Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному

Эта книга о микроконтроллерах семейства AVR, производимых известной фирмой Atmel Corporation (www.atmel.com).

Следует отметить, что перед вами не учебник и не инструкция по изготовлению полноценных систем на основе микроконтроллеров, хотя довольно подробно описываются основные их концепции. Нельзя рассматривать книгу также как справочник — в ней достаточно много материала, но тем не менее некоторые вопросы могут быть не освещены или освещены недостаточно подробно. Если необходима документальная информация, имеет смысл попутно с чтением книги обращаться к фирменным описаниям микросхем для уточнения. Например, в книге не рассматривается описание процесса программирования микроконтроллера, предполагается, что читатели воспользуются описанием несложного самодельного программатора и готовой программой к нему. Автор книги предоставляет все материалы, программы и схемы «как есть», без каких-либо гарантий правильности и соответствия фирменным описаниям и не несет никакой ответственности по материальному, или другим видам ущерба, причиненным в результате использования информации, приведенной в настоящей книге.

Прежде чем говорить о микроконтроллерах, давайте выясним, почему они играют такую большую роль в современном мире. Научно-технический прогресс неутомимо идет вперед, в результате не только в промышленной, но и в бытовой технике все шире используются встроенные компьютерные системы на основе микроконтроллеров. Они широко применяются в персональных компьютерах и их периферийных устройствах, стиральных машинах, музыкальных центрах и т. д. Средний импортный автомобиль имеет порядка 15 микроконтроллеров, управляющих различными системами автомобиля.

Основная цель книги — помочь разобраться в том, что такое однокристальный микроконтроллер, как он работает и как на его основе можно создавать разнообразные устройства, применяющиеся в технике, в быту, в повседневной практической деятельности.

Современный микроконтроллер — довольно сложное устройство, работу которого не удается описать в деталях вне связи его с дополнительными внешними устройствами. Поэтому в книге имеется достаточно много фрагментов реальных схем, а в 6-й главе — описания нескольких законченных устройств.

Автор надеется, что книга окажется полезной не только будущим конструкторам современного оборудования, но и всем тем, кто стремится расширить свои знания в области применения микропроцессорной техники.

В этой главе мы кратко познакомимся с микроконтроллерами. Микроконтроллеры являются сердцем многих современных устройств и приборов, в том числе и бытовых. Самой главной особенностью микроконтроллеров, с точки зрения конструктора-проектировщика, является то, что с их помощью легче и зачастую гораздо дешевле реализовать различные схемы.

На рис. 1.1 изображена структурная схема типичного современного микроконтроллера.

Рис. 1.1.Структурная схема микроконтроллера

Из рисунка видно, что микроконтроллер может управлять различными устройствами и принимать от них данные при минимуме дополнительных узлов, так как большое число периферийных схем уже имеется непосредственно на кристалле микроконтроллера. Это позволяет уменьшить размеры конструкции и снизить потребление энергии от источника питания.

Для сравнения: при использовании традиционных микропроцессоров приходится все необходимые схемы сопряжения с другими устройствами реализовывать на дополнительных компонентах, что увеличивает массу, размеры и потребление электроэнергии.

Давайте рассмотрим типичные схемы, присутствующие в микроконтроллерах.

1. Центральное процессорное устройство (ЦПУ) — сердце микроконтроллера. Оно принимает из памяти программ коды команд, декодирует их и выполняет. ЦПУ состоит из регистров, арифметико-логического устройства (АЛУ) и цепей управления.

2. Память программ. Здесь хранятся коды команд, последовательность которых формирует программу для микроконтроллера.

3. Оперативная память данных. Здесь хранятся переменные программ. У большинства микроконтроллеров здесь расположен также стек.

4. Тактовый генератор. Этот генератор определяет скорость работы микроконтроллера.

5. Цепь сброса. Эта цепь служит для правильного запуска микроконтроллера.

6. Последовательный порт — очень полезный элемент микроконтроллера. Он позволяет обмениваться данными с внешними устройствами при малом количестве проводов.

7. Цифровые линии ввода/вывода. По сравнению с последовательным портом с помощью этих линий возможно управлять одновременно несколькими линиями (или проверять несколько линий).

8. Таймер. Используется для отсчета временных интервалов.