Mikrocontroller-Einstieg mit myAVR Teil 1/7
Aus ELVjournal
02/2006
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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 viele Aufgaben, zumal ein großer Teil der
benötigten Hardware, wie A/D-D/A-Wand ler, UART usw. bereits Bestandteil
des dennoch kompakten Controllers sind. Programmierer schätzen die
einfach zu handhabende 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 Hardware- Design und sind auch von
Programmier- Einsteigern 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
Entwicklungs- Tools sind immer besser handhabbar, und man findet für
jedes zu lösende Problem den passenden Controller. Der Hersteller bietet
für den professionellen Entwickler mehrere Entwicklungs- Kits 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 Entwicklungsumgebung 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.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: „Simple- System“. 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 Selbst-
Studierende wird ebenfalls über geeignetes Lehr- bzw. Fachliteratur-Ma
terial 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.
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| Bild 1: Das AVR-Starter- Kit enthält alles, was man zum Start in die Welt des Mikrocontrollers benötigt. |
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| Bild 2: Das myAVR-Board ist als Seriell-/Parallelport- Version und mit USB-Schnittstelle erhältlich. |
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| 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. |
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.
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| Bild 4: Der funktionelle Aufbau des myAVR-Boards |
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. 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
LCD-Baugruppe oder eine eigene Applikation, einfach ansteckbar sind. Der Mikrocontroller
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| Bild 5: Anschlussbelegung der AVRMikrocontroller, oben ATtiny, unten ATmega8 |
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| Bild 6: Grundaufbau eines Mikrocontrollers |
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| Bild 7: Blockschaltbild des ATmega8 |
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 Maschinenbefehle 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, 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
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 Flash- Speicher. 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. Das soll es zunächst in puncto Hardware gewesen sein, widmen
wir uns nun der Software bzw. der Programm-Entwicklungsumgebung.Die Entwicklungsumgebung SiSy
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.
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| Bild
8: Die Programmieroberfläche von SiSy: Die beiden Beispiele zeigen die
verschiedenen Programmiermethoden per Zeileneditor und per
Programmablaufplan. |
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