Программирование микроконтроллеров
Что такое микроконтроллер?
Современная электронная техника не обходится без такого устройства, как микроконтроллер. Как и у старшего брата - программируемого логического контроллера, его возможности очень широки.
Микроконтроллер, по сути, это полноценный компьютер, расположенный на небольшой цифровой микросхеме. На одном кристалле, как правило, располагаются такие устройства, как процессор, оперативная и долговременная память, устройства ввода-вывода, периферийные устройства и стандартные интерфейсы.
Долгое время программирование микроконтроллеров не могло обходиться без специализированных средств разработки, но сегодня, ввиду развития технологий и персональных компьютеров, с микроконтроллером может работать любой желающий специалист. Программирование микроконтроллеров является перспективным направлением, так как возможности применения таких устройств достаточно велики.
Программирование микроконтроллеров. Компоненты
Сам по себе микроконтроллер не является «конечным продуктом», который готов к использованию. Для того чтобы сделать микроконтроллер умным устройством, необходимо его запрограммировать.
Программирование микроконтроллеров обозначает запись, необходимых для выполнения команд, в постоянную память микроконтроллера (ПЗУ). Этот процесс не может осуществляться без таких компонентов, как: программатор (используется для записи программы в микроконтроллер), язык программирования и сама программа (должны быть понятны для микроконтроллера) и знание структуры и параметров микроконтроллера для его рационального использования.
В первую очередь необходимо отметить, что одним из самых важных компонентов в программировании микроконтроллеров является программатор. Он осуществляет взаимосвязь между компьютером и микроконтроллером.
Выбор программатора влияет на получение наилучшего результата. Хороший программатор имеет возможность не только записывать ряд команд в контроллер, но и считывать информацию. При необходимости программатор может выполнять и другие функции, такие как стирание, защита от чтения, и т.д.
Принципы программирования микроконтроллеров
Как правило, программирование микроконтроллера не подразумевает под собой написание именно исходного кода самой программы для получения нужного результата. Это сложный процесс проектирования заданного продукта. Процесс программирования микроконтроллеров происходит в несколько этапов:
Первый этап. Определение задач, которые должно выполнять микроконтроллер.
Известно, что проектирование любого устройства начинается с анализа технического задания. Исходя из заданных требований, формируется начальная элементная база. В некоторых случаях, когда решаемая задача является типовой и количество изменяемых параметров невелико,возможно использование готовых микросхем.
Второй этап. Создание или выбор структурной схемы устройства на основе заданного микроконтроллера.
На данном этапе программирования микроконтроллера необходимо учитывать, что написанная программа для прошивки микроконтроллера не может существовать отдельно от схемы устройства. Это означает, что любое изменение в принципиальной схеме устройства должно отображаться и на программе, написанной для него.
Также на данном этапе чрезвычайно важно разделить программную и аппаратурную части реализации алгоритма работы разрабатываемого устройства. Зачастую гораздо проще реализовать ту или иную задачу за счет аппаратных средств, нежели за счет программных и наоборот. Также при программировании микроконтроллера на этапе создания структурной схемы устройства необходимо распределить задачи таким образом, чтобы к выбранному микроконтроллеру не предъявлялось высоких требований производительности.
Третий этап. Создание программы для прошивки, на основе выбранного языка программирования.
Языки программирования микроконтроллеров по своей структуре очень похожи на языки программирования для универсальных компьютеров. Микроконтроллер, аналогично компьютеру, получает на вход машинный (двоичный) код. Такой код слабо воспринимается человеком и вследствие этого плохо подходит для отладки программ. Сложившаяся ситуация послужила появлению специализированных языков программирования для микроконтроллеров.
Четвертым этапом процесса программирования является запись программы в микроконтроллер с помощью программатора, а также сборка и подключение устройства.
Языки программирования микроконтроллеров
Языки программирования микроконтроллеров делятся на две группы:
- низкого уровня
- высокого уровня
Языком низкого уровня является Ассемблер. Здесь каждому оператору соответствуют не более одной машинной команды. Такой язык программирования очень громоздкий и нелегко понимается для человека. Тем не менее, альтернативы ему на данный момент практически нет, например, когда в процессе программирования микроконтроллера имеются ограниченные ресурсы, такие как 8-ми битные модели с ограниченным объемом памяти. Также данный язык обеспечивает достаточно большое быстродействие и компактность программного кода, что зачастую является немаловажным фактором.
К языкам высокого уровня можно отнести такие языки программирования микроконтроллеров, как PL/M, C/C++, Java, Pascal, Basic и другие. При работе с такими языками происходит увеличение производительности за счет замены одного оператора несколькими машинными командами. Языки программирования высокого уровня требуют больших затрат памяти, так как объем такой программы достаточно большой. Преимущество их использования, это возможность работы программы на различных микропроцессорах, при использовании программ-трансляторов.
В настоящее время в программировании микроконтроллеров наиболее часто используются языки Ассемблер и C/C++, так как обеспечивают компактность кода и быстродействие соответственно.
Среда программирования напрямую зависит от вида выбранного микроконтроллера. Универсальных сред программирования практически не существует, так как каждый вид микроконтроллеров имеет индивидуальную структуру и процесс записи программы в память.
Наиболее популярными средами программирования микроконтроллеров являются: FlowCode(практически единственная среда, позволяющая программировать сразу несколько видов микроконтроллеров PIC, AVR, ARM),AlgorithmBuilder (графическая среда программирования AVR микроконтроллеров),CodeVisionAVR, IAR Systems, CodeComposerStudio (CCS), Energia, Virtualbreadboard, FlashMagic, MPLAB, WinAVR, AtmelStudio.
