Język C dla mikrokontrolerów AVR. Od podstaw do zaawansowanych aplikacji. Wydanie II - ebook

Mikrokontroler pod kontrolą!

• Podstawy budowy mikrokontrolerów, czyli jakie możliwości dają środowisko Atmel Studio i platforma Xplained z ATmega168/328
• Architektura i zestaw instrukcji, czyli dlaczego mikrokontrolery warto programować w języku C
• Efektywne pisanie prostych i skomplikowanych programów na AVR, czyli jak wykorzystać różne triki

Mikrokontrolery AVR to grupa układów oferujących ogromne możliwości. Każdy amator elektroniki i programowania wie, że można wykorzystać je na tysiąc sposobów, a prostota budowy, szybkość działania, bogactwo peryferii i wiele darmowych narzędzi czynią je tym bardziej atrakcyjnymi gadżetami. Jeśli chciałbyś zgłębić tajniki programowania mikrokontrolerów albo podszkolić własne umiejętności w tej dziedzinie, czas zajrzeć do tej książki!

W nowym wydaniu uwzględniono zmiany, jakie zaszły w świecie AVR w ciągu ostatnich 3 lat, czyli np. zmianę AVR Studio na Atmel Studio. Znajdziesz tu podstawy posługiwania się nowym IDE, tworzenia oraz debugowania w nim projektów. Dowiesz się więcej o zmianach w kompilatorze avr-gcc, a szczególnie o tzw. nazwanych przestrzeniach adresowych, które ułatwiły dostęp do danych umieszczonych w pamięci FLASH mikrokontrolera. Odkryjesz, jak wykorzystać piloty telewizyjne do sterowania pisanym programem i jak połączyć program w C z asemblerem. Miłośnicy LED-ów zrozumieją, jak obsługiwać wielokolorowe matryce z wykorzystaniem peryferii dostępnych w AVR oraz jak sprzętowo realizować wymianę danych z popularnymi diodami ze sterownikiem WS2812B. Jeśli chcesz, by mikrokontroler stał się Twoim sprzymierzeńcem, musisz przeczytać tę książkę!

• Mikrokontroler i jego otoczenie, programatory
• Arytmetyka i operacje bitowe
• Zarządzanie projektem i preprocesor
• Kontrola rdzenia i zarządzanie poborem energii
• Dynamiczna alokacja pamięci i wbudowana pamięć EEPROM
• Dostęp do pamięci FLASH i portów IO mikrokontrolera
• Rejestry IO ogólnego przeznaczenia
• Przerwania i timery
• Komparator i przetwornik analogowo-cyfrowy
• Obsługa wyświetlaczy i interfejsy (USART, SPI, TWI, USI, 1-wire)
• Łączenie kodu C i asemblera
• Bootloader i debugowanie programu

Mikrokontroler wielkich możliwości do Twoich usług!

Wstęp do wydania drugiego (13)

Wstęp (15)

• Kody przykładów (16)
• Schematy (16)
• Wymagane części (16)
• Wsparcie (18)

Rozdział 1. Jak zacząć, czyli instalacja środowiska (19)

• Atmel Studio 6 - podstawy (20)
  • Rozpoczynamy pracę - nowy projekt (20)
  • Opcje projektu (22)
• Atmel Studio - dodatki (27)
  • Naggy (28)
  • MarginOfError (28)
  • Data Size Viewer (29)
  • Doxygen Integrator (29)
  • AnkhSVN (30)
• AVR w systemie GNU/Linux (30)

Rozdział 2. Mikrokontroler i jego otoczenie (33)

