Introduzione Arduino by Semeraro Stefano

Arduino

SEMERARO STEFANO

CALCOLATORI ELETTRONICI - 2014

INGEGNERIA DELLINFORMAZIONE UNIVERSITA DEL SALENTO

cos cosa si pu realizzare Arduino: un successo italiano nel mondo componenti elettronici e pinout ATmega328: il cuore (e molto altro) di Arduino

generalit e caratteristiche schema a blocchi del microcontrollore descrizione dei singoli componenti

architettura AVR introduzione e principio di funzionamento datapath dellarchitettura fasi del ciclo istruzione diagramma a stati finiti

Arduino

SEMERARO STEFANO



esempio di ADD, STOREWORD e JUMP implementazione pipeline

indici di prestazione e consumi come programmare il microcontrollore C: il linguaggio nativo dellAtmega328 lambiente di sviluppo (IDE) di Arduino DEMO: blinking led introduzione agli interrupts DEMO: ultrasonic proximity sensor comunicare col mondo esterno: la seriale DEMO: Android bluetooth comunication varianti di Arduino e relativi costi quando Arduino non basta: Raspberry Pi e i minicomputer

Arduino is an open-source electronics prototyping platform based on flexible, easy-to-use hardware

and software. it's intended for artists, designers,

hobbyists and anyone interested in creating

interactive objects or environments.

arduino.cc

Arduino pu:

interfacciarsi allambiente tramite sensori (luminosit,temperatura, suoni, campi elettromagnetici, ),interruttori, telecomandi,

effettuare elaborazione dei dati interagire col mondo esterno tramite led, emettitori

acustici, motori, servomotori, pompe idrauliche,

segnali radio o infrarossi, comunicare con altri dispositivi elettronici attraverso

la porta seriale

Tutto ci fa s che Arduino sia largamento usato in

ambiti quali la robotica, lautomazione, lentertainment,il modellismo e in generale nella maggior parte dei

settori ingegneristici.

3D rgb led cube

liquid lifebar

quadcopter

Un successo italiano nel mondo

NellXI sec la pittoresca citt diIvrea era famosa per il suo re, il

marchese Arduino di Dadone,

che nel 1002 venne eletto re

dItalia, posizione che mantennefino al 1014, quando fu

spodestato da re Federico II.

Pochi anni fa (2005), il Bar del Re

Arduino, a Ivrea, fu il luogo

dove Massimo Banzi, ingegnere

e professore universitario, ebbe

unicredibile idea:

creare una piattaforma per facilitare i propri studenti nello studio

dellInteraction Design (la disciplina che studia linterazione tra esseriumani e sistemi informatici)

(dopo qualche birra di troppo) Nacque Arduino.

Benzi rese pubblici tutti gli schemi (per laspetto elettronico) ei sorgenti (per laspetto informatico) del suo prototipo,autorizzandone la riproduzione e la modifica libera.

Poco dopo apr, assieme ad un ristretto gruppo di

collaboratori, un piccolo laboratorio ai piedi delle Alpi Graie

dove poter produrre Arduino per proporlo al mercato italiano.

La scheda completa viene venduta per meno di 30.

Il successo fu spaventoso e

immediato: Arduino fa il giro

del mondo nel giro di pochimesi e numerose industrie di

calibro internazionale

realizzano copie della scheda.

Lentusiasmo dimostrato dallacomunit di utenti ha aperto

un vero e proprio nuovo

settore commerciale, quello

dei microcontrollori hobbistici.

Componenti elettronici e

pinout

AREF valore massimo di riferimento per lADC

USB PLUG connettore usb per il collegamento al PC

ATmega16U2 integrato per la conversione da USB a

seriale (RS232): permette al

PC di dialogare con Arduino

simulando una connessione

seriale (vedi dopo)

GROUND riferimento di massa

DIGITAL IO pin digitali di ingresso e uscita (i pin

3,5,6,9,10,11 possono

simulare un uscita analogica

tramite funzionamento PWM)

SERIAL IN E OUT pin di ricezione (RX) e trasmissione

(TX) dellinterfaccia seriale

VOLTAGE REGULATOR regolatore di tensione che fornisce una 5V stabile

EXT POWER / VOLTAGE IN connettore/pin per lalimentazione esterna

RESET PIN / RESET BUTTONpin/pulsante per il reset di Arduino

3.3V / 5V pin per alimentare altri componenti (MAX 200ma!)

