Recenzja: AVR. Praktyczne projekty (XMega)

Autor: Dondu

Atmel podzielił swoją rodzinę mikrokontrolerów AVR, na 3 grupy:

• ATtiny
• ATmega
• ATXmega

O ile te dwie pierwsze niewiele różnią się od siebie i zostały omówione w pierwszej książce autora, o tyle mikrokontrolery ATXmega, to znacznie bardziej rozbudowane, szybsze i uporządkowane mikrokontrolery AVR.

Dlatego też w rękach osoby, która pozna niuanse ATXmega rewanżuje się ona znacznym przyrostem wydajności, względem poprzednich rodzin:

Porównanie rodzin mikrokontrolerów Atmel AVR.

Większa wydajność nie bierze się tylko i wyłącznie z większej częstotliwości zegara taktującego mikrokontroler, ale przede wszystkim z wyposażenia tych mikrokontrolerów w dodatkowe moduły jak:

• DMA,
• CRC,
• RTC,
• DAC,
• kontroler przerwań,
• moduł kryptograficzny,
• sprzętowa obsługa enkoderów,
• sprzętowa obsługa przycisków pojemnościowych,
• system zdarzeń,
• PLL - układ zarządzania zegarem i mocą.

Jednakże:

Kolosalną zaletą mikrokontrolerów ATXmega jest także to, że wiedza nabyta przy pomocy ATtiny i ATmega daje solidne podstawy, które znacznie przyspieszają i ułatwiają wkroczenie w świat ATXmega.

Innymi słowy, by zyskać znacznie większą wydajność swoich projektów nie musisz sięgać po zupełnie nieznane Ci mikrokontrolery np. ARM.

Dlatego też autor książki przyjął istotne założenie:

Tomasz Francuz
Stąd też w tej książce założyłem, że czytelnik posiada wiedzę i umiejętności nabyte w wyniku lektury poprzedniej książki. W tej książce uwzględniłem tylko charakterystyczne dla ATXmega rozszerzenia oraz zmiany, jakie zaszły w kompilatorze gcc w ciągu ostatnich dwóch lat.

Niniejsza książka jest więc kontynuacją poprzedniej, ze wszystkimi konsekwencjami z tego wynikającymi:

Innymi słowy, jeżeli nie znasz podstaw mikrokontrolerów AVR i języka C, książka ta nie jest dla Ciebie. Powinieneś najpierw skorzystać z tej: Język C dla mikrokontrolerów AVR. Od podstaw do zaawansowanych aplikacji

Nauka nowej rodziny mikrokontrolerów, może odbywać się na dwa sposoby:

1. używamy symulatora wbudowanego w oryginalne środowisko Atmel Studio,
2. praktycznym programowaniu mikrokontrolera i empirycznym sprawdzaniu wyników jego pracy.

O ile pierwszy sposób, nie kosztuje nic, ponieważ całe środowisko Atmel Studio IDE jest darmowe, o tyle praktyczne testowanie, nieco nas będzie kosztować. Niestety mikrokontrolery ATXmega nie są produkowane w obudowach DIP, które pasują do płytki stykowej.

Dlatego autor książki przyjął, że bazą mogą być na przykład oryginalne płytki Atmela z serii Xplained. Ale wcale nie muszą być to płytki oryginalne, a w serwisach aukcyjnych znajdziecie masę różnych wersji z różnymi mikrokontrolerami ATXmega.

Ja jednak polecę Wam wykonanie we własnym zakresie płytek na bazie udostępnionych przez kol. Manekinen w artykule: XMEGA: Moduły własnej roboty (DIY) by manekinen

Wszystkim zainteresowanym ATXmega polecam także cykl artykułów autora książki, które o tej rodzinie możecie znaleźć tutaj: Wstęp do mikrokontrolerów XMEGA Atmel'a.

Tyle słowem wstępu, czas by zagłębić się w książkę ...

---

Zawartość książki

Pokrótce omówię poszczególne rozdziały:

Rozdział 2: Jak zacząć, czyli instalacja środowiska

Standardowy rozdział, którego lektura znacznie ułatwi Ci przygotowanie się do pracy z mikrokontrolerami ATXmega. Nie ma tutaj nic szczególnego na co warto by zwrócić uwagę, ale czytając książkę nie pomijaj tego rozdziału!


Rozdział 3: Organizacja i zarządzanie projektem

Jeżeli wykorzystujesz mikrokontrolery ATXmega oznacza to, że zajmujesz się poważniejszym projektem niż prosty robot, czy odtwarzacz MP3. Stąd zapewne poziom skomplikowania Twojego programu, będzie znacznie większy. W takim przypadku nie można sobie pozwolić na bałagan w kodzie programu, projekcie, czy jego wersjach.

