
PORTx erfolgt entsprechend die Ausgabe,
über PINx die Eingabe von Signalen über
die entsprechenden I/O-Lines. Was man
zunächst wissen muss, ist der Fakt, dass
20
AVR Teil 3.indd 20
der Controller nach dem Einschalten oder
einem Reset immer den Inhalt der Register DDRB/C/D komplett auf null setzt
(0b00000000) – die „anhängenden“ I/OLines sind damit zunächst stets als Eingang
gesetzt. Erst das Laden des entsprechenden
Steuerregisters mit „1“, wie in unserem
ersten Programmbeispiel, führt zu einer
Konfiguration als Ausgabe-Linie.
Wir wollen aber nun den Fall der Konfiguration als Eingabe-Linie betrachten. Das
fängt damit an, dass ein digitaler SignalEingang, noch dazu so ein empfindlicher
wie der CMOS-Eingang des AVR-Control-
lers, stets definiert auf +UB (Pull-up) oder
Masse (Pull-down) zu setzen ist. Warum?
Ein digitaler Eingang wirkt „frei in der
Luft hängend“ wie eine Empfangsantenne
für alle möglichen elektromagnetischen
Felder und liefert dem nachfolgenden
Steuerregister undefinierbare Signale statt
ordentlicher High- und Low-Signale, wie
es in der Digitaltechnik üblich ist. Schließt
man hingegen den Eingang definiert mit
einem Pull-up-Widerstand ab, wie es in
Abbildung 26 zu sehen ist, ist der Eingang
nie offen und kann so die erwähnten Felder
nicht mehr ohne weiteres „einfangen“. Ist
ELVjournal 4/06
11.07.2006 16:04:29 Uhr
der hier als „Signalquelle“ dienende Taster
offen, liegt der Eingang definiert auf +UB,
liefert also die digitale Information „1“. Ist
der Taster hingegen geschlossen, liegt der
Eingang auf Masse und liefert die digitale
Information „0“. Die Information, ob der
jeweilige interne Pull-up-Widerstand des
Controllers aktiviert werden soll oder
nicht, muss also, zusammen mit der PinAuswahl des IN-Pins, Bestandteil des
Steuerprogramms werden, um eine I/OLine als Eingang zu definieren. Dieser
Programmschritt gehört also in das Initialisierungsprogramm. Dazu ist (in unserem
Beispielprogramm beschäftigen wir uns
wie im Ausgabeprogramm mit Port B) im
Port-B-Register eine logische „1“ an der
entsprechenden Position zu setzen.
Das Ein-/Ausgabeprogramm
Setzen wir die beiden eben besprochenen
Schritte (wir wollen Port B 0 als Eingang
definieren und den Pull-up-Widerstand
setzen) also in Programmcode um.
Da wir natürlich wissen wollen, ob das
funktioniert, verwenden wir einen der
Taster auf dem myAVR-Board als Eingabeorgan und verbinden das schon in Teil 2
erarbeitete Ausgabeprogramm mit dieser
Eingabeoperation, was nichts anderes heißt
als: den an Port B 0 anzuschließenden Taster drücken, eine der LEDs mit Port B 1
verbinden und diese mit dem Taster ein- und
ausschalten. Damit werden gleich zwei Programmroutinen miteinander verbunden,
einer Aktion folgt eine Reaktion.
Dazu gehen wir dieses Mal den umgekehrten Weg und sehen uns zunächst das
fertige Programm an, um den strukturierten
Aufbau eines Programms weiter zu vertiefen (Abbildung 27). Hier erscheint zunächst
die bereits bekannte und unverändert übernommene Reset- und Interrupt-Tabelle,
darauf der Initialisierungsteil. Hier sind
gegenüber der reinen Ausgabe-Initialisierung ein paar Zeilen hinzugekommen – die
Eingabe-Initialisierung.
Zunächst ist hier ein neuer Befehl zu
sehen: „cbi“.
+
DDRx
PORTx
Taster offen
High-Pegel
PINx
+
DDRx
PORTx
Low-Pegel
Taster gedrückt
PINx
Bild 26: Die Pegelverhältnisse am
Controller-Eingang mit aktiviertem
Pull-up-Widerstand
Bild 27: Der Quellcode für
unser I/O-Programm
ELVjournal 4/06
AVR Teil 3.indd 21
21
11.07.2006 16:04:34 Uhr
PC-Technik
POWER ON/
RESET
INIT STACK
PORT B0 = IN
PORT B1 = OUT
Hauptschleife
Ausgabe vorbereiten
(Taster offen = Aus)
Register 16 = 0b00000001
Eingabe von PINB
(INPUT)
Skip bei
keine Taste
Ausgabewert mit neuem
Wert überschreiben
(Taster gedrückt = Ein)
Register 16 = 0b00000011
Ausgabe an PORTB
Ende
Hauptschleife
Bild 28: Das Flussdiagramm für die
Lösung unserer I/O-Aufgabe
Der löscht an der definierten Stelle des
Registers das nach dem Reset auf „0“ gesetzte Bit und setzt das Steuerregister für
Port B 0 auf „Eingang“, also, wie erwähnt,
auf „0“. Der folgende „sbi“-Befehl spricht
direkt das Bit 0 im I/O-Register an und
aktiviert damit die Pull-up-Funktion an
diesem Pin.
Nun ist nur noch festzulegen, dass Port
B 1 als Ausgang arbeiten soll, ergo ist das
Steuerregister für Port B 1 auf „1“ zu setzen. Damit ist die Initialisierung erledigt
und wir können uns dem Hauptprogramm
zuwenden.
Nach dem Zurücksetzen des Watchdogs
wird zuerst eines der allgemeinen Register,
hier wieder das bereits bekannte r16, mit
einem Ausgabewert für den Fall geladen,
dass die Taste nicht gedrückt ist, denn auch
dieser Fall muss definiert werden, um dem
Rechner eindeutige Anweisungen für jeden
Betriebsfall zu geben.
Das Laden von 0b00000001 bedeutet
hier: Pin B 0 = 1 aktiviert den Pull-upWiderstand, Pin B 1 = 0 heißt: LED ausgeschaltet.
Der nächste „in“-Befehl sorgt dafür, dass
22
AVR Teil 3.indd 22
der Wert, der am Eingang B 0 über das
Eingaberegister Pin B (siehe auch Abbildung 13 im Teil 2) durch den Taster definiert
wird („0“ oder „1“), wiederum in einem
allgemeinen Register, hier r17, zur Auswertung zwischengespeichert wird. Dies
ist der an sich unauffällige Knackpunkt des
Eingabeprogramms, der Input-Befehl.
Jetzt folgen die Festlegungen, was der
Controller mit dem eben in r17 abgelegten
Wert anfangen soll. Hier kommt mit „sbrs“
ein so genannter eleganter Sprungbefehl
(engl. skip) zur Anwendung. „sbrs“ heißt
„Skip if Bit in Register Set“, zu Deutsch,
der Controller soll den dem Skip-Befehl
folgenden Programmschritt auslassen, falls
im folgend angegebenen Register (hier r17)
das ebenfalls angegebene Bit (hier Bit „0“ )
gesetzt ist. Vereinfacht gesagt: Steht hier der
zunächst aus Port B ausgelesene Wert von
Bit 0 auf einer logischen „1“, heißt dies, der
Taster ist nicht gedrückt und die LED darf
nicht angesteuert werden. Damit springt
das Programm sofort in die Out-Zeile. Hier
verändert sich nichts, da in Register r16 ja
immer noch die Ausgabedaten für einen
offenen Taster definiert sind und die LED
nicht angesteuert wird (Bit B 1 steht immer
noch auf „0“). Über den „rjmp“-Befehl
kehrt das Programm wieder zurück zum
Beginn des Hauptprogramms.
Dieser beschriebene Ablauf setzt sich
so lange fort, bis der Taster gedrückt wird.
