Программирование микроконтроллеров
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»
Программирование микроконтроллеров
Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.03.04 – Автоматизация
технологических процессов и производств
Воронеж 2016
2
УДК 004.384
Программирование микроконтроллеров: методические указания для са- мостоятельной работы студентов по направлению подготовки бакалавр 15.03.04
– Автоматизация технологических процессов и производств для очной формы обу-чения / А.В. Стариков; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО
«ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 8 с.
Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ
Рецензент: заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», доктор технических наук, профессор Афоничев Д.Н.
3
Введение
Учебный план по направлению подготовки бакалавра 15.03.04 – «Авто- матизация технологических процессов и производств» включает изучение дис- циплины «Программирование микроконтроллеров» в течение 8-го семестра в объеме 108 часов, из которых 20 часов отводится для лекционных занятий, 30 часов − для лабораторных работ, 58 часов − для самостоятельной работы сту- дентов. Итоговый контроль осуществляется в виде сдачи дифференцированного зачёта.
Рабочая программа дисциплины определяет в качестве основной цели − формирование у студентов теоретических знаний и практических навыков про- граммирования микроконтроллеров семейства AVR фирмы Atmel (на примере использования 8-разрядного микроконтроллера ATmega8535).
Для достижения данной цели в ходе изучения дисциплины решаются сле- дующие задачи:
∙изучение архитектуры, системы команд, режимов адресации, а также возможностей языка Ассемблера микроконтроллеров семейства AVR;
∙ознакомление с составом и особенностями функционирования перифе- рийных устройств микроконтроллеров семейства AVR (на примере ис- пользования 8-разрядного микроконтроллера ATmega8535);
∙освоение методики разработки программного обеспечения на языке Ассемблера для микроконтроллеров семейства AVR в интегрирован- ной среде Atmel AVR Studio, включая выполнение отладки программы с использованием программного эмулятора;
∙приобретение навыков работы с микроконтроллерным блоком управ-
ления лабораторного комплекса «Программирование микроконтролле- ров».
В результате освоения дисциплины «Программирование микроконтрол- леров» студент должен:
∙знать: архитектуру, систему команд, режимы адресации, а также воз- можности языка Ассемблера, состав и особенности функционирования периферийных устройств микроконтроллеров семейства AVR;
∙уметь: строить алгоритмы и разрабатывать программы на языке Ас- семблера для микроконтроллеров семейства AVR для управления раз- личными технологическими объектами;
∙владеть: методикой подготовки и отладки программ в интегрированной среде разработки Atmel AVR Studio, приемами работы с блоком управ- ления лабораторного комплекса «Программирование микроконтролле- ров».
1 Содержание учебной дисциплины
В соответствии с рабочей программой освоение дисциплины «Програм- мирование микроконтроллеров» предусматривает изучение следующих разде- лов (тем) и вопросов, входящих в их состав:
4
Раздел 1. Архитектура и организация памяти микроконтроллеров семейства AVR. Общие сведения о микроконтроллерах. Микроконтроллеры семейства AVR. Архитектура 8-разрядных микроконтроллеров семейства AVR. Организация памяти 8-разрядных контроллеров семейства AVR. Система ко- манд и режимы (способы) адресации микроконтроллеров семейства AVR.
Раздел 2. Язык Ассемблера микроконтроллеров семейства AVR. Ди-
рективы Ассемблера. Структура программы на языке Ассемблера. Методика
разработки программы на языке Ассемблера в интегрированной интерактивной среде Atmel AVR Studio. Средства отладки программ для микроконтроллеров семейства AVR.
Раздел 3. Состав, особенности работы и программирование периферийных устройств 8-разрядных микроконтроллеров семейства AVR. Па-
раллельные порты ввода-вывода. Система прерываний. Программирование внешних прерываний. Таймеры-счетчики. Аналоговый компаратор. Аналого- цифровой преобразователь. Интерфейсы связи для микроконтроллеров семей- ства AVR: последовательный интерфейс SPI, универсальный асинхронный приемо-передатчик USART. Защита кода и данных. Конфигурационные и ка- либровочные ячейки микроконтроллеров семейства AVR. Режимы параллель- ного и последовательного программирования, самопрограммирования.
Назначение лекционных занятий по дисциплине «Программирование микроконтроллеров» − получение теоретических знаний студентами по важ- нейшим разделам дисциплины, а также формирование общего представления по обзорным темам (вопросам) дисциплины.
