Программирование микроконтроллеров: полное руководство

Технологии становятся умнее и всё чаще встречаются в нашей жизни. Уже существует обувь с чипом, которая следит за активностью через телефон. Холодильники напоминают о сроке годности продуктов. Машины ездят самостоятельно. Во всех этих изобретениях, чтобы упростить нашу жизнь, используют микроконтроллеры. В статье рассмотрим, что такое микроконтроллеры, как они работают и как их программировать.

Что такое микроконтроллер и зачем он нужен

Это небольшой компьютер на одной микросхеме, его используют, чтобы управлять разными устройствами и системами. Микроконтроллер состоит из процессора, памяти, портов ввод-вывод, таймера и аналого-цифрового преобразователя. Основная задача микроконтроллеров — вводить информацию, обрабатывать ее и выдавать результат. Например, микроконтроллер внутри умных часов считывает информацию о пульсе, анализирует ее и показывает результат на экране.

Популярные микроконтроллеры

Есть несколько платформ с разными функциями и возможностями. Вот самые популярные из них.

Arduino

Популярная платформа, чтобы создавать электронные устройства. Ей легко пользоваться, поэтому программа подходит начинающим инженерам-электронщикам и профессионалам. Есть много плат, каждая подходит под разные проекты. Можно управлять светодиодами, считывать данные с датчиков или контролировать движение. У Arduino открытый исходный код, его можно изучать, улучшать или изменять. Есть бесплатные ресурсы, библиотеки и шаблоны. И простая интегрированная среда разработки (IDE) для кода.

У Arduino небольшой объем памяти, и она недостаточно мощная, поэтому не подойдет для сложных проектов. Источник: arduino.ru

Raspberry Pi

Мощная и универсальная платформа с собственной операционной системой Raspbian на базе Linux, которая хорошо обрабатывает информацию. Raspberry Pi можно подключить к другим устройствам: мониторам, клавиатурам и компьютерным мышам. У Raspberry Pi меньше места, чтобы хранить данные, и ей нужно больше энергии. Для новичков платформа не такая удобная, потому что ей сложнее пользоваться.

Raspberry Pi выпустили в 2012 году как дешевый компьютер для учебы, но теперь ее используют, чтобы разрабатывать разные встроенные системы. Источник: socialcompare.com

STM32

Это семейство микроконтроллеров разработала компания STMicroelectronics. Мощные микроконтроллеры используют в разных устройствах: например, в принтерах или электронных платах. У STM32 много дополнительных компонентов и возможностей. Ей сложнее научиться пользоваться, чем, например, Arduino или Raspberry Pi, поэтому новичкам будет трудно.

Платформу STM32 выпустили ​​в 2007 году, и с тех пор она популярна среди инженеров, профессионалов и любителей. Источник: arduinomaster.ru

PIC

Семейство микроконтроллеров. Разработала компания Microchip Technology. Они надежны, доступны по цене, с ними легко работать, поэтому микроконтроллеры PIC используют в разных электронных устройствах. PIC менее мощный и гибкий, чем некоторые другие платформы микроконтроллеров, например Arduino или STM32. PIC-микроконтроллеры легко программировать, поэтому они хорошо подходят для новичков.

Есть много моделей PIC с разными функциями, легко выбрать подходящий микроконтроллер для конкретной задачи. Источник: m.allicdata.com

AVR

Семейство микроконтроллеров, разработанное компанией Atmel (сейчас принадлежит Microchip). AVR-микроконтроллеры легко программировать, у них доступная цена, поэтому они отлично подходят для новичков. AVR используют в разных проектах, простых или более сложных устройствах: робототехнике, системе автоматизации и умных устройствах.

Есть много учебных материалов, проектов и форумов, где можно найти помощь и идеи для работы с AVR. Источник: el-ra.ru

Чтобы программировать микроконтроллеры, освойте новую профессию. Сделать это можно в онлайн-университете Skypro на курсе «Python-разработчик». Научитесь писать на Python, HTML, работать с Postman, Linux. После учебы сможете создавать базы данных и автоматизировать их работу, писать код для простых и сложных команд, ориентироваться в основах программирования. Получите диплом о профессиональной переподготовке, а консультанты по трудоустройству помогут составить оригинальное резюме.

Языки программирования микроконтроллеров

C/C++, Python и Assembly — самые популярные языки программирования в мире. У них разные характеристики, возможности, и они подходят под разные задачи.

С/С++

Одни из самых популярных языков, которые часто используют для программирования микроконтроллеров. C/C++ — высокоуровневые языки, на которых пишут сложные и гибкие программы для микроконтроллеров. У них более понятный и читаемый код, чем у Assembly. Можно переносить коды между разными микроконтроллерами, а еще есть много библиотек и готовых решений.

Программирование на C/C++ для микроконтроллеров более понятно и удобно, чем на Assembly.

Вот простой код на C для микроконтроллера AVR ATmega328P, который включает и выключает светодиод.

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

int main() {
// Инициализация
DDRB = 0xFF; // Все выводы порта B как выходы

while (1) { // Основной цикл
PORTB = 0xFF; // Установить все выводы порта B в высокое состояние
_delay_ms(500); // Задержка 500 миллисекунд

PORTB = 0x00; // Установить все выводы порта B в низкое состояние
_delay_ms(500); // Задержка 500 миллисекунд
}

return 0;

1. Включите нужные заголовочные файлы для работы с микроконтроллером.
2. Настройте все выводы порта B как выходы.
3. В бесконечном цикле поочередно установите все выводы порта B в высокое и низкое состояние, создайте мигание светодиодов, подключенных к этому порту.
4. Используйте функцию _delay_ms(), чтобы получились задержки между сменой состояний.

Python

Более понятный и простой язык, на нём программисты быстро и эффективно создают программы для микроконтроллеров, не углубляясь в сложные аппаратные детали. У Python простой и понятный синтаксис, похожий на обычный английский язык, поэтому его легко читать и писать. Можно быстро создать прототип и протестировать его. Есть много библиотек и готовых решений для работы с микроконтроллерами.
Например, простая программа на Python для микроконтроллера ESP32.

import machine
import time

# Инициализация
led = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT) # Светодиод на выводе 2

while True: # Основной цикл
led.value(1) # Включить светодиод
time.sleep(0.5) # Задержка 0.5 секунды
led.value(0) # Выключить светодиод
time.sleep(0.5) # Задержка 0.5 секунды

1. Импортируйте нужные модули для работы с микроконтроллером ESP32.
2. Настройте вывод 2 как выход и свяжите его с объектом led.
3. В бесконечном цикле поочередно включайте и выключайте светодиод, который подключен к выводу 2, с помощью метода value().
4. Используйте функцию time.sleep(), чтобы были задержки между сменой состояний светодиода.

Assembly

Низкоуровневый язык напрямую работает с основными компонентами компьютера: процессором, памятью и другими. Программы на Assembly работают быстрее, потому что близки к машинному коду. Код на Assembly сложнее читать и писать, а программы, которые создали для одной архитектуры, не будут работать на другой.

Так выглядит простая программа на языке Assembly, которая выводит сообщение «Hello, world!» на экран:

.section .data
message:
.ascii «Hello, world!\n»

.section .text
.globl _start

_start:
# Системный вызов write(1, message, 14)
movl $4, %eax # Номер системного вызова (write)
movl $1, %ebx # Дескриптор файла (stdout)
movl $message, %ecx # Адрес сообщения
movl $14, %edx # Длина сообщения
int $0x80 # Вызов системного прерывания

# Системный вызов exit(0)
movl $1, %eax # Номер системного вызова (exit)
xorl %ebx, %ebx # Код возврата (0)
int $0x80 # Вызов системного прерывания

# Завершение программы
.exit

1. Определите строку сообщения в разделе .data
2. Используйте системные вызовы write и exit в разделе .text, чтобы вывести сообщение на экран и завершить программу.

Практическое руководство: первый проект

Простое практическое руководство для первого проекта на Arduino

Шаг 1: Подготовьте оборудование

• Выберите микроконтроллер: например, Arduino Uno — хорошо подходит для новичков, им легко пользоваться и есть большое сообщество поддержки.
• Установите среду разработки: для Arduino скачайте и установите Arduino IDE. Программа доступна для Windows, macOS и Linux, это бесплатно.
• Подключите компоненты: длинную ножку (анод) светодиода к цифровому пину 13 на Arduino. Короткую ножку (катод) соедините с земельным пином (GND) через резистор. Один контакт кнопки подключите к цифровому пину 2 на Arduino, а другой соедините с земельным пином (GND).

Шаг 2: Напишите код

Откройте Arduino IDE и вставьте код:

const int ledPin = 13; // Пин, к которому подключен светодиод
const int buttonPin = 2; // Пин, к которому подключена кнопка

int ledState = LOW; // Текущее состояние светодиода
int buttonState = 0; // Текущее состояние кнопки

void setup() {
pinMode(ledPin, OUTPUT); // Устанавливаем пин светодиода как выход
pinMode(buttonPin, INPUT); // Устанавливаем пин кнопки как вход
}

void loop() {
buttonState = digitalRead(buttonPin); // Считываем состояние кнопки

if (buttonState == HIGH) { // Если кнопка нажата
ledState = !ledState; // Меняем состояние светодиода на противоположное
digitalWrite(ledPin, ledState); // Устанавливаем новое состояние светодиода
delay(500); // Небольшая пауза, чтобы избежать «дребезга» кнопки
}
}

1. ledPin и buttonPin задают номера пинов, которые используют для светодиода и кнопки.
2. ledState и buttonState хранят текущие состояния светодиода и кнопки.
3. setup(): настраивает пины. Светодиод как выход, кнопка как вход.
4. loop(): в бесконечном цикле проверяет состояние кнопки. Если она нажата, состояние светодиода меняется.

Шаг 3: Загрузите и протестируйте код

1. Подключите Arduino к компьютеру через USB.
2. Нажмите кнопку «Загрузить» в Arduino IDE, чтобы загрузить программу на микроконтроллер.
3. После загрузки нажимайте на кнопку и светодиод начнет мигать.

Первый проект готов. Теперь можно экспериментировать. Например, подключить несколько светодиодов или управлять другими устройствами: кнопками и датчиками.

Главное, что нужно знать о программировании микроконтроллеров

• Микроконтроллер — это маленький компьютер внутри разных устройств. Он помогает устройствам работать самим, без участия человека. Например, включать свет, измерять температуру или управлять двигателем.
• Выбор микроконтроллера зависит от ваших целей и уровня знаний. Новичкам лучше начать с простых и доступных вариантов, например: Arduino, PIC, AVR.
• Выбор языка программирования зависит от сложности проекта, требований к производительности и предпочтений разработчика. Assembly дает максимальный контроль над аппаратным обеспечением, а на высокоуровневых языках — C/C++ и Python — можно писать более сложные и переносимые программы.