GROUND riferimento di massa

ANALOG IN pin per la lettura di grandezze analogiche (possono essere usati anche come pin digitali I/O non PWM)

ISP interfaccia per la scrittura diretta della FLASH del microcontrollore

ATmega328 di tutto e di pi (vedi dopo)

Arduino

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ATmega328: il cuore (e molto altro) di Arduino generalit e caratteristiche schema a blocchi del microcontrollore descrizione dei singoli componenti

Atmel ATmega328

Specifiche 8-bit AVR RISC-based (RCISC) CPU memoria flash da 32kb con read while write SRAM da 2kb EEPROM da 1kb 23 registri general purpose 23 linee di I/O general purpose 3 contatori (timers) interrupts interni ed esterni Interfaccia seriale bifilare 6 canali ADC a 10-bit whatchdog interno programmabile 5 modalit di risparmio energetico

Grazie alla sua natura di componente tuttofare questopiccolo microcontrollore risulta essere il candidato

migliore per un dispositivo come Arduino, che deve essere

al servizio della creativit degli sviluppatori.

E nonostante le sue enormi potenzialit, lATmega328costa meno di 3!

LA

Tme

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32

8

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di

Ard

uin

o

Schema a blocchi di alto livello

Diagramma

a blocchi

approfondito

FLASHMemoria a stato solido,

autoprogrammabile, da 32kb.

Pu essere cancellata e riscritta

circa 10000 volte.

E la memoria che contiene le istruzioni che devono essere eseguite dalla CPU

Mantiene le informazioni anche in assenza

di alimentazione.

SRAM (static random access memory)Da 2kb. E una memoria volatile con bassi tempi di lettura e consumo ridotto.

Qui vengono mantenute tutte le variabili e i

dati necessarie allesecuzione del programma.

NON maniente i dati in caso di mancanza

di alimentazione.

CPU (central processing unit)Esegue le istruzioni contenute nella flash.

Supporta una frequenza massima di 20Mhz.

Larchitettura implementata quella AVR (approfondita nel seguito).

Clock generation circuitE il componente che, datoin ingresso il segnale proveniente

da un oscillatore (ceramico in questo caso),

produce il segnale di clock necessario alla

sincronizzazione delle operazioni.

WatchdogDi tipo programmabile con oscillatore

interno.

Permette, una volta programmato dallo

sviluppatore, di intercettare loop infiniti o

situazioni di deadlock.

Power supervisionE il componente responsabile dellalimentazione dellintegrato. Tra le sue funzioni evidenziamo: 1) il mantenimento

della CPU in condizione di RESET fino al

raggiungimento di tensione richiesto 2) il

tamponamento della tensione in presenza

di glitch temporanei sullalimentazione.

EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory)

Da 1kb. E un tipo di memoria NONvolatile riscrivibile (~100000 scritture) in cui

ogni cella (1 bit) costituita da 2 transistor

MOS.

E utilizzata per salvare delle informazioni a runtime, ad esempio per riottenere lo stato

del programma dopo un riavvio.

Timers / counters3 contatori separati, 2 da 8-bit e 1 da 16-bit,

con modalit di comparazione.

Sono utilizzati per realizzare le uscite PWM

(pulse with modulation, con duty cycle

variabile) o come trigger per richiamare

porzioni di codice ad intervalli prefissati

(timer).

In modalit PWM i contatori da 8-bit

raggiungono una frequenza massima di

31250 Hz, contro i 62500 Hz di quello a 16-bit.

A/D converterE un convertitore analogico /digitale a 6 canali, ognuno

da10-bit.

Permette di effettuare letture di

segnali analogici, avendo a disposizione

un valore di riferimento fornito dal pin

AREF.

Internal bandgapIn assenza di un livello di tensione sul pin

AREF produce un riferimento stabile,

indipendente da variazioni

nellalimentazione, nel carico e nella temperatura di funzionamento, da fornire

al convertitore analogico digitale.

Analog comparatorPermette di generare un interrupt

(esecuzione asincrona di porzioni di

codice, vedi dopo) nel caso in cui un

segnale analogico supera una soglia

impostata dallo sviluppatore.

USART (universal syncronusasyncronous receiver-trasmitter)

Costituisce linterfaccia serialedellATmega328 e pu raggiungere velocit prossime a 1Mbps in modalit

FULL DUPLEX.

Verr approfondita in seguito.

SPI (in-system programmer)Permette di scrivere direttamente la flash

del microcontrollore, attraverso lausilio di un programmatore ISP.

Verr approfondito nel seguito.