Was passiert jetzt? Bei der Abarbeitung des
Skip-Befehls erkennt das Programm, dass
nun im Register r17 für Port B für Bit 0
eine logische „0“ abgelegt ist, der Programmsprung wird also nicht ausgeführt
und es geht weiter zum nächsten RegisterLadebefehl. Nun wird Register r16 mit dem
neuen Inhalt geladen: Pin B 0 = 1 behält
seinen Status als Eingang mit aktiviertem
Pull-up-Widerstand, während Pin B 1 = 1
bedeutet, dass beim Auslesen des Registers
Bild 29: Die Verdrahtung zur I/O-Aufgabe auf dem myAVR-Board
Start Polling
INPUT vom Sensor
nicht vorhanden
Eingabe Wert?
vorhanden
OUTPUT an Aktor
Ende Polling
Bild 30: Der klassische Programmablauf beim Polling-Verfahren
beim folgenden „out“-Befehl die LED an
Pin B 1 eingeschaltet wird. Auch diese
Programmschleife wird jetzt so lange durchlaufen, bis die Taste losgelassen wird, das
Programm dies feststellt und der Skip-Befehl wieder in Aktion tritt. Abbildung 28
zeigt noch einmal das Flussdiagramm des
Programms, das die zu lösende Aufgabe
übersichtlich dokumentiert.
Unsere Beschreibung quasi „von hinten“
sollte zeigen, dass es relativ einfach ist,
einmal erarbeitete Algorithmen erneut anzuwenden und in neue Programmlösungen
einzubinden. Hat man erst einmal die wesentlichen Befehle und ihre Auswirkungen
im Hinterkopf, fällt es nicht mehr schwer,
zunächst das Flussdiagramm anhand der
zu lösenden Aufgabe zu entwerfen. Dass
das seinen Sinn hat, merkt man spätestens
dann, wenn man so weit ist, mehrere Programmteile, so genannte Unterprogramme,
miteinander zu kombinieren, ohne sich
im Quellcode zu „verlaufen“. Denn allein
schon unser kleines Beispiel zeigt, dass
man keine Aktivität, die im Verlaufe der
Programmabarbeitung passieren kann, außer Acht lassen darf, um keine ungewollten
Reaktionen zu erhalten. Weiterführendes
zur Systematik des Programmentwurfs
findet sich sehr ausführlich, nebst mehreren, auch umfangreicheren Programmierbeispielen, im Lehrgangsmaterial und auf
der Programm-CD. Hier gibt es auch eine
ausführliche und vor allem gut verständliche Unterweisung zur Programmierung
mit Unterprogrammen und Sprunganweisungen, auf die wir im Rahmen unserer
Serie ebenfalls nur dann näher eingehen,
wenn sich die Gelegenheit dazu in unseren
Beispielprogrammen ergibt.
Unser Programm wird nun in die Praxis
umgesetzt – ein inzwischen bekannter Vorgang: Quellcode in den Editor schreiben,
kompilieren, linken, auf den AVR brennen.
Verbindet man nun nach Abbildung 29
einen Taster des myAVR-Boards mit dem
ELVjournal 4/06
11.07.2006 16:04:35 Uhr
Bild 31:
Der Grundaufbau der
Interrupt-Service-Routine
Port-Pin B 0 und eine LED mit dem PortPin B 1, so muss nach Anschluss der Spannungsversorgung beim Drücken des Tasters
die LED aufleuchten. Das war zu einfach?
Dann erweitern Sie doch zum Training das
Programm um einen zweiten Taster, der
die nächste LED ansteuert. Da wird das
Programm schon etwas komplexer!
Interrupt-Steuerung
Für Programmier-Einsteiger hat das Wort
„Interrupt-Steuerung“ einigen Schrecken –
die Profis sprechen da von Interrupt-Vektoren, Interrupt-Service-Routinen, InterruptQuelle, -Maske usw. Der myAVR-Lehrgang
schafft es dennoch, dieses etwas sperrig
erscheinende Thema so zu vermitteln, dass
man nach kurzer Zeit nicht nur mitreden,
sondern auch entsprechend programmieren
kann. Das wollen wir hier ausprobieren!
Was ist Interrupt-Steuerung eigentlich?
Bei unserem letzten Programmierbeispiel haben wir ein typisches Beispiel einer
sequenziellen Abfrageroutine (Polling)
kennen gelernt: Der Zustand des Tasters
wird ständig abgefragt, bis dieser den erwarteten Zustand (gedrückt) einnimmt (Abbildung 30) und den Aktor (die LED) anspricht.
Gleichermaßen könnte so auch ein längeres
Programm so lange unterbrochen werden,
bis das erwartete Ereignis eintritt. Solange
kehrt das Polling-Programm immer wieder
zur Abfrage zurück. Im ungünstigen Fall
können aber dadurch weitere Verarbeitungsaufgaben des Controllers, etwa eine
Ausgabe auf einem Display, gestört werden
bzw. ganz ausbleiben. Und hat man das
Abfrageprogramm als Unterprogramm
eingebaut, kann es bei zeitkritischen Abläufen durchaus geschehen, dass das Programm gerade noch „woanders“ arbeitet,
wenn z. B. ein kurzer Steuerimpuls eintrifft.
Der kann dann schlichtweg vom Programm
„übersehen“ werden – mit womöglich
schlimmen Folgen. Also muss man hier
einen anderen Weg gehen, um effektiv zu
programmieren – man lässt das Programm
nicht dauernd ein bestimmtes Ereignis
abfragen, sondern steuert das Programm
durch das Eintreffen des Ereignisses selbst!
Dabei kann das Programm an jeder beliebigen Stelle (das muss man ausnahmsweise
nicht vorher festlegen) bei Eintreffen des
Ereignisses unterbrochen und ein Unterprogramm für die Verarbeitung des Ereignisses
aufgerufen werden. Ist das erfolgt, setzt das
Hauptprogramm an der Stelle fort, an der
es unterbrochen wurde. Genau das bedeutet
„Interrupt-Steuerung“!
Die besteht aus immer den gleichen
Elementen:
Tabelle 1: Die Interrupt-Quellen des ATmega8
Beschreibung
Pin
Extern RESET/Intern Watchdog
1
Extern 0
4
Extern 1
5
Intern Timer 1/Eingabe
14
Intern Timer 1, Vergleich
Intern Timer 1, Überlauf
Intern Timer 0, Überlauf
Intern SPI/Datenübertragung
17–19
Extern RX, UART Handshake receive
2
Port
C6
D2
D3
B0
B3–B1
D0
Intern UDR, UART Senderegister
Extern TX, UART Handshake transmit
Intern ADC
Intern EEPROM
Intern Analog Comparator
Extern TWI (I2C), Serial Interface
Intern Store Program Memory
D1
C0–C5
C4/C5
-
ELVjournal 4/06
AVR Teil 3.indd 23
3
23–28
27/28
-
Interrupt-Quelle
Als Interrupt-Quelle können äußere
Sensoren (Ports), Schwellwerte des A/DWandlers oder der integrierte Timer genauso auftreten wie spezielle Software-Befehle. Der AVR-Controller auf unserem myAVR-Board verfügt über zahlreiche dieser
Quellen. Tabelle 1 zeigt einen Auszug der
gängigsten Interrupt-Quellen dieses Controllers. Die Anzahl und Art der InterruptQuellen ist bei jedem Controller eine andere
und dessen Aufgabenbereich angepasst.
Interrupt-Behandlungsroutine
Das ist eben jenes beschriebene Unterprogramm, das einer Interrupt-Quelle
zugeordnet ist und als Reaktion auf deren
Unterbrechungsanforderung gestartet wird,
es wird auch Interrupt-Service-Routine
(ISR) genannt. Wie sie grundsätzlich aufgebaut ist, zeigt Abbildung 31. Die hier
aufgeführten Befehle werden wir später
noch genauer erläutern. Man erkennt auf
jeden Fall bereits die Systematik: Tritt ein
Interrupt auf, wird die zugehörige Interrupt-Service-Routine (ISR) angesprungen.
Weitere Interrupts werden zunächst zum
geregelten Abarbeiten dieser ISR unterbunden, wenn nötig Speicherinhalte von
Registern gerettet, die eigentliche ISR
ausgeführt, die Ordnung im Speicher wiederhergestellt, das Steuerwerk für andere
Interrupts wieder freigegeben, die ISR
insgesamt beendet, und das Programm kehrt
zum Hauptprogramm zurück.
Interrupt-Vektor
Den kennen wir schon, er steht in der Reset- und Interrupt-Tabelle jedes Quellprogramms. Hinter diesem Begriff verbirgt sich
eine hier festgeschriebene Adresse, auf der
ein Befehl zum Aufruf oder die Adresse der
zugehörigen Interrupt-Behandlungsroutine
gespeichert ist. Bei Eintreffen eines bestimmten Ereignisses springt das Programm
also immer mit dem jeweils einzutragenden
Befehl „rjmp“ (+ selbst festzulegendem
Unterprogramm-Namen) zu dem diesem
Ereignis zugeordneten Unterprogramm.
Nicht zur Nutzung vorgesehene InterruptBehandlungsroutinen sind mit dem Befehl
„reti“ zu versehen. Der sorgt dafür, dass
ein hier dennoch aufgetretener Interrupt
ordnungsgemäß beendet wird.
Da die Länge der Interrupt-Vektor-Tabelle von der Anzahl der jeweils verfügbaren
23
11.07.2006 16:04:37 Uhr
PC-Technik
Bild 32: In diesem Ausschnitt aus der Reset- und Interrupt-Vektor-Tabelle ist bereits der Sprungbefehl zur Interrupt-Service-Routine mit dem Namen „EXT_INT0“
eingetragen.
Interrupt-Quellen abhängt, hat sie bei
jedem Controller der ATmega-Reihe auch
eine andere Länge. Die Vektoren sind in
der Tabelle in einer festen Reihenfolge
platziert, die nicht verändert werden darf.
Gleichfalls darf man keine Vektoren aus der
Tabelle löschen, die vor einem benutzten
Vektor liegen.
POWER ON/
RESET
INIT STACK
PORT D2 = INPUT
PORT B0 = OUTPUT
PORT D2 = PullUp
Maske INT0 = Aktiv
INT0 auf fallende Flanke konfigurieren
Interrupts erlauben
Hauptschleife
Ende
Hauptschleife
Interrupt-Service-Routine (ISR)
EXT_0:
Interrupts sperren
Ausgabe an PORTB:
PORT B0 = 1
Interrupts erlauben
reti
Bild 33: Flussdiagramm zur InterruptSteuerung
24
AVR Teil 3.indd 24
Interrupt-Kontroll-Logik
Sie ist fester Bestandteil des ProzessorSteuerwerks und verantwortlich für das Erlauben oder Verbieten sowie Konfigurieren
von Unterbrechungen, dem tatsächlichen
Unterbrechen des laufenden Programms
und für das Auslösen der korrekten Interrupt-Behandlungsroutine.
Wichtige Adressen
Dass bei der Verwaltung der InterruptQuellen und -Vektoren Ordnung herrschen
muss, ist sicher jedem klar. Hier gibt es kein
Variieren, ab der Adresse 0x0001 erwartet
der AVR-Controller im Programmspeicher
immer die Liste der Interrupt-Vektoren
für die jeweiligen Interrupt-Quellen. Die
Adresse 0x0000 ist immer fest für die
Reset-Interrupt-Routine (ausgelöst durch
ein Reset-Signal an Pin 1, Zuschalten
der Betriebsspannung oder Auslösen des
Watchdogs) reserviert.
Ein Beispiel für eine aktivierte InterruptBehandlungsroutine für die Interruptleitung
INT0 (Pin 4, Port D 2) unseres AVRControllers zeigt Abbildung 32. Hier ist
auch noch einmal die eben beschriebene
Adressreservierung zu erkennen.
Interrupt-Befehle und -Register
Für das gesamte Handling der InterruptQuellen stehen Steuerregister und einige
spezielle Befehle zur Verfügung. Die beiden
wichtigen Befehle „sei“ und „cli“ dienen
der Aktivierung und Deaktivierung der
Interrupts:
sei – signalisiert dem Steuerwerk, dass Interrupts erlaubt sind. Er setzt das InterruptFlag „I“ (Bit 7) im Status-Register SREG
(siehe Registerübersicht zu myAVR).
cli – signalisiert dem Steuerwerk, dass
Interrupts verboten sind. Er löscht das
Interrupt-Flag „I“ (Bit 7) im Status-Register SREG (siehe Registerübersicht zu
myAVR).
Jetzt wird auch ein Blick in die eben
genannte Registerübersicht interessant.
Hier finden wir für jede Interrupt-Quelle
mindestens ein spezifisches Steuerregister (Interrupt-Register und z. B. Register
MCUCR), das die Konfiguration der In-
terrupt-Quelle (prinzipiell ähnlich wie bei
den I/O-Registern) erlaubt.
Interrupts, die nicht abschaltbar sind,
nennt man „nicht maskierbar“. Solch ein
Interrupt ist z. B. die Interrupt-Quelle
„RESET“ – logisch, würde man diese
versehentlich abschalten, gelänge kein
definierter Reset des Controllers mehr!
Hingegen sind die (externen) Interrupts,
die man per Programm ein- und ausschalten kann, mit dem Begriff „maskierbar“
gekennzeichnet (bei unserem ATmega8
sind dies z. B. die allgemeinen externen
Interrupts INT0 und INT1). Dazu stehen
entsprechende Steuerregister als „Maske“
zur Verfügung, in denen man über die entsprechenden Bits die Interrupts ein- („1“)
und ausschalten („0“) kann. Man teilt also
dem Steuerwerk mit, welches Ereignis als
Interrupt akzeptiert werden soll. Für unsere
eben erwähnten INT0 und INT1 heißt das
zuständige Register „GICR“. Je nachdem,
wie dessen Bits 6 bzw. 7 gesetzt werden,
sind die Interrupts erlaubt oder gesperrt.
Schließlich kann auch die Art der
Interrupt-Auslösung festgelegt werden.
Bei jedem digitalen Signal gibt es die
unterschiedlichen Zustände High-Pegel,
Low-Pegel, fallende und steigende Signalflanke, die die externen Interrupts auslösen
können. Diese Konfiguration erfolgt über
die Bits 0 bis 3 des Registers MCUCR
(siehe Registertabelle). Bei Setzen des
Bits 0 erfolgt eine fortlaufende InterruptAuslösung, solange Low-Pegel anliegt,
bei Bit 1 löst jede Pegeländerung einen
Interrupt aus, bei Bit 2 die fallende, bei
Bit 3 die steigende Flanke.
Nach so viel Theorie wollen wir das Ganze zunächst wieder an einem ganz einfachen
Beispiel praktizieren – wir schließen einen
Taster an den Interrupt-Port INT0 (Port D 2)
an und nutzen diesen als Ereignis-Quelle.
Wird der Taster gedrückt, soll wieder die
rote LED an Port B 0 aufleuchten. Die
Auswertung wollen wir über die fallende
Signalflanke (der für eine Auswertung
interessante Moment also, wo der Taster
tatsächlich gedrückt wird und den Eingang
auf „low“ schaltet) vornehmen.
Dieses Mal machen wir uns die zu planenden Programmschritte zuerst anhand des
Flussdiagramms klar (Abbildung 33):
- initialisieren
- Port D 2 als Eingang festlegen und Pullup aktivieren
- Port B 0 als Ausgang festlegen
- Maskierung für INT0 aktivieren, INT0
für fallende Flanke konfigurieren, Interrupt erlauben
- bei Ereignis ISR starten, andere Interrupts sperren, Port B 0 auf 1 (LED an)
schalten, Interrupts freigeben, zurück
zum Hauptprogramm
Im Quellcode-Editor wird wieder das
Grundgerüst geladen und vorbereitet, dieses
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Mal aktivieren wir aber den Vektor für den
INT0-Interrupt, hier mit „EXT_0“.
