Arbeiten mit AVR Studio - Teil 1

Alle hier dargestellten Vorgänge und Erklärungen lassen sich auf alle anderen Atmel-Controller übertragen. Im Einzelnen muss immer das Datenblatt hinzugezogen werden; die Bezeichnungen unterscheiden sich - wenn überhaupt - nur geringfügig voneinander.

Wer sich ernsthafter mit Mikrocontrollern befassen möchte und bereits Erfahrung mit der BASIC STAMP, dem Propeller Controller oder Arduino UNO, vielleicht auch dem Raspberry Pi gesammelt hat, sollte hier einsteigen. Man erfährt mehr über die innere Struktur von Controllern, warum sie so arbeiten, wie sie es tun und ist nicht mehr auf fremde Bibliotheken angewiesen, wenn es um die Steuerung bestimmter Bauteile geht.

Programmiert wird vorrangig in ASSEMBLER und C. Die Möglichkeiten von AVR Studio, quasi hinter die Kulisse eines Programmes zu schauen, werden genutzt und gezeigt. Sehr hilfreich - aber nicht unbedingt notwendig - ist, wenn man vorher die Kapitel AVR-Assembler - Teil 0 durchgearbeitet hat.

In diesem Kapitel wird ausschließlich mit einem Kanda STK200 Board und AVR Studio 4.19 gearbeitet. Das Board besticht durch seinen günstigen Preis und die auf der Platine vorinstallierten Elemente (Taster, LEDs, Potentiometer, ADC etc.). Programmiert wird ein 40-poliger ATmega 8515 über einen ebenfalls zum Kit gehörenden ISP-Programmer. Alternativ kann auch ein AVR Dragon eingesetzt werden. Dazu später mehr. Zusätzlich wird ein Schaltnetzteil von 9V DC, 1000 mA benutzt.

AVR Studio in der Version 4.19 wurde deshalb gewählt, weil es schnell und nicht so überfrachtet ist, wie die neueste Studioversion aus dem Hause ATMEL. Es ist kostenfrei aus dem Internet herunterladbar und muss für die Durchführung der Übungen auf einem PC oder Laptop installiert sein. Gleiches gilt für den ISP2-Programmer.

Statt des ISP2-Programmers wird an anderer Stelle auch gezeigt, wie man den AVR-Dragon mit dem Board nutzen kann und welche zusätzlichen Möglichkeiten sich dadurch ergeben.

Einige Eigenschaften des ATmega8515 und ATmega16

In einer ersten Übung wird ein sehr einfaches Assemblerprogramm geschrieben, das nur eine bestimmte LED auf der Bargraf-Anzeige des STK200 einschaltet. Das kurze Programm dient dazu, sich mit der Oberfläche von AVR Studio vertraut zu machen, den Workflow kennenzulernen und mit Begriffen wie OP-Code, Fetch und Execute Zyklus sowie Stromsenke und Stromquelle etwas mehr anfangen zu können.

Was man wissen sollte - Schreibweise von Zahlen

Bei der Darstellung von Zahlen muss das zugrunde liegende Zahlsystem (binär, hexadezimal, dezimal, ...) angegeben werden. Durchgesetzt haben sich verschiedene Schreibweisen:

Das Programm LEDein.asm

Wie arbeitet das Programm LEDein.asm?

Zwischen .nolist und .list wird die Beschreibungsdatei für den im Programm benutzten Controller – hier ist es ein ATmega 8515 - aufgerufen.

In der folgenden Zeile taucht eine erste I/O Bit Instruction auf. Ihre Syntax setzt sich zusammen aus einem Operationscode (SBI -> Set Bit in I/O Register) sowie einer Adresse im I/O Adressierraum (DDRB - Data Direction Register B) mit Angabe des Zielbits (PB0). PB0 im DDRB wird HIGH (Set Bit) und damit Ausgang.

Nach dem gleichen Muster ist der folgende Befehl aufgebaut (CBI -> Clear bit in I/O Register).

Die erste Instruction setzt im Datenrichtungsregister den Portpin PB0 auf Ausgang und mit der zweiten Instruction wird Pin B0 auf 0 gesetzt. Die mit PB0 verbundene LED der Bargraf-Anzeige beginnt daraufhin zu leuchten.

