Рассмотрим внутреннюю архитектуру микроконтроллеров AVR, попробуем разобраться из каких блоков состоит кристалл микросхемы и за какие функции отвечает каждый блок, как они взаимодействуют между собою. Также будут приведены полезные сравнения и примеры, ценные заметки что помогут прояснить принципы работы микроконтроллера с внешними устройствами и периферией.

AVR микроконтроллер изнутри

Микроконтроллер изнутри - это компьютер со своим вычислительным устройством, постоянной и динамической памятью, портами ввода-вывода и разной периферией.

Рис. 1. Структура AVR микроконтроллера. Рисунок с сайта digikey.com

Внутри микроконтроллер содержит:

Быстродействующий процессор с RISC-архитектурой;
FLASH-память;
EEPROM-память;
Оперативную память RAM;
Порты ввода/вывода;
Периферийные и интерфейсные модули.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) - архитектура с тщательно подобранным набором команд, которые как правило выполняются за один такт работы процессора. Современные AVR микроконтроллеры содержат около 130 команд, которые очень быстро выполняются и не требуют больших затрат как по внутри-процессорным ресурсам, так и по потребляемой мощности.

Структурная схема AVR микроконтроллера

Посмотрим на рисунок ниже и разберемся из каких блоков состоит микроконтроллер и как они связаны между собою:

Рис. 2. Структурная схема AVR микроконтроллера.

Рассмотрим кратко что изображено на блоках в схеме:

JTAG Interface (Joint Test Action Group Interface) - интерфейс внутрисхемной отладки (4 провода);
FLASH - перепрограммируемая память для сохранения программы;
Serial Peripheral Interface, SPI - последовательный периферийный интерфейс (3 провода);
EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) - перепрограммируемое ПЗУ, энергонезависимая память;
CPU (ЦПУ) - центральный процессор управления, сердце микроконтроллера, 8-битное микропроцессорное ядро;
ALU (АЛУ) - арифметико-логическое устройство, основа блока CPU;
RAM (Random Access Memory) - оперативная память процессора;
Program Counter - счетчик команд;
32 General Purpose Registers - 32 регистра общего назначения;
Instruction Register - регистр команд, инструкций;
Instruction Decoder - декодер команд;
OCD (On-Chip Debugger) - блок внутренней отладки;
Analog Comparator - аналоговый компаратор, блок сравнения аналоговых сигналов;
A/D Converter (Analog/Digital converter) - аналогово-цифровой преобразователь;
LCD Interface (Liquid-Crystal Display Interface) - интерфейс для подключения жидко-кристаллического дисплея, индикатора;
USART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), UART - универсальный асинхронный приемопередатчик;
TWI (Two-Wire serial Interface) - последовательный интерфейс с двухпроводным подключением;
Watchdog Timer - сторожевой или контрольный таймер;
I/O Ports - порты вода/вывода;
Interrupts - блок управления и реакции на прерывания;
Timers/Counters - модули таймеров и счетчиков.

Подробнее о внутренних блоках микроконтроллера

А теперь подробно рассмотрим все блоки микроконтроллера, разберемся что и для чего нужно, приведу простые примеры доступным языком.

JTAG Interface - важный интерфейс который позволяет производить внутреннюю отладку прямо в чипе используя блок внутренней отладки (OCD ), без использования эмуляторов. Можно сказать что JTAG - это интерфейс для "железной" отладки микроконтроллера. Через JTAG-адаптер микросхема напрямую подключается к программному комплексу для программирования и отладки.

Используя данный интерфейс можно в пошаговом режиме выполнять программу прямо в микроконтроллере, смотреть как изменяется содержимое регистров, как мигают индикаторы и светодиоды что подключены к микроконтроллеру после каждого шага и т.п. Для подключения к JTAG интерфейсу достаточно 4-х проводников: TDI(Test Data In), TDO(Test Data Out), TCK(Test Clock), TMS (Test Mode Select).

JTAG интерфейс доступен далеко не во всех микроконтроллерах AVR, как правило таким вкусным дополнением обладают чипы у которых 40 и более лапок, а объем памяти доступен в размере не менее 16КБ. Для серьезных задач - серьезные материалы и инструменты.)

FLASH - память программ, энергонезависимое ПЗУ(постоянное запоминающее устройство) что выполнено по технологии FLASH. Здесь хранится программа, которая будет исполняться блоком ALU микроконтроллера. Флешь-память чипа можно многократно перезаписывать, тем самым меняя или дополняя программный код для выполнения. Данный тип памяти может сохранять записанные в нее данные в течение 40 лет, а количество возможных циклов стирания/записи может достигать 10000.

В зависимости от модели микроконтроллера размер FLASH-памяти может достигать 256 KБ.

Serial Peripheral Interface, SPI - последовательный периферийный интерфейс (SPI) который зачастую применяется для обмена данными между несколькими микроконтроллерами со скоростью до нескольких MГц (нескольких миллионов тактов в секунду).

