L'intervento di Paolo Paolucci durante l'Arduino Day, che si è tenuto il 29 marzo 2014 presso il FabLab Sardegna Ricerche, nella sede di Pula del Parco scientifico e tecnologico della Sardegna.

1. Un sistema di sviluppo basato su
microcontrollore Atmel AVR
PaoloP
http://forum.arduino.cc/index.php?action=profile;u=58300

2. Argomenti
 Architettura generale dei microcontrollori
 Ambiente di sviluppo integrato
 Caratteristiche e elementi di Arduino UNO
 Principali caratteristiche del ATmega328P
 Concetti di porte e pin del microcontrollore
 Istruzioni per comandare i pin del microcontrollore

3. Il Team Arduino
Martino – Mellis – Cuartielles – Igoe – Banzi

4. Arduino con interfaccia RS-232
Il primo prototipo funzionante di Arduino
Il prototipo “zero” di Arduino, “quando
ancora si chiamava Programma 2003”

5. Arduino NG (Nuova Generazione)
Arduino Duemilanove

6. Arduino Uno Arduino Uno R3
http://arduino.cc/en/Main/Products

7. Cos’è Arduino?
 Piattaforma di sviluppo open source
 Open Source Hardware
 Open Source Software
 Economica e facilmente reperibile
 Espandibile tramite «shield»

8. https://github.com/arduino/Arduino
Open Software

9. http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno
Open Hardware

10. Sistema di espansione a shield

11. http://shieldlist.org/

12. Prima di Arduino…
Computer
• Software
• Eclipse
• AVR Studio 4
•Porte
• Serial
• Parallel
• USB
Programmatore
• Interfaccia
• JTAG/ICE
• ISP
•Programmatore
• Bit-Bang
• ICSP
• AVRISP Mk II
Microcontrollore
• Versione
•DIP
•SOIC
•QFN
•Funzioni
•ADC/DAC
•PWM
•USB

13. Arduino Uno R3
LED
Connettore
USB
Jack Alimentazione
Connettori Pin DigitaliPulsante di Riavvio
Microcontrollore
AVR
ATmega328P
Connettori Pin Analogici
Connettori alimentazione
Convertitore
USB-Seriale

14. Arduino IDE (integrated development environment)
 L'ambiente di sviluppo integrato
Arduino rende semplice la scrittura
di codice e caricarlo sulla scheda.
 Funziona su Windows, Mac OS X e
Linux.
 L'ambiente è scritto in Java e basato
su Processing, avr-gcc e altri software
open source.

15. Il linguaggio di Arduino
 Linguaggio C/C++
 Sintassi semplificata da funzioni di supporto alla programmazione
 Astrazione dei nomi dei pin, passaggio ai numeri
 Facile da imparare e potente
 Facilità di riutilizzo del codice C per altri progetti
 Librerie scritte in C/C++
 Moltissimo codice di esempio (Tutorial – Playground)
 Moltissime librerie già pronte (GitHub – GoogleCode)

16. Parole chiave del C
auto double int struct
break else long switch
case enum register typedef
char extern return union
const float short unsigned
continue for signed void
default goto sizeof volatile
do if static while

17. Le funzioni di Arduino
Digital I/O
pinMode()
digitalWrite()
digitalRead()
Analog I/O
analogReference()
analogRead()
analogWrite() - PWM
Due only
analogReadResolution()
analogWriteResolution()
Advanced I/O
tone()
noTone()
shiftOut()
shiftIn()
pulseIn()
Time
millis()
micros()
delay()
delayMicroseconds()
Math
min()
max()
abs()
constrain()
map()
pow()
sqrt()
Trigonometry
sin()
cos()
tan()
Random Numbers
randomSeed()
random()
Bits and Bytes
lowByte()
highByte()
bitRead()
bitWrite()
bitSet()
bitClear()
bit()
External Interrupts
attachInterrupt()
detachInterrupt()
Interrupts
interrupts()
noInterrupts()
Communication
Serial
Stream
USB (Leonardo and Due only)
Keyboard
Mouse

18. http://it.wikipedia.org/wiki/Microcontrollore
Microcontrollore
In elettronica digitale il microcontrollore o microcontroller o MCU (MicroController
Unit) è un dispositivo elettronico integrato su singolo chip, nato come evoluzione
alternativa al Microprocessore ed utilizzato generalmente in sistemi embedded ovvero
per applicazioni specifiche di controllo digitale.
ANALOG
INPUTS

19. AVR
 Sviluppati da Atmel nel 1996
 Famiglia di Microcontrollori RISC
(reduced instruction set computer)
 Istruzioni a lunghezza fissa, accesso alla memoria di tipo load-store con
32 registri general-purpose
 Pipeline a due stadi per velocizzare l’esecuzione
 Esecuzione della maggior parte delle istruzioni in un solo ciclo di clock
 Fino a 12 volte più veloce di una architettura standard CISC
 Architettura Harvard

20. http://it.wikipedia.org/wiki/Architettura_di_von_Neumann
Architettura Von Neumann

21. http://it.wikipedia.org/wiki/Architettura_Harvard
Architettura Harvard
Surveyor SRV-1 Blackfin Robot

22. AVR
 Memoria Flash programmabile, RAM, EEPROM interne
 Sistema di programmazione interno (ISP)
 Varietà di periferiche: I/O digitali, ADC, Timer, UART, RTC timer, pulse width
modulator (PWM)…
 Funzionamento fino a 20MHz
 Ampia gamma di tensioni di funzionamento: da 1.8 V a 6.0 V.
 Package variabile da 8 pin fino a 64 pin
 Famiglie
 ATtiny25-45-85, ATtiny24-44-84, ATtiny2313-4313 ...
 ATmega88, ATmega168, ATmega328P ...

23. Atmel ATmega328P
Versione PDIP
Plastic Dual In-line Package
Versione SMD
Surface-Mount Device

24. http://www.atmel.com/Images/Atmel-8271-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega48A-48PA-88A-88PA-168A-168PA-
328-328P_datasheet.pdf
Caratteristiche ATmega328P

25. http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno
Caratteristiche Arduino Uno

26. Tensione di lavoro dei pin
 I Microcontrollori sono fondamentalmente dei dispositivi digitali dove
l’informazione è ‘codificata’ in due stati discreti:
 HIGH or LOW (stato logici: 1 oppure 0)
Tensioni
 5 V (per HIGH)
 0 V (per LOW)
 3.3 V (per HIGH)
 0 V (per LOW)

27. http://www.atmel.com/Images/Atmel-8271-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega48A-48PA-88A-88PA-168A-168PA-
328-328P_datasheet.pdf
Valori massimi

28. Porte e Pin del Microcontrollore
Costituiscono il canale di
comunicazione del flusso di
informazioni da e per il
microcontrollore
Es. PORTB
• Pins PB0 – PB7
• Possono non essere contigui
• Spesso sono bidirezionali

29. Schema a blocchi - Architettura interna ATmega328

30. Schema ATmega328 PDIP
http://forum.arduino.cc/index.php/topic,146315.0.html
Nome
Pin
Funzioni
Speciali
Numero
Pin

31. http://forum.arduino.cc/index.php/topic,146315.0.html
Schema atmega328 SMD

32. Periferiche interne
• Memoria Flash
• Memoria RAM
• Memoria EEPROM
• WatchDog Timer
• Interfaccia Seriale
• Interfaccia SPI
• Interfaccia I2C
• Convertitore Analogico – Digitale
• Timers
• Porte/Pin

33. Input
Output
Particolare della
Porta D

34. Direzione dei dati nelle Porte e Pin
 Input
 Quando si prendono le informazioni dal mondo esterno (sensori)
verso la MCU
 Output
 Quando si invia un segnale per cambiare lo stato di un qualcosa di
esterno alla MCU (accendere o spegnere un led, un motore, etc.)
 all’accensione o al Reset i pin sono impostati di default come input
 da programma è possibile cambiare la direzione e lo stato dei pin in
qualsiasi momento
 ogni porta I/O ha associati dei registri di memoria

35. Registri di memoria I/O
 SREG: Status Register
 SP: Stack Pointer Register
 GIMSK: General Interrupt Mask Register
 GIFR: General Interrupt Flag Register
 MCUCR: MCU General Control Register
 MCUSR: MCU Status Register
 TCNTO: Timer/Counter 0 Register
 TCCR0A: Timer/Counter 0 Control Register A
 TCCR0B: Timer/Counter 0 Control Register B
 OCR0A: Timer/Counter 0 Output Compare
Register A
 OCR0B: Timer/Counter 0 Output Compare
Register B
 TIMSK0: Timer/Counter 0 Interrupt Mask
Register
 TIFR0: Timer/Counter 0 Interrupt Flag Register
 EEAR: EEPROM Address Register
• EEDR: EEPROM Data Register
• EECR: EEPROM Control Register
• PORTB: PortB Data Register
• DDRB: PortB Data Direction Register
• PINB: Input Pins on PortB
• PORTD: PortD Data Register
• DDRD: PortD Data Direction Register
• PIND: Input Pins on PortD
• SPI I/O Data Register
• SPI Status Register
• SPI Control Register
• UART I/O Data Register
• UART Status Register
• UART Control Register
• UART Baud Rate Register
• ACSR: Analog Comparator Control and Status
Register
Nell'architettura dei calcolatori un registro è una piccola parte di memoria utilizzata per velocizzare l'esecuzione dei programmi fornendo un accesso
rapido ai valori usati più frequentemente, tipicamente, i valori correntemente in uso in una determinata parte di un calcolo. La maggior parte delle
moderne architetture dei computer (RISC, o più genericamente "architetture load-store") è basata su un'architettura a pipeline che trae beneficio dal
limitare l'accesso in memoria alle sole istruzioni load e store, utilizzando soltanto registri e costanti per l'esecuzione di tutte le altre istruzioni.