Die Initialisierung wird hier etwas länger: Nach der Konfiguration des Eingangs
und des Ausgangs mit „cbi“- und „sbi“Befehlen wird zunächst im Register r16
eingetragen, dass INT0 maskiert werden
soll (Bit 6 auf „1“, erlaubt den externen
Interrupt über INT0). Die Ansprache dieses
Registers erfolgt wie bei einem I/O-Register per „out“-Befehl). Danach erfolgt
das Auslesen dieses Registerwertes in das
Interrupt-Register GICR).
Die fallende Flanke als Auslöser wird
jetzt ebenfalls ins Register r16 eingetragen
(Bit 1 = 1, Bit 0 = 0; dabei wird der vorherige Wert gelöscht) und schließlich in das
MCUCR-Kontroll-Register geladen.
Bild 34:
Die Verdrahtung zur
Interrupt-Steuerung auf
dem myAVR-Board
Abschließend wird mit „sei“ die
generelle Interrupt-Freigabe erteilt.
Die ISR finden wir ganz am Schluss
unter „EXT_0“: Nach der Sperrung
anderer Interrupts wird über Port
B 0 die LED eingeschaltet, danach
werden die Interrupts freigegeben,
und der „reti“-Befehl führt wieder
zurück ins Hauptprogramm.
Nun das Ganze übersetzen und
auf den ATmega auf dem myAVRBoard übertragen, die beiden beteiligten Ports entsprechend verdrahten
(Abbildung 34) und das Programm
ausprobieren!
Wenn die LED nach dem Drücken
des Tasters aufleuchtet, haben Sie
soeben Ihr erstes Programm mit Interrupt-Steuerung erfolgreich getestet!
Vorteil: Sie können das Ganze durch
ein eigentliches Hauptprogramm ergänzen. Während dieses läuft, löst die
Betätigung des Tasters einen Interrupt
aus, nach dessen Abarbeitung (die
LED leuchtet) das Hauptprogramm
weiterläuft. In unserem Beispiel
wird ja nur die Interrupt-Routine
abgearbeitet, und da keine weitere
Reaktion als die auf die fallende
Flanke des Eingangssignals definiert
ist, bleibt die LED an, sooft man
auch den Taster drückt. Erst durch
einen RESET (Buchse „RESET“
kurzschließen) gelangt der Controller
wieder in den Startzustand und die
LED verlischt.
Dieser Interrupt-Service-Routine
werden wir in der Folge noch öfter
begegnen, u. a. schon im nächsten
Teil, wenn es um die Nutzung der
integrierten Timer geht – wir entlocken dabei dem AVR Töne!
Bild 35: Unser Beispielprogramm für die Nutzung von
INT0 als Interrupt-Quelle
ELVjournal 4/06
AVR Teil 3.indd 25
25
11.07.2006 16:04:39 Uhr
PC-Technik
Mikrocontroller-Einstieg
Teil 4
mit myAVR
Keine Angst vor dem Einstieg in die Welt der Mikrocontroller-Programmierung!
Die myAVR-Sets enthalten alles Nötige für den schnellen und fundierten Beginn
der Programmierer-Karriere – Experimentier-Board mit ATMEL-Controller,
Lehrbuch, Softwarepaket, Kabel, sämtliches Zubehör.
Im vierten Teil unserer Serie zum Einstieg in die AVR-Programmierung wenden wir
uns den integrierten Timern des AVR zu und nutzen diese zur Tonerzeugung.
Teilen und Zählen – der Timer
Dass Zähler ein zentraler Bestandteil
nahezu jeder digitalen Schaltung sind, ist
nichts Neues. Sie sorgen u. a. dafür, dass
zu einer bestimmten Zeit ein bestimmtes
Ereignis ausgelöst wird. Sie benötigen
einen Takt, dessen Frequenz um einen bestimmten Faktor geteilt wird – so entsteht
eine zeitlich bezogene Steuerung, ein so
genannter Timer.
Auch die Timer des AVR-Controllers
funktionieren auf dieser Basis. Und sie
haben bei den meisten Aufgaben, die der
72
Controller bekommt, eine Menge zu tun,
um zeitliche Abläufe zu regeln.
Unser ATmega 8 besitzt drei Timer mit
unterschiedlicher Verarbeitungsbreite und
unterschiedlichen Aufgaben. Alle Timer
sind interruptfähig, sind also als interne
Interruptquelle über die Interrupt-VektorTabelle einbindbar (vgl. dazu auch Tabelle 1
im Teil 3). Je nach Timerkonfiguration und
Timerart können folgende Ereignisse einen
Interrupt auslösen:
- Nulldurchlauf (Overflow, der Timer zählt
herauf oder herab, bis er an den Wert 0
gelangt und löst dann einen Interrupt
aus)
- Vergleichswert (Compare, der Timer
zählt bis zu einem in einem Register abgelegten Zahlenwert und löst bei dessen
Erreichen einen Interrupt aus)
- externer Zählimpuls (Capture, Auslösung eines Interrupts bei Erreichen
einer bestimmten Anzahl von externen
Zählimpulsen)
Als Taktquelle für den Timer dient in den
allermeisten Fällen der interne Prozessortakt, seltener ein externer Takt.
Timer-Aufbau und Timer-Register
Wir wollen die grundsätzliche Arbeitsweise am 8-Bit-Timer/Counter 0 betrachten
ELVjournal 4/06
- TIMSK: Timer Interrupt Mask Register;
dient der Konfiguration der InterruptAusgabe (Interrupt-Maskierung, siehe
Teil 3: Interruptbefehle und -register).
- TCCR0: Timer Counter Control Register,
dient als Steuerregister der Konfiguration, z. B. des gewünschten Teilerfaktors.
- TIFR: Timer Interrupt Flag Register,
dient zum Auswerten des InterruptStatus. Sind hier z. B. das Flag TOV0
(Timer/Counter 0 Overflow Flag) und
im Register TIMSK das Flag TOIE0
(Timer/Counter 0 Overflow Interrupt Enable, Interrupt aktiviert) gesetzt, erfolgt
die Ausführung des Timer-Interrupts.
(Abbildung 36). Er setzt sich aus mehreren
Elementen zusammen. Da ist zunächst
die eigentliche Timerlogik, die die Taktauswahl und -generierung, darunter auch
aus externen Taktquellen, realisiert und
einen 10-Bit-Vorteiler beherbergt, der je
nach Aufgabe den Eingangstakt um die
Faktoren 8, 64, 256 oder 1024 teilt. Der
„Rest“ sind wiederum Register, die nach
entsprechendem Laden die Aufgaben des
Timers festlegen:
- TCNT0: Timer/Counter 0, das Zählerregister, in dem das eigentliche Zählen
stattfindet. Bei Überlauf (Nulldurchgang) wird ein Signal an die KontrollLogik abgegeben.
T/CO Overflow IRQ
8-Bit-Datenbus
TOIE0
TOV0
Timer Interrupt Mask
Register (TIMSK)
Timer Interrupt Flag
Register (TIFR)
Timer Interrupt Flag
Register (TIFR)
CS02
TOV0
CS01
CS00
CLK
Timer/Counter0
(TCNT0)
KontrollLogik
count
T0
= 0xFF
Bild 36: Der Grundaufbau des Timers/Zählers TCNT0
7
6
OCIE2
TOIE2
7
6
5
4
–
–
–
–
CS02
0
0
0
0
1
1
1
1
CS01
0
0
1
1
0
0
1
1
CS00
0
1
0
1
0
1
0
1
7
6
OCF2
TOV2
5
4
3
2
1
TICIE2 OCIE1A OCIE1B TOIE2
5
ICF1
3
2
–
CS02
0
–
1
TOIE0
0
CS01
CS00
Bit
TIMSK
Bit
TCCR0
Beschreibung
Keine Taktquelle (Timer/Counter gestoppt)
CLK/0 (Vorteiler aus)
CLK/8 (Vorteilerfaktor 8)
CLK/64 (Vorteilerfaktor 64)
CLK/256 (Vorteilerfaktor 256)
CLK/1024 (Vorteilerfaktor 1024)
Externer Takt an T0, Auslösung: fallende Flanke
Externer Takt an T0, Auslösung: steigende Flanke
4
3
OCF1B OCF1B
2
TOV1
1
0
–
TOV0
Bit
TIFR
Bild 37: Die Register TIMSK, TCCR0 und TIFR
Vorteiler
1
8
64
256
1024
Bild 38: Die Zusammenarbeit Vorteiler/Zähler
ELVjournal 4/06
Zähler
8-Bit: 0–255
16-Bit:
0–65535
Nulldurchlauf
Die Register werden für alle drei Timer
gemeinsam genutzt, während die Kontroll-Logik und das Zählerregister sich
entsprechend der Aufgabe des jeweiligen
Timers unterscheiden. So verfügt z. B.