Для обмена данными по SPI интерфейсу между двумя устройствами достаточно 3-х проводников:

MOSI (Master Output Slave Input) - Данные от ведущего к ведомому;
MISO (Master Input Slave Output) - Данные от ведомого к ведущему;
CLK (Clock) — тактовый сигнал.

Устройства с SPI-интерфейсом делятся на два типа: ведущий(Master) и ведомый(Slave). Если к интерфейсу подключено несколько устройств то для обмена данными между ними нужны дополнительные линии связи(проводники) чтобы мастеру можно было выбрать ведомое устройство и сделать запрос к нему.

Также SPI интерфейс используется для внутрисхемного SPI программирования, по этому интерфейсу к микроконтроллеру подключается программатор.

EEPROM - энергонезависимая память данных в которой данные будут храниться даже при отключении питания микроконтроллера. В данной памяти можно хранить настройки выполнения программы, собранные данные для статистики работы устройства и другую полезную информацию. К примеру, собрав маленькую метеостанцию на микроконтроллере, в EEPROM на каждый день можно сохранять данные о температуре воздуха, давлении, силе ветра, а потом в любой момент считать эти собранные данные и провести статистические исследования.

Для EEPROM выделено отдельное адресное пространство которое отличается от адресного пространства RAM и FLASH. Память EEPROM микроконтроллера - очень ценный ресурс, поскольку ее как правило очень мало - от 0,5 до нескольких килобайт на чип. Количество перезаписей для данного типа памяти составляет порядка 100000 что в 10 раз больше чем ресурс FLASH памяти.

ALU - Арифметико-логическое устройство, которое синхронно с тактовым сигналом и опираясь на состояние счетчика команд (Program Counter ) выбирает из памяти программ (FLASH ) очередную команду и производит ее выполнение.

Тактовый сигнал для микроконтроллера вырабатывается тактовым генератором, и может быть подан из нескольких доступных источников на выбор:

внутренний RC-генератор, который можно калибровать на нужную частоту;
керамический или кварцевый резонатор с конденсаторами (не у всех моделей);
внешний тактовый сигнал.

Установка источника тактовых импульсов производится при помощи FUSE-битов.

FUSES (с англ.: плавление, пробка, предохранитель) - специальные 4 байта(4*8=32 бит) данных, которые настраивают некоторые глобальные параметры микроконтроллера в процессе прошивки. После прошивки данные биты нельзя изменить через внутреннюю программу что записана в МК.

Данной конфигурацией бит мы указываем микроконтроллеру вот что:

какой использовать задающий генератор (внешний или внутренний);
делить частоту генератора на коэффициент или нет;
использовать ножку сброса (RESET) для сброса или же как дополнительный пин ввода-вывода;
количество памяти для загрузчика;
другие настройки зависимо от используемого микроконтроллера.

CPU - это мозг микроконтроллера, который содержит в себе АЛУ, регистры и оперативную память.

К ALU подключен блок из 32-х регистров общего назначения (32 General Purpose Registers - регистровая память), каждый из которых представляет собою 1 байт памяти (8 бит). Адресное пространство регистров общего назначения размещено в начале оперативной памяти (RAM) но не является ее частью. С данными что помещаются в регистры можно производить разнообразные арифметические, логические и битовые операции. Выполнение подобных операций в оперативной памяти не доступно. Для работы с данными из RAM нужно их записать в регистры, произвести в регистрах нужные операции, а потом записать результирующие данные из регистров в память или в другие регистры для выполнения каких-то действий.

RAM - оперативная память. В нее можно записывать данные из регистров, считывать данные в регистры, все операции с данными и расчеты производятся в регистрах. Для разных семейств AVR чипов размер оперативной памяти ограничен:

ATxmega - до 32 KБ;
ATmega - 16 Кб;
ATtiny - 1 Кб.

Analog Comparator - данный блок сравнивает между собою два уровня сигнала и запоминает результат сравнения в определенном регистре, после чего сданный результат можно проанализировать и выполнить необходимые действия. Для примера: можно использовать этот блок как АЦП(Аналогово-Цифровой Преобразователь) и измерять напряжение батареи питания, в случае если если напряжение батареи достигло низкого уровня - произвести некоторые действия, помигать красным светодиодом и т.п. Также данный модуль можно применять для измерения длительности аналоговых сигналов, считывания установленных режимов работы устройства при помощи потенциометра и т.п.

A/D Converter - данный блок преобразовывает аналоговое значение напряжения в цифровое значение, с которым можно работать в программе и на основе которого можно выполнять определенные действия. Как правило диапазон напряжений что подаются на вход АЦП в AVR микроконтроллере находится в пределах 0-5,5 Вольт. Для данного блока очень важно чтобы микроконтроллер питался от стабильного и качественного источника питания. Во многих AVR микроконтроллерах есть специальный отдельный вывод для подачи стабильного питания на схему АЦП.

LCD Interface - интерфейс для подключения жидкокристаллического индикатора или дисплея. Применятся для отображения информации, состояния устройства и его узлов.

USART - последовательный асинхронный интерфейс для обмена данными с другими устройствами. Есть поддержка протокола RS-232, благодаря чему микроконтроллер можно соединить для обмена данными с компьютером.