TWI (two wire interface)Indica linterfaccia I2C, ovvero un sistema di comunicazione seriale

sincrono HALF DUPLEX con struttura

master-slave. Non utilizzato in Arduino.

PortsCostituiscono le porte di I/O del microcontrollore. La D corrisponde ai

pins 0-7 di Arduino, la B ai pins 8-13, la C ai pins (analogici) A0-A5.

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architettura AVR introduzione e principio di funzionamento datapath dellarchitettura fasi del ciclo istruzione diagramma a stati finiti

Arduino

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esempio di ADD, STOREWORD e JUMP implementazione pipeline

Larchitettura AVRLAVR unarchitettura hardware RISC a 8-bit nata sulla basedellarchitettura Harvard nel 1996 ad opera di 2 studenti del NorwegianInstitute of Technology, Alf-Egil Bogen e Vegard Wollan e

successivamente venduta ad ATmel.

E stata una delle prime architetture ad utilizzare una memoria flashon-chip per limmagazzinamento delle istruzioni, in opposizione alle ROM,EPROM ed EEPROM usate solitamente nei microcontrollori.

Le origini del nome sono incerte, alcuni lo attribuiscono ad AdvancedVirtual RISC (in quanto pu vantare di un maggior numero di istruzionirispetto ad unarchitettura RISC standard), altri alle iniziali dei suoi ideatori,seguite dalla lettera R di RISC.

I componenti principali

PROGRAM COUNTER

INSTRUCTION REGISTER

INTRUCTION DECODER

REGISTERS

ALU

SRAM MEMORY

STATUS CONTROLLER

Particolarit dellAVR

Per massimizzare

le prestazioni e

permettere di

aumentare il

numero di azioni

compiunte

parallelamente,

larchitettura AVR utilizza

memorie e bus

seprati per il

programma e

per i dati.

Particolarit dellAVR

Tutte le istruzioni

dellarchitettura AVR sono composte da un

numero di bit multiplo

di 16

(la maggior parte

sono esattamente da

16-bit).

Un potente sistema di

indirizzamento

permettere di

raggiungere

qualunque istruzione

del programma attraverso le istruzioni

di JUMP e BRANCH.

ALU e registri ad eccesso rapido

Il banco registri contiene

32 registri a 8-bit.

Il sistema a doppio bus

consente di poter

leggere 2 locazioni di

memoria e

contemporaneamente

scriverne una terza.

Questo consente di

effettuare la maggior

parte delle operazioni

logico/matematiche in

un singolo ciclo di clock.

One instruction: one clock!

Come si potuto notare il sistema a doppio bus consente un

notevole vantaggio in termini di prestazioni: da un lato permette

di eliminare le fasi del ciclo istruzioni successive alla EXECUTE,

dallaltro permette allunit di decodifica dellistruzione dioperare durante la stessa fase EXECUTE, rendendo superflua una

separata fase di ISTRUCTION DECODING.

Questo punto sar chiarito meglio nel seguito con lanalisi deldatapath.

Risulta evidente che le uniche 2 fasi interessate nellesecuzionedi una istruzione sono la FETCH e la EXECUTE.

Un (non troppo complesso) sistema di PIPE completa

larchitettura, accodando le 2 fasi e permettendo cos ad unprocessore AVR di completare la maggior parte delle istruzioni in

un singolo ciclo di clock!

Il registro di stato

Il registro di stato permette di

interrompere lesecuzione del programma in presenza di interrupt esterni, di mantenere

il risultato delloperazione logica pi recente per

permettere le istruzioni di salto condizionato senza impiegare

nuovamente lALU per la verifica della condizione e di

verificare la presenza di eccezioni (divisione per 0,

ecc) che modificano il

normale flusso del programma.

Vista

din

siem

ed

el d

ata

pa

th

Componenti del datapath

Registri

Program counter Registro istruzione Registro dellindirizzo di memoria Prossimo valore program counter


Memorie

Memoria del programma Memoria dei dati


ALU


Unit di

allineamento(e di controllo)

Traduce i bit dellistruzione neisegnali necessari al il datapath


Logica di

indirizzamento dei registri

Fornisce gli indirizzi di scrittura e lettura per iregistri a partire dal codice operativo, dallospiazzamento e dai numeri di registrocontenuti nellistruzione


Banco registri a 2 canali


Sommatore del program counter

Permette di calcolare il successivoindirizzo del program counter in casodi istruzioni di tipo JUMP o BRANCH

Diagramma a stati finiti

Tabella degli stati

Implementazione multiciclo

Ogni istruzione attraversa una e una sola

fase FETCH.