Помимо лекционных занятий, обязательным элементом изучения дисци- плины «Программирование микроконтроллеров» является прохождение сту- дентом лабораторного практикума. Согласно Положению о сдаче экзаменов и зачётов в ФГБОУ ВО ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова студент, не выполнивший ла- бораторный практикум, не допускается к сдаче экзамена или зачёта.
В соответствии с рабочей программой дисциплины «Программирование микроконтроллеров» предусматривается следующая тематика лаборатор-
ных работ (в скобках указано нормативное количество времени, отводимое на выполнение и защиту лабораторной работы):
1.Общее знакомство с интегрированной средой разработки программ
AVR Studio (4 часа).
2.Блок управления учебно-лабораторного комплекса «Программирова- ние микроконтроллеров» (2 часа).
3.Управление параллельными портами ввода-вывода МК ATmega8535 (6 часов).
4.Изучение системы внешних прерываний МК ATmega8535 (6 часов).
5.Изучение работы таймеров-счётчиков МК ATmega8535 (6 часов).
6.Изучение работы аналого-цифрового преобразователя МК ATmega8535 (6 часов).
Каждая работа лабораторного практикума предполагает выполнение практической части с использованием учебно-лабораторного оборудования, подготовку письменного отчёта о выполненной лабораторной работе и его за-
5
щиту. Требования к оформлению отчёта обычно излагаются в методических указаниях к лабораторным работам. При защите отчёта студент должен проде- монстрировать знание необходимого теоретического минимума по теме лабора- торной работы, аргументировано ответить на вопросы преподавателя, касаю- щиеся практической части работы.
При изучении дисциплины используются:
∙мультимедийная техника (ноутбук, видеопроектор, интерактивная дос- ка) при чтении лекций;
∙интегрированная среда AVR Studio фирмы Atmel для разработки про- грамм на языке ассемблера;
∙специальное прикладное ПО для работы с блоком управления учебно-
лабораторного комплекса «Программирование микроконтроллеров».
В соответствии с учебным планом на самостоятельную работу студента предусматривается более 50 % общего времени, отводимого на изучение дис- циплины. При этом одну часть времени, планируемого для самостоятельной ра- боты, предполагается использовать для самостоятельного изучения отдельных вопросов лекционного курса, другую − для доработки отчётов о выполненных лабораторных работах и подготовки к их защите, третью − для выполнения курсовой работы и подготовки к её защите.
2 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
При осуществлении самостоятельной работы студент должен руково- дствоваться указаниями преподавателя, данными методическими указаниями, методическими указаниями к лабораторным работам, методическими указа- ниями к выполнению курсовой работы, материалами конспекта лекций, реко- мендованной основной и дополнительной учебной литературой, включая элек- тронные источники информации.
Ниже приведен перечень основной и дополнительной литературы, имеющейся в учебной библиотеке ВГЛТУ.
Основная литература
1. Новожилов, О. П. Основы микропроцессорной техники [Текст] : учеб. пособие: в 2 т. / О. П. Новожилов. – М. : РадиоСофт, 2007. – Т. 1. – 432 с.; Т. 2.
– 336 с.
Дополнительная литература
1.Предко, М. Руководство по микроконтроллерам [Текст]: в 2 т. Т. 1 / М. Предко; пер. с англ. под ред. И.И. Шагурина, С.Б. Лужанского. – М.: Постмар-
кет, 2001. – 416 с.
2.Предко, М. Руководство по микроконтроллерам [Текст]: в 2 т. Т. 2 / М. Предко; пер. с англ. под ред. И.И. Шагурина, С.Б. Лужанского. – М.: Постмар-
кет, 2001. – 488 с.
3.Воробьева, Г. С. Микроконтроллеры семейства AVR [Электронный ре- сурс]: Лаб. практикум. Методич. рекомендации к выполнению цикла лабора- торных работ по дисциплине «Основы микропроцессорной техники» для сту-
6
дентов направлений 210100 «Электроника и микроэлектроника» и 200300 «Биомедицинская инженерия» / Г. С. Воробьева, М. В. Журавлев, Д. П. Упады- шев, А.М. Штейн. − Томск: Изд-во ТПУ, 2009. − 90 с. − ЭБС «Единое окно дос- тупа к образовательным ресурсам».
Для качественного освоения дисциплины, возможно, потребуются сле- дующие ресурсы информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»:
∙ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам»: http://window.edu.ru/;
∙сайт фирмы Atmel: http://www.atmel.com;
∙сайт для тех, кто интересуется электроникой, микроконтроллерами,
программированием: http://chipenable.ru;
∙сайт с обширной подборкой научной, учебной и учебно-методической литературы, представленной в виде библиотеки открытых электронных источников: http://www.twirpx.com (информация о микроконтроллерах
AVR: http://www.twirpx.com/library/comp/microcontrollers/avr/).