Для подобной связи МК с COM-портом компьютера нужен конвертер логических уровней напряжения (+12В для COM - в +5В для микроконтроллера), или же просто RS232-TTL. Для подобных целей используют микросхемы MAX232 и им подобные.

Для подключения микроконтроллера к компьютеру через USB используя UART-интерфейс можно использовать специализированную микросхему FT232RL. Таким образом на новых компьютерах и ноутбуках можно не имея физического COM-порта привязать микроконтроллер используя USB-порт через USART интерфейс.

TWI - интерфейс для обмена данными по двухпроводной шине. К такой шине данных можно подключить до 128 различных устройств, используя две линии данных: тактовый сигнал (SCL) и сигнал данных (SDA). Интерфейс TWI является аналогом базовой версии интерфейса I2C.

В отличие от SPI интерфейса (один мастер и один/несколько ведомых) интерфейс TWI - двунаправленный, сто позволяет организовать между несколькими микроконтроллерами небольшую внутреннюю сеть.

Watchdog Timer представляет собою систему контроля зависания устройства с последующим его перезапуском. Это как автоматическая кнопка RESET для старенького компьютера с глючной ОС.))

I/O Ports , GPIO - это набор блоков портов ввода/вывода к пинам которых можно подключить разнообразные датчики, исполняющие устройства и цепи. Количество пинов вход/выход, что идут от портов в микроконтроллере, может быть от 3 до 86.

Выходные драйверы в портах AVR микроконтроллера позволяют напрямую подключать нагрузку з потребляемым током 20 мА(максимум 40 мА) при напряжении питания 5В. Общий нагрузочный ток для одного порта не должен превышать значение в 80 мА (например на 4 пина для одного из портов повесить по светодиоду с током 15-20 мА).

Interrupts - это блок который отвечает за реакцию и запуск на выполнение определенных функций при поступлении сигнала на определенные входы микроконтроллера или же по какому-то внутреннему событию (например тиканью таймера). Под каждое прерывание разрабатывается и записывается в память отдельная подпрограмма.

Почему этот блок называется блоком прерываний? - потому что при возникновении определенного для прерывания события выполнение основной программы прерывается и происходит приоритетное выполнение подпрограммы что написана для текущего прерывания. По завершению выполнения подпрограммы происходит возвращение к выполнению основной программы с того момента где она была прервана.

Timers/Counters - набор таймеров и счетчиков. Микроконтроллер, как правило, содержит в себе от одного до четырех таймеров и счетчиков. Они могут применяться для подсчета количества внешних событий, формирования сигналов определенной длительности, вырабатывать запросы на прерывания и т.п. Разрядность таймеров и счетчиков составляет - 8 и 16 бит (смотреть в даташите для чипа).

Заключение

Вот в принципе и все что изначально полезно знать о структуре микроконтроллера AVR. Дальше, в процессе работы и программирования, у вас будет возможность на практике изучить даташиты для разных моделей AVR чипов, узнать более детально принципы работы каждого из структурных кубиков МК и изучить как они работают, поиграться с отладкой и т.п.

В следующей статье попробуем разобраться с маркировкой микроконтроллеров, поразмышляем о наиболее доступных и подходящих для начального изучения чипах.

Предположим вам поставили задачу — заставить мигать светодиод.
Рассуждаем, как решить эту задачу:

Вариант 1 — самое простое, взять тумблер/кнопку, рядом посадить раба, который тумблером будет включать/выключать светодиод. Обычно в России большинство задач именно так и решается. А что ведь мигает)))
Вариант 2 — собрать мультивибратор. Уже интереснее. Для того чтобы помигать, одним светодиодом вполне даже хорошее решение. К тому же просто, дешево, надежно.
Вариант 3 — собрать на микроконтроллере. Дороже чем собрать мультивибратор, но на мой взгляд проще. Написал программу, прошил, получил результат. Без настройки. Конечно это идеальный случай.

Теперь усложним задачу. Например, 5 светодиодов и 5 вариантов их мигания (изменяется скорость и порядок их мигания). Первый вариант сразу отпадает, способом 2 сделать можно, но размеры устройства резко увеличатся. Вариант 3 останется примерно тех же размеров, достаточно дописать пару строк кода. Следовательно есть разные случаи, где то без микроконтроллера невозможно, а где то он излишество. Поэтому всегда оценивайте трудозатраты, время и финансовые затраты.

Итак, микроконтроллер позволяет нам гибко управлять, системами, процессами и т.п, имеет небольшие габариты, по функциональности это миникомпьютер. Микроконтроллеры выпускаются разными фирмами. Одна из разновидностей микроконтроллеры AVR фирмы Atmel. Почему именно они? Их довольно просто найти в магазине, легко найти примеры готового кода, встроенный функционал позволяет решать даже сложные задачи.

Чтобы микроконтроллер нас понимал, что мы от него хотим, в него нужно загрузить прошивку — последовательность действий, которую ему необходимо выполнить. Прошивка представляет собой последовательность единиц и нулей. Чтобы было удобнее, придумали языки программирования. Например, мы пишем включи, а компилятор уже сам преобразовывает в понятную для микроконтроллера последовательность единиц и нулей. На рисунке показана HEX прошивка, если ее открыть при помощи блокнота.