Timer 1 über eine Verarbeitungsbreite
von 16 Bit (Zählumfang bis 65.535 für
längere und präzisere Zeitmessung als
mit Timer 0) und einen so genannten
Waveform Generation Mode, über den
eine Pulsweiten-Modulation möglich ist.
So kann man z. B. die Helligkeit einer
LED modulieren oder die Drehzahl eines
Motors steuern.
In Abbildung 37 ist der Aufbau aller
drei beschriebenen Register zur Übersicht
dargestellt, dazu für das TCCR0-Register
die Tabelle zur Programmierung der Taktauswahl (Clock-Select). Auf diese werden
wir noch zurückkommen.
Abbildung 38 zeigt die grundsätzliche
Funktion des Teilers/Zählers. Der Prozessortakt (oder externe Takt) wird zunächst
durch den programmierbaren Vorteiler auf
den gewünschten Wert, der für den 8-BitZähler im Bereich von 1 bis 255 liegen
muss, herabgeteilt. Die Ausgangsimpulse
des Vorteilers werden nun vom Zähler von
einem programmierbaren Punkt an (Differenz zu 255) herauf- oder herabgezählt, bis
ein Nulldurchgang auftritt. Dieses Ereignis
wird an die Kontroll-Logik gemeldet, und
der Zählerlauf beginnt von vorn.
Doch zunächst müssen wir die Voraussetzungen betrachten, um den Timer überhaupt
in ein Programm einzubinden.
Vorbereitungen
Um die Timer-Aktivitäten als Interrupt
ausnutzen zu können, ist natürlich, wie wir
es bereits im Teil 3 kennengelernt haben,
der passende Interrupt-Vektor auf eine zu
erstellende Interrupt-Service-Routine zu
setzen.
Nach bekanntem Schema wird also eine
Interrupt-Service-Routine (ISR) mit den
Befehlen cli, sei und reti erstellt, und in
der Vektortabelle ist der zugehörige Interrupt-Vektor (Timer 0, Nulldurchlauf) auf
die ISR zu setzen.
Weiterhin ist dem Steuerwerk des Controllers über das Timer Interrupt Mask
Register TIMSK mitzuteilen, welches
Ereignis als Interrupt akzeptiert werden
soll (Maskierung). Wenn wir also den
Nulldurchgang unseres Zählers 0 als
Interrupt-Ereignis definieren wollen, ist
im Register TIMSK das zugehörige Bit 1
zu setzen. Der myAVR-Lehrgang gibt
zur gesamten Interrupt-Programmierung
des Timers noch weitergehende Erläuterungen.
Das klingt bisher alles noch etwas
theoretisch, wir werden aber gleich anhand
unseres Beispielprogramms in der Praxis
sehen, wie es funktioniert.
73
PC-Technik
Der Prozessor ruft „A“
Wir wollen, wie angekündigt, über die
Timerprogrammierung unserem AVR einen Ton entlocken. Dabei ist zunächst zu
betrachten, wie eine Tonfrequenz prinzipiell entsteht. Sie ist vereinfacht als Folge
von High-Low-Wechseln eines digitalen
Signals zu betrachten. Je höher die Tonfrequenz sein soll, desto dichter müssen die
High-Low-Wechsel aufeinander folgen.
Ein Zyklus eines Tons besteht jeweils aus
zweien dieser Wechsel („Halbwellen“), dies
muss man beim späteren Berechnen der so
genannten Wartezeit beachten.
Wir wollen dazu ein Beispiel des myAVR-Lehrgangs betrachten, das sich zum
Ziel stellt, den Kammerton „A“ mit einer
Frequenz von 440 Hz aus der Taktfrequenz
des Controllers via Timersteuerung und Interruptauswertung des Timers zu erzeugen
und mittels des kleines Lautsprechers auf
dem myAVR-Board auszugeben.
Für die Signalausgabe ist es also nötig, einen High-Low-Signalwechsel per
Timer-Overflow-Interrupt zu erzeugen.
Dazu gibt es zunächst etwas Rechenarbeit. Die Zykluszeit des 440-Hz-Signals
beträgt zunächst 1/440 s, also 2,28 ms. Für
zwei „Halbwellen“ sind dies 1/880 s, also
1,14 ms. Dies ist die so genannte Wartezeit
von einer zur nächsten Halbwelle, die vom
Zähler zu generieren ist. Bei der Taktfrequenz des AVR von 3,6864 MHz entspricht
diese Wartezeit etwa 4189 Taktzyklen des
Systemtakts (ca. 0,24 µs).
Um nun aus diesem Systemtakt 440 Hz
zu erzeugen, ist mittels der Möglichkeiten,
die der Vorteiler des Zählers und der Zähler
selbst bieten, der Systemtakt herabzuteilen.
Dabei muss beachtet werden, dass der
Vorteiler-Faktor so zu wählen ist, dass die
gewünschte Wartezeit im 8-Bit-Zählbereich
des Zählers von 1 bis 255 liegt. Die Wartezyklen werden dann bei jedem Interrupt des
Timers als Differenz zu 255 in den Zähler
geladen. Eine Re-Initialisierung bei diesem
Differenzwert bewirkt, dass die Zyklen
bis zum nächsten Nulldurchlauf wieder
herabgezählt werden.
Bei der relativ geringen Auflösung unseres 8-Bit-Zählers und der ganzzahligen
Teilung wird nicht jede gewünschte Frequenz exakt erreicht werden, so auch unsere
440 Hz. Denn wenn wir die Taktzyklen
exakt durch die Vorteiler-Faktoren teilen,
ergeben sich immer Nachkommastellen,
die mit dem ganzzahligen Zähler nicht
zu realisieren sind. Wir vernachlässigen
jedoch hier die geringe Abweichung, die
unter einem Prozent liegt.
Wir teilen also die o. g. 4189 Taktzyklen
durch 64, 256 und 1024 und erhalten als
nächstliegende ganze Zählerwerte entsprechend 65, 16 und 4. Rechnen wir zurück:
74
64 x 65 = 4160
256 x 16 = 4096
1024 x 4 = 4096
4160 liegt dem Ziel 4189 am nächsten,
also wählen wir die Kombination: Vorteiler
64, und Re-Initialisierungswert 190 (255
– 65).
Auf diese Weise kann man nahezu jede
beliebige Frequenz bis herauf zur Taktfrequenz (dann ist der Vorteiler über das
Register TCCR0 abzuschalten) erzeugen.
Nachdem wir nun alle benötigten Voraussetzungen besprochen haben, was zeigt,
wie man eine zu lösende Aufgabe vorab
durchdenken muss, können wir nun an das
Schreiben des Programms gehen.
Das Programm
Im Quellcode (Abbildung 39) sehen wir
zunächst den Zeiger in der Vektortabelle,
Bild 40: Die Verdrahtung des myAVRBoards
Bild 39: Der Quellcode für die Tonerzeugung via Timer-Interrupt-Steuerung
ELVjournal 4/06
der den Interrupt durch Overflow von
Zähler 0 auslöst.