W rozdziale tym, autor pokazuje jak prawidłowo należy zorganizować swój projekt od strony podziału na pliki, biblioteki oraz jak kontrolować wersje za pomcą wbudowanego w Atmel Studio systemu SVN.

Po lekturze i zastosowaniu się do tych zaleceń, nie będziesz już miał problemów przy dużych projektach oraz wielu wersjach tego samego projektu.


Rozdział 4. Jak tworzyć lepszy i efektywniejszy kod?
Rozdział 5. Jak uporządkować chaos, czyli złożone typy danych i listy?

Znasz biegle takie pojęcia jak:

• struktury,
• listy,
• stosy,
• kolejki,
• pola bitowe,
• unie,
• deep copy i shallow copy
• konstruktory i destruktory,
• … itp.?

… jeżeli nie, to te dwa rozdziały przeniosą Ciebie na wyższy poziom programowania, a co za tym idzie wydajności, jakiej być może jeszcze nie znasz. Te łącznie 66 stron, to skondensowana wiedza, poszerzająca umiejętności posługiwania się językiem C z ukierunkowaniem na mikrokontrolery.


Rozdział 6. Koniec bałaganu, czyli o nazwach rejestrów i układów peryferyjnych

Od tego miejsca zaczyna się stricte omawianie ATXmega. Ten krótki rozdział wprowadzi Ciebie w porządek jaki panuje w rodzinie ATXMega w zakresie nazw rejestrów i ich bitów:

Tomasz Francuz
Firma Atmel rozwiązała sprawę bardzo elegancko, uporządkowując całą przestrzeń I/O. W efekcie każdy typ układu peryferyjnego niezależnie od tego, do której podrodziny ATXmega należy, jest opisany dokładnie w taki sam sposób.

Innymi słowy koniec z przerabianiem kodu przenosząc się z jednego mikrokontrolera na inny, jak to często miało miejsce w Attiny i Atmega.

Ten rozdział jest obowiązkowy!!!


Rozdział 7. Lepiej i prościej, czyli porty IO procesora na sterydach

38 stron o pinach?! To chyba lanie wody!
Nie, to po prostu możliwości ATXmega :-)

Ten rozdział jest niezbędny do prawidłowego wykorzystania mikrokontrolerów ATXmega, ponieważ ich możliwości w tym zakresie są ogromne. Znajdziesz tutaj kompletny zestaw informacji, którego nie będę opisywał – wystarczy, że przeczytasz zawartość tego rozdziału w spisie treści.

Dodam jedynie, że w przeciwieństwie do poprzednich rodzin, ATXmega mają (jak większość  nowoczesnych mikrokontrolerów) możliwość zmiany funkcjonalności danego pinu, przez co znacznie łatwiej projektować płytki PCB.


Rozdział 8. Kontroler NVM - jak prosto i przyjemnie dobrać się do pamięci

W ATXmega także i dostęp do pamięci FLASH, EEPROM i SRAM, nie jest tylko „standardowy”. W mikrokontrolerze tym, zastosowano specjalizowany układ NVM, który pozwala na różnego rodzaju niestandardowe wykorzystanie pamięci jak np.:

• mapowanie EEPROM w obszarze adresowym SRAM,
• kasowanie wybranych bajtów strony (a nie tylko całej strony),
• dostęp do EEPROM z wykorzystaniem tokenów,
• wspólna przestrzeń adresowa FLASH i SRAM vs wskaźniki,
• itp.

W rozdziale tym, znajdziesz także praktyczne rozwiązania dot. często poruszanego na forach problemu zapisu danych do pamięci EEPROM przy zaniku zasilania mikrokontrolera. Autor pokazuje jak poradzić sobie z tym problemem zarówno od strony schematu jak i przykładu programu.


Rozdział 9. Potrzebuję więcej mocy - słów kilka o konfiguracji zegara

ATXmega jak na nowoczesny mikrokontroler przystało posiada bardzo rozbudowane możliwości w zakresie zegara taktującego mikrokontroler i jego wewnętrzne układy. W szczególności istotne są możliwości w zakresie zmiany częstotliwości taktowania w trakcie pracy mikrokontrolera tym bardziej, że ATXmega umożliwia taktowanie rdzenia (CPU) z inną prędkością niż pozostałych modułów wewnętrznych.

Gdy do tego dodać jeszcze możliwość wykorzystania systemu PLL, do zwiększania częstotliwości taktowania, daje to olbrzymią ilość kombinacji pozwalając dostosować mikrokontroler do potrzeb konstruktora.

Ten ogrom możliwości ma jednak swoją cenę, i może osobie „przesiadającej się” z  ATTiny i Atmega na ATXmega sprawić sporo problemów. Dlatego też autor słusznie omawia każdą nowinkę w tym zakresie, co znacznie ułatwi zrozumienie idei i przetestowanie jej na przykładach.


Rozdział 10. Przerwania i kontroler przerwań

Do skomentowanie rozdziału o przerwaniach postanowiłem zacytować fragment wstępu:

Tomasz Francuz
Przerwania są jednym z najważniejszych elementów w świecie mikrokontrolerów, z drugiej strony ich poprawne wykorzystanie i oprogramowanie nastręcza najwięcej trudności.

Rozdział ten większość z nich powinien wyjaśnić i zachęcić do szerokiego stosowania narzędzia, które właściwie wykorzystane daje niesamowite możliwości.

Jest to o tyle istotne, że przykłady znajdujące się w kolejnych rozdziałach w znakomitej większości bazują na przerwaniach.

W rozdziale tym znajdziesz także przykłady języka C oraz ich odpowiedniki w assemblerze w zakresie dot. przerwań. Jest to o tyle istotne, że z reguły zależy nam na tym, by przerwania wykonywały się jak najszybciej.


Rozdział 11. System zdarzeń

Co to jest takiego ten system zdarzeń? Najprościej mówiąc, to programowalny sposób powiązania wewnętrznych układów mikrokontrolera w taki sposób, że jedne zależne są od drugich. Połączenia te realizowane są za pomocą jednego z 8 dostępnych kanałów.

Brzmi skomplikowanie?
Pewnie tak, dlatego też w tym rozdziale autor przedstawił przykłady (dostępne w załącznikach) wykorzystania zdarzeń, do realizacji sprzętowej obsługi:

• filtru cyfrowego,
• dekodera kwadraturowego kodu Gray'a,
• podłączenia enkodera obrotowego.

Poznanie tych możliwości rodziny ATXmega przeniesie Ci wiele satysfakcji i znacząco wpłynie na odciążenie CPU mikrokontrolera oraz uproszczenie programu. Autor w bardzo zrozumiały sposób tłumaczy, każdy istotny aspekt w tym zakesie.


Rozdział 12. Timery i liczniki

Gdy zaczynasz lekturę tej książki, zgodnie z założeniem autora timery nie powinny stanowić dla Ciebie wiedzy tajemnej, której jeszcze nie posiadłeś. Ponieważ timery w ATXmega mają znacznie większe możliwości w tym:

• kaskadowe łączenie,
• wykorzystanie DMA,
• itp.

stąd autor przede wszystkim kładzie nacisk na ich poznanie na przykładach oczywiście.


Rozdział 13. Kontroler DMA

To jedno z najpotężniejszych narzędzi mikrokontrolerów ATXmega. Nie było go w poprzednich rodzinach, stąd też autor poświęca mu sporo miejsca.

Dla niezorientowanych, DMA to układ transmisji danych pomiędzy wewnętrznymi modułami mikrokontrolera, w tym także CPU. Moduł ten przy odpowiednim jego zaprogramowaniu przejmuje od CPU wszelkie „nudne” procesy zajmujące CPU niepotrzebnie czas, czyli wpływa na oszczędzanie mocy obliczeniowej CPU.

DMA wykorzystywany w komputerach, trafił do świata mikrokontrolerów 8-bitowych właściwie po to, by w ten prosty sposób znacząco zwiększyć ich wydajność.

Autor w rozdziale dot. DMA omawia wstępnie interfejs DMA, ponieważ:

Tomasz Francuz
W dalszej części książki pokazane zostaną liczne przykłady użycia DMA w aplikacjach, zanim jednak zostaną one omówione, musisz poznać nieco budowę tego tajemniczego komponentu.

I faktycznie, w kolejnych rozdziałach DMA jest wykorzystywany - także w poprzednim rozdziale (timery) DMA był już użyty.



Rozdział 14. LED-y - co z nich można wycisnąć?

Tytuł i umiejscowienie tego rozdziału w książce może bardzo dziwić. Jednakże po jego lekturze uznasz, że rozdział ten pokazuje praktyczne przykłady:

Tomasz Francuz
Jednak celem tego rozdziału jest przede wszystkim pokazanie jeszcze raz, jak korzystać z podstawowego układu peryferyjnego jakim jest timer, oraz jak łączyć charakterystyczne dla Xmega podsystemy (timer, DMA, system zdarzeń), tak aby maksymalnie odciążyć procesor.

I tak faktycznie jest. W rozdziale tym znajdziesz schematy i programy (w załącznikach) dla:

• taśm LED,
• wyświetlaczy 7-segmentowych,
• matrycy LED.

W osobnym podpunkcie autor omawia także najczęściej pojawiające się błędy w projektowaniu urządzeń wyświetlających za pomocą LED.

Projekty z LED-ami stanowią jedną z najprostszych metod poznawania i nauki danej rodziny mikrokontrolerów dlatego uważam, że ten rozdział za bardzo istotny i znacznie przyspieszający nauczenie się DMA i systemu zdarzeń.


Rozdział 15. Układy zegarowe w praktyce

ATXmaga posiadają układy RTC, które nie do końca są odpowiednikami tych np. z PIC-ów Microchipa. Innymi słowy nie są to typowe układy liczące sprzętowo upływający czas w postaci sekund, minut, godziny, dni, miesięcy, itd.

Układy te są jedynie przygotowane do ułatwienia realizacji takich funkcjonalności za pomocą ATXmega. Autor dokładnie omawia i pokazuje na przykładach jak zrealizować dokładny zegar czasu rzeczywistego z wykorzystaniem wewnętrznych timerów RTC oraz kalibracji.

Jako ciekawostkę autor omawia także w tym rozdziale sposób odbioru sygnału radiowego wzorca czasu według standardu DCF77, co pozwala realizować projekty, które będą synchronizowały czas do wzorca czasu zegara atomowego.


Rozdział 16. Budujemy zegar z budzikiem, czyli skończona maszyna stanów w praktyce

Właściwie tytuł zawiera wszystko co w tym dziale jest omówione. Jeżeli nie wiesz co to jest skończona maszyna stanów, to zaglądnij do Wikipedii: Automat skończony (ang. finite state machine, FSM)

Zapewne już ją stosowałeś, nawet nie wiedząc o tym :-)

Dlaczego autor porusza ten temat?:

Tomasz Francuz
… w miarę jak zastosowania mikrokontrolera stają się coraz bardziej skomplikowane, warto na chwilę wrócić do teorii choćby po to, aby w sposób przejrzysty i łatwy do modyfikacji pisać większe programy.

Wybrany przez autora przykład projektu budzika z kalendarzem jako projektu opartego o maszynę stanów, jest w miarę prosty i łatwy do zrozumienia. Ja jednak oczekiwałbym w tym rozdziale dodatkowego bardziej skomplikowanego przykładu.



Rozdział 17. Komunikacja na różne sposoby, czyli USART w praktyce

Interfejs USART w ATXmega, to niezależność w każdej postaci :-)

Po pierwsze jest ich znacznie więcej niż w standardowych Atmega, a w dodatku są w każdym porcie mikrokontrolera. Łącznie daje to bardzo duże możliwości komunikacji z urządzeniami zewnętrznymi.

Komunikacja to wymiana danych, a tam gdzie są wysyłane lub odbierane dane w ATmega pośredniczyć musiał rdzeń CPU. W ATXmega mamy DMA i to jest to! Teraz wystarczy dobrze poznać USART i DMA, by dane śmigały w obu kierunkach praktycznie bez udziału rdzenia CPU.

A ponieważ USART jest bardzo często wykorzystywany, stąd rozdział ten nie powinien być krótki i tak faktycznie jest, gdzie omówiony jest USART łącznie ze strumieniowaniem danych przy łączności z komputerem PC.



Rozdział 18. Wizualizacja danych

Wizualizacja danych, to nic innego jak konwersja danych cyfrowych na format, zrozumiały dla człowieka odbierany przede wszystkim przez nasz wzrok. Bardzo często stajemy przez dylematem, jak powinny być prezentowane dane uzyskane za pomocą naszego urządzenia, którym jest np. jakieś urządzenie pomiarowe.

W rozdziale tym autor przedstawia oryginalne i darmowe narzędzie Atmela o nazwie Atmel Data Visualizer, które umożliwia taką wizualizacje danych przesłanych interfejsem do komputera.

Istotą tego rozdziału nie jest jednak omówienie samego narzędzia, lecz:

Tomasz Francuz
W tym rozdziale pokazane zostanie, jak zbudować nieco bardziej skomplikowane protokoły wymiany danych, a także niejako przy okazji – jak uzyskane dane przedstawić w miarę przystępny sposób.