Поскольку лекции читаются не в полном объёме дисциплины, то студен- там на самостоятельное изучение выносится ряд тем (табл. 1). Преподаватель сообщает студентам их общее содержание и организует контроль знаний по за- явленным темам.
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
№ п/п |
Тема самостоятельной работы |
Номер источника |
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
3 |
|
|
|
|
|
Методика разработки программы на языке Ас- |
2, 3 (доп.) |
|
1 |
семблера |
в интегрированной интерактивной |
|
|
AVR Studio. |
|
|
2 |
Средства отладки программ для микроконтрол- |
2, 3 (доп.) |
|
леров семейства AVR. |
|
||
|
|
||
|
Интерфейсы связи для микроконтроллеров се- |
1-3 (доп.) |
|
3 |
мейства |
AVR: последовательный интерфейс |
|
SPI, универсальный асинхронный приемо- |
|
||
|
|
||
|
передатчик UART. |
|
|
4 |
Конфигурационные и калибровочные ячейки |
2, 3 (доп.) |
|
микроконтроллеров семейства AVR. |
|
||
|
|
||
5 |
Режимы параллельного и последовательного |
2, 3 (доп.) |
|
программирования, самопрограммирования. |
|
||
|
|
Проверка качества освоения разделов (тем) дисциплины осуществляется
посредством текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации студентов. Результаты текущего контроля отражаются в баллах модульно- рейтинговой системы оценки знаний.
После завершения лекционного курса, выполнения лабораторного практи- кума и защиты курсовой работы студент допускается к сдаче дифференцирован- ного зачёта по дисциплине «Программирование микроконтроллеров». Перечень вопросов для подготовки к зачёту приведен ниже.
7
Перечень вопросов для подготовки к дифференцированному зачёту
1.Типовая структура микроконтроллерной системы управления.
2.Классификация микроконтроллеров семейства AVR.
3.Описание архитектуры 8-разрядных микроконтроллеров семейства
AVR.
4.Описание разрядов регистра состояния (SREG) микроконтролллеров семейства AVR.
5.Организация памяти микроконтроллеров семейства AVR.
6.Программная модель микроконтроллеров семейства AVR.
7.Перечень этапов разработки программного обеспечения для встраи- ваемых микроконтроллеров.
8.Описание программных средств, используемых для разработки про- граммного обеспечения.
9.Определение понятия кросс-разработки программного обеспечения.
10.Система команд микроконтроллеров семейства AVR.
11.Способы (режимы) адресации микроконтроллеров семейства AVR.
12.Директивы ассемблера микроконтроллеров семейства AVR.
13.Структура программы на языке ассемблера микроконтроллеров се- мейства AVR.
14.Описание методики разработки программы на языке ассемблера в ин- тегрированной среде разработки Atmel AVR Studio.
15.Перечислить средства отладки программ для микроконтроллеров се- мейства AVR.
16.Описать возможности и особенности программного управления па- раллельными портами ввода-вывода микроконтроллеров семейства
AVR.
17.Описать возможности и особенности системы прерываний микро- контроллеров семейства AVR.
18.Описать особенности программирования внешних прерываний мик- роконтроллеров семейства AVR.
19.Описать работу с таймерами-счётчиками микроконтроллеров семей- ства AVR.
20.Описать работу аналогового компаратора микроконтроллеров семей- ства AVR.
21.Описать работу аналого-цифрового преобразователя микроконтрол- леров семейства AVR.
22.Интерфейсы связи для микроконтроллеров семейства AVR: последо- вательный интерфейс SPI.
23.Интерфейсы связи для микроконтроллеров семейства AVR: универ- сальный асинхронный приемо-передатчик USART.
24.Защита кода и данных. Конфигурационные и калибровочные ячейки микроконтроллеров семейства AVR.
25.Режимы параллельного и последовательного программирования, самопрограммирования.
8
Стариков Александр Вениаминович
Программирование микроконтроллеров
Методические указания для самостоятельной работы по направлению подготовки бакалавра 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и
производств» для очной формы обучения
Редактор С.Ю. Крохотина
Подписано в печать |
Формат бумаги |
Заказ |
|||
Объем |
п.л. |
Усл. п.л. |
Уч-изд. л. |
Тираж |
|
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»