Mikrokontrolery

Schemat blokowy

Rdzeń AVR łączy bogaty zbiór instrukcji z 32 roboczymi rejestrami ogólnego przeznaczenia. Wszystkie 32 rejestry są bezpośrednio połączone z Jednostką Arytmetyczno Logiczną JAL (ang. Arithmetic Logic Unit ALU), umożliwiając jednoczesny dostęp do dwóch niezależnych rejestrów w pojedynczej instrukcji wykonywanej w ciągu jednego cyklu zegarowego. Wynikowa architektura jest bardziej efektywna, a jednocześnie osiąga wydajność do dziesięciu razy większą od typowych mikrokontrolerów CISC (ang. Complex Instruction Set Computer – komputer o liście złożonych rozkazów).

ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P posiada następujące cechy: 4KB/8KB/16KB/32KB pamięci FLASH programowanej poprzez ISP z możliwością jednoczesnego programowania i odczytywania kodu, 256/512/512/1024 bajty EEPROM, 512/1024/1024/2048 bajty SRAM, 23 linie we/wy ogólnego przeznaczenia, 32 robocze rejestry ogólnego przeznaczenia, licznik czasu rzeczywistego (ang. Real Time Counter, RTC), trzy elastyczne timery/liczniki z trybami porównań i PWM, układ USART, zorientowany na bajty 2-przewodowy interfejs szeregowy, 6-kanałowy (8-kanałowy w obudowach TQFP i QFN/MLF) 10-bitowy przetwornik A/C, programowalny licznik zegarowy (ang. Watchdog Timer) z wewnętrznym oscylatorem, port szeregowy SPI i pięć wybieranych programowo trybów oszczędzania energii. Tryb bezczynny (ang. Idle Mode) zatrzymuje mikroprocesor, pozwalając jednak na pracę pamięci SRAM, timerów/liczników, modułu USART, portu SPI, przetwornika A/C i systemu przerwań. Tryb wyłączenia zasilania (ang. Power-down Mode) zachowuje zawartość rejestrów i zatrzymuje oscylator, wyłączając wszystkie funkcje układu aż do momentu następnego przerwania lub sprzętowego resetu. W trybie oszczędzania energii (ang. Power-save Mode) asynchroniczny timer kontynuuje pracę, pozwalając użytkownikowi utrzymać podstawę timera, natomiast reszta mikrokontrolera jest uśpiona. Tryb zmniejszania zakłóceń dla przetwornika A/C (ang. ADC Noise Reduction Mode) zatrzymuje mikroprocesor i wszystkie moduły we/wy za wyjątkiem asynchronicznego timera i przetwornika A/C w celu zminimalizowania szumu od przełączeń w sieciach logicznych mikrokontrolera podczas przetwarzania napięć wejściowych w przetworniku A/C. W trybie gotowości/czuwania (ang. Standby Mode) oscylator kwarcowy/rezonatorowy pracuje, natomiast reszta mikrokontrolera jest uśpiona. Pozwala to na szybkie uruchomienie w połączeniu z niskim poborem prądu.

Układ mikrokontrolera jest wytwarzany z wykorzystaniem technologii wysokiej gęstości pamięci nieulotnej, którą opracowała firma ATMEL. Wewnętrzna, programowalna poprzez ISP pamięć FLASH pozwala na zaprogramowanie w systemie za pomocą zwykłego programatora pamięci nieulotnych lub za pomocą wbudowanego kodu startowego uruchomionego na rdzeniu AVR. Kod lądujący (ang. boot-loader) może korzystać z dowolnego interfejsu do załadowania programu aplikacji do pamięci FLASH programu. Oprogramowanie w sekcji chronionej FLASH (ang. Boot FLASH Section) może normalnie pracować podczas programowania sekcji kodu aplikacji (ang. Application FLASH Section), cecha ta nosi nazwę Read-While-Write (odczyt podczas zapisu). Przez połączenie 8-bitowego mikroprocesora RISC z samoprogramowalną w systemie pamięcią FLASH w monolitycznym układzie scalonym mikrokontroler ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P staje się potężnym mikrokontrolerem dostarczającym wysoko elastycznego i efektywnego kosztowo rozwiązania dla wielu wbudowanych w urządzenia aplikacji sterujących.