Das Hauptprogramm beginnt, wie bekannt, mit der Initialisierung, wobei hier
Port B als Ausgang für den Anschluss
des Signalgebers und der LED festgelegt
wird.
Dem folgen die Festlegung des Teilerfaktors 64 laut TCCR0-Tabelle aus Abbildung 37 sowie die Konfiguration des
Timer Interrupt Mask Registers (Interrupt
erlauben).
In der nach der Interrupt-Auslösung
aufgerufenen Interrupt-Service-Routine
„onTC0“ finden wir einen neuen Befehl:
com – das Einerkomplement. Der bedeutet
hier, dass mit dem Interrupt ein Signalwechsel an Port B stattfindet und so ein
Ton ausgegeben wird (Einerkomplement:
jede Zahl wird durch ihr Gegenteil ersetzt,
also 0 wird 1 und die 1 wird 0).
Beispiel:
Zahl
00010011 (19)
Einer-Komplement 11101100 (236)
Additionsergebnis 11111111 (255)
Als Re-Init-Wert finden wir zum Rückstellen des Zählers unseren berechneten
Wert 190 vor.
Danach werden die allgemeinen Interrupts wieder freigegeben und es erfolgt der
Rücksprung ins Hauptprogramm.
Als Ergebnis wird man nun nach
Bild 41: Der Quellcode für die Erzeugung des 5-Hz-Blinkimpulses
ELVjournal 4/06
Compilieren, Linken und Brennen den
Kammerton A aus dem Signalgeber des
myAVR-Boards vernehmen. Die Abweichung lag tatsächlich unter 1 %, wir haben
437 Hz gemessen. Abbildung 40 zeigt die
Verdrahtung. Die ebenfalls mit verdrahtete
LED zeigt die hohe Frequenz für das Auge
mit Dauerleuchten an und dient als optische
Anzeige für Variationen des Timings.
Experimente mit 16 Bit
Neugierig geworden, kann man nun mit
den Rechenwerten experimentieren und so
sicherer in der Handhabung der Optionen
werden, die der Timer bietet.
Dabei wird man früher oder später die
Möglichkeiten des 16-Bit-Timers ausprobieren wollen. Der hat bekanntlich einen
Zählbereich bis 65.535. Das wollen wir
gleich testen und stellen dem Controller im
Prinzip die gleiche Aufgabe wie vorher,
allerdings soll nun die LED mit 5 Hz deutlich sichtbar blinken. Ergo ergibt sich die
Wartezeit bei 3,6864 MHz Takt mit
368.640 Zyklen, da ja wieder beide „Halbwellen“ zu berücksichtigen sind, der Takt
also durch 10 zu teilen ist. Teilen wir diese
Zyklenzahl durch 1024, so ergibt sich der
Zählerwert von 360 – für Timer 1 kein Problem, und zurückgerechnet ergibt sich genau
der Wert der Wartezeit. In bewährter Manier
ziehen wir diese 360 von 65.535 ab und erhalten einen Re-Init-Wert von 65.175.
Jetzt ergibt sich ein Problem. Der 16-BitWert passt nicht zur 8-Bit-Busstruktur des
Controllers, wir könnten also die sich ergebende 16-stellige Binärzahl nicht als
Re-Init-Wert in der ISR eintragen.
Das Datenblatt des ATmega8 gibt auf Seite 79 Aufschluss über die Lösung – man teilt
die Zahl in zwei Bytes auf, das so genannte
Low-Byte und das High-Byte, schreibt die
beiden Bytes in ein Register-Paar und liest
sie dann nacheinander wieder aus.
Also trägt man den Hex-Zahlenwert
von 65.175, FE97, entsprechend in zwei
Register ein, gefolgt von den entsprechenden Out-Befehlen. Nicht vergessen,
den Eintrag in der Vektortabelle entsprechend zu modifizieren, wir nutzen nun den
Timer 1 und dessen Overflow-Meldung als
Interruptquelle!
Das Ergebnis ist im Listing in Abbildung 41 zu sehen. Die Verdrahtung ist
identisch mit der in Abbildung 40.
Das soll es zunächst zu den Timern
gewesen sein. Im Schulungsmaterial zu
myAVR finden Sie noch mehrere weitere
Nutzungsbeispiele, darunter auch eine
ausführliche Erklärung zur Nutzung der
PWM-Funktion des Timers.
In der nächsten Folge geht es um die
Kommunikation mit dem PC über die serielle Schnittstelle – wir lernen die UART
kennen.
75
Mikrocontroller-Einstieg
Teil 5
mit myAVR
Keine Angst vor dem Einstieg in die Welt der Mikrocontroller-Programmierung!
Die myAVR-Sets enthalten alles Nötige für den schnellen und fundierten
Beginn der Programmierer-Karriere – Experimentierboard mit ATMELController, Lehrbuch, Softwarepaket, Kabel, sämtlichem Zubehör.
Im fünften Teil unserer Serie zur Programmierung des AVR beschäftigen wir uns mit der
Kommunikation zwischen AVR und seiner Umgebung über die serielle UART-Schnittstelle.
UART – seriell und asynchron
Der Austausch von Daten mit anderen
Systemen ist eine wichtige Voraussetzung
für die Arbeit mit Mikrocontrollern. Der
Kommunikations-„Partner“ muss nicht immer ein PC sein, auch Tastaturen, Displays
und externe Speicher müssen vom Prozessor abgefragt bzw. mit Daten versorgt werden. Dabei hat sich in Mikrocontrollern die
serielle Schnittstelle bis heute bewährt. Sie
ist einfach aufgebaut, entsprechend einfach
handhabbar und in den Controllern implementiert. Beim AVR-Controller finden wir
neben den seriellen Interfaces I2C und SPI
die serielle Schnittstelle in Form eines integrierten UART-Bausteins (Universal Asynchron Receiver Transmitter). Dieser spezielle Schnittstellenbaustein unterstützt die
serielle Datenübertragung nach der weitELVjournal 6/06
verbreiteten RS232-Norm und stellt damit
eine einfache Möglichkeit dar, Daten zu
versenden und zu empfangen.
Dies erfolgt über die Zweidrahtschnittstelle des AVR. Diese allerdings arbeitet mit
den in Mikrocontrollersystemen üblichen
TTL-Pegeln. Das ist in Ordnung, solange
über kurze Strecken etwa mit einem angeschlossenen Speicherbaustein direkt kommuniziert werden soll.
Will man aber eine RS232-Verbindung
zur seriellen Schnittstelle eines PCs auf-
Bild 42:
Der MAX 232 sorgt
für die normgerechte Erzeugung
der Pegel für die
RS232-Schnittstelle
aus der 5-V-Betriebsspannung.
Darüber ist der
RS232-Port zu
sehen.
71
PC-Technik
TXD
TXD
TXD
TXD
RXD
RXD
RXD
RXD
CTS
CTS
CTS
CTS
RTS
RTS
RTS
RTS
GND
GND
GND
GND
(Stopp-Bit). Entsprechend sind die Datenbits eines Datenwortes jeweils von je einem
Start- und Stopp-Bit eingerahmt.
So erreicht man eine relativ schnelle
und sehr einfach aufzubauende Datenverbindung.
Bild 43: Die vollständige RS232-Verbindung mit Steuerleitungen.
Bild 44: Die vereinfachte RS232-Verbindung als Nullmodem-Verbindung.
bauen, sind die Signalpegel an die RS232Konventionen anzupassen. Dazu befindet
sich auf dem myAVR-Board der bekannte
Schnittstellen-Baustein MAX 232 (Abbildung 42), der eine Umwandlung der TTLPegel (0/5 V) in die RS232-Signalpegel
±12 V vornimmt. Der Vorteil dieses Bausteins: Man benötigt nur eine Versorgungsspannung von 5 V, die Umwandlung erfolgt
durch interne Spannungswandler.