Fetch-Execute Zyklus

Ein Programm besteht immer aus zwei Teilen: einem Operationscode (kurz: OP-Code) und einem Operanden, der vom OP-Code benötigt wird, um eine Anweisung sachgerecht ausführen zu können.

Der OP-Code und der Operand werden bei einem Atmel-Mikrocontroller mit zwei Systemtakten (s. Datenblatt, S.242 - Bit Instructions)

• in das I/O Register geladen (fetch), in ein Steuersignal dekodiert und
• die Anweisung ausgeführt (execute).

Diese Vorgänge wiederholen sich, bis alle OP-Codes abgearbeitet worden sind.

Warum leuchtet die LED an PB0 auf?

Um das verstehen zu können, muss man etwas über die innere Beschaltung der Portpins eines ATmega-Controllers wissen. Die Treibereigenschaften der Ausgänge eines Mikrocontrollers werden in seinem Datenblatt beschrieben. Je nach äußerer Beschaltung wirkt ein Pinport als Stromsenke oder Stromquelle, je nachdem, ob der Strom von einer externen Energiequelle über die LED in den Portpin des Controllers oder vom Controller über die LED nach GND fließt.

Wirkt ein Pinportausgang wie eine Stromsenke, dann leuchtet eine LED genau dann, wenn der Ausgang auf LOW gezogen wird (active low). Dafür verantwortlich ist bei einem Controller ein intern verbauter Transistor. Ein anderer Transistor wird eingeschaltet, wenn der Pinport auf HIGH gelegt wird.

Zum Abschluss der ersten Übung noch eine kurze Bemerkung zur Speicherorganisation.

Die Speicherorganisation eines ATmega8515

Für jeden Mikrocontroller stehen im zugehörigen Datenblatt des Herstellers Informationen über Typ, Größe und Ansprechbarkeit der jeweils implementierten Speicher. Ein ATmega 8515 verfügt über drei verschiedene Speichertypen:

Die 32 Register werden von der ALU wie Akkumulatoren benutzt.

Der I/O Registerraum ist reserviert für den Zugriff spezieller Funktionen der Mikrocontroller-Einheit. Die geläufigsten I/O Register sind:

Die Ein- und Ausgänge

Der ATmega8515 verfügt über 35 Ein- und Ausgänge, die in sogenannten Ports A, B, C und D mit je 8  sowie E mit 3 Anschlüssen organisiert sind.

Auf jeden Port kann mit drei Registern des I/O Adressraumes zugegriffen werden: DDRx, PORTx und PINx. x steht dabei für einen Buchstaben aus der Menge A ... E.

Data Direction Register (DDRx)

Für jeden Port muss bitweise festgelegt werden, welcher Pin als Ausgang ( HIGH oder 1) und welcher aus Eingang (LOW oder 0) vorgesehen ist.  

Port Register (PORTx)

Dieses Register muss in einem Programm angesprochen werden, wenn der Mikroprozessor etwas nach "draußen" mitteilen möchte. In unseren Beispielen werden es sehr häufig LEDs sein, die ein- oder ausgeschaltet werden.

Pin Register (PINx)

Über dieses Register werden die Eingänge angesprochen, über die Daten an den Controller übertragen werden.

Code-, Daten- und EEPROM-Segment

Damit ein Mikrocontroller das macht, was von ihm gefordert wird, muss ihm detailliert mitgeteilt werden, was er tun soll. Der Assembler-Programmierer übernimmt diese Aufgabe. Er schreibt  Anweisungen so, das der Assembler anschließend genau das macht, was vorgegeben ist.
 
Beispiel
Aufgabe: Die Zahlen 47 und 11 vom Typ Byte sollen erzeugt werden.
 

Lösung:

• .db  0x2F, 0x0B

; die Direktive .db (define byte) macht genau dies. Direktiven beginnen immer mit einem Punkt (.).
 

• .dw 2863

; die Direktive .dw (define word) erzeugt ein 16-Bit Wort. 2863 des Zehnersystems entspricht einer
; Zahl 0x0B2F im 16-System. Word-Daten werden immer in umgekehrter Byteanordnung
; (little-endian order) assembliert; das erste Byte steht also immer am Ende.
 
; beide Direktiven erzeugen das gleiche Ergebnis
 
Nachdem die Bytes erzeugt wurden, muss angeben werden, wo diese im Speicherbereich abgelegt werden sollen. Dabei gibt es eine Konvention:

• Anweisungen und Konstanten werden häufig im Codesegment (Flash-Speicher) abgelegt (.cseg), Daten im SRAM (.dseg). Manchmal werden Konstanten aber auch im EEPROM abgelegt (.eseg). Variable Größen - wie auch der Stack - werden im SRAM dynamisch verwaltet, das heißt, dass die Speicherbereichszuweisungen sich während eines Programmlaufs den veränderten Gegebenheiten anpassen.

In dem folgenden kleinen Programm wird gezeigt, wie der Assembler das eben Gesagte umsetzt. Gib dazu im Editor des AVR Studio die folgenden Programmzeilen ein:

.CSEG
.DB  0x2F, 0x0B
.DW 2863
.ESEG
.DB $A0, $0B
.DSEG
.byte 10

Nach dem Assemblieren (F7) werden im Projektfenster "Project" die Dateien *.EEP, *.HEX, *.LST  und *.MAP angelegt. Am Ende der MAP-Datei wird eine Übersicht über die Speichernutzung gegeben.

Das zu diesem Programm zugehörige Maschinensprache-Programm wird vom Assembler in zwei Dateien mit den Suffixen *.HEX und *.EEP abgelegt. In der HEX-Datei findet man die Bytes 0x2F und 0x0B in Zeile 2 gleich zweimal. Das liegt daran, dass das Wort 2863 als Hexadezimalzahl ebenfalls die Darstellung 0x0B2F hat (little-endian-order).

In der EEP-Datei erscheinen die beiden Bytes 0xA0 und 0x0B in der ersten Zeile.

In diesem Abschnitt wird gezeigt, wie man zwei Zahlen addiert. Als optische Hilfe wird die Bargraf-Anzeige genutzt. Wer nicht (mehr) vertraut ist mit dem binären Zahlsystem, sollte sich das vorher noch einmal anschauen. Insbesondere, wie zwei Dualzahlen addiert, subtrahiert und multipliziert werden.

Bevor es an die Programmierarbeit geht, wird erst einmal das Datenblatt des ATmega8515 befragt. Gib eine Antwort auf die folgenden beiden Fragen:

• Welche arithmetischen Rechenbefehle stellt der Controller laut Datenblatt zur Verfügung? Schaue hierzu im Instruction Set Summary nach.
• Welche Rechenoperation wird nicht bereit gestellt?

Antworten:

Es sind über 10 OP-Codes im Datenblatt zu finden.

Ein Operation Code für die Division ist nicht angegeben.

Schaltungsaufbau

Hat man kein STK200 Board zur Verfügung, lässt sich die Schaltung auf einem Steckbrett aufbauen.

Das Programm rechnen1.asm

Wie arbeitet das Programm rechnen1.asm?

1. Die drei Direktiven (.nolist, .include, .list) zu Anfang des Programms kennen wir bereits.
2. Der Hauptteil beginnt mit LDI (Load Immediate). Er lädt eine 8-Bit Konstante mit dem Wert 2 direkt in das Register R16 und eine zweite Konstante mit dem Wert 4 in das Register R17.
3. ADD (Add without Carry) addiert die Inhalte der beiden Register R16 und R17 und legt das Ergebnis in R16 ab. 
4. Die Ausgabe des Ergebnisses erfolgt über eine Bargraf-Anzeige. Die LEDs leuchten genau dann, wenn sie auf 0 gezogen werden. Deshalb muss aus der Binärzahl 6 (Summe aus 2 und 4) 0b00000110 durch Komplementbildung (0 wird zu 1 und umgekehrt) 0b11111001 erzeugt werden. Das macht COM R16.
5. Die Ausgabe erfolgt über die Bargraf-Anzeige, die mit PORTB verbunden ist. Von PORTB müssen alle Portpins auf Ausgang geschaltet werden. Dazu wird R18 mit 1 gefüllt -> SER (Set all bits in Register) und anschließend über OUT in das DDRB-Register entsprechend gesetzt.

Über das in AVR-Studio integrierte Hilfe-Menü (Help - Assembler Help) lassen sich zu allen hier benutzten Operanden-Codes umfangreiche Hilfetexte mit Programmbeispielen aufrufen. Eine weitere Besprechung der Wirkungsweise dieser Operanden entfällt deshalb.

Mit 8-Bit lassen sich nur Zahlen von 0 bis 255 (0b1111_1111) darstellen. Was ist zu beachten, wenn zwei Zahlen - größer als 8-Bit - addiert werden sollen? Das wird in Übung 3 untersucht. Mit 16-Bit lassen sich Zahlen zwischen 0 und 65.535, mit 32-Bit zwischen 0 und 4.294.967.294 darstellen.

Die Addition zweier 16-Bit Zahlen verläuft im Prinzip wie die von zwei 8-Bit Zahlen. Es werden zuerst die lower Bytes und anschließend die higher Bytes mit Carry addiert. Fertig.

Das Addieren mit Carry wird über ADC, das Addieren ohne Carry mit ADD aufgerufen. Ein Ablaufplan oder Pseudocode könnte so aussehen:

• Addiere zahl1L und zahl2L (SummeLowByte)
• Addiere mit Carry zahl1H und zahl2H plus Carry-Bit (SummeHighByte).
• Gib auf der Bargraf-Anzeige das SummeHighByte aus.

Schaltungsaufbau

wie in Abb. 4a.

Das Programm rechnen2.asm

Wie arbeitet das Programm rechnen2.asm?

1. Die drei Direktiven (.nolist, .include, .list) zu Anfang des Programms kennen wir bereits. Neu ist die Direktive .equ. Über sie wird einer Variablen ein Wert zugewiesen.
2. Der Hauptteil beginnt mit LDI (Load Immediate). Es werden vier 8-Bit Zahlen (der Controller verarbeitet nur 8-Bit Zahlen!!!), je zwei Lowbytes und Highbytes der beiden 16-Bit Zahlen in vier verschiedene Register geladen.
3. ADD (Add without Carry) addiert die Inhalte der beiden Lowbyte-Register R16 und R17 und legt das Ergebnis in R16 ab.
4. ADC (Add with Carry) addiert die Inhalte der beiden Highbyte-Register R18 und R19 und legt das Ergebnis, unter Berücksichtigung des Carry, in R18 ab. 
5. Die Ausgabe des Ergebnisses erfolgt über eine Bargraf-Anzeige. Die LEDs leuchten genau dann, wenn sie auf 0 gezogen werden (low active). Deshalb muss aus der Binärzahl 6 (Summe aus 2 und 4) 0b00000110 durch Komplementbildung (0 wird zu 1 und umgekehrt) 0b11111001 erzeugt werden. Das macht COM R16.
6. Die Ausgabe erfolgt über die Bargraf-Anzeige, die mit PORTB verbunden ist. Von PORTB müssen alle Portpins auf Ausgang geschaltet werden. Dazu wird R20 mit Einsen gefüllt -> SER (Set all bits in Register) und anschließend über OUT in das DDRB-Register gesetzt. Über das Programm werden die 8 höchstwertigen Bits angezeigt.
7. Für die Ausgabe der 8 niedrigwertigen Bits muss das Programm in zwei Zeilen geändert werden: com r16 und out portb, r16 muss es dann heißen.

Wenn man das Prinzip verstanden hat, dann ist die Addition von beliebig großen Zahlen mit Assembler möglich und einfach durchzuführen. Im vorliegenden Beispielprogramm der Übung 3 werden die beiden Zahlen

• 0xC2F3 oder dezimal 49907   und
• 0x04BA oder dezimal 1210

miteinander addiert. Die Summe ist: 51117 oder 0b1100_0111_1010_1101. Die rot markierten acht Bit stehen für das Highbyte, die blauen acht Bit für das Lowbyte. Dreht man das STK200-Board um 90° nach rechts, so dass die Bargraf-Anzeige horizontal liegt, kann man die entsprechende Bitkonfiguration unmittelbar ablesen (Abb. 6).

Im diesem Abschnitt wurden die Op-Codes

• LDI - load immediate
• ADD - add without carry
• ADC - add with carry
• COM - one´s complement
• SER - set all bits in register
• OUT - store register to I/O location
• RJMP - relative jump

und die Direktiven

• .NO
• .NOLIST
• .INCLUDE
• .EQU

eingeführt.

Im folgenden Abschnitt wird gezeigt, wie man den Zustand eines Tasters abfragt. Interessiert? Dann geht es hier weiter mit AVR Studio - Teil 2.