Все счетчики-таймеры могут работать в так называемых режимах PWM, т. е. в качестве 8-, 9-, 10- или 16-битных широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), причем независимо друг от друга, что позволяет реализовать многоканальный ШИМ.
В технической документации режимам PWM, в силу их сложности, многовариантности и громоздкости, посвящено много страниц. Простейший вариант использования этих режимов — воспроизведение звука. Их также можно задействовать для регулирования мощности или тока (например, при зарядке аккумуляторов), управления двигателями, выпрямления сигнала, при цифроаналоговом преобразовании.
В этом издании я не буду рассматривать такие применения МК AVR, потому что они значительно упростились с появлением платформы Arduino, и им посвящено множество доступных интернет-ресурсов.
Кроме таймеров-счетчиков, во всех без исключения AVR-контроллерах есть сторожевой (Watchdog) таймер. Он предназначен в основном для вывода МК из режима энергосбережения через определенный интервал времени, но может использоваться и для аварийного перезапуска МК. Например, если работа программы зависит от прихода внешних сигналов, то при их потере (например, из-за обрыва на линии) МК может «повиснуть», а Watchdog-таймер выведет его из этого состояния.
Последовательные порты для обмена данными с внешними устройствами — важнейшая составляющая любого МК, без них его «общение» с внешним миром резко ограничено. Последовательными их называют потому, что в них в каждый момент времени передается только один бит (в некоторых случаях возможна одновременная передача и прием, но все равно только по одному биту за раз). Самое главное преимущество последовательных портов перед параллельными (когда одновременно производится обмен целыми байтами или полубайтами-тетрадами) — снижение числа соединений. Но оно не единственное — как ни парадоксально, но последовательные интерфейсы дают значительную фору параллельным на высоких скоростях, когда на надежность передачи начинают влиять задержки в линиях. Последние невозможно сделать строго одинаковыми, и это одна из причин того, что последовательные интерфейсы в настоящее время начинают доминировать (типичные примеры: USB и Fire Wire вместо LPT и SCSI или Serial ATA вместо IDE).
В микроконтроллерных устройствах с нашими объемами данных, конечно, скорость передачи нас волнует во вторую очередь, но вот количество соединительных проводов — очень критичный фактор. Поэтому все внешние устройства, которые мы далее станем рассматривать, будут иметь последовательные интерфейсы (кроме дисплеев для отображения информации, для которых, увы, последовательные интерфейсы встречаются лишь в моделях достаточно высокого уровня).
Практически любой последовательный порт можно имитировать программно, используя обычные выводы МК. Когда-то так и поступали даже в случае самого популярного из таких портов — UART. Однако с тех пор МК обзавелись аппаратными последовательными портами, что, впрочем, не означает необходимости их непременного использования. Легкость программной имитации последовательных портов — еще одно их достоинство.
Из всех разновидностей портов, которые могут наличествовать в МК AVR, мы особенно обратим внимание на UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, универсальный асинхронный приемопередатчик). UART есть основная часть любого устройства, поддерживающего протокол RS-232, но и не только его (недаром он «универсальный») — например, промышленные стандарты RS-485 и RS-422 также реализовываются через UART, т. к. они отличаются от RS-232 только электрическими параметрами и допустимыми скоростями, а не общей логикой построения.
В персональных компьютерах есть СОМ-порт, который работает по тому же протоколу RS-232, и узел UART точно так же является его базовой частью. Поэтому UART служит основным способом обмена данными МК с компьютером.
Отметим, что отсутствие СОМ-порта в большинстве современных моделей ПК не является препятствием — существуют переходники USB-COM, а в настольную модель можно вставить дополнительную карту с СОМ-портами. О том, как обращаться с UART на практике, рассказывается в главах 21 и 22, применительно к платформе Arduino — программировать такой обмен на ассемблере гораздо сложнее (хотя и надежнее, см. далее). В главе 22 мы увидим, что существуют простые и при этом достаточно надежные способы организовать передачу через последовательный порт по радиоканалу, что позволяет обойтись вообще без проводов.
Кроме UART, почти все МК AVR содержат самый простой из всех последовательных портов — SPI (Serial Peripheral Interface, последовательный периферийный интерфейс). Об устройстве SPI упоминалось в главе 16. Его принципиальная простота сыграла отчасти дурную роль — трудно встретить два устройства, где протоколы SPI полностью совпадают, обычно обмен по этому порту сопровождается теми или иными «наворотами». Следует отметить, что программирование AVR также осуществляется через SPI, однако в общем случае этот интерфейс и SPI для обмена данными — разные вещи, хотя в большинстве случаев выводы у них одни и те же.