Программируют микроконтроллеры обычно на языке Си или на ассемблере. На чем писать по большому счету разницы нет. Из-за большого количества готовых примеров, я свой выбор сделал в пользу Си. Кроме того, существует несколько программ позволяющих писать на Си. Например бесплатная, фирменная AVR Studio, CodeVision, WinAVR и т.п. Несмотря на то, что я пишу в CodeVision, очень активно использую AVR Studio как отладчик.

Надеюсь хоть что то из этого понятно вам стало. На мой взгляд, самое сложное это сделать первый шаг. Тот кто его сделает, переборет свой страх и свою лень, тот обязательно добьется результата. Удачи в изучении микроконтроллеров.

AVR микроконтроллеры. Основы программирования

Строение и основные характеристики AVR микроконтроллеров

В данной статье постараемся в общих чертах разобрать, главные характеристики , что "у него внутри", что нужно для начала работы с AVR микроконтроллерами и т.д.

Что такое Tiny, Mega?

Компания Atmel выпускает обширную линейку восьмибитных микроконтроллеров на базе AVR ядра, разбитые на несколько подсемейств, различающиеся по техническим характеристикам, области применения, цене:

ATtiny – семейство AVR микроконтроллеров оптимизированных для приложений, требующих относительно большой производительности (до 1.0 MIPS и способны работать на частотах до 20.0 МГц), энергоэффективности (ATtiny единственное семейство способное работать от 0,7В напряжения питания!) и компактности (есть микроконтроллеры в SOT23-6 корпусе – всего 6 пин, и при этом каждый пин обладает несколькими функциями, к примеру: порт ввода/вывода, вход АЦП, вывод ШИМ и т.д.). Отсюда вырисовывается и область их применения: устройства критичные к цене, энергопотреблению, габаритам и т.д.
ATmega – семейство AVR микроконтроллеров предназначенных для использования в самых разнообразных областях, благодаря очень большому набору периферийных устройств, большому объему памяти программ, портов ввода/вывода и пр. Одним словом – есть где развернутся.
ATxmega – новое семейство AVR микроконтроллеров с еще большим набором периферийных устройств чем у ATmega (добавилось устройство прямого доступа к памяти, ЦАП, CRC-модуль, полноценный USB интерфейс, более быстрый АЦП и др.), с рабочими частотами до 32.0МГц.

Стоит отметить главную особенность всех вышеперечисленных устройств: все они имеют единую архитектуру, и это позволяет с легкостью переносить код с одного микроконтроллера на другой.
Выпускаются микроконтроллеры как в DIP, так и SMD упаковках (каждая со своими плюсами и минусами).

Самые популярными упаковочными корпусами являются:

DIP (Dual Inline Package) - корпус с двумя рядами контактов
QFP (Quad Flat Package) - плоский корпус с четырьмя рядами контактов
SOIC (Small-Outline Integrated Circuit) – малогабаритные (малая площадь) интегральные схемы

Что касается радиолюбительской практике, то, безусловно, наибольший интерес представляют микроконтроллеры в DIP корпусе , так как с ними проще всего работать- они имеют достаточно большой шаг между выводами и кроме этого под них можно использовать сокеты (это такой специальный разъем куда можно устанавливать микросхемы без пайки).
Вообще сокета- это чрезвычайно удобное изобретение- и выводы всегда целые и можно неоднократно снимать- вставлять микросхему, да и макеты будущих устройств изготавливать гораздо проще..

Питание и тактирование AVR микроконтроллеров

AVR микроконтроллеры построены по технологии КМОП (CMOS), что обеспечивает очень малое энергопотребление. Практически, энергопотребление линейно и прямо пропорционально зависит от рабочей частоты (чем выше частота – тем выше энергопотребление).

Напряжение питания для AVR микроконтроллеров находится в диапазоне от 2.7 до 5.5В (6.0В – максимум, хотя у меня AVR’ка как-то работала и при 7В – и ничего, жива и по сей день). Это означает что AVR может напрямую управлять, обмениваться данными и т.д. с различными устройствами (как 3.3В-толерантными так и 5В-толерантными) без необходимости применять какие-либо преобразователи логических уровней. Для более точной обработки аналоговых сигналов, в AVR предусмотренно отдельные выводы для питания аналоговой части микроконтроллера, в которую входят такие устройства как АЦП, ЦАП, Аналоговый компаратор. В добавок, AVR микроконтроллеры обладают несколькими "спящими режимами” (Sleep modes), для обеспечения наилучшего энергосбережения.

Также каждый пин микроконтроллера (в зависимости от рабочей частоты и напряжения питания) может питать внешние устройства током до 40.0 мА (максимум!), но всего из микроконтроллера можно "закачать/выкачать” до 200.0 мА (максимум!).