• Podłączenie zasilania (33)
  • Odsprzęganie zasilania (34)
• Filtrowanie zasilania dla części analogowej procesora (35)
  • Zasilacz (36)
• Łączenie mikrokontrolera z układami pracującymi w innej domenie napięciowej (39)
  • Konwersja poziomów logicznych pomiędzy układami pracującymi z różnymi napięciami zasilającymi (40)
  • Piny wejściowe i wyjściowe (40)
  • Łączenie wyjścia procesora z układem pracującym z napięciem 5 V (43)
  • Zastosowanie aktywnego konwertera (45)
  • Konwersja z napięcia wyższego na niższe (45)
  • Dzielnik rezystorowy (46)
  • Użycie do konwersji napięć buforów scalonych (47)
  • Bufor dwukierunkowy stosowany w magistralach typu open drain (47)
• Oscylatory zegarowe (49)
• Zasady wykorzystania zewnętrznego kwarcu (50)
• Generator kwarcowy 32768 Hz (52)

Rozdział 3. Programatory (53)

• Podłączenie - uwagi ogólne (54)
  • Problemy (56)
• Programowanie AVR (56)
  • Programatory ISP (57)
• Programatory (59)
  • Programator AVRISP mkII (59)
  • Programator USBASP (60)
• Programatory JTAG (60)
  • Programator JTAGICE mkII (62)
  • JTAGICEIII (62)
  • AVROne! (63)
  • AVR Dragon (63)
  • Interfejs debugWIRE (67)
• Programowanie z poziomu AS6 - dlaczego warto korzystać z plików w formacie elf (68)
• Kilka procesorów i interfejs ISP (69)
• Kilka procesorów w jednym układzie (70)
• Programatory HV i równoległe (71)
• Tryb TPI (71)
• Programator Atmel-ICE (72)
  • Uaktualnianie firmware narzędzi (73)
• Czy nie da się taniej? (73)
• Programowanie przy pomocy narzędzi dostarczonych przez firmę Atmel (74)
• Program AVRDUDE (75)

Rozdział 4. Na czym pracujemy, czyli ATmega168/328 Xplained Mini w skrócie (77)

• Podłączenie modułu (78)
• Xplained Mini w Atmel Studio (78)
• Piny IO (79)
• Pierwszy program (80)
  • Wgrywamy pierwszy program (83)

Rozdział 5. Bity konfiguracyjne (85)

• Co to takiego? (85)
  • Lockbity (86)
  • Fusebity (86)
• Sygnatura (90)
• Konfiguracja fuse- i lockbitów w AVR-libc (90)
  • Lockbity w AVR-libc (91)
  • Fusebity w AVR-libc (91)
• Konfiguracja w Atmel Studio (92)

Rozdział 6. Arytmetyka i operacje bitowe (95)

• Arytmetyka (95)
  • Reprezentacja binarna liczb (95)
  • Proste typy danych (97)
  • Arytmetyka stałopozycyjna (102)
  • Arytmetyka zmiennopozycyjna (108)
• Operacje bitowe (116)
  • Operacja iloczynu bitowego (116)
  • Operacja sumy bitowej (117)
  • Operacja sumy wyłączającej (118)
  • Operacja negacji bitowej (119)
  • Operacje przesunięć bitowych (120)

Rozdział 7. Podstawy języka C na AVR (123)

• Zasięg zmiennych (123)
  • Zmienne globalne (124)
  • Zmienne lokalne (125)
  • Wskaźniki (127)
  • Tablice (133)
• Struktury (137)
  • Wskaźniki i struktury (138)
  • Struktury anonimowe (139)
  • Inicjalizacja pól struktury (139)
  • Unie (140)
  • Pola bitowe (141)
  • Definicja a deklaracja (142)
• Funkcje (143)
  • Przekazywanie parametrów przez wartość i referencję (145)
  • Rekurencyjne wywołania funkcji (145)
• Słowa kluczowe (146)
  • Operatory (146)
  • Instrukcje sterujące (150)

Rozdział 8. Zarządzanie projektem i preprocesor (155)