Ogni istruzione attraversa una o pi fasi

EXECUTE.

La maggior parte di esse (secondo

alcune statistiche l80% delle istruzionieseguite comunemente rientrano in

questa categoria) attraversano una sola

fase fetch.

Fase FETCH

Fase EXECUTE

La fase EXECUTE dipende dallo

specifico tipo di istruzione da

eseguire: in base ad esso infatti

verranno attivate diverse sezioni

del datapath.

In generale possiamo suddividere

le istruzioni in 3 categorie:

Logico/aritmetiche (tipo R) Trasferimento di dati (tipo I) Salto condizionato (JUMP) e

incondizionato (BRANCH)

Esempio: istruzione ADD

Esempio: istruzione LOADWORD (1)

Esempio: istruzione LOADWORD (2)

Esempio: istruzione JUMP (1)

Esempio: istruzione JUMP (2)

Da

tap

ath

co

mp

leto

(e re

ale

)

Segnali di controllo

Implementazione pipeline

Durante (lultima) la fase EXECUTE dellistruzione precedenteavviane la fase FETCH dellistruzione successiva.Questo accorgimento permette di, superato un clock di

ritardo iniziale, eseguire la maggior parte delle istruzioni in

un singolo ciclo di clock.

Implementazione pipeline

Particolarit dellistruzione BRANCH: viene ipotizzato che lacondizione di BRANCH non sia mai verificata, caricando

sempre listruzione immediatamente successiva. Se lipotesirisulta errata viene effettuato un nuovo FETCH dellistruzionecorretta, assegnando cos una penalizzazione di un ciclo di

clock.

Arduino

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indici di prestazione e consumi come programmare il microcontrollore C: il linguaggio nativo dellAtmega328 lambiente di sviluppo (IDE) di Arduino DEMO: blinking led introduzione agli interrupts DEMO: ultrasonic proximity sensor comunicare col mondo esterno: la seriale DEMO: Android bluetooth comunication varianti di Arduino e relativi costi quando Arduino non basta: Raspberry Pi e i minicomputer

Indici di prestazione e

consumi dellATmega328

Frequenza di clock massima: 20Mhz Frequenza di clock di default: 16Mhz

Valore di throughput: 1 MIPS per Mhz(16 MIPS alla frequenza di clock di

default)

Consumo di corrente a 1Mhz e 25C: Modalit attiva: 0,2mA Modalit power-save: 0,75A Modalit power-down: 0,1A

Programmare lArduino: USB vs ISP

Linterfaccia ISP (in-system programmer) permette di scrivere direttamente la memoria

flash di Arduino, senza scomodare la CPU.

Uno dei (pochi) vantaggi di questa tipologia di

programmazione la possibilit di riprogrammare

il bootloader (la porzione di istruzioni che esegue

il bootstrap, ovvero lavvio del dispositivo), negata con la programmazione USB.

Di contro richiedere un programmatore ed un

cavo ISP ed quindi in generale pi scomoda.

Programmare lArduino: USB vs ISP

La programmazione tramite USB avviene, invece, nel seguente modo:

lintegrato ATmega16U2 funziona come convertitore USB-RS232 facendocredere al computer collegato ad Arduino di avere a che fare con

uninterfaccia seriale.Lintegrato, inoltre, dopo aver ricevuto uno specifico segnale di inizioprogrammazione, resetta il microcontrollore ATmega328.

Il bootloader di questultimo, una volta avviato, rimane per pochimillisecondi in ascolto di un secondo segnale di inizio programmazione.

Nel caso in cui questo segnale venga effettivamente ricevuto,

lATmega328 risponde con un segnale di acknowledgment che raggiungeil computer e fa partire la programmazione vera e propria.

Con questa tipologia di programmazione si ha quindi bisogno di un

secondo integrato (lATmega16U2) ed il microcontrollore principale(lATmega328) deve funzionare attivamente, attivando cio la sua CPU.

C: il linguaggio nativo di Arduino

Arduino un dispositivo pensato principalmente per gli hobbisti e gli

sviluppatori indipendenti. E stato quindi obbligatorio scegliere unintegrato pensato e realizzato per eseguire codice di alto livello.

Banzi ha pensato che il C, un linguaggio di programmazione ideato

da Dennis Ritchie nel 1972, assicurava un buon livello di astrazione

senza compromettere la consapevolezza di avere a che fare con unapiattaforma hardware con risorse tuttaltro che illimitate.

Anche in questo caso lintegratoATmega si rivelata la scelta pi

indicata. Il team AVR di Atmel ha

invitato esperti di C (da IAR System)

a partecipare alla progettazione

del microcontrollore.

