1 Esipuhe Tiedon voi hankkia kolmella tavalla: ajattelemalla - se on jalo tapa yrityksen ja erehdyksen kautta - se on kova tie matkimalla - se on helppo tapa - Konfutse Sulautettujen järjestelmien merkitys kasvaa päivä päivältä yhä suuremmaksi meidän kaikkien jokapäiväisessä elämässä. Vaikka aina emme sitä itse edes huomaa. Kuka tulee ajatelleeksi tv:n kanavia vaihtaessaan, rahaa pankkiautomaatista nostaessaan tai autolla ajaessaan, että samalla käyttää tietokonetta. Oikeastaan useaa mikrotietokonetta, samalla kertaa. Tämä kirja käsittelee kaiken tarvittavan perustiedon, jotta osaat kirjoittaa pieniä ohjelmia mikroohjaimiin. Tavoite on oppia sekä ohjelmointia, että laiteläheisen C-ohjelmointikielen perusteet. Tärkeää on ymmärtää heti aluksi, että ohjelmoinnin oppiminen on eri asia, kuin ohjelmointikielen oppiminen. Ohjelmointitaito ei riipu kielestä. Se on taito ymmärtää miten yksinkertaisia, mutta selkeästi määriteltyjä käskyjä yhdistämällä tehdään (joskus hyvinkin) monimutkaisia asioita. Ohjelmointitaito kehittyy vasta kokemuksen ja kokeneitten myötävaikutuksella. Ohjelmointikielen oppiminen on helpompaa. Mitä et tarvitse Et tarvitse laajoja tietoja tietokoneista, etkä ohjelmoinnista, saati sulautetuista järjestelmistä. Sinun Ei tarvitse olla sähkö- tai elektroniikkaekspertti. Opiskellaan kaikki tarvittava asia laitteista aina kun C- ohjelmoinnin opiskelu sitä edellyttää. Tosin elektroniikan perustiedot ja -taidot madaltavat oppimiskynnystä tehokkaasti. Mitä tarvitset? Kiinnostusta, innostusta, motivaatiota. Joka takuulla kasvaa, kunhan alkuvalmistelujen jälkeen, varsinainen koodin kirjoittaminen alkaa. Opastusta ohjelmointiin, C-kieleen ja mikro-ohjaimiin. Se kaikki se tulee tässä kirjassa. PC:n ja sen käyttötaitoa sekä siihen AVR-mikro-ohjaimelle lähdekoodin konekoodiksi kääntävän C-kääntäjän. PC voi olla varsin vaatimatonkin, Windows 98 riittää. C-kääntäjäksi oli ehdolla ja testeissä useita erilaisia. Valinta ei ole vaikeaa, kun kaupallisten ohjelmien rinnalla on tarjolla Linux-periaatteella (GNU GPL-lisenssi) kehitetty vapaa kääntäjäohjelma, ja mikä tärkeintä, jonka ominaisuudet kestävät vertailun kaupallisten kääntäjien kanssa. Monessa mielessä se on jopa parempi. CodevisionAVR Tähän asti AVR-mikro-ohjaimien kanssa sulautettujen saloihin paneutuneet ovat käyttäneet varsin laajalti HPinfotechin tekemää kehitys- eli evaluaatioversiota CodeVisionAVR C-kääntäjästä. Se on varsin hyvä kääntäjäympäristö, mutta ohjelman ominaisuuksia on ilmaisversiossa rajoitettu ja maksullinen lisenssiversio toimii vain yhdessä koneessa (mikä, varsinkin kouluissa, on kallista). Jotta 1
2 tätä kirjaa voidaan käyttää myös CodevisionAVR:n kääntäjän ja Tietomyrsky Oy:n valmistaman EXB2313-kortin kanssa, on kirjan liitteisiin lisätty siitä soveltamisohjeet. Muutokset kohdistuvat lähinnä vain C-kääntäjän kirjastojen ja kirjastofunktioiden nimiin, itse C-kielihän on sama kaikissa ympäristöissä. Muutokset ovat niin vähäisiä, että kirja soveltuu aivan hyvin myös sulautetun järjestelmän C-kieliohjelmoinnin opiskeluun EXB2313-kortin ja CodevisionAVR-kääntäjän kanssa. Internet-yhteyden Se auttaa ja monipuolistaa opiskelua melkoisesti. Internetin avulla saa helposti yhteyden alan ammattilaisiin ja harrastajiin, joilta saa ideoita ja muuta apua tarvittaessa. Internetistä löytyvät tarvittavat työkaluohjelmat