Микроконтроллер своими руками / Habr
Пытаясь освоить контроллеры и уже владея навыками программирования ПЛИС, мне пришла в голову дурная мысль. Пришла, постучала и вошла. Всем тем, к кому приходят дурные мысли, и кому интересно как с этим явлением справляются другие, посвящается.Возникла идея нарисовать свой контроллер, не ограниченный по количеству периферии, ОЗУ и другим параметрам, кроме ёмкости ПЛИС. Скажем контроллер содержит 5 UARTов, а позарез нужен шестой, придётся изворачиваться. А зачем, если можно просто щёлкнуть мышкой и добавить необходимое? Или наоборот, задачка хорошо решается на пяти контроллерах с разрядностью 5, 32, 20, 32 и 20 с непредсказуемым количеством линий связи между ними. Жалко использовать пять 32 разрядников, ресурс всегда жалко, а совмещать две подзадачи на одно ядро – некрасиво, что ли.
Время отклика на прерывание в контроллерах достаточно велико. Да, контроллер прерываний мониторит входы (почему-то ограниченные по количеству) независимо от ядра. Но прежде чем начать выполнение кода программы по обработке прерывания, скажем, читать порт, требуется сохранить регистры общего назначения, а затем их ещё и восстановить. А это не один такт на пустое с точки зрения логики программы переписывание регистров в стек и возврат этих же значений обратно. Оно конечно вписывается в понятие реального времени, но ведь можно же делать это мгновенно: выполнялся код с низким приоритетом, на следующем же такте по причине резкой необходимости начинает выполнятся высокоприоритетное прерывание по таймеру, а через такт выполняется код по обработке внешнего потока данных, ибо там совсем всё быстро надо.
Конечно, все эти проблемы надуманы и решаются и легко и просто. Но дурная мысль не ищет таких решений, она просто бродит в переполненном пространстве сознания и подталкивает сделать нестандарт. А, если у молодого инженера отпуск, то прости жена и дети, но папа не «опять сидит за компьютером», а профессионально растёт. Тем более иногда хочется выполнять не кем-то придуманные задачки, а свои, полностью свои.
Рис. 1. Таймеры. Добавляй сколько хочешь. Обратите внимание на грамматическую ошибку. Стыдно, но не хочется Builder устанавливать для перекомпиляции.
Разрешите представить вам контроллер, архитектура которого, не то чтобы отличается от всех прочих, скорее она не принята на вооружение. Уже давно забыт список прочитанной перед началом работ литературы, использованы мысли многих людей из разных компьютерных эпох, простите меня мои забытые учителя. Зато вам не придётся от меня открещиваться. Да и денег это не пронесло, поэтому и делиться нечем.
Сразу скажу, что контроллер состоялся, прошит в Спартаны всех поколений и успешно трудится на просторах СНГ и одной стране Прибалтики. Сейчас бы многое было сделано по другому, но любые изменения мне уже ленивы и, что случилось, то случилось. А случилось вот что.
— Разрядность контроллера от 1 до 32, со знаком или без оного. (Не помню проверял ли я работу на малых разрядностях). Используется дополнительный код.
— Количество таймеров так же не ограничено. На каждый таймер можно установить свой обработчик прерывания.
— Обработчик прерываний с бесконечным количеством входов, каждый вход имеет приоритет от 0 до 99 (ограничение по причине «и так большого числа»). Возможность запрещать все прерывания или низкоприоритетные только.
— Количество последовательных портов типа UART неограниченно, разрядность ограничена разрядностью ядра.
— Делитель частоты сделан плохо и неправильно, но исправно выдаёт любую частоту для любой периферии или просто наружу контроллера.
— Сопроцессор. О нём ниже.
То есть мы имеем контроллер, поддерживающий основные операции арифметики и прочего изменения битов в словах (плюс, минус, сдвиг, побитовая логика…). Так же он обращается к внутренней памяти и хранит код программы так же внутри себя. Память используется блочная, именно она является платформозависимой и в настройках программы обязательно нужно указать какая микросхема будет носителем контроллера. Все операции по любому направлению действий выполняются за один такт, это может и не всегда хорошо, но упростило проектирование архитектуры. Исключением является целочисленный делитель, функции которого реализованы в сопроцессоре, деление выполняется медленно, но уверенно. Алгоритм деления был выбран самый простой – побитный.
Хотелось бы рассказать про код команд, но сам не помню из чего он состоит. Исходя из принципа «не использовать то, что не используется» даже длинна кода команды является величиной не константной, тем более его содержимое. Скажем, если в компилируемой программе встречается 14 команд, то каждая команда кодируется 4 битами, если используется 18 команд – выделяется пятый бит. Плюс к каждой команде добавляется бит длинны, если он равен 0, то команда одинарная, если 1 – двойная, или наоборот, это не важно. Двойная команда нужна для операций, содержащих адрес ОЗУ или ПЗУ. Добавим к этому то, что шины адреса так же имеют не константные длины, и получим полный бардак в коде команд, рассматривать его никаким дизассемблером смысла нет, как собственно и ассемблер в этом контроллере.
Форт – вот тот язык, который позволил мне реализовать эти странные идеи. Форт прост и низкоуровневый. Писать компилятор данного языка – одно удовольствие. Ну, конечно, все конструкции языка не поддерживаются, только основные по пересылке данных и их изменении.
Рис. 2. Руководство достаточно скромное. Нескромное так и не написано.
Рис. 3. Вторая часть руководства. Не знаю почему, но окно расширить нельзя. Есть ещё и третья часть, но уж совсем скучная.
И, естественно, мы имеем стековый контроллер. То есть Форт функционирует в своей естественно среде – в стеке, в аппаратном стеке, а не медленном программном. «Всё за такт!» — второй девиз проекта. Аппаратный стек позволил при переходе в функции или вызове прерывания сразу приступать к выполнению команд обработки данных, без необходимости сохранять контент прерванного процесса. «Новые» данные просто помещаются в стек сверху, «старые» уходят в глубь и прекрасно там сохраняются. Затем «новые» данные, поучаствовав в разных операциях, благополучно переходят в ОЗУ или другие места, а «старые» выталкиваются на вершину. При возврате в прерванный участок кода никто ничего не заметит. Адрес прерванного кода сохраняется в другом стеке, и максимальное количество прерванных процессов зависит только ото глубины Стека Возвратов. Это величина настраивается при компиляции, хоть бы и «очень большое число». Параметры в функции передаются так же через стек.
Stackcpu – именно так и называется контроллер, почему-то латиницей, хотя писать код можно и кириллицей. Что я и делаю, приведу пример функции «меняем_биты_в_слове»:
:меняем_биты_в_слове читаем_из_нужного_порта, меняем_прочитанное_из_нужного_порта, записываем_в_требуемую_ячейку_памяти;
Где: «читаем_из_нужного_порта», «меняем_прочитанное_из_нужного_порта», «записываем_в_требуемую_ячейку_памяти» — функции, выполняющие определённые действия.
Ну не псих ли я красиво ли? Приведу ещё доказательства, программа управления светофором:
\\main
BEGIN
зелёный потушить, жёлтый потушить, красный зажечь.
пятьдесят секунд ждём…
зелёный потушить, жёлтый зажечь, красный потушить.
четыре секунды ждём…
зелёный зажечь, жёлтый потушить, красный потушить.
сорок секунд ждём…
зелёный уменьшить_яркость_до_нуля, жёлтый гори, а красный не_гори.
четыре секунды ждём…
0 UNTIL \бесконечный цикл
Ну что, псих красиво? Третий принцип проекта: «Литературный язык в управление электроникой!» Хотя, как показала практика, писать так программы довольно утомительно. Для знатоков Форт сообщу, что точку мой компилятор воспринимает как разделитель, и запятую тоже. Конечно, лучше использовать язык С, но компилятор С мне не по зубам, а использовать сторонние компиляторы архитектура не позволяет.
Рис. 4. Среда разработки с отчётом компилятора и линковщика.
Сколько ёмкости FPGA занимает контроллер? Да кто ж его знает. Всё зависит от разрядности числа, выбранной периферии, ещё чего-то, и от текста программы. В контроллере не будет умножителя, если он не встречается в программном коде, или не будет делителя, если его не использует программист. Под программистом я подразумеваю себя, так как других программистов данного контроллера не существует (принцип «не использовать тем, кто не использует»). По блочной памяти для ОЗУ данных и ПЗУ команд: минимум два блока, максимум вся блочная память кристалла.
Максимальная частота работы высчитывается только опытным путём, под конкретную архитектуру. Один из моих 24 разрядных контроллеров не работал на частоте 48 Mhz в Spartan2, на частоте 40Mhz заработал. В Spartan6 на сотне Mhz работал 32 разрядный. А может и на паре сотен заработает, ничего в нём такого сложного нет.
Рис. 5. Вот такой код увидит процессор. Обратите внимание, одна команда FORTH – это одна команда ядра процессора – один системный такт.
Первый PS: упомяну одну возможность сопроцессора – фильтр. Обычный БИХ фильтр. Но вот, что необычного в нём, так это то, что он использует плавающую точку. Не то что б в этом был какой-то смысл, просто прочитал какую-то книжку про форму представления чисел, и решил: ерунда интересна эта ваша плавающая точка, сделаем.
Рис. 6. Моделирование результатов работы фильтра. Высчитывается логика кода VHDL с точностью до битика.