Диапазон частот тактирующих сигналов отличается в зависимости от "семейного старшинства” (ATtiny является самым младшим семейством AVR микроконтроллеров, а ATxMega самым старшим). У некоторых представителей, в особенности ATtiny семейства, рабочая частота может достигать 20.0МГц, у ATmega она не превышает 16.0МГц, а у ATxMega она не превышает 32.0МГц. Также в каждом AVR микроконтроллере есть внутрений RC-генератор до 8.0МГц, что позволяет обойтись без внешнего источника тактирующего сигнала.

Atmel выпускает микроконтроллеры с максимальными рабочами частотами в два раза ниже стандартных (для повышения энергосбережения), так что следует обращать внимание на кодировку микроконтроллеров при их покупке. Подробную информацию о том какой микроконтроллер на каких частотах и напряжениях питания работает, какие бывают кодировки, упаковки для данного микроконтроллера и т.д. можно найти в разделе "Ordering Information” каждого даташита.

Ниже в качестве примера приведена таблица из даташита на микроконтроллер ATtiny13 . В столбце "Ordering Code” видны различия между кодировками и не трудно догадаться с чем они связаны.

Что у AVR микроконтроллера внутри?

Как уже было сказано в предисловии, микроконтроллеры AVR имеют гарвардскую архитектуру (главная характеристика такой архитектуры является то что память программ и оперативная память, как и шины доступа к ним, разделены для повышения скорости выполнения команд: пока одна команда выполняется, следующая извлекается из памяти программ) с RISC процессором, с быстродействием в 1.0 MIPS. Во всех микроконтроллерах, независимо от их модели и компоновки, одно и тоже центральное процессорное устройство (процессор/ядро). Единое ядро, делает написанную на любом языке программу более универсальной и при желании можно заменить в любом из проектов, скажем, более дорогой контроллер на другой по дешевле, с минимальными изменениями в коде.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) – процессор с набором простых ассемблерных команд (прибавить, отнять, сдвиг влево/вправо, "логическое И”, и т.д.), все команды имеют фиксированную длину, в составе процессора находятся большое количество регистров общего назначения, и т.д. Чтобы, к примеру, расчитать какое-нибудь среднее математическое уровнение, процессору придется выполнить несколько простых ассемблерных команд, в отличии от CISC-процессора у которого есть команды "на все случаи жизни". Но у AVR не совсем RISC-процессор, поскольку не все ассемблерные команды имеют фиксированный формат. Большинство имеют 16-разрядный формат, остальные 32-разрядные. Это означает что каждая команда занимает в памяти программ 16 или 32 бита. Кстати, нефиксированная длина ассемблерных команд и делает его процессор: Advanced Virtual RISC-процессором (AVR).

MIPS (Million Instructions Per Second) – AVR микроконтроллеры способны выполнять (приблизительно) миллион команд на частоте 1.0 МГц, или проще говоря, большинство ассемблерных команд выполняются за один период тактирующего сигнала.

Мозгами AVR микроконтроллера является его центральное процессорное устройство (процессор/ядро).

Некоторые составляющие процессора:

Арифметико-логическое устройство (Arithmetic Logic Unit)

Счетчик команд (Program counter)

Указатель стека (Stack Pointer)

Регистр состояния (Status Register)
Память программ (Flash Program memory)
Память данных (Data memory)

Регистры общего назначения (General Purpose Registers)

Регистры периферийных устройств (I/O Registers)

Оперативная память (SRAM memory)

Система тактирования (Clock System). Данную систему можно сравнить с сердечно-сосудистой системой

Модуль обработки прерываний (Interrupt Unit)

Периферийные устройства, перечислю некоторые из них:

Порты ввода/вывода

EEPROM память

USB (только в xMega), USART, I2C, SPI, JTAG интерфейсы

Сторожевой таймер, Таймер/Счетчик (с функцией ШИМ генератора, захвата/сравнения и т.д.)

АЦП, ЦАП (только в xMega), Аналоговый компаратор

Модули внешнего прерывания (External Interrupts)

Набор периферийных устройств в различных семействах (Tiny, Mega и xMega) и различных микроконтроллеров данных семейств отличается. Есть микроконтроллеры набитые "по самое немагу” различными периферийными устройствами, но также, для разработок критичных к стоимости, имеются и микроконтроллеры с малым (нужным) набором периферии.

Одним из плюсов AVR микроконтроллеров является возможность использования периферийных устройств в различных совместных режимах работы, что очень часто упрощает задачу разработчика. Также в AVR встроенна система сброса и отслеживания уровня питаниющего напряжения (System Control and Reset), обеспечивающая нормальный старт микроконтроллера и в случае необходимости, надежное завершение работы.

Регистры управления/состояния периферийных устройств находятся в области памяти данных (Data memory), между регистрами общего назначения и оперативной памятью, что обеспечивает высокое быстродействие в работе с периферией. Разработчик, естественно, имеет полный доступ к данным регистрам (I/O Registers).

Что необходимо чтобы заработал микроконтроллер?

написать программу (запрограммировать ). Для того чтобы написать программу/алгоритм по которому будет действовать микроконтроллер вам понадобится интегрированная среда разработки для AVR микроконтроллеров, в состав которой входит редактор кода/текста, компилятор, компоновщик (linker) и пр. утилиты.