ja komponenttien dokumentit jne. Oikeastaan Internet ja mikro-ohjaimien ohjelmointiosaaminen luovat aivan uusia ulottuvuuksia elektroniikkaharrastukseen ja samalla valmentavat huomisen mielenkiintoiseen ammattiin. Mikro-ohjainkortin Tarvitset valmiina ostetun, rakennussarjan tai omatekemän mikro-ohjainkortin. Ilman sulautetun C- ohjelmoinnin opiskeluun soveltuvaa AVR-mikro-ohjainkorttia opiskelusta ei tule yhtään mitään. Tämän kirjan mukana tulee piirilevy, josta kukin voi tehdä oman opiskelutietokoneen. Rakennusohjeet löytyvät kirjan liitteestä ja lisätietoja saa osoitteesta www.wsoy.fi tai www.microsalo.com Jos Sinulla ei ole elektroniikkarakentelusta kokemusta, pyydä apuun osaava kaveri, tai hanki valmis mikro-kortti. Jos taas elektroniikka on tuttua, silloin, no problem. Laitteen kokoaminen on osa opiskelua ja sen avulla tehtävät harjoitukset ovat tärkein osa oppimista. C-kielestä C-kielestä tuli 1990-luvulla johtava mikrotietokoneiden ohjelmointikieli. 2000-luvulla se on tullut mikro-ohjainympäristöön. Ennen sulautetut järjestelmät ohjelmoitiin laiteläheisellä assembly-kielellä. Nyt C-kääntäjiä on saatavilla myös 8-bittisiin mikro-ohjaimiin. Kun flash-muistit tekniikan kehittyessä halpenivat, ne integroitiin osaksi mikro-ohjaimia niiden ohjelmamuistiksi. C-kieli ja flash-muisti yhdessä helpottavat oleellisesti sulautettujen järjestelmien ohjelmistojen testaus- ja kehitystyötä. Nyt ne helpottavat niiden opiskelua. C-kieli on oikeastaan sulautettujen järjestelmien lingua franca, yleiskäyttökieli. Siksi sen opiskelu on tärkeää, jos aikoo alalle, tai hankkia itselleen mielenkiintoisen harrastuksen. Tarkoitus on, että samalla kun opitaan itse ohjelmointia, opitaan myös, miten mikro-ohjain toimii ja miten se elektroniikalla liitetään ulkoiseen maailmaan. Koska on tultava toimeen rajoitetuin muisti- ja suorituskykyresurssein, on mikro-ohjainsovelluksissa itse ohjaimen hyvä tuntemus ohjelmoijalle ensiarvoisen tärkeää. Oikeastaan mikro-ohjaimien ohjelmointia ei voi tehdä, ellei tunne sitä laitealustaa, jossa ohjelma tulee toimimaan. Jos olet aiemmin käynyt C-kielen kurssin tai muuten siihen perehtynyt, niin Sinun tulee huomioida seuraavaa: Pienten sulautettujen systeemien C-kieli on paljon suppeampi kuin oikea standardin mukainen ANSI C. Tämä johtuu laitteiston vajavaisuudesta. Esim. tiedostojen käsittelyyn liittyvät kirjastot/käskyt yleensä puuttuvat, koska tavallisimmin (pieni) sulautettu järjestelmä toimii ilman käyttöjärjestelmää ja kiintolevyä. Toisaalta laiteläheisyys tuo kääntäjäkohtaisia erikoisuuksia, jotka eivät ole oikeaa C-kieltä, vaan kääntäjän valmistajan tekemiä bitinnypläyskäskyjä, joilla päästään manipuloimaan prosessorin ja liitäntäpiirien rekistereitä. 2
3 Kirjan sisältö Tämä teos ei pyri olemaan mikään "Kaikki mitä aina olet halunnut tietää mikro-ohjaimista". Sivut eivät riitä. Paremminkin se pyrkii olemaan "Kaikki tarpeellinen millä opitaan mikro-ohjaimien tekniikkaa ja niiden ohjelmointia". Kirjassa käsitellään käsikädessä mikro-ohjaimien rakennetta, sekä C-kielen perusteita. Kaikista esitellyistä C-ohjelmoinnin termeistä on lyhyt selventävä kuvaus. Toimintoja havainnollistetaan valokuvin, kaappauskuvin, piirroksin ja kaavioin. Kuhunkin käsitteeseen liittyy pieni, mahdollisimman helpoksi tehty ohjelmaesimerkki selityksin. Harjoitukset syventävät asian