• Preprocesor (155)
  • Dyrektywa #include (156)
  • Dyrektywy kompilacji warunkowej (157)
  • Dyrektywa #define (158)
• Komentarze (160)
• Nazewnictwo (161)
  • Literały (163)
• Podział kodu na pliki (165)
  • Widoczność funkcji (169)
  • Widoczność zmiennych - słowo kluczowe extern (170)
  • Podkatalogi (172)
• Modyfikator const (173)
• Słowo kluczowe static (175)
• Dyrektywa inline (175)
  • inline funkcja(); (177)
  • static inline funkcja(); (178)
  • extern inline funkcja(); (179)
• Modyfikator register (180)

Rozdział 9. Sekcje programu (183)

• Sekcje danych (184)
  • Sekcja .text (184)
  • Sekcja .data (184)
  • Sekcja .bss (185)
  • Sekcja .eeprom (186)
• Sekcje zawierające kod programu (186)
  • Podsekcje .init[0-9\ (187)
  • Podsekcje .fini[0-9\ (188)
• Sekcje specjalne (188)
• Sekcje a opcje kompilacji (188)
• Sekcje tworzone przez programistę (190)
• Umieszczanie sekcji pod wskazanym adresem (191)

Rozdział 10. Kontrola rdzenia i zarządzanie poborem energii (193)

• Źródła sygnału RESET (193)
  • Power-on Reset (195)
  • Zewnętrzny sygnał RESET (195)
  • Brown-out Detector (195)
  • Układ watchdog (196)
• Zarządzanie poborem energii (201)
  • Usypianie procesora (201)
  • Wyłączanie układu BOD (202)
  • Wyłączanie podsystemów procesora (203)
  • Preskaler zegara (203)
  • Inne sposoby minimalizowania poboru energii (204)

Rozdział 11. Dynamiczna alokacja pamięci (207)

• Alokacja pamięci w bibliotece AVR-libc (209)
  • Funkcja malloc (212)
  • Funkcja calloc (212)
  • Funkcja realloc (212)
  • Funkcja free (214)
• Wycieki pamięci i błędne użycie pamięci alokowanej dynamicznie (214)
• Wykrywanie kolizji sterty i stosu (216)
  • Metoda I - własne funkcje alokujące pamięć (217)
  • Metoda II - sprawdzanie ilości dostępnej pamięci (217)
  • Metoda III - marker (217)
  • Metoda IV - wykorzystanie interfejsu JTAG lub debugWire (217)
  • Metoda V - wzór w pamięci (219)

Rozdział 12. Wbudowana pamięć EEPROM (223)

• Kilka słów, czym jest EEPROM (223)
• Dostęp do EEPROM w AVR (224)
• Zapobieganie uszkodzeniu zawartości pamięci EEPROM (225)
• Kontrola odczytu i zapisu do pamięci EEPROM (226)
  • Odczyt zawartości komórki pamięci (226)
  • Zapis do komórki pamięci (226)
• Dostęp do EEPROM z poziomu AVR-libc (228)
  • Deklaracje danych w pamięci EEPROM (228)
  • Funkcje realizujące dostęp do pamięci EEPROM (230)
  • Inne funkcje operujące na EEPROM (232)
• Techniki wear leveling (233)
• EEPROM i awaria zasilania (235)
• Problem atomowości przy dostępie do EEPROM (241)
• Zapis do EEPROM z użyciem przerwań (241)

Rozdział 13. Dostęp do pamięci FLASH (245)

• Wskaźniki wykorzystujące przestrzenie adresowe (248)
• Jak to bywało dawniej... (252)
• Dostęp do pamięci FLASH > 64 kB (253)
• Typy 24-bitowe (254)

Rozdział 14. Dostęp do 16-bitowych rejestrów IO (255)

• Dostęp do 16-bitowego rejestru ADC (255)
• Dostęp do 16-bitowych rejestrów timerów (256)

Rozdział 15. Zwalniamy, czyli kiedy opóźnienia są konieczne (259)