схемотехника . Одной лишь программы недостаточно чтобы микроконтроллер заработал, ему также требуется минимальный обвес (набор внешних электронных устройств), для обеспечения микроконтроллера напряжением питания и тактирующим сигналом, чтобы как минимум заработало ядро микроконтроллера.

На следующем рисунке показан "классический” обвес микроконтроллера, необходимый для нормальной работы.

На рисунке приведены минимальные схемотехнические требования к микроконтроллеру ATmega16. При данной схеме включения, начинает работать ядро AVR микроконтроллера, можно использовать все порты ввода/вывода и пр. периферийные устройства. Короче говоря микроконтроллер находится в полной боевой готовности. Чтобы, например, начать использовать АЦП или Аналоговый компаратор следует, для начало, программно настроить периферийное устройство при помощи его регистров управления/контроля, для установки нужного вам режима работы и т.п., а дальше подать исследуемые сигналы на входы соответствующего периферийного устройства.

- Кварц и конденсаторы C1,C2 (по 22пФ) обеспечивают микроконтроллер и все его периферийные устройства качественным тактирующим сигналом (максимальная частота – 16.0МГц).

Резистор R1 (10К), обеспечивает высокий уровень на входе RESET, необходимый для стабильной работы микроконтроллера. Если, во время работы микроконтроллера, напряжение на этом пине упадет ниже определенного уровня, то произойдет сброс микроконтроллера и возможно нарушение работы задуманного алгоритма.

- ISP connector используется для внутрисхемного программирования, тоесть необходим для записи написанной вами программы в память микроконтроллера прямо на плате (не вынимая микроконтроллер из устройства).

- Дроссель L1 и конденсаторы C3,C4 обеспечивают напряжением питания аналоговые периферийные устройства а также некоторые регистры портов ввода/вывода. Если у микроконтроллера отсутствует аналоговая часть, соответственно, отсутствуют и пины аналогового питания, как результат – данные компоненты не нужны. упрощенной обвязки микроконтроллера следующие: во первых, поскольку микроконтроллер был лишен внешнего тактирования, ему следует указать что тактирование будет происходить от внутреннего RC-генератора, установив соответствующие фьюз биты (своего рода предельные эксплуатационные параметры микроконтроллера).
Максимальная частота внутреннего генератора равна 8.0 МГц, а это означает что микроконтроллер не сможет работать на своей максимальной частоте (производительности).
Во вторых- аналоговая часть микроконтроллера (а также некоторые регистры портов ввода/вывода), лишены источника питания, что исключает их использование.
В третьих- отсутствует разъем для внутрисхемного программирования, поэтому чтобы записать прошивку в память микроконтроллера придется вынимать его из устройства, где-то производить запись, после чего возвращать его на место. Как вы сами понимаете это не очень удобно (вынимать/вставлять, припаивать/отпаивать), и может привести к повреждению как самого микроконтроллера (могут поломаться ножки, перегреться от пайки и т.п.), так и близлежащих устройств – разъем, дорожки на плате и т.п.

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ AVR

Микроконтроллеры AVR являются разработкой и продуктом фирмы Atmel. Отличие данных микроконтроллеров от аналогичных, в довольно удачной архитектуре ядра процессора и широкому набору периферийных модулей, что облегчает процесс программирования устройства. Эти микросхемы производятся по технологии 0,35 мкм, и работают с тактовой частотой от - 16 МГц, обеспечивая производительность до 16 MIPS.

В основе микроконтроллеров семейства AVR лежит 8-ми битное центральное процессорное устройство, построенное по принципу RISK-архитектуры. Базой данного блока является арифметико-логическое устройство - АЛУ. По тактовому сигналу из памяти программ в соответствии с содержимым счетчика команд, выбирается нужная команда и выполняется вычисление. При выборе команды из памяти программ происходит выполнение предыдущей выбранной команды, это позволяет получить быстродействие на уровне 1 MIPS на 1 МГц. АЛУ подключено к 32-м регистрам общего назначения. РОН находятся в начале адресного пространства оперативной памяти, но не являются ее частью физически . Поэтому к ним идёт обращение и как к регистрам, и как к памяти.

Фирма ATMEL выпускает такие семейства 8-битных микроконтроллеров: tiny и mega. Микроконтроллеры tiny имеют Флэш -ПЗУ по 1 и 2 кбайт в корпусе на 8 -20 выводов, а микроконтроллеры mega соответственно: Флэш-ПЗУ 8 -128 кбайт в корпусе на 28 -64 вывода.