Кстати, всем знакомые карты памяти («флэшки») также адресуются через протокол, очень близкий к SPI.
Кроме этих портов, часто применяется очень простой аппаратно, но более сложный с программной точки зрения и довольно медленный интерфейс 12С (в терминологии Atmel AVR он называется TWI (Two-Wire Interface, двухпроводной интерфейс). С его помощью можно общаться со многими устройствами: часами реального времени, компасами, датчиками, некоторыми разновидностями памяти. Мы рассмотрим его опять же в главах, посвященных Arduino.
В AVR имеется 10-разрядный АЦП последовательного приближения (см. главу 17). Работа с ним имеет довольно много нюансов, и мы ее подробно рассмотрим в главе 20. В главе 22 вы увидите, насколько Arduino упрощает этот процесс. И вообще, некоторые другие узлы МК семейства AVR мы рассмотрим по ходу изложения конкретных схем — так будет нагляднее. Сейчас же мы закончим затянувшееся знакомство с микроконтроллером и обратимся к вопросу о том, как его программировать. Следующие две главы мы посвятим элементарным сведениям о программировании МК на ассемблере, а далее перейдем к языкам высокого (и даже сверхвысокого) уровня. Так вы сможете наглядно сравнить и даже при желании «пощупать руками» преимущества и недостатки того и иного подхода и границы их применимости.
ГЛАВА 19Персональный компьютер вместо паяльника
О программировании МК
— Чтобы найти дорогу в Лондон, надо уметь говорить по-английски. По-моему, дело это очень трудное.
А.Дюма. Три мушкетера
Внедрение любой новой технологии требует начальных затрат. Не составляет исключения и микропроцессорная технология. В данном случае прямые затраты будут состоять в том, что вам, во-первых, придется приобрести программатор, во-вторых, компьютер — если по какой-то непостижимой случайности у вас его до сих пор нет. Затраты эти могут быть сведены к минимуму — программатор лучше приобрести специализированный, а он стоит на порядок меньше универсального, а компьютер для наших целей сгодится совершенно любой, лишь бы он был из семейства PC, т. е. умел бы работать с Windows (хотя есть программаторы, которые работают и с DOS, и, разумеется, с Linux). Большинство современных программаторов общаются с компьютером через универсальный порт USB (создавая через него виртуальный СОМ-порт), так что в этом отношении проблем не ожидается.
Раз уж мы начали с потребного «железа», то закончим эту тему, а потом перейдем к собственно программированию. Программатор, о котором идет речь, называется ISP-программатором (In System Programming, т. е. программирование осуществляется прямо в устройстве пользователя). В Интернете можно найти множество предложений самодельных программаторов такого рода (ибо интерфейс программирования AVR не составляет секрета), но их функциональность и удобство пользования часто оставляют желать лучшего[30]. Поэтому предпочтительно покупать фирменный — так, очень удобные выпускает фирма Argussoft (AS-2/3/4).
Для того чтобы работать с ISP-программатором, естественно, его надо куда-то подключить. Для этого на программируемой плате специально устанавливают программирующий разъем. ISP-программаторы используют один и тот же тип разъема — игольчатый PLD (PL double, т. е. двухрядный), который хорошо знаком всем, кто когда-нибудь подсоединял жесткий диск с IDE-интерфейсом к материнской плате. Естественно, для ISP-программаторов требуется гораздо меньше контактов, чем для жесткого диска. Минимальное их количество равно 6 (именно столько их у программатора, рекомендуемого самой фирмой Atmel, такой же разъем предусмотрен на всех платах Arduino) — это выводы SPI-интерфейса программирования: MOSI, MISO и SLK, а также Reset и два вывода питания +5 В и «земля» (ISP-программаторы обычно питаются от программируемой схемы). Указанные выводы SPI-интерфейса присоединяются к одноименным выводам кристалла, которые есть у всех МК AVR, имеющих возможность SPI-программирования.
Хлопоты по приобретению программатора можно дополнительно минимизировать, если воспользоваться платформой Arduino, в которую программатор попросту встроен, как неотъемлемая часть. Но эти возможности, о которых мы расскажем в последующих главах, по умолчанию предполагают наличие фирменных плат Arduino (или какой-либо из ее клонов). Здесь нам важно, что необязательно пользоваться аппаратными средствами собственно Arduino и приобретать платы этой платформы, в которых заведомо имеется много лишнего. Программное обеспечение Arduino IDE включает утилиту AVRDUDE, позволяющую программировать МК AVR напрямую, не пользуясь ни средой