Mikrokontrolery ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P są wspierane przez komplet narzędzi do tworzenia systemów oraz ich oprogramowywania, łącznie z makroasemblerami, kompilatorami języka C oraz zestawami uruchomieniowymi.

Porównanie mikrokontrolerów

Mikrokontrolery ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P różnią się jedynie rozmiarami pamięci, wsparciem boot-loadera oraz rozmiarem wektorów przerwań, co podsumowuje poniższa tabelka.

Mikrokontrolery ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P wspierają prawdziwy mechanizm samoprogramowania z odczytem podczas zapisu (ang. Read-While-Write Self-Programming mechanism). Istnieje oddzielna sekcja Boot Loadera, a instrukcja SPM może być wykonywana tylko z niej. W mikrokontrolerach ATmega48A/48PA nie ma obsługi odczytu przy zapisie oraz nie występuje osobna sekcja  Boot Loadera. Instrukcja SPM może być wykonywana w całym obszarze pamięci FLASH.

Firma Atmel, oryginalny producent mikrokontrolerów AVR, została wykupiona w roku 2016 przez Microchip Technology, producenta mikrokontrolerów PIC. Pomimo przejęcia mikrokontrolery AVR są wciąż produkowane i dostępne w handlu. Oryginalne zasoby internetowe Atmela są teraz dostępne w witrynie firmy Microchip:

https://www.microchip.com

Do programowania mikrokontrolerów AVR stosowane jest kilka pakietów IDE. Szczególnie polecam Atmel Studio 7, które umożliwia programowanie w języku C oraz w asemblerze. Opis instalacji tego środowiska znajdziesz w tym rozdziale:

Instalacja Atmel Studio 7

Równie popularnym środowiskiem programowania jest Eclipse z uwagi na to, iż może pracować w systemie Linux. Zaletą tego rozwiązania jest to, iż Eclipse pozwala na wykorzystanie tanich programatorów USBasp:

Instalacja Eclipse z AVRDude

Również środowisko MPLAB X firmy Microchip posiada możliwość programowania mikrokontrolerów AVR:

https://www.microchip.com/mplab/mplab-x-ide/avr-support

Ta dokumentacja zawiera proste przykłady kodów programów, które krótko pokazują sposób użycia różnych elementów mikrokontrolera. W przykładach tych zakłada się, iż do programu zostały dołączone odpowiednie pliki nagłówkowe przed kompilacją. Bądź jednak świadomy faktu, iż nie wszyscy producenci kompilatorów języka C dołączają definicje bitów w plikach nagłówkowych, a obsługa przerwań zależy od wybranego kompilatora C. Więcej szczegółów znajdziesz w dokumentacji swojego kompilatora.

Dla rejestrów we/wy znajdujących się w rozszerzonej pamięci we/wy należy zastąpić instrukcje IN, OUT, SBIS, SBIC, CBI i SBI instrukcjami, które umożliwiają dostęp do rozszerzonej pamięci we/wy. Zwykle oznacza to instrukcje LDS i STS połączone z SBRS, SBRC, SBR i CBR. Nie wszystkie mikrokontrolery AVR zawierają rozszerzoną pamięć we/wy.

Wyniki badania niezawodności pokazują, że dane są tracone z częstotliwością dużo mniejszą od 1 PPM (ang. parts per million – części na milion) przez 20 lat w temperaturze 85°C lub przez 100 lat w temperaturze 25°C.

Biblioteka QTouch opracowana przez ATMEL'a udostępnia łatwe w użyciu rozwiązanie dla interfejsów dotykowych na mikrokontrolerach Atmel AVR. Biblioteka ta zawiera wsparcie dla metod pobierania danych QTouch® i QMatrix®.

Wykrywanie dotyku (ang. touch sensing) można w prosty sposób dołączyć do dowolnej aplikacji przez połączenie z jej kodem biblioteki QTouch i użycie funkcji interfejsu API udostępnianego przez tę bibliotekę w celu zdefiniowania kanałów dotykowych i czujników dotyku. Aplikacja następnie wywołuje funkcje API do pobrania informacji z kanałów i określania stanu czujnika dotyku.

Biblioteka QTouch jest bezpłatna i można ją pobrać z witryny Microchip'a (w 2016 firma Microchip przejęła swojego konkurenta Atmel i obecnie udostępnia wszystkie materiały pierwotnie udostępniane w sieci przez Atmela), na której znajdziesz również dokumentację oraz przewodniki dla użytkownika.