Технические характеристики микроконтроллеров AVR:
- частота до 16 МГц с временем выполнения команды 62,5 нс;
- встроенный програмируемый RC-генератор, частота 1, 2, 4, 8 МГц;
- Флэш -ПЗУ программ,программируемое в системе, до 128 кбайт;
- двухпроводный интерфейс TWI, совместимый с интерфейсом I2C;
- многоканальный 8-, 9-, 10-, 16-битный ШИМ-модулятор;
- 10-битный АЦП со временем преобразования 70 мкс и дифференциальными входами;
- программируемый коэффициент усиления — 1; 10 или 200;
- встроенный источник опорного напряжения;
- аналоговый компаратор;
- настраиваемая схема задержки запуска после подачи питания;
- схема слежения за напряжением питания;
- JTAG-интерфейс для подключения эмулятора;
- электрически перепрограммируемое ПЗУ данных до 4 кбайт;
- внутреннее ОЗУ со временем доступа 1 такт, до 4 кбайт;
- мощный набор команд (более 120 инструкций);
- 6 аппаратных команд умножения (для семейства mega);
- развитая система адресации, оптимизированная для работы с С-компиляторами;
- 32 регистра общего назначения (аккумулятора);
- синхронный (USART) или асинхронный (UART) последовательные порты;
- синхронный последовательный порт (SPI); - потребление тока 0.1 мА в активном режиме.

Типы микроконтроллеров AVR:

ТИП память программ,КБайт EEPROM данных,байт ОЗУ данных,байт Такт.частота,МГц
ATTiny11 1 - - 6 6
ATTiny11L 1 - - 2 6
ATTiny12 1 64 - 8 6
ATTiny12L 1 64 - 4 6
ATTiny12V 1 64 - 1,2 6
ATTiny13 1 64 64 20 6
ATTiny15L 1 64 - 1,2 6
ATTiny28L 2 - - 4 19
ATTiny28V 2 - - 1,2 19
AT90S2313 4 256 512 10 15
ATMega16 16 512 1024 16 32
ATMega48 4 256 512 20 40

Более подробно читайте об AVR микроконтроллерах в специальном

Так-же микроконтроллеры AVR семейства Mega имеют возможность самостоятельного изменения содержимого своей памяти программ. Это позволяет создавать на их основе гибкие системы, алгоритм работы которых будет изменяться самим микроконтроллером в зависимости от внутренних условий и внешних событий. Микроконтроллеры AVR имеют встроенный 8-канальный 10-битный аналого-цифровой преобразователь. Режим энергосбережения позволяет отключить неиспользуемые модули и в результате снизить энергопотребление.

Микроконтроллеры AVR могут работать при напряжениях питания 2 - 6 Вольт. Ток потребления в активном режиме составляет около 1 мА для работы на частоте 500 кГц, 6 мА для 5 МГц и до 10 мА на частоте 12 МГц. Есть возможность переводить их программным путем в такие режимы пониженного энергопотребления:

1.Экономичный режим. Продолжает работать только генератор таймера обеспечивая сохранность временной базы, остальные функции отключены.
2.Режим холостого хода. Прекращает работу только процессор и фиксируется содержимое памяти данных, внутренний генератор синхросигналов, таймеры, система прерываний и сторожевой таймер продолжают работать, при этом ток потребления в районе 2,5 мА на частоте 12 МГц.
3.Стоповый режим. Сохраняется содержимое регистрового файла, останавливается внутренний генератор синхросигналов, и останавливаются все функции, до поступления сигнала внешнего прерывания или аппаратного сброса, ток потребления составляет 80 мкА.

Для программирования микроконтроллеров AVR есть такие системы: AVR Studio - официальная система программирования от Atmel, позволяет писать и отлаживать программы, написанные на ассемблере, С и С++. IAR - коммерческая система программирования на C, С++ и ассемблере. WinAVR - компилятор с открытыми исходниками, поддерживающий множество самых разных языков, и AtmanAVR - система программирования для AVR с интерфейсом аналогичным, как у Visual C++ 6. Ещё одну простую и популярную программу можно скачать в разделе софт.

Семейство AVR – включает в себя 8 битные микроконтроллеры для широкого спектра задач. Для сложных проектов с большим количеством входов/выходов вам предоставлены микроконтроллеры AVR семейства Mega и AVR xmega, которые выпускаются в корпусах от 44 до 100 выводов и имеют до 1024 кб Flash памяти, а скорость их работы – до 32 миллионов операций в секунду. Практически все модели имеют возможность генерировать ШИМ, встроенный АЦП и ЦАП.

Миллионы радиолюбителей разрабатывают интересные проекты на AVR – это самое популярное семейство МК, о них написано очень много книг на русском и других языках мира.

Интересно: для прошивки нужен программатор, один из самых распространённых – это AVRISP MKII, который вы легко можете сделать из своей Arduino.

Популярность семейства АВР поддерживается на высоком уровне уже много лет, в последние 10 лет интерес к ним подогревает проект Arduino – плата для простого входа в мир цифровой электроники.

Сферы применения различных Tiny, Mega

Четко описать сферу применения микроконтроллера нельзя, ведь она безгранична, однако можно классифицировать следующим образом:

Tiny AVR – самые простые в техническом плане. В них мало памяти и выводов для подключения сигналов, цена соответствующая. Однако это идеальное решение для простейших проектов, начиная от автоматики управления осветительными приборами салона автомобиля, до осциллографических пробников для ремонта электроники своими руками. Они также используются в Arduino-совместимом проекте – Digispark. Это самая маленькая версия ардуины от стороннего производителя; выполнена в формате USB-флешки.
Семейство MEGA долго оставалось основным у продвинутых радиолюбителей, они мощнее и имеют больший, чем в Tiny, объём памяти и количество выводов. Это позволяет реализовывать сложные проекты, однако семейство очень широко для краткого описания. Именно они использовались в первых платах Arduino, актуальные платы оснащены, в основном, ATMEGA

Выход любого МК без дополнительных усилителей потянет светодиоды или светодиодную матрицу в качестве индикаторов, например.

AVR xMega или старшие микроконтроллеры

Разработчики Atmel создали AVR xMega, как более мощный МК, при этом принадлежащий к семейству AVR. Это было нужно для того, чтобы облегчить труд разработчика при переходе к более мощному семейству.

В AVR xMega есть два направления:

МК с напряжением питания 1.8-2.7 вольта, работают с частотой до 12 мГц, их входа устойчивы к величине напряжения в 3.3 В;
МК с напряжением питания 2.7-3.6 вольта уже могут работать на более высоких частотах – до 32 мГц, а вход устойчив к 5 вольтам.

Также стоит отметить: AVR xMega отлично работают в автономных системах, потому что имеют низкое энергопотребление. Для примера: при работающих таймерах и часах реального времени RTC потребляют 2 мА тока, и готовы к работе от прерывания внешнего или по переполнению таймера, а также по времени. Для выполнения целого ряда функций применяется множество 16 разрядных таймеров.

Работа с USB портом

Начнем с того, что для программирования микроконтроллера нужно использовать последовательный порт, однако на современных компьютерах COM порт часто отсутствует. Как подключить микроконтроллер к такому компьютеру? Если использовать преобразователи USB-UART, эта проблема решается очень легко. Простейший преобразователь вы можете собрать на микросхемах FT232 и CH340, а его схема представлена ниже.

Такой преобразователь размещен на платах Arduino UNO и Aduino Nano.

Некоторые микроконтроллеры AVR имеют встроенный (аппаратный) USB:

ATmega8U2;
ATmega16U2;
ATmega32U2.

Такое решение нашло применение для реализации связи компьютера и Arduino mega2560 по USB, в которой микроконтроллер «понимает» только UART.

Назначение ЦАП и АЦП микроконтроллеров AVR

Цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) называют устройства, преобразующие сигнал единиц и нолей (цифровой) в аналоговый (плавно изменяющийся). Главные характеристики – разрядность и частота дискретизации. В АЦП преобразуется аналоговый сигнал в цифровой вид.

Порты с поддержкой АЦП нужны для того, чтобы подключить к микроконтроллеру аналоговые датчики, например, резистивного типа.

ЦАП нашёл своё применение в цифровых фильтрах, где входной сигнал проходит программную обработку и вывод через ЦАП в аналоговом виде, ниже вы видите наглядные осциллограммы. Нижний график – входной сигнал, средний – этот же сигнал, но обработанный аналоговым фильтром, а верхний – цифровой фильтр на микроконтроллере Tiny45. Фильтр нужен для формирования нужного диапазона частот сигнала, а также для формирования сигнала определенной формы.

Пример использования АЦП – это осциллограф на микроконтроллере. К сожалению, частоты мобильных операторов и процессора ПК отследить не удастся, а вот частоты порядка 1 мГц – легко. Он станет отличным помощником при работе с импульсными блоками питания.

А здесь расположено подробное видео этого проекта, инструкции по сборке и советы от автора:

Какую литературу читать о микроконтроллерах AVR для начинающих?

Для обучения молодых специалистов написаны горы литературы, давайте рассмотрим некоторые из них:

Евстифеев А.В. «Микроконтроллеры AVR семейства Mega». В книге подробно рассмотрена архитектура микроконтроллера. Описано назначение всех регистров и таймеров, а также их режимы работы. Изучена работа интерфейсов связи с внешним миром SPI и т. д. Система команд раскрыта для понимания радиолюбителю среднего уровня. Материал книги «Микроконтроллеры avr семейства mega: руководство пользователя» поможет изучить структуру чипа и назначение каждого из его узлов, что, безусловно, важно для любого программиста микроконтроллеров.
Белов А.В. – «Микроконтроллеры AVR в радиолюбительской практике». Как видно из названия, эта книга, в большей степени, посвящена практической стороне работы с микроконтроллерами. Подробно рассмотрен ставший классическим микроконтроллер ATiny2313, а также многие схемы для сборки.
Хартов В.Я. «Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих». Поможет разобраться в AVR studio 4, а также стартовом наборе STK Вы научитесь работать с последовательными и параллельными интерфейсами, такими как UART, I2C и SPI. Книга «Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих» написана преподавателем МГТУ им. Н.Э.Баумана и используется там для изучения этой темы.

Изучение этого семейства микроконтроллеров помогло начать работать и разрабатывать проекты многим любителям электроники. Стоит начинать именно с популярного семейства, чтобы всегда иметь доступ к морю информации.

Среди радиолюбителей начального уровня есть только один конкурент AVR – PIC микроконтроллеры.