Так же были планы по превращения проекта в систему на кристалле: добавление различных, писанных на VHDL блоков в периферию контроллера. И вроде не так уж и сложно, но запал иссяк. Дурные мысли меня покинули, и бродят где-то между программистами и электронщиками. И зовут их теперь Стартапами.
И ещё одно PS: С другой стороны, за время работы над проектом Stackcpu я неплохо подучил
1. FORTH, точнее некое его подмножество, необходимое для проверки работоспособности контроллера.
2. С++, на чистом С было бы тяжело написать среду разработки и компилятор.
Понятно, что рассказывать можно долго, но на этом хватит. Пойду заниматься чужими идеями, но с моей реализацией!
Собственно контроллер (половина мегабайта): cloud.mail.ru/public/1cdf4b1d4799/StackCPU.rar
| |
| |
Схема и описание работы программатора микроконтроллеров avr через порт usb.
Схема и конструкция несложного инфракрасного датчика на микроконтроллере PIC16F628A.
Простейший металлоискатель — пинпоинтер на микроконтроллере PIC16F629.
Принципиальная схема программатора и пример пошаговой прошивки pic-контроллера.
Схема и фото самодельного блока управления насосом на микроконтроллере ATtiy2313.
Предлагаю для повторения проверенную схему стробоскопа на светодиодах для автомобиля.СЧЁТЧИК НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ
Счётчик на микроконтроллере довольно прост для повторения и собран на популярном МК PIC16F628A с выводом индикации на 4 семисегментных светодиодных индикатора. Счётчик имеет два входа управления: «+1» и «-1», а также кнопку «Reset». Управление схемой нового счётчика реализовано таким образом, что как бы долго или коротко не была нажата кнопка входа, счёт продолжится только при её отпускании и очередном нажатии. Максимальное количество поступивших импульсов и соответственно показания АЛС — 9999. При управлении на входе «-1» счёт ведётся в обратном порядке до значения 0000. Показания счётчика сохраняются в памяти контроллера и при отключении питания, что сохранит данные при случайных перебоях питающего напряжения сети.
Принципиальная схема реверсивного счётчика на микроконтроллере PIC16F628A:
Сброс показаний счётчика и одновременно состояния памяти в 0, осуществляется кнопкой «Reset». Следует помнить, что при первом включении реверсивного счётчика на микроконтроллере, на индикаторе АЛС может высветиться непредсказуемая информация. Но при первом же нажатии на любую из кнопок информация нормализируется. Где и как можно использовать эту схему — зависит от конкретных нужд, например установить в магазин или офис для подсчёта посетителей или как индикатор намоточного станка. В общем думаю, что этот счётчик на микроконтроллере кому-нибудь принесёт пользу.
Если у кого-то под рукой не окажется нужного индикатора АЛС, а будет какой-нибудь другой (или даже 4 отдельных одинаковых индикатора), я готов помочь перерисовать печатку и переделать прошивку. В архиве на форуме схема, плата и прошивки под индикаторы с общим анодом и общим катодом. Печатная плата показана на рисунке ниже:
Имеется также новая версия прошивки для счётчика на микроконтроллере PIC16F628A. при этом схема и плата счётчика остались прежними, но поменялось назначение кнопок: кнопка 1 — вход импульсов (например, от геркона), 2 кнопка включает счёт на вычитание входных импульсов, при этом на индикаторе светится самая левая точка, 3 кнопка — сложение импульсов — светится самая правая точка. Кнопка 4 — сброс. В таком варианте схему счётчика на микроконтроллере можно легко применить на намоточном станке. Только перед намоткой или отмоткой витков нужно сначала нажать кнопку «+» или «-«. Питается счётчик от стабилизированного источника напряжением 5В и током 50мА. При необходимости можно питать от батареек. Корпус зависит от ваших вкусов и возможностей. Схему предоставил — Samopalkin
Форум по микроконтроллерам
Обсудить статью СЧЁТЧИК НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ
| | 
| Снижение расхода топлива в авто
Ремонт зарядного 6-12 В
Солнечная министанция
Самодельный ламповый
Фонарики Police
Генератор ВЧ и НЧ
|
Автоматическую систему полива растений можно собрать самому, по предлагаемой в статье схеме, с помощью микроконтроллера Atmega16, который следит за влажностью почвы.
Светодиодная цветная 3-х ватная «Лампа настроения» на базе микроконтроллера Attiny13 и импульсного БП на TNY245.
Создание цветовых светодиодных композиций освещения и управление ими при помощи микроконтроллера AT90S8535.
Оригинальный индикатор звука, собранный на базе микроконтроллера ATMEGA624 и специальных люминисцентных радиоламп.
Делаем программируемый таймер на микроконтроллере PIC16F628A, с цифровым жидкокристаллическим индикатором для отображения времени и настроек.
Схема интересного устройства — веб радио плеер на Ардуино. Предназначен для прослушивания музыки из интернета без компьютера.