Damit und mit dem 9-poligen Sub-DSteckverbinder auf dem Board sind die
hardwaremäßigen Voraussetzungen erfüllt,
um mit einer RS232-Standard-Schnittstelle, wie sie die serielle PC-Schnittstelle darstellt, kommunizieren zu können. Bleibt
noch die eigentliche Verbindung. Abbildung 43 zeigt die vollständige Verbindung
zwischen zwei RS232-Schnittstellen. Zusätzlich zu den Datenleitungen RXD (Empfangen) und TXD (Senden) finden wir hier
noch einige Steuerleitungen, die jeweils die
Bereitschaft von Sender und Empfänger zur
Datenübertragung signalisieren. Für eine
einfache Datenübertragung nutzt man allerdings oft die in Abbildung 44 dargestellte
3-Draht-Nullmodem-Verbindung. Ein so
beschaltetes Nullmodem-Kabel befindet
sich im Lieferumfang des myAVR-Sets,
womit alle hardwareseitigen Voraussetzungen für den Datenaustausch zwischen
PC und AVR erfüllt sind.
Diese geringe Leitungsanzahl (je Richtung eine plus Masse) wird durch das angewendete serielle, asynchrone Datenübertragungsverfahren mit einer sehr einfachen
Datenstruktur ermöglicht. Asynchron heißt,
dass mit den Daten kein Taktsignal übertragen wird und es keine Rückfrage über den
ordnungsgemäßen Empfang der Daten gibt.
Somit verliert man keine Zeit mit der Kontrolle der Datenübertragung. Allerdings
müssen dazu Sender und Empfänger mit
exakt der gleichen Übertragungsrate (Baudrate) arbeiten bzw. darauf eingestellt sein.
Und beide Stellen müssen sich gegenseitig
signalisieren, wenn die eigentliche Datenübertragung beginnt (Start-Bit) und endet
Baudratenregister
UBBR/UBRRL/UBRRH
Controlregister
UCR/UCSRB
UART inside
Verschaffen wir uns zum Verständnis
der Programmierung des AVR-UARTs zunächst mit Abbildung 45 einen Überblick
über seinen Aufbau. Auch hier erfolgt die
Programmierung über Register, die der
Steuerung, der Festlegung der Baudrate
und der Verwaltung der eigentlichen Daten
dienen. Die Übertragungsrate wird direkt
aus dem quarzstabilen Systemtakt generiert, die Genauigkeit ist für diese Art der
Datenverbindung völlig ausreichend. Die
„INT“-Anschlüsse weisen darauf hin: Der
UART-Baustein ist interruptfähig, ein Blick
in die Vektortabelle (Abbildung 46) bestätigt die drei möglichen Interrupt-Arten.
Schließlich realisieren die Empfangs- und
Sendebausteine die normgerechte RS232Kommunikation nach außen.
UART initialisieren
Wollen wir uns nun mit der Programmierung des UARTs befassen, um schließlich Daten an einen angeschlossenen PC
zu senden.
Baudrate einstellen
Wie gesagt, die Baudrate wird direkt aus
dem Systemtakt abgeleitet. Die RS232Konventionen sehen eine Reihe definierter
Baudraten, z. B. 1200, 2400, 9600, 57 600
Statusregister
USR/UCSRA
Datenregister
UDR
Interrupt
Systemtakt
UART-Logik
Baudratengenererator
Sender
Empfänger
RXD
TXD
Bild 45:
Der Aufbau
des UART und
seine Registerbelegung.
Die Registerbezeichnungen
können je nach
Controllertyp
variieren, die
Funktionen
sind jedoch
kompatibel.
72
7
RXCIE
6
TXCIE
7
6
RXC
TXC
7
6
MSB
5
4
UDRIE RXEN
5
UDRE
5
4
FE
4
3
TXEN
3
DOR
3
2
UCSZ2
1
RXB8
2
1
PE
U2X
2
1
0
TXB8
0
MPCM
0
LSB
Bit
UCR/UCSRB
Bit
USR/UCSRA
Bit
UDR
ELVjournal 6/06
Bild 47: Das Unterprogramm zum Warten auf den Empfang eines Bytes.
Bild 48: Das Unterprogramm der Senderoutine im Polling-Modus.
Bild 46: Der UART besitzt drei Interrupt-Quellen, die alternativ zum
Pollingverfahren einsetzbar sind.
bereit. Abbildung 47 zeigt die zugehörige
Programmierung über die „getChar“-Routine (Zeichen via Polling empfangen). Der
Befehl sbis ist wieder einer der bereits
bekannten Skip-Befehle. Er sorgt für die
Abfrage des Zustands im Register USR/
UCSRA. Ist das Bit 7 dort gesetzt, also
der Empfang abgeschlossen, wird der fol-
oder 115 200 Baud vor. Entsprechend ist
ein Faktor in das Register UBRR zu laden.
Wollen wir z. B. mit der gängigen Baudrate 9600 Baud übertragen, errechnet sich
dieser Faktor wie folgt:
UBRR = Taktfrequenz – 1
16 x Baudrate
also für 9600 Baud:
UBRR = 3 686 400 Hz – 1 = 23
16 x 9600
Im späteren Programm kann man den
Faktor entweder als Formel oder gleich
das Ergebnis eintragen.
Empfänger/Sender initialisieren
Nach dem Einschalten des AVR sind die
Empfänger- und Senderbausteine ausgeschaltet, einmal um Strom zu sparen und
zum anderen um ungewollte Übertragungen
und Störeffekte zu unterbinden.
Daher muss je nach Aufgabe der Sender
und/oder Empfänger des UART aktiviert
bzw. deaktiviert werden.
Dies erfolgt über das Kontroll-Register
UCR/UCSRB (siehe Abbildung 45) und
dort über die Bits 3 (Sender (TX) ein-/
ausschalten) und 4 (Empfänger (RX) ein-/
ausschalten).
Daten empfangen
Nachdem nun die Initialisierung abgeschlossen ist, kann der UART-Baustein
Daten empfangen. Die Empfangssteuerung erfolgt über die beiden Register USR/
UCSRA und UDR (siehe Abbildung 45).
Dabei wird über das Statusregister USR/
UCSRA über das Bit 7 (RXC, Receive
complete) durch ständige Abfrage (Polling) überwacht, ob das Stopp-Bit gesendet wurde. Erst dann werden die empfangenen Daten im Datenregister UDR
abgelegt und liegen hier zur Auswertung
ELVjournal 6/06
Bild 49: Der Quellcode für die serielle Datenübertragung des Wortes
TEST! an den PC.
73
PC-Technik
Wir wollen uns zum Abschluss der Einführung in die AVR-Assemblerprogrammierung noch einmal kurz mit einer weiteren Möglichkeit befassen, wie man den
AVR nutzen kann – die Verarbeitung analoger Signale über die analogen Eingänge
des Controllers.
Bild 50: Unser
Text ist im PC
angekommen!
Er wird über
das Terminalprogramm des
Controlcenters
ausgegeben.
Analoge Signalverarbeitung
gende Rücksprungbefehl ignoriert, und es
erfolgt das Einschreiben der Daten, die
sich im UDR-Register befinden, in das
Zwischenregister r16.
Daten senden
Ganz ähnlich läuft das Senden ab. Der
UART wird durch das Eintreffen eines
Bytes im Datenregister dazu aufgefordert,
dieses auch zu senden – aber erst, wenn das
Senden des vorhergehenden Bytes abgeschlossen ist. Die zugehörige Polling-Routine „putChar“ (Abbildung 48) ähnelt der
Empfangsroutine, hier wird aber das Bit 5
des Registers USR/UCSRA abgefragt, bevor der Inhalt des Zwischenregisters in das
Datenregister und damit an den Sender gegeben wird.
Die zu sendenden Daten werden Byte
für Byte über das Hauptprogramm in das
Zwischenregister geladen und hier eines
nach dem anderen über Rücksprung zum
Unterprogramm „putChar“ gesendet.
Wollen wir uns ansehen, wie das praktisch funktioniert.
