آلية برمجة المتحكمات من عائلة AVR الجزء 1

مقدمة

قبل البدء في شرح برمجة المتحكمات لابد من شرح أنواع الذواكر المختلفة التي تتواجد في المتحكمات أولا

يوجد في المتحكمات بشكل عام ثلاث أنواع من الذواكر  :

• flash memory : الذاكرة المخصصة للبرنامج التنفيذي  و هي نوع خاص من أنواع الـ EEPROM ، تحتفظ بمحتواها بعد قطع التغذية عن المتحكم .
• SRAM : الذاكرة الديناميكية و التي تستخدم بتخزين المتحولات المؤقتة أثناء تنفيذ البرنامج ، لا تحتفظ بالقيم بعد قطع التغذية عن المتحكم .
• EEPROM : ذاكرة مخصصة للمتحولات التي يراد بقاؤها بعد قطع التغذية عن المتحكم (مثل باراميترات النظام  : كقيمة سرعة محرك ابتدائية .. إلخ) ، تحتفظ بمحتواها بعد قطع التغذية عن المتحكم .

أنواع الذواكر الخاصة :

• السجلات العامة : عدد من السجلات التي تستخدم كذاكرة مؤقتة أيضاً (يوجد 32 سجل عام في متحكم أتميغا 8 ) .
• السجلات الخاصة :  و هي السجلات التي يكون لها غرض مخصص كالتحكم بسرعة شيء ما أو جهة دخل/خرج لرجل ما من الأرجل ، مثال : DDR هو سجل خاص لتحديد الرجل كدخل أو خرج و يوجد سجل من هذا النوع لكل بوابة مثلاً : DDRA .

لكل شيء مما ذكر عنوان يميزه عن غيره ، يمكن الوصول إليه من خلال هذا العنوان .

لماذا نحتاج للبرمجة في كل مرّة ؟

لشرح ذلك لابد شرح آلية برمجة المتحكمات بشكل مبسط ففي كل مرة تفتح واجهة بيئة  تطوير الأردوينو IDE أو واجهة  بيئة تطوير أخرى للكتابة بلغة السي العادية ، و تكتب كود معين و تنتهي من الكتابة ، فإنك ملزم بأن تقوم بترجمة compile ما كتبت ، و فعلياً هي عملية تحويل هذه التعليمات البرمجة لصيغة تفهمها الإلكترونيات ، و هي الأصفار و الواحدات ، و بشكل أدق تقوم بترجمة ما كتبته لرموزه الحقيقة بالأصفار و الواحدات ، فالسجل الذي كتبت اسمه و أسندت له قيمة ، هو فعلياً عبارة عن عنوان يجب على المترجم معرفته  بلغة الأصفار و الواحدات و بالتالي ينشئ المترجم ملف يسمى HEX و هو الملف النهائي الذي يجب أن يُتعامل معه ، يحوي ترتيب من القيم الثنائية (المعبر عنها بشكل سداسي عشر) .

بعد ذلك تقوم أنت و من خلال دارة معينة (USBasp مثلاً ) برفع هذا البرنامج إلى المتحكم الخاص بك ، و بشكل أدق إلى الذاكرة Flash (غالباً) و ذاكرة EEPROM (عند الطلب) و هذه الذواكر هي مخصصة للقراءة فقط  أثناء العمل و لا يمكن الكتابة عليها إلا في طور البرمجة ، لذلك أي تعديل مهما كان بسيط في كود البرنامج فأنت ملزم بترجمة الكود و رفعه من جديد .

[the_ad id=”2268″]

ملف intel HEX

هو الملف النهائي الذي ينتج عن عملية الترجمة و هو الذي يمرر إلى عملية الرفع (أو الحرق أو البرمجة) العتادية أو سمها ما شئت ، و لهذا الملف صيغة موحدة مرجعية يمكن الرجوع لها إلى صفحة الويكيبيديا ، و لكن باختصار هو عبارة عن ملف يحوي أرقام مكتوبة بالصيغة السداسية عشر ( كل رقم هو عبارة عن 4 بيتات و بالتالي يتألف هذا الترميز من 16 رمز من 0 إلى 9 و من A إلى F ) .

كل سطر في هذا الملف يتألف من ست أقسام :

1. قسم البداية : عبارة عن الفاصلة المنقوطة .
2. عدد البايتات : رقم من خانتين سداسيتي عشر ، مثلاً 10 أي 32 بايت .
3. العنوان : قيمة العنوان الذي يبدأ تخزين المعلومات لديه و الموجودة في نفس السطر ضمن الملف ، و هي 4 خانات سادسية عشر أي 16 بيت و بالتالي 64 كيلو بايت (عنوان) ، و يمكن التغلب على هذه المحدودية من خلال طريقة موضحة بشكل أكبر في صفحة الويكيبيديا .
4. نوع الحقل (السطر) : خانتين سداسيتي عشر تأخذ قيم من 00 إلى 05 و هي مسؤولة عن تحدد طبيعة السطر ، مثلاً : 00 تحدد أن سطر هو معلومات ، 01 تحدد نهاية الملف .
5. البيانات (المعلومات) : مكتوبة بشكل سداسي عشر (أي رقمين سداسي عشر يشكلان بايت) .
6. التأكد : خانتين تدلان عدد الواحدات الموجودة ضمن البيانات و يتم الرجوع لهذا الرقم للتأكد من عدم حدوث أي خطأ في البيانات .

#define F_CPU 16000000

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

int main(void){
DDRB=0xFF;
while(1){
PORTB^=1;
_delay_ms(1000);
}
}

البرنامج أعلاه هو لإضاءة الليد الموصولة مع البوابة PORT B الموجودة في المتحكم أتميغا 8 لمدة ثانية ثم إطفائها .

و عند ترجمة الكود باستخدام AVR GCC ضمن بيئة تطوير eclipse يظهر الملف النهائي HEX (تتبّع كيف ينطبق عليه ما شُرح سابقاً ) :

:1000000012C019C018C017C016C015C014C013C044
:1000100012C011C010C00FC00EC00DC00CC00BC06C
:100020000AC009C008C011241FBECFE5D4E0DEBF5E
:10003000CDBF02D00FC0E4CF8FEF87BB81E088BB7C
:100040002FEF33ED40E3215030404040E1F700C056
:080050000000F5CFF894FFCF8A
:00000001FF

البرمجة بالموضع ISP

الطريقة الشائعة في برمجة المتحكمات هي باستخدام بروتوكول SPI ، و علينا أن نميز بين الاختصارين لأهميتهم :

ISP : In-System Programming
SPI : Serial Peripheral Interface

حيث الأخير هو بروتوكول موصف عتادياً داخل المتحكم و الأول هو مفهوم لبرمجة المتحكمات داخل النظام النهائي الموضوعة فيه ، و بالواقع هي تمييز عن الطرق القديمة التي كانت تستوجب نزع المتحكم من النظام و وضعه في مبرمجة خاصة .

تتألف توصيلات البرمجة من 3 أسلاك أساسية و عملياً 6 ، حيث يتألف البروتوكول SPI من ثلاث اسلاك هي :

MOSI : Master Out Slave In
MISO : Master In Slave Out
SCK : Serial ClocK

يتضح من الأسم أن الأول يخرج منه البيانات من المبرمجة إلى المتحكم المراد برمجته و الثاني بالعكس و أما الأخير فهو للتزامن إذ أن المبرمجة (السيد) تتحكم بسرعة الإرسال ة توقيته للمتحكم (التابع) .

عملياً لكي تتم البرمجة يجب أن يتم محي البرنامج القديم من المتحكم و كذلك البقاء في حالة إعادة تهيئة reset ، و أيضاً يتم تزويد المتحكم المراد برمجته بتغذية من المبرمجة لتقيل تعقيد البرمجة و أيضاً رجل للأرضي للتأكد من توحيد الأرضي بين المتحكم و المبرمجة .

بالتالي فإن رأس البرمجة المخصص لهذه العملية هو التالي :

و توضع الصورة التالية هذا الرأس في مبرمجة USBasp

يمكن الاطلاع على التفاصيل بشكل أكبر في الملف المساعد المقدم من شركة أتميل لمتحكمات AVR .

هل  ما يتم برمجته هو الـ flash و الـ eeprom فقط ؟

يضاف إلى ذلك في متحكمات الـ AVR ما يسمى الفيوزات ، و هي نوع من السجلات الخاصة و التي تضبط إعداد معين في المتحكم و من هنا جاءت تسميتها ، و لا يتم التحكم بها إلا من خلال برمجتها أي أنها غير قابلة للوصول من قبل المبرمج .

يمتلك متحكم مثل أتميغا 8 سجلين فيوزات (بايتين) و لكل بت من هذا السجل معنا و يتم شرح عمل كل بيت من خلال جداول موجود في دفتر مواصفات كل متحكم datasheet

و من أشهر استخدام الفيوزات هو تحديد مصدر الساعة الذي يمكن أن يكون داخلي أو خارجي ، و أيضاً تحديد السرعة .

يجب الانتباه أثناء العمل مع الفيوزات على عدم التلاعب بها بشكل عشوائي إذا أن معظم الحالات تؤدي إلى قفل المتحكم الذي يدخل في حالة رفض للبرمجة (حتى يتم فك القفل و استعادة الفيوزات ) .

ملاحظات هامة في برمجة المتحكمات

• من الحالات التي تؤدي إلى قفل المتحكم هي ضبط الفيوزات على مصدر ساعة خارجي مع عدم وجوده و يمكن عندها الاستعاد من خلال تطبيق تردد 1MHZ على XTAL1 و يمكن الاطلاع أكثر عبر قراءة درس على موقع AVRfreak .
• للتخلص من مشاكل الحسابات الخاطئة لـ Hfuse و Lfuse  يمكن استخدام آلات حاسبة خاصة لهذه المهمة .
• تأتي متحكمات الأتميغا بتردد داخلي افتراضي 1 ميغا و هناك قانون يقول أن سرعة الساعة في بروتوكول SPI لا يجب أن تتجاوز ربع التردد الرئيسي لذلك من المهم استخدام تردد بطيء عند البرمجة ( و هذا سبب وجود جامبر في دارة USBasp ) و بعد ضبط التردد لقيم كبيرة مثل 8 ميغا يمكن استخدام سرعات برمجة أعلى بأمان .
• تأكد من توحيد الأرضي بين المبرمجة و المتحكم المراد برمجته .

في الجزء الثاني سيتم الحديث بشكل عملي أكثر عن البرمجة و البرامج المستخدمة من أجلها مثل AVRDUDE .