oppimista. Lopuksi opitun mittaus tapahtuu rakentamalla ja ohjelmoimalla päättötyö, eli liittämällä opiskeluun käytetty mikroohjainkortti ja Nokian Communicator, tai joku muu matkapuhelin yhteen, sekä ohjelmallisesti, että fyysisesti. Tartuntapintaa Jokainen talon rakennuksessa mukana ollut tai läheltä seurannut tietää, että aluksi on tehtävä kestävä kivijalka. Kunnolla tehty vahva perusta luo mahdollisuudet rakentaa komeakin talo kivijalan päälle ja se kestää vuosikymmenien tuulet ja tuiskut ja mahdollistaa myöhemmin tapahtuvat korjaukset ja lisärakentamiset. Samoin on ohjelmoinnin opiskelun kanssa. Oppiminen on läpi elämän alati jatkuva prosessi, joten ensin kannattaa panostaa jatkuvuuden mahdollistavan kunnon kivijalan tekemiseen. Vain laajoista perustiedoista syntyy tartuntapintaa, johon uudet asiat voivat kiinnittyä. Tieto kun on kumulatiivista, kasautuvaa. Mitä paremmat pohjatiedot, sitä helpompaa on siihen kartuttaa uutta tietoa. Mikro-ohjaimen ohjelmoinnin ja siihen liittyvän elektroniikan opiskelu on kuin polkupyörällä ajoa, senkin oppii vain itse ajamalla. Tulevaisuus Tuskin kenenkään arjesta löytyy elektronista laitetta, jossa ei käytettäisi ohjelmoitavaa mikro-ohjainta. Ja käyttö sen kun lisääntyy. Tämä taas edellyttää laitteiden suunnitteluun ja valmistukseen mukaan lisää uusia ammattilaisia, nimittäin sulautettujen järjestelmien ohjelmoijia. Tulevaisuudessa tarvitaan paljon ja hyviä koodin kirjoittajia. Perinteinen ATK-ohjelmointitaito ei riitä. Sulautettujen järjestelmien ohjelmointi on jotain aivan muuta. On osattava sekä laitteiston toiminta, että sen ohjelmointi. Mikro-ohjaimien ohjelmoinnin osaajien tarpeesta saa hyvän kuvan, kun tarkastellaan kaikkien käyttämää matkapuhelinta ja sen kehitystä hieman tarkemmin. Nimenomaan kännykän ohjelmistolla luodaan sen ominaisuuksien määrä ja laatu. Jos toisen sukupolven (2G) GSM-puhelimen ohjelman määrää kuvataan luvulla 1, niin kolmannen sukupolven (3G) UMTS-puhelimessa ohjelman määrä on 10 ja neljännen sukupolven (4G) viestimen, joka tulee seuraavaksi, siinä ohjelman määrä on 100. Lopuksi Tämä kirja pyrkii omalta osaltaan ennakoiden helpottamaan nykyistä ja tulevaa sulautettujen ohjelmoijien tarvetta madaltamalla aloituskynnystä. Se on erikoisesti suunniteltu soveltuvaksi itseopiskeluun, mahdolliseen etäopiskeluun ja tietenkin lähiopetukseen. Jos opiskelijan tukena on osaava opettaja, tai osaava opiskelijatoveri, kirjasta saatava hyöty tehostuu. Internetissä osaavista kavereista ei ole pulaa. Sisällön suunnittelussa on perusperiaatteena ollut käytännön läheisyys. Mottona entisen opettajani Olavi Vihmasen viisaus; vain se teoreettinen tietämys on elektroniikassa tarpeen, mikä voidaan 3
4 käytännössä hyödyntää. Tavoitteena on, että kirjan aineiston, ohjelmaesimerkit ja harjoitukset läpikäytyäsi osaat tehdä mikro-ohjaimiin pieniä sovelluksia, niin laite- kuin ohjelmistotasolla. Ja tuon kaiken teet innostuneena ja - oppimisesta nauttien. Halikossa 01.02.03 Kiitokset Kiitos Kalle Salokannel Ilman Sinua ei olisi syntynyt erilaisia protokortteja. Eipä paljon muutakaan. Thank you Mr. Jary van Smallwall for professional help. Kiitos Tauno Rupponen Kirjan mikroprosessoria koskea osuus perustuu Sinun aineistoosi. Innostunut, kaikelle uudelle alttiiksi antautuva opettaja on paras motivaation tartuttaja. Kiitos Jari Mansikkaviita Opastit, itse kaiken käytännössä testaten, miten kirjasta saadaan opetukseen, opiskeluun ja ennen kaikkea - oppimiseen soveltuva. Olis aina parempi - ajatella ensteks. Kiitos Tuula Ilman Mesenaattia ja Muusaa ei synny taidetta. Ohjelmointi on Taidetta. Esipuhe toiseen painokseen. WSOY oli ensin halukas kirjan uusimiseen toisen painoksen myötä, mutta uusi johto tuli uusiin ajatuksiin. WSOY:n uusi ajatus: Kaikki kirjat, joita myydään alle 1000 kpl per vuosi, jätetään kustantamatta. Siispä Microsalo oy kustantaa tämän toisen painoksen. Ja panee jakoon ilmaiseksi, oikeasti flash-muistitikun hinnalla. Kaikki on pantu uusiksi AVR mikro-ohjain on vaihtunut suurempaan (Atmel ATmega32) ja sen myötä opiskeluun tarkoitettu kortti (PV-M32 tai PV-M322 + PV-EMO ja muut). Myös C-käänninympäristö ja muut tarvittavat ohjelmat ovat kokeneet monta uudistumista, monipuolistumista, parannusta. Vain hyväksi todettu kirjan formaatti, runko, on entinen. Vaikka sekin on kokenut muutoksia. Kirjasta jakeluformaattina on luovuttu ja sen todella uudistunut sisältö jaetaan sähköisinä pdf-tiedostoina. 4
5 Ilmaiseksi. Vaikka perusta on entinen, sisältöä on todella syvällisesti laajennettu, paranneltu ja ohjelmien uudistumisen myötä myös tekstiä ja mallikoodeja on päivitetty ja kirjoitettu uusia. Myös kirjan kuvitus on uudistunut kaiken muun ohella. Jari Mansikkaviita on tehnyt ja muokannut valokuvia, piirtänyt kaaviokuvat uusiksi ja suunnitellut ja tehnyt PowerPoint-esityksiä jotka on liitetty mukaan (asiaa selventämään ja opettajan työtä helpottamaan). Toinen kuvista ja piirroksista kiitokset ansaitseva on ikielektrooni-kroonikko Tauno Rupponen. Kaikki muutokset ovat tarkoitettu opettajan ja opiskelijan avuksi. Vähentämään työtä ja antamaan opiskeluun uutta puhtia, uusia metodeja, uusia ideoita. Uudistus ei ole poistanut näiden asioiden tärkeyttä huomisen ubiquitous, kaikkialla läsnäoleva (läsnä-äly), yhteiskuntaa kehitettäessä. Päinvastoin. Yksi tärkeä näkökohta, joka sulautettujen opettajan/opiskelijan tulee ottaa huomioon. Tulevaisuus on selvästi menossa kohti langatonta internettiä (mitä tekee Google ystävineen, mitä tekee Nokian InternetTablet?) ja kännykästä on tulossa tuon langattoman netin älykäs yhteystietokone. Jossa on käyttöjärjestelmänä Embedded Linux. Ylläoleva suomennettuna: opiskelemalla tänään sulautettuja järjestelmiä AVR-ohjaimilla ja Open Source-työkaluilla Linux-ympäristössä kuten avr-gcc, hankkii samalla valmiudet Embedded Linux-ohjelmien tekoon. Sillä ne tehdään gcc-kääntimillä. Kaikki muu on opiskelijoiden harhaan johtamista.valitettavasti. Näitähän tekisi kuka vaan, jos tämä helppoa olisi. Sulautettujen rakentaminen ja ohjelmointi ei ole vaikeaa, mutta se on monimutkaista ja hyvin työlästä. Vain maratoonarin sielun palolla päästään perille. Joten opiskeluintoa Halikossa 01.01.2008 PS Kirjan materiaali jaetaan kahteen osioon, Mikro-ohjaimen ohjelmointi C-kielellä sisältää sulautettujen systeemien ohjelmoinnin perusteet ja se on tarkoitettu opiskelijalle. Edellistä laajempi versio, jossa on syventävää materiaalia ja opettamiseen tarkoitettuja powerpointyms. esityksiä, on tarkoitettu opettajan kirjaksi ja pidemmälle ehtineille opiskelijoille. Kirjan ohjeet käsittävät sekä Windows- (XP) tai Linux- (Debian) ympäristön IDE:n, Integrated Development Environment, rakentamiseksi. 5