Erinnern wir uns noch an den Beginn unserer Serie, als wir Aufbau und Pin-Out des
AVR-Controllers besprochen haben. Hier
fallen uns auch diverse analoge Ports auf,
darunter mehrere A/D-Wandler-Eingänge und ein Komparator. Die Nutzung des
Letzteren wollen wir in unserem kurzen
Beispiel genauer erarbeiten. Die ausführliche Nutzung der A/D-Wandler, die einen
analogen Spannungswert in eine digitale
Größe umwandeln, überlassen wir dem
ausführlichen myAVR-Lehrgang.
wenn das abgeschlossen ist, verbinden
wir eine serielle Schnittstelle des Rechners
(COMx) über das beschriebene Nullmodem-Kabel mit der seriellen Schnittstelle
des myAVR-Boards.
Nach dem Öffnen des SiSy-AVR Controlcenters über den Button „Ausführen“,
dem Herstellen der seriellen Verbindung
und dem Starten des AVR über den StartButton sendet dieser ständig die programmierten Zeichen in das Protokollfenster
(Abbildung 50), bis das Programm wieder
angehalten wird.
Das hier aufgeführte Programm ist natürlich nur als einfach zu lernende Programmiersequenz aufzufassen, die u. a.
die Grundzüge der Ausgabe auf eine Anzeige beschreibt. Dass es noch wesentlich eleganter geht, ganze Zeichenketten
„auf einen Schlag“ zu verschicken und zu
empfangen, Nachrichten in den einzelnen
Speicherarten, insbesondere dauerhaft im
EEPROM zu speichern und aus diesen auszulesen, beschreibt der myAVR-Lehrgang
ebenso ausführlich wie die Programmierung des UART als Empfänger.
Der Komparator des ATmega
Ein Komparator vergleicht zwei analoge
Spannungen in einem bestimmten Spannungsbereich und gibt ein Signal aus, wenn
eine der Spannungen größer oder kleiner
als die andere (meist ein fester Referenzwert) ist.
Der Komparator des ATmega auf unserem myAVR-Board verbirgt sich hinter
den Pins 12 (AIN 0, analog input 0) und
Pin 13 (AIN 1, analog input 1). AIN 0 ist
der Eingang für die Referenzspannung. Er
ist so programmierbar, dass entweder eine
externe oder intern erzeugte Referenzspannung nutzbar ist (Abbildung 51). Hat die
zu kontrollierende Spannung an AIN 1 einen Wert unter der Referenzspannung, so
erscheint am Ausgang des Komparators der
Zustand „0“. Übersteigt der Spannungswert
Das Programm
Das einfache Programm zur Ausgabe
eines Wortes über die serielle Schnittstelle
ist schnell erklärt, da wir alle wesentlichen
Bausteine ja bereits kennen.
Der Quellcode (Abbildung 49) für unser
einfaches Sendeprogramm zeigt, dass in der
Vektortabelle außer dem Power-on-Reset
keine Interrupt-Quelle genutzt wird, da wir
ja das Polling-Verfahren zur Abfrage der
Sendebereitschaft verwenden.
Die Initialisierungsroutine wird hier ergänzt durch das Setzen des Registers UCR/
UCSRB, hier wird, wie beschrieben, der
Sendebaustein aktiviert. Danach erfolgt
das Generieren der Baudrate.
Im Hauptprogramm finden wir die beschriebenen Routinen zum Aufrufen der
auszugebenden Zeichen über das schließlich folgende Ausgabe-Unterprogramm
„putChar“. Kompilieren, linken und brennen wir das Programm nun wie üblich über
das Parallelkabel in unseren AVR. Erst,
74
VCC
Interne
Referenzspannungsquelle
ACD (Register)
AINBG
(Register)
AIN 0
MUX
+
–
AIN 1
7
6
ACD
AINBG
5
ACO
4
ACI
3
ACIE
2
ACIC
1
ACIS1
0
ACIS0
Bit
ACSR
Bild 51: Der prinzipielle Schaltungsaufbau des Komparators und das zugehörige
Steuerregister ACSR.
ELVjournal 6/06
und überwachen den Zustand des Bits 5 im
Komparatorregister ACSR im Polling-Betrieb, ähnlich unserem Vorgehen bei der seriellen Datenübertragung. Als Spannungsquellen nutzen wir praktischerweise die
beiden Potentiometer des myAVR-Boards,
die den Komparatoreingängen Spannungen
zwischen 0 und +5 V liefern können.
Bild 52: Der Quellcode zum Komparatorprogramm.
die Referenzspannung, kippt der Komparator, und es erscheint der logische Zustand
„1“ an seinem Ausgang. Genau das kann
der Controller auswerten und z. B. eine
Warnanzeige ausgeben (oder auch, in Erweiterung des vorherigen Kapitels, eine
Meldung an den PC ausgeben bzw. auch
eine Regelschaltung in Gang setzen). Die
praktischen Anwendungen sind vielfältig,
man denke nur an die Überwachung einer
Temperatur.
Das Steuerregister
Das in Abbildung 51 bereits abgebildete
Steuerregister des Komparators bietet zahlreiche Optionen zur Steuerung des Komparators. So kann er durch Setzen des Bits 7
wie die UART-Sender/-Empfänger einund ausgeschaltet werden. Durch Bit 6 ist
die Umschaltung zwischen einer externen
oder der internen Referenzspannung (fest:
1,22 V) möglich. Die Auswertung von Bit 5
ermöglicht es, den aktuellen Ausgangswert
des Komparators auszulesen.
ELVjournal 6/06
Das Programm
Im Quellcode (Abbildung 52) sehen wir,
dass gar nicht so viel Aufwand für die Lösung dieser einfachen Aufgabe getrieben
werden muss.
Nach Interrupt-Vektortabelle und StackInitialisierung finden wir hier zunächst die
beschriebene Aktivierung des Komparators
über sein Register ACSR und dessen Bit 7.
Danach folgt die Aktivierung des Bits 6,
was bedeutet, dass die externe Referenzspannung genutzt werden soll. Und schließlich finden wir einen alten Bekannten wieder: Port B0 wird als Ausgabeport für die
rote LED definiert.
Im Hauptprogramm folgen nun der
Auslesebefehl des Komparator-Statusregisters, das Laden des Ausgaberegisters
r25 mit „0“, also LED aus. Jetzt wird es
spannender – wurde das Komparator-Statusregister (Bit 5) mit „1“ ausgelesen, bedeutet dies, dass die Eingangsspannung an
Pin AIN 1 höher ist als die an Pin AIN 0.
Jetzt wird Register r25 mit „1“ geladen
und dies an Port B ausgegeben – die LED
wird eingeschaltet! Abbildung 53 zeigt die
Verdrahtung des myAVR-Boards für diese Aufgabe.
Das war’s – und das war es auch mit unserem kleinen Assembler-Lehrgang zum
AVR-Controller. Wie gesagt, das Lehrgangsmaterial zum myAVR-Board enthält
noch viele, vor allem weiterführende Beispiele und interessante Lösungen bestimmter Aufgaben. Wir gehen in der nächsten
Folge zu einer Kurzeinführung der AVRProgrammierung in den Programmiersprachen C und BASCOM über.
Und da wir den Komparator auch in der
Interrupt-Vektortabelle als Interrupt-Quelle
finden, zeigt Bit 4 des Steuerregisters an,
ob ein Komparator-Interrupt-Ereignis vorliegt oder nicht. So kann der Komparator
bei entsprechender ISR einen
Interrupt auslösen – sofern man
über Bit 2 des Steuerregisters
diese Betriebsart freigibt und
über Bit 1 und 0 das InterruptEreignis definiert (Interrupt bei
jedem Wechsel des Komparatorausgangs, bei fallender oder
bei steigender Flanke).
In unserem folgenden Programmierbeispiel wollen wir
den Komparator dazu nutzen,
zwei analoge Spannungen an
AIN 0 und AIN 1 zu überwachen und, wenn die Spannung
an AIN 1 die an AIN 0 übersteigt, eine LED zu schalten.
Dazu lassen wir die InterruptMöglichkeit wieder außen vor Bild 53: Die Verdrahtung des myAVR-Boards.
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