Dopo un percorso di miglioramenti

e rifiniture, lATmega328 pu oraeseguire codice C con una

velocit simile a quella di un

codice nativamente assembler.

Lambiente di sviluppo (IDE)

Carica

su Arduino

Salva

Apri

Controlla

codice

Nuovo

Apri console

seriale

DEMO 1:

blinking led

Pin collegato

al LED LED integrato

Gli interrupts e la ISR

Gli interrupts permettono di interrompere il normale flusso del

programma nel caso in cui si verifichino condizioni predefinite

(triggers) per eseguire dei blocchi di codice con priorit superiore,

prima di ritornare al programma principale.

Interrupts interni ed esterni

Nella maggior parte dei microcontrollori si distinguono 2tipologie di interrupts:

INTERNI: sono indipendenti dai dispositivi connessi epossono essere scatenati da eccezioni (divisione per0, overflows, ), timers e whatchdogs.

ESTERNI: si verificano solo in presenza di dispositiviesterni connessi e sono scatenati da cambiamenti nellivello logico di un pin (pins digitali) o superamento dilivelli di tensione di soglia (pins analogici).

DEMO 2: ultrasonic

proximity sensor

DEM

O 2

: ultra

son

ic

pro

xim

ityse

nso

r

Pin trigger

Pin echo

(agganciato

allinterrupt)

Linterfaccia seriale

Linterfaccia seriale di Arduino uninterfaccia FULLDUPLEX bifilare, in cui il PIN 0 rappresenta il ricevitore e il

PIN 1 rappresenta il trasmettitore.

Essa permette di comunicare con altri dispositivi

elettronici che utilizzano lo stesso protocollo di

comunicazione (che prende il nome di RS-232)

La comunicazione attraverso linterfacciaseriale :

SERIALE (non mi dire): i bit vengonotrasmessi in sequenza, uno dietro laltro;

ASINCRONA: non c un segnale di clockche sincronizza la comunicazione (

necessario che i dispositivi si accordino

sulla velocit di trasferimento);

POINT-TO-POINT: ad ogni trasmettitore associato un solo ricevitore.

Linterfaccia seriale

Lunit di misura che (spesso) viene usata per indicare lavelocit di trasferimento su di uninterfaccia seriale ilbps (che nel caso in questione di comunicazione binaria

coincide col baudrate) che corrisponde allinverso delperiodo che intercorre tra un bit e laltro.

I valori di baudrate che vengono usati comunemente

sono 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 e 1.8432M per

motivi storici legati alle trasmissioni tra telegrafisti.

DEMO 3:Android

bluetoothcommunication

Magic

box

Bluetooth

adapter HC-06

La DEMO andata a

buon fine?

SI NO

Come doveva andare

Alcune varianti di Arduino

NOME BOARD UNO REV.3 MEGA 2560 INTEL GALILEO

PREZZO UFFICIALE 24 47 66

PREZZO STREET 8 (clone) 12 (clone) 60

Quando Arduino non basta

I cosiddetti minicomputer, tra i quali si distingue leconomico Raspberry PI,sono unaltra categoria di dispositivi che si scostano di poco daimicrocontrollori: essi possiedono componenti tipici di un computer quali

unuscita video e audio, una o pi porte USB, una scheda di rete (spessowireless) e unarchitettura adatta a sistemi operativi pi complessi.Vengono spesso affiancati ad un microcontrollore per colmare la scarsit di

I/O (soprattutto di tipo analogico).

RiferimentiVideo introduttivi: https://www.youtube.com/watch?v=SyuLhEUImng /

w2itwFJCgFQ / ywfZsYApj_MStoria di Arduino: http://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/the-making-of-

arduinoATmega328 (datasheet): http://www.atmel.com/Images/doc8161.pdfArchitettura AVR: https://coefs.uncc.edu/sjkuyath/files/2012/04/Topic_3-

AVRarch.pdfDatapath AVR:

http://web.engr.oregonstate.edu/~sinky/teaching/4.AVR_Microarchitecture.pdf

AVR su Arduino: http://www.atmel.com/technologies/cpu_core/avr.aspx

Tutte le altre informazioni sono frutto di brevi ricerche su

Google o Wikipedia e di esperienza personale.

Si ringrazia la mia fidanza Roberta per laiuto nella realizzazione della Magic Box (cos contenta).

Per info e chiarimenti: [email protected]

Documents

Introduzione Arduino by Semeraro Stefano