де инженеру достаточно заверения авторитета, что такая-то формула справедлива, а доказательства и обоснования со ссылками на древнегреческих авторов его только отвлекают от главного. И все же я очень советую изучить по крайней мере те главы первого тома, которые посвящены машинным языкам, и алгоритмы арифметических действий из второго тома (всего тома три, но я ссылаюсь только на два, так как третий посвящен исключительно алгоритмам сортировки, которые лежат за пределами любительской программистской практики).
Конечно, продираться через многочисленные математические изыски Кнута необязательна, если вы согласны ограничиться готовыми программными модулями, которые с течением времени научитесь править и подстраивать под свои нужды. Материал в этой книге не рассчитан на «крутых» профессионалов, и для его освоения и повторения приведенных здесь конструкций не надо обладать особыми знаниями. Но после ознакомления с работой Д. Кнута во многих вещах вам будет значительно проще разобраться.
В МК AVR встроенная память программ энергонезависимая, и называется «flash-памятью программ», так ее можно отличить от также энергонезависимой памяти для хранения пользовательских данных, которая именуется EEPROM. Если строго следовать терминологии, то flash — это, как вы знаете, разновидность EEPROM, но во всяком случае, встроенная память программ для AVR-контроллеров делается именно по flash-технологии, что позволяет значительно ускорить процесс программирования. Первоначально такое разделение на EEPROM и flash для, по сути дела, одинаковых по функционированию разделов памяти (и то и другое призвано хранить данные при отсутствии питания) приводило еще и к тому, что память программ допускала лишь около 1000 циклов перезаписи, в то время как EEPROM намного больше (порядка 100 000). Так было в семействе Classic и первоначальных выпусках семейств Tuny и Mega. И хотя на практике и того, и другого более чем достаточно, современные МК AVR допускают уже 10 000 циклов перезаписи для памяти программ.
Подробности
Дело в том, что модели из семейства Меда могут самопрограммироваться в процессе эксплуатации (загружать программу из внешних источников), и вот тогда тысячи циклов в теории может оказаться недостаточно. Если вас заинтересовала эта возможность, то имейте в виду, что для самопрограммирования все равно требуется первоначально занести в память программу-загрузчик. Употребляется этот способ тогда, когда контроллер должен выполнять существенно различные функции в зависимости от каких-то условий. В некотором роде это напоминает загрузку различных программ в обычных компьютерах (например, в карманных или в смартфонах). Здесь мы, конечно, разбирать эти подробности не будем.
С другой стороны, со временем разница между памятью программ и пользовательской EEPROM, совершенно очевидно, стирается: так, в семействе Tuny flash-память программируется побайтно, а не страницами, а в старших моделях семейства Mega, наоборот, EEPROM программируется страницами (правда, небольшого размера, всего в 4 байта). Для конечного пользователя все эти нюансы не имеют ровным счетом никакого значения.
Встроенная память программ имеет объем от 1 кбайта у ATtunyll до 128 кбайт у ATmega128 (как вы догадались, число в наименовании модели как раз и означает объем памяти программ). Если у пользователей системы Windows такие объемы вызовут лишь снисходительную улыбку, то советую им не «задаваться», поскольку Андрес Хейлсберг, автор Turbo Pascal, умудрился в первой версии этого продукта (1982) уложить в 33 280 байт интегрированную среду разработки, встроенный редактор и библиотеку времени выполнения. Так что возможностей AVR достаточно, чтобы построить неслабый персональный компьютер, который мог бы существенно превышать по возможностям модели IBM PC АТ на процессоре i286 (напомним, что последний выполнял инструкцию в среднем за 2–4 такта, a AVR — за 1–2). Правда, 1286 мог адресовать до 16 Мбайт динамического ОЗУ (у процессоров для ПК, напомним, нет встроенной памяти, кроме операционных регистров). Но для применений, которые требуют объемного программного кода, и AVR (кроме Tuny) могут выполнять программы из внешней памяти объемом до 4 Мбайт в отдельных моделях, причем скорость выборки команд зависит только от параметров ОЗУ и тактовой частоты AVR. Мы в данной книге эту возможность не рассматриваем — автору еще ни разу не удалось превысить лимит встроенной памяти выбранного МК.
Программаторы
Для того чтобы загрузить программу во flash-память, служат специальные программаторы, которые делятся на последовательные и параллельные (существуют еще стандартизированный согласно IEEE Std 1149.1-1990 интерфейс JTAG для отладки и тестирования микроконтроллерных устройств. С его помощью, например, выполняется всем известная «перешивка» готовых устройств. Но мы не будем здесь на этом останавливаться, т. к. в любительских конструкциях, да и во многих профессиональных, он никогда не употребляется).
Последовательные программаторы еще называют ISP (In-System Programmer, что переводится как «внутрисистемный программатор»), потому что они обычно не предполагают специального устройства для подсоединения и питания программируемой микросхемы, а заканчиваются обычным плоским кабелем с двухрядным штырьковым разъемом типа IDC или PLD (таким же, какие служат для подсоединения периферии к материнским платам ПК), который подсоединяется к специально предусмотренной штыревой части, располагаемой прямо на плате вашего устройства (подробнее см. главу 14). Питание на программатор при этом поступает от самой схемы.
Такой способ программирования очень удобен для отладки, т. к. МК находится в «родном» окружении и сразу после программирования автоматически начинает работать. Причем внешние элементы (с некоторыми оговорками) процессу программирования обычно не мешают. Далее я расскажу, как с помощью этого способа программирования превратить любую схему в отладочный модуль, что позволяет избежать необходимости приобретения дорогих универсальных модулей и обойтись без изучения фирменной среды программирования AVR Studio. Недостатки способа — дополнительная площадь, которая будет занята «лишними» элементами на плате, а также некоторое снижение помехоустойчивости (о том, какие дополнительные меры следует принять, я обязательно расскажу, когда мы будем рассматривать конкретные схемы). Зато вы всегда без лишних сложностей сможете поправить ошибку в программе и дополнить ее функциональность хоть через месяц, хоть через год» что особенно важно для любительских конструкций, которые, как правило, выпускаются в одном-двух экземплярах.
Подробности
Последовательное программирование AVR есть, по сути, использование стандартного последовательного интерфейса SPI в специфических целях, причем следует учитывать, что в некоторых моделях (ATmega64 и АТтеда128) выводы собственно SPI с выводами программирования не совпадают. Процесс последовательного программирования начинается с того, что на вывод SCK подается напряжение уровня «земли», после этого на Reset поступает короткий положительный импульс, и затем последний также оставляют в состоянии низкого уровня не менее, чем на 20 мс (можно и просто предварительно подключить эти выводы к низкому уровню, а затем включить питание контроллера). При этом микросхема переходит в режим ожидания команд программирования. Отсюда понятно, почему снижается помехоустойчивость: такое сочетание уровней вполне может возникнуть в процессе эксплуатации из-за наводок на выводы разъема программирования. У автора этих строк в контроллере, расположенном в цехе со множеством работающих механизмов, при срабатывании мощного пускателя в нескольких метрах от устройства стиралась память программ! Правда, исправить ситуацию оказалось довольно просто установкой дополнительных «подтягивающих» резисторов.
Последовательное программирование поддерживают не все контроллеры AVR, из семейства Tuny так можно программировать только ATtuny12 и ATtuny15. В отличие от последовательного, параллельный способ программирования применяется для кристалла вне схемы. Программаторы такого рода, как правило, в той или иной степени универсальны и подходят для множества различных программируемых чипов, начиная от микросхем ПЗУ (в том числе и компьютерной BIOS) и заканчивая большинством МК.
Например, показанный на рис. 13.1 популярный AutoProg поддерживает около 4000 типов микросхем. Такие программаторы, естественно, относительно дороги (не самый дорогой в своем классе AutoProg стоит почти 9000 руб.), что и понятно — представьте, сколько труда вложено в программное обеспечение с поддержкой такого количества чипов. Экономически целесообразны они для тех, кто много работает с различными семействами микросхем, а также при изготовлении серийной продукции с отлаженной программой, в которой разъемы ISP-систем будут только мешать. Для отладки универсальные программаторы неудобны, т. к. приходится часто вытаскивать и вставлять микросхему в панельку с риском ее повредить, а для некоторых типов корпусов это может быть вообще исключено, если нет соответствующего переходника. Если вы работаете только с одним типом микросхем, но хотите тиражировать отлаженное изделие без лишних разъемов на плате, то вам ничего не стоит изготовить отдельный программатор на основе ISP-системы. Правда, «оживить» чипы AVR, в которых по ошибке были неправильно запрограммированы fuse-биты, отвечающие за источник тактового сигнала (об этом см. в конце главы), можно только с помощью параллельного программатора.
Рис. 13.1.Параллельный программатор AutoProg
Надо сказать, что и тот и другой способ программирования не составляет никакого секрета и подробно излагается в описании любого AVR. Так что в принципе программатор может быть изготовлен самостоятельно как в виде аппаратного устройства, обычно подключаемого через COM-порт, так и в чисто программном виде, с подключением кристалла через LPT-порт. Причем Atmel даже приводит в своих рекомендациях (Application Notes, которые наши электронщики обычно ласково зовут «аппнотами», доступны на сайте Atmel по адресу: