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Kurs zum Erlernen von Mikroprozessorentechniken

Diese Webseite stellt anhand von Lektionen die Hard- und Software von AVR-Mikroprozessoren vor. Anhand von Experimenten auf einem Breadboard werden wichtige Techniken erläutert und praktisch erprobt. Die nötige selbstgebaute Assembler-Software zeigt, wie die Hardware entsprechend den eigenen Zwecken und Aufgabenstellungen nutzbar ist.

Hinweis

Auf der Webseite werden vielfach Auszüge aus den Device-Handbüchern verwendet. Das Copyright für diese Auszüge liegt bei ATMEL.

Lernkonzept und Assembler

Das Programmieren wird hier nicht auf "Vorrat" erlernt, sondern in engem Zusammenspiel mit der Hardware der Prozessoren und anhand von geeigneten praktischen Experimenten. Wer das systematische Erlernen bevorzugt, kann sich unter dieser Adresse ein Tutorial reinziehen oder dort auch bei Bedarf nachschlagen.

Das Konzept, Hardware und Programmieren gemeinsam zu lernen, geht vernünftig nur in Assemblersprache. Wer wissen will, wie der Chip wirklich arbeitet und was geht und warum anderes nicht geht, sollte sich mit Assembler befassen. Es ist nun mal die einzige Sprache, die der Prozessor versteht und selber spricht (nach Übersetzung in Nullen und Einsen, natürlich, genannt Assemblieren).

Wer hingegen mit Hochsprachen anfängt, befasst sich überwiegend mit den Eigenheiten dieser Sprache ("Wie geht hexadezimal in C?") und mit den von anderen in Assembler geschriebenen Bibliotheken, lernt aber leider rein gar nix über den Prozessor selbst. Schon die einfachsten Hardware-Aufgaben bleiben dann unlösbar und es bleibt nur die Suche im Internet, ob es vielleicht schon ein anderer gelöst hat. Falsch herum gelernt: gar nicht erst mit den Basics von Hard- und Software des Prozessors angefangen und, selbst daran natürlich völlig unschuldig, auf ewig Gefangener der eigenen Unkenntnis geblieben.

Lektionen - und was hier im Einzelnen an Beispielen gelernt werden soll

Die 14 Beispiele wurden so ausgewählt, dass möglichst

viel von der intern verfügbaren Hardware des Prozessors verwendet wird, so ihr Nutzen erkennbar wird und ihre Software-Ansteuerung und -kontrolle zielgerichtet demonstriert wird,
einfache externe Beschaltung zum Einsatz kommt, damit sich der Verhau an Elektronik auf dem Breadboard noch in überschaubaren Grenzen hält,
viele grundlegende Konzepte für die Assemblerprogrammierung erkennbar werden (lineare Programmierung von exakten Zeitschleifen, Interruptprogrammierung, Fließdiagramme zur Ablaufplanung, etc.),
alle Techniken zur mathematischen Verarbeitung von Daten einmal vorkommen (Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, Tabellen) und das möglichst in ihrer 8-, 16-, 24-, 32- und 40-Bit-Manier (bis es langweilig wird, weil es immer dasselbe ist),
viele der ca. 130 verschiedenen Prozessor-Instruktionen (Assembler-Befehle) zum praktischen Einsatz kommen und ihre optimale Nutzung erkannt werden kann (Quote = 35%, da ist noch viel Luft nach oben).

Wer also die eine oder andere ausgewählte Anwendung so gar nicht praktisch gebrauchen kann, kann vielleicht trotzdem aus dem Beispiel lernen, wie man ein Problem löst und kann die demonstrierten Prinzipien auf die eigene Anwendung übertragen und an die jeweils eigenen Bedürfnisse anpassen.

Nr.	Beschreibung, Link	Interne Hardware	Externe Hardware	Programmierkünste
1	Programmier-Interface Der PC spricht mit dem Microcontroller	ISP-Interface der AVRs, Fuses	ISP6-Schnittstelle zum Programmiergerät	(Noch keine)
2	Eine LED einschalten Eine LED am Controller ein- und ausschalten	I/O-Port, Portausgang und -richtung	LEDs, Ansteuerung	Quellcode schreiben, assemblieren, Listings und Hexdateien, Programmausführung, unendliche Schleifen
3	Eine LED blinken lassen Schnelles Blinken mit der LED, Sekundenblinker	I/O-Port	LED-Ansteuerung	Verschachtelte Schleifen, Zählschleifen, Ausführungszeiten von Instruktionen, Nullflagge, zeitgenaue Zählschleifen
4	Eine LED blinkt mit dem Timer Der Timer steuert eine LED im Takt und schaltet ganz alleine an und aus	8-Bit-Timer, Vergleicher, OC-Pin-Steuerung	Impulsansteuerung von Ausgängen	Timer-Konfiguration, Starten und Anhalten des Timers, Timer-Modi Normal und CTC, Schlafmodus
5	LED mit Pulsweitenmodulation Helligkeitssteuerung der LED über Pulsweiten an OC-Ausgabepins	8-Bit-Timer, Pulsweitenmodus	Pulsweitensignale	Mathematische Ausdrücke in Assembler
6	LED mit Timer-Interrupts Eine LED mit Interrupts des Timers ansteuern	Interruptkontrolle, Timer-Interrupts	Steuerung von Ausgängen mit Interrupts	Interruptkonzept, Vektortabelle, Interruptprogrammierung, Timer-Interrupts, Interrupt-Service-Routinen
7	Eine LED mit Timer und Taster Taste startet einen Ablauf	INT0- und Timer-Int-Steuerung	I/O-Ansteuerung	Fließdiagramme für Ablaufplanungen, INT0- und Timer-CTC-Interrupts verheiraten
8	Eine LED mit komlexem Ablauf Timer, Tasterbedienung, Potentiometer-Helligkeitssteuerung und Interrupts	Analog-Digital-Wandler	Externe Spannungen messen	Noch mehr Fließdiagramme, Tastenprellunterdrückung, OC0A- und OC0B-Programmierung
9	Töne mit dem Timer Der Taster macht Töne und das Potentiometer macht die Tonhöhe	ADC, Timer, INT0	Lautsprecheranschluss	Tabellen, Notentabelle, Multiplikation 8-mal-8-Bit
10	Eine LCD-Anzeige am Tiny24 Initiierung von LCDs, Ausgabe von Zeichen auf einer LCD, exakte Verzögerungsschleifen, Eigendesign von LCD-Zeichen	I/O-Port-Richtungssteuerung	LCD-Anschluss und -steuerung	Exakte Verzögerungsschleifen für LCD, Initiierung von LCDs
11	Einschaltzähler mit dem EEPROM Die Anzahl Startvorgänge des Controllers im EEPROM zählen	EEPROM	RESET-Taster	Umwandlung von 8- und 16-Bit-Binärzahlen in ASCII und Anzeige auf der LCD
12	Infrarot-Sender -Empfänger Analyse von IR-Signalfolgen, Senden von IR-Signalfolgen, selbstlernender Fernsteuerempfänger	Zeitmessung mit Timer und INT0	Anschluss von IR-Empfangsmodulen und IR-Sendedioden	Anzeige von Binärzahlen im Hexadezimalformat, Messen und Verarbeiten von Signaldauern, .if-Direktive zur Versionsanpassung in Assembler
13	Ein Frequenz- und Induktivitätsmessgerät Frequenzmessung mit externem Interrupt und dem Analogvergleicher, Induktivität mit LC-Oszillator bestimmen	Analogvergleicher, PCINT	Analogvergleicher und LC-Oszillator anschließen	24/32/40-Bit-Binär-zu-Dezimal-Umwandlung, 24-Bit-Multiplikation, 40-durch-40-Bit-Division
14	Spannung, Strom, Temperatur messen Spannungen, Ströme und Temperaturen messen und anzeigen	ADC-Betriebsmodi, Differenzverstärker, eingebaute Thermometer	Spannungsteiler, Stromshunts	Intensive Multiplikationen und Pseudo-Fließkommazahlen-Operationen zur Anzeigeumwandlung
-	Fazit aus den Lektionen	-	-	-

Hilfsanhänge

Wer diese Seiten zum Nachschlagen verwenden will, wird die folgenden Seiten gut gebrauchen können:

Eine kurze Einführung in Binär- und Hexadezimalzahlen
Eine Liste aller AVR-Instruktionen mit den Mnemonics, viele mit Links in den Text zu etwas ausführlicheren Erläuterungen, mit beeinflussten Flaggen und nötigen Taktzyklen
Eine Liste aller Direktiven, die der Assembler versteht
Eine Liste der Ausdrücke, die bei Zahlen und logischen Entscheidungen in Assembler angewendet werden können
Nutzungsstatistiken von Instruktionen und Direktiven zur Auswahl der am häufigsten Verwendeten

Downloads

Hier ist der gesamte Kurs in einem einzigen PDF-Dokument (überarbeitete Version 2018 mit zusätzlichen Ergänzungen, 268 Seiten, ca. 16 MB, mit 446 Abbildungen, Bildern, Zeichnungen und Grafiken).

In quellcodes.html sind Links zu allen Assembler-Quellcodes zugänglich.

Hardware

Benötigt werden für die Experimente neben dieser Beschreibung einige Bauelemente, die im Elektronikhandel beschafft werden können. Diese sind Lektion für Lektion in einer Bauteileliste zusammengestellt.

Für die Experimente ab Lektion 11 (ATtiny24 mit 4*20-LCD) wurde eine kleine Experimentalplatine entwickelt (siehe tn24_lcd, so dass das Verdrahten des ATtiny24 und der LCD auf dem Breadboard entfällt. Stattdessen ist die Experimentierplatine mit einem sechsadrigen Flachbandkabel mit dem Breadboard zu verbinden, der Aufbau der Peripherie erfolgt dann wie beschrieben auf dem Breadboard. Alle hier veröffentlichte Software läuft ohne Änderungen auch auf der Experimentalplatine (bitte dazu die LCD-Include-Routine Lcd4Busy.inc verwenden und nicht die mit dem Experimentierboard veröffentlichte Version tn24_lcd_busy.inc!).

Copyright-Hinweis

In diesem Text werden vielfach Auszüge aus den Device-Handbüchern verwendet. Das Copyright für diese Auszüge liegt bei ATMEL.

Der Text enthält insgesamt 243 Bilder, Abbildungen und Grafiken. Alle nicht von ATMEL stammenden Bilder sind (C)2016/2018 von mir. Vor Verwendung dieser Grafiken die Quelle nennen oder verlinken oder bei mir nachfragen, ob ich mit der vorgesehenen Verwendung einverstanden bin.

Update 2018

Im Dezember 2017/Januar 2018 wurde eine grundlegende Überarbeitung vorgenommen. Dabei wurde Folgendes gemacht:

Alle mir sinnvoll erscheinenden Quellcodes wurden in den Simulator avr_sim gefüttert und einzelne Vorgänge (Port- und Timereinstellungen, Ausführungszeiten, usw.) mit Bildern anschaulich dargestellt. Ich hoffe, das hilft dem Einen oder Anderen, der den Quellcode alleine nicht verstanden hat sich ein anschauliches Bild von den Abläufen in der Prozessorhardware zu machen. Diese Simulationen sind jeweils hinter dem Quellcode zu finden und reich bebildert.
In den .asm-Quellcodes (und auch in den Auflistungen im HTML-Code und im PDF-Gesamtdokument) wurden zusätzliche Erläuterungen einge- arbeitet. Am Anfang wird kurz der Programmablauf erläutert, bei allen Interrupt-Service-Routinen wurden Hinweise zu den Bedingungen, die zu dem Interrupt führen, und zum Ablauf der Routine eingearbeitet. Manipulierte Flaggen und ihr Sinn werden ebenfalls erwähnt.
Zu allen wichtigen Routinen im Quellcode, die ausserhalb von Interrupts ausgeführt werden, werden Hinweise auf auslösende Flaggen und eine Kurzbeschreibung des Ablaufs der Routine hinzugefügt.
Einige kleinere Fehler und Unebenheiten wurden repariert.

Kommentare

Wer Tippfehler findet, darf sie gerne behalten. Kommentare sind trotzdem hochwillkommen. Hier gibt es Kommentare und Antworten.

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Besonderen Dank möchte ich Carsten Henckell sagen. Er hat bislang (Januar 2018) als Einziger eine detaillierte Stellungnahme zu der Webseite abgegeben. Die in seiner Stellungnahme enthaltenen sehr wertvollen Anregungen und Hinweise habe ich bei der Überarbeitung berücksichtigt. Vielen Dank.

Popularität

Das Diagramm zeigt die kontinuierliche Popularität dieser Seite. Wer also meint, AVR-Assembler sei nur was für ein paar ausgeflippte Nerds, der irrt offenbar.

Zugriffe 2013 bis 2019 auf Quellcode-Dateien

Zugriffe 2013 bis 2019 auf Quellcode-Dateien

Mit dem Download von tausenden Assembler-Quellcode-Dateien zeigt sich ebenfalls die Popularität von Assembler. Populär bei den Quellcode-Dateien sind zwar überwiegend die verschiedenen LED-Blink-Varianten, aber da dahinter auch Timer in diversen Modi werkeln, ist die Anzahl Downloads erstaunlich hoch. Es scheint also doch nicht nur noch C-Anwender mit ihrem langweiligen Arduino-Tick zu geben sondern auch viele Menschen, die den Wert angeblich obsoleter Programmiermethoden zu schätzen wissen und sich bemühen zu verstehen, was in den schwarzen Käfern echt abgeht.

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