36. Registri della Porta B
PORTB: PortB Data Register
DDRB: PortB Data Direction Register
PINB: Pins Input on PortB
Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

37. Registri di una Porta
Ciascuna Porta I/O ha associati 3 registri:
1. DDRx (dove “x” è A, B, C…)
 Data Direction Register Port x
 Determina quali pin della porta sono input (0) e quali sono output (1)
DDRB = 0x02; /* imposta il secondo pin della porta B come output” */
2. PORTx
 Port Driver Register
PORTB = 0x02; /* imposta il secondo pin della porta a livello alto e azzera gli altri */
3. PINx
 Port Pins Registers
 Legge contemporaneamente lo stato di tutti e 8 i pin della porta
unsigned short int x;
x = PINB; /* Scrive lo stato della porta B nella variabile x */

38. Pilotare un LED (blink)
#include <avr/io.h>
#include <avr/delay.h>
int main(void)
{
DDRB = (1<<DDRB5);
PORTB = (1<<PORTB5);
while(1)
{
_delay_ms( 3000);
PORTB = b00000000;
_delay_ms( 3000);
PORTB = b00010000;
}
return 0;
}
ATmega 328P stand-alone

39. Struttura di UNO sketch
 Un programma su Arduino == ‘sketch’
 Deve obbligatoriamente avere:
 setup()
 loop()
 setup()
 Configura il modo dei pin
 loop()
 Corpo principale del programma
impostato come ciclo infinito
 Come un while(1) {…}
 Dov’è la funzione main() ?
/* Blink
Turns on an LED on for one second, then off for one
second, repeatedly.
This example code is in the public domain.
*/
int led = 13;
// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() {
// initialize the digital pin as an output.
pinMode(led, OUTPUT);
}
// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
digitalWrite(led, HIGH); // turn the LED on (HIGH is
the voltage level)
delay(1000); // wait for a second
digitalWrite(led, LOW); // turn the LED off by
making the voltage LOW
delay(1000); // wait for a second
}

40. MAIN.cpp
#include <Arduino.h>
int main(void) {
init();
#if defined(USBCON)
USBDevice.attach();
#endif
setup();
for (;;) {
loop();
if (serialEventRun)
serialEventRun();
}
return 0;
}
 Semplificazioni dell’IDE
nasconde:
 Main.cpp
 Prototipi delle funzioni
 Gestione degli #include

41. Impostare la direzione di un pin
 Con Arduino IDE
 pinMode(pin_no., dir)
Es. impostare il pin 3 di Arduino (PD3) come uscita
 pinMode(3, OUTPUT);
Nota: un pin alla volta
Supponiamo di voler impostare i pin 3, 5 e 7 (PD3, PD5 e PD7) come
uscite.
Come possiamo fare?

42. Esempio 1
 Arduino IDE  Registri
 Impostare i pin 3, 5 e 7 (PD3, PD5 e PD7) come uscite
pinMode(3, OUTPUT);
pinMode(5, OUTPUT);
pinMode(7, OUTPUT);
DDRD = 0b10101000;
or
DDRD = 0xA8;
or
DDRD | = 1<<PD7 | 1<<PD5 | 1<<PD3;

43. PINMODE()
void pinMode (uint8_t pin, uint8_t mode) {
uint8_t bit = digitalPinToBitMask(pin);
uint8_t port = digitalPinToPort(pin);
volatile uint8_t *reg, *out;
if (port == NOT_A_PIN) return;
// JWS: can I let the optimizer do this?
reg = portModeRegister(port);
out = portOutputRegister(port);
if (mode == INPUT) {
uint8_t oldSREG = SREG;
cli();
*reg &= ~bit;
*out &= ~bit;
SREG = oldSREG;
} else if (mode == INPUT_PULLUP) {
uint8_t oldSREG = SREG;
cli();
*reg &= ~bit;
*out |= bit;
SREG = oldSREG;
} else {
uint8_t oldSREG = SREG;
cli();
*reg |= bit;
SREG = oldSREG;
}
}

44. Uso di un pin per accendere un LED
 Accendiamo un LED connesso al pin 7 di
Arduino (PD7) (occhio alla resistenza!)
 Come si deve impostare la direzione del pin
7 (PD7)?
 pinMode(__, ______);
 Accendiamo il LED
 digitalWrite(7, HIGH);
 Spegniamo il LED
 digitalWrite(7, LOW);
ATmega328
Arduino
pin 7
(PD7)

45. Esempio 2
 Arduino  Registri
 Impostare i pin 0 e 1 (PD0 e PD1) come uscite con un livello del segnale
ALTO
pinMode(0, OUTPUT);
pinMode(1, OUTPUT);
digitalWrite(0, HIGH);
digitalWrite(1, HIGH);
DDRD = b00000011;
PORTD = b00000011;
o
DDRD = 0x03;
PORTD = 0x03;
oppure
DDRD | = 1<<PD1 | 1<<PD0;
PORTD | = 1<<PD1 | 1<<PD0;

46. Digitalwrite()
void digitalWrite (uint8_t pin, uint8_t val) {
uint8_t timer = digitalPinToTimer(pin);
uint8_t bit = digitalPinToBitMask(pin);
uint8_t port = digitalPinToPort(pin);
volatile uint8_t *out;
if (port == NOT_A_PIN) return;
// If the pin that support PWM output, we need to turn it off
// before doing a digital write.
if (timer != NOT_ON_TIMER) turnOffPWM(timer);
out = portOutputRegister(port);
uint8_t oldSREG = SREG;
cli();
if (val == LOW) {
*out &= ~bit;
} else {
*out |= bit;
}
SREG = oldSREG;
}

47. PIN, sensori e resistenze di pull-up - 1
 Usiamo un pulsante come sensore
 Vogliamo leggere lo stato del pulsante
 Qual è la direzione da attribuire al pin 3
di Arduino (PD3)?
 pinMode(__, ______);
 Qual è la tensione sul pin PD3 quanto il
contatto è chiuso?
 Qual è la tensione sul pin PD3 quanto il
contatto è aperto?
 Indeterminata!
ATmega328
Arduino
pin 3
(PD3)

48. PIN, sensori e resistenze di pull-up - 2
 Forniamo una tensione sul pin PD3 per
determinare lo stato attivando la resistenza di
pull-up
 Impostiamo PD3 come input-pullup:
 pinMode(3, INPUT);
 digitalWrite(3 ,HIGH);
oppure
 pinMode(3, INPUT_PULLUP);
 Che tensione leggero sul pin PD3
quanto il pulsante è aperto?
 VTG
 Che tensione leggero sul pin PD3
quanto il pulsante è chiuso?
 GND
ATmega328
PD3
VTG= +5V
0
1

49. PIN, sensori e resistenze di pull-up - 3
 Spegniamo la resistenza di pull-up
 Dopo aver impostato PD3 come input:
 pinMode(3, INPUT);
 …….
 digitalWrite(3, LOW);
ATmega328
PD3
VTG= +5V
0
1

50. PIN, sensori e resistenze di pull-up - 4
‘Weak Drive’
 Settando il pin come input e attivando la
resistenza di pull-up interna la corrente in
uscita dal pin è debole.
 Il valore tipico delle resistenze di pull-up per
l’ATmega328 è tra i 20 e 50 kΩ
ATmega328
PD3
VTG= +5V
0
1
iweak

51. Esempio 3
 Arduino  Registri
 Impostare i pin 0 e 1 (PD0 e PD1) come ingresso attivando la resistenza
di pull-up
pinMode(0, INPUT);
pinMode(1, INPUT);
digitalWrite(0, HIGH);
digitalWrite(1, HIGH);
DDRD = 0; // all PORTD pins inputs
PORTD = b00000011;
o
PORTD = 0x03;
oppure
DDRD & = ~(1<<PD1 | 1<<PD0);
PORTD | = (1<<PD1 | 1<<PD0);
oppure
pinMode(0, INPUT_PULLUP);
pinMode(1, INPUT_PULLUP);

52. Risorse
 www.arduino.cc
 www.atmel.com/avr
 en.wikipedia.org/wiki/Arduino
 camillomiller.com/arduino/leggi-online.html
 forum.arduino.cc

53. forum.arduino.cc

54. forum.arduino.cc