• Opóźnienia przy zmiennym taktowaniu (263)
• Wykorzystanie timerów do realizacji opóźnień (265)

Rozdział 16. Pliki z danymi - jak je dodawać do projektu? (267)

• Kompilacja plików binarnych (268)
• Łączenie plików obiektowych z projektem (270)
• Dostęp do danych binarnych (273)
  • Dostęp do danych z wykorzystaniem przestrzeni adresowych (275)

Rozdział 17. Dostęp do portów IO mikrokontrolera (277)

• Konfiguracja pinu IO (278)
• Manipulacje stanem pinów IO (282)
  • Zmiana stanu portu na przeciwny (282)
  • Ustawianie linii IO (283)
  • Zerowanie linii IO (283)
  • Makrodefinicja _BV() (283)
  • Użycie pól bitowych (284)
• Synchronizator (285)
• Przekazywanie rejestru jako parametru funkcji (286)
• Przykłady praktyczne (287)
  • Sterowanie wyświetlaczem 7-segmentowym (287)
  • Podłączenie przycisków (290)
  • Enkoder obrotowy (294)
  • Klawiatura matrycowa (299)

Rozdział 18. Rejestry IO ogólnego przeznaczenia (303)

• Wykorzystanie innych rejestrów jako GPIOR (305)

Rozdział 19. Przerwania (307)

• • Czym są przerwania? (307)
  • Przerwania maskowalne (308)
  • Źródła przerwań (309)
  • Wektory przerwań (311)
• Obsługa przerwań (312)
  • Puste wektory przerwań (314)
  • Puste przerwania (314)
  • Współdzielenie kodu przez przerwania (315)
  • sei()/cli() (316)
  • Atrybut naked i obsługa przerwań w asemblerze (317)
  • Modyfikator volatile (319)
  • Atomowość dostępu do danych (324)
  • Funkcje reentrant (327)
• Przykłady praktyczne (328)
  • Wyświetlanie multipleksowane (329)
  • Wyświetlanie multipleksowane z regulacją jasności wyświetlacza (333)
  • Obsługa przycisków (336)
  • Obsługa enkodera (339)
  • Klawiatura matrycowa (340)

Rozdział 20. Timery (343)

• Sygnał taktujący (344)
  • Wewnętrzny sygnał taktujący (344)
  • Zewnętrzny sygnał taktujący (345)
• Licznik (346)
• Układ porównujący (346)
  • Wpływ na piny IO (347)
• Moduł przechwytywania zdarzeń zewnętrznych (348)
  • Eliminacja szumów (349)
  • Komparator jako wyzwalacz zdarzenia ICP (349)
• Tryby pracy timera (349)
  • Tryb prosty (349)
  • Tryb CTC (352)
  • Tryby PWM (353)
  • Układ ochronny (358)
  • Modulator sygnału wyjściowego (359)
• Miernik częstotliwości i wypełnienia (360)

Rozdział 21. RTC - czyli trochę o zegarach (365)

• • Realizacja sprzętowa (366)
  • Realizacja programowa (366)
• Czas drogą radiową, czyli DCF77 (369)
  • Trochę więcej o DCF77 (369)
  • Dekodowanie danych (370)
  • Funkcje konwersji czasu (372)
  • Moduł odbiornika DCF77 (372)

Rozdział 22. Komparator (379)

• Funkcje dodatkowe (380)
  • Blokowanie pinów (380)
  • Wyzwalanie zdarzeń timera (380)
  • Wybór wejścia komparatora (380)
  • Wyzwalanie przetwornika ADC (381)

Rozdział 23. Przetwornik analogowo-cyfrowy (383)

• Wybór napięcia referencyjnego (384)
• Co to jest LSB? (385)
• Kalibracja ADC (386)
• Nadpróbkowanie (387)
  • Uśrednianie (388)
  • Decymacja i interpolacja (389)
• Jak zwiększyć precyzję pomiarów? (389)
• Multiplekser (390)
• Blokowanie pinów cyfrowych (391)
• Przetwornik ADC (392)
  • Tryb pojedynczej konwersji (393)
  • Tryb ciągłej konwersji (393)
• Wejścia pojedyncze i różnicowe (394)
• Wynik (395)
• Wyzwalacze (395)
• Przerwania ADC (396)
• Precyzyjne pomiary przy pomocy ADC (397)
• Przykłady (399)
  • Termometr analogowy LM35 (399)
  • Klawisze (401)

Rozdział 24. Obsługa alfanumerycznych wyświetlaczy LCD (407)

• Obsługa wyświetlaczy alfanumerycznych (408)
  • Funkcje biblioteczne (413)
  • Definiowanie własnych znaków (418)
• Transakcyjna obsługa LCD (420)
  • Przykład - menu (430)

Rozdział 25. Monochromatyczne wyświetlacze graficzne (439)

• Wizyta w muzeum, czyli wyświetlacze wykorzystujące KS0108 (441)
• Moduły wykorzystujące kontroler ST7565R (450)
• Budowa i funkcje kontrolera ST7565R (451)
• Funkcje specjalne kontrolera (457)
  • Obracanie obrazu (457)
  • Regulacja kontrastu (458)
  • Numer pierwszej wyświetlanej linii (459)
• Czcionki (460)
• Mała optymalizacja (465)
• Podwójne buforowanie (467)
  • Adres początku wyświetlania obrazu (468)
• Menu (469)
  • Menu oparte na piktogramach (471)

Rozdział 26. Interfejs USART (477)

• Interfejsy szeregowe (477)
• Interfejs USART (478)
• Format transmisji danych (480)
• Interfejs USART mikrokontrolera AVR (482)
  • Szybkość transmisji (482)
  • Dobór kwarcu (484)
  • Formaty ramek danych (484)
  • Nadajnik i odbiornik USART (485)
• Kontrola poprawności danych (486)
• USART z Xplained Mini (487)
• Terminal (487)
• Wykorzystanie przerwań (488)
• Równoczesny dostęp do USART z wielu "wątków" (493)
• Dostęp do USART z wykorzystaniem strumieni (495)
  • Metoda get (496)
  • Metoda put (496)
  • Otwieranie strumienia (497)
• Połączenie mikrokontroler - mikrokontroler (498)
  • Tryb synchroniczny pracy USART (499)
• RS485 (504)
• Tryb MPCM (506)
  • Komputer w charakterze urządzenia master MPCM (509)

Rozdział 27. Interfejs SPI (511)

• Inicjalizacja interfejsu (513)
  • Ustawienie pinów IO (514)
  • Zegar taktujący (516)
  • Procesor w trybie Master SPI (516)
  • Procesor w trybie slave SPI (516)
• Przykłady (517)
  • Połączenie AVR - AVR (517)
  • Połączenie AVR - rejestr szeregowy (522)
• Interfejs USART w trybie SPI (526)
  • Taktowanie magistrali SPI (527)
  • Tryb pracy SPI (528)
  • Format ramki danych (528)
  • Konfiguracja interfejsu (528)

Rozdział 28. Interfejs TWI (531)

• Tryb multimaster (534)
• Inicjalizacja interfejsu (535)
• Mikrokontroler w trybie I2C master (535)
  • Bity START i STOP (535)
  • Podstawowe funkcje do współpracy z I2C (536)
  • Współpraca z zewnętrzną pamięcią EEPROM (539)
  • Współpraca z zewnętrzną pamięcią FRAM (544)
  • Umieszczanie zmiennych w zewnętrznej pamięci EEPROM (545)
  • Współpraca z zegarem RTC (547)
  • Obsługa ekspandera IO PCF8574 (551)
• Procesor w trybie I2C slave (552)
  • Przykład (555)

Rozdział 29. Interfejs USI (563)

• 4-bitowy licznik i zegar (563)
• Przerwania USI (564)
• Zmiana pozycji pinów (565)
• Wykorzystanie interfejsu USI w trybie SPI (566)
  • Tryb SPI master (566)
  • Tryb SPI slave (567)

Rozdział 30. Interfejs 1-wire (569)

• Realizacja master 1-wire na AVR (572)
  • Realizacja master 1-wire przy pomocy pinów IO (573)
  • Realizacja master 1-wire przy pomocy interfejsu UART (576)
  • Wysokopoziomowe funkcje obsługi 1-wire (581)
• Termometr cyfrowy DS1820 (584)

Rozdział 31. Dużo LED-ów, dużo zabawy (587)

• Matryce LED (587)
  • Projekt PCB i zasilanie (588)
  • Układ z matrycą dwukolorową (590)
  • Sterowanie matrycą (591)
• Sterownik WS2812B (593)
  • Zasilanie (595)
  • Bit banging (596)
  • Wykorzystanie SPI (597)

Rozdział 32. Piloty TV (601)

• Część sprzętowa, czyli odbiornik IR (603)
• Część programowa, czyli standardy kodowania (604)
  • Standard NEC i pokrewne (604)
• RC5 (610)
  • Kod Manchester (610)
  • Dekoder RC5 (611)
  • Inne standardy kodowania (615)

Rozdział 33. Łączenie kodu C i asemblera (617)

• ABI (618)
• Słowo kluczowe asm (621)
  • Typy operandów (623)
  • Dostęp do portów IO (625)
  • Dostęp do danych wielobajtowych (626)
  • Dostęp do wskaźników (627)
  • Lista modyfikowanych rejestrów (627)
  • Wielokrotne użycie wstawki asemblerowej (628)
• Pliki .S (629)
  • Definicje (630)
  • Definicja symboli globalnych (630)
  • Dyrektywy asemblera (635)
  • Wywołanie funkcji języka C z asemblera (637)

Rozdział 34. Bootloader (639)

• Pamięć NRWW i RWW (640)
• Bity konfiguracyjne bootloadera (641)
  • Konfiguracja lockbitów z poziomu aplikacji (642)
• Programowanie pamięci FLASH (643)
• Wykorzystanie przerwań w kodzie bootloadera (645)
  • Usuwanie tablicy wektorów przerwań (645)
  • Skrócenie tablicy wektorów przerwań (647)
• Start bootloadera (650)
  • Wykorzystanie dodatkowego przycisku/zworki (650)
  • Wykorzystanie markerów w pamięci EEPROM (651)
  • Oczekiwanie na specjalny znak w wybranym kanale komunikacji (652)
  • Start aplikacji (652)
• Współdzielenie kodu aplikacji i bootloadera (653)
  • Wywoływanie funkcji bootloadera w procesorach ATMega256x (655)
  • Wywoływanie funkcji obsługi przerwań zawartych w kodzie bootloadera (658)
  • Współdzielenie zmiennych pomiędzy aplikacją a bootloaderem (658)

Rozdział 35. Debugowanie programu (661)

• Konfiguracja debuggera (663)
• Konfiguracja projektu do debugowania (664)
• Debugger sprzętowy (665)
• Debugger programowy (symulator) (667)
  • Plik stymulacji (668)
• Pułapki (674)
  • Pułapki na dane (678)
  • Punkty śledzenia (679)
  • Pułapki warunkowe (681)
• Podgląd pamięci (683)
• Podgląd stosu wywołań (684)
• Określenie czasu symulacji (684)
• Okno dezasemblera (685)
• Okno podglądu zmiennych (686)
  • Łańcuchy formatujące (687)
• Makrodefinicja ASSERT (688)
• Przerwania w trakcie debugowania (692)
• _delay_xx i symulator (693)

Skorowidz (695)