Autor omawia ten temat na bazie dwóch przykładów:

• ultradźwiękowego pomiaru odległości,
• analizator stanów logicznych.

Temat ten jest bardzo fajnym fragmentem książki, który można modyfikować i rozbudowywać we własnym zakresie, kładąc (w przypadku analizatora stanów logicznych) nacisk na szybkość agregowania danych, czy dodawanie takich funkcji jak wyzwalanie początku i końca agregowanych danych za pomocą określonego stanu pinów, itd.


Rozdział 19. Wykorzystanie podczerwieni do transmisji danych

Ten rozdział nie jest bezpośrednio związany z możliwościami Xmega, ale uzupełnia moim zdaniem zawartość pierwszej książki, w której powinien się był znaleźć. Autor nadrabia więc ten brak podając w sposób skondensowany wszelkie niezbędne informacje i przykłady, by móc poprawnie realizować komunikację w podczerwieni w różnych standardach.

Na temat tego rozdziału nie będę się rozpisywał – wystarczy przeczytać zawartość na spisie treści.

---

Podsumowanie

Dla kogo jest ta książka?

Mogę z całą stanowczością potwierdzić, że:

Zgodnie z założeniami autora nie jest to książka dla osoby, która dopiero zaczyna przygodę ze światem mikrokontrolerów.

... przypomnę założenia autora:

Tomasz Francuz
Stąd też w tej książce założyłem, że czytelnik posiada wiedzę i umiejętności nabyte w wyniku lektury poprzedniej książki. W tej książce uwzględniłem tylko charakterystyczne dla ATXmega rozszerzenia oraz zmiany, jakie zaszły w kompilatorze gcc w ciągu ostatnich dwóch lata.

Autor bardzo dokładnie i konsekwentnie omówił najważniejsze zalety rodziny ATXmega, wybierając na pierwszy ogień te najważniejsze, których używanie pozwala na znaczące zwiększenie mocy obliczeniowej i generalnie wydajności budowanego urządzenia.

Bardzo dobrym uzupełnieniem do tej książki są dwa cykle artykułów, prowadzone przez autora na naszym blogu:

• Atmel Studio - zintegrowane IDE
• Wstęp do mikrokontrolerów XMEGA

które autor co jakiś czas wzbogaca o nowe odcinki.


Wsparcie ze strony autora - kontakt

Istotnym jest także to, że autor bardzo chętnie odpowiada na wszelkie pytania dot. zawartości swoich książek, na forum: Elektroda.pl: Dział - Mikrokontrolery Ogólne. Jeżeli więc będziesz miał pytanie lub problem wystarczy, że napiszesz nowy temat na forum i na pewno odpowiedź otrzymasz. Znajdziesz go tam pod nickiem tmf.


Moim zdaniem ...

Mogę więc śmiało polecić tę książkę wszystkim tym, którzy znając już AVR-y potrzebują większych wydajności, przy jednoczesnym krótkim okresie nauki nowych peryferii, w porównaniu z przesiadaniem się na mikrokontrolery np. ARM.

Książka tak jak poprzednia napisana bez wodolejstwa jak to ma miejsce w przypadku innych książek, czyli koncentrat wiedzy z niezbędną ilością wyjaśnień. W szczególności polecam tę książkę uczniom szkół ponadgimnazjalnych oraz studentom.

Dodatkowo, gdy policzysz sobie ile kosztuje jedna strona tej skondensowanej wiedzy (632 strony) w porównaniu do książek innych autorów, będziesz mile zaskoczony. Zrób to dla wersji drukowanej oraz eBook i ... wnioski wyciągnij sam


Wydanie

Ponieważ poprzednia książka była wydana na papierze, który pozostawiał wiele do życzenia,  informuję że tym razem wydawca postarał się i papier jest już bardzo dobrej jakości. Książka jak większość książek tego wydawnictwa wydana jest w miękkiej okładce w technice klejenia. Klejenie jak zwykle jest bardzo dobre, ale przy intensywnym użytkowaniu przez kilka lat, na pewno nie dorówna książkom szytym, za to jest od nich tańsza. Coś za coś, stąd ...

... alternatywą jest wybranie tej książki w wersji eBook, co daje Ci bardzo przydatne możliwości wyszukiwania informacji oraz robienia notatek, oszczędności, a także nieśmiertelność książki :-)
Dlaczego elektronik / informatyk powinien chętniej sięgać po eBook-i?



Gdzie kupić?

Wersje drukowane oraz eBook zakupisz na stronach